科普 | 音響學基礎知識(五):室內音質設計

設計 音樂 建築 物理 文化 影音新生活 2019-07-07

室內音質設計是室內聲學設計的一項重要組成部分。在以聽聞功能為主要使用功能的建築中,如視聽室、音樂廳、劇院、電影院、體育館、會議廳、報告廳、審判庭、大教室以及錄音室、演播室等廳堂,其音質設計的成敗往往是評價建築設計優劣的決定性因素之一。室內最終是否具有良好的音質,不僅取決於聲源本身和電聲系統的性能,而且取決於室內同有的音質條件。

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為了創造出理想的室內音質,就必須防止室外噪聲與振動傳人室內,也就是在使室內背景噪聲低於有關建築設計規範規定值的前提下,依據室內基本聲學原理進行音質設計。室內音質設計最終體現在室內容積(或每座容積)、體形尺寸、材料選擇及其構造設計中,並與建築的各種功能要求和建築藝術處理有機地統一於一體。

然而,室內音質問題不僅與房間的物理條件有關,也不僅與人的聽覺生理特性有關,它還與民族特點、文化傳統、藝術風格等有密切關係,因素極其複雜。下面,“影音新生活”就為大家詳細介紹室內音質設計的一些具體內容。

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一、音質的主觀評價與客觀指標

判斷室內音質是否良好的標準是使用者(聽眾或演員們)能否得到滿意的主觀感受。一般這種主觀感受可以歸納為下面五個方面的具體要求,每一項音質要求又與一定的客觀聲場物理量相對應。人們對不同的聲信號(語音或音樂)的主觀感受要求有所差異,這些要求則通稱為音質(主觀)評價標準。室內音質設計則是通過建築設計與構造設計使得各項客觀物理指標符合主要使用功能對良好音質的要求。

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(一)主觀評價標準

1、合適的響度。響度是人感受到的聲音大小,合適的響度使人們聽起來既不費力又不感到吵鬧,它是室內具有良好音質的基本條件。對於語言聲,聽眾要求其響度級為60~70方;對於音樂聲,響度要求的變化範圍一般在響度級50~85方,有時還會更大。

2、較高的清晰度和明晰度。語言聲要求具有一定的清晰度,而音樂需達到期望的明晰度。語言的清晰度常用“音節清晰度”來表示;音樂的明晰度具有兩方面含義,其一是能夠清楚地辨別出每一種聲源的音色,其二能夠聽清每個音符,對於演奏較快的音樂也能夠感到其旋律分明。

3、足夠的豐滿度。這一要求主要是對音樂聲,對於語言則是次要的。豐滿度的含意有:餘音悠揚(或稱活躍),堅實飽滿(或稱親切),音色渾厚(或稱溫暖)。總之,它可以定義為聲源在室內發聲與在露天發聲相比較,在音質上的提高程度。

4、良好的空間感。是指室內聲場給聽者提供的一種聲音在室內的空間傳播感覺。其中包括聽者對聲源方向的判斷(方向感),距聲源遠近的判斷(距離感又可稱為親切感)和對屬於室內聲場的空間感覺(環繞感、圍線感)。

5、沒有聲缺陷和噪聲干擾。聲缺陷是指一些干擾正常聽聞使原聲音失真的現象,如回聲、聲聚焦、聲影、顫動回聲等。聲缺陷的出現會使聽眾感到聽覺疲勞、厭煩、難以集中注意力。尤其是短促的語言聲比音樂聲更容易發現回聲現象,因此,在音質設計中應全力避免聲缺陷。

其次,噪聲的侵人對室內音質有破壞作用。連續的噪聲,特別是低頻噪聲會掩蔽語言和音樂;間斷性噪聲則會破壞室內寧靜的氣氛或錄音效果。

(二)客觀指標

上述的各項主觀評價標準,是音質設計的出發點和最終目標。但進行實際的音質設計時,還必須藉助與音質的主觀評價有關的物理指標。

1、聲壓級與混響時間

與音質的主觀評價中“量的因素”有關的物理指標,有聲壓級和混響時間。各個頻率的聲壓級與該頻率聲音的響度是相對應的。一般的語言、音樂都有較寬的頻帶,它的響度大體上與經過A特性計權的噪聲級dB(A)相對應。混響時間則與室內的混響感、豐滿度有對應關係;較長的混響時間有較長的混響感,較高的豐滿度。混響時間的頻率特性(各個頻率的混響時間)還與主觀評價中“質的因素”有密切關係。為保持聲源的音色不致失真,各個頻率的混響時間應當儘量接近。感到聲音“溫暖”是低頻混響時間較長的結果,而“華麗”、“明亮”則要求有足夠長的高頻混響時間。

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各用途廳堂的最佳混響時間

混響時間與室內音質評價有密切的對應關係,而且它是最為穩定的一項指標。但在不同的大廳中,或一個大廳中的不同位置,儘管混響時間相同或者接近,音質的王觀評價常有很大差異,不僅空間感覺不同,而且在量與質的方面也有不同。這說明,混響時間不能完全反映與室內音質有關的全部物理特性。這是因為導出混響時間這個概念的基本假定一一擴散聲場與實際的室內聲場並不一致。

2、反射聲的時間與空間分佈

聽者接收到的直接來自聲源的聲音叫直達聲,經過頂棚、牆面等的反射後接收到的稱為反射聲。其中經過一次反射就被接收的稱為一次反射聲,經過多次反射後被接收的叫多次反射聲。最先到達聽者的是直達聲,以後是各次反射聲。由於各個反射聲走過的路程長度各不相同,到達時間也就各不相同(遲於直達聲到達的時間叫做“延時”),它們在時間軸上形成--個序列。

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混響聲是經過多次反射以後到達的為數眾多的能量較小的、在時間軸上十分密集的反射聲所構成的。這些反射聲的個數隨時間越來越多(大體上與時間的平方成正比),它們的包絡線大體上按指數曲線衰減,各個入射方向有相同的概率。因此,嚴格說來,只有混響聲這一部分是符合擴散聲場的假定,而在進入混響聲階段之前,在只有直達聲和其後的近次反射聲到達時,聲場還不是擴散的。在不同的大廳或廳內的不同位置,直達聲與近次反射聲的能量及時間和空間構成不同,正是造成音質的主觀感受不同的重要原因。

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時間分佈:實驗表明,直達聲以後35~50ms以內到達的反射聲有加強直達聲(提高響度)和提高清晰度的作用;同時,聽者對聲源方向的感覺仍取決於直達聲到來的方向。也就是說,在這個時間範圍內,不管有來自什麼方向的反射聲,聽者感覺到的只是來自聲源方向的聲音得到了加強。這樣的反射聲就是一般所說的近次反射聲。對於音樂,近次反射聲的時間範圍可以擴大到直達聲後的80ms。

與近次反射聲相反,混響聲則起降低清晰度的作用。我們可以把語言的音節看作是一個一個的脈衝聲,當前面的音節發出後,它的混響聲還要在室內延續,並隨時間衰減以至消失。如果衰減的速率較慢(混響時間較長),它就會掩蔽隨後發出的音節,使單詞或句子聽起來含混不清。

與清晰度相反,音樂的豐滿度要求有足夠的混響聲,要求保持室內有較長的“餘音”(混響感),所謂“餘音繞樑”,造成的就是一種整個室內都在“響應”的效果。一定程度的前後聲音的疊合,雖然對語言的清晰度不利,卻有助於美化音樂音質。

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空間分佈:上面已經談到,混響聲可以看作是向聽眾作無規入射(各個入射方向的概率相同)的,但近次反射聲則各自有一定的方向,它與房間的形狀、比例等有密切關係。

近次反射聲不僅在時間分佈上與音質有關,而且在其方向分佈上也與音質有密切關係。

來自前方(與聲源方向相近)的近次反射聲有加強親切感的作用,而來自側面的近次反射聲,有形成圍繞感的作用。這是音樂演出用的房間,特別是音樂廳所不可缺少的。在對已有的音樂廳的測定和分析表明,音質優秀的音樂廳,其近次反射聲中,不僅側向反射的聲能所佔比例較大,而且在時間上也比正前方的反射聲先到達聽眾。

二、音質設計的方法與步驟

根據上面我們對音質的主觀評價與客觀指標的分析,音質設計時應遵循以下幾個原則:

1、防止外部的噪聲及振動傳入室內,以使室內的背景噪聲級足夠低。

2、使室內各處都具有足夠的響度。對此,以自然聲為主的大廳,要注意選擇適當的規模。

3、安排足夠的近次反射聲。

4、使室內具有與使用目的相適應的混響時間。

5、防止出現回聲、多重回聲等聲學缺陷。

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此外,我們還需要注意,由於大廳的用途不同,音質的要求也不同,音質設計的重點問題也不同。例如,以自然聲為主的大廳為保持足夠的音量必須控制大廳的規模,並注意儘可能安排近次反射聲以提高響度與清晰度;而以電聲為主的大廳,廳的規模、形狀可不受限制,設計的重點是把混響聲限制在一定範圍,同時注意適當安排電聲場揚聲器,以保證聲場均勻。又例如,劇場、音樂廳等空間較大的廳,要注意防止出現回聲;而錄音室、聽音室等較小的空間,則應把重點放在室的長、寬、高的比例以及注意佈置吸聲材料和吸聲結構,特別注意防止低頻混響時間過長,避免產生低頻嗡聲等。

結語:由此可知,室內音質設計應在建築方案設計初期就同時進行,而且要貫穿在整個建築施工圖設計、室內裝修設計和施工的全過程,直至工程竣工前經過必要的測試鑑定和主觀評價,進行適當的調整、修改,才可能達到預期的效果。

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