厅堂音质设计
第一节 概述:
室内音质设计是建筑声学设计的一项重要内容，其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素。
室内音质设计应在建筑设计方案初期就同时进行，而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和施工的全过程中，直至工程竣工前经过必要的测试鉴定和主观评价，进行适当的调整、修改，才有可能达到预期的效果。
一、音质设计的一般要求
1.合适的响度——语言声：不低于60-65dB；音乐声——可低到40dB，高到80dB。
2.声能分布均匀措施：a.体型设计的扩散处理；b.均匀布置吸声材料
3.选择合适的混响时间
4.充分利用近次反射声——设计好天花和侧墙反射面，以向观众厅提供适当数 量的近次反射声。
5.消除音质缺陷——声聚焦、回声、颤动回声、声影和延时较长的强反射声
二、音质设计的任务及目的
音质设计的任务就是利用室内声学和噪声控制的研究成果所提供可科学方法和技术措施来达到预期的音质效果（通常通过客观音质指标来体现），并接受相应的声学测量来验证是否达标。
音质设计的最终目的是满足人们良好的听音感受的主观要求。
三、音质设计内容
音质设计内容包括厅堂选址，总平面布置，体积容积的确定，音质指标的考量，反射面的布置，混响设计以及噪声控制等。
四、音质设计的步骤
1.厅堂用地的选择。
调查比较各种可供选择的场地的环境噪声和振动状况，尽可能选择安静的场所。
2.总平面布置
考虑相应的防噪减震总体平面布置方案，观众厅和设备房的关系。
3.观众厅容积和体型设计
选择适当的观众厅平面与剖面形式，选择使厅堂容易达到最佳混响时间，响度和有利于充分利用有效声能，壁免音质缺陷的方案。
4.音质指标的选择与计算
确定各项音质指标，选定其优选值，进行包括混响时间在内的各项指标的计算。必要时可进行计算机仿真或声学缩尺模型试验。
5.噪声振动控制
确定围护结构的隔声方案，进行包括空调与制冷设备等噪声源在内的消声与减震设计。
6.观众厅内部的声学设计
修正观众厅体型，从声学角度参与考虑舞台，乐池，包厢，楼座及座椅布置等细节，布置声反射面，选择与布置吸声材料和结构，进行厅堂内部的声学装修设计。
7.施工过程的音质测试与调整
必要时，在施工过程中尚应进行音质测试工作，检验各项音质指标计算的精度，根据测量结果，进行必要的修正设计。
8.音质评价与验收
竣工后进行音质评价，包括主观评价，听众调查和客观音质测量。
五. 围蔽空间里的声学现象
有音质要求的厅堂，可分为以下三类：
1）供语言通信2）供音乐演奏用3）多用途厅堂——要兼顾语言和音乐的要求，一般采用比较折衷的解决方案，权衡语言和音乐两方面使用要求的主次。
第二节 供语言通信的厅堂音质设计
一、语言声的主观评价和客观参量
对于以语言声为主的厅堂，在音质设计和主观评价时，主要考虑以下因素：
1.语言声的特征
汉语是单音节的语言，一个字是一个音节，每个音节由元音和辅音组成。元音比辅音容易辨别 。
2.语言的音质主观属性
主 观 属 性 | 对 应 词 | |
名 称 | 主 观 评 价 | 声学术语 |
1.响度 | 响度合适 响度不够、声音太轻 | 响度 |
2.清晰度、可懂度 | 听得清 听不清 | 清晰度、可懂度 |
3.宏亮感 | 声音宏亮 干涩 | 丰满度 |
4.讲话者自我感 | 不费劲 费劲 | 反应及时性 |
5.回声 | 没有回声 有回声 | 回声干扰 |
6.噪声 | 安静 太吵 | 噪声干扰 |
3.语言清晰度
语言听闻条件的主要评定指标之一，是对语言能够听清的程度。
影响语言清晰度的因素主要有下列几点：
1）响度2）混响时间3）反射声——室内反射声的分布对语言清晰度有比较重要的影响。在音质设计时，要设法消除延时较长的强反射声。4）背景噪声5）近次反射声能与总的声能之比。
一般认为，在直达声后50ms以内到达的所有反射声，对听音起有利作用，这些反射声可提高响度和清晰度。
二、考虑听者与声源的距离
演讲者的口语声随距离的增加而不断衰减。
改变声音衰减程度的措施：
1.适当装置反射板
2.设法缩短讲台（声源）至最后排席位的距离：
a.选取较经济的席位宽度；
b.选取较经济的席位排距；
c.在符合疏散安全要求的前提下，经济地设置厅堂的走道；
d.选取听众席区域的最佳分布形状；
e.设置挑台等。
三、考虑声源的方向性
语言可懂度随听者与演讲者的方向性关系而有所不同。
如果SA表示演讲者正前方面对的听众距离，那么：
SA=15m，听闻不费力；
SA=15-20m，良好的可懂度；
SA=20-25m，听闻满意；
SA=30m，不用扩声系统听闻距离的极限。
我们可以利用可懂度等值线，来设计听众席位合理布置方案。
四、考虑听众对直达声的吸收
在水平布置作为的观众厅，由于对直达声能的吸收随着掠过的听众席位排数而增加，因此造成观众厅后部席位听闻困难。如果把大厅地面设计成逐排或隔排升起的形状，可减少声音的掠射吸收。
五、设置有效的反射面
正确设置反射面，可以对直达声的加强起重要作用。
设置反射板，应注意以下几点：
1.反射板最好装于（或悬挂在）大厅的顶棚下，以使反射声能不致因掠过前部席位听众而被吸收。
2.反射板尽可能装得低些，以使听众接收直达声和反射声之间的时差减到最小。
3.根据需要加强大厅后部听众区域听音的要求，确定反射板的位置和倾斜角度。
4.反射板应有足够的宽度，边长不小于3m。
5.反射板应当是平面或接近于平面，吸声系数应该很小。
在顶棚以下不同高度分块设置反射板。
当大型厅堂顶棚较高时，设计中可以考虑在顶棚下面水平或呈一定角度地悬挂反射板，其高度比顶棚低，但仍在声源上方。
考虑到厅堂建筑艺术造型的需要，也可以把反射板设计成曲面，但来自凸曲面的反射声，比来自平反射面和凹反射面的反射声弱。
六、扩声系统的选用
1.扩声系统的组成:
扩声系统包括三种基本设备：传声器（话筒），功率放大器（功放）用于扩声，扬声器（音箱）用以发声。
2.扬声器系统的布置
扬声系统的布置应根据厅堂的使用性质及内容的大小来确定，通常可以分为集中式布置，立体声布置和分散式布置三种。
1）集中式布置
把扬声器系统集中布置在观众席前方靠近自然声源处，如剧场，报告厅的台口上方或两侧。
2）分散式布置
当大厅顶棚的高度较低而场地面积较大时，集中式布置的扬声器所产生的声束难以覆盖所有观众席。这时，可把扬声器分区布置在顶棚或侧墙上。分别照射一部分观众席。
3）立体声布置
在舞台上及大厅各个界面装置两路或几路扬声器。
七、避免出现声影区、回声
1.避免出现声影区
声影区：由于遮挡使近次反射声不能到达的区域。如观众厅内的挑台。声影的产生使大厅声场分布不均匀。解决方法：在舞台口上方设置较低的、呈一定角度的放射板，将有助于改善声影区席位的听闻条件。
2.防止产生回声
回声的产生是个非常复杂的问题，在实际的设计工作中，须对所设计的大厅是否有出现回声的可能性进行检查，方法是：利用声线法检查反射声与直达声的声程差是否超过23m(即延迟是够超过1/15s）
观众厅最易产生回声的部位是后墙（包括挑台上后墙）、与后墙相接的天花，以及跳台的前沿等。如后墙是曲面，更会由于反射声的聚集加强回声的强度。
1）作吸声处理；
2）作扩散处理；
3）应改变其倾斜角度，使反射声落入近处的观众席；
4）吸声处理最好与扩散处理并用，并应当与大厅的混响设计一起考虑。
八、选择适当的混响时间
1.选择最佳混响时间及其频率特性
不同使用要求的大厅，有不同的混响时间的最佳值。推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的。
高频混响时间应当尽可能与中频一致，而中频以下可以保持与中频一致，或者随着频率的降低适当延长，这取决于大厅的用途。音乐演出用大厅应有的较长的混响时间，同时希望低频比中频略长，在125Hz附近可以达到中频500Hz的1.1－1.25倍，甚至1.45 倍。但对于以语言听闻为主的大厅，应用较平直的混响时间频率特性。混响时间应当较短，以保证厅内的清晰度。
2.控制大厅容积
在大厅的音质设计中，首先要根据厅的用途和规模确定其容积，厅堂容积对音质的影响很大。 《剧院、电影院和多用途厅堂声学设计规范》中规定各类厅堂每座容积限值为：
歌舞剧院：5-6m3 话剧院：4-4.5m3 戏曲剧院：3.5-4m3
电影院：3.5-5.5m3 多用途厅堂：3.5-5m3
九、排除噪声干扰
背景噪声和侵扰噪声都可能干扰听闻。
背景噪声：伴随围蔽空间使用所发出的噪声，例如：听众脚步声、翻动座椅声、门的砰击声等。由使用者发出的噪声，主要由使用者自己控制。我们也可以设法降低这种噪声，例如在可翻动的席位、小的写字板上安装橡皮止动器。
侵扰噪声：由外界透过建筑围护结构传入室内的噪声，不仅会掩蔽语言声，甚至使语言的清晰度大为降低。这一类噪声除了交通道路噪声外，还包括：来自门厅、走廊、过道、楼梯间、设备间等噪声，因此在这一类辅助用房中我们要进行严格的噪声控制设计。
第三节 供音乐欣赏用的厅堂音质设计
一、音乐的物理特性
从物理特性分析，音乐（包括声乐）和语言有下述差别：
（1）音乐的频率范围比语言要宽得多，大约从40Hz到15000Hz；各种乐器也有较大的差别；
（2）音乐的泛音（谐波）成分和结构比语言复杂，音色也丰富得多；
（3）音乐的节奏变化也比语言大得多；
（4）乐器产生的声功率一般比讲话大，演唱时能产生较大声功率；
（5）音乐的音量动态范围比语言大，通常有50dB左右，交响乐的动态范围则更大，有时可达70dB。
二、欣赏音乐的主观要求和客观评价量
对于欣赏音乐很难导出客观的评价标准，因为在人们的反映中包括了数值的判断和情感两个方面。
（一）音乐声音质主观评价
关于音乐声的主观评价流行许多术语：丰满，活跃，温暖，干涩，沉寂，亲切，清晰，平衡，空间感和环绕感等。
1.丰满度：各界面的反射声对直达声所起的增强和烘托作用，缺乏反射声的音质环境称为干涩和沉寂。 有时把低频反射声丰富的音质称为有温暖感，而把中高频反射声丰富的音质称为具有活跃度。
2.音乐的清晰度：可分为横向清晰度和纵向清晰度，前者指相距音符的分离与可辨析的程度，即能听清急速连贯演奏乐段的旋律。后者指同时演奏的各声部音符的可辨析的程度。即音乐的透明度和层次感。
3.音乐的平衡感：低，中，高音部分的平衡与协调，即自然音色不失真，不畸变。
4.音乐的空间感：含义较广，可包括声源的轮廓感，立体感，以及声源的横向拓宽感和纵向延伸感。还包括音乐的环绕感。
5.音质的亲切感：仿佛处身于尺度较小的厅堂中的听音感觉。即对厅堂大小的听觉印象。
一般认为好的音质应该具有四个方面的特征:
1.在丰满度与清晰度之间具有恰当的平衡
2.具有合适的响度
3.具有一定的空间感
4.具有良好的音色。即低，中，高频各声部取得良好的平衡。音色不畸变，不失真。
（二）音乐声音质客观评价量
1.早期衰减时间：声源停止发声后，室内声场衰变过程早期部分从0dB到-10dB衰变曲线斜率所确定的混响时间。
2.明晰度：直达声到达之后80ms内到达的早期反射声能与在此后到达的后期发射声能之比。早期反射声能越高，明晰度就越高，对清晰度越有利。
3.围蔽感：指80ms以内到达的侧向声能与80ms内到达的总声能之比。这个比值关系到欣赏音乐所感受的空间效果。
4.总声压级：即声音的强度，与人们判断的响度有关。在声源功率一定的情况下，增大声压级需要获得更多的反射声。
三、音乐厅设计应考虑的基本方面
（一）音乐厅的规模、容积和形状
1. 厅堂容积的确定（在大厅的音质设计中，首先要根据厅的用途和规模确定其容积）厅堂容积对音质的影响很大
（1）厅堂容积正比于混响时间。
（2）厅堂容积影响到厅堂的响度。
2.音乐厅的形状
当体积确定时，厅堂的体型对直达声的传播以及反射声的数量、方向、到达的时间和空间的分布都具有重要的影响。因此体型设计是音质设计的主要内容。
体型设计时应遵循以下几个基本原则 ：
1.充分利用声源的直达声；
2.争取和控制早期反射声；
3.进行适当的扩散处理；
4.防止声学缺陷的产生。
（二）早期反射设计
早期反射声：声源停止发声后，直达声到达后特定的一段时间内到达的反射声，我们称之为早期反射声。
早期反射声可提高直达声的强度、清晰度和声场的亲切感。侧向早期反射声还可以增强空间感 。
矩形平面的大厅：结构简单，能让绝大多数观众席有良好的视角，侧墙能提供覆盖面较大且均匀的反射声，当跨度较小时，反射声延时较短，有利于音乐的演出，这也是某些古典音乐厅音质优良的原因。（三）挑台设计
1. 控制眺台口的高度和出挑深度
a.为了不影响挑台下听众对音乐的感受，建议挑台的出挑深度不超过其开口高度，即D≤H。
b.控制眺台下末排座位的竖直方向视角，该角度要保证末排观众能看到完整场景，最好能达到60度。
2.将眺台下的顶棚设计成有利于增加眺台下坐席的早期反射声的形式。
措施：将眺台下面顶棚做成向后倾斜的形式，或将后墙局部倾斜。
3.挑台栏板的声学处理
挑台栏板处理不当，会导致一些音质缺陷，如回声、声聚焦等。方法有二：一是采用强吸声处理，可以达到控制厅内的混响时间的目的；二是采用扩散形式，来增强挑台下坐席的声级，两种办法的适用场合不一样，要视具体情况选择，就以演出音乐为主的厅堂，混响时间要求长，需要增强声场的扩散，控制声吸收，宜选用后者。
（四）为演奏者的设计
1.音乐罩的设置
如果有舞台空间，则需设置音乐罩，并使音乐罩所包围的空间称为观众厅空间的组成部分。音乐罩的材料应比较坚硬，材料的面密度需有20kg/m2。
舞台音乐罩是隔离舞台空间、满足自然声演奏要求围档结构的总称。其形式多种多样，分类方法有多种。最基本的方法是按音乐罩的闭合程度分，可分为闭合型与敞开型两种。
1.闭合式音乐罩多用于体积大，混响时间较长的厅堂中。闭合式音乐罩将舞台多余空间完全隔开，出发点是把全部自然声能输送给观众厅，可有效的提高厅内的混响时间与响度。其缺点：一是在演出大型交响乐时，打击乐、铜管乐声级过高，掩盖声级低的弦乐，甚至管乐的演奏声。致使乐队演奏失去平衡，影响整体性；二是其设备比较笨重。
2.敞开式音乐罩适合于体积小，混响时间偏短的剧院。这种类型的音乐罩使用灵活、轻便。处理得当可有效的降低在大型交响乐演出时打击乐、铜管乐的声级。其缺点是有部分自然声能逸散到舞台空间，不能充分利用自然声能，对延长观众厅混响时间起不到多大作用；另外由于顶板或后壁悬挂在吊杆上，占用了一部分杆，管理不当可能导致安全隐患。
3.演奏台外露时，要考虑将附近的墙面设计得向下倾斜，以便将反射声有效地投向演奏台。如果演奏台上部顶棚很高，则需在其上部6-8m处悬挂排列的反射板。
第四节 多用途厅堂音质设计
一、可变的大厅容积
可调大厅容积的方法就是通过调节观众厅的容积来提升或降低混响时间。原理上它比通过改变吸声量来调节混响时间更为恰当，因为容积改变后，不仅混响时间有变化，而且混响过程的细节，如后期反射声的密度、连续混响响度等有明显的改变。
1.活动隔断方式
通过活动隔断将大厅分隔成几个可以单独使用的小厅，从而达到改变容积的目的，隔断必须有良好的隔声性能。
2.升降吊顶方式
利用升降顶棚来调节容积，以适应多功能的使用。其结构复杂，造价高，而且还会带来工程上的问题，如灯光马道及机械通风要适应不同顶棚高度时的运作。
二、可调的声吸收
可调吸声就是利用附加吸声来降低混响时间，以增加音乐的透明度或语言的清晰度，以适应多种功能的使用。此方法具有设计及施工方便，工程造价低等特点。当前，我国的多功能剧院在可变声学条件设计时大多采用这种方法。常用的可调吸声的形式有六种，应根据投资、功能组合、厅内界面状况及结合装修要求进行选择。
1.帘幕式
通过帘幕的展开和闭合，改变界面的声吸收，达到调节厅内混响的目的，具有结构简单、装饰性好、投资较少、实用性强等特点。帘幕的吸声效果与帘幕本身的材料性质、褶皱率以及帘幕后的空腔厚度有关。 在工程中常用的做法是将可调节的帘幕隐藏在透声的饰面结构后（如木格栅），这样既不影响装修效果又可以满足满足混响调节的要求。饰面结构的透空率应大于50％，另外为保证其可调幅度，需设置一个储帘盒，使得帘幕收起后能储藏在一个封闭的空间内，不暴露在大厅内。
2.旋转式
通过旋转圆柱体（半圆吸声，另半圆反射）、三角体（三个面具有不同的吸声性能）、平板体（一面吸声，另一面反射）改变吸声状况，从而达到调节混响时间的目的。这种方式不仅调幅大，而且可使各频段有相近的调幅（特别是圆柱体，三角体），另外还便于控制；不足之处在于占空间较大。
3.翻板式
翻板式即板的一侧为反射面，另一侧为吸声面，且翻开的固定部分可作控制低频的吸声结构，通过开关“门”的方式调节厅内的混响时间。这种方式简单有效，但是占厅内空间较大。
4.百叶式
在界面的吸声构造部位，用活动的百叶饰面，通过开关百叶，达到调节混响时间的目的。构造设计合理时可获得较大的调幅，但百叶要有一定的面密度，以减少低频的吸收，保证低频的调幅。
5.升降式
在观众厅的顶板上设置可升降的吸声体或帘幕调节厅内的声吸收，从而达到控制混响的目的。这种方式可能占最少的处理面积，获得相当大的吸声量，但是低频调节能力较差。
6.空腔式
在强吸声的盒体外，设置能开启、关闭的盖，起到改变界面吸声的作用。这种形式，可使低频有较大的调幅，便于智能化控制，但精密度要求高。
三、可改变的反射和扩散
在厅堂的顶棚和墙面设置一些可以转动的声学装置，某些面可做成反射面，或扩散面，或吸声面，原理和可调的声吸收装置一样。
四、设置与大厅在声学上耦合的混响室
声耦合：两室声学上相通可以交换声能的情况。
这种方法是利用与大厅相连的耦合混响空间来改变大厅的混响过程。大厅与与之相连空间的耦合可以通过闸门来调节。闸门完全关上时，只有大厅本身的混响；打开闸门则可以使两个空间有不同程度的耦合，让附属耦合空间的较长混响时间“反馈”进大厅。
第五节 混响时间的设计计算
一、混响时间的计算
混响设计是室内音质设计的一项重要内容，它的任务是使室内具有和使用要求相适用的混响时间及其频率特性。这项工作一般是在大厅的形状基本确定、容积和表面积能够计算时开始进行。
1.具体内容：
1）确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性
2）混响时间的计算
3）室内装修材料的选择与布置
2.混响时间计算的步骤如下：
⑴根据设计完成的体型，求出大厅的容积V和内表面积S。
⑵根据大厅使用要求，参照实验总结所给出的混响时间及其频率特性的设计值。
⑶根据混响时间计算公式求出大厅的平均吸声系数。
⑷计算大厅内总吸声量A（㎡）及各部分的吸声量，A＝Sā。
⑸查阅材料及构造的吸声系数数据，从中选择适当的材料及构造，确定各自的面积，使厅内各界面的总吸声量符合上式。一般常需反复选择、调整，才能达到要求。
3.混响时间的计算
某市一座多用途厅堂，容纳观众1000人。大厅容积为4300m3，内表面积为2430m2。选择的混响时间指标，要求在频率为125-4000Hz范围都是1.1s。
二、混响时间计算的精确性
1.推导赛宾公式所根据的假设，与实际存在的条件并不吻合；
2.当厅堂内总吸声量较大时，赛宾公式计算混响时间不准确；
3.混响时间除了取决于房间的容积和总吸收量外，还受到围蔽空间的形状和吸声材料的位置的影响；
4.资料上给定的材料吸声系数一般都是根据标准的测试方法测量的结果，但实际情况不可能完全符合所有的条件。
