可調(diào)混響音樂(lè)廳的仿真與分析

唐鳳臺(tái)，孟子厚

(中國(guó)傳媒大學(xué) 傳播聲學(xué)研究所，北京100024)

1 引言

混響時(shí)間是最重要的聲學(xué)參數(shù)之一。混響時(shí)間的定義為：聲源在房間內(nèi)停止發(fā)生后，殘余聲能在房間內(nèi)往復(fù)反射，經(jīng)吸聲材料吸收，房間內(nèi)聲能密度衰減60dB所需的時(shí)間，一般用T30表示。在混響相同的情況下，對(duì)于不同的空間，以及使用不同的音源給人的混響感是不同的。在建聲音質(zhì)設(shè)計(jì)中，混響扮演者及其重要的角色。恰當(dāng)?shù)幕祉憰r(shí)間，相對(duì)平直的頻率特性曲線(xiàn)等都需要考慮，從而得到一個(gè)音質(zhì)良好的廳堂。

在一座固定的廳堂中，我們可以通過(guò)改變其吸聲材料的系數(shù)、調(diào)節(jié)耦合空間的大小及其使用電聲技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)廳堂的聲學(xué)參數(shù)，使其更加適宜音樂(lè)作品的演奏環(huán)境，從而獲得更好的聽(tīng)覺(jué)效果。目前國(guó)外對(duì)于通過(guò)改變吸聲材料和耦合空間來(lái)改變音樂(lè)廳混響時(shí)間的廳堂比較多，例如美國(guó)的有達(dá)拉斯莫頓梅爾森交響樂(lè)大廳，費(fèi)城金梅爾演藝中心Verizon大廳；英國(guó)的伯明翰交響樂(lè)大廳等。而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有真正意義上的該類(lèi)廳堂。

可調(diào)混響音樂(lè)廳是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)?；祉懣烧{(diào)可以使廳堂功能多樣化，滿(mǎn)足不同音樂(lè)類(lèi)型使聽(tīng)感更佳。本文以某座在建可調(diào)混響音樂(lè)廳為研究對(duì)象并進(jìn)行仿真。整個(gè)系統(tǒng)自然、無(wú)明顯的聲染色現(xiàn)象。主要通過(guò)調(diào)節(jié)吸聲簾幕的覆蓋面積和耦合門(mén)的開(kāi)啟程度來(lái)調(diào)節(jié)廳堂內(nèi)的混響。

2 Odeon仿真過(guò)程及結(jié)果

2.1 音樂(lè)廳模型介紹

本座音樂(lè)廳為小型音樂(lè)廳，主空間體積為7900m3，面積約為2900m2。次空間體積(即位于主空間兩側(cè)的休息廳，和后側(cè)的大廳部分)體積為7100m3。音樂(lè)廳上空有一塊反射板。其模型如下圖1所示。

圖1 音樂(lè)廳模型

該座可變混響音樂(lè)廳是通過(guò)改變音樂(lè)廳內(nèi)吸聲簾幕的覆蓋面積和音樂(lè)廳的兩側(cè)和后側(cè)的耦合門(mén)開(kāi)啟程度大小來(lái)使混響時(shí)間可調(diào)的。設(shè)基礎(chǔ)混響時(shí)間為吸聲簾幕和耦合空間均不起作用的狀態(tài)下的混響時(shí)間。在音樂(lè)廳內(nèi)吸聲簾幕起作用，耦合空間不起作用的情況下，可以下調(diào)混響時(shí)間；在音樂(lè)廳內(nèi)耦合空間起作用，而吸聲簾幕不起作用的情況下，可使混響時(shí)間得以加長(zhǎng)。

本座音樂(lè)廳的吸聲簾幕安置在觀眾廳的兩側(cè)和后側(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)吸聲簾幕的覆蓋面積，可以調(diào)節(jié)主廳的聲學(xué)特性。吸聲簾幕全部展開(kāi)的覆蓋面積如圖2所示，其調(diào)節(jié)方式是由廳堂兩側(cè)同時(shí)向后收縮。

圖2 音樂(lè)廳內(nèi)吸聲簾幕全展開(kāi)

本座音樂(lè)廳的耦合空間是指位于音樂(lè)廳兩側(cè)的休息廳和后側(cè)的大廳，通過(guò)調(diào)節(jié)耦合空間與大廳之間相連的耦合門(mén)的開(kāi)啟大小來(lái)控制混響時(shí)間。其耦合門(mén)的開(kāi)啟程度大小用Odeon的透射系數(shù)來(lái)表示。音樂(lè)廳兩側(cè)耦合門(mén)所在的位置是從靠近舞臺(tái)的一側(cè)數(shù)起，第一層的第二扇門(mén)到第六扇門(mén)，第二層的第一扇門(mén)到第四扇門(mén)。后側(cè)耦合門(mén)的位置是位于中間的第一層的6扇門(mén)和第二層的8扇門(mén)。

休息廳墻面采用墻面擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，有利于聲能擴(kuò)散，提高聲場(chǎng)均勻度，避免聲聚焦缺陷。如圖3所示。

圖3 休息廳聲線(xiàn)圖

2.2 測(cè)點(diǎn)分布

該模型設(shè)置了1個(gè)聲源和6個(gè)接收點(diǎn)。聲源位置大概在舞臺(tái)的中間，接收點(diǎn)位置都在音樂(lè)廳的一側(cè)，如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖

2.3 仿真結(jié)果及分析

由于實(shí)驗(yàn)不可能窮盡所有的可調(diào)類(lèi)型，以及研究時(shí)間的限制，根據(jù)該座音樂(lè)廳的具體特征，對(duì)研究對(duì)象分兩步進(jìn)行。

2.3.1 耦合空間部分

耦合空間部分主要探索耦合門(mén)的開(kāi)啟程度對(duì)混響時(shí)間的影響。根據(jù)廳堂兩側(cè)的耦合空間和后側(cè)的耦合空間，衍生出三種模型。

模型一：廳堂耦合空間全部開(kāi)啟。

圖5 耦合空間模型一示意圖

模型二：僅開(kāi)廳堂兩側(cè)耦合空間，后耦合空間封閉，不起作用。

圖6 耦合空間模型二示意圖

模型三：僅開(kāi)廳堂后側(cè)耦合空間，兩側(cè)耦合空間封閉，不起作用。

圖7 耦合空間模型三示意圖

采用多點(diǎn)測(cè)量取平均值的方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)模型一的系列為A系列，模型二的系列為B系列，模型三的系列為C系列。Ai、Bi、Ci表示耦合門(mén)開(kāi)啟(i*10)%時(shí)的狀態(tài)，即在Odeon仿真中設(shè)置透射系數(shù)為i /10時(shí)的狀態(tài)，i=1、2、3……10。其中在耦合門(mén)全部打開(kāi)100%情況下即A10狀態(tài)下仿真的聲場(chǎng)模型圖如下圖8所示：

圖8 ODEON仿真的A10狀態(tài)的聲場(chǎng)模型

三個(gè)模型中，聲源點(diǎn)和接收點(diǎn)是不變的，變化的只是耦合門(mén)的開(kāi)啟大小。

由表1可知，模式一的最大混響時(shí)間為2.3s，模式二的最大混響時(shí)間為2.1s，模式三的最大混響時(shí)間為2.0s。由圖9可知，三個(gè)模式對(duì)混響時(shí)間的敏感程度為：模式一>模式二>模式三。三個(gè)模式的混響時(shí)間基本上都是隨著耦合門(mén)開(kāi)啟程度的加大而遞增。

表1 三個(gè)模型耦合門(mén)開(kāi)啟程度與混響時(shí)間T30的值

圖9 耦合門(mén)開(kāi)啟程度與混響時(shí)間的關(guān)系

由上圖所示，在同一個(gè)模式中存在后一種耦合門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)與前一種耦合門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)的混響時(shí)間相同的情況，如A4和A5等。不同個(gè)模式中又存在混響時(shí)間相同的狀態(tài)，如A1、B1和C1等，說(shuō)明影響混響時(shí)間的因素不僅與耦合空間的位置有關(guān)還與耦合門(mén)的開(kāi)啟程度有關(guān)。即與早期反射聲的方向和空間體積有關(guān)。

大多研究表明，影響混響感的因素很多，包括早期衰減時(shí)間EDT，側(cè)向反射聲系數(shù)LF80，聲能比D50，C80等。廳堂音質(zhì)的最終評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是聽(tīng)者的主觀感覺(jué)，而不是客觀聲學(xué)參數(shù)，廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)也是要通過(guò)物理手段的應(yīng)用達(dá)到統(tǒng)計(jì)上最佳的主觀聽(tīng)感反映。

表2 T=1.9s，A4與A5的聲學(xué)參數(shù)

表3 T=1.6s，A1，B1，C1的聲學(xué)參數(shù)

由表2 和表3可知，即使混響時(shí)間一樣，但是其聲學(xué)參數(shù)卻幾乎完全不同，所以勢(shì)必會(huì)影響主觀混響感，即混響時(shí)間與主觀混響感之間并不總是唯一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就不難理解為什么混響時(shí)間相同的廳堂其音質(zhì)感覺(jué)可能完全不一樣。因此在今后的工作中可以設(shè)置一些主觀實(shí)驗(yàn)，探討這三種耦合空間模式與混響感的關(guān)系。

2.3.2 吸聲簾幕部分

音樂(lè)廳內(nèi)在耦合空間均不起作用情況下，調(diào)節(jié)廳堂內(nèi)吸聲簾幕的覆蓋面積主要是為了下調(diào)混響時(shí)間和防止聲缺陷。吸聲簾幕材料選用燈芯絨，其倍頻程吸聲系數(shù)見(jiàn)表4所示。

表4 吸聲簾幕的吸聲系數(shù)表

設(shè)該座音樂(lè)廳在耦合空間和吸聲簾幕均不其作用的情況下的混響時(shí)間為基礎(chǔ)混響時(shí)間。本座音樂(lè)廳基礎(chǔ)混響時(shí)間為1.6s。如圖10所示。

圖10 音樂(lè)廳基礎(chǔ)混響時(shí)間

音樂(lè)廳后側(cè)吸聲簾幕全展開(kāi)的覆蓋面積為：192m2，觀眾廳兩側(cè)吸聲簾幕全展開(kāi)的覆蓋面積都約為96m2x2，即廳堂內(nèi)吸聲簾幕的完全覆蓋面積為384 m2。

當(dāng)吸聲簾幕全展開(kāi)時(shí)，廳堂內(nèi)混響時(shí)間約為1.2s。如圖11所示：

圖11 音樂(lè)廳最小混響時(shí)間

可調(diào)吸聲簾幕狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的混響時(shí)間如下表5所示。

表5 可調(diào)吸聲簾幕設(shè)置基本狀態(tài)和混響時(shí)間值

由上表5可知該座音樂(lè)廳隨著吸聲簾幕的覆蓋面積縮小，混響時(shí)間逐漸增大。在吸聲簾幕全展開(kāi)狀態(tài)得到最小混響時(shí)間為1.2s，即音樂(lè)廳可下調(diào)混響時(shí)間范圍為0.4s。在耦合空間均不起作用的情況下，可變處理面積為384 m2/2900 m2≈13%。根據(jù)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在廳堂建筑中，設(shè)置可變吸聲結(jié)構(gòu)的表面主要在兩側(cè)墻上和局部后墻。當(dāng)構(gòu)造的吸聲系數(shù)在0.8左右時(shí)，可變處理面積占總面積的7%左右時(shí)，混響可調(diào)幅度約為0.3秒；處理面積在10%～12%時(shí)，可調(diào)幅度可達(dá)0.4～0.5秒；如果有更大的調(diào)幅量，除了要增加處理面積在15%以上外，還將設(shè)計(jì)吸聲系數(shù)接近1.0的構(gòu)造[5]，但作為音樂(lè)廳而言最小混響時(shí)間小于1.2s意義不大。

3 結(jié)束語(yǔ)

仿真結(jié)果表明，本座可變混響音樂(lè)廳的基礎(chǔ)混響時(shí)間為1.6s，通過(guò)調(diào)節(jié)分布在廳堂兩側(cè)和后側(cè)的耦合空間的門(mén)的開(kāi)啟程度，可上調(diào)音樂(lè)廳混響時(shí)間，幅度為0.7s，即達(dá)到2.3s；在耦合空間不起作用情況下，調(diào)節(jié)音樂(lè)廳內(nèi)在觀眾廳兩側(cè)和后側(cè)的吸聲簾幕，得到音樂(lè)廳可下調(diào)幅度為0.4s，即可低至1.2s。所以該座音樂(lè)廳的混響時(shí)間范圍為1.2～2.3s。對(duì)于通過(guò)調(diào)節(jié)耦合空間來(lái)改變混響時(shí)間而言，位于廳堂兩側(cè)的比位于廳堂后側(cè)的更敏感。音樂(lè)廳的可變混響設(shè)計(jì)最終目的是為音質(zhì)服務(wù)的。仿真結(jié)果顯示，在音樂(lè)廳處于不同的調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，混響時(shí)間可以相同，但是其余聲學(xué)參數(shù)卻是不同的，所以在后續(xù)工作中可以加入主觀聽(tīng)感實(shí)驗(yàn)，使該座音樂(lè)廳在實(shí)際應(yīng)用中獲得最佳的音質(zhì)效果。