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            建筑環境聲學(廳堂聲學、噪聲控制學、聲景學)的研究現狀與前沿綜述

              訪問人數:2919    更新時間:2017-09-02 15:50:04    收藏此頁

             作者:吳碩賢,趙越喆 

             

                    文中簡要介紹了建筑環境聲學及其3 個分支學科的研究領域、研究內容和某些前沿課題,同時簡要介紹了筆者及筆者所帶領的團隊在若干熱點問題上所取得的研究成果.

                    1 研究范圍及內容

                    1. 1 廳堂聲學的研究范圍及內容

                    廳堂聲學的主要研究內容包括室內聲學、廳堂音質評價、各類廳堂音質設計標準、廳堂音質設計技術與方法及其測試技術等.

                    室內聲學主要研究聲波在室內空間( 包括封閉空間或部分封閉空間) 內的傳播特性和規律,包括聲源聲輻射、聲波的反射、衍射、吸收、擴散、透射及共振等特性. 這種研究可以在頻域進行,也可以在時域進行.廳堂音質評價涉及廳堂音質客觀評價和主觀聽音評價. 這一領域的研究者希望找到某些可計算、預測和測量的物理指標,以便用于指導音質設計. 音質綜合評價方法、主觀評價與客觀指標的相互關系、主觀聽音試驗技術與方法以及客觀物理指標的測量等,均是值得研究的課題.

                    各類廳堂音質設計標準涉及各種聽音建筑場所的音質設計目標和為達到此目標的定量控制指標及優選值域,涉及音樂廳、歌劇院、多功能廳、話劇院、電影院、會議廳等觀演和會議建筑,也包括體育館、教室、候機候車室等其它涉及聽聞的公共建筑. 這些建筑均需要仔細的聲學設計,目的是保證這些建筑建成后能提供良好的聲環境,具有滿意的聲學私密度等.廳堂音質設計技術與方法及其測試技術主要包括聲場計算機仿真技術、聲學縮尺模型實驗技術、可聽化技術以及視聽一體化虛擬現實技術等.

                    1. 2 噪聲控制學的研究范圍及內容

                    噪聲控制學的主要研究內容包括: 建筑環境中噪聲與振動對人的健康、心理及行為的影響,噪聲和振動控制的理論、技術和方法,材料與構件的吸聲、隔聲與隔振特性,以及建筑環境噪聲預測計算及測試技術等.

                    吸聲、隔聲與隔振是對噪聲與振動實施被動式控制的有效手段. 減低噪聲和振動干擾的技術和方法還包括主動( 有源) 控制技術與方法. 一維有源噪聲與振動控制技術目前已基本成熟,然而三維聲場的有源噪聲控制目前尚不是很成功,需要進一步研究. 此外,各種聲掩蔽技術有時也是有價值的.建筑環境噪聲與振動的定量預測計算是實施噪聲振動控制措施的前提,也是檢驗、評價所實施的噪聲與振動控制措施有效性的重要依據. 預測計算除了尋求聲場的理論解析解外,還涉及利用各種數值計算方法( 邊界元法、有限元法、有限差分法等) 來求得數值解. 此外,各種聲場計算機模擬手段或縮尺模型實驗都是常用的、可行的預測方法. 對于居住區或城市區域的噪聲預測,還包括噪聲地圖的研究.

                    1. 3 聲景學的研究范圍及內容

                    聲景是指聲音意義上的風景,它有別于通常視覺意義上的風景. 聲景的概念是由Schafer 于20 世紀60 年代首次明確提出的[1]. 目前,人居聲環境的研究已從單純的基于物理特性描述的噪聲控制學,拓展為與社會學、環境心理學、藝術學、生態學等學科交叉,從更廣的視野來審視人類對人居聲環境的訴求的聲景學. 這是因為人類的聽覺反應及對聲環境的需求,僅僅從物理聲學所關注的聲音的頻率、能量及時間、空間等特性來描述是遠遠不夠的,尚需涉及更為復雜的聲音的信息內容以及聽者所處的歷史、社會與地域等背景.

                    聲景學的研究內容包括: 對不同地區、不同歷史時期及不同建筑空間( 如園林、公共空間、居住區)聲景的特點的研究,對有價值的聲景的調研和保護,聲景的描述、記錄與評價及其數據庫的建立,以及構建聲景的技術手段與方法等.

                    2 研究現狀與前沿

                    2. 1 廳堂聲學的研究現狀與前沿

                    自從賽賓于上世紀初奠定建筑聲學的科學基礎以來,經過一個多世紀的研究與探索,室內聲學理論已取得長足進步. 波動聲學、幾何聲學與統計聲學成為研究室內聲場的三大基本方法. 目前的發展趨勢是研究一些較為復雜的室內或半室內空間的聲場特性,包括耦合空間與半圍閉空間、尺度不成比例的空間以及超大體積空間等特殊空間的聲場特性等. 研究室內界面聲擴散特性及其對聲場的影響也成為熱點問題. 國際上新近發布了兩種測試界面聲散射特性的國際標準,推動了對建筑界面聲散射特性及其測量方法的較深入的研究[2-4]. 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室建筑聲學實驗室建立了國內首個符合國際標準的足尺轉臺測試系統,并探討了試件形狀和邊界效應對測試結果的影響,首次獲得了MLS 擴散體的散射頻率特性.

                    廳堂音質評價也在一些重要方面取得共識,包括優良的音質應當具有足夠的響度、在豐滿度與明晰度之間取得恰當的平衡、具有一定的空間感( 包括聲源的擴展感和音樂的包圍感) 等. 一些較為公認的音質客觀指標也陸續提出,包括混響時間與早期衰變時間、明晰度( 清晰度) 、側向聲能因子、雙耳互相關系數與強度指數等. 在主客觀評價指標的相互關系以及音質綜合評價方法上也取得重要進展,并注重各地區民族音樂戲曲廳堂音質的研究. 在國家自然科學基金委的支持下,筆者及筆者所在團隊自2004 年始,開展了對中國民族音樂樂器聲功率及民族音樂廳音質的研究,主要工作包括兩部分: 一是對30 多種重要的民族樂器的聲功率作了系統測量[5-6],在此基礎上提出新的響度評價指標———Lpf,即樂隊齊奏強音標志樂段的平均聲壓級,并導出其計算公式,這是自我國民族樂器發明8 000 年以來,首次對樂器聲功率級進行的科學測定,對民族樂器發聲特性的科學測定,是進行民族音樂廳堂音質研究的基礎; 二是完成了湖北、陜西、廣東、廣西等地的漢劇、秦腔、粵劇等傳統演出場所的建筑聲環境調研,利用現代聲環境測試技術和聲場三維計算機仿真技術,分析我國傳統戲曲演出空間的聲環境特性.上述研究對于現代民族音樂戲曲演出廳堂的聲環境設計無疑具有借鑒意義和參考價值. 近年來,歐盟發起對古羅馬和古希臘劇場聲環境的復原和記錄工作. 筆者及所在團隊開展的中國傳統音樂戲曲演出場所的聲環境研究是與其相對應的重要工作. 實驗室還首次在消聲室中較系統地錄制了民族音樂干信號,并通過計算機仿真和可聽化技術、主觀聽音評價調研和心理聲學試驗,首次較系統地探討了現代民族音樂廳堂的聲場參數優選值,為創立民族音樂戲曲廳堂的音質設計理論作出了貢獻. 研究成果已應用于指導廣州友誼劇院改造以及廣東粵劇院等工程設計.

                    過去對于音樂廳、歌劇院、多功能廳等觀演和會議建筑的聲學設計已有了較多的了解,也總結了較為成熟、系統的經驗. 然而對于包括候機室、候車廳、賓館、體育館等城市公共建筑的聲學要求,尚需要作更多、更深入的專題研究.

                    目前,隨著綠色建筑運動的發展,節能減排已成為建筑業的必然要求,與綠色建筑相關的改善人居聲環境的研究也隨之成為建筑聲學研究的重要方向. 因此,改善住宅聲學質量以及與之相關的住宅聲、熱、光環境的一體化研究,將是今后的重要研究課題.聲場計算機仿真、聲學縮尺模型實驗以及可聽化技術是目前進行建筑聲學研究的3 種主要技術. 在計算機仿真方面,已推出若干較成熟的室內聲場三維仿真軟件,包括ODEON、EASE、CATT、RAYNOSIE 等.為保證廳堂建成后的音質效果,按照國際慣例,對于超過1500 座的重要廳堂,均需進行聲學縮尺模型實驗. 縮尺模型實驗技術日趨成熟; 獲取各測點單、雙通道脈沖響應以及對脈沖響應進行數字信號處理,進而獲得各重要聲學參數已不成問題. 但仍需進一步研究解決如何較準確地用模型實驗來預測廳堂聲學參數的問題,尤其是要在各重要頻帶上均能得到較準確的實驗值仍存在較大困難. 此外,對重要的材料和構件,在高頻域尋找與之相對應的適用于模型實驗的材料和構件,使之具有與實際材料與構件近似的聲學特性( 包括吸聲、擴散等特性) ,仍須作大量工作,相應的資料庫也有待建立.

                    傳統上聲學縮尺模型實驗技術主要用于聲缺陷的判斷,很難準確地預測廳堂音質參數. 筆者及筆者所在研究團隊針對聲學縮尺模型實驗的關鍵步驟和關鍵技術開展實驗研究,利用現代測試設備和信號處理技術,改進實驗方法,提高實驗精度,實現了用實時數字錄音及信號處理系統記錄與分析由電火花發聲器產生的超高頻信號,并通過設置參考點,以及在縮尺混響室中測試選擇縮尺模型對應材料與構造的聲學特性,來實現在1 ∶ 10 及1 ∶ 20 縮尺模型中進行聲學實驗的成套技術,能較準確地預測聲場參數,大大提高了聲學縮尺模型實驗水平. 縮尺模型聲場參數測試結果與實際建成后廳堂的測試結果的對比表明,該聲學縮尺模型測試技術可在直到1 ∶ 20 的縮尺比情況下較準確地預測聲場參數. 該項技術已成功地應用于廣州歌劇院、天津文化中心音樂廳及綜藝劇院、南山文化中心大劇院、兒童劇院、廈門海峽交流中心音樂廳等重要觀演建筑的音質設計,為保證上述廳堂的一流音質奠定了基礎.

             

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