1. 反射與前次反射

聲波在傳播過(guò)程中，若遇到比它波長(zhǎng)大的物體表面，便會(huì)產(chǎn)生反射。當(dāng)反射面比聲波的波長(zhǎng)大很多時(shí)，反射規(guī)律與幾何光學(xué)相似，即聲線的反射角等于入射角。這時(shí)，我們可以用幾何聲學(xué)來(lái)研究反射的情況。

圖2是室內(nèi)不同形狀表面對(duì)聲反射的三種情況，劇場(chǎng)結(jié)構(gòu)再?gòu)?fù)雜，都不外乎歸結(jié)為這三種反射情況。

圖中，A、B、C分別為平面、凸曲面和凹曲面，S是聲源。聲音從S輻射后，若到達(dá)A面，則會(huì)形成平面反射，并產(chǎn)生一定程度的擴(kuò)散 ；若到達(dá)B面，由于凸曲面而形成明顯的散射。當(dāng)聲音到達(dá)C面時(shí)，C面是凹曲面，會(huì)產(chǎn)生聲焦聚。如形狀剛好合適，則會(huì)形成虛聲源S’，這樣一來(lái)，會(huì)在S’附近的區(qū)域集中大量聲能，致使離它稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的空間因?yàn)榉瓷渎暡蛔愣�形成聲低音區(qū)，造成大廳聲能密度不均勻。我們應(yīng)盡量避免這種局面出現(xiàn)。而A面與B面反射形成的擴(kuò)散使室內(nèi)聲場(chǎng)分布趨于均勻，應(yīng)是我們所希望的。但聲焦聚并非一無(wú)所取，劇場(chǎng)觀眾廳后排往往聲壓不足，在后座區(qū)域造成一定程度的聲焦聚可以均衡整個(gè)觀眾廳的聲場(chǎng)。

圖3是某音樂(lè)廳的剖面結(jié)構(gòu)圖，聲音從臺(tái)上輻射的情況一目了然，可以看出不同形狀的反射板有著各不相同的服務(wù)區(qū)。

我們把聽(tīng)到直達(dá)聲后50ms以內(nèi)到達(dá)的反射聲稱為前次反射或早期反射。由于哈斯效應(yīng)，前次反射聲人耳不但分辨不出來(lái)，而且還會(huì)將它當(dāng)作直達(dá)聲的一部分，在主觀效果上增加了聲音的響度但又不會(huì)影響清晰度。這也是為什么在室內(nèi)講話時(shí)要比在室外講話聽(tīng)起來(lái)聲音響一些的緣故。

劇場(chǎng)與音樂(lè)廳的前次反射強(qiáng)弱程度是一個(gè)很重要的聲學(xué)條件，18世紀(jì)在歐洲建造的一些古典音樂(lè)廳，以音質(zhì)效果極佳而著稱于世，曾使很多聲學(xué)家和建筑學(xué)家感到迷惑。但后來(lái)的研究和工程實(shí)踐表明，一些優(yōu)秀的古典音樂(lè)廳，除了良好的聲擴(kuò)散與適度混響之外，很重要的原因是這些劇場(chǎng)或音樂(lè)廳的觀眾席有足夠的前次反射，尤其是來(lái)自側(cè)向和頂棚的前次反射聲增加了室內(nèi)聲能密度，提高了音樂(lè)的空間感和豐滿度。

２. 混響與最佳混響時(shí)間

混響是建筑聲學(xué)中最重要的參數(shù)之一，適度的混響，可以明顯的改善聲音質(zhì)量，改變音樂(lè)的音色和風(fēng)格。

我們已經(jīng)知道，室內(nèi)的聲波遇到四周墻面以及地面和頂棚會(huì)產(chǎn)生反射，而這種反射過(guò)程是往復(fù)多次的，從而延長(zhǎng)了到達(dá)聽(tīng)者的時(shí)間。如果這些反射聲在直達(dá)聲到達(dá)聽(tīng)者50ms后仍多次反射而繼續(xù)存在，直到一段時(shí)間后才衰減消失，聽(tīng)起來(lái)有一種余音不絕的感覺(jué)。這種過(guò)程與現(xiàn)象，我們稱為混響，即交混回響之意。

那么，如何確定混響從建立到消失的時(shí)間呢？也就是說(shuō)，如何確定混響時(shí)間呢？上個(gè)世紀(jì)初，聲學(xué)家賽賓（W.C.Sabie）通過(guò)研究后提出：當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，殘余的聲能在室內(nèi)往復(fù)反射，經(jīng)吸收衰減，其聲能密度下降為原來(lái)值的百萬(wàn)分之一所需要的時(shí)間，或者說(shuō)，室內(nèi)聲能密度衰減60dB所需要的時(shí)間稱為混響時(shí)間，其計(jì)算公式如下：

式中，T為混響時(shí)間，單位為秒；

V為房間容積，單位為立方米；

a是房間內(nèi)所有表面材料的平均吸聲系數(shù)；

S是室內(nèi)總表面積，單位是平方米；

4m為空氣的聲能衰減系數(shù)，它與聲音頻率，相對(duì)濕度都有關(guān)系。

表４列出常溫下(200C)空氣的衰減系數(shù)。

材料的吸聲系數(shù)a我們將在后面部分介紹。

混響時(shí)間的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值會(huì)有一定的差值。一般來(lái)說(shuō)，低頻混響時(shí)間的實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，高頻混響時(shí)間的實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值。在實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作一些修正。

混響時(shí)間對(duì)聲學(xué)品質(zhì)的影響是眾所周知的，過(guò)長(zhǎng)過(guò)短都會(huì)使觀眾感到疲勞。只有適當(dāng)?shù)幕祉憰r(shí)間，才會(huì)使觀眾處于一種賞心悅目的藝術(shù)享受之中，此時(shí)聲音豐滿動(dòng)聽(tīng)，音符生動(dòng)活躍、語(yǔ)言親切溫柔，使觀眾有強(qiáng)烈的空間感和豐富的色彩感。

那么，多長(zhǎng)的混響時(shí)間才是最佳的呢？

事實(shí)上，很難確認(rèn)一個(gè)統(tǒng)一的最佳混響時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有一個(gè)確定的數(shù)據(jù)，很大程度上是個(gè)范圍值。不同類型，不同風(fēng)格，不同專業(yè)用途的劇場(chǎng)都有不同要求。而且，它還受民族文化背景的影響。因此，各國(guó)發(fā)表的數(shù)據(jù)都不盡相同。表5給出各類不同演出時(shí)的混響時(shí)間要求，均以500Hz中頻的混響時(shí)間為代表。

圖4是最佳混響時(shí)間與頻率特性曲線。

這條曲線是由于對(duì)廳堂音質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)而作出的，評(píng)價(jià)表明，低頻段混響時(shí)間稍長(zhǎng)有利于音樂(lè)的豐滿度和語(yǔ)言的溫暖感，適宜于各類音樂(lè)演出，而高頻段混響時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)，則容易表現(xiàn)泛音，增加音樂(lè)“水分”與鮮活感。所以這條曲線是一條兩頭翹起的馬鞍型曲線。

不同頻率的不同混響決定了劇場(chǎng)的音色特性。在硬質(zhì)裝飾材料的環(huán)境中，高頻混響時(shí)間長(zhǎng)，音色冷艷，音色效果能模仿出山洞，水泥大廳，大理石宮殿等。而軟質(zhì)裝飾材料的低頻混響突出，音色偏暖，有著古典音樂(lè)廳與歌劇院的特色。

3. 聲能比和等效混響

混響在主觀感覺(jué)上還與一個(gè)物理量有關(guān)：等效混響。

在一個(gè)理想的室內(nèi)環(huán)境中，某一點(diǎn)的聲能密度應(yīng)為直達(dá)聲能密度與混響聲能密度之和，用數(shù)學(xué)式表示即為：

E總＝E直＋E混

我們將混響聲能密度E混與直達(dá)聲能密度E直之比，稱為該點(diǎn)的聲能比：

RE＝E混

E直

RE值表示在房間某一點(diǎn)混響聲所占的比例。顯然，RE值卻很小，這一結(jié)果引起的主觀效應(yīng)，是縮短了混響時(shí)間。這種因主觀效應(yīng)引起縮短了的混響時(shí)間，稱為等效混響時(shí)間。它發(fā)生在聲能比很小的區(qū)域，離聲源越近，器件的指向性越強(qiáng)，這種效應(yīng)就越明顯。反之，在聲場(chǎng)范圍內(nèi)離聲源越遠(yuǎn)，混響效果越明顯，就越接近于實(shí)際測(cè)定值。因此，我們?cè)谟^眾廳后排遠(yuǎn)聽(tīng)具有很好混響效果的劇場(chǎng)，一旦貼近聲源，便感到混響不夠甚至消失了。

這種情況，可以用掩蔽效應(yīng)解釋。

等效混響時(shí)間的存在，要求我們?cè)谖枧_(tái)擴(kuò)音與錄音時(shí)要充分考慮其影響，因此，我們建議，對(duì)大型樂(lè)隊(duì)、歌劇的舞臺(tái)擴(kuò)音或錄音應(yīng)采用整體式遠(yuǎn)場(chǎng)拾音，不宜采用多點(diǎn)式近場(chǎng)拾音，傳聲器的指向性不可太銳，以充分拾取到劇場(chǎng)空間自然混響聲，使音樂(lè)更趨于豐滿、自然。

4. 回聲

回聲與混響是有區(qū)別的。

混響在英文中是Reverberation，是指聲音經(jīng)過(guò)多次往復(fù)漫反射，包含多個(gè)不同角度、不同時(shí)間到達(dá)的混合反射聲逐漸衰減形成，聽(tīng)者分辨不出其中的任何音節(jié)。

而回聲是一種單一固定的反射聲，它的強(qiáng)度和時(shí)差都大到足以和直達(dá)聲區(qū)別開，并能分辨出音節(jié)。回聲的英文名稱是Echo。

一定的混響對(duì)音質(zhì)有利，而回聲則只能破壞音質(zhì)，應(yīng)絕對(duì)避免。

消除回聲的方法是進(jìn)行聲擴(kuò)散處理。

5. 聲音的擴(kuò)散

近年來(lái)，廳堂室內(nèi)音質(zhì)方面的研究工作表明，混響時(shí)間并不是音質(zhì)評(píng)價(jià)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。大小相近，混響時(shí)間也接近的房間，音質(zhì)很可能不同。因此，開展了表述房間音質(zhì)的第二評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究，提出了許多表述房間聲擴(kuò)散量的建議。但因分析復(fù)雜、計(jì)算繁瑣，本文不便闡述，在這里只討論擴(kuò)散的一般原理及其對(duì)劇場(chǎng)音質(zhì)的影響。

所謂擴(kuò)散，是聲音朝著許多方向不規(guī)則反射、折射和衍射的現(xiàn)象。擴(kuò)散使室內(nèi)聲場(chǎng)均勻。

我們可以舉個(gè)擴(kuò)散的形象比喻：迪斯科舞廳的多棱鏡面反射球就是一個(gè)光擴(kuò)散的良好例子。由于敷設(shè)在球面上的許多鏡片朝各個(gè)方向反射光線，而使光斑擴(kuò)散到四周。

同樣，房間的各種家具也有不同的反射面，對(duì)射入房間的光線起擴(kuò)散作用而使整個(gè)房間亮度分布均勻。

聲音亦如此，廳內(nèi)的座椅、不平整的墻面裝飾、圓柱、挑臺(tái)立面、欄桿等等物體表面使聲音朝各個(gè)方向擴(kuò)散，使聲場(chǎng)均勻。

理想的擴(kuò)散應(yīng)滿足下面三個(gè)條件：

(1) 空間各點(diǎn)聲能密度均勻；

(2) 在任何一點(diǎn)上，從各個(gè)方向傳來(lái)的聲強(qiáng)相同；

(3) 在各個(gè)方向傳播的聲波相位是無(wú)規(guī)律的，因而各個(gè)方向的聲能可以直接相加。

要獲得這樣一個(gè)理想的擴(kuò)散聲場(chǎng)是不可能的，也沒(méi)有必要。因?yàn)檫@樣一個(gè)均勻的聲場(chǎng)中，聽(tīng)者無(wú)從辨別聲源來(lái)自何方，失去了聲源的方位感。但如果使室內(nèi)保持一定程度的聲擴(kuò)散，將是我們希望的。因?yàn)樗�可以改善室�?nèi)聲場(chǎng)分布，縮短前后排的聲級(jí)差，調(diào)整清晰度與豐滿度的平衡，消除回聲，抑制聲反饋。總之，擴(kuò)散對(duì)改善廳堂音質(zhì)十分有利。

為使劇場(chǎng)獲得一定的聲音擴(kuò)散效果，可在劇場(chǎng)的頂棚、側(cè)墻與后墻的表面設(shè)立不同幾何形狀的聲擴(kuò)散體，如圓柱形、三角形、半球形、多面體、棱錐形等。也有制成極具藝術(shù)裝飾效果的立體浮雕圖案形式。常見(jiàn)的聲擴(kuò)散體形狀如圖5所示，其中由于三角形和半圓柱體構(gòu)造簡(jiǎn)單，擴(kuò)散效果良好而被廣泛地應(yīng)用在聲學(xué)工程實(shí)踐中。這兩種擴(kuò)散體的擴(kuò)散效果與它的尺寸和配置有關(guān)。圖6是聲波從450角投射至擴(kuò)散體中心時(shí)所測(cè)到的聲音擴(kuò)散效果，可以看出圓柱體略優(yōu)于三角形體，而中、高頻優(yōu)于低頻。

設(shè)計(jì)與配置聲擴(kuò)散體時(shí)，應(yīng)注意的是 ：

(1) 擴(kuò)散體不能同時(shí)是吸聲體。

(2) 擴(kuò)散體的材質(zhì)應(yīng)盡量采用比重大而具有一定剛度的材料，如混凝土、抹灰磚石體、大理石、花崗石等。

(3) 如用木材則宜采用實(shí)心硬木。如柚木、橡木、花梨木或硬木表面加貼多層組合板。而切忌用三合板、五合板等薄板制成空心體，這樣會(huì)形成對(duì)低頻的強(qiáng)吸收。

(4) 盡可能避免用石膏澆鑄擴(kuò)散體，雖然制作成本很低，但它會(huì)產(chǎn)生金屬聲染色，對(duì)音色不利。

(5) 擴(kuò)散體各個(gè)擴(kuò)散面的幾何尺寸必須足以與聲波波長(zhǎng)相比，才有良好的擴(kuò)散效果。

以上原則同樣適用于其他聽(tīng)音室。

根據(jù)反射原理，一旦擴(kuò)散體尺寸一定，室內(nèi)聲波的擴(kuò)散程度隨頻率上升而遞增。因此，在進(jìn)行聲擴(kuò)散設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意采用大尺寸的擴(kuò)散體，以增加對(duì)低音的擴(kuò)散能力。

圖7是奧地利某音樂(lè)廳的內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)，可以看到二樓后座的半圓柱形擴(kuò)散體群。

表4 空氣的聲能衰減系數(shù)4m值

頻率 室內(nèi)相對(duì)濕度（％）

（Hz） 30 40 50 60

1000 0.004 0.004 0.0035 0.003

2000 0.012 0.010 0.010 0.009

4000 0.013 0.029 0.024 0.022

6300 0.084 0.092 0.050 0.043

8000 0.120 0.096 0.088 0.086

表5 各類演出的最佳混響時(shí)間

藝術(shù)類別 最佳混響時(shí)間

古典音樂(lè)、大型交響音樂(lè)、

室內(nèi)管弦樂(lè)、歌劇 1.8～3秒

輕音樂(lè)、民樂(lè)、鋼琴、弦樂(lè)四重奏、

協(xié)奏曲、戲�。ň﹦　⒌胤綉騽。� 1.0～1.8秒

現(xiàn)代流行音樂(lè)、個(gè)人演唱會(huì)、輕音樂(lè) 0.8～1.0秒

話劇、曲藝、小品、演講 0.6～1.2秒

表6 常用建材及室內(nèi)用具的吸聲系數(shù)

125 250 500 1000 2000 4000

磚墻、抹光、涂漆 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03

厚地毯，鋪在水泥地上 0.20 0.06 0.14 0.37 0.60 0.65

混凝土墻、粗糙 0.36 0.44 0.31 0.29 0.39 0.25

混凝土墻，涂漆 0.10 0.05 0.06 0.07 0.09 0.08

絲絨0.30kg/m2，直接掛在墻上 0.03 0.04 0.11 0.17 0.24 0.35

絲絨0.43kg/m2，折疊面積一半 0.07 0.31 0.49 0.75 0.70 0.60

絲絨0.56kg/m2，折疊面積一半 0.14 0.35 0.49 0.75 0.70 0.60

木地板 0.15 0.11 0.10 0.07 0.06 0.07

水泥地板 0.01 0.01 0.015 0.02 0.02 0.02

普通玻璃（厚3mm～4mm） 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07 0.04

石膏板, 龍骨50×100mm, 中心距40cm 0.29 0.10 0.05 0.04 0.07 0.09

開口的舞臺(tái)（與設(shè)備有關(guān)） 0.25 0.30 0.40 0.50 0.65 0.75

很深的包廂 0.50 0.55 0.65 0.70 0.80 1.00

通風(fēng)口 0.15 0.22 0.30 0.40 0.45 0.50

大理石或拋光板 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02

膠合板（9mm厚） 0.28 0.22 0.17 0.09 0.10 0.11

玻璃纖維（厚5cm) 0.15 0.38 0.81 0.83 0.79 0.74

超細(xì)玻璃纖維（厚5cm) 0.25 0.41 0.82 0.83 0.89 -

礦渣棉（厚6.0cm） 0.25 0.55 0.79 0.75 0.88 -

石棉（厚2.5cm) 0.06 0.35 0.50 0.46 0.52 0.65

甘蔗板（厚1.3cm) 0.12 0.19 0.28 0.54 0.49 0.70

木絲板（厚3cm) 0.05 0.07 0.15 0.56 0.90 -

麻纖維板（厚2cm) 0.09 0.11 0.16 0.22 0.28 -

玻璃棉板（厚5cm) 0.06 0.17 0.48 0.81 0.95 0.90

石棉板（厚0.8cm) 0.02 0.03 0.05 0.06 0.11 0.28

青軟木板（厚3.5cm) 0.05 0.06 0.29 0.35 0.34 0.50

工業(yè)毛氈（厚2.0cm) 0.07 0.26 0.42 0.40 0.55 0.56

瀝青玻璃棉氈（厚3.0cm) 0.11 0.13 0.26 0.46 0.75 0.88

超細(xì)玻璃棉氈（厚4.0cm) 0.08 0.24 0.89 0.69 0.77 -

瀝青礦棉氈（厚3.0cm) 0.08 0.18 0.50 0.68 0.81 0.89

泡沫玻璃（厚4.0cm) 0.11 0.27 0.35 0.31 0.43 -

樹脂棉板（厚5.0cm) 0.06 0.17 0.48 0.81 - -

硬聚氯乙烯泡沫塑料板(厚2.5cm) 0.04 0.04 0.17 0.56 0.28 0.58

酚醛泡沫塑料（厚2.0cm) 0.08 0.15 0.30 0.52 0.56 0.60

聚胺甲酸脂泡沫塑料（厚2.0cm) 0.11 0.13 0.27 0.69 0.98 0.79

微孔聚脂泡沫塑料（厚4.0cm) 0.10 0.14 0.26 0.50 0.82 0.77

粗孔聚脂泡沫塑料（厚4.0cm) 0.06 0.10 0.20 0.59 0.68 0.85

聚氯乙烯塑料（厚0.41cm) 0.03 0.02 0.06 0.29 0.13 0.13

尿荃米波羅（厚3.0cm) 0.10 0.17 0.45 0.67 0.65 0.85

微孔吸聲磚（厚9.5cm) 0.41 0.75 0.66 0.76 0.81 -

泡沫石膏（厚2.5cm) 0.06 0.18 0.50 0.70 0.55 0.50

表7 聽(tīng)眾與座椅的吸聲系數(shù)

125 250 500 1000 2000 4000 6000

木椅上聽(tīng)眾，2人/m2 0.24 0.40 0.78 0.98 0.96 0.87 0.80

木椅上聽(tīng)眾，1人/m2 0.16 0.24 0.56 0.69 0.81 0.78 0.75

軟椅上聽(tīng)眾，0.9×0.55m2 0.55 0.86 0.83 0.87 0.90 0.87 0.80

空的軟椅，0.9×0.55m2 0.44 0.56 0.67 0.74 0.83 0.87 0.80

6. 房間的共振與駐波

任何房間都有自己固有的共振頻率。聲源中的某些頻率與房間處于共振狀態(tài)時(shí)，該頻率點(diǎn)及附近的聲壓將大大加強(qiáng)，而其他頻率的聲音則因能量不夠而聲壓減小，造成房間在頻率特性上劣化。而當(dāng)房間的三維尺寸為整數(shù)比且至少有兩個(gè)反射墻面互相平行時(shí)，其中一些合適的頻率由于來(lái)回反射產(chǎn)生同類波形的干涉效應(yīng)而生成駐波，使聲

場(chǎng)中某些區(qū)域落在駐波的節(jié)點(diǎn)(1/4λ和3/4λ處)，聲壓為零 ；而另一些區(qū)域落在駐波的波腹處（1/2λ處），

聲壓最大，造成室內(nèi)聲場(chǎng)的能量分配嚴(yán)重失衡。這兩種情況對(duì)室內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)的影響都是比較嚴(yán)重的，應(yīng)盡力避免。

根據(jù)共振原理，改變廳堂的三維尺寸可以改變廳堂的固有振動(dòng)頻率。然而我們常遇到的情況是大廳尺寸已經(jīng)固定，而共振點(diǎn)又剛好落在音樂(lè)頻帶之內(nèi)。這時(shí)，只有最大限度吸收共振點(diǎn)附近的聲能，同時(shí)在電聲系統(tǒng)中利用均衡器衰減共振峰，才能在一定程度上消除其影響。

所幸的是，現(xiàn)代劇場(chǎng)和音樂(lè)廳都很難產(chǎn)生駐波或簡(jiǎn)振，原因是當(dāng)今的設(shè)計(jì)師們鑒于前人的經(jīng)驗(yàn)已考慮到了此類問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)一反傳統(tǒng)的“鞋盒”型設(shè)計(jì)，采用了新型的建筑結(jié)構(gòu)和造型，其中一個(gè)措施是現(xiàn)代音樂(lè)廳和劇場(chǎng)不再有互相平行的反射面。當(dāng)今許多劇院，音樂(lè)廳都采用圓形、橢圓形、扇形甚至蛋殼形的建筑結(jié)構(gòu)。為防止聲聚焦，其頂棚和四周反射面均采用齒形梯級(jí)擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，而觀眾席也采用由前排到后排逐步升高的坡形階梯構(gòu)造。這些新型的建筑結(jié)構(gòu)造型最大限度地破壞了駐波產(chǎn)生的條件。圖8為廣西南寧民族藝術(shù)宮音樂(lè)廳的平面圖和縱剖面圖�？芍�此類結(jié)構(gòu)的劇院根本不用考慮駐波的問(wèn)題。