音樂廳的聲學設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，其背后的科學和規(guī)律直到20世紀后期才被完整地理解和利用起來。
在聲學設計這個學科中，主觀的對聲音的審美被分解成了一些聲學設計要素和準則。在幾百年的經(jīng)驗史和現(xiàn)代科技的幫助下，一個好的音樂廳所需要的聲學條件已經(jīng)被完整地歸納出來，此處聲學環(huán)境整體解決方案服務商天戈聲學來跟大家分享一下。
音樂廳設計的聲學要素
當我們在一個大廳里聽歌手唱歌，進入你耳朵的歌聲主要由兩部分構(gòu)成，直接從音源(歌手)抵達你的耳朵的聲音，稱為直達聲;經(jīng)由大廳的墻壁單次或多次反射進入你的耳朵的聲音，稱為反射聲。由于直線路徑最短，直達聲將最先到達你的耳朵，隨后是反射聲。在反射聲中，我們進一步將聽見直達聲后大約0.1秒以內(nèi)到達的反射聲稱為早期反射聲;這個時間節(jié)點之后抵達的反射聲一律歸為混響聲或后期反射聲。
介紹以上關于反射聲的概念是因為人對于聲音的審美，除了對聲音本身的審美，都源自于對反射聲的審美習慣。為了說明這一點，我們不妨思考一個問題：當我們在聽音樂時我們在聽什么?直覺上我們可能會認為我們只是想聽歌手或者樂器發(fā)出的聲音，即直達聲。但真的是這樣嗎?想象一下一個沒有反射聲的環(huán)境曠野，曠野里的歌聲因為不存在反射聲音的墻壁，所有到你的耳朵里的聲音都是直達聲。但哪怕是再好的歌手，你都會覺得他的聲音干澀、飄忽、虛弱、壓抑。
而相反，諸位在自家浴室忘情地歌唱的時候是不是都覺得自己的聲音非常美妙呢?這個例子告訴我們，當我們聽音樂的時候，我們不但在聽音源發(fā)出的聲音(直達聲)，也在依靠反射聲感受著整個空間。如果沒有反射聲的存在，我們會覺得歌聲很別扭。用稍微嚴肅點的聲學語言來說，在聽音樂時，除了音源本身的質(zhì)量，決定聲音品質(zhì)的重要因素就是反射聲場的特性。我們喜歡有包圍感的聲音，我們喜歡把自己沉浸在聲場里的感覺，我們對聲音的空間感有著獨特的審美標準。
由此我們知道了反射聲的重要性。那么，一座理想音樂廳的聲學要素又包括哪些方面呢?下面我們將簡單介紹一個高質(zhì)量音樂廳的反射聲場所需要具備的聲學要素。
1、合適的混響時間
混響時間是在音樂廳的聲學設計中非常重要的聲學參數(shù)，于二十世紀初被發(fā)現(xiàn)，是最早被研究的聲學參數(shù)。它指音源停止發(fā)聲后，從聽見直達聲開始直到余音消逝所經(jīng)歷的時間。由于沒有反射，曠野里的混響時間接近0秒，聲音干癟虛弱但清晰;而大教堂由于高挑的大堂空間和復雜的細節(jié)結(jié)構(gòu)，混響時間就可能有幾秒，聲音雄渾立體包絡了整個空間但缺乏力量朦朧柔軟。太短的混響時間將造成聲音干澀平面，太長的混響時間會讓聲音重疊在一起變得模糊不堪。合適的混響時間(1.5-2.5秒)可以在聲音的清晰度與包圍感中獲得一個較好的平衡，世界上最著名的音樂廳，諸如維也納金色大廳和柏林愛樂廳的混響時間都在2秒左右。
另外有一點需要指出的是，不同的音樂作品的最佳混響時間并不一致，這是由于作品風格和年代、樂隊規(guī)模以及演奏場景所決定的。古典時期的作品，諸如巴赫、莫扎特、海頓等更適合在短混響時間的音樂廳演奏，因為它們最初就是在相對小的房間內(nèi)演出的。而稍長的混響時間會更適合浪漫主義時期的作品(舒伯特、孟德爾頌、勃拉姆斯等)。早期音樂、彌撒、安魂曲等教堂音樂則需要更加長的混響時間來彰顯教堂的神圣感。
2、充分的早期反射聲，尤其是早期側(cè)向反射聲
自從混響時間的規(guī)律被發(fā)現(xiàn)以來，音樂廳的聲學設計得到了相當大的發(fā)展。但僅僅依靠這一參數(shù)來評價音質(zhì)并不充分。具有相似混響時間的音樂廳可能聽起來效果很不一樣。
二十世紀五十年代以來的聲學研究才逐漸揭示了早期反射聲對于音質(zhì)的重要意義。和視覺暫留效應一樣，人耳也有類似的效應，即哈斯效應：人耳會認為間隔0.05秒以內(nèi)的兩個聲音是連續(xù)的。因此，充分的早期反射聲具有加強并豐富直達聲的效果。所以在混響時間相同的情況下，早期反射聲越強，聲音也就越清晰豐滿。在這樣的指導原則下，在音樂廳內(nèi)部安裝反射板、擴散體等設計的確可以在大多數(shù)情況下加強早期反射聲從而獲得良好的音質(zhì)。但于1962年落成的紐約菲哈莫尼音樂廳卻遭遇了前所未有的失敗，盡管設計上充分考慮了早期反射聲，但聽覺上的效果卻遠遠不如那些早期僅憑經(jīng)驗設計的音樂廳。
聲學領域為此展開了大量研究，終于在六十年代末，新西蘭聲學家Haroid Marshall(他也正是巴黎愛樂大廳的聲學顧問)發(fā)現(xiàn)了早期側(cè)向反射聲在音樂廳聲學中的重要地位。早期側(cè)向反射聲是指從側(cè)方反射入耳的早期反射聲。實驗表明，相較于從頭頂?shù)确较騻鱽淼恼虻脑缙诜瓷渎暎硕鷮碜詡?cè)向的早期反射聲要敏感得多，聽者的空間感和環(huán)繞感主要就是由這部分聲音所貢獻的。所以，早期反射聲，尤其是早期側(cè)向反射聲的質(zhì)量將對音樂廳的聲學造成重大的影響。
3、均勻平衡的聲場
一個好的音樂廳需要把反射聲均勻散布，以使得在各個位置的聽眾都能獲得高質(zhì)量的音樂體驗，而有意思的是，角落里的廉價位置可能比座池中央的高價座位更容易獲得好的聲學效果，因為角落里的早期反射聲非常豐富，而池座中央就未必了。所以，對音樂廳的幾何形狀的設計要避免聲音傳播出現(xiàn)明顯的不均勻現(xiàn)象。
主要避免以下幾種現(xiàn)象：
(1) 回聲(echoes)：當房間太大，直達聲和最先到達的反射聲之間的時間間隔大于0.1秒時，人耳就可以清晰地分辨出直達聲和反射聲，這就是回聲效果。大家最熟悉的例子就是山谷的回聲。音樂廳的設計往往需要考慮，比如天花板不宜太高等等。
(2)聲聚焦(focusing)：就好像光線在一個凹面鏡上反射會匯聚一樣，凹形的墻壁會對聲音有匯聚作用，引起局部的聲音增強，而其他地方聲音被削弱的結(jié)果。因此，圓形廳堂的設計或者穹頂?shù)脑O計在聲學上都是極差的。一個反面例子就是美國俄克拉荷馬州的大教堂，其高挑的穹頂式的設計被稱為聲學的噩夢。當主教講話時，強烈的回聲效果伴隨著匯聚效果使得從穹頂產(chǎn)生的回聲比真正的說話聲更強更清晰。而與凹形結(jié)構(gòu)相反的是，凸形的墻壁對聲音有擴散作用，可以使聲場變得均勻，因此也是音樂廳中常見的建筑結(jié)構(gòu)。
(3)顫動回聲(flutter echoes)：往往出現(xiàn)在平行的光滑墻面之間，聲音會在墻面之間來回反彈疊加，最后聽起來會好像樂器的顫音一樣，嚴重失真。
(4)駐波效應(standing wave)：當聲波的半波長和平行墻面之間的距離恰好是整數(shù)倍的關系時，會引起駐波效應，使得聲音的強度在空間上產(chǎn)生強弱的起伏，并且改變聲音的頻譜特性(即聲染色，coloration)。為了消除顫動回聲和駐波，除了減少平行面，對墻面進行漫反射處理或者使用吸收材料也非常重要。
以上我們用比較淺顯易懂的方式介紹了音樂廳設計中三個最重要的聲學要素。實際上，音樂廳的聲學設計還需要考慮許多更加具體的專門化指標，比如不僅僅需要考慮總的混響時間，還需要考慮不同音高的聲音的混響時間，即混響時間的頻譜(低音的混響時間應比高音長，從而克服低音更容易損耗的聲音傳播規(guī)律)。
聲學是一門嚴格的科學，聲學專家在設計和評估音樂廳的聲學特性時，需要用到非常多的聲學領域的專門知識、需要精確的計算以及計算機模擬，才能給出最后的最優(yōu)設計。
相關問答：
問：音樂廳設計中如何選擇吸聲和反射材料
答：根據(jù)音樂廳的設計用途,設計要求的混響時間等選擇優(yōu)質(zhì)合理的聲學材料.Spray k-18是一種噴涂類型的吸音材料,具有吸音/防火/保溫等性能。
問：音樂廳聲學裝修的注意事項有哪些
答：音樂廳的聲學裝修除了改變體形和界面形式以外，細部處理和廳、室內(nèi)的陳設對音質(zhì)效果也起著相當重要的作用，因而不可忽視。 細部處理包括劇院觀演廳的臺口、樓座和包廂的欄板、樓座下的天花和后墻聲學處理等;音樂廳則有演奏臺的裝修設計，其中包括樂隊階梯、管風琴和懸吊反射體的相關裝修處理等內(nèi)容。1、合適的響度。 對于以語聲為主的廳堂，響度一般不低于60~65phon;對于有比較大的動態(tài)范圍的廳堂，如音樂廳，響度一般不低于40~80 ??phon。為了保證正常和聽音，干擾噪聲的聲壓級應低于聽要聽的聲音10dB以上。 2、聲能分布均勻。 整個廳堂內(nèi)各點聲能分布均勻，即聲場分布均勻，可保證各區(qū)域內(nèi)聽眾聽到的響度基本一致。
