建築聲學

有關建築聲學的記載最早見於公元前一世紀，羅馬建築師維特魯威所寫的《建築十書》。書中記述了古希臘劇場中的音響調節方法，如利用共鳴缸和反射面以增加演出的音量等。當時也曾使用吸收低頻聲的共振器，用以改善劇場的聲音效果。

15~17世紀，歐洲修建的一些劇院，大多有環形包廂和排列至接近頂棚的台階式座位，同時由於聽眾和衣著對聲能的吸收，以及建築物內部繁複的凹凸裝飾對聲音的散射作用，使混響時間適中，聲場分佈也比較均勻。劇場或其他建築物的這種設計，當初可能只求解決視線問題，但無意中卻取得了較好的聽聞效果。

16世紀，中國建成著名的北京天壇皇穹宇，建有直徑65米的迴音壁，可使微弱的聲音沿壁傳播一二百米。在皇穹宇的台階前，還有可以聽到幾次回聲的三音石。

18~19世紀，自然科學的發展推動了理論聲學的發展。到19世紀末，古典理論聲學發展到最高峰。20世紀初，美國賽賓提出了著名的混響理論，使建築聲學進入力學範疇。從20年代開始，由於電子管的出現和放大器的應用，使非常微小的聲學量的測量得以實現，這就為現代建築聲學的進一步發展開闢了道路。

研究室內聲波傳輸的物理條件和聲學處理方法，以保證室內具有良好聽聞條件；研究控制建築物內部和外部一定空間內的雜訊干擾和危害。

在中世紀，歐洲教堂採用大的內部空間和吸聲係數低的牆面，以產生長混響聲，造成神秘的宗教氣氛。

建築聲學的基本任務是研究室內聲波傳輸的物理條件和聲學處理方法。因此，現代建築聲學可分為室內聲學和建築環境雜訊控制兩個研究領域。

當室內幾何尺寸比聲波波長大得多時，可用幾何聲學方法研究早期反射聲分佈，以加強直達聲，提高聲場的均勻性，避免音質缺陷。統計聲學方法是從能量的角度研究在連續聲源激發下聲能密度的增長、穩定和衰減過程（即混響過程），並給混響時間以確切的定義，使主觀評價標準和聲學客觀量結合起來，為室內聲學設計提供科學依據。當室內幾何尺寸與聲波波長可比時，易出現共振現象，可用波動聲學方法研究室內聲的簡正振動方式和產生條件，以提高小空間內聲場的均勻性和頻譜特性。室內聲學設計內容包括體型和容積的選擇，最佳混響時間及其頻率特性的選擇和確定，吸聲材料的組合布置和設計適當的反射面以合理地組織近次反射聲等。聲學設計要考慮到兩個方面。一方面要加強聲音傳播途徑中有效的聲反射，使聲能在建築空間內均勻分佈和擴散，如在廳堂音質設計中應保證各處觀眾席都有適當的響度。另一方面要採用各種吸聲材料和吸聲結構，以控制混響時間和規定的頻率特性，防止回聲和聲能集中等現象。設計階段要進行聲學模型試驗，預測所採取的聲學措施的效果。

處理室內音質一方面要了解室內空間體型、所選用的材料對聲場的影響。另一方面要考慮室內聲場聲學參數與主觀聽聞效果的關係，即音質的主觀評價。可以說，確定室內音質的好壞，最終還在於聽眾的主觀感受。由於聽眾的個人感受和鑒賞力的不同，在主觀評價方面的非一致性是這門學科的特點之一；因此，建築聲學測量作為研究、探索聲學參數與聽眾主觀感覺的相關性和室內聲信號主觀感覺與室內音質標準相互關係的手段，也是室內聲學的一個重要內容。在大型廳堂建築中，往往採用電聲設備以增強自然聲和提高直達聲的均勻程度，還可以在電路中採用人工延遲、人工混響等措施以提高音質效果。室內擴聲是大型廳堂音質設計必不可少的一個方面，因此，現代擴聲技術已成為室內聲學的一個組成部分。

即使有良好的室內音質設計，如果受到雜訊的嚴重干擾，也將難以獲得良好的室內聽聞條件。為了保證建築物的使用功能，保證人們正常生活和工作條件，也必須減弱雜訊的影響。因此，控制建築環境雜訊，保證建築物內部達到一定的安靜標準，是建築聲學的另一個重要方面。雜訊干擾，除與雜訊強度有關外，還與雜訊的頻譜、持續時間、重複出現次數以及人的聽覺特性、心理、生理等因素有關。控制雜訊就是按照實際需要和可能，將雜訊控制在某一適當範圍內。這一範圍所容許的最高雜訊標準稱為容許雜訊級即雜訊容許標準。對於不同用途的建築物，有不同建築雜訊容許標準：如對工業建築主要是為保護人體健康而制定的衛生標準；而對學習和生活環境則要保證達到一定的安靜標準。在雜訊控制中，首先要降低雜訊源的聲輻射強度，其次是控制雜訊的傳播，再次是採取個人防護措施。在城市規劃和建築布局上要有合理的安排。一般按照各類建築對安靜程度的要求，劃分區域並布置道路網，使要求安靜的建築物，如住宅、文教區遠離喧鬧的工廠區或交通幹線，避免交通流量大的街道和高速公路穿過住宅區，這是控制城市雜訊的基本措施。在各分區內各單體建築物中，同樣需要從控制雜訊的角度，對有不同安靜程度要求的建築群和各個房間分別進行合理的安排和布局（見建築物隔聲）。

雜訊按傳播途徑可分為兩種：一是由空氣傳播的雜訊，即空氣聲；一是由建築結構傳播的機械振動所輻射的雜訊，即固體聲。空氣聲因傳播過程的衰減和設置隔牆而大大減弱；固體聲由於建築材料對聲能的衰減作用很小，可傳播得較遠，通常採用分離式構件或彈性聯接等技術措施來減弱其傳播。建築物空氣聲隔聲的能力取決於牆或間壁（隔斷）的隔聲量。基本定律是質量定律，即牆或間壁的隔聲量與它的面密度的對數成正比。現代建築由於廣泛採用輕質材料和輕型結構，減弱了對空氣聲隔聲的能力，因此又發展出雙層牆體結構和多層複合牆板，以滿足隔聲的要求。在建築物中實現固體聲隔聲，相對地說要困難些。採用一般的隔振方法，如採用不連續結構，施工比較複雜，對於要求有高度整體性的現代建築尤其是這樣。人在樓板上走動或移動物件時產生撞擊聲，直接對樓下房間造成雜訊干擾。可用標準打擊器撞擊樓板，在樓下測定聲壓級值。聲壓級值越大，表示樓板隔絕撞擊聲的性能越差。控制樓板撞擊聲的主要方法是在樓板面層上或地面板與承重樓板之間設置彈性層，特別是在樓板上鋪設彈性面層，是隔絕撞擊聲的簡便有效的措施。

在工業建築物中，隔聲間或隔聲罩已成為廣泛採用的降低設備雜訊的手段。建築物的通風空調設備會產生空氣動力雜訊。在氣流通道上設置消聲器是防止空氣雜訊的措施。工程上採用的消聲器，根據消聲原理大致可分為阻性、抗性或阻抗複合等類型。許多國家的消聲器已發展成為商品化的消聲器系列。（見通風空調系統的雜訊控制）在機械設備下面設置隔振器，以減弱振動，是建築設備隔振的主要措施。，隔振器已由逐個設計發展成為定型產品。

廳堂建築空間都比較大，所以在設計上尤其是保證其內部聲學設計合理到位，吸音材料以及其他的各種聲學材料不可缺少，所以合理的設計及材料設備的正確使用才能確保其音質效果，只有了解廳堂上的聲學要求和設計方法才能保障有效的音質設計。

一、建築聲學設計的要點

一般而言，建築聲學設計的要點主要包括雜訊控制和音質設計兩大部分。

(一)雜訊控制

通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內背景雜訊，因此，這些廳堂的選址很重要，應儘可能遠離戶外的雜訊與振動源。另外，還要進行場地環境雜訊與振動調查、測量與模擬預測，目的是為進行廳堂建築圍護結構的隔聲設計提供依據。保證廳堂建成后能達到預定的室內雜訊標準。此外，建築聲學設計的另一個重要任務就是進行室內音質設計。

(二)音質設計

音質設計通常包括下述工作內容:

1.確定廳堂體型及體量。

2.確定音質設計指標及其優選值。根據廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數、側向能量因子、雙耳互相關係數等音質評價指標，並確定各指標的優選值，是音質設計的重要任務。

3.對樂池、樂台、包廂、樓座及廳堂各界面進行聲學設計。

4.計算廳堂音質參量。當廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂台等設計方案擬定以後，就可開始計算廳堂音質參量。

5.進行聲學構造設計。廳堂音質除了受前述建築因素影響之外，還與室內裝修材料與構造密切相關。聲學裝修構造設計通常包括各界面材料的選擇和繪製構造設計圖，需詳細規定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背後空氣層厚度以及龍骨的間距等技術參數。

6.聲場計算機模擬。對廳堂建築進行仔細的聲場分析和音質參量計算，有賴於聲場三維計算機模擬。

7.縮尺模型試驗。對於重要的廳堂，除了計算機模擬外，通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型，進行縮尺模型聲學試驗。

8.可聽化主觀評價。可聽化技術是通過模擬計算。或者通過模型試驗測量獲得雙耳脈衝響應，將之與在消聲室中錄製的音樂或語言"干信號"卷積，輸出已加入廳堂影響的聲音信號，供受試者預先聆聽建成后的廳堂音質效果。這是近年發展起來的建築聲學領域一項高新技術。

9.建築聲學測量。建築聲學測量包括雜訊與振動測量，圍護構造隔聲測量，重要材料與構造的吸聲量測量以及廳堂音質參量的測量等。

10.對電聲系統設計提供諮詢意見。對於需要安裝電聲系統的廳堂，建築聲學專家尚需與音響工程師配合，對電聲系統的設備選型、設計與安裝提供諮詢意見。

11.組織主觀評價。對於重要廳堂，在工程落成后，組織專門的演出和主觀評價，來檢驗建成后廳堂的音質效果，是建築聲學設計最後一個重要環節。

二、聲學設計的手段

準確地預測房間的音質效果一直是建築聲學研究者追求的理想。廳堂音質模型測定是建築聲學設計的重要手段。隨著軟體技術的發展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現實。近年來，使用基於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。

廳堂中短延時反射聲的分佈，是決定音質的重要因素。在縮尺模型中，用電火花作為脈衝聲源測得的短延時反射聲分佈，與實際大廳的短延時反射聲分佈有良好的對應，對在設計階段確定廳堂的大小、體型等有重要參考意義。混響時間是公認的一個可定量的音質參數，通過模型試驗可以預測所要興建廳堂的混響時間。聲場不均勻度也是一個重要的音質參數。

模型試驗的測量系統、測量方法和結果的表達與實際廳堂相同，但需要根據廳堂模型的縮尺比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改變。不同頻率的聲波，在空氣介質中傳播，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，對混響時間測量結果，需採取對空氣吸收的影響作相應的修正，且有足夠的精度。

對於短延時反射聲分佈測量，廳堂音質模型的縮尺比s一般採用1/5或1/10，也有採用1/20的，但因受試驗設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時只能對應實際廳堂1000Hz或2 000Hz以下的頻率。推薦縮尺比s不小於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。短延時反射聲分佈測量的精度也較高。

模型的內表面形狀，有些起伏尺寸比較小，對聲波的反射和擴散沒有多大影響，在製作模型時可適當簡化。但必須保留等於或大於實際廳堂中聲波為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。要使廳堂音質模型的內表面各個部分，包括觀眾席的吸聲係數在所測量的頻率範圍內與相對應的實際廳堂內表面各部分及觀眾席的吸聲係數完全相符，實際上有很大難度，因此允許有±10%的誤差。

為了避免在模型中的背景雜訊過高導至動態範圍達不到要求而影響精度，廳堂音質模型的外殼必須有足夠的隔聲量。舞台空間大小、形狀及吸聲狀況，對觀眾廳的短延時反射聲分佈、混響時間及聲壓級分佈有很大影響。在模型試驗時，這部分宜包括在內。舞台空間部分的吸聲狀況也應進行相應的模擬。

短延時反射聲分佈測量所用的聲源信號為電容器放電時產生的脈衝聲，適於用做模型試驗中的脈衝聲源信號。聲源中心位置規定為一般演出區的中心，高度相當於人口的高度。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。短延時反射聲分佈測量常用的方法是將接收到的直達聲和反射聲信號經過放大，以時間為橫軸在示波器上顯示，即脈衝響應聲圖譜(回聲圖)。

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空氣的溫度和相對濕度，是為了修正由於高頻聲在模型內過量的空氣吸收所造成的低於實際廳堂混響時間的偏差。