室内音质设计是建筑声学的一项重要内容。对于一些音质要求较高的建筑,如剧院,音乐厅、电影院、录音室、演播室等,必须做专门的音质设计,以便创造出适于听闻或录音的声学条件。
室内音质设计首先要防止外界噪声和振动传人室内,使室内保持足够低的背景噪声级,避免噪声干扰。在满足这一前提条件下,音质设计应保证大厅无回声、多重回声、声聚焦、声影等音质缺陷,并根据大厅的使用要求,在混响感和清晰度之间保持适当的平衡,使观众席具有合适的响度和一定的空间感,同时保证良好的音色。目前观演建筑大都配备有电;声设备,因此配合电声工程师进行电声系统的设计也是室内音质设计的一项重要内容。
室内音质设计应当在建筑物的规划阶段就开始,贯穿整个设计过程,并在施工中作必要的测试、调整,以保证达到预期的设计目标。
一、音质主观评价和客观指标
(一)语言声音质主观评价的一般要求
(1)具有高的语言可懂度和清晰度;
(2)具有合适的响度;
(3)频谱不失真。
(二)音乐声音质的主观评价的一般要求
(1)具有适当的音乐明晰度;
(2)具有适当的音乐丰满度;
(3)具有适当的音乐亲切度;
(4)具有适当的音乐平衡感,音色不失真;
(5)具有适当的音质空间感;
(6)具有适当的响度感。
(三)音质客观评价指标
1.混响时间与早期衰变时间
混响时间的概念已在前面叙述。早期衰变时间(EDT)是与混响时间相关的另一表征室内声衰变的物理指标。它定义为稳态声压级由o~一10dB的衰变时间乘以6而得到的时间。
2.声压级和强度指数
这是与响度有关的物理指标。
声信号必须具有一定的声压级和信噪比,以保证清晰的听闻和足够的响度。信噪比是语言或音乐信号的声压级高出背景噪声级的数值。
强度指数G定义为厅堂某处由五指向性声源所贡献的声能与同一声源在消声室中离开10m处测得的声能之比。
3.明晰度C、清晰度D与室内声学语言传输指数RASTI
这是一组与音乐明晰度和语言清晰度有关的物理指标。
直达声之后50ms(对于语言声)或80ms(对于音乐声)内到达的早期反射声能与此后到达的后期反射声能的比值高,对音质的清晰度有利。
室内声学语言传输指数RASTI(又称为快速语言传输指数)反映了原始声音信号在室内声场的作用下在接收点上所产生的信号改变的程度。通过比较原始信号与接收到的信号,经过计算得到语言传输指数。RASTI值介于o~1之间。
4.早期侧向能量因子LF和双耳互相关系数
这是与音质空间感有关的物理指标。
来自侧向的早期反射声能与音质的空间感有关。
分子代表来自侧向的早期反射声能,分母代表早期总声能。LF的值越高,则空间感越好。
双耳互相关系数IACC表示在厅堂中,当观众面对表演者时,到达其双耳的声信号的差别程度,差别越大,空间感越好。
5.混响时间频率特性
混响时间频率特性通常要求平直,或者允许低频有适当的提升,以保证音色的平衡和不失真。 二、大厅容积的确定
应当根据大厅的规模和用途来确定其容积。就音质设计而言,确定大厅容积时主要考虑保证大厅有合适的混响时间和足够的响度。
三、大厅体形设计
大厅体形直接决定反射声的时间和空间分布,因此对室内音质影响颇大。大厅体形设计应注意以下几点:
(一)充分利用声源直达声
(1)应控制大厅纵向长度(一般应小于35m),必要时设置楼座,以缩短直达声的传播距离;
(2)平面设计时,应将观众分布在一定的角度范围内(140o),以适应声源的指向性;
(3)宜有足够的地面升起,以减少观众席对直达声的掠射吸收。
(二)争取和控制早期反射声
早期反射声(直达声后50~80ms内到达的反射声)的强度、时间和空间分布对厅堂音质有很大的作用。因此,在厅堂体型设计时,应注意争取给观众提供较多的早期反射声,特别是应利用舞台附近各界面及顶棚作为声反射面,并应注意反射声到达的方向。
通过声线作图法或计算机仿真,可确定反射面的位置、角度以及尺寸大小,或检验反射面对声音的反射情况。作图时,声源的位置一般定在舞台大幕线或大幕线后2~3m,离舞台面高约1.5m,观众席接收点离地面高1.2m。
同理,还可从厅堂的平面求出侧墙的反射面,使来自侧墙的反射声线较均匀地覆盖整个观众席。
(三)适当进行扩散处理
扩散反射或部分扩散反射能使声能在各方向上的分布更均匀,为某些区域增加早期反射声,使厅堂各区域的声压级差别缩小,听闻条件更为接近,而且可使声音更柔和圆润。
通常可采取以下措施使声能扩散:
(1)在界面上交错布置(也称“补丁式布置”)吸声材料;
(2)在界面上或室内空间布置扩散构件。
扩散体的尺度应与欲扩散的声波波长相当,才可取得良好的扩散效果。
(四)防止产生声学缺陷
1.房间共振和共振频率的简并
对于小容积房间,特别在低频段,由于简并振动方式分布不均,可能产生严重的声学缺陷。可通过合理选择房间的尺度,采取合适的房间比例,采用不规则体型以及进行吸声或扩散处理来克服房间不利声共振现象。
2.声聚焦
凹曲面的墙面或顶棚,可能引起声聚焦现象,造成声能分布的极度不均,应加以避免。在体型设计中,应避免采用凹曲面。在必须采用凹曲面的场合,应当在曲面上做全频域强吸声处理或扩散处理。
3.回声与颤动回声
回声是入耳能分清的直达声以后出现的强的长延时反射声。观众厅中最容易产生回声的部位是后墙以及与后墙相接的天花和楼座挑台拦板。通过布置吸声材料、进行扩散处理或改变倾角,使反射声落人近处观众席,可消除回声干扰。
颤动回声,也称多重回声,是由于声波在特定界面间(如大面积平行界面)往复反射所产生的现象。可通过进行吸声扩散处理或改变界面的相对倾角等措施来消除颤动回声。
4.声影区
声影区是指由于障碍物对声波的遮挡使直达声或早期反射声不能到达的区域。
观众厅中容易产生声影区的地方主要是挑台下的座位区。为此,需控制挑台下开口高度H与挑出深度D的比值(图3—10)。对于音乐厅,应控制挑台的开口比D/H≤1或挑台张口角度θ≥45°;对于歌剧院和多功能厅,则应使D/H≤2(或θ≥25°)。
四、混响设计
混响设计的主要任务是使厅堂具有适合使用要求的混响时间及其频率特性,从而取得丰满度和清晰度的适当平衡,并且从建筑声学的角度为保持自然音色的平衡创造前提条件。
混响设计应在观众厅的体型、容积和内表面积确定后进行,内容包括:
1.根据厅堂的主要使用功能确定最佳混响时间及其频率特性
高频混响时间应尽量与中频一致,低频混响时间可以保持与中频一致,或者随着频率的降低适当延长,延长多少取决于大厅的用途。音乐演出用的大厅在125Hz附近可达到中频500Hz的1.2~1.5倍。而对于以语言听闻为主的大厅,混响时间频率特性以平直为宜。高频则由于空气的声吸收,允许混响时间比中频略短。
2.混响时间计算
(1)根据确定的房间体形,计算室内体积y和总表面积S;
(2)根据混响时间计算公式求出大厅的平均吸声系数列
(3)计算大厅内各频率所需的总吸声量A以及固有吸声量,即家具、观众、舞台口、耳面光口、走道、通风口等的吸声量总和。室内所需的总吸声量A减去固有吸声量就是所需增加的吸声量;
(4)根据材料及构造的吸声系数数据,选择合适的装修材料及构造方式,确定相应的面积,以满足所需增加的吸声量,使各频带的混响时间达到混响时间频率特性的要求。
以上计算一般在125Hz~4kHz的6个倍频带的中心频率上进行。设计与实测值的允许偏差,宜控制在10%以内。
五、电声系统
(一)扩声系统的组成
(1)传声器(话筒)用以拾音;
(2)功率放大器用以扩声;
(3)扬声器用以发声。
传声器的作用是把声信号转换为电信号;功率放大器的作用是把声信号放大;扬声器的作用是把电信号再次转化为声信号并辐射出去。
现代厅堂的扩声系统一般以调音台为中心,调音台是扩声系统的控制中枢。
(二)对扩声系统的要求
(1)具有足够宽的频响,以保证音色不失真;
(2)具有足够的功率输出,以满足信噪比的要求,可用传声增益这个指标来衡量;
(3)使观众席区域的声压分布均匀;
(4)具有良好的声源方位感,使声像与视像一致;
(5)控制声反馈和避免回声、颤动回声的干扰。
控制声反馈的主要措施包括:
1)采用强指向性传声器和扬声器;
2)控制室内混响时间及其频率特性,同时避免向传声器方向辐射强的直达声与反射声;
3)选用频响曲线平直的电声设备;
4)通过调音台周边设备反馈抑制器来抑制声反馈。
(三)扬声器系统的布置
扬声器的布置方式大体上可分为集中式、分散式以及集中分散并用三种。
集中式布置是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,体育比赛场地的中央上方。
分散式布置是指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)。
集中、分散并用的布置方式多用于多功能厅及一些规模较大的厅堂。这时除集中式布置的扬声器外,还在观众厅顶棚、侧墙以至地面上分散布置附加的扬声器。