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厅堂建筑声学效果预测的先进工具——音质模型测定

发布日期:2011-05-06  浏览次数:1892

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文章摘要:重要表演用厅堂,如音乐厅、甲级剧场或与甲级剧场同级别的厅堂必须进行建筑声学设计。对这些厅堂,采用模型测定预测其音质,可以

重要表演用厅堂,如音乐厅、甲级剧场或与甲级剧场同级别的厅堂必须进行建筑声学设计。对这些厅堂,采用模型测定预测其音质,可以保证获得最佳的声学效果,防止建成后出现声学问题而带来损失。厅堂音质模型测定是世界上最前沿的厅堂建筑声学研究手段,资料研究显示,有能力进行厅堂音质模型测定的国家有:中国、日本、美国、俄罗斯、德国、法国、加拿大、澳大利亚、比利时、挪威、丹麦、意大利等。国内完成过高级演艺建筑实际工程厅堂音质模型测定的单位有清华大学和北京市建筑设计研究院。

厅堂音质模型测定是建筑声学设计的重要手段,有近100年的应用历史,在我国有40多年的研究历史。模型测定应用了相似性原理,将模型按1:10比例制作,房间所有尺度缩小10倍,测量时声波波长同样缩短10倍,即频率提高10倍,在10倍频率上选择模型内的装修材料的吸声系数与实际装修材料相同,因声速不变,模型内的混响时间、声场均匀度、清晰度、扩散度等等音质指标在三维尺度和时间尺度上均缩短10倍。测量模型的音质参数,将长度和时间还原10倍后可得到了实际厅堂的音质参数。模型测定是现阶段所知唯一能够较好模拟室内声音波动特性的实用方法,其特点是:可以准确模拟室内复杂形状绕射、散射、边缘反射等声学波动现象,可以进行可听化主观评价,可以直接发现一些建筑设计中出现的声学缺陷,可以准确预测混响时间、声场扩散度等音质参数。国内很多重大工程均应用了音质模型测试的方法进行了辅助声学设计,如上海大剧院、北京天桥剧场、福建大剧院、国家大剧院、东莞大剧院、大庆大剧院等,一些普通厅堂由于工程需要,也逐渐开始使用该方法进行音质设计,如中央音乐学院附中音乐厅、深圳少儿剧场等。

从60年代起,清华大学即开始模型测定的研究,完成了近十多个的模型测定项目,具有丰富的模型制作和测量经验,拥有国内最优良的模型测定仪器,能够高水平地承担模型测定任务。工作内容包括, 1:10比例模型制作、模拟吸声材料选择、音质参数测量、数据分析、方案声学效果评价、改进方案测量等。

20世纪60年代,厅堂音质模拟理论、测试技术逐渐发展完善,世界范围内进行了大量研究和实践后,模型测定预测厅堂音质已经基本达到了实用化。目前,声源、麦克风、模拟声学材料已经可以和实物对应,仪器的频带也扩展了,在模拟混响时间、声压级分布、短延时反射声的分布等常用指标上已经达到实用的精度。随着软件技术的发展,使用计算机进行声场的模拟研究成为现实。从数学的观点来看,声音的传播由波动方程,即由Helmholtz 方程所描述。理论上,从声源到接收点的声脉冲响应可以通过求解波动方程来获得。但是,当室内几何结构和界面声学属性非常复杂时,人们根本无法获得精确的方程形式和边界条件,也不能得到有价值的解析解。如果对方程进行完全简化处理,所得到的结果极不精确,不能实用,只利用波动方程通过计算机求解室内声场是不可行的。从实用角度讲,使用几何声学的声线追踪法和镜像虚声源法,通过计算机程序可以获得具有一定参考程度的房间声学参数。但由于简化了声音的波动特性,处理高频声和近次反射声效果较好,模拟声场全部信息尚有很大不足。近年来,使用基于有限元理论的方法模拟声音的高阶波动特性,在低频模拟上获得了一些进展。

 
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