回顧早期關(guān)于音質(zhì)模型的測定

回顧早期關(guān)于音質(zhì)模型的測定重要表演用廳堂，如音樂廳、甲級劇場或與甲級劇場同級別的廳堂必須進(jìn)行建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)。對這些廳堂，采用模型測定預(yù)測其音質(zhì)，可以保證獲得最佳的聲學(xué)效果，防止建成后出現(xiàn)聲學(xué)問題而帶來損失。廳堂音質(zhì)模型測定是世界上最前沿的廳堂建筑聲學(xué)研究手段，資料研究顯示，有能力進(jìn)行廳堂音質(zhì)模型測定的國家有：中國、日本、美國、俄羅斯、德國、法國、加拿大、澳大利亞、比利時(shí)、挪威、丹麥、意大利等。國內(nèi)完成過高級演藝建筑實(shí)際工程廳堂音質(zhì)模型測定的單位有清華大學(xué)和北京市建筑設(shè)計(jì)研究院。

廳堂音質(zhì)模型測定是建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)的重要手段，有近100年的應(yīng)用歷史，在我國有40多年的研究歷史。模型測定應(yīng)用了相似性原理，將模型按1:10比例制作，房間所有尺度縮小10倍，測量時(shí)聲波波長同樣縮短10倍，即頻率提高10倍，在10倍頻率上選擇模型內(nèi)的裝修材料的吸聲系數(shù)與實(shí)際裝修材料相同，因聲速不變，模型內(nèi)的混響時(shí)間、聲場均勻度、清晰度、擴(kuò)散度等等音質(zhì)指標(biāo)在三維尺度和時(shí)間尺度上均縮短10倍。測量模型的音質(zhì)參數(shù)，將長度和時(shí)間還原10倍后可得到了實(shí)際廳堂的音質(zhì)參數(shù)。模型測定是現(xiàn)階段所知唯一能夠較好模擬室內(nèi)聲音波動(dòng)特性的實(shí)用方法，其特點(diǎn)是：可以準(zhǔn)確模擬室內(nèi)復(fù)雜形狀繞射、散射、邊緣反射等聲學(xué)波動(dòng)現(xiàn)象，可以進(jìn)行可聽化主觀評價(jià)，可以直接發(fā)現(xiàn)一些建筑設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的聲學(xué)缺陷，可以準(zhǔn)確預(yù)測混響時(shí)間、聲場擴(kuò)散度等音質(zhì)參數(shù)。國內(nèi)很多重大工程均應(yīng)用了音質(zhì)模型測試的方法進(jìn)行了輔助聲學(xué)設(shè)計(jì)，如上海大劇院、北京天橋劇場、福建大劇院、國家大劇院、東莞大劇院、大慶大劇院等，一些普通廳堂由于工程需要，也逐漸開始使用該方法進(jìn)行音質(zhì)設(shè)計(jì)，如中央音樂學(xué)院附中音樂廳、深圳少兒劇場等。

從60年代起，清華大學(xué)即開始模型測定的研究，完成了近十多個(gè)的模型測定項(xiàng)目，具有豐富的模型制作和測量經(jīng)驗(yàn)，擁有國內(nèi)最優(yōu)良的模型測定儀器，能夠高水平地承擔(dān)模型測定任務(wù)。工作內(nèi)容包括， 1:10比例模型制作、模擬吸聲材料選擇、音質(zhì)參數(shù)測量、數(shù)據(jù)分析、方案聲學(xué)效果評價(jià)、改進(jìn)方案測量等。

20世紀(jì)60年代，廳堂音質(zhì)模擬理論、測試技術(shù)逐漸發(fā)展完善，世界范圍內(nèi)進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐后，模型測定預(yù)測廳堂音質(zhì)已經(jīng)基本達(dá)到了實(shí)用化。目前，聲源、麥克風(fēng)、模擬聲學(xué)材料已經(jīng)可以和實(shí)物對應(yīng)，儀器的頻帶也擴(kuò)展了，在模擬混響時(shí)間、聲壓級分布、短延時(shí)反射聲的分布等常用指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到實(shí)用的精度。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行聲場的模擬研究成為現(xiàn)實(shí)。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，聲音的傳播由波動(dòng)方程，即由Helmholtz 方程所描述。理論上，從聲源到接收點(diǎn)的聲脈沖響應(yīng)可以通過求解波動(dòng)方程來獲得。但是，當(dāng)室內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)和界面聲學(xué)屬性非常復(fù)雜時(shí)，人們根本無法獲得精確的方程形式和邊界條件，也不能得到有價(jià)值的解析解。如果對方程進(jìn)行完全簡化處理，所得到的結(jié)果極不精確，不能實(shí)用，只利用波動(dòng)方程通過計(jì)算機(jī)求解室內(nèi)聲場是不可行的。從實(shí)用角度講，使用幾何聲學(xué)的聲線追蹤法和鏡像虛聲源法，通過計(jì)算機(jī)程序可以獲得具有一定參考程度的房間聲學(xué)參數(shù)。但由于簡化了聲音的波動(dòng)特性，處理高頻聲和近次反射聲效果較好，模擬聲場全部信息尚有很大不足。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動(dòng)特性，在低頻模擬上獲得了一些進(jìn)展。歡迎光臨愛威家庭影院網(wǎng)www.tdntmepa.cn

廳堂中短延時(shí)反射聲的分布，即直達(dá)聲后數(shù)百ms(主要是200ms)以內(nèi)的反射聲強(qiáng)度、數(shù)目以及在時(shí)間軸上的排列，是決定音質(zhì)的重要因素。它取決于廳堂的大小、體型以及內(nèi)部材料的布置。在縮尺模型中，用電火花作為脈沖聲源測得的短延時(shí)反射聲分布，與實(shí)際大廳的短延時(shí)反射聲分布有良好的對應(yīng)，對在設(shè)計(jì)階段確定廳堂的大小、體型等有重要參考意義。這是廳堂音質(zhì)模型試驗(yàn)的重要用途之一。混響時(shí)間是公認(rèn)的一個(gè)可定量的音質(zhì)參數(shù)，通過模型試驗(yàn)可以預(yù)測所要興建廳堂的混響時(shí)間。制訂本標(biāo)準(zhǔn)的目的在于通過廳堂音質(zhì)模型試驗(yàn)，預(yù)測新設(shè)計(jì)的廳堂的音質(zhì)特性，據(jù)此調(diào)整廳堂容積、形狀以及吸聲材料布置的數(shù)量和位置，以使未來的廳堂符合使用要求。聲場不均勻度也是一個(gè)重要的音質(zhì)參數(shù)，以自然聲為主的廳堂，目前對這個(gè)參數(shù)還未制定定量標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)有擴(kuò)聲系統(tǒng)的廳堂，廣播電影電視部制定的GYJ25《廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)特性指標(biāo)》規(guī)定了聲場不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)，可供模型試驗(yàn)參照執(zhí)行。[page]

模型試驗(yàn)的測量系統(tǒng)、測量方法和結(jié)果的表達(dá)與實(shí)際廳堂相同，但需要根據(jù)廳堂模型的縮尺比s，在混響時(shí)間測量和聲場不均勻度測量時(shí)對測量頻率作相應(yīng)改變。即：模型中，測量頻率＝實(shí)際廳堂測量頻率×1/s。在廳堂音質(zhì)模型試驗(yàn)中，還可以進(jìn)行其它音質(zhì)參數(shù)、方向性擴(kuò)散、主觀評價(jià)等試驗(yàn)，但上述研究從總體上尚處于研究階段，需要具有豐富工程和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的單位才能完成。

不同頻率的聲波，在空氣介質(zhì)中傳播，特別是高頻聲波，它的由空氣吸收引起的衰減在不同溫、濕度條件下差別很大，并且一般與模型試驗(yàn)的縮尺比s不成線性關(guān)系，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際廳堂有較大誤差。國外有人曾在模型試驗(yàn)中用干燥空氣，或用吸濕方法降低模型內(nèi)的濕度，或用氮?dú)鈱⒛Ｐ椭械目諝馀懦�等方法試圖消除這種影響。但是，采用這些措施的設(shè)備都比較龐大，而且模型也不容易密封。模型內(nèi)聲傳播介質(zhì)可以為常溫常濕空氣，對混響時(shí)間測量結(jié)果，需采取對空氣吸收的影響作相應(yīng)的修正，且有足夠的精度。

對于短延時(shí)反射聲分布測量，廳堂音質(zhì)模型的縮尺比s一般采用1/5或1/10，也有采用l/20的，但因受試驗(yàn)設(shè)備和頻率過高的限制，精度受到一定影響。對混響時(shí)間的測量，縮尺比s為1/20時(shí)只能對應(yīng)實(shí)際廳堂1000Hz或2000Hz以下的頻率。推薦縮尺比s不小于1/10，對混響時(shí)間和聲場不均勻度的測量可擴(kuò)展至實(shí)際廳堂中的4000Hz。短延時(shí)反射聲分布測量的精度也較高。

模型的內(nèi)表面形狀，有些起伏尺寸比較小，對聲波的反射和擴(kuò)散沒有多大影響，在制作模型時(shí)可適當(dāng)簡化。但必須保留等于或大于實(shí)際廳堂中聲波為2000Hz的波長的起伏，不能省略。因?yàn)檫@些部分會(huì)對聲場的不均勻度有較大影響。

要使廳堂音質(zhì)模型的內(nèi)表面各個(gè)部分，包括觀眾席的吸聲系數(shù)在所測量的頻率范圍內(nèi)與相對應(yīng)的實(shí)際廳堂內(nèi)表面各部分及觀眾席的吸聲系數(shù)完全相符，實(shí)際上有很大難度，因此允許有±10％的誤差。一般廳堂的觀眾席的吸收，占廳堂內(nèi)表面總吸收的很大比重(約1/3至1/2左右)，因此這部分的吸聲模擬應(yīng)盡可能準(zhǔn)確。

為了避免在模型中的背景噪聲過高導(dǎo)至動(dòng)態(tài)范圍達(dá)不到要求而影響精度，廳堂音質(zhì)模型的外殼必須有足夠的隔聲量。因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)的信號(hào)頻率比較高，使模型的外殼在高頻段有一定的隔聲量，并不困難。因此使模型內(nèi)部的背景噪聲級低于測試信號(hào)聲級45dB以上是容易達(dá)到。

舞臺(tái)空間大小、形狀及吸聲狀況，對觀眾廳的短延時(shí)反射聲分布、混響時(shí)間及聲壓級分布有很大影響。在模型試驗(yàn)時(shí)，這部分宜包括在內(nèi)。舞臺(tái)空間部分的吸聲狀況也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的模擬。

短延時(shí)反射聲分布測量所用的聲源信號(hào)為電容器放電時(shí)產(chǎn)生的脈沖聲，即電火花式脈沖聲。放電電壓在4000-6000V時(shí)，其脈沖寬度約為0.2ms，指向性近似球形，且有足夠大的聲功率，適于用做模型試驗(yàn)中的脈沖聲源信號(hào)。聲源中心位置規(guī)定為一般演出區(qū)的中心，高度相當(dāng)于人口的高度。聲場不均勻度測量的聲源位置與高度，與混響時(shí)間測量相同。歡迎光臨愛威家庭影院網(wǎng)www.tdntmepa.cn

短延時(shí)反射聲分布測量常用的方法是將接收到的直達(dá)聲和反射聲信號(hào)經(jīng)過放大，以時(shí)間為橫軸在示波器上顯示，即脈沖響應(yīng)聲圖譜(回聲圖)。圖譜可采用數(shù)字化設(shè)備記錄，將脈沖信號(hào)放大后經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換存于計(jì)算機(jī)，再輸出至繪圖儀，描繪出脈沖響應(yīng)圖譜。為保證計(jì)算機(jī)繪制的圖形有足夠的精度，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率(字長)宜不小于16bit，采樣頻率不小于100KHz。

接收用傳聲器，可以用電容傳聲器或靈敏度比較高的球形壓電晶體傳聲器。傳聲器口徑不宜過大，防止傳聲器的圓柱體型在接收位置對聲場形成影響。在測量時(shí)要求記錄模型內(nèi)空氣的溫度和相對濕度，是為了修正由于高頻聲在模型內(nèi)過量的空氣吸收所造成的低于實(shí)際廳堂混響時(shí)間的偏差。
Tinfor撰稿

于清華大學(xué)中央主樓104

2004年10月
回顧早期關(guān)于音質(zhì)模型的測定