建筑设计中的声学与声音系统

贵州家电维修网 http://www.gz112.cn 2008-1-2 18:14:32 来源:互联网

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在礼堂、艺术演出中心、剧院、音乐厅、体育场馆、教室以及教堂等建筑设计中,都要求进行声学设计以便能获得清晰、愉悦、无失真的语音和音乐效果。这是建筑设计中的一项基本要求。


因为良好的声音效果对于许多建筑物都是重要的,因此建筑设计师在设计初期就应该充分考虑建筑物的声学效果。在实际操作中,这意味着声学专家和声音系统设计师应在一开始就被邀请加入设计队伍,最好是在构思阶段就加入,以便确保声学和扩声在基础规划阶段就能得到加强。所以,一个好的建筑音效设计离不开对声学和声音的理解以及一个好的设计团队。


声学概念


声光之间的不同点


由于人类感官在许多方面都是模拟式的,因此有一种错误的认识认为声音与光是详细的,造成这种错误认识的例子是你只需要像照明一样用声音“覆盖”一个区域即可。然而,这种模拟性认识却在一些基础的物理学面前显得漏洞百出。


我们感知到的声音的空气传播波长要比光线的电磁波传播波长要长得多。当多束光线照在室内的同一个目标时,光线亮度的增加不会产生给人以可察觉的视觉失真。相比之下,多个声波投射在室内的同一个目标却相互干扰,甚至会相互抵消,除非该房间经过了专门的声学设计以避免这种结果的产生。这种干扰可能会使声谱中的某些重要元素丧失,从而在室内的不同地点产生不同的声音质量,并延迟声音的到达时间。所有这些因素加起来可能会使音乐沉闷,质量降低,使说话声无法听清。


造成这种干扰的常见原因主要包括反射和扩音音箱交感作用。



图1


声音反射


坚固且平直的墙面,如戏院包厢的正面墙等,可能会产生反射。如果包厢位于剧院或礼堂的后部,反馈回观众席的声音会使坐在舞台和包厢之间的观众难以听清台上的说话声,因为这部分观众会既听到原始声音,也听到回声,后者抵达耳部的时间会稍晚些。从而造成观众听不清或听到的声音杂乱无章。


房间与墙壁的形状


凹面,圆形,包括凹墙和穹顶形,这些形状对于语音质量要求高的房间是最不适宜的。凹面会将声音聚焦于一个特定区域,使该区域较房间的其他区域的声音更强,产生强烈的延时反射,无法与原始声同步。这会产生听不清的问题。解决的办法是将凹面改成多个表面球形凸起形,这样可散播回声波成多个向不同方向传播的较小的声波,从而降低听众的不舒服程度。



图2


声学处理


吸声材料一般都是频率可选的,即某些材料只吸收高频声,而另外一些材料却既能吸收高频声,也能吸收人耳可辨别的中频声。确保所选择的用于覆盖墙壁、门窗的吸音材料能吸收需要被吸收的声频,并恰好在需要吸收的区域,是重要的。其他处理手段,如使用扩散体扩散声波,在某些时候可能更加有效。合格的声学专家能针对特定问题给出最行之有效的声音处理方式。


“30微秒与30英尺”原理


反馈在什么时候会使听众厌烦?一般情况下,反馈声的传播距离比原始声传播距离超出30英尺或30英尺以上时,回声即会对人的听觉产生负面影响。这是由于只要声音在30ms以内抵达人类的大脑,后者便能将这些声音作为一个声音来予以辨别,而在原始声音之后超过30ms抵达的声音就会被识别为一个回声,回声便会对音乐或说话声造成干扰,影响人耳的辨别。


声音每毫秒的传播距离大约为一英尺。30ms的时间声音可传播30英尺的距离。当回声的传播距离——即从听众至反射面再折回到听众的距离,超过30英尺时,回声就会影响到人耳的可理解性。例如,从来自听众后面10英尺的墙壁产生的声反射一般不会对人耳理解声音产生影响,因为原始声通过人耳的时间为10ms,从墙壁回来的发射声抵达人耳的时间也为10ms,加起来只有20ms,小于30ms的允许时间间隔。然而,同样的情况,如果反射墙在听众后面20英尺的话就会产生问题,因为原始声到达听众耳朵和反射声到达听众耳朵的时间均为20ms,加起来总共有40ms,超过了30ms的允许时间间隔。


解决的方法可以是在反射面上采用吸音材料以减少回声的量,改变反射面的形状来打乱反射声波的一致性,还可以重新对声音系统进行设计,使之不至于产生回声。


相比之下,在30ms以内抵达人耳的早期回声。特别是来自侧面墙的回声,被称为早期边音反射,它能够增强声音的宽广域,使房间给人以温暖的环境感觉。一些演出大厅专门设计了靠得较近的左右墙壁,以通过增加早期边音反射密度的方式来改进声音效果。



图3


来自后面墙的声反射可能会造成问题,降低语音的可理解性及音乐的清晰度。


噪声控制


来自空调和相邻空间的噪声也会降低房间内的声音质量,因此对噪声也要采取措施抑制,必要时还应消除之。


三、音响系统原理


在建筑设计的初期就应该考虑到房间的声学属性和音响系统设计,以免等到最后出现问题时再予以补救,从而带来高昂的成本。


音频频谱


音频波长用每秒的震动圈数来衡量,单位为赫兹(Hz)。例如,钢琴上的中间C调之上的A音符的频率,相当于每秒440圈。人类可辨别的声音频谱范围为20Hz-20kHz(20,000Hz)。对于实况或录音音乐,整个可听得见的频谱还有待研究。对于语音可理解性,音响系统设计师们需要特别注意中频,一般来说是指500Hz-4kHz的范围。不过,即使是仅要求语音传播的音响系统,低于或高于这一频段的频率对于传播自然人声,以及避免浑浊或稀疏语音现象也是重要的。


由于波长的差异,音频频谱的各个组成部分都具有各自的挑战。高频的波长较短。20kHz的波长为1/2英寸(12m)。低频则具有较长的波长。如20Hz的波长为50英尺(12.7m)。不同波长的特性都不相同。



图4


障碍与视线


低频的长波能围绕物体衍射(或绕行),高频的短波却会在其传播途中受到物体的阻挡,导致坐在障碍物后面的听众听不到部分音频信息。


对于剧院或礼堂内,观众需要听到中频和高频声音的场合,扩音音箱需要被沿着与所有听众呈笔直视线的位置放置。一般情况下,这意味着扩音音箱要为听众所看到,有碍房间的美观。不过,这种不美观可以通过多种方法来予以掩盖,如可以用声学透明的表面材料覆盖扩音音箱等。不过,在安装前必须对这种覆盖材料进行声音传播特性检测。


再则,覆盖扩音音箱毕竟不是最好的办法,现在也不常用了。一些扩音音箱,如纵向线阵列和其他流线型的扩声系统,都可以明性地安装。事实上,扩音音箱的设计包括其颜色都可有效地于被融入整个房间设计中,与其他元素及整个房间实现协调一致。无论扩音音箱是隐藏安装的或是外露安装的,在设计的初期就认识到可见性问题有助于整个房间的美学效果——无论是视觉美学,还是声音美学。


模式控制与扩音音箱规格


音响系统设计师们一般都选择覆盖图形与聆听区域相匹配的扩音音箱。较差的图形覆盖会导致不平的声音覆盖效果,易于产生回声,音调的不规则,以及较差的可理解性。


遗憾的是,一般来说都需要使用大型扩音音箱控制较宽频谱范围的声音覆盖,并使用足够低的频率。扩音音箱工程师们一般都是通过喇叭或扩音音箱驱动空间交互来控制覆盖区域的。这两种方法都要求扩音音箱足够大,这样才能取得较好的图形覆盖。


Point-and-Shoot与纵向线阵列扩音音箱


市场上有许多种类型的扩音音箱和扬声器阵列,每一种都具有自己的优点和不足。其中,Point-and-shoot扩音音箱是一种传统的扬声器,其中的每一种都具有一定的观众覆盖区域。这种扩音音箱既可以单独使用,也可以将多个喇叭组合成阵列使用。不过,使用阵列时需对扩音音箱阵列原理有着深刻了解,因为稍不小心就可能产生意想不到的声波从而造成问题。



图5


凭借其改进的前-后覆盖平滑度和较窄的垂直覆盖角——增大了覆盖距离和较少的舞台和天花泄露,纵向线阵列扩音音箱正变得越来越流行。不过,线阵列扩音音箱一般较贵,且对于某些场合并不适用。如对于空旷的房间来说,就会产生特殊问题,即较强的声音穿透性会直击后面的墙壁,产生不希望的反射,而对于较窄的房间,线阵列扩音音箱所具备的宽广的水平覆盖角也会将声音散射到边墙上。


延时补偿扩音音箱及分布式声音系统


延时补偿扩音音箱可以使盲点区域,如包厢下方的区域能被声音所覆盖到。延时补偿扩音音箱的信号需要进行电子学延时,以便能使其在时间同步允许的范围内(如30ms以内)与来自主扩音音箱的声音信号同步抵达人耳。延时补偿扩音音箱还可用来覆盖房间的后部需要立即覆盖的区域。例如,在扇形的室内,较常见的扩音音箱布置是靠近舞台布置一圈主音箱,并在房间的后部加上一圈延时补偿音箱来补充,有些情况下甚至还可在距离更远处再增加一圈延时补偿扩音音箱以增强声音覆盖效果。另外,为了进一步增强覆盖效果,还可以在包厢下部等覆盖盲点增加延时补偿扩音音箱。


分布式音响系统包含多个扩音音箱。常见的分布式音响系统将多个扩音音箱安装在天花板上向下覆盖,每个喇叭都覆盖一个特定的区域。分布式系统在某些场合,如办公室等,是很常见的,并在一些辅助性的演出场所中也得到应用。


音响系统优化


除扬声器之外,音响系统的构建还需要合理设计的驱动电子,它必须使用合适的设备与技术进行调节。这些系统提供了特别的音调补偿(均衡)、延时以及相交功能。不过,电子调节并不能纠正许多类的声学问题,特别是以回声或回响形式存在的声反射。均衡可以被看做是在一个设计优异的房间和声音系统中的“在蛋糕上加上一层霜”。



图6


多个延时补偿扩音音箱向听众传播声音示意图,它们同时也能减少声反射(有时是因只用一个扩音音箱覆盖一片过大区域造成的)


设计团队


声学专家


一位好的声学专家对于解决一些早期的声学问题很关键,如房间的形状、噪声控制、以及比例等。例如,声学专家可以对教堂的声学设计做出建议,以便使祷告者彼此都能清楚地听到对方的声音。他们可确定目标的混响时间(声音在房间内直至消失的时间)。混响时间过短会使房间内的声音不饱满,同时,混响时间过长则会使语音听不清。声学专家的建议对于房间结构,墙面处理,建筑材料选择等都很关键。因为,等到房间建好后再想对声学设计修改就很难了,而且代价太高,修改还会使房间的视觉效果降低。


音响系统设计师


音响系统设计师的职能也很关键。他们也应在初期即被邀请加入房间设计,提出一些有关与房间声学有关的系统兼容性,以及初步的音箱摆置、调音台位置等建议。


基于计算机的一些工具可以使音响系统设计师在房间完工前即规划好扩声系统。设计师还可预先评估墙壁角度及材料选择可能给声学效果产生的影响。及早认识到这些问题可以在图纸设计中就解决之,而不是在建好后再修修补补,那样不仅有损质量而且代价太高。其中的一些计算机辅助设计软件还能使用户预先就能大致体验一下建好后的声学效果,这一过程称之为声学仿真。但重要的是,必须清楚声学仿真只能对各种因素可能带来的声学影响进行大致的评估,其精确度是有限的。


要求的安装/音箱悬挂位置也可以确定,而且还应考虑到美学问题,以确保音箱与建筑物环境协调,美观。然后,声音系统还须与建筑物的整体功能一同优化,系统设计需扩展以包含电子学、布线等。直接的声音覆盖效果预测应该在扩音音箱安装好之前进行,以便验证平均覆盖效果。对于某些对声音质量要求极高的项目,还应该对回声在室内的作用进行评估分析。


对于那些以声音效果为核心功能的设施,语音可理解性以及音乐清晰度至关重要。优异的音响系统对于专为音乐演出或演讲而设计的建筑屋而言非常重要。本文的宗旨就是介绍基本的声学知识和声音系统设计原理和实践。但此外专业人士还必须考虑一些额外的因素以便使建筑物声音系统的设计获得成功。一个由经验丰富的建筑师、声学专家以及声音系统设计专家组成的队伍做出的优异的设计规划将给业主、运营商、管理人员以及顾客带来出色的建筑声音效果。

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