剧场建筑声学基础

剧场建筑声学基础

一、室内声音的传播

1. 反射与前次反射

声波在传播过程中，若遇到比它波长大的物体表面，便会产生反射。当反射面比声波的波长大很多时，反射规律与几何光学相似，即声线的反射角等于入射角。这时，我们可以用几何声学来研究反射的情况。

图2是室内不同形状表面对声反射的三种情况，剧场结构再复杂，都不外乎归结为这三种反射情况。

图中，A、B、C分别为平面、凸曲面和凹曲面，S是声源。声音从S辐射后，若到达A面，则会形成平面反射，并产生一定程度的扩散；若到达B面，由于凸曲面而形成明显的散射。当声音到达C面时，C面是凹曲面，会产生声焦聚。如形状刚好合适，则会形成虚声源S’，这样一来，会在S’附近的区域集中大量声能，致使离它稍远一点的空间因为反射声不足而形成声低音区，造成大厅声能密度不均匀。我们应尽量避免这种局面出现。而A面与B面反射形成的扩散使室内声场分布趋于均匀，应是我们所希望的。但声焦聚并非一无所取，剧场观众厅后排往往声压不足，在后座区域造成一定程度的声焦聚可以均衡整个观众厅的声场。

图3是某音乐厅的剖面结构图，声音从台上辐射的情况一目了然，可以看出不同形状的反射板有着各不相同的服务区。

我们把听到直达声后50ms以内到达的反射声称为前次反射或早期反射。由于哈斯效应，前次反射声人耳不但分辨不出来，而且还会将它当作直达声的一部分，在主观效果上增加了声音的响度但又不会影响清晰度。这也是为什么在室内讲话时要比在室外讲话听起来声音响一些的缘故。

剧场与音乐厅的前次反射强弱程度是一个很重要的声学条件，18世纪在欧洲建造的一些古典音乐厅，以音质效果极佳而著称于世，曾使很多

声学家和建筑学家感到迷惑。但后来的研究和工程实践表明，一些优秀的古典音乐厅，除了良好的声扩散与适度混响之外，很重要的原因是这些剧场或音乐厅的观众席有足够的前次反射，尤其是来自侧向和顶棚的前次反射声增加了室内声能密度，提高了音乐的空间感和丰满度。

２. 混响与最佳混响时间

混响是建筑声学中最重要的参数之一，适度的混响，可以明显的改善声音质量，改变音乐的音色和风格。

我们已经知道，室内的声波遇到四周墙面以及地面和顶棚会产生反射，而这种反射过程是往复多次的，从而延长了到达听者的时间。如果这些反射声在直达声到达听者50ms后仍多次反射而继续存在，直到一段时间后才衰减消失，听起来有一种余音不绝的感觉。这种过程与现象，我们称为混响，即交混回响之意。

那么，如何确定混响从建立到消失的时间呢？也就是说，如何确定混响时间呢？上个世纪初，声学家赛宾（）通过研究后提出：当声源停止发声后，残余的声能在室内往复反射，经吸收衰减，其声能密度下降为原来值的百万分之一所需要的时间，或者说，室内声能密度衰减60dB所需要的时间称为混响时间，其计算公式如下：

式中，T为混响时间，单位为秒；

V为房间容积，单位为立方米；

a是房间内所有表面材料的平均吸声系数；

S是室内总表面积，单位是平方米；

4m为空气的声能衰减系数，它与声音频率，相对湿度都有关系。

表４列出常温下(200C)空气的衰减系数。

材料的吸声系数a我们将在后面部分介绍。

混响时间的实测值与计算值会有一定的差值。一般来说，低频混响时间的实测值小于计算值，高频混响时间的实测值大于计算值。在实际计算时应根据经验作一些修正。

混响时间对声学品质的影响是众所周知的，过长过短都会使观众感到疲劳。只有适当的混响时间，才会使观众处于一种赏心悦目的艺术享受之中，此时声音丰满动听，音符生动活跃、语言亲切温柔，使观众有强烈的空间感和丰富的色彩感。

那么，多长的混响时间才是最佳的呢？

事实上，很难确认一个统一的最佳混响时间标准，没有一个确定的数据，很大程度上是个范围值。不同类型，不同风格，不同专业用途的剧场都有不同要求。而且，它还受民族文化背景的影响。因此，各国发表的数据都不尽相同。表5给出各类不同演出时的混响时间要求，均以500Hz中频的混响时间为代表。

图4是最佳混响时间与频率特性曲线。

这条曲线是由于对厅堂音质的主观评价而作出的，评价表明，低频段混响时间稍长有利于音乐的丰满度和语言的温暖感，适宜于各类音乐演出，而高频段混响时间长一点，则容易表现泛音，增加音乐“水分”与鲜活感。所以这条曲线是一条两头翘起的马鞍型曲线。

不同频率的不同混响决定了剧场的音色特性。在硬质装饰材

料的环境中，高频混响时间长，音色冷艳，音色效果能模仿出山洞，水泥大厅，大理石宫殿等。而软质装饰材料的低频混响突出，音色偏暖，有着古典音乐厅与歌剧院的特色。

3. 声能比和等效混响

混响在主观感觉上还与一个物理量有关：等效混响。

在一个理想的室内环境中，某一点的声能密度应为直达声能密度与混响声能密度之和，用数学式表示即为：

E总＝E直＋E混

我们将混响声能密度E混与直达声能密度E直之比，称为该点的声能比：

RE＝E混

E直

RE值表示在房间某一点混响声所占的比例。显然，RE值却很小，这一结果引起的主观效应，是缩短了混响时间。这种因主观效应引起缩短了的混响时间，称为等效混响时间。它发生在声能比很小的区域，离声源越近，器件的指向性越强，这种效应就越明显。反之，在声场范围内离声源越远，混响效果越明显，就越接近于实际测定值。因此，我们在观众厅后排远听具有很好混响效果的剧场，一旦贴近声源，便感到混响不够甚至消失了。

这种情况，可以用掩蔽效应解释。

等效混响时间的存在，要求我们在舞台扩音与录音时要充分考虑其影响，因此，我们建议，对大型乐队、歌剧的舞台扩音或录音应采用整体式远场拾音，不宜采用多点式近场拾音，传声器的指向性不可太锐，以充分拾取到剧场空

间自然混响声，使音乐更趋于丰满、自然。

4. 回声

回声与混响是有区别的。

混响在英文中是Reverberation，是指声音经过多次往复漫反射，包含多个不同角度、不同时间到达的混合反射声逐渐衰减形成，听者分辨不出其中的任何音节。

而回声是一种单一固定的反射声，它的强度和时差都大到足以和直达声区别开，并能分辨出音节。回声的英文名称是Echo。

一定的混响对音质有利，而回声则只能破坏音质，应绝对避免。

消除回声的方法是进行声扩散处理。

5. 声音的扩散

近年来，厅堂室内音质方面的研究工作表明，混响时间并不是音质评价的唯一标准。大小相近，混响时间也接近的房间，音质很可能不同。因此，开展了表述房间音质的第二评价标准研究，提出了许多表述房间声扩散量的建议。但因分析复杂、计算繁琐，本文不便阐述，在这里只讨论扩散的一般原理及其对剧场音质的影响。

所谓扩散，是声音朝着许多方向不规则反射、折射和衍射的现象。扩散使室内声场均匀。

我们可以举个扩散的形象比喻：迪斯科舞厅的多棱镜面反射球就是一个光扩散的良好例子。由于敷设在球面上的许多镜片朝各个方向反射光线，