什么是建筑声学

什么是建筑声学??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。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。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，使建筑声学进入利学范畴。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。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，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。声学与声音系统在建筑设计中的应用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。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。吸声材料(一)吸声材料（二）“30微秒与30英尺”原理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。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。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。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。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”。