建筑声学

建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学。它主要研究室内音质和建筑环境的噪声控制。

有关建筑声学的记载最早见于公元前一世纪，罗马建筑师维特鲁威所写的《建筑十书》。书中记述了古希腊剧场中的音响调节方法，如利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等。当时也曾使用吸收低频声的共振器，用以改善剧场的声音效果。

15~17世纪，欧洲修建的一些剧院，大多有环形包厢和排列至接近顶棚的台阶式座位，同时由于听众和衣着对声能的吸收，以及建筑物内部繁复的凹凸装饰对声音的散射作用，使混响时间适中，声场分布也比较均匀。剧场或其他建筑物的这种设计，当初可能只求解决视线问题，但无意中却取得了较好的听闻效果。16世纪，中国建成著名的北京天坛皇穹宇，建有直径65米的回音壁，可使微弱的声音沿壁传播一二百米。在皇穹宇的台阶前，还有可以听到几次回声的三音石。

18~19世纪，自然科学的发展推动了理论声学的发展。到19世纪末，古典理论声学发展到最高峰。20世纪初，美国赛宾提出了著名的混响理论，使建筑声学进入力学范畴。从20年代开始，由于电子管的出现和放大器的应用，使非常微小的声学量的测量得以实现，这就为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。

研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好听闻条件；研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。

在中世纪，欧洲教堂采用大的内部空间和吸声系数低的墙面，以产生长混响声，造成神秘的宗教气氛。建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法。因此，现代建筑声学可分为室内声学和建筑环境噪声控制两个研究领域。

当室内几何尺寸比声波波长大得多时，可用几何声学方法研究早期反射声分布，以加强直达声，提高声场的均匀性，避免音质缺陷。统计声学方法是从能量的角度研究在连续声源激发下声能密度的增长、稳定和衰减过程（即混响过程），并给混响时间以确切的定义，使主观评价标准和声学客观量结合起来，为室内声学设计提供科学依据。当室内几何尺寸与声波波长可比时，易出现共振现象，可用波动声学方法研究室内声的简正振动方式和产生条件，以提高小空间内声场的均匀性和频谱特性。室内声学设计内容包括体型和容积的选择，最佳混响时间及其频率特性的选择和确定，吸声材料的组合布置和设计适当的反射面以合理地组织近次反射声等。声学设计要考虑到两个方面。一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能在建筑空间内均匀分布和扩散，如在厅堂音质设计中应保证各处观众席都有适当的响度。另一方面要采用各种吸声材料和吸声结构，以控制混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。设计阶段要进行声学模型试验，预测所采取的声学措施的效果。处理室内音质一方面要了解室内空间体型、所选用的材料对声场的影响。另一方面要考虑室内声场声学参数与主观听闻效果的关系，即音质的主观评价。可以说，确定室内音质的好坏，最终还在于听众的主观感受。由于听众的个人感受和鉴赏力的不同，在主观评价方面的非一致性是这门学科的特点之一；因此，建筑声学测量作为研究、探索声学参数与听众主观感觉的相关性和室内声信号主观感觉与室内音质标准相互关系的手段，也是室内声学的一个重要内容。在大型厅堂建筑中，往往采用电声设备以增强自然声和提高直达声的均匀程度，还可以在电路中采用人工延迟、人工混响等措施以提高音质效果。室内扩声是大型厅堂音质设计必不可少的一个方面，因此，现代扩声技术已成为室内声学的一个组成部分。

即使有良好的室内音质设计，如果受到噪声的严重干扰，也将难以获得良好的室内听闻条件。为了保证建筑物的使用功能，保证人们正常生活和工作条件，也必须减弱噪声的影响。因此，控制建筑环境噪声，保证建筑物内部达到一定的安静标准，是建筑声学的另一个重要方面。噪声干扰，除与噪声强度有关外，还与噪声的频谱、持续时间、重复出现次数以及人的听觉特性、心理、生理等因素有关。控制噪声就是按照实际需要和可能，将噪声控制在某一适当范围内。这一范围所容许的最高噪声标准称为容许噪声级即噪声容许标准。对于不同用途的建筑物，有不同建筑噪声容许标准：如对工业建筑主要是为保护人体健康而制定的卫生标准；而对学习和生活环境则要保证达到一定的安静标准。在噪声控制中，首先要降低噪声源的声辐射强度，其次是控制噪声的传播，再次是采取个人防护措施。在城市规划和建筑布局上要有合理的安排。一般按照各类建筑对安静程度的要求，划分区域并布置道路网，使要求安静的建筑物，如住宅、文教区远离喧闹的工厂区或交通干线，避免交通流量大的街道和高速公路穿过住宅区，这是控制城市噪声的基本措施。在各分区内各单体建筑物中，同样需要从控制噪声的角度，对有不同安静程度要求的建筑群和各个房间分别进行合理的安排和布局（见建筑物隔声）。噪声按传播途径可分为两种：一是由空气传播的噪声，即空气声；一是由建筑结构传播的机械振动所辐射的噪声，即固体声。空气声因传播过程的衰减和设置隔墙而大大减弱；固体声由于建筑材料对声能的衰减作用很小，可传播得较远，通常采用分离式构件或弹性联接等技术措施来减弱其传播。建筑物空气声隔声的能力取决于墙或间壁（隔断）的隔声量。基本定律是质量定律，即墙或间壁的隔声量与它的面密度的对数成正比。现代建筑由于广泛采用轻质材料和轻型结构，减弱了对空气声隔声的能力，因此又发展出双层墙体结构和多层复合墙板，以满足隔声的要求。在建筑物中实现固体声隔声，相对地说要困难些。采用一般的隔振方法，如采用不连续结构，施工比较复杂，对于要求有高度整体性的现代建筑尤其是这样。人在楼板上走动或移动物件时产生撞击声，直接对楼下房间造成噪声干扰。可用标准打击器撞击楼板，在楼下测定声压级值。声压级值越大，表示楼板隔绝撞击声的性能越差。控制楼板撞击声的主要方法是在楼板面层上或地面板与承重楼板之间设置弹性层，特别是在楼板上铺设弹性面层，是隔绝撞击声的简便有效的措施。在工业建筑物中，隔声间或隔声罩已成为广泛采用的降低设备噪声的手段。建筑物的通风空调设备会产生空气动力噪声。在气流通道上设置消声器是防止空气噪声的措施。工程上采用的消声器，根据消声原理大致可分为阻性、抗性或阻抗复合等类型。许多国家的消声器已发展成为商品化的消声器系列。（见通风空调系统的噪声控制）在机械设备下面设置隔振器，以减弱振动，是建筑设备隔振的主要措施。，隔振器已由逐个设计发展成为定型产品。

厅堂建筑空间都比较大，所以在设计上尤其是保证其内部声学设计合理到位，吸音材料以及其他的各种声学材料不可缺少，所以合理的设计及材料设备的正确使用才能确保其音质效果，只有了解厅堂上的声学要求和设计方法才能保障有效的音质设计。一、建筑声学设计的要点一般而言，建筑声学设计的要点主要包括噪声控制和音质设计两大部分。(一)噪声控制通常音乐厅、剧场等厅堂都要求很低的室内背景噪声，因此，这些厅堂的选址很重要，应尽可能远离户外的噪声与振动源。另外，还要进行场地环境噪声与振动调查、测量与仿真预测，目的是为进行厅堂建筑围护结构的隔声设计提供依据。保证厅堂建成后能达到预定的室内噪声标准。此外，建筑声学设计的另一个重要任务就是进行室内音质设计。(二)音质设计音质设计通常包括下述工作内容:1.确定厅堂体型及体量。2.确定音质设计指标及其优选值。根据厅堂的使用功能选择混响时间、明晰度、强度指数、侧向能量因子、双耳互相关系数等音质评价指标，并确定各指标的优选值，是音质设计的重要任务。3.对乐池、乐台、包厢、楼座及厅堂各界面进行声学设计。4.计算厅堂音质参量。当厅堂的平、剖面及楼座、包厢、乐池、乐台等设计方案拟定以后，就可开始计算厅堂音质参量。5.进行声学构造设计。厅堂音质除了受前述建筑因素影响之外，还与室内装修材料与构造密切相关。声学装修构造设计通常包括各界面材料的选择和绘制构造设计图，需详细规定材料的面密度、表观密度、厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及龙骨的间距等技术参数。6.声场计算机仿真。对厅堂建筑进行仔细的声场分析和音质参量计算，有赖于声场三维计算机仿真。7.缩尺模型试验。对于重要的厅堂，除了计算机仿真外，通常还须建立一定缩尺比的厅堂模型，进行缩尺模型声学试验。8.可听化主观评价。可听化技术是通过仿真计算。或者通过模型试验测量获得双耳脉冲响应，将之与在消声室中录制的音乐或语言"干信号"卷积，输出已加入厅堂影响的声音信号，供受试者预先聆听建成后的厅堂音质效果。这是近年发展起来的建筑声学领域一项高新技术。9.建筑声学测量。建筑声学测量包括噪声与振动测量，围护构造隔声测量，重要材料与构造的吸声量测量以及厅堂音质参量的测量等。10.对电声系统设计提供咨询意见。对于需要安装电声系统的厅堂，建筑声学专家尚需与音响工程师配合，对电声系统的设备选型、设计与安装提供咨询意见。11.组织主观评价。对于重要厅堂，在工程落成后，组织专门的演出和主观评价，来检验建成后厅堂的音质效果，是建筑声学设计最后一个重要环节。二、声学设计的手段准确地预测房间的音质效果一直是建筑声学研究者追求的理想。厅堂音质模型测定是建筑声学设计的重要手段。随着软件技术的发展，使用计算机进行声场的模拟研究成为现实。近年来，使用基于有限元理论的方法模拟声音的高阶波动特性，在低频模拟上获得了一些进展。厅堂中短延时反射声的分布，是决定音质的重要因素。在缩尺模型中，用电火花作为脉冲声源测得的短延时反射声分布，与实际大厅的短延时反射声分布有良好的对应，对在设计阶段确定厅堂的大小、体型等有重要参考意义。混响时间是公认的一个可定量的音质参数，通过模型试验可以预测所要兴建厅堂的混响时间。声场不均匀度也是一个重要的音质参数。模型试验的测量系统、测量方法和结果的表达与实际厅堂相同，但需要根据厅堂模型的缩尺比s，在混响时间测量和声场不均匀度测量时对测量频率作相应改变。不同频率的声波，在空气介质中传播，特别是高频声波，它的由空气吸收引起的衰减在不同温、湿度条件下差别很大，对混响时间测量结果，需采取对空气吸收的影响作相应的修正，且有足够的精度。对于短延时反射声分布测量，厅堂音质模型的缩尺比s一般采用1/5或1/10，也有采用1/20的，但因受试验设备和频率过高的限制，精度受到一定影响。对混响时间的测量，缩尺比s为1/20时只能对应实际厅堂1000Hz或2 000Hz以下的频率。推荐缩尺比s不小于1/10，对混响时间和声场不均匀度的测量可扩展至实际厅堂中的4000Hz。短延时反射声分布测量的精度也较高。模型的内表面形状，有些起伏尺寸比较小，对声波的反射和扩散没有多大影响，在制作模型时可适当简化。但必须保留等于或大于实际厅堂中声波为2000Hz的波长的起伏，不能省略。因为这些部分会对声场的不均匀度有较大影响。要使厅堂音质模型的内表面各个部分，包括观众席的吸声系数在所测量的频率范围内与相对应的实际厅堂内表面各部分及观众席的吸声系数完全相符，实际上有很大难度，因此允许有±10%的误差。为了避免在模型中的背景噪声过高导至动态范围达不到要求而影响精度，厅堂音质模型的外壳必须有足够的隔声量。舞台空间大小、形状及吸声状况，对观众厅的短延时反射声分布、混响时间及声压级分布有很大影响。在模型试验时，这部分宜包括在内。舞台空间部分的吸声状况也应进行相应的模拟。短延时反射声分布测量所用的声源信号为电容器放电时产生的脉冲声，适于用做模型试验中的脉冲声源信号。声源中心位置规定为一般演出区的中心，高度相当于人口的高度。声场不均匀度测量的声源位置与高度，与混响时间测量相同。短延时反射声分布测量常用的方法是将接收到的直达声和反射声信号经过放大，以时间为横轴在示波器上显示，即脉冲响应声图谱(回声图)。接收用传声器，可以用电容传声器或灵敏度比较高的球形压电晶体传声器。传声器口径不宜过大，防止传声器的圆柱体型在接收位置对声场形成影响。在测量时要求记录模型内空气的温度和相对湿度，是为了修正由于高频声在模型内过量的空气吸收所造成的低于实际厅堂混响时间的偏差。