可调混响音乐厅的仿真与分析

唐凤台，孟子厚

(中国传媒大学 传播声学研究所，北京100024)

1 引言

混响时间是最重要的声学参数之一。混响时间的定义为：声源在房间内停止发生后，残余声能在房间内往复反射，经吸声材料吸收，房间内声能密度衰减60dB所需的时间，一般用T30表示。在混响相同的情况下，对于不同的空间，以及使用不同的音源给人的混响感是不同的。在建声音质设计中，混响扮演者及其重要的角色。恰当的混响时间，相对平直的频率特性曲线等都需要考虑，从而得到一个音质良好的厅堂。

在一座固定的厅堂中，我们可以通过改变其吸声材料的系数、调节耦合空间的大小及其使用电声技术来调节厅堂的声学参数，使其更加适宜音乐作品的演奏环境，从而获得更好的听觉效果。目前国外对于通过改变吸声材料和耦合空间来改变音乐厅混响时间的厅堂比较多，例如美国的有达拉斯莫顿梅尔森交响乐大厅，费城金梅尔演艺中心Verizon大厅；英国的伯明翰交响乐大厅等。而国内还没有真正意义上的该类厅堂。

可调混响音乐厅是当前发展的趋势。混响可调可以使厅堂功能多样化，满足不同音乐类型使听感更佳。本文以某座在建可调混响音乐厅为研究对象并进行仿真。整个系统自然、无明显的声染色现象。主要通过调节吸声帘幕的覆盖面积和耦合门的开启程度来调节厅堂内的混响。

2 Odeon仿真过程及结果

2.1 音乐厅模型介绍

本座音乐厅为小型音乐厅，主空间体积为7900m3，面积约为2900m2。次空间体积(即位于主空间两侧的休息厅，和后侧的大厅部分)体积为7100m3。音乐厅上空有一块反射板。其模型如下图1所示。

图1 音乐厅模型

该座可变混响音乐厅是通过改变音乐厅内吸声帘幕的覆盖面积和音乐厅的两侧和后侧的耦合门开启程度大小来使混响时间可调的。设基础混响时间为吸声帘幕和耦合空间均不起作用的状态下的混响时间。在音乐厅内吸声帘幕起作用，耦合空间不起作用的情况下，可以下调混响时间；在音乐厅内耦合空间起作用，而吸声帘幕不起作用的情况下，可使混响时间得以加长。

本座音乐厅的吸声帘幕安置在观众厅的两侧和后侧，通过调节吸声帘幕的覆盖面积，可以调节主厅的声学特性。吸声帘幕全部展开的覆盖面积如图2所示，其调节方式是由厅堂两侧同时向后收缩。

图2 音乐厅内吸声帘幕全展开

本座音乐厅的耦合空间是指位于音乐厅两侧的休息厅和后侧的大厅，通过调节耦合空间与大厅之间相连的耦合门的开启大小来控制混响时间。其耦合门的开启程度大小用Odeon的透射系数来表示。音乐厅两侧耦合门所在的位置是从靠近舞台的一侧数起，第一层的第二扇门到第六扇门，第二层的第一扇门到第四扇门。后侧耦合门的位置是位于中间的第一层的6扇门和第二层的8扇门。

休息厅墙面采用墙面扩散结构，有利于声能扩散，提高声场均匀度，避免声聚焦缺陷。如图3所示。

图3 休息厅声线图

2.2 测点分布

该模型设置了1个声源和6个接收点。声源位置大概在舞台的中间，接收点位置都在音乐厅的一侧，如图4所示。

图4 测点分布图

2.3 仿真结果及分析

由于实验不可能穷尽所有的可调类型，以及研究时间的限制，根据该座音乐厅的具体特征，对研究对象分两步进行。

2.3.1 耦合空间部分

耦合空间部分主要探索耦合门的开启程度对混响时间的影响。根据厅堂两侧的耦合空间和后侧的耦合空间，衍生出三种模型。

模型一：厅堂耦合空间全部开启。

图5 耦合空间模型一示意图

模型二：仅开厅堂两侧耦合空间，后耦合空间封闭，不起作用。

图6 耦合空间模型二示意图

模型三：仅开厅堂后侧耦合空间，两侧耦合空间封闭，不起作用。

图7 耦合空间模型三示意图

采用多点测量取平均值的方式来进行计算。设模型一的系列为A系列，模型二的系列为B系列，模型三的系列为C系列。Ai、Bi、Ci表示耦合门开启(i*10)%时的状态，即在Odeon仿真中设置透射系数为i /10时的状态，i=1、2、3……10。其中在耦合门全部打开100%情况下即A10状态下仿真的声场模型图如下图8所示：

图8 ODEON仿真的A10状态的声场模型

三个模型中，声源点和接收点是不变的，变化的只是耦合门的开启大小。

由表1可知，模式一的最大混响时间为2.3s，模式二的最大混响时间为2.1s，模式三的最大混响时间为2.0s。由图9可知，三个模式对混响时间的敏感程度为：模式一>模式二>模式三。三个模式的混响时间基本上都是随着耦合门开启程度的加大而递增。

表1 三个模型耦合门开启程度与混响时间T30的值

图9 耦合门开启程度与混响时间的关系

由上图所示，在同一个模式中存在后一种耦合门开启状态与前一种耦合门开启状态的混响时间相同的情况，如A4和A5等。不同个模式中又存在混响时间相同的状态，如A1、B1和C1等，说明影响混响时间的因素不仅与耦合空间的位置有关还与耦合门的开启程度有关。即与早期反射声的方向和空间体积有关。

大多研究表明，影响混响感的因素很多，包括早期衰减时间EDT，侧向反射声系数LF80，声能比D50，C80等。厅堂音质的最终评判标准是听者的主观感觉，而不是客观声学参数，厅堂声学设计的目标也是要通过物理手段的应用达到统计上最佳的主观听感反映。

表2 T=1.9s，A4与A5的声学参数

表3 T=1.6s，A1，B1，C1的声学参数

由表2 和表3可知，即使混响时间一样，但是其声学参数却几乎完全不同，所以势必会影响主观混响感，即混响时间与主观混响感之间并不总是唯一对应的关系，这就不难理解为什么混响时间相同的厅堂其音质感觉可能完全不一样。因此在今后的工作中可以设置一些主观实验，探讨这三种耦合空间模式与混响感的关系。

2.3.2 吸声帘幕部分

音乐厅内在耦合空间均不起作用情况下，调节厅堂内吸声帘幕的覆盖面积主要是为了下调混响时间和防止声缺陷。吸声帘幕材料选用灯芯绒，其倍频程吸声系数见表4所示。

表4 吸声帘幕的吸声系数表

设该座音乐厅在耦合空间和吸声帘幕均不其作用的情况下的混响时间为基础混响时间。本座音乐厅基础混响时间为1.6s。如图10所示。

图10 音乐厅基础混响时间

音乐厅后侧吸声帘幕全展开的覆盖面积为：192m2，观众厅两侧吸声帘幕全展开的覆盖面积都约为96m2x2，即厅堂内吸声帘幕的完全覆盖面积为384 m2。

当吸声帘幕全展开时，厅堂内混响时间约为1.2s。如图11所示：

图11 音乐厅最小混响时间

可调吸声帘幕状态及对应的混响时间如下表5所示。

表5 可调吸声帘幕设置基本状态和混响时间值

由上表5可知该座音乐厅随着吸声帘幕的覆盖面积缩小，混响时间逐渐增大。在吸声帘幕全展开状态得到最小混响时间为1.2s，即音乐厅可下调混响时间范围为0.4s。在耦合空间均不起作用的情况下，可变处理面积为384 m2/2900 m2≈13%。根据根据实践经验，在厅堂建筑中，设置可变吸声结构的表面主要在两侧墙上和局部后墙。当构造的吸声系数在0.8左右时，可变处理面积占总面积的7%左右时，混响可调幅度约为0.3秒；处理面积在10%～12%时，可调幅度可达0.4～0.5秒；如果有更大的调幅量，除了要增加处理面积在15%以上外，还将设计吸声系数接近1.0的构造[5]，但作为音乐厅而言最小混响时间小于1.2s意义不大。

3 结束语

仿真结果表明，本座可变混响音乐厅的基础混响时间为1.6s，通过调节分布在厅堂两侧和后侧的耦合空间的门的开启程度，可上调音乐厅混响时间，幅度为0.7s，即达到2.3s；在耦合空间不起作用情况下，调节音乐厅内在观众厅两侧和后侧的吸声帘幕，得到音乐厅可下调幅度为0.4s，即可低至1.2s。所以该座音乐厅的混响时间范围为1.2～2.3s。对于通过调节耦合空间来改变混响时间而言，位于厅堂两侧的比位于厅堂后侧的更敏感。音乐厅的可变混响设计最终目的是为音质服务的。仿真结果显示，在音乐厅处于不同的调节状态时，混响时间可以相同，但是其余声学参数却是不同的，所以在后续工作中可以加入主观听感实验，使该座音乐厅在实际应用中获得最佳的音质效果。