建筑物理 第3.0章 建筑声环境概述

只要游人在山西省永济市鹳雀楼前拍手，就会听到酷 似鹳鸟“喳、喳”的叫声，如果一直拍手走到楼下， 就会听到鹳雀的叫声由远而近，由小而大。这一奇观 让当初复建这座名楼的人也始料未及。为何会出现这 样的现象？据修复工作人员介绍，所谓鹳雀的叫声， 其实是游人拍手时从主楼位置发出的回音。不过这一 奇观并非复建鹳雀楼的人为设计。由此鹳雀楼成为我 国四大名楼中惟一有回音的建筑，与不远处有蛙鸣回 音的莺莺塔相映成趣。如今这个奇怪的现象已成为鹳 雀楼的一个新“卖点”。
建筑物理
建筑声环境 建筑光环境 建筑热环境
主讲人： 周鹏晨
联系电话：85015532 网址：
email:
zhoupc123@
建筑声环境概述
1.1 建筑声环境设计的意义

声环境设计是专门研究如何为建筑使用
者创造一个合适的声音环境。
1.2 建筑声环境研究的内容
1.2.1 音质设计 1.2.2 隔声隔振
1.2.4 噪声的防止与治理
噪声的标准、规划阶段如何避免噪声、出 现噪声如何解决。 实例： 教师住宅受交通噪声影响，教师选房问题。
1.2.5 其他




电声。 模型声学测定。 声学测量： 声音本身性质的测定、房间声学的测定、 材料声学性质的测定。 声学实验室的设计研究。 计算机模拟。
1.3
室内声学设计的相关理论
(a) 马歇尔的侧向声原理： 1967年，新西兰声学家马歇尔（Haroid Marshall）教授最先将人的双 耳收听原理同音乐厅的声学原理结合起来，认为19世纪“鞋盒型” 音乐厅的绝佳音质，除缘于混响时间及声扩散以外，直达声到达 听众后的前50~80ms的早期侧向反射声起着极为重要的作用。在 这些音乐厅中每个听众都接受到强大的早期反射声能，其中侧向 反射比来自头顶的反射声更为重要，因为它提供给听众更强的三 维空间感和音乐的环绕感。1968年，马歇尔（A. H. Marshall）提 出了“早期侧向反射声”对音质起重要作用，认为需要有较多的 早期侧向反ssion）”感觉，空间感对响度及与低音相关的温暖 感很重要。由于声音向后传播时，观众头顶的掠射吸收使声能衰 减，必须靠侧向反射将声音传至观众席后部。这些发现意义重大， 从此开始了将反射声的空间分布与时间系列相结合的新的研究阶 段。该理论已成为近期影响音乐厅形状设计的主要理论，使新建 音乐厅开始注重并应用侧向反射声。
从掌握的资料来看，虽然这个时代的建筑师几乎 没有任何室内声学知识，但这个时代建造的几座剧院 和其他厅堂没有发现任何显著的音质缺陷。主要的原 因是由于观众的吸声和剧场内华丽的表面装饰起到了 扩散作用，使剧场的混响时间控制比较合理，声能分 布也比较均匀。
17世纪的马蹄形歌剧院
从十五世纪修建的一些剧院发展到十七世纪，出 现了马蹄形歌剧院。这种歌剧院有较大的舞台和舞台 建筑，以及环形包厢或台阶式座位，排列至接近顶棚。 这种剧院的特点是利用观众坐席大面积吸收声音，是 混响时间比较短，这种声学环境适合于轻松愉快的意 大利歌剧演出。 在十七世纪开始有人研究室内声学。十七世纪的 阿．柯切尔所著的《声响》,最早介绍了室内声学现象， 并论述了早期的声学经验和实践。十九世纪初，德国 人E.F.弗里德利科察拉迪所著的《声学》一书中，致力 于解释有关混响的现象。
建筑声学设计的复杂性
1962年9月23日开幕的纽约林肯中心爱乐音乐厅, 为了对此厅进行有效的声学设计， 白瑞纳克博士对世界上已有的54座著名音乐建筑进行了系统调研，并著有《音乐、声 学和建筑》一书，却在音质方面遭到前所未有的失败。多次改装, 后于1976年10月19 日再次落成，成为音乐厅建筑史上最悲惨的实例。据最近消息，其演奏空间仍在进行 小范围改造。 据分析，爱乐音乐厅的失败主要缘于原声学顾问白瑞耐克认识上的局限性。他只 强调亲切感而没有认识到侧向反射声的重要性，顶棚反射板增加的反射声几乎同时到 达听众的双耳，缺少侧向反射带来的围绕感。此外，为了在直达声与后期反射声之间 插进一些早期反射声，他在大厅中引进了“浮云”，但由于浮云尺度过于单一，且呈 晶格状规则布置，导致相邻低频声的相消干涉，使听众听不到有些演奏（如大提琴） 的声音，成了一种“无声电影”。而且，这些浮云的大小和形状不足以扩散低频反射 声，使低频成份衰减得很厉害，还显出了G. M. Sessier和J. E. West所发现的另一不利 现象，即直达声掠过多排座席时低频声衰减越来越多。
室内声学设计的相关理论
(b) IACC两耳互相关函数 日本声学家安藤四一（Y. Ando）教授在70年代做了一系列模拟双耳接收的 “内耳互相关”实验研究，实验表明音质与反射声的水平方向分布有关。 布朗（M. Barron）在近20年来对不同方向、不同强度、不同时延的反射 声的听感进行了长期研究，得到实验结论为：过高声级和过短延时的反 射声会产生声像漂移（这与哈斯（Haas）效应相一致）或染色效应；过 长的延时有回声干扰的感觉；只有大约 5～80ms 延时的反射声，并且有 足够的侧向反射声能量才会有“空间印象”的效果。80年代，安藤四一 教授在德国哥廷根大学的研究引入了唯一的双耳（空间）评价标准—— 双耳听觉互相关函数(IACC)，它表示两耳上的信号之间的相互关系，这 种相互关系又是声场空间感的量度。双耳听闻效应属心理和生理声学研 究范畴，它提示了音乐厅中侧向反射的重要性，既使人了解到“鞋盒形” 音乐厅音质良好的原因，同时也掌握了“鞋盒形”以外的其它有效的声 学设计造型。 80 年代中期美国加州桔县新建的一座音乐厅（ Segerstrom Hall），可谓这方面杰出的代表之作。IACC作为评价空间感的指标，它 开辟了音质研究的一个新途径，也使音乐厅的音质评价建立在更为科学 的基础上。但在技术上还存在不少问题，例如指向性传声器的选择，测 定用声源的选择（声源信号不同，结果大不相同）等等。
事实上，现代音乐厅的音质之所以不如古典先例，关键在于古典音乐正是在古典形 式的厅堂中产生和发展起来的，现代厅堂在尺度、体型和材料等方面已有了很大变化， 而在其间演奏的音乐（绝大多数）依旧是原来的音乐。
声学上的探索正在逐步揭开厅堂音质之迷。然而看看历史上许多失败的例子，音 乐家们对新音乐厅的不满和不安不会消除。建筑师们一方面积极研究有效利用新的声 学理论及技术成果，一方面又不得不在某种程度上碰运气，不断祝愿自己能博得缪斯 女神们的微笑。
19世纪的音乐厅
19世纪的音乐厅
音乐厅早期发展阶段是在十七世纪中后到十九世纪，包 括：早期音乐演奏室、娱乐花园和大尺度的音乐厅，是后来 古典“鞋盒型”音乐厅的就是在这一时期逐渐发展起来的。 19世纪前作曲家所做的音乐作品是与其表演空间相适应 的，这一时期的演奏空间基本是矩形空间。19世纪以后，随 着浪漫主义音乐及现代音乐的产生，演出空间变得丰富多彩， 出现了扇形、多边形、马蹄形、椭圆形、圆形等多种形状， 其混响时间及室内装饰风格也各不相同。 在这一时期，音乐厅的声学设计仍然没有太多的理论可 以遵循。
1.2.3 材料的声学性能测试与研究
吸声材料：材料的吸声机理、如何测定材料的吸声系 数、不同吸声材料的应用等等。 隔声材料：材料的隔声机理，如何提高材料的隔声性 能，如何评定材料的隔声性能，材料隔振的机理，不同材 料隔振效果等。 实例：
1）天花板吸声性能、剧场座椅吸声性能。
2）轻质隔墙产品隔声性能、如何提高隔声能力？ 3）军委演播大厅雨噪声问题。
1.2.3 材料的声学性能测试与研究
1.2.4 噪声的防止与治理
1.2.5 其他
1.2.1 音质设计 主要是音乐厅、剧院、礼堂、报告厅、多功 能厅、电影院、体育馆等。 设计得好: 音质清晰、丰满、浑厚、亲切、 温暖、有平衡感、有空间感。 设计得不好: 嘈杂、声音或干瘪或浑浊，听 不清、平衡感和空间感差。
音乐厅声学设计理论的出现
赛宾在28岁时被指派改善哈佛福格艺术博物馆（Fogg Art Museum）内半圆形报告厅的不佳音响效果，通过大量艰苦的测 量和与附近音质较好的塞德斯剧场（Sander Theater）的比较分 析，他发现，当声源停止发声后，声能的衰减率有重要的意义。 他曾对厅内一声源（管风琴）停止发声后，声音衰减到刚刚听 不到的水平时的时间进行了测定，并定义此过程为“混响时 间”，这一时间是房间容积和室内吸声量的函数。1898年，赛 宾受邀出任新波士顿交响音乐厅声学顾问，为此，他分析了大 量实测资料，终于得出了混响曲线的数学表达式，即著名的混 响时间公式。这一公式被首次应用于波士顿交响音乐厅的设计， 获得了巨大成功。至今，混响时间仍然是厅堂设计中最主要的 声学指标之一。
音乐厅声学设计理论的出现
从十九世纪开始，在维也纳、莱比锡、格拉斯哥 和巴塞尔等城市，都建造了一些供演出的音乐厅，这 些十九世纪建造的音乐厅已反映出声学上的丰硕成果， 直到今天仍然有参考价值。
到二十世纪，赛宾（Wallace Clement Sabine， 1868-1919）（哈佛大学物理学家、助教） 在1898年第 一个提出对厅堂物理性质作定量化计算的公式——混 响时间公式，并确立了近代厅堂声学，从此，厅堂音 质设计的经验主义时代结束了。
现代的建筑声学

1930年以后出现了电影，从那时开始，高质量的录音和重现 在科学、教育、文化、社会活动、娱乐中开始起到极大的作 用。无线广播的飞速发展，给声学提出了一系列新问题，同 时也为人们提供了更多更高级的音乐欣赏技术。 声学材料的大量生产和实验室实验，给建筑师控制建筑内的 声学问题提供了必要的工具。世界各国修建了相当大规模的 厅堂。 隔声隔噪、吸声降噪、噪声源控制等噪声处理问题在现代社 会中越来越引起人们的重视。噪声与建筑密不可分，噪声污 染的防治与治理已经成为建筑声学重要的组成部分。噪声规 划、噪声控制等理论也逐渐演化开来。
天坛回音壁、 山西永济的普救蟾声、 河南三门峡蛤蟆塔 四川潼南大佛寺石琴
中世纪教堂建筑
自从罗马帝国被推翻后，中世纪建造的唯一 厅堂就是教堂。中世纪的室内声学知识主要来源 于经验，科学的成分很少。教堂的声学环境的特 点是音质特别丰满，混响时间很长，可懂度很差。