音乐厅声学原理及音质调整与维护

谷杰

音乐厅声学原理及音质调整与维护

内容提要：本文概述了音乐厅的建筑声学原理，列举了音乐厅音质调整的常用方法，并运用这一原理阐述了音乐厅使用中其音质维护方面应注意的问题。

关键词：音乐厅声学原理媒质混响时间清晰度音质调整维护

如果说：“建筑是凝固的音乐，音乐是流动的建筑”，那么音乐厅则是建筑与音乐有机结合体。然而，进一步联系到音乐厅应具备的声学条件来看，音乐厅就应是音乐、建筑与声学的有机结合。因为“一个音质良好的音乐厅，厅堂本身就是乐队不可分割的组成部分，具有美化演奏效果的功能”①。

精良的声学设计是音乐厅取得良好音质的先决条件。但是，仅仅拥有完美的声学设计并不一定能取得理想的音质，而往往需要在音乐厅建成后，通过音质调整，接近或实现设计的目标。国际上很多著名声学家设计的音乐厅，最终失败的原因，主要因为过于偏重前期实验和声学计算而缺少后期声学测试和音质调整所造成。那么在音乐厅建成后如何对对音乐厅的音质进行调整与维护呢？下面我们根据建筑声学原理，着重来谈谈音乐厅的一些相关问题。

一、音乐厅的声学原理

（一）传播声音的媒质

声音是通过媒质传入人的听觉器官的。媒质，既是声音的传播途径，也是声音的载体。用一个日常生活中司空见惯的例子来说，媒质，就像湖中传递波浪的湖水。在平静的湖面投入一块石子，石子击起水波，波纹越来越大，水波越传越远。这湖水,就是传播水波的媒质。声音也仿佛如此：当某一声源发音，空气中声波的震荡就会改变周围空气的静止状态，使之形成时而压缩，时而稀疏的前进波，声波就这样不断地散发开去，传播声音媒质就是空气。

除了空气外，传播声音的媒质种类繁多，按不同物质状态可分为气体媒质、固体媒质、液体媒质。同一物质状态的媒质有许多不同，如：固体物质就分木材、钢材、石材；同一中材质的媒质的密度也不尽相同。总之，日常生活中，在我们周围存在数不清的传声媒质。

不同媒质，传声性能有所不同，媒质的传声性能直接影响声音的传播效率，进而影响到人们对声音的感受。因此，从某种意义上说，区别不同的媒质，把握运用不同媒质的传声性能，是我们处理音乐厅音质问题的基础。

（二）音乐厅声音的传播

如果我们假想在充满空气的太空中聆听乐队演奏，声音离开乐器后，以波的形式朝所有的方向散布，听众感受到的音响效果跟与乐器的直线距离直接相关，即：离乐器较近的听众所听到的音量相对较大，离乐器较远的听众所听到的音量相对较小。在这样的环境下，声音

的传播途径，非常简单明了。我们仅仅通过调整乐队的音量和听众与乐器的距离，就能获得满意的音响效果。

然而，当我们在封闭式的音乐厅里欣赏音乐时，声音传播的状况就要复杂得多了。音乐厅的声场分布受到室内的几何形状制约，不同媒质（如空气、人体以及墙壁、地面、天花板、门窗的各种装饰材料等）具有的不同传声性能，这些因素共同构成了一个复杂的音响环境。当声波从第一种媒质进入第二种媒质时（如，由空气传至墙壁），在两种媒质的分界面上，必有一部分声波被反射，而其余部分声波则被第二种媒质吸收；声音发出的瞬间，任意两种不同媒质之间，都会发生声音的多次反射和吸收。音乐厅内表面一切装修材料和音乐厅中的物体和人体传声性能均有差异，它们对声音的反射量和吸收量均有不同。

（三）媒质的吸声量对声音的影响

在一定的时间内，媒质对声音的反射（反射声），有加强由空气直接传来的声音（直达声）的效果。即使反射声是折线传播，直达声是直线传播，二者的传播路线不同、路程不等，但是，人耳很难分辨出它们的时差，如此，瞬间反射声在听觉上起着增强音响的作用。

媒质对声音的吸收，起着衰减声音的作用。当媒质对声音不断反射的同时，也在不断地吸收声音，消耗声音，直至声音消耗殆尽。声学专家把媒质对声音的吸收作用看成是“吃音的嘴”。他们经过大量的实验，得出这样一个定律：“一件乐器的音响是和（媒质）单位（面积）吸收数成反比”②。

所谓音乐厅单位面积，指音乐厅的内表面以及音乐厅内一切物体（包括灯具、乐器、临时道具）和人体的单位面积。在日常生活中，我们常常有这样的体验：在房间里听音乐，当我们打开门窗室内的音响就会减弱；关闭门窗，室内的音响就会增强。其实，打开门、窗，实际上增加了声音的吸收量（一部分声音射出门窗消耗掉了），室内音响自然就减弱了。在关闭门、窗时，实际上减小了声音的吸收量，室内音响自然就增强了；因此，我们要调整室内音响的强度，只需调整媒质的吸声量，即可达到目的。

因此，可以说：“我们永远可借着减少室内的单位吸收数来增加音乐的音响”③；反之，我们也永远可借着增加音乐厅单位面积的吸收数来减弱音乐厅的音响。

（四）混响时间与清晰度

人耳接受的早期反射声在听觉上加强了音乐的音响，这一现象称为混响，也叫回声。声音在室内的衰减过程称为混响过程。声音在室内成长至稳态后，声源突然停止发声，声音将从稳态开始衰减，直至衰减到其声能为原有声能的百万分之一时，这段时间被称为混响时间。

混响现象是由反射声和直达声相互叠加所形成的，混响时间的长短对音乐厅音质有较大影响，这主要表现为：混响时间适当，有加强音量的效果，给乐声带来充实感；混响时间过短，声音显得干涩而单薄；混响时间过长，会使音乐缺乏节奏和层次感，含混不清。总之，混响时间的长短，直接影响到声音的充实感和清晰度。所以，要取得良好的音质必须选择好

最佳的混响时间。

最佳混响时间，是一个经验数据，是经过大量实验取得的。这样的实验就是让具有一定音乐修养的观众到音乐厅聆听音乐，大家来判断音乐厅取什么样的混响时间，音乐听起来效果最好。以大多数人的判断为准，如此，找到一个最佳混响时间。美国、英国专家为此做过一连串的实验，并找到了大小不同的房间的最佳混响时间。“我国专家对国内外三十余座音乐厅的中频混响时间进行了统计，平均中频混响时间为1.68秒”④（音质核算书）。北京音乐厅满场中频的混响时间按1.5-1.7秒考虑；星海音乐厅交响乐大厅竣工测试后，满场中频的混响时间1.82秒。

二、音乐厅的音质调整与维护问题

音乐厅竣工后，要对音乐厅的音响效果进行检测。在一般情况下，由于一些不可预见的因素，检测的结果与原设计可能会有一定的差距，此时，即使音乐厅的声学条件大势已定，其混响时间也还是有调整的可能。

（一）音质调整

对已建成的音乐厅，我们可以通过两种途径调整混响时间：

1、可以利用不同材料声吸收的差异，在不影响音乐厅整体结构的情况下，对局部的内表面，更换装修材料，达到调整混响时间的目的。不同的装修材料声吸收的系数有所差异，材质不同媒质对声音的吸收量就有所不同，如下（表一）所列两音声吸收系数比可见这一情形。而室内声音的吸收量与混响时间成反比。

表一⑥：

由此，我们可以根据一定需要将不同吸收系数的材料相互代换，如把转墙换成木墙，把木墙换成转墙，以缩短或延长混响时间。

此外，还可以设置可调式装置改变厅内吸声量，以取得不同规模的乐队（如交响乐队与民乐队）的最佳混响时间。这种方法包括多种形式，常用的有：帘幕可调结构，翻板可调结

构，百页可调结构，旋转、升降和空腔可调结构等6种（见下图⑤）。

2、通过改变音乐厅局部材料的结构，达到调整混响时间的目的。

如武汉音乐学院编钟音乐厅竣工前夕，实际音响计算结果各频段的混响时间都高于期望值，音乐厅在满场观众的情况下也难以达到混响的最佳状态。实际计算出的各频段的混响时间分别是：125HZ的混响时间2、62秒，250HZ的混响时间2、4秒，500HZ的混响时间2、5秒，1000HZ的混响时间2、76秒，2000HZ的混响时间2、25秒，4000HZ的混响时间

1、81秒。过长的混响时间会影响声音的清晰度。为了缩短混响时间，声学专家对音乐厅的

一、二、三层观众席的后墙上对原材料采用了双层共振吸声结构处理（也称复合穿孔吸声处理）。经过这样处理，音乐厅的混响时间在所有的频段上都有不同程度的降低，在满场的情况下它们分别为：125HZ的混响时间2、4秒，250HZ的混响时间2、21秒，500HZ的混响时间2、17秒，1000HZ的混响时间2、3秒，2000HZ混响时间1、98，4000HZ混响时间1、65秒。即使中频范围的混响还显稍长，但要再次调整，也是很便利⑦。

（二）音质维护问题

遵循建筑声学原理，科学地使用音乐厅，是保护音乐厅良好的音响效果的总体要求。在音乐厅投入使用时，许多方面涉及音质保护问题。

１、理想的混响时间对于竣工的音乐厅来说，这是一个定量。如果任意改变这一定量，就会改变音乐厅的音质。日常工作中，音乐厅出于某种需要，有人为增加吊挂物如大型灯具、大型道具甚至是大型广告牌的情形。这实际上增加了室内的总表面积，同时也改变或新增了媒质，影响到媒质的性质，致使音乐厅媒质整体上的吸声量发生变化，音乐厅原有音响及清晰度受到破坏。

此外，音乐厅任何音量上的偏差最可能是由造成声音阴影的障碍物产生的。音乐厅内的柱子、护栏、大型灯具等凸出物会形成声音通道上的障碍，尖锐的声音的短声波会被音乐厅内的凸出物阻碍，产生声音阴影。而坐在阻碍物后的听众就会听不到音乐中的高泛音部分。２、音乐厅长期使用以后，当音乐厅内部材料已经到了非换不可的程度的时候，一定要按原设计的混响时间的要求，换成吸声量、或材料结构、密度完全相同的材料，确保混响时间维持原有标准不变。

3、音乐厅的观众人数是一个不确定量，不以人的意志而转移。由于人体能够吸收消耗声音，那么，观众越多，吸声量越大，混响时间就越短；观众越少，吸声量越小，混响时间就越长。为了弥补满场与不满场情况下音质差异，音响专家把音乐厅中的座椅设计成一种翻转性能较好软质皮椅，使座椅背面的吸声量与人体的吸声量相等。这样以来，一旦空座时，椅背的吸声量就与人体的吸声量实现了等量代换，不致于改变混响时间。

既然，音乐厅的座椅有如此功能，在维修音乐厅的座椅时，我们自然就不能任意改变座椅的材料和座椅的形式。

4、音乐厅的材料装修材料的吸声量与材料的密度有关，密度大吸声量小，密度小吸声量大。

材料的密度大小直接影响到混响时间的长短，关系到音乐厅音响效果问题。由于一般的音乐厅密封性强，如果不能保证控制好音乐厅的湿度，长期使用音乐厅，材料就可能改变密度，改变混响时间，声音的吸收数，影响音质。因此，在音乐厅的使用中，要经常保持音乐厅通风、干燥。

综上所述，对于已建成的音乐厅来说，音乐厅的音质问题在音乐实践中具有重要意义，它在一定程度上影响音乐表演的质量和水平。对音乐厅的保护并非等同于对一般建筑的维修、保养，必须遵循声学原理，在声学测试的基础上对音质进行调整与维护，使之保持的良好的音响效果。作为音乐工作者在观念上应该把音乐厅本身看成是乐队不可分割的组成部分。

注释：

①项端祈编著《近代音乐厅建筑》科学出版社2000年3月第一版前言

②科学图书大库《音乐的科学原理》谢宁译徐氏基金会出版中华民国七十三年三月二十八日版第122页

③科学图书大库《音乐的科学原理》谢宁译徐氏基金会出版中华民国七十三年三月二十八日版第122页

④引自《武汉音乐学院编钟音乐厅音质核算书》

⑤项端祈编著《近代音乐厅建筑》科学出版社2000年3月第一版第60页

⑥科学图书大库《音乐的科学原理》谢宁译徐氏基金会出版中华民国七十三年三月二十八日版

⑦引自《武汉音乐学院编钟音乐厅音质核算书》

图一：题为“椭圆形结构音乐厅沿周线分割弧线的反射面，使侧向早期反射声覆盖全部观众席”插入到文章第一页“〈二〉音乐厅声音的传播”一节的第一自然段之后。

图二：题为“星海音乐厅交响乐大厅内景”

插入到标题“二、音乐厅的音质调整与维护问题”之前。

图三：题为“6种可调吸声量的构造示意”

插入到第四页顶端（标题2、）之前。

图四：题为“符合音乐厅吸声要求的座椅”

插入到第四页标题3、的第一自然段之后。