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第五章室内音质设计_图文

第五章 室内音质设计

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节

室内音质评价标准

大厅容积的确定

体型设计 混响时间设计

核心内容

电声系统设计

概述

一、厅堂音质设计程序

厅堂音质设计是厅堂建筑的一个组成部分,作为一个专 业,必须与建筑各专业协同工作,并从初步设计阶段就进入 角色。

厅堂音质设计指标、内容及专业关系,随建筑类别、 演出方式、听音对象(人耳或传声器)不同,音质要求不同。

——音质设计程序基本相同。

建筑师应根据预定音质指标,按设计程序组织各专业

协调工作,并将声学要求与厅堂体型、内装修、陈设、通

风和照明等密切地配合起来。——声学处理不是作为一种追 加设施,而是融合于建筑整体艺术设计中,使成为有机结合

体。

建筑师的作用

用地选择 总平面设计 体型设计
声学设计 声学修正
施工声学测试与调整 验收音质评价

厅堂音质设计程序和各专 业间关系
缩尺模型

二、厅堂音质设计步骤
1、选址、总平面设计——用地选择——噪声、振动
为保证室内背景噪声处于较低水平,厅堂地址的选 择至关重要。
厅堂地址选择要充分考虑日益增长的交通噪声,有 时还应考虑航空噪声的影响,避免附近有较大的噪声 源。——厅堂位置应远离铁路线、地铁及主要交通干线、 高噪声工厂。
2、确定音质设计标准
根据用户的使用要求,确定音质设计标准,主要包 括确定声音响度、混响时间及室内允许的噪声级等。

某剧院总平面图

某剧院的总平面布置及单体 建筑设计,力求避免噪声影响 大厅的听闻。
(S为噪声源)

二、厅堂音质设计步骤
3、进行音质设计
包括体型设计、混响时间设计、吸声材料与吸声结构 的选择与布置、防噪措施与扩声系统设计等。
4、测定、调整与评价鉴定——重要步骤
竣工后应组织试演,并请观众、演员、声学专家及建 筑工作者进行评价和现场测定,总结经验,提出竣工说明, 必要时还需适当修改和调整,直到满意为止。

第一节 室内音质评价标准

一、音质主观评价标准

1、响度

合适的语言响度级60~70方;音乐稍高

人们听到声音的大小。足够响度是室内具有良好音质 的基本条件。——与响度相对应的物理指标是声压级。 2、丰满度——音乐丰满度

指人们对声音发出后“余音”的感觉。室外,声音感 觉“干瘪”,不丰满。——与丰满度相对应的物理指标是混 响时间。 3、色度感——音色

声源音色保持和美化。——保持音色不失真。—— 美化声源,如“温暖”、“明亮”。——相对应的物理指标 主要是混响时间频率特性及早期衰减的频率特性 。

4、空间感
指室内环境给人的空间感觉,包括方向感、距离感(亲 切感)、围绕感等。空间感与反射声的强度、时间分布、空间 分布有密切关系。 5、清晰度 ——语言清晰度
指语言用房间中,声音是否听得清楚。清晰度与混响时 间有直接关系,还与声音的空间的反射情况及衰减的频率特性 等综合因素有关。 6、无声缺陷
如回声、颤动回声、声聚焦、声影区、声染色等音质缺 陷。
7、低的背景噪声干扰。

二、 客观指标
1、声压级 房间中某处声压级反映——响度。声源功率一定时,
增大声压级需获得更多反射声。 2、混响时间RT及频率特性曲线
混响时间RT与室内丰满度、清晰度有很大关系。RT越 长,越感丰满,但清晰度越差;RT越短,越感“干 ”,但 清晰度提高。
RT频率特性与音色有一定关系。RT低频适当增长,声 音有温暖感;RT高频适当增长,声音有明亮感。

3、反射声时间序列分布

近次反射声很 重要

人们最先听到的是直达声,之后是来自各个界面的反射 声。一般,直达声后50ms内到达的声音称近次反射声——对 加强直达声响度、提高清晰度、维护声源方向起到很大作用。

对语言,提出清晰度D(definition) 概念;对于音 乐,提出明晰度C(Clarity)的概念。

直达声后50ms内到达声 能与50ms后声能比值

直达声后 80ms内

50ms以外的反射声一般被认为混响声。 混响声越多、越强,丰满度、环绕感好,但清晰度差;50ms 以外的强反射声会产生回声。近次反射声和混响声中间不能 脱节,否则,虽混响时间较长但丰满度不够。 混响声与回声的区别:
50ms以外的反射声一般被认为是混响声,对声音延续; 而50ms以外的强反射声会产生回声,与直达声相比听起来是 两个声音。 混响声与回声和反射声的关系:
混响声与回声均为反射声,混响声为有益的反射声,回 声为有害的反射声。
直达声、近次反射声(早期反射声)、混响声或回声。

4、反射声空间分布 来自前方的近次反射声能够增加亲切感,来自侧向的
反射声能够增加环绕感。 听者左右两耳接收的侧向反射声有较大差别,形成了
人们对声源的空间印象——使用两耳互相关函数IACC来表 示空间围绕感。IACC越小,表明房间反射造成的双耳到达 信号相关性越小,空间围绕感越强。

三、 音质设计步骤
音质设计应遵循以下几个步骤: 1)防止外部噪声及振动传入室内,使室内的背景噪声足够 低。——注意避免室内外噪声的影响 2)使室内各处都有足够响度,并保证声场分布尽可能均 匀。 ——充分利用直达声以保证合适响度 3)听众各点应安排足够的近次反射声。——合理分布近次 反射声

4)使房间具有与使用要求相适应的混响时间。 ——正确控制混响时间及其频率特性
5)防止出现回声、多重回声、声聚焦、声影区、声染色 等音质缺陷。 ——注意避免和消除声缺陷,与体型设计有关

四、音质设计的内容
1、大厅容积的确定 2、厅堂体型设计 3、混响时间的设计 4、扩声系统的设计

第二节 大厅容积的确定
厅堂声学设计的首要任务是根据用途和音质要求确 定厅堂有效容积。
建筑设计任务书内通常只提供厅堂规模(容量)、建 筑面积和造价。
从声学设计角度,确定厅堂有效容积,一般应根据 保证有足够响度与合适混响时间两方面确定。

一、决定因素 (一)保证厅内有足够的响度。

400万人同时大声讲话产生 功率相当于一只40W灯泡
的电功率

人所能发出的自然声能是很有限的,声功率较弱。

如果厅堂容积很大而又不注意充分利用,则随着与声源距 离增加,直达声将有较大衰减,而早期反射声补强作用有 限。

合适的语言响度级60~70方;音乐稍 高

以自然声为主的厅堂体积的推荐值

用途





最大容积(m3) 500

讲演 2000~3000

话剧 6000

独唱、独奏 大型交响乐

12000

25000

(二)合适的混响时间 混响时间计算公式

——引入每座容积

——人吸声量占房间吸声量很大一部分。如剧 院观众厅,观众吸声量占总吸声量的1/2~1/3。故建筑方 案设计中,通过控制容积V与观众数n比值,一定程度上能 控制混响时间。
——每座容积来控制厅堂容积。如果选择适当, 就可在不用或少用额外吸声处理的情况下得到适宜混响时 间。

每座容积V/n: ——大厅容积V与观众 数n比值。
不同用途的厅堂 的混响时间与每座 容积关系较大。

声学设计手册

用途 音乐厅

推荐每座容积 (m3)
8~10

歌剧院

6~8

多功能厅、礼堂

5~6

演讲厅、教室

3~5

电影院

4

用途 音乐厅 歌剧院 多功能剧场、礼堂 讲演厅、大教室 电影院

推荐每座容积(m3) 7~12 6~8 5~7 3~5 4~5

每座容积建议值

例题
【例题】:设计一座可容纳1200观众的多功能厅堂,应如何 选择较为合适的容积?
根据多功能厅每座容积的推荐值:4.5~ 5.5m3/座 可得:V=1200× (4.5~ 5.5)
=(5300~ 6600)m3

小结:室内音质设计(1)
重点:主观评价量和客观评价量;
难点:厅堂音质设计中厅堂体积确定;每座容积建议 值。

第五章 室内音质设计

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节

室内音质评价标准 大厅容积的确定 体型设计 混响时间设计 电声系统设计

第三节 体型设计 ——直接关系到直达声分布;反射声空间和时间分布;
是否有声缺陷。 ——体型设计是厅堂音质设计的重要内容之一。
一、体型设计的方法 ——几何声学法(声线法)又称虚声源法。
由于大厅堂尺寸远远大于波长,主要考虑声反射,故大 厅堂可用几何声学法进行体型设计。几何声学法考虑声反射, 忽略声音波动性(声绕射)。将大大简化分析工作且很大程 度上符合实际。

1、体形的确定方法:几何声学法(声线法,又称虚声





)

目前厅堂音质设计初期最常用的方法一般将声源配

置在演员主要表演区——距大幕线2~ 3m,离舞台面

1.6m。把听众席区域AB和在台口处顶棚起始点P按建筑设

计要求确定(P点按便于获得早期反射声来确定)就可求

出从台口开始的一次反射面的倾斜角度,以使反射声分

布于整个AB区域。

几何作图(1)

首先,自S和A分别引直线经过P,求SP和AP延长线夹角 的等分线,该等分线向右的延长部分即为所求的顶棚倾斜 面。在AP延长线上,量SP等长,得到虚声源S’,连接S’B 与已求出之分角线交于Q, PQ即为所需长度。
为使大厅后部座席有更多的一次反射声,如同图中CB 区域,可由Q继续用同法作图,连CQ线并延长,求出CQ延长 线与SQ夹角的等分线,进一步找到虚声源S”,连S”B与等 分线交于R,则QR即为可使声音反射到CB区域的反射面。

几何作图(2)

几何作图(3)

二、体型设计的原则
当大致地确定了大厅的有效容积后,将进行大厅体 型设计——音质设计的重要方面,对确保大厅音质具有 决定性的作用。
大厅体型设计主要包括直达声、近次反射声的控制 和利用;声扩散和防止音质缺陷等。
设计中常会遇到许多建筑功能与艺术处理上的矛盾。 因此,必须掌握确保音质的基本准则,结合建筑设计各 专业的要求灵活而又细致地加以贯彻。

(一)充分利用直达声,以保证直达声到达每个观众。
直达声对响度和清晰度有最重要的作用,应尽可能地 从体型设计上考虑充分地利用直达声。
对厅堂音质设计而言,体型设计首先应使直达声不受 遮挡,能到达每一位观众。要考虑到声源的指向性,大厅不 宜过宽,特别是大厅的前部不宜过宽。大厅地面应有足够升 起,以避免过度掠射吸收及观众的相互遮挡。一般能满足视 线要求也就能满足声学要求。



1、缩短直达声传播的距离



35 直达声的强度随传播距离而衰减——确定厅堂平米面形

状时,不要把听众席拉得太长。——控制纵向长度

如—个矩形平面的厅堂,不如一个容纳同样人数的扇 形大厅,扇形大厅能使观众更接近声源;

当一层平面的听众延伸得太远时,可将部分听众设置 在二层或三层楼座,以保持较小的直达声传播距离。

1500座以 上设楼座

2、避免直达声被遮挡和被听众掠射吸收

直达声被厅堂的柱子、栏杆、前排听众所遮挡、高中 频声能会损失很多,应当避免。

但如果听众席地面起坡太小,直达声从声源掠过听众 的头顶到达后部听众,声能将被大量吸收。因此前后排座 位升起应不小于100mm。——起坡

3、适应声源的指向性

声源所发的高频声指向性很强,为了保证清晰度和音

色的完美,厅堂的平面形状应当适应声源的指向性。使听

众席不超出声源的前方140°夹角的范围。——长的平面

比扁宽的平面有利。

平面形状

观众席设楼座和地面起坡

(二)争取与控制好近次反射声,以保证近次反射声的分布。
近次反射声又称前次反射声或早期反射声,指直达声后 50ms内到达的反射声。——对于增加直达声的响度和提高清 晰度都有重要作用。
争取较多的早期反射声并使其均匀分布,是厅堂体型设 计中的重要内容。
体型设计应争取和控制早期反射声,可利用几何声学作 图法,可检验大厅反射声分布及延迟时间,或进行大厅反射 面设计。(顶棚剖面和侧墙反射面设计)

S3
S2 S1

C1

A1 A2 B1

B2

C2

S

Q1

Q2

A

Q3 B

D C

几何作图法

1、平面设计:

基本平面形状

(1)矩形(窄长形平面)

当规模不大时,由于平面较窄,侧墙一次反射声能较均匀

地分布于大部分观众席。

当规模较大时,侧向反射不利,可利用台口(前部侧墙)

进行改进(倾斜)八字形使之成为钟形平面。

1、平面设计:

基本平面形状

(2)扇形平面

特点:前区具有相当大部分座位,缺乏来自侧墙的一次反

射声,来自后墙的反射声则很多,且弧形后墙易形成声聚焦;

但可使大部分座位靠近舞台布置。多用于剧场、会场(表演性)

的厅堂。

改进:利用顶棚给多数观众席提供一次反射声;侧墙可以

做成折线形,以调整侧向反射声方向;后墙宜扩散或吸声处理

以消除声聚焦。

(3)六边形平面 第一次反射声易沿墙反射,厅中部缺乏一次反射声。 改进措施同扇形即改变侧墙倾角。

(4)圆形或椭圆形平面 第一次反射声易沿墙反射,厅中部缺乏一次反射声;弧
形墙面易形成声聚焦。 改进:把侧墙做成锯齿形,使反射声达到中前部;后墙
宜扩散或吸声处理以消除声聚焦。 建筑师外部可保持所需建筑形状,内部空间根据声学设计。

平 面 形 状 及 声 学 处 理 方 法

2、剖面设计(顶棚设计)——声场分布均匀 通常将台口附近的吊顶、墙面做成定向反射面。一方面,
同样的面积靠近台口可反射更多的声能;另一方面,台口附 近的反射面能把声音反射到观众厅的前区。
观众厅的中后部可适当做扩散处理,或根据造型要求灵 活设计,只要不造成声缺陷就可。
反射面应用较厚重、坚硬的材料,如钢板网抹灰等。尺 寸应足够大,较小方向尺寸至少大于反射声波的波长,如要 有效反射200Hz以上声波,宽度不能小于1.7m。

一 次 反 射 声 均 匀 分 布 的 顶 棚 形 式

北京师范大学音乐厅 (顶棚与侧墙设计)

(三)争取扩散(sound deffusion)反射:声场分布均匀

室内的柱子、灯具、各种凹凸起伏的装饰对声波都有扩散 效果。精心设计的扩散体应是室内装修设计的—部分。形式可 根据装修效果确定。最简单的扩散体形有三角柱体、半圆柱体 等。

1、扩散体尺度与材料: 1)尺度:

扩散体的宽度和厚度与声波波长比较应满足的要求。

a=220/f

b>0.15a(与后面公式一致)

2)材料:密实

2、交叉布置吸声材料

3、房间内无规则悬吊扩散体(如同混响室)

4、二次剩余扩散体GRD:德国施罗德提出

扩散体尺寸
如f=100Hz,其有效扩散体尺寸为:a大于等于2.2m; b大于等于0.33m;

达到声扩散的途径

声扩散做法

(四)消除声缺陷:与体型设计有关的声缺陷 1、回声(echo generation)、多重回声(颤动回声)(flutter echo) 1)回声:
(1)产生条件:2个条件缺一不可 强度和大小大到足以和直达声相比较的反射声; 时差大于50ms的反射声。(强度小无害,时差小于 50ms
有益) (2)出现部位:舞台、乐池、观众厅前区能听到回声 (3)产生部位:前部天花、楼座栏板、后墙 (4)防止措施:
前部天花:吸声、扩散、控制高度; 楼座栏板:吸声、改变倾角; 后墙:吸声、扩散、改变后墙天花的倾角。

2)颤动回声(多重回声):一连串回声 (1)定义:声波在特定界面间的往复反射所产生,声
源位于两平行界面间。声源位于吸声较强的舞台,观众席里又布 满观众,不易发生颤动回声。
(2)出现部位:平行墙面间,且声源位于两平行界面间。 (3)产生原因:(体育馆建筑)声源与接收点(观众) 在同一空间;墙面硬反射。 (4)防止措施:墙夹角大于5°;吸声、扩散。

2、声聚焦:凹曲面(如弧形墙面、穹顶等)使声场分布不均 匀的现象。
1)出现部位: 弧形墙面、凹顶棚前空间的某个区域
2)防止措施: (1)控制圆弧形半径R与高度 h,应使h很大于R; (2)凹曲面上强吸声,通过减弱反射声强度来避免声聚焦; (如空间吸声体) (3)在凹曲面下悬挂扩散反射板。

顶棚形状呈圆弧形状——易产生声聚焦及增加混响时间。北京地区 某车间剖面图,车间总面积880m2,容积4000m3,屋顶为双曲扁壳结构, 横向三跨,纵向六跨。 由于建筑设计时未考虑声学问题,造成混响时间 过长(18.7s)及声聚焦缺陷,致使车间内面对面讲话难以听清,交流十 分不便,因此不得不投入巨大物力、财力进行声学改造——悬挂空间吸声 体。
——建筑设计与建筑声学设计是一个问题的两个方面,必须同时 考虑,才能获得理想效果。

3、声影区(shadow zone) 观众席较多的大厅,一般要设眺台,以改善大厅后部
观众席的视觉条件,如眺台下空间过深,则易遮挡来自顶棚 的反射声,在该区形成声影区。
(1)出现部位:楼座眺台下部 (2)出现原因:眺台过深 (3)危害:眺台下响度不足 (4)防止措施:控制眺台开口比即开口高度H和深度D 的比例 多功能厅:D≤2H;音乐厅:D≤H
眺台下顶棚应可能向后倾斜,使反射声落到眺台下座 席上

声 影 区 进 深 与 开 口 高 度 的 比 例

4、声染色 (sound coloration) 声染色:由于共振频率的简并会出现声染色。
(低频) 由于大房间的共振频率数目较多,容易分布
均匀,故大房间可不考虑声染色现象。
混响时间越短,声缺陷越明显

上海大剧院观众厅

音乐厅

剧院

多功能厅、礼堂

某教室、讲堂

某演播室

体育馆

小结:室内音质设计(2) 重点:厅堂音质设计中体型设计的原则;与体型 设计有关的音质缺陷及防止。 难点:厅堂音质设计中体型设计内容及声线分析 法。

7.1.4 厅堂的混响时间设计 一 混响时间设计标准 1.最佳混响时间 1)定义:根据大量的、经主观评价认为是音质良好的观
众厅进行RT测定,所得到的500Hz的RT的统计值。 2)特点:不同使用功能,不同体积,最佳RT不同。
3)确定方法: 功能+容积===最佳RT(500Hz) 4)实际偏差: 允许偏差±0.1sec或控制在10%。

讨论:从下图中总结出何种规律?
各类用途厅堂的推荐最佳混响时间
a—音乐厅;b—歌剧院;c—讲演厅、大教室;d—电影院

2、频率特性曲线
1)定义: RT相应与频率的曲线
2)范围及特征 a.范围 一般要求 125~4000Hz 六个倍频带
高要求 80~8000HZ 八个倍频带 b.特性: 平直(各个频带的RT相同为好)
不平度允许值,以500HzRT为标准
低频:125、250可略大到1.2~1.3倍,高频2000、4000可 略小到0.9倍。
理由:大厅堂低频混响较困难,各频率均衡的吸声材料 较难选择,人耳对低频声不敏感。 容许低频略大可提高丰满度。
3)实际状况
厅堂RT不均匀较多,特别是一次完工的厅堂。

音乐演出类厅堂的混响时间频率特性曲线

二、RT设计步骤 1.计算厅堂准确的体积V、表面积S——平、剖面图;
2.确定最佳RT及频率特性——功能+容积;
3.计算各频带f所需的总吸声量A总; 4.确定必须的固定吸声量Af固; 5.计算所需补充的吸声量⊿Af ;
6.吸声材料的选择——可布置位置、构造可行、艺术效果
,使 ⊿Af=S1α 1+ S2α 2+ Snα n ; 7.整理RT设计方案,验算RT 。

? 本知识点复习: ? 1.确定最佳混响时间及其频率特性; ? 2.计算体积、吸声量及混响时间; ? 3.选择适当的室内声学材料与构造并确定其面积
和布置。

? 思考题: ? 最佳混响时间如何确定? ? 混响时间设计步骤具体为?


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