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7.1 建筑声学(应用)——室内音质设计_图文

在前面的基础部分我们介绍了有关声学的基本知 识,主要包括: 4.1 声音的基本性质 4.2 声音的计量 4.3 声音与人的听觉 4.4 语言声、音乐声及噪声特性 4.5 室内声学原理 4.6 吸声材料和吸声结构

建 筑 声 学

应用篇

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7.1 室内音质设计
本节要点: 1.室内音质评价标准及设计内容 2.厅堂容积的确定 3.厅堂的体形设计 4.厅堂的混响时间设计 5.厅堂的电声系统设计 6.各类厅堂的音质设计

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室内音质设计是建筑声学设计的 一项重要组成部分。在以听闻功能 为主或有声学要求的建筑中,如音 乐厅、剧场、电影院、会议厅、报 告厅、多功能厅、审判厅、大教室、 体育馆以及录音室、演播室等建筑, 其音质设计的好坏往往是评价建筑 设计优劣的决定性因素之一。室内 最终是否具有良好的音质,不仅取 决于声源本身和电声系统的性能, 而且取决于室内良好的建筑声学环 境。而室内良好的建声环境评价有 主观评价标准及客观评价标准来两 种评价方式。

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7.1.1 室内音质评价标准及设计内容 一、主观评价标准 人们对不同声信号(语音或音乐)的主观要求有 所差异,这些要求则统称为音质(或主观)评价标准。 对于一个兼做语言和音乐使用的厅堂,其主观评价标 准一般可归纳为以下四个方面。 1.无声缺陷 声缺陷是指一些干扰正常听闻使原声音失真的现 象,如回声(颤动回声)、声聚焦、声影、过大的噪 声等,厅堂常见的声缺陷如图所示。

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2.合适的响度 响度是人感受到的声音的大小。音质的好坏首先 要有足够的响度,让听众能听得见。对于自然声演奏 的观演建筑来说,足够的响度是最基本的要求。 3.较高的清晰度和明晰度 语言声要求具有一定的清晰度,而音乐声则需达 到期望的明晰度。 音乐的明晰度具有两方面的含意:一是能够清楚 地辨别出每一种声源的音色,二是能够听清每个音符, 对于节奏较快的音乐也能感到其旋律分明。

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4.优美的音质 对于音乐声来说,除了听得见、听得清这些基本 要求外,室内音质设计还需要给听众提供听得舒服的 环境。因此,为了让室内声音具有优美的音质,还需 要注意以下两方面: (1)足够的丰满度。这一要求主要是对音乐声,对 于语言则为次要的。丰满度的含意有:声音饱满、圆 润,音色浑厚、温暖,余音悠扬、有弹性。总之,它 可以定义为声源在室内发声与在露天发声相比较,在 音质上的提高程度。 (2)良好的空间感。是指室内声场给听者提供的一 种声音在室内的空间传播感觉。其中包括听者对声源 方向的判断(方向感),距声源远近的判断(距离感 又可称为亲切感)和对属于室内声场的空间感觉(环 绕感、围绕感)。

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二、客观技术指标 1.声压级及声场不均匀度 声压级是表达音量大小直接的客观指标。各个频 率的声压级与该频率声音的响度相对应,一般语言和 音乐都有较宽的频带范围,声音的响度级大体上与经 过A特性计权的dB(A)声级相对应。 无论是在自然声或电声演出的厅堂中,除了具有 足够的声压级外,还应具有良好的声场均匀度,即在 厅堂内各处声压级的差别应在允许的范围内,避免出 现“死角”或“声聚焦”。在声场均匀的无楼座厅堂 中,其声场不均匀度≤6dB。

2、混响时间及频率特性 混响时间的长短,频率特性是否平直,是衡量厅堂音质 的最基本、重要的参数,也是设计阶段准确控制的指标。 作用:直接对清晰度、丰满度、明亮度的等影响,混响时间 适当,可保证各声部间平衡。 评价:125~4000Hz6个倍频带。以500Hz为代表,大量的经主 观评价认定为音质良好的观众厅,进行RT测定所 得到的统计平均值作为标准。 3、声脉冲响应分析(反射声的时间分布) 早期反射声:在房间内,可与直达声共同产生所需音质效果 的各反射声 (50ms内所到达的反射声)。

1)对响度的影响 50ms以内的反射声起到加强直达声的作用,其数量越 多,响度增大越明显。 2)对清晰度的影响 声学比越大,语言清晰度越高。 混响长的厅堂,提高声学比。 3)对丰满度的影响 缺乏早期反射声,使直达声与混响声脱节,感觉声音 断续、飘浮,声音干涩。 使低频RT较中频RT长,保证30ms内早期反射声的数量 ,可增加声音的丰满度和温暖感。 4)对亲切感的影响 20ms左右的早期反射声的多少决定了亲切感。

4、方向性扩散(反射声的空间分布) 厅堂中指定位置各方向反射声的强度与数量。 5、 背景噪声 A声级或是NR数。

讨论:为什么混响时间相同的大厅音质可能不同?

国家大剧院

三、音质设计内容 音质设计必须是声学工程师、建筑师、业主密切合作、 相互协调。一个音质良好的大厅一定是集体合作的结晶。 主要包括以下方面: 1)选址、建筑总图设计和各房间的合理配置,目的是防 止外界噪声和附属房间对主要听音房间的噪声干扰。 2)在满足使用要求的前提下,确定经济合理的房间容积 和每座容积。 3)通过体形设计,充分利用有效声能,使反射声在时间 和空间上合理分布,并防止声学缺陷。 4)根据使用要求,确定合适的混响时间及频率特性,计 算大厅吸声量,选择吸声材料与结构。

5)根据房间情况及声源声功率大小计算室内声压级大 小,并决定是否采用电声系统。

6)确定室内允许噪声标准,计算室内背景声压级,确 定采用哪些噪声控制措施。
7)在大厅主体结构完工之后,室内声学装修中,进行 声学测试,如有问题进行设计调整。

8)工程完成后进行音质测量和评价。
9)对于重要的厅堂,必要时应用计算机仿真及缩尺模 型技术配合进行音质设计。

10)对有扩声系统的厅堂,尚必须配合电声工程师进行 扩声设计。

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思考题: 室内音质的主观评价有哪些? 在音质设计中用哪些方面来保证音质良好?

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本知识点要点: 主要介绍了主观评价标准的四个方面: 无声缺陷 、合适的响度 、较高的清晰度和明晰 度及优美的音质 。 客观评价标准的四个方面: 声压级及声场不均匀度 、混响时间及其频率特 性 、反射声的时间分布 、反射声的空间分布及允许 噪声级 。 音质设计内容。

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室内音质设计中,在建筑方案设计初期首先应根 据建筑功能和所容纳的人数来确定厅堂的容积值。厅 堂容积的大小不仅影响到音质效果,而且也直接影响 到建筑的艺术造型、结构体系、空调设备和经济造价 等方面。因此,厅堂容积的确定必须加以综合考虑。

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7.1.2 厅堂容积的确定
问题:厅堂容积的影响因素?

1、决定因素 1)响度: 体积大,声源不 变的情况下,声能密度D小,则 Lp较小。 以电声为主(保证响度) ——体积不受限制 以自然声为主 ——体积受限制
厅堂内景

2)混响时间 RT 与 V 成正比,与 A 成反比。厅堂中,观众吸声量占所需 总吸声量的1/2~2/3,故观众吸声量起很大的作用。 控制好厅堂的容积V与观众人数的比例,就在相当程度上 保证或控制了RT。

音乐厅声学模型模拟

2、每座容积

对已判定为音质良好的厅堂大量统计分析所得到的结
果。 音乐厅8~10m3/ 每座, 歌剧院6~8 m3/每座,

音乐厅示意
米兰阿拉斯卡拉歌剧院

多用途剧场、礼堂5~6m3/每座, 讲演厅、大教室4m3/每座(推荐值)。

礼堂

大教室

?3、 确定V方法

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功能——选每座容积
容量——观众数量

在确定厅堂的容积后,如何确定厅堂的平剖面及 内部构造呢?

厅堂内景

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思考题: 确定房间容积需考虑的因素有哪些?

本知识点要点: 主要介绍了厅堂容积确定的两个主要因素: 足够的响度及合适的混响时间。

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厅堂的体形设计直接关系到直达声的分布、反射 声的空间和时间构成以及是否有声缺陷,是音质设计 中较为重要的环节。厅堂的体形设计包括合理选择大 厅平、剖面的形式、尺寸和比例以及各部分表面(如 顶棚、墙面)的具体尺寸、倾角和形式等一系列内容。 因此合理的体形设计是获得良好室内音质的重要前提。

7.1.3 厅堂的体形设计
1、充分利用直达声——保 证直达声可达到每个听众 1)影响因素: a 长距离的自然衰减 - 6dB/倍距离

b 遮挡和掠射吸收 (30m有10~20dB的衰减) c 偏离辐射主轴角度增大 时,高频声明显减弱。
人讲话水平面指向性特征图

2)措施: a 控制大厅尺寸比例 避免过长。使观众席位尽可能靠近 声源,一般剧场长度 <30m,最大<36m ,音乐厅<45m ,

设楼座;
短而宽布置;夹角<120°,极限 <140°。

以语言为主的厅堂

b. 避免被遮挡和掠射吸收;地面应有一定的坡度。

因为人耳与眼基本同高度,故按视线要求进行设计 即可大致满足不被遮挡和掠射吸收。
通常错位排列。

厅堂地面起坡

歌剧院内景

2 争取和控制好早期反射声

A 早期反射声的形成 1)形成部位
顶棚 侧墙

顶棚和侧墙

2)分析方式 将时差转换声程差进行判断 50ms——17m 30ms——10.2m 20ms——6.8m

S’
A1

检验回声:
R2 D R1+R2-D<17m S’A1=SA1

R1

S

3)一般原则 按厅堂首排座位与声源的距离——10m 顶棚高度<13m 厅堂宽度<26m (按17m声程差计算) 超过此尺度,应加以特殊处理

B. 顶棚形状——剖面设计 1)前部顶棚(台口附近) 顶棚可向厅内绝大多数地方提供一次反射,故其高度 与倾角十分重要 原则: 一次反射均匀的分布在大部分观众席。

顶棚反射

剧院剖面

a.尽可能控制面光孔的面积。 单排灯净空约0.7m,双排灯<1.2m。

剧院剖面

b.利用好前部每块面积

音箱桥下部
音箱桥与面光孔间面积 面光孔下底板

剧院内装修

c.过高顶棚可在舞台前悬吊反射板。

舞台反射面及反射罩

舞台反射罩

2)后部顶棚 原则:向观众席及侧墙扩散声能。 形式:如折板式、锯齿式、扩散体式。

厅堂后部顶棚

C.侧墙处理——平面形式 1)基本平面分类 矩形、扇形、马蹄形 演变:钟形、六角形

侧墙反射示意

侧墙反射身线设计示意

2)平面形状的选择。 原则: 前次反射声的多少 ,声场分布均匀,特殊形状应 作处理。 a 一般以钟形、矩形平面较 多。

b 扇形平面,墙面与中轴夹 角<8~10°。
c 弧形墙面须做扩散或吸声 处理。 一个简单几何形平面,若不 做特殊处理,视线最好的中前 区将会缺乏一次侧向反射声。
侧墙反射示意

侧墙处理示意

3、 扩散设计 三种方式达到声扩散的目 的 1)将厅堂内表面处理 成不规则形状和设扩散体。 2)体形设计中采用不 规则平、剖面处理。

3) 吸声材料均匀布置

厅堂声扩散处理

1)将厅堂内表面处理成不规则形状和设扩散体。

厅堂声扩散处理

墙面声扩散处理

2)体形设计中采用不规则平、剖面处理。

厅堂声扩散处理

3) 吸声材料均匀布置

厅堂吸声扩散处理

4、消除声缺陷 1)回声 a 出现部位:舞台、乐池、观众席前部 b 产生部位:后墙相接的顶棚 后墙 楼座栏板 c 危害: 干扰听闻、破坏音质 二次反射 一次反射 二次反射

回声的产生

d.措施:顶棚高度<13m或吸声扩散。整楼座栏板倾角或吸声处理。 后墙处理: 吸声,吸声系数>0.6的强吸声。 倾角,调整向后部提供一次反射。 扩散,不形成定向反射。

消除回声处理措施

2)颤动回声 a.出现部位: 平行墙面间。 b.产生条件: (a) 声源与接收点同在平行墙面间。 (b) 墙面强反射。 c.危害 干扰听闻,破坏音质。 d.措施 (a) 相对墙面夹角>5°。 (b) 墙面扩散,吸声处理。

3)声聚焦 a.出现部位:弧形墙面、壳形顶棚前的空间某位置。

b.产生条件:曲率半径小,强反射。

声聚焦示意

c. 危害:

形成第二声源,严重干扰听闻。 室内声场极不均匀。

d. 措施: 避免使用弧形墙面。
厅堂高度≥2R 弧形墙面上扩散吸声处理

声聚焦示意

声聚焦处理实例

4)声影 a.出现部位:楼座挑台下 方。 b.产生条件:挑台过深。 c.危害:堂座后区反射声 被遮挡,响度不够,音质 较差。 d.措施:取合适的楼座 挑台高度与深度比厅内充 分扩散声能。

楼座挑台深度要求

挑台进深与开口处理实例

5)声学缺陷出现的一般规律 a.建筑形体(平剖面)不当。 b.室内特殊部位设计不当。 c.短混响时间。

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思考题: 观众厅由于体形处理不当有那些音质缺陷?如何 消除?

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本知识点复习: 1.充分利用直达声 2.争取和控制好前次反射声 3.扩散设计 4.消除声缺陷

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如前所述,混响时间设计是体形设计外厅堂声学 设计的另一项重要内容,厅堂混响时间的长短及其频 率特性与室内音质的主观评价标准密切相关。因此, 根据不同的功能要求,通过设计手段来确保合适的混 响时间是室内音质设计的重要环节。

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 。

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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。

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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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电声系统改变了在自然声状态下室内音质完全 依赖于建筑声学处理的状况,出现了由设备系统与建 声环境共同协调作用来创造理想的音质效果。因此, 电声系统已经成为建筑声学设计中的一个重要内容, 建筑设计人员有必要对其有一定的了解,以便更好地 与相关专业技术人员协作设计。

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7.1.5 厅堂的电声系统设计 一、电声系统的作用与组成 室内电声系统的主要作用 首先是通过扩大自然声,以提 高室内声音的响度。其次是用 设备模拟实现完善厅堂不同的 听音效果。如环绕立体声效果, 用设备模拟由良好的前次反射 声所提供的空间感;人工混响 效果,用人工混响器延时扩放 声音,创造理想的混响效果; 超重低音效果,将易被厅堂吸 收的低频声加倍扩放来烘托音 质。

电声系统的组成与声音的放大过程

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二、电声系统的设计要求 1.在选用电声系统时,对设备系统本身有以下两 项技术要求: (1)有足够的功率输出; (2)有较宽而平直的频率响应范围。 2.在布置电声系统时,主要有以下两方面要求: (1)保证室内声场均匀; (2)控制和避免反馈现象。

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三、扬声器的布置形式 1.集中式布置

扬声器集中布置示意

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2.分散式布置

扬声器分散式布置示意

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3.混合式布置

扬声器混合式布置的大型观众厅

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四、厅堂建筑处理 有电声系统参与下的“厅堂音质”应该是电声 设备的扩声效果与厅堂固有音质共同作用的结果,它 有别于自然声场中的厅堂音质。当有电声系统介入时, 厅堂音质的设计也应随之而有所改变。因此,在这种 厅堂声学设计中需要注意以下几点: 1)混响时间宜取低值。 2)宜采用指向性较强的扬声器。 3)适当增加厅堂的吸声处理。

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五、声控室的设计 声控室是扩声系统的中枢,主要用于对电声系统 进行控制和监听。控制室除了有监听扬声器、调音台、 各种功放、录音机及各种附属设备外,还应能通过观 察窗直接观察到舞台活动区以及大部分观众席。

声控室及设备布置例

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思考题: 厅堂中扬声器布置的方式有那几种? 电声系统是否能完全替代建声?

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本知识点复习: 介绍了电声系统的作用与组成,电声系统的设计要求 及常用电声系统的布置方式。

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通过以上几节的阐述,对室内音质设计的基本原 理与方法已有所掌握。但不同功能的厅堂对室内音质 的要求不同,关键是结合实际,灵活处理、不断创新。 本节通过简单介绍几类具有代表性厅堂的音质设计要 点,来进一步加深对厅堂音质设计的理解。

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7.1.6 各类厅堂的音质设计 一、音乐厅 音乐厅是供交响乐(包括民族音乐)、室内乐、 声乐等音乐演出的专用厅堂。虽然音乐厅在建造数量 上并不多,但它是音质要求最高的观演建筑。音乐厅 与普通剧场的主要区别在于它不需设置独立的舞台、 侧台和乐池,而只需设乐台(乐台后部常有管风琴), 并将演奏席与观众席同处一个空间之内。音乐厅演出 时大多数靠自然声,电声至多起辅助作用,但为了现 场实况转播或录音的需要,也需要提供电声设备并设 声控室。音乐厅的规模有大有小,演奏交响乐的厅堂 规模较大。

奥地利维也纳音乐厅

德国斯图加特音乐厅

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2.音乐厅音质设计要点 音乐厅的音质要求是各类厅堂中最高的,甚至演 奏不同风格的音乐对音质的期望也不相同。根据经验, 音乐厅的音质设计应遵循以下基本原则: (1)合理选取最佳混响时间及频率特性 (2)充分利用前次反射声 (3)具有良好的扩散 (4)尽可能低的噪声干扰

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二、剧场 剧场与音乐厅一样有悠久的历史和令现代人叹 服的经典之作。剧场的类型较多,包括歌剧院、地方 戏剧场和话剧院等。其中除话剧是用语言声演出外, 其余歌剧和戏曲演出均兼有歌唱和音乐伴奏,有的还 有对白,因此在音质设计时必须兼顾语言和唱词的清 晰度以及音乐的丰满度的要求。

意大利米兰斯卡拉剧院

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1.歌剧院 歌剧院是以满足歌唱与音乐演奏为主,混响时间 应当较长,但略小于音乐厅,混响时间频率特性宜平 直,或低频有20%的提升。 在室内声学设计中,需要对其可能产生回声的后 墙部位作少量吸声或扩散处理,避免对舞台上演员形 成回声干扰,并注意适当的声扩散处理。

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2.地方戏剧场 我国的地方戏剧场(如京剧)演出时,除了演唱 和乐队伴奏外,还有对白。因此,在音质设计中,既 要考虑演唱和音乐的丰满度要求,又要保证唱词和对 白的清晰度,其混响时间应短于歌剧院的,混响时间 频率特性宜平直,或低频有20%的提升。 过去地方戏演出均采用自然声,但近来也有采用 电声演出。因此,在音质设计中,仍应按自然声考虑, 同时配备电声系统。 此外,地方戏剧场伴奏多设在侧台,常不设乐池。

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3.话剧院 话剧院是以自然声演出话剧的厅堂,一般规模较 小,配有镜框式或伸出式舞台,为保证有较高的语言 清晰度,大厅混响时间应比较短。 话剧院的音质设计中,应注意避免后墙产生回声 和平行墙面之间产生颤动回声,适当进行吸声和扩散 处理。

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三、电影院 与音乐厅、剧场等厅堂不同,电影院提供的是一 个可以真实还原声信号的环境。电影中的不同场面, 所需要的声学效果有较大的差异,为了增强观众的身 临其境感,电影院希望观众听到的是电影胶片上已录 制的某一特定场面声音效果(如可以包括表现一个大 教堂内长混响的特殊声学效果或露天雪地的声音沉寂 的空间),而不希望受到观众厅室内声学环境的影响。

德国 UFA 电影院

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四、多功能大厅 为了提高厅堂的利用率,不少观众厅设计成既可 以演出又可以开会或放电影的多功能厅堂,常被称作 “影剧院”或“礼堂”。多功能厅既要能够上演戏剧、 歌舞、音乐,又要可供举办会议甚至放映电影等,而 这些活动对混响时间等音质指标的要求又是差别不小。 这对搞好多功能厅的音质设计确实带来很多困难。为 了尽量满足不同使用功能的声学要求,通常可采取如 下几种措施:

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(1)确定厅堂的主 要用途,合理选择混 响时间。 (2)采用建筑上可 变措施,创造可变混 响时间的建声环境。 (3)采用电声措施, 满足不同使用功能的 声学要求。 (4)利用音乐罩和 反射板,满足交响音 乐会演出的需要。

可变吸声构造示意图

金马剧院观众厅 可调旋转体的平面布局

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五、体育馆 随着体育、文化事业的发展,全国各地已经或将 要建造大量的体育馆。在这些体育馆中,绝大多数是 综合性多用途体育馆,在使用功能上除了体育比赛外, 还经常兼作大型会场、文艺演出等场地。

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1.良好的体形设计,避免声学缺陷

(a) (b) 体育馆内凹曲面屋顶形成的声聚焦及处理方法 (a)形成原因 (b)处理方法

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2.控制混响时间,提高语音清晰度

北京亚运会某体育馆

体育馆吊顶上的空间吸声体

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3.重视电声系统设计,满足听闻要求

体育馆电声系统布置实例

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六、报告厅与审判厅 用于行政会议、公众交流和司法审判的厅堂,对 室内音质有共同的要求,即较高的语言可懂度。由于 语言声源有可能来自厅堂的不同部位,声源本身还要 求有良好的听闻条件,所以要求厅堂内不仅混响时间 短且应无回声干扰。所有发言内容都需留有录音资料, 高质量的扩声、录音设备必不可少。

思考题: 思考阶梯教室应如何考虑室内音质的设计?