音樂廳聲學理論及設計的發(fā)展概述

陳小平

【摘要】基于聲學研究中幾個重要理論，分別介紹了20世紀50年代及以前、60年代和60年代以后三個不同時期音樂廳聲學的理論發(fā)展和聲學設計，并對音樂廳聲學的發(fā)展現(xiàn)狀進行了概述。

【關鍵詞】音樂廳聲學設計;混響時問;清晰度;脈沖響應積分法;主觀聽音評價

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.10.008

0前言

音樂廳聲學的發(fā)展歷程并不算漫長，聲學先驅(qū)、后繼者們經(jīng)過不懈努力，取得了現(xiàn)在的成就。其中，以美國聲學家白瑞納克（L.Beranek，1914年～2叭6年）為代表，他的一生見證了音樂廳聲學的興起和發(fā)展，直到去世前的幾個月還在JASA（Journal of the Acoustical Societyof America）發(fā)表論文。2018年在漢堡易北愛樂音樂廳IOA（Institute ofAcoustics，英國的一家聲學權威機構）召集的會議上，聲學專家交流了音樂廳聲學的最新研究成果。音樂廳聲學是在20世紀60年代迅速發(fā)展起來的，許多現(xiàn)在成果卓著的學者當時才剛剛進入這個領域，親歷和見證了音樂廳聲學幾十年的發(fā)展歷程;英國聲學家巴隆（M.Barron）對音樂廳聲學發(fā)展歷程進行了回顧和總結，在聲學知識有限的當年是如何進行音樂廳聲學設計，以及那些為人熟悉的聲學理論誕生的前因后果。他們的分享無疑是有特殊意義的。

筆者以音樂廳聲學理論發(fā)展的歷史背景為線索，分別對20世紀50年代及以前、60年代和60年代以后這三個不同時期音樂廳聲學的理論發(fā)展和設計實踐進行簡要說明，并對音樂廳聲學的發(fā)展現(xiàn)狀進行概述。

120世紀50年代及以前的發(fā)展狀況

20世紀50年代及以前階段為音樂廳聲學理論發(fā)展的早期，聲學研究成果相對較少，但足以支持兩個聲學期刊的正常發(fā)行，一是創(chuàng)刊于1927年的美國聲學學會期刊JASA，二是創(chuàng)刊于1951年的Acustica（以英語、法語和德語三種語言發(fā)行）。雖然聲學研究的活躍度較低，但所解決的問題卻是非常關鍵的。

1.1早期理論發(fā)展

1.1.1賽賓混響時間

美國聲學家賽賓（W.C.Sabine，1868年～1919年）關于混響時間的理論和測量無疑是音樂廳聲學的開創(chuàng)性研究。他為了解決某個新落成的禮堂音質(zhì)模糊不清的問題，進行了廳堂音質(zhì)方面的大量實驗，并最終于1898年找到了混響時間RT與吸聲量A關系的數(shù)學公式，即RT與A成反比，與廳堂體積V成正比，由此發(fā)明了混響時間計算公式，稱為賽賓公式。賽賓時任哈佛大學物理系助教，同年，被邀請擔任波士頓音樂廳聲學設計顧問。

混響時間至今仍是廳堂音質(zhì)設計的首要指標。

1.1.2哈斯效應

到了20世紀50年代，室內(nèi)聲學研究已具備一些基本技術條件。例如，能夠記錄聲壓級隨時間變化曲線，有了可供查詢的常用吸聲材料吸聲系數(shù)表以及不同用途廳堂的混響時間標準。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅混響時間不足以描述室內(nèi)音質(zhì)好壞。由此開啟了新一輪研究工作。

這個時期的研究主要基于消聲室中一個圍繞聽音者的多揚聲器系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要用來模擬現(xiàn)場聽音的反射聲和混響聲。最早的研究是在德國哥廷根大學開展的，第一個主要成果就是哈斯（H.Haas）于1951年提出的哈斯效應，論文發(fā)表于當年的Acustica。哈斯的研究主要針對語聲，指出當延時較短時（小于50ms），允許延遲聲強于直達聲，而不會影響直達聲的聽音。這一發(fā)現(xiàn)對公共語言擴聲有重要意義。當然，如今也在音樂擴聲領域得到廣泛應用。

1.1.3Thiele的清晰度計算公式

前面提到，建立上述實驗系統(tǒng)的目的是找到可以衡量廳堂音質(zhì)的除混響時間外的其他聲學參數(shù)。當時的想法是，從廳堂脈沖響應出發(fā)進行研究，并假設人耳詮釋聲音的依據(jù)是：①第一個反射聲的延時，即后來白瑞納克提出的ITDG（Initial Time Delay Gap）;②在一定時間間隔內(nèi)反射聲的個數(shù);③來自不同方向反射聲的反射階次;④基于聲音能量的某些參數(shù)。

研究人員首先從最后一項找到了突破點。他們通過比較只有直達聲和只有反射聲這兩種情況，發(fā)現(xiàn)聲音清晰度從最佳變化到最差。那么，早期反射聲的作用又是什么呢？根據(jù)哈斯效應，席勒（R.Thiele）認為早期聲能應計入直達聲中，早后期的時間分界應為50ms，因此，于1953年提出了清晰度計算公式，定義為早期聲能占總聲能的百分比，即

其中，D為清晰度，p（t）為所在位置的脈沖響應聲壓，0ms對應直達聲到達的時間。

雖然人們已經(jīng)知道清晰度與混響時間有關，但在一些較大廳堂，由于聲源和聽音者周圍缺乏反射面，盡管混響時間是合適的，聽眾仍然感覺清晰度不夠。Thiele的研究成果解決了這個問題，標志著人們開始關注早期反射聲的作用。

1.2早期音樂廳聲學設計

很多人存在疑問，在沒有許多聲學理論作為依據(jù)的當年，如何進行觀演場所聲學設計？維也納金色大廳建于1870年，卻成為世界上公認的音質(zhì)最好的音樂廳之一。事實上，時至今日，音樂廳的聲學設計仍然不存在所謂的最佳設計，或者可以說，人們還很難把一些對音質(zhì)有意義的聲學參數(shù)轉(zhuǎn)換到實際的三維空間。聲學設計的不確定性，導致音樂廳設計往往是建筑和功能設計占主導的結果。盡管如此，現(xiàn)今仍存在一些音質(zhì)優(yōu)良的音樂廳。

1914年之前，音樂廳體型基本上都是兩個側墻平行的鞋盒式，只有極少數(shù)采用劇院的體型，后者典型代表是建于1891年的紐約卡內(nèi)基音樂廳。這個時期音樂廳墻面通常經(jīng)過大量華麗裝飾，從聲學角度可看成擴散處理。

之后，隨著建筑設計摒棄鞋盒式體型的思潮，音樂廳平面形狀轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨刃尉佣?，這種狀態(tài)一直延續(xù)到20世紀的70年代。例如，建于1951年的倫敦皇家節(jié)日音樂廳，主體采用鞋盒式平行墻，但由于寬度較大，考慮到前端演奏臺過寬，所以大廳前部采用了扇形。這個廳由于容積不足，存在混響時間偏小的問題。再如，建于1959年的波恩貝多芬音樂廳，也是扇形體型，采用了大量的擴散表面設計，這種設計思路可能與19世紀鞋盒式音樂廳的優(yōu)良音質(zhì)與墻面華麗裝飾的擴散效果有關。

220世紀60年代的發(fā)展狀況

2.120世紀60年代的理論發(fā)展

2.1.1白瑞納克《音樂、聲學和建筑》的出版

在20世紀50年代末，白瑞納克的聲學顧問公司啟動了一項對世界各地音樂廳和歌劇院進行聲學測量的計劃，在此背景下，白瑞納克于1962年出版了題為《音樂、聲學和建筑》的著作。該書在音樂廳聲學領域是開創(chuàng)性的，調(diào)查了54個音樂廳和歌劇院，以同一比例給出了廳堂的平面圖以及內(nèi)部聲學設計照片，并給出混響時間頻率特性曲線和其他盡可能多的測量數(shù)據(jù)。此外，白瑞納克以演奏家和指揮家為對象進行了音樂廳音質(zhì)評價調(diào)查，并與聲學測量數(shù)據(jù)相關聯(lián)進行分析。調(diào)查結果正如預想的那樣，混響時間并不是影響音質(zhì)的主要參數(shù)，由此白瑞納克提出，初始延時ITDG是影響音質(zhì)的主要參數(shù)，并將ITDG與親切感相關聯(lián)。關于ITDG的作用，其實一直存在爭議。

2.1.2施羅德脈沖響應積分法和EDT（Ea rly DecayTime）

混響時間作為廳堂音質(zhì)評價的重要參數(shù)，其測量技術主要基于室內(nèi)聲壓級隨時間衰變曲線的測量。但是，由于實際廳堂不是理想的擴散聲場，測得的衰變曲線并不是線性的，而是存在起伏，使得測量的可重復性變差，影響測量的準確性。解決這一問題的唯一辦法是多次測量取平均，但比較耗時費力。

哥廷根大學的聲學家施羅德（M.R.Schroeder）于1965年提出了測量混響時間的脈沖響應積分法，并首次加以應用。脈沖響應積分法等效于多次測量取平均，但只需測量一次即可得到所需的混響時間。其計算公式為

其中，E（t）為聲能衰變函數(shù)，p為房間脈沖響應聲壓。這種混響時間測量法比較方便準確，因此一直沿用至今。

通過多揚聲器實驗系統(tǒng)，哥廷根大學研究人員還發(fā)現(xiàn)，對混響感起主要作用的并不是通常定義的混響時間（根據(jù)-5dB至35dB的斜率計算），更應該是前160ms的聲能衰減速率。而用實際廳堂的音樂錄音進行聽音實驗后發(fā)現(xiàn)，前15dB的衰減斜率與聽音的混響感高度相關。這項研究也得益于施羅德的混響時間測量法。最后，V.LJordan在這些研究的基礎上，于1969年提出早期衰變時間EDT或稱為T10，作為廳堂音質(zhì)評價的又一個參數(shù)。EL）7yg義為以聲能從O dB至-10dB的衰減斜率計算的混響時間，主要用于評價聲音的混響感。

2.1.3早期側向反射聲的重要性和空間感參數(shù)

1967年，新西蘭聲學家馬歇爾（H.Marshall）首次以發(fā)表論文的形式，指出早期側向反射聲對改善廳堂聽聞的重要性。促成馬歇爾這一研究發(fā)現(xiàn)的背景是，當時廳堂聲學設計的體型選擇極度缺乏理論依據(jù)，而較窄的鞋盒式音樂廳以良好音質(zhì)得到廣泛認可。因此，馬歇爾關注到側向反射聲的作用。馬歇爾將早期側向反射聲產(chǎn)生的聽感稱為“空間響應”，并且指出，聽眾更偏愛在能提供更加豐富的早期側向反射聲的廳堂聽音。

英國聲學家巴?。∕.Barron）于1968年在南開普敦開展了針對早期側向反射聲的主觀聽音實驗，發(fā)現(xiàn)空間感與早期側向反射聲能量占總聲能的百分比密切相關，并將早期定義為延遲小于80ms，為最終在1981年提出側向能量因子奠定了基礎。

在認識到早期側向反射聲對空間感的作用后，研究人員開始關注雙耳效應對聽音的影響，在隨后幾年中，相繼提出了視在聲源寬度ASW（Apparent Source Width）的概念和雙耳互相關系數(shù)IACC（Inter-aural Cross-correlation），認為早期側向反射聲產(chǎn)生的空間感可以用ASW描述，而IACC越小，空間感越強。

2.220世紀60年代的音樂廳聲學設計

20世紀60年代的音樂廳體型仍然少有鞋盒式，大多數(shù)是扇形，也有一些其他體型如橢圓形、六角形、山地式等。下面以三個音樂廳為例，從中了解當時音樂廳聲學設計狀況。

紐約愛樂音樂廳建于1962年。當時，白瑞納克所在公司承擔聲學顧問之職，并建議采用平行側墻，但是最終妥協(xié)采用了扇形平面。在首演后，該音樂廳就得到聽音效果不好的評價。關于聲學設計哪方面出了問題，當時并沒有人給出明確分析。該音樂廳于1978年進行改建，重新采用了原來的矩形平面設計。

柏林愛樂音樂廳建于1963年。音樂廳聲學顧問正是德國著名聲學家克萊默（L.Cremer），而建筑設計師很不喜歡樂隊位于一端的平面設計導致演奏者和聽眾之間缺乏互動，希望演奏臺位于聽眾區(qū)中心?？巳R默對環(huán)繞式設計存在兩點顧慮：一是樂器特別是演唱者的聲音指向性可能使某些區(qū)域聽音效果變差;二是連成一片的聽眾區(qū)可能缺乏早期側向反射聲。最終，聲學設計必須做出妥協(xié)?？巳R默的解決辦法是，將聽眾區(qū)設計為階梯式，并用側板進行分區(qū)，利用側板提供一定的早期側向反射聲。這樣就誕生了世界上第一個山地葡萄園式設計。這個音樂廳的音質(zhì)獲得了好評，隨后出現(xiàn)了一系列山地式音樂廳。

鹿特丹多倫音樂廳建于1966年。該音樂廳采用六邊形體型，演奏臺和大廳前部又設計成一個附屬的六邊形，最終形成一個加長的六邊形體型，并且對墻面做了很高程度的擴散處理。這些設計元素綜合起來，使之成為世界上公認的音質(zhì)良好的音樂廳之一。

320世紀60年代后的發(fā)展狀況

3.120世紀60年代后的理論發(fā)展

3.1.1多維度主觀音質(zhì)評價實驗

1971年Hawkes和Douglas發(fā)表了一篇關于音樂廳音質(zhì)主觀評價的論文，標志著音樂廳音質(zhì)主觀評價系統(tǒng)性研究的開始。例如，在音樂廳現(xiàn)場進行問卷調(diào)查，問卷給出多個評價術語，評價術語的選擇要使大多數(shù)參評者能夠辨別不同術語的含義，然后收集問卷并對結果進行分析。音質(zhì)主觀評價的主要目的是找到對廳堂音質(zhì)起主要作用的主觀評價術語和客觀測量參數(shù)。

3.1.2仿真頭技術在音樂廳聲學的應用

在20世紀60年代發(fā)展成熟的仿真頭技術，在音樂廳聲學研究中得到了應用。利用音樂廳現(xiàn)場的仿真頭錄音，可以將不同音樂廳的錄音帶回實驗室，然后用相同的被試進行主觀聽音實驗，這樣不僅解決了轉(zhuǎn)場費時費力的問題，而且解決了聽覺記憶時間有限帶來的困擾。

主觀音質(zhì)評價得到了兩個重要結論。第一，描述廳堂音質(zhì)的主要評價術語為清晰度、混響感、包圍感（或空間感）和響度。雖然響度的作用是顯而易見的，但是研究結果表明，聽音者對響度的敏感度大大超出預期。第二，在進行音質(zhì)總體偏愛度評價時，不同聽音者對不同術語所設的權重不同，如有些聽音者非?？粗仨懚?，而另外一些則認為清晰度比較重要。

3.990世紀年代之后的音樂廳聲學設計

在20世紀70年代，音樂廳聲學設計依然是折衷性、選擇性和實驗性的，沒有所謂的最佳設計，導致聲學方面依然不占主導，只能采用妥協(xié)的辦法。例如，橢圓形基督城市政音樂廳只能通過大反射板提供早期側向反射聲;悉尼歌劇院聲學設計受制于著名的貝殼式建筑外形，聲學效果并不理想。到了20世紀70年代以后，音樂廳聲學設計出現(xiàn)回歸鞋盒式的明顯趨勢，同時山地葡萄園式開始受到青睞。

4音樂廳聲學發(fā)展現(xiàn)狀

音樂廳聲學在20世紀60年代得到快速發(fā)展，到了80年代，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列客觀評價測量參數(shù)，并能夠通過計算機建模對設計進行一定程度的檢驗。但將這些客觀參數(shù)付諸廳堂的實際設計并非易事。

盡管音樂廳聲學早在20世紀60年代已經(jīng)完成了基礎性研究，但是，在完美詮釋音樂廳聲學之前，還有很多需要解決的問題，例如，墻面擴散面積所占百分比多少合適、在哪里設置擴散面、客觀測量參數(shù)的最佳值是多少、實際廳堂應具有怎樣的聲學特性、到底哪些重要哪些并不重要。此外，讓所有聽眾區(qū)而不是個別區(qū)域獲得良好聽聞，是一個急待解決的問題，演奏者的聽聞條件也還沒有得到完全解決。

21世紀以來，國內(nèi)外新建音樂廳仍然以環(huán)繞式、山地式體型為主。人們偏好這類體型的主要原因是其良好的視覺效果，以及演奏者與聽眾的良好互動關系。事實上，其中一些音樂廳的音質(zhì)并不十分理想，遠沒有達到優(yōu)秀的水平，這一點已經(jīng)引起研究人員的關注，并開始對環(huán)繞式音樂廳的聽覺效果進行更加深入的研究，同時指出，作為音樂廳聲學設計者，不應該僅僅滿足于視覺帶來的聽感附加值，而應該最大程度地滿足聽眾的聽覺感受。

現(xiàn)代信息技術能夠很好地模擬和處理音樂廳聲音信號，其功能遠遠超越20世紀50年代的多揚聲器系統(tǒng)。芬蘭奧拓大學的研究人員正在實驗室用最先進的模擬系統(tǒng)進行音樂廳聲學研究，如圖2所示。該系統(tǒng)采用33個不同高度的揚聲器進行重放（圖中只列出24個），只需輸入特定技術測量的音樂廳脈沖響應，系統(tǒng)便能分析出直達聲和早期反射聲的大小和方向，饋送給相應方向的揚聲器，從而在實驗室模擬出整個樂隊演出的現(xiàn)場聽音。此外，主觀聽感差異還可以從計算得到的聲能隨時間、空間和頻率三個維度的變化特性看到，為分析和解決問題提供了更大的可能性。

隨著信息技術的不斷進步，如今的研究手段已非昔日可比，相信經(jīng)過科研人員的不斷努力，能夠解決音樂廳聲學設計仍然存在的諸多問題，使音樂廳聲學設計更大程度滿足人們的聽覺感受。