建筑声学应用-室内音质设计.ppt

在前面的基础部分我们介绍了有关声学的基本知识，主要包括：4.1 声音的基本性质 4.2 声音的计量 4.3 声音与人的听觉 4.4 语言声、音乐声及噪声特性 4.5 室内声学原理 4.6 吸声材料和吸声结构,建 筑 声 学 应用篇,7.1 室内音质设计本节要点：1.室内音质评价标准及设计内容 2.厅堂容积的确定 3.厅堂的体形设计 4.厅堂的混响时间设计 5.厅堂的电声系统设计 6.各类厅堂的音质设计,室内音质设计是建筑声学设计的一项重要组成部分。在以听闻功能为主或有声学要求的建筑中，如音乐厅、剧场、电影院、会议厅、报告厅、多功能厅、审判厅、大教室、体育馆以及录音室、演播室等建筑，其音质设计的好坏往往是评价建筑设计优劣的决定性因素之一。室内最终是否具有良好的音质，不仅取决于声源本身和电声系统的性能，而且取决于室内良好的建筑声学环境。而室内良好的建声环境评价有主观评价标准及客观评价标准来两种评价方式。,7.1.1 室内音质评价标准及设计内容 一、主观评价标准 人们对不同声信号（语音或音乐）的主观要求有所差异，这些要求则统称为音质（或主观）评价标准。对于一个兼做语言和音乐使用的厅堂，其主观评价标准一般可归纳为以下四个方面。1无声缺陷 声缺陷是指一些干扰正常听闻使原声音失真的现象，如回声（颤动回声）、声聚焦、声影、过大的噪声等，厅堂常见的声缺陷如图所示。,2合适的响度 响度是人感受到的声音的大小。音质的好坏首先要有足够的响度，让听众能听得见。对于自然声演奏的观演建筑来说，足够的响度是最基本的要求。3较高的清晰度和明晰度 语言声要求具有一定的清晰度，而音乐声则需达到期望的明晰度。音乐的明晰度具有两方面的含意：一是能够清楚地辨别出每一种声源的音色，二是能够听清每个音符，对于节奏较快的音乐也能感到其旋律分明。,4优美的音质 对于音乐声来说，除了听得见、听得清这些基本要求外，室内音质设计还需要给听众提供听得舒服的环境。因此，为了让室内声音具有优美的音质，还需要注意以下两方面：（1）足够的丰满度。这一要求主要是对音乐声，对于语言则为次要的。丰满度的含意有：声音饱满、圆润，音色浑厚、温暖，余音悠扬、有弹性。总之，它可以定义为声源在室内发声与在露天发声相比较，在音质上的提高程度。（2）良好的空间感。是指室内声场给听者提供的一种声音在室内的空间传播感觉。其中包括听者对声源方向的判断（方向感），距声源远近的判断（距离感又可称为亲切感）和对属于室内声场的空间感觉（环绕感、围绕感）。,二、客观技术指标1声压级及声场不均匀度 声压级是表达音量大小直接的客观指标。各个频率的声压级与该频率声音的响度相对应，一般语言和音乐都有较宽的频带范围，声音的响度级大体上与经过A特性计权的dB（A）声级相对应。无论是在自然声或电声演出的厅堂中，除了具有足够的声压级外，还应具有良好的声场均匀度，即在厅堂内各处声压级的差别应在允许的范围内，避免出现“死角”或“声聚焦”。在声场均匀的无楼座厅堂中，其声场不均匀度6dB。,2、混响时间及频率特性 混响时间的长短，频率特性是否平直，是衡量厅堂音质的最基本、重要的参数，也是设计阶段准确控制的指标。作用：直接对清晰度、丰满度、明亮度的等影响，混响时间 适当，可保证各声部间平衡。评价：1254000Hz6个倍频带。以500Hz为代表，大量的经主 观评价认定为音质良好的观众厅，进行RT测定所 得到的统计平均值作为标准。3、声脉冲响应分析（反射声的时间分布）早期反射声：在房间内，可与直达声共同产生所需音质效果 的各反射声(50ms内所到达的反射声)。,1）对响度的影响 50ms以内的反射声起到加强直达声的作用，其数量越多，响度增大越明显。2）对清晰度的影响 声学比越大，语言清晰度越高。混响长的厅堂，提高声学比。3）对丰满度的影响 缺乏早期反射声，使直达声与混响声脱节，感觉声音断续、飘浮，声音干涩。使低频RT较中频RT长，保证30ms内早期反射声的数量，可增加声音的丰满度和温暖感。4）对亲切感的影响 20ms左右的早期反射声的多少决定了亲切感。,4、方向性扩散（反射声的空间分布）厅堂中指定位置各方向反射声的强度与数量。5、背景噪声 A声级或是NR数。,讨论：为什么混响时间相同的大厅音质可能不同？,国家大剧院,三、音质设计内容 音质设计必须是声学工程师、建筑师、业主密切合作、相互协调。一个音质良好的大厅一定是集体合作的结晶。主要包括以下方面：1）选址、建筑总图设计和各房间的合理配置，目的是防止外界噪声和附属房间对主要听音房间的噪声干扰。2）在满足使用要求的前提下，确定经济合理的房间容积和每座容积。3）通过体形设计，充分利用有效声能，使反射声在时间和空间上合理分布，并防止声学缺陷。4）根据使用要求，确定合适的混响时间及频率特性，计算大厅吸声量，选择吸声材料与结构。,5）根据房间情况及声源声功率大小计算室内声压级大小，并决定是否采用电声系统。6）确定室内允许噪声标准，计算室内背景声压级，确定采用哪些噪声控制措施。7）在大厅主体结构完工之后，室内声学装修中，进行声学测试，如有问题进行设计调整。8）工程完成后进行音质测量和评价。9）对于重要的厅堂，必要时应用计算机仿真及缩尺模型技术配合进行音质设计。10)对有扩声系统的厅堂，尚必须配合电声工程师进行扩声设计。,思考题：室内音质的主观评价有哪些？在音质设计中用哪些方面来保证音质良好？,本知识点要点：主要介绍了主观评价标准的四个方面：无声缺陷、合适的响度、较高的清晰度和明晰 度及优美的音质。客观评价标准的四个方面：声压级及声场不均匀度、混响时间及其频率特性、反射声的时间分布、反射声的空间分布及允许噪声级。音质设计内容。,室内音质设计中，在建筑方案设计初期首先应根据建筑功能和所容纳的人数来确定厅堂的容积值。厅堂容积的大小不仅影响到音质效果，而且也直接影响到建筑的艺术造型、结构体系、空调设备和经济造价等方面。因此，厅堂容积的确定必须加以综合考虑。,7.1.2 厅堂容积的确定,问题：厅堂容积的影响因素？,1）响度:体积大，声源不变的情况下，声能密度D小，则 Lp较小。以电声为主（保证响度）体积不受限制 以自然声为主 体积受限制,厅堂内景,1、决定因素,2）混响时间 RT与V成正比，与A成反比。厅堂中，观众吸声量占所需总吸声量的1/22/3，故观众吸声量起很大的作用。控制好厅堂的容积V与观众人数的比例，就在相当程度上保证或控制了RT。,音乐厅声学模型模拟,对已判定为音质良好的厅堂大量统计分析所得到的结果。,2、每座容积,音乐厅示意,米兰阿拉斯卡拉歌剧院,歌剧院68 m3/每座，,音乐厅810m3/每座，,讲演厅、大教室4m3/每座（推荐值）。,礼堂,大教室,多用途剧场、礼堂56m3/每座，,3、确定V方法 功能选每座容积 容量观众数量,在确定厅堂的容积后,如何确定厅堂的平剖面及内部构造呢?,厅堂内景,思考题：确定房间容积需考虑的因素有哪些？,本知识点要点：主要介绍了厅堂容积确定的两个主要因素：足够的响度及合适的混响时间。,厅堂的体形设计直接关系到直达声的分布、反射声的空间和时间构成以及是否有声缺陷，是音质设计中较为重要的环节。厅堂的体形设计包括合理选择大厅平、剖面的形式、尺寸和比例以及各部分表面（如顶棚、墙面）的具体尺寸、倾角和形式等一系列内容。因此合理的体形设计是获得良好室内音质的重要前提。,人讲话水平面指向性特征图,1、充分利用直达声保证直达声可达到每个听众1）影响因素：,a 长距离的自然衰减-6dB/倍距离,b 遮挡和掠射吸收（30m有1020dB的衰减）,c 偏离辐射主轴角度增大 时，高频声明显减弱。,7.1.3 厅堂的体形设计,2）措施：,a 控制大厅尺寸比例 避免过长。使观众席位尽可能靠近声源，一般剧场长度 30m，最大36m，音乐厅45m,设楼座；短而宽布置；夹角120，极限140。,以语言为主的厅堂,b.避免被遮挡和掠射吸收；地面应有一定的坡度。因为人耳与眼基本同高度，故按视线要求进行设计即可大致满足不被遮挡和掠射吸收。通常错位排列。,厅堂地面起坡,歌剧院内景,2 争取和控制好早期反射声,A 早期反射声的形成,1）形成部位 顶棚 侧墙,顶棚和侧墙,2）分析方式 将时差转换声程差进行判断50ms17m 30ms10.2m 20ms6.8m,S,S,R1,R2,D,检验回声：R1+R2-D17m,A1,SA1=SA1,3）一般原则 按厅堂首排座位与声源的距离10m 顶棚高度13m 厅堂宽度26m（按17m声程差计算）超过此尺度，应加以特殊处理,1）前部顶棚（台口附近）顶棚可向厅内绝大多数地方提供一次反射，故其高度与倾角十分重要原则：一次反射均匀的分布在大部分观众席。,B.顶棚形状剖面设计,顶棚反射,剧院剖面,a.尽可能控制面光孔的面积。单排灯净空约0.7m,双排灯1.2m。,剧院剖面,b.利用好前部每块面积 音箱桥下部 音箱桥与面光孔间面积 面光孔下底板,剧院内装修,c.过高顶棚可在舞台前悬吊反射板。,舞台反射面及反射罩,舞台反射罩,原则：向观众席及侧墙扩散声能。形式：如折板式、锯齿式、扩散体式。,2）后部顶棚,厅堂后部顶棚,C.侧墙处理平面形式 1）基本平面分类 矩形、扇形、马蹄形 演变：钟形、六角形,侧墙反射示意,侧墙反射身线设计示意,2）平面形状的选择。原则：前次反射声的多少，声场分布均匀，特殊形状应作处理。a 一般以钟形、矩形平面较多。b 扇形平面，墙面与中轴夹角810。c 弧形墙面须做扩散或吸声处理。一个简单几何形平面，若不做特殊处理，视线最好的中前区将会缺乏一次侧向反射声。,侧墙反射示意,侧墙处理示意,3、扩散设计 三种方式达到声扩散的目的,厅堂声扩散处理,1）将厅堂内表面处理成不规则形状和设扩散体。2）体形设计中采用不规则平、剖面处理。3)吸声材料均匀布置,1）将厅堂内表面处理成不规则形状和设扩散体。,墙面声扩散处理,厅堂声扩散处理,2）体形设计中采用不规则平、剖面处理。,厅堂声扩散处理,3)吸声材料均匀布置,厅堂吸声扩散处理,4、消除声缺陷1）回声,回声的产生,a 出现部位：舞台、乐池、观众席前部b 产生部位：后墙相接的顶棚 二次反射 后墙 一次反射 楼座栏板 二次反射c 危害：干扰听闻、破坏音质,d.措施：顶棚高度0.6的强吸声。倾角，调整向后部提供一次反射。扩散，不形成定向反射。,消除回声处理措施,a.出现部位：平行墙面间。b.产生条件：（a）声源与接收点同在平行墙面间。（b）墙面强反射。c.危害 干扰听闻，破坏音质。d.措施(a)相对墙面夹角5。(b)墙面扩散，吸声处理。,2）颤动回声,3）声聚焦,a.出现部位：弧形墙面、壳形顶棚前的空间某位置。b.产生条件：曲率半径小，强反射。,声聚焦示意,c.危害：形成第二声源，严重干扰听闻。室内声场极不均匀。d.措施：避免使用弧形墙面。厅堂高度2R 弧形墙面上扩散吸声处理,声聚焦示意,声聚焦处理实例,4）声影,a.出现部位：楼座挑台下方。b.产生条件：挑台过深。c.危害：堂座后区反射声被遮挡，响度不够，音质较差。.措施：取合适的楼座挑台高度与深度比厅内充分扩散声能。,楼座挑台深度要求,挑台进深与开口处理实例,5）声学缺陷出现的一般规律a.建筑形体（平剖面）不当。,b.室内特殊部位设计不当。,c.短混响时间。,思考题：观众厅由于体形处理不当有那些音质缺陷？如何消除？,本知识点复习：1.充分利用直达声 2.争取和控制好前次反射声 3.扩散设计 4.消除声缺陷,如前所述，混响时间设计是体形设计外厅堂声学设计的另一项重要内容，厅堂混响时间的长短及其频率特性与室内音质的主观评价标准密切相关。因此，根据不同的功能要求，通过设计手段来确保合适的混响时间是室内音质设计的重要环节。,7.1.4 厅堂的混响时间设计 一 混响时间设计标准 1.最佳混响时间 1）定义：根据大量的、经主观评价认为是音质良好的观众 厅进行RT测定，所得到的500Hz的RT的统计值。2）特点：不同使用功能，不同体积，最佳RT不同。3）确定方法：功能+容积=最佳RT（500Hz）4）实际偏差：允许偏差0.1sec或控制在10%。,讨论：从下图中总结出何种规律？,各类用途厅堂的推荐最佳混响时间a音乐厅；b歌剧院；c讲演厅、大教室；d电影院,2、频率特性曲线1）定义：RT相应与频率的曲线2）范围及特征a.范围 一般要求 1254000Hz 六个倍频带 高要求 808000HZ 八个倍频带b.特性：平直（各个频带的RT相同为好）不平度允许值，以500HzRT为标准低频：125、250可略大到1.21.3倍，高频2000、4000可略小到0.9倍。理由：大厅堂低频混响较困难，各频率均衡的吸声材料 较难选择，人耳对低频声不敏感。容许低频略大可提高丰满度。3）实际状况厅堂RT不均匀较多，特别是一次完工的厅堂。,音乐演出类厅堂的混响时间频率特性曲线,二、RT设计步骤1.计算厅堂准确的体积V、表面积S平、剖面图；2.确定最佳RT及频率特性功能+容积；3.计算各频带f所需的总吸声量A总；4.确定必须的固定吸声量Af固；5.计算所需补充的吸声量Af；6.吸声材料的选择可布置位置、构造可行、艺术效果，使 Af=S11+S22+Snn；7.整理RT设计方案，验算RT。,本知识点复习：1.确定最佳混响时间及其频率特性；2.计算体积、吸声量及混响时间；3.选择适当的室内声学材料与构造并确定其面积和布置。,思考题：最佳混响时间如何确定？混响时间设计步骤具体为？,电声系统改变了在自然声状态下室内音质完全依赖于建筑声学处理的状况，出现了由设备系统与建声环境共同协调作用来创造理想的音质效果。因此，电声系统已经成为建筑声学设计中的一个重要内容，建筑设计人员有必要对其有一定的了解，以便更好地与相关专业技术人员协作设计。,7.1.5 厅堂的电声系统设计 一、电声系统的作用与组成 室内电声系统的主要作用首先是通过扩大自然声，以提高室内声音的响度。其次是用设备模拟实现完善厅堂不同的听音效果。如环绕立体声效果，用设备模拟由良好的前次反射声所提供的空间感；人工混响效果，用人工混响器延时扩放声音，创造理想的混响效果；超重低音效果，将易被厅堂吸收的低频声加倍扩放来烘托音质。,电声系统的组成与声音的放大过程,二、电声系统的设计要求 1在选用电声系统时，对设备系统本身有以下两项技术要求：（1）有足够的功率输出；（2）有较宽而平直的频率响应范围。2在布置电声系统时，主要有以下两方面要求：（1）保证室内声场均匀；（2）控制和避免反馈现象。,三、扬声器的布置形式1集中式布置,扬声器集中布置示意,2分散式布置,扬声器分散式布置示意,3混合式布置,扬声器混合式布置的大型观众厅,四、厅堂建筑处理 有电声系统参与下的“厅堂音质”应该是电声设备的扩声效果与厅堂固有音质共同作用的结果，它有别于自然声场中的厅堂音质。当有电声系统介入时，厅堂音质的设计也应随之而有所改变。因此，在这种厅堂声学设计中需要注意以下几点：1）混响时间宜取低值。2）宜采用指向性较强的扬声器。3）适当增加厅堂的吸声处理。,五、声控室的设计 声控室是扩声系统的中枢，主要用于对电声系统进行控制和监听。控制室除了有监听扬声器、调音台、各种功放、录音机及各种附属设备外，还应能通过观察窗直接观察到舞台活动区以及大部分观众席。,声控室及设备布置例,思考题：厅堂中扬声器布置的方式有那几种？电声系统是否能完全替代建声？,本知识点复习：介绍了电声系统的作用与组成，电声系统的设计要求及常用电声系统的布置方式。,通过以上几节的阐述，对室内音质设计的基本原理与方法已有所掌握。但不同功能的厅堂对室内音质的要求不同，关键是结合实际，灵活处理、不断创新。本节通过简单介绍几类具有代表性厅堂的音质设计要点，来进一步加深对厅堂音质设计的理解。,7.1.6 各类厅堂的音质设计一、音乐厅 音乐厅是供交响乐（包括民族音乐）、室内乐、声乐等音乐演出的专用厅堂。虽然音乐厅在建造数量上并不多，但它是音质要求最高的观演建筑。音乐厅与普通剧场的主要区别在于它不需设置独立的舞台、侧台和乐池，而只需设乐台（乐台后部常有管风琴），并将演奏席与观众席同处一个空间之内。音乐厅演出时大多数靠自然声，电声至多起辅助作用，但为了现场实况转播或录音的需要，也需要提供电声设备并设声控室。音乐厅的规模有大有小，演奏交响乐的厅堂规模较大。,德国斯图加特音乐厅,奥地利维也纳音乐厅,2音乐厅音质设计要点 音乐厅的音质要求是各类厅堂中最高的，甚至演奏不同风格的音乐对音质的期望也不相同。根据经验，音乐厅的音质设计应遵循以下基本原则：（1）合理选取最佳混响时间及频率特性（2）充分利用前次反射声（3）具有良好的扩散（4）尽可能低的噪声干扰,二、剧场 剧场与音乐厅一样有悠久的历史和令现代人叹服的经典之作。剧场的类型较多，包括歌剧院、地方戏剧场和话剧院等。其中除话剧是用语言声演出外，其余歌剧和戏曲演出均兼有歌唱和音乐伴奏，有的还有对白，因此在音质设计时必须兼顾语言和唱词的清晰度以及音乐的丰满度的要求。,意大利米兰斯卡拉剧院,1歌剧院 歌剧院是以满足歌唱与音乐演奏为主，混响时间应当较长，但略小于音乐厅，混响时间频率特性宜平直，或低频有20%的提升。在室内声学设计中，需要对其可能产生回声的后墙部位作少量吸声或扩散处理，避免对舞台上演员形成回声干扰，并注意适当的声扩散处理。,2地方戏剧场 我国的地方戏剧场（如京剧）演出时，除了演唱和乐队伴奏外，还有对白。因此，在音质设计中，既要考虑演唱和音乐的丰满度要求，又要保证唱词和对白的清晰度，其混响时间应短于歌剧院的，混响时间频率特性宜平直，或低频有20%的提升。过去地方戏演出均采用自然声，但近来也有采用电声演出。因此，在音质设计中，仍应按自然声考虑，同时配备电声系统。此外，地方戏剧场伴奏多设在侧台，常不设乐池。,3话剧院 话剧院是以自然声演出话剧的厅堂，一般规模较小，配有镜框式或伸出式舞台，为保证有较高的语言清晰度，大厅混响时间应比较短。话剧院的音质设计中，应注意避免后墙产生回声和平行墙面之间产生颤动回声，适当进行吸声和扩散处理。,三、电影院 与音乐厅、剧场等厅堂不同，电影院提供的是一个可以真实还原声信号的环境。电影中的不同场面，所需要的声学效果有较大的差异，为了增强观众的身临其境感，电影院希望观众听到的是电影胶片上已录制的某一特定场面声音效果（如可以包括表现一个大教堂内长混响的特殊声学效果或露天雪地的声音沉寂的空间），而不希望受到观众厅室内声学环境的影响。,德国 UFA 电影院,四、多功能大厅 为了提高厅堂的利用率，不少观众厅设计成既可以演出又可以开会或放电影的多功能厅堂，常被称作“影剧院”或“礼堂”。多功能厅既要能够上演戏剧、歌舞、音乐，又要可供举办会议甚至放映电影等，而这些活动对混响时间等音质指标的要求又是差别不小。这对搞好多功能厅的音质设计确实带来很多困难。为了尽量满足不同使用功能的声学要求，通常可采取如下几种措施：,（1）确定厅堂的主要用途，合理选择混响时间。（2）采用建筑上可变措施，创造可变混响时间的建声环境。（3）采用电声措施，满足不同使用功能的声学要求。（4）利用音乐罩和反射板，满足交响音乐会演出的需要。,可变吸声构造示意图,金马剧院观众厅可调旋转体的平面布局,五、体育馆 随着体育、文化事业的发展，全国各地已经或将要建造大量的体育馆。在这些体育馆中，绝大多数是综合性多用途体育馆，在使用功能上除了体育比赛外，还经常兼作大型会场、文艺演出等场地。,1良好的体形设计，避免声学缺陷,（a）（b）体育馆内凹曲面屋顶形成的声聚焦及处理方法（a）形成原因（b）处理方法,2控制混响时间，提高语音清晰度,北京亚运会某体育馆,体育馆吊顶上的空间吸声体,3重视电声系统设计，满足听闻要求,体育馆电声系统布置实例,六、报告厅与审判厅 用于行政会议、公众交流和司法审判的厅堂，对室内音质有共同的要求，即较高的语言可懂度。由于语言声源有可能来自厅堂的不同部位，声源本身还要求有良好的听闻条件，所以要求厅堂内不仅混响时间短且应无回声干扰。所有发言内容都需留有录音资料，高质量的扩声、录音设备必不可少。,思考题：思考阶梯教室应如何考虑室内音质的设计？,