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室内声学设计—耦合空间特性对厅堂音质的影响

声学知识

ACOUSTIC KNOWLEDGE

 

室内声学设计—耦合空间特性对厅堂音质的影响

分类:
声学知识
作者:
思成舞台设计
来源:
2021/10/25
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耦合空间是指厅堂中存在的一些次空间或者附属空间(简称混响室),这些空间使主厅内衰变过程呈现非线性衰变(双斜率甚至多斜率衰变)等声学特性的改变。厅堂容积扩大而出现混响时间延长,耦合空间声场的这种特性使混响感和明晰度这两个一直被认为相互对立的音质参量得到较好兼顾,因而在现代厅堂(尤其是音乐厅)音质设计中获得重要应用。

一.“耦合空间就是指多个独立的声学系统由开口或者透声隔墙相联系而组成整体的空间形式”。准确地说,能够产生耦合现象的两个空间就互为耦合空间。

CS面为耦合面,当它开启时,我们就可以说这三个空间互为彼此的耦合空间,由于相联系的各个声学系统(即R1、R2、R3)之间相互影响,使耦合空间中每个独立空间的音质参量都与未发生耦合时明显不同;但是当CS面关闭时,这R1、R2、R3之间就没有耦合作用了。

二.耦合空间对厅堂音质参量的影响

耦合空间在建筑中本是常见的现象。自古至今的大小教堂中,不少采用十字形平面布置,在中央大厅之外,两侧有边厅、廊厅,台后有祭坛厅等,它们都成为主厅的声耦合空间。

耦合空间除了可以增加厅堂建筑的混响时间外,还可以改变厅堂建筑的混响衰变曲线,而且耦合空间的开启状态对混响衰变曲线也有着较大的影响。由上图所示,空间R1为主空间,R2为R1的耦合空间,CS面为可控制开启面积的耦合面。不同开启状态对混响衰变曲线的影响如下:

(1)当CS面未开启时

空间R1可看作是一个独立空间,它的混响时间未发生变化,混响衰变曲线近似为直线。

(2)当CS面完全开启时

可将空间R1看作是扩大了容积的厅堂,其混响时间增长,混响衰变曲线与没有耦合空间存在时发生一定变化,但总体上仍近似为直线。

(3)当CS面部分开启时

由于开启面积的不同,混响衰变曲线也不尽相同。以耦合面开启10%为例,如上图所示。从图中可知,曲线中部有拐点出现,即混响衰变曲线呈现出双折形。这说明的是声音衰变的初始阶段衰变的速率较快,这样能够保证较高的清晰度,而后续声压级衰变则变得缓慢,为后期声音增加了一定的混响感。这样对解决音乐厅设计中长期存在的一个矛盾——清晰度和丰满度之间的矛盾是有利的。

三.耦合空间对厅堂音质的影响

1.耦合空间布置的位置

实际应用表明,耦合空间布置在厅堂的不同部位对音质参数的影响有着显著差异,表现为靠近耦合开口处的效果比较明显,其它较远距离的坐席区的效果十分微弱,甚至感觉不出。

一般地,耦合混响空间在音乐厅中主要布置在以下几个位置:观众厅侧部、观众厅后部、观众厅顶部、月台后方及下方;观众厅的池座周边及厢座周边也都是主厅的耦合空间。这几个不同位置,对各频段声音的影响十分显著。而且观众厅上部天棚及顶部周边位置可以通过活动升降天棚控制耦合空间的容积大小,从而调整观众厅的厅堂总容积。另外,一层池座周边的耦合空间对厅堂音质也有较大的影响。

2.耦合空间的体积

耦合空间的体积大小也是影响厅堂音质的一个重要指标。体积的扩大使厅堂使厅堂混响时间增长,而且这种增长的幅度可以通过塞宾公式进行估算。例如,一个带有耦合空间的厅堂,耦合空间的体积为主厅的30%,设在未发生耦合前该厅堂的混响时间为T60,那么开启耦合空间后,其混响时间变为

3.耦合空间的开口面积

耦合空间开启的程度与主厅混响后期衰变时间的延长有关,即开口面积与衰变曲线双折型拐点出现的位置有关。但这两者之间相关性的具体量化并不容易,现如今只能根据耦合空间的开口面积变化引起的结果来寻找其中的关系。

(​1)为了达到上述的双折型衰变音质效果,耦合空间开口的面积应有一定的界限,如果开口过大,就可以将发生耦合的两个空间看作一个扩大了容积的大空间,耦合效应就会消失,耦合开口的面积变化对主要声环境的影响如上图所示。

(2)从图中可以观察到,开口面积小时比大开口面积的双折效果要明显,详细地说就是,开口面积为总面积1%、5%、10%时的双折效果远明显于30%,在30%的状态下,混响衰变曲线接近于一个厅堂扩大容积后的形状。不同的斜率、不同的拐点位置肯定带来不同的听音效果。

(3)虽然开口面积越小,声耦合现象越明显,但是当开口面积过小时,会与正常情况有所不同。例如:当开口面积仅为总表面积的1%时,拐点位置变得很低,延长了后期的衰变效果,这时大厅内的背景噪声与音乐演奏中的后续声音会延长的后期衰变声掩蔽。

以上诸多情形,在不同大厅中对主厅有着不同的影响,设计中需具体问题具体分析,但总的规律是:耦合开口的面积越小,观众厅的混响时间越长,声能衰变曲线的斜率转换出现越晚,后期混响声能衰变曲线的斜率也越小,也就是说耦合作用变得越强。

四.内部界面材料的吸声特性

耦合空间内部材料的吸声特性主要影响观众厅的混响时间,因此如果侧重利用耦合方法来调整观众厅的混响时间则应小心处理和选择耦合混响空间内部的界面材料。

经过应用结果分析:

(1) 耦合空间的声能衰变呈现明显地双折线特征。体积增大致使混响时间增大的主要原因是后期衰变折线的斜率变大所致,而双折线的拐点位置基本一样。同样体积和开口的混响室,布置在舞台周边(离声源较近)的调节作用显然更明显。

(2) 随着混响室体积的增大,观众厅的混响感(T30和EDT)和重心时间Ts也相应增大,尤其对混响时间T30有明显的提升作用。其他声学参量变化比较小,都在最小可觉差范围内。

(3) 同样体积和开口的混响室,布置在舞台周边(离声源较近)的调节作用显然更明显。

(4) 耦合空间主要对混响时间T30有明显的提升作用。只有在混响时间出现显著变化(如从2秒提升到4秒)时,EDT和Ts才会出现可觉差的变化。其他声学参量变化比较小,都在最小可觉差范围内。

(5)利用耦合空间进行声场调节时,离混响室开口较近的位置,混响感(T30和EDT)和侧向反射系数LF变化更大一些。相对于布置在观众厅周边,混响室布置在舞台周边(远离观众席),观众席的声场变化更均匀一些。

(6)随着开口面积的增大,对观众厅的混响感而言:布置在观众厅周边的,效果逐渐变大;布置在舞台周边的,效果先变大再逐渐变小,中间有一个最佳值。

(7) 对观众厅的LF而言:布置在观众厅周边的,数值有变小的趋势;布置在舞台周边的,数值没有发生变化。

(8)随着开口面积的增大,主观声级逐渐变小,重心时间Ts均变大。

(9)增设耦合空间后,舞台的早期支持度ST2都得到了提高。不同位置的混响室R1(离舞台远)和R2(离舞台近),对舞台的早期支10) 同样面积的吸声材料布置在舞台周边(离声源较近)的混响室作用要明显一些。

(10)在混响时间基本一致的条件下,在大混响室内增加吸声材料,明晰度C80明显得到提高,但响度G和包围感LEV减小了。分析原因主要是吸声材料吸收了部分后期声能,降低了后期声能的总能量所致。相对于无耦合的主厅,在耦合空间内布置吸声材料可以达到既提高混响感又提高明晰度的目的。如果某种音乐演出(交响乐中穿插语言对白,如某作曲家或指挥家生平的交响乐演出)既需要高混响感也要保持高明晰度的话,在耦合空间内布置吸声材料是个不错的选择。

随着R1和R2交界面S12的开口逐渐变小,混响时间有逐渐增大的趋势,其他声学参量变化都很小。这也说明布置在舞台周边(离声源较近)的混响室作用要明显一些。

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