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行建筑聲學(xué)設(shè)計。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、挪威、丹麥、意大利等。國內(nèi)完成過高級演藝建筑實際工程廳堂音質(zhì)模型測定的單位有清華大學(xué)和北京市建筑設(shè)計研究院。

廳堂音質(zhì)模型測定是建筑聲學(xué)設(shè)計的重要手段，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)與實際裝修材料相同，因聲速不變，模型內(nèi)的混響時間、聲場均勻度、清晰度、擴散度等等音質(zhì)指標(biāo)在三維尺度和時間尺度上均縮短10倍。測量模型的音質(zhì)參數(shù)，將長度和時間還原10倍后可得到了實際廳堂的音質(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)聲音波動特性的實用方法，其特點是：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)波動現(xiàn)象，可以進行可聽化主觀評價，可以直接發(fā)現(xiàn)一些建筑設(shè)計中出現(xiàn)的聲學(xué)缺陷，可以準(zhǔn)確預(yù)測混響時間、聲場擴散度等音質(zhì)參數(shù)。國內(nèi)很多重大工程均應(yīng)用了音質(zhì)模型測試的方法進行了輔助聲學(xué)設(shè)計，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行音質(zhì)設(shè)計，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，完成了近十多個的模型測定項目，具有豐富的模型制作和測量經(jīng)驗，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、改進方案測量等。

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)進行了大量研究和實踐后，模型測定預(yù)測廳堂音質(zhì)已經(jīng)基本達到了實用化。目前，聲源、麥克風(fēng)、模擬聲學(xué)材料已經(jīng)可以和實物對應(yīng)，儀器的頻帶也擴展了，在模擬混響時間、聲壓級分布、短延時反射聲的分布等常用指標(biāo)上已經(jīng)達到實用的精度。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現(xiàn)實。從數(shù)學(xué)的觀點來看，聲音的傳播由波動方程，即由Helmholtz 方程所描述。理論上，從聲源到接收點的聲脈沖響應(yīng)可以通過求解波動方程來獲得。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，人們根本無法獲得精確的方程形式和邊界條件，也不能得到有價值的解析解。如果對方程進行完全簡化處理，所得到的結(jié)果極不精確，不能實用，只利用波動方程通過計算機求解室內(nèi)聲場是不可行的。從實用角度講，使用幾何聲學(xué)的聲線追蹤法和鏡像虛聲源法，通過計算機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特性，在低頻模擬上獲得了一些進展。歡迎光臨愛威家庭影院網(wǎng)m.vxru.cn

廳堂中短延時反射聲的分布，即直達聲后數(shù)百ms(主要是200ms)以內(nèi)的反射聲強度、數(shù)目以及在時間軸上的排列，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反射聲分布，與實際大廳的短延時反射聲分布有良好的對應(yīng)，對在設(shè)計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)模型試驗的重要用途之一�；祉憰r間是公認(rèn)的一個可定量的音質(zhì)參數(shù)，通過模型試驗可以預(yù)測所要興建廳堂的混響時間。制訂本標(biāo)準(zhǔn)的目的在于通過廳堂音質(zhì)模型試驗，預(yù)測新設(shè)計的廳堂的音質(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重要的音質(zhì)參數(shù)，以自然聲為主的廳堂，目前對這個參數(shù)還未制定定量標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)有擴聲系統(tǒng)的廳堂，廣播電影電視部制定的GYJ25《廳堂擴聲系統(tǒng)特性指標(biāo)》規(guī)定了聲場不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)，可供模型試驗參照執(zhí)行。[page]

模型試驗的測量系統(tǒng)、測量方法和結(jié)果的表達與實際廳堂相同，但需要根據(jù)廳堂模型的縮尺比s，在混響時間測量和聲場不均勻度測量時對測量頻率作相應(yīng)改變。即：模型中，測量頻率＝實際廳堂測量頻率×1/s。在廳堂音質(zhì)模型試驗中，還可以進行其它音質(zhì)參數(shù)、方向性擴散、主觀評價等試驗，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經(jīng)驗的單位才能完成。

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的縮尺比s不成線性關(guān)系，導(dǎo)致試驗結(jié)果與實際廳堂有較大誤差。國外有人曾在模型試驗中用干燥空氣，或用吸濕方法降低模型內(nèi)的濕度，或用氮氣將模型中的空氣排除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，但因受試驗設(shè)備和頻率過高的限制，精度受到一定影響。對混響時間的測量，縮尺比s為1/20時只能對應(yīng)實際廳堂1000Hz或2000Hz以下的頻率。推薦縮尺比s不小于1/10，對混響時間和聲場不均勻度的測量可擴展至實際廳堂中的4000Hz。短延時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，對聲波的反射和擴散沒有多大影響，在制作模型時可適當(dāng)簡化。但必須保留等于或大于實際廳堂中聲波為2000Hz的波長的起伏，不能省略。因為這些部分會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)至動態(tài)范圍達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。因為模型試驗的信號頻率比較高，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聲級45dB以上是容易達到。

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

短延時反射聲分布測量所用的聲源信號為電容器放電時產(chǎn)生的脈沖聲，即電火花式脈沖聲。放電電壓在4000-6000V時，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，適于用做模型試驗中的脈沖聲源信號。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，與混響時間測量相同。歡迎光臨愛威家庭影院網(wǎng)m.vxru.cn

短延時反射聲分布測量常用的方法是將接收到的直達聲和反射聲信號經(jīng)過放大，以時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，將脈沖信號放大后經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換存于計算機，再輸出至繪圖儀，描繪出脈沖響應(yīng)圖譜。為保證計算機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際廳堂混響時間的偏差。
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