室內(nèi)音樂聲學(xué)環(huán)境的測量及研究綜述

摘要：室內(nèi)音質(zhì)與聲學(xué)設(shè)計密不可分，音樂與相應(yīng)室內(nèi)環(huán)境的融合至關(guān)重要。音樂廳承載面向觀眾的實時表演，錄音棚用以記錄音響的載體制作，客觀聲學(xué)參量分析決定著它們是否符合使用要求，是進行可行性修改的重要客觀依據(jù)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)聲學(xué)；噪聲截斷法；脈沖法；計算機模擬

一、價值與意義

室內(nèi)音樂聲學(xué)，即研究房間音質(zhì)問題的科學(xué)，主要討論的是從聲源發(fā)出的聲音在閉室內(nèi)的傳播情況，以及所形成的聲場及造成的聽感。常見的室內(nèi)音樂聲學(xué)環(huán)境有音樂廳、劇院、錄音棚等專注于音樂演出和音樂制作場所，還有會堂、禮堂、文化宮、廣播大廳、體育館等一些兼有音樂活動的多功能用途室內(nèi)環(huán)境。其中，音樂廳是面向觀眾實時表演的室內(nèi)環(huán)境，錄音棚是用以記錄音響的載體制作，可見音樂廳和錄音棚在音樂的發(fā)展歷程中扮演了非常重要的角色，推動了音樂的發(fā)展和音響的保留。

眾所周知，演員在戶外演出時是一個開放空間，除了地面，基本沒有聲音的反射。聽眾聽到的都是直達聲，當(dāng)演唱（奏）結(jié)束時，聲音就立即停止了，而在大教堂、音樂廳或會堂等任何大致上封閉的空間，聽眾聽到的是直達聲和大量反射聲，而房間的形狀、大小以及材質(zhì)的應(yīng)用決定著反射的數(shù)量、幅度和持續(xù)時間。每個特定的空間都會有自身特有的反射聲，反映了該空間的聲音特點。如此，音樂的藝術(shù)和聲學(xué)科學(xué)必須相互融合，因為音樂的感覺絕不能與演出場所的音響傳播及音質(zhì)接受相分離，它能讓各種樂器與人聲形成完美的融合與平衡。

1690年，倫敦建造了世界第一個音樂廳。18世紀(jì)，德、法等許多國家都建造了音樂廳；19世紀(jì)，由于大型樂隊的建立，出現(xiàn)了1500～2000個座位的大型音樂廳，如1863年完成的舊波士頓音樂廳、1870年交付使用的奧地利的維也納音樂廳、1887年荷蘭的阿姆斯特丹音樂廳等一直被奉為經(jīng)典之作。時至今日，小型音樂廳有500或500以上座位，大型音樂廳有3000～4000以上座位，形狀構(gòu)建也多種多樣，有長方形、扇形、橢圓形等。音樂廳一般不使用電聲系統(tǒng)，而是靠大廳的頂棚、墻壁和固定或不固定的反射板的作用來獲得充足的音量和良好的音質(zhì)。音樂廳的音質(zhì)是室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，所以它的建造和使用價值長期以來是建筑師和聲學(xué)工作者合作的共同目標(biāo)。

錄音棚又叫錄音室，主要是進行錄音和音樂制作的場所，聲學(xué)環(huán)境上要求在相對較小的空間中獲得可塑性很強的聲場環(huán)境，因此，錄音棚的聲學(xué)設(shè)計要嚴(yán)格規(guī)范，聲學(xué)要求主要是“語言清晰、可懂度高，其次是良好的豐滿度”。在主要使用條件下，要求錄音棚具有相應(yīng)于拾音要求的混響時間頻率特性，抑制影響拾音音質(zhì)的聲缺陷，如回聲、顫聲、低頻嗡聲等。在傳統(tǒng)的單聲道錄音工藝中，要求其混響時間接近優(yōu)質(zhì)的音樂廳，而在多聲道錄音工藝中，則要求混響時間較短些。錄音師不可避免地要與機器設(shè)備或監(jiān)聽環(huán)境的噪聲作斗爭，因此，做好錄音棚本身的聲學(xué)環(huán)境設(shè)計至關(guān)重要。對于錄音師或音樂制作人來說，擁有模擬聲場 概念的聽覺能力的同時，知道環(huán)境聲場之優(yōu)勢及不足，從而在音樂錄音或制作時能夠在音響上給予修正。

二、歷史和現(xiàn)狀

有關(guān)室內(nèi)聲學(xué)方面的記載最早見于公元前一世紀(jì)維特魯威所著的《建筑十書》（Morgan譯，1960）。在中世紀(jì)，歐洲教堂采用大的內(nèi)部空間和吸聲系數(shù)低的墻面，產(chǎn)生長混響聲，造成神秘的宗教氣氛。15～17世紀(jì)，歐洲修建的一些劇院，大多有環(huán)形包廂和排列至接近頂棚的臺階式座位，使混響時間適中，聲場分布也比較均勻。18～19世紀(jì)，自然科學(xué)的發(fā)展推動了理論聲學(xué)的發(fā)展。19世紀(jì)初，德國人弗里德利克·察拉迪（E.F. FreidrichChlaudi）的著作《聲學(xué)》（Acoustics），開始致力于解釋混響現(xiàn)象；1877年，英國物理學(xué)家威廉·瑞利（Lord John William Rayleigh，1842—1919年）發(fā)表巨著《聲學(xué)原理》（The Theory of Sound），聲學(xué)成為物理學(xué)中相對獨立的分支學(xué)科，拉開近代聲學(xué)的序幕。

在中國，關(guān)于室內(nèi)聲學(xué)理論和實踐的發(fā)展也取得了很大進展。16世紀(jì)，中國建成著名的北京天壇皇穹宇，建有直徑65米的回音壁，可使微弱的聲音沿壁傳播一二百米。19世紀(jì)下半葉，西方聲學(xué)理論的研究成果開始傳入中國，如《聲學(xué)》等中譯本的出版，在我國近代物理學(xué)史和科學(xué)傳播史上占有重要的地位。1921年落成的清華大禮堂音響效果差，由于缺少物理學(xué)專門人才，只能依靠自然科學(xué)部教師和校內(nèi)工程師探索解決方案，自然很難切中問題的實質(zhì)，于是，物理學(xué)系最初的研究工作就此展開，逐步開啟近代室內(nèi)聲學(xué)在中國奠基的歷程。

三、參照的中外聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

1980年，為適應(yīng)我國四個現(xiàn)代化建設(shè)的需要，加速聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的建立，提高聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平和應(yīng)用水平，加強與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的聯(lián)系，經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)總局批準(zhǔn)，全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會在馬大猷院士的直接領(lǐng)導(dǎo)下正式成立。聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是進行聲學(xué)相關(guān)研究的基礎(chǔ)，它的建立對于統(tǒng)一聲學(xué)名詞術(shù)語、聲學(xué)量和單位，促進聲學(xué)主觀評價，為我國改善人居和工作聲學(xué)環(huán)境、改善廳堂音質(zhì)、規(guī)范吸聲和隔聲材料、控制各類噪聲源和傳播路徑、規(guī)范噪聲輻射量的測量和標(biāo)示、規(guī)范隔聲和消聲產(chǎn)品的設(shè)計和聲學(xué)性能測量等方面奠定了基礎(chǔ)，使聲學(xué)的發(fā)展有標(biāo)可依。在室內(nèi)聲學(xué)方面，聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對混響時間、噪聲級、隔聲量等聲學(xué)量的實地測量方法和標(biāo)準(zhǔn)以及室內(nèi)聲學(xué)材料的規(guī)格、吸聲和隔聲性能方面都做出了規(guī)范，讓聲學(xué)工作者在設(shè)計和交流上有科學(xué)參照，促進了室內(nèi)聲學(xué)的發(fā)展。本文參照的中外聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1.ISO 140-4：”Acoustics – Measurement of Sound Insulation in Buildings and of Building Elements - part 4： Field Measurements of Airborne Sound Insulation between Rooms”：

制定者：CEN members 制定時間：1988年8月15日。

2.ISO 717-1 Acoustics-Rating of sound insulation in buildings and of building elements part 1：Airborne sound insulation：

制定者：Technical Committee CEN/TC 126 制定時間：2011年7月15日修訂版。

3.GBJ 121-88 建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)：主要內(nèi)容是建筑物和建筑物構(gòu)件的空氣和撞擊聲隔聲測量結(jié)果評價，轉(zhuǎn)換為單值評價量，以便于隔聲性能的相互比較和建筑隔聲設(shè)計，評價空氣聲隔聲的參考曲線特性。主編部門：首都規(guī)劃建設(shè)委員會辦公室 主要起草人：向斌南 施行日期：1988年12月1日。

4.GBJ 76-84 廳堂混響時間測量規(guī)范：主要目的是為統(tǒng)一廳堂混響時間的測量系統(tǒng)和測量方法，使不同單位測量的結(jié)果具備相互可比的統(tǒng)一基礎(chǔ)，特制定本規(guī)范。主要內(nèi)容包括測量系統(tǒng)、測量方法和測量結(jié)果的表達。主要起草人：清華大學(xué) 譚恩慈 施行日期：1985年6月1日。”

四、研究方法、測量設(shè)備及工作原理

該課題主要運用調(diào)查法，使用2270手持式分析儀進行室內(nèi)測量、通過BZ5503、PULSE Reflex Type 8780等一系列數(shù)據(jù)分析軟件生成測量結(jié)果，得出技術(shù)性結(jié)論。其他方法還有：1、文獻資料研讀法。2、個案研究法。

（一）測量的目的及意義

通過測量，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的積累，運用測得的反應(yīng)房間本身聲學(xué)特性的客觀參量來精確而客觀地描述聲場，為音質(zhì)研究提供客觀依據(jù)和方法。

（二）測量方法

1.噪聲截斷法

圖1就是這項任務(wù)的典型配置，配置中包括一個無指向型聲源（發(fā)出粉紅噪聲 ）、一個功率放大器、一個2270主機和用來出報告的PC機一臺。

2.脈沖測量法

2270K001系統(tǒng)進行脈沖法測量時僅需要攜帶圖1中的2270主機，外加脈沖聲源和一個三腳架。脈沖響應(yīng)可用脈沖聲源（比如發(fā)令槍、氣球、電火花或其他能產(chǎn)生足夠頻率寬度和能量的聲源）直接進行觸發(fā)測量。測量前，使用試觸發(fā)聲源的方式設(shè)置主機待觸發(fā)聲壓級，按需要通常將觸發(fā)聲壓級設(shè)置為80dB。

（三）工作原理

測量時，聲源多次激發(fā)取樣是為了提高測量精度，減少測量誤差。為了防止外部噪聲的干擾，對測量時間的選擇也尤其重要，應(yīng)選擇在適當(dāng)時間進行，例如下班后人流量少的時間、周圍沒有工程作業(yè)的聲音等。音樂廳中舞臺和觀眾區(qū)燈光全部打開，出入口門緊閉分滿場和空場兩次測量，錄音棚中燈光和空調(diào)系統(tǒng)打開，門緊閉，電腦以及相關(guān)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

1.混響時間

RT是描述一個房間或空間聲學(xué)質(zhì)量最重要的參數(shù)之一，進行測量時，通常要在滿場和空場兩種情況下進行。RT是聲源激勵停止以后，聲音在房間里衰減的時間，即如圖1所示：衰減的是聲音級值從60dB開始到趨于穩(wěn)態(tài)的時間，但通常是測量10dB、20dB或30dB的聲壓級值衰減時間，然后外推到60dB聲壓級衰減的范圍。

2.隔聲測量

圖3為隔聲測量的原理圖示，隔聲測量時最為普遍的任務(wù)是空氣隔聲，應(yīng)用噪聲截斷法的典型配置（如圖1）來進行測量。本文中對錄音棚測量涉及房間之間的空氣隔聲，探究錄音棚中操作間和錄音間之間隔墻（包括隔墻上的玻璃監(jiān)視窗口和雙開門）的隔聲量、錄音間中的背景噪聲及混響時間，提高整個錄音棚的隔聲性能使音樂制作和錄音效果更佳。按照噪聲截斷法的典型配置，隔聲測量時選定幾個傳聲器位置，依次來測量聲源房間平均譜L1和接受房間的平均譜L2，還要測量平均背景噪聲譜B2，以驗證真實的L2譜。測量平均混響時間譜T2，來修正接受房間的吸聲量（房間內(nèi)各表面和物體的總吸聲量加上房間內(nèi)媒介中的損耗）。

五、數(shù)據(jù)分析

通過專業(yè)測量儀器實地測量數(shù)據(jù)進行分析，可以得到各個廳堂準(zhǔn)確的技術(shù)資料，以便能夠很好的分析各個廳堂的聲學(xué)屬性，使不同的室內(nèi)廳堂環(huán)境都能發(fā)揮各自最好的品質(zhì)為音樂服務(wù)。測量均使用丹麥Bruel&Kjaer;公司的Type2270K001手持式分析儀系統(tǒng)得出專業(yè)數(shù)據(jù)，探究本文提到的兩種不同的聲學(xué)環(huán)境。

此外，為了檢測驗證音樂廳音質(zhì)，我們可以采用AutoCAD重新建模，用EASE4.3對其模型進行三維計算機聲場模擬分析。

結(jié)語

聲學(xué)設(shè)計關(guān)系到許多室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境的質(zhì)量和使用功能。本文通過對室內(nèi)聲學(xué)的研究在中外發(fā)展的歷史脈絡(luò)細(xì)致梳理以及研究現(xiàn)狀、成果進行綜述，以音樂廳和錄音棚兩種功能的室內(nèi)廳堂為例，探究使用精確的專業(yè)儀器深入測量分析的方法，力圖觸及室內(nèi)聲學(xué)最基礎(chǔ)的層面，從而以此為起點，將來對我國其他室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境進行分析研究，進一步研究室內(nèi)聲學(xué)的條件是否能用與其他的劇種和相關(guān)樂器，發(fā)揮更好效果。在未來進一步的研究中，爭取能有突破，得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮其應(yīng)有的價值。

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作者簡介：高明（曾用名高明明），男，1986-09，江蘇省徐州市，研究生，研究方向：音樂學(xué)。