除了混响时间外，音乐厅声学设计还有哪些新观点？

自赛宾提出混响时间计算公式以来，音乐厅声学经历了一个多世纪的发展过程。20世纪50年代至70年代是其理论发展的重要时期。现有的大厅音质评价参数大多是在此期间提出的，为大厅声学设计奠定了理论基础[1]。然而，自音乐厅声学发展以来，混响时间似乎是唯一的客观评价指标，音质设计仍不确定，视觉等因素仍占主导地位，表明大厅音质设计仍有许多问题需要解决。

在2018年IOA（Institute of Acoustics，英国的一家声学权威机构）召集的声学会议上，音乐厅声学再次成为研讨主题。笔者将此次会议上提出的部分新观点和新问题进行了总结。

1 混响时间低音比应大于1吗？

混响时间是厅堂音质设计的主要客观指标，通常以中频（500 Hz）混响时间Tm代表。由于混响时间随频率而变化，因此还需要确定混响时间的*佳频率特性。自20世纪60年代以来，声学家普遍认为低频混响时间*好为中频1.1~1.定义低音比45倍，定义低音比（BassRatio，BR）为

其中，T125、T250、T500和T1000分别表示频率为125 Hz、250 Hz、500 Hz和1 000 Hz混响时间。

1.1 理论分析

基于以下几点考虑，允许提高低频混响时间：

人声和音乐使整个乐队声音的平均频谱曲线总是呈现低频下降趋势。因此，墙上的低频反射有助于增强低频，提高声音的丰满感和温暖感；人耳对低频不敏感，表现为低频听门槛高。因此，低频响度较低。通过增加低频混响，可以提高低频响度；等响曲线越来越接近低频端。为了使低频和高频声音在停顿时持续同样长时间，低频混响的衰减速度慢于高频。

Fuchs对此提出了不同的看法[2]BR 接近1可能更有利于低频声。Fuchs指出以上几点仅从能量的角度考虑，忽略了低频声波可能的干扰*终会影响听力。乐队中一半的乐器的基频可能低于125Hz，这些低音在衬托整个乐队的声音中起着至关重要的作用。大厅声学测量标准ISO 3382-1中还指出，测量频率范围应包括125 Hz～4 kHz，对于音乐厅，低频应延伸至63 Hz(目前大部分都没有)。因此，低频数据的测量和分析不容忽视。

低频干扰是指直接声和早期反射声叠加的效果。当然，这种干扰不仅存在于低频。Fuchs指出只有特定频带的声音才会受到干扰效应的影响，如表1所示** 域[2]。Δx对于反射声和直达声的声程差，分别取1 m、2 m、4 m、8 m、16 m和32 m，Δt时差( c对应上述声速)Δx分别为2.9 ms、5.8 ms、12 ms、23 ms、46 ms和92 ms，f为频率，λ为波长，T为周期。

表1 频率不同Δx/λ或Δt/T值

下面简单说明表1。

当频率大于1 时kHz时，Δx/λ大于（2~三、绿 ** 域。直达声到达后反射声(2~3)波长或(2~3）只有一个周期才能到达。这样的时间间隔足以让听觉在不受反射声影响的情况下很好地感知直接声音。在这种情况下，反射声只能从能量的角度考虑，与混响声一起，符合能量叠加原理D(清晰度)，C80(清晰度)，G(强度指数)和LEF(侧向能量因子)等参数的计算有利于听音。当频率低于63 时Hz如果听音器或声源非常靠近反射器，则反射声与直达声的声程差小于4 m，则Δx/λ蓝 可能远小于1，如表1所示** 域。此时，反射声和直接声之间的相位差可以忽略不计，或者认为它们几乎同时到达听众，因此反射声不会影响直接声的听力。这种情况相当于声音强度的两倍，也是人们想要达到的效果。当频率小于1 时kHz有些红 ** 域，既不满足Δx/λ大于（2~3)，也不满意Δx/λ远小于1。在这种情况下，反射声和直接声之间的时间间隔不足以让听觉很好地感知直接声，或者干扰产生的梳状滤波效应改变了波形，模糊了直接声携带的声音信息。

由此可见，高频早期反射有利于听力，而低频早期反射可能不是。低频反射引起的干扰可能会削弱低音乐器的基频成分，使声音听起来模糊。虽然较大的混响可能会增加低频强度，但它不能弥补早期的音质损失。

前人已经提到了低频混响与音质的关系。E.Skudrzyk早在1954年，就提到低频混响时间不应大于中频，以免掩盖乐器低频声音的瞬态振动过程，影响声源的定位。G.von Békésy1931年还指出，混响时间的频率特性*好是平坦延伸到低频，声源的低频振动过程对听力非常重要。尽管白瑞纳克首先提出BR，并将BR*佳值为1.1~1.45.在利用多个相互正交的声学参数对大量音乐厅的音质进行调查后，发现，BR值与音质并不存在明显的相关性。随后他又选取了38个音乐厅，对（G125 G250）与（G500 G1000)调查了差异与音质的相关性，没有得到有价值的结果。最后，他指出，低频响度与低频混响时间关系不明确，低频响度对音质比低频混响时间更重要。

1.2 音质优良的音乐厅BR值

Fuchs对一些公认音质良好的音乐厅的实际BR仔细观察值，发现很多音乐厅的混响时间在低频时并没有增加，而是保持平坦甚至下降[2]。

维也纳音乐协会音乐厅（建于1870年的金色大厅）以其优良的音质成为音乐厅的设计模式。图1显示了金色大厅的混响时间频率特征。该大厅于1960年进行了一次装饰，空场混响时间为500 Hz和1 kHz*大值分别为3.6 s和3.5 s，在250 Hz和125 Hz有明显的下降，BR约为0.9；装修后，由于新座椅的更换，中高频吸声增加，使空场混响时间从中低频呈现相对直接的状态，由于中高频吸声进一步增加，BR约为1.2。

图1 维也纳金色大厅混响时间频率特征

阿姆斯特丹音乐厅（1888年）和波士顿交响乐大厅（1900年）也享有极高声誉，其混响时间频率特性如图2所示。测量数据表明，波士顿音乐厅在1982年装修前的空场混响时间*大值出现在1 kHz，呈现BR小于1的特点；装修后，1 kHz以下低频吸声进一步增加，BR变小了。这是因为墙壁和天花板上安装了大量的12个.5 mm ~25 mm厚板和19 mm厚石膏板，背面*大1.5 m空气层形成建筑物的表层。这种表层是低频吸收的主要原因。阿姆斯特丹音乐厅的空场混响频率与交响乐厅非常相似。

图2 波士顿交响乐厅(红色:装修前空场；蓝色:装修后空场；黑色:装修后满场)和阿姆斯特丹音乐厅(虚线-空场)混响时间频率特征

此外，还有一些音质**的音乐厅，其原设计目标是BR大于1，但测量结果是BR小于或等于1。比如新柏林爱乐音乐厅(1963年)和汉堡易北爱乐厅(2017年)就属于这种情况[2]。新柏林爱乐音乐厅是基于BR等于1.2是设计的，但测量的混响时间频率几乎是直的，因为悬挂在天花板上的石膏板的低频吸声效果没有考虑在设计中。汉堡易北爱乐音乐厅的混响时间设计目标是BR等于1.3.为了实现这一目标，白色贝壳状厚石膏板大面积安装在墙壁和天花板上，125 kg/m2.凹凸条纹深度为10 mm ~90 mm，宽度为80 mm，如图3所示，目的是有效反射低频，减少低频吸声，并在一定程度上扩散声音。但事实上，这两者都没有达到预期的效果。首先，如此浅的凹凸变化只对高频发挥一定的扩散作用；其次，白色贝壳主题墙为低频吸声器，其厚重的质量、自身的弹性和背后的空气层，使石膏板产生低频共振，吸收大量的声能。图4显示了北爱音乐厅的混响时间频率特征。

图3 白色贝壳主题内墙图4 爱乐音乐厅混响时间频率特征(黑色:全场估算值；红色:空场测量值)

当然，从作曲家的角度来看，他们更喜欢透明的声学，能够反映作品的所有技能和细节。Fuchs指出[2]，BR目前，小于1 仅作为一项倡议提出，需要进一步讨论和更多基础研究的支持。此外，人们的听力偏好随着时代的变化而变化，这也是一个需要考虑的影响因素。

2 墙面扩散越好吗？

长期以来，人们一直认为音乐厅的墙体材料及其扩散设计是高质量音乐厅的声学标志。因为人们认为包围感是影响听力偏好的重要因素，包围感来自四面八方的反射声；另一方面，二战后，建筑设计出现了简单的趋势，开始放弃太多的装饰，倾向于使用平面和直线，在这样的历史背景下，音乐厅的声学设计开始强调墙的扩散特征。其次，人们总是以音质好的古典音乐厅作为声学设计的例子。由于古典音乐厅的墙壁上有大量的浮雕装饰，人们认为墙壁扩散是音乐厅良好音质的必要条件。近年来，这一想法有一个极端的趋势，似乎只有好处没有坏处。研究人员开始重新思考这个问题。

当声波作用于粗糙表面时，至少部分遵循布朗定律，即声波向不同方向反射。当音乐厅的墙壁设计为扩散表面时，部分声能将返回到舞台附近的区域。Green[3]通过测量实际大厅和缩尺模型，墙体扩散程度越高，混响时间随位置变化越小，但随着距离的增加，响度越大。

芬兰奥拓大学的研究人员发现[4-6]首先，听音的偏好与主观感觉的亲近度（proximity）成正相关；Kahle根据听力经验承认[7]，在墙壁深度扩散的音乐厅听音乐，因为部分

声能回到前面区域，降低响度，真正产生声源远的感觉，同时声源定位感较差。其次，大厅脉冲响应的早期包络主要由早期反射声决定，与大厅的音质密切相关，反映了大厅的声学特征（acoustic signature）。因此，早期反射声比混响声对音质起着更重要的作用。只有当这些早期反射足够强时，听觉才能感知到。因此，这些早期反射声应该来自镜面反射，而不是扩散反射。

Marshall在仔细研究了维也纳金色大厅的墙壁和天花板后，指出[8]墙壁和天花板的扩散程度没有人们想象的那么高。事实上，平面占50%以上。其他建于19世纪和20世纪初的著名音乐厅，如阿姆斯特丹音乐厅和卡内基音乐厅，实际上有大量的平面。正是这些来自平面的早期反射给了大厅良好的声学质量。调查结果证实了奥拓大学研究小组的结论。

可见[7]在传统的音乐厅建筑中，真正起到良好音质作用的不是墙面浮雕等精细装饰，而是大厅里的大弧形、包厢、柱子和壁龛。

图5为Marshall广州大剧院(2010年)主持设计的歌剧厅内部声学设计示意图[8]，舞台上安装音乐罩后可作为音乐厅使用。可以看出，大厅的墙壁没有凹凸设计，但观众大厅的不对称双手环抱设计对整个大厅的声场传播起着重要作用。

图5 广州大剧院歌剧厅内声学设计示意图

3 提出新的音质评价参数

现有的大厅音质评价参数几乎都是基于能量计算的。然而，研究表明，[7]人们更喜欢具有独特声学特征的大厅。正如前面提到的，大厅的声学特征反映在脉冲响应的早期包含的听觉识别信息中。在音质良好的大厅里，不仅声源定位清晰，而且可以充分感知房间的空间特征。声源感知（source presence）和房间感知（room presence）反射声之间没有明确的时间分界线，甚至早期反射声也包含了一些房间信息。

基于上述理解，Kahle指出[7]只有当早期反射声对听觉系统是连贯和可识别的时候，听觉才能*大限度地提取声源信息，增强声源的存在感和亲密感。空间感也是如此。当听觉系统中可识别的相关信息缺失时，房间感知就会消失。这与控制室或听音室不同。后者希望去除房间感知，保留录音场所的声学特性。因此，对于高质量的音乐厅来说，大厅脉冲响应中包含连贯和可识别的听觉信息是非常重要的。然而，这并没有反映在现有大厅的音质评价参数中。现有参数不考虑反射声的可识别性，而只计算一定时间间隔的能量。因此，未来的研究方向可能是定义更有意义的新声学参数，找到其首选值范围。设计范式也可以相应调整，即首先确定大厅需要什么样的声学特征，然后通过体型设计和声学装饰来实现这些声学特征。

4 空间动态响应

音乐厅被表演者和指挥家视为乐器的一部分。在音乐作品中，声音变化或动态变化是音乐创作的重要组成部分。一个好的大厅应该能够加强音乐的动态表演。

在肯定侧向反射声对空间感起重要作用的前提下，研究人员观察到，听觉对侧向反射声的感觉阈随总声压级增大而减小，即在音乐演奏的动态发生变化时，听觉能够感受到厅堂空间感随之变化。当处于强奏乐段时，厅堂将呈现*强的空间感。这是音质良好音乐厅的重要标志。

近年来，芬兰奥拓大学研究小组开展了这方面的大量研究工作 [9-12]。研究表明，厅堂空间感的动态变化还与乐器演奏力度增大引起的高频分量增加和指向性的变化有关。由于听觉对侧向高频声的敏感度较高，因此，当演奏力度增大时，增加的侧向高频分量使听觉的空间感有较显著的增强。并且提出将动态响应性（dynamical responsiveness）作为评价厅堂声学特性的参数之一。

事实上，早在1978年Wettschurek就通过实验测试了侧向反射声E的听阈随到达方向（分为前、侧、后）和总声压级变化特性[13]。图6为实验设置，其中，D为直达声，测试时使反射声E、另一个固定方向的反射声R和混响声H的延时固定不变，直混比保持为0 dB，然后以5 dB步长改变总声压级（不包含E），测反射声E相对直达声的听阈（以相对声压级表示），得到听阈随总声压级增大而减小的变化曲线。Wettschurek的实验为厅堂空间感随响度增大而加强提供了理论支持。

图6 Wettschurek实验设置

Green和Kahle对空间感动态响应性（Dynamic Spatial Responsiveness，DSR）的测量和可视化进行了研究，探寻将其作为新的音质客观评价参数的可能性[14]。具体方法是，首先进行听音实验，得到反射声听阈随到达方向和总声压级变化曲线；然后以此数据为基础，通过算法设计一个空间感动态响应滤波器（Dynamic Spatial Response Filter，DSRF）。该滤波器以房间3D脉冲响应为输入，3D脉冲响应是指用一阶Ambisonic传声器拾取的4个脉冲响应，分别记为X、Y、Z和W，DSRF滤波器根据脉冲响应计算出不同延时反射声的大小和方向，再根据听阈模型判断是否能听到，最后得到不同响度时听觉能够感知的反射声的大小和方向，并将结果绘制成极坐标图。极坐标图中侧向反射声越丰富，则厅堂的空间感越好。这个滤波器被用于对实际厅堂进行测试，结果表明，DSR能够反映厅堂空间感随音乐动态变化的特性。

可见，与现有空间感评价指标LEF（侧向能量因子）和IACC相比，DSR不只是对特定时间段的声音能量进行积分计算，而是对不同时间点的反射声都进行了分别计算，因此，更能准确反映厅堂声学特性的差异。只要记录下不同厅堂的3D脉冲响应，就可以通过计算对空间感动态响应性进行比较，为音乐厅声学设计提供更多依据。

文章来源：演艺科技传媒（选自《演艺科技》2020年第4期 陈小平《音乐厅声学的一些新观点》）

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