音乐厅的声学设计

音乐厅的声学设计是一项复杂的系统工程，其背后的科学和规律直到20世纪后期才被完整地理解和利用起来。

在声学设计这个学科中，主观的对声音的审美被分解成了一些声学设计要素和准则。在几百年的经验史和现代科技的帮助下，一个好的音乐厅所需要的声学条件已经被完整地归纳出来，此处声学环境整体解决方案服务商天戈声学来跟大家分享一下。

音乐厅设计的声学要素

当我们在一个大厅里听歌手唱歌，进入你耳朵的歌声主要由两部分构成，直接从音源（歌手）抵达你的耳朵的声音，称为直达声；经由大厅的墙壁单次或多次反射进入你的耳朵的声音，称为反射声。由于直线路径最短，直达声将最先到达你的耳朵 ，随后是反射声。在反射声中，我们进一步将听见直达声后大约0.1秒以内到达的反射声称为早期反射声；这个时间节点之后抵达的反射声一律归为混响声或后期反射声。

介绍以上关于反射声的概念是因为人对于声音的审美，除了对声音本身的审美，都源自于对反射声的审美习惯。为了说明这一点，我们不妨思考一个问题：当我们在听音乐时我们在听什么？直觉上我们可能会认为我们只是想听歌手或者乐器发出的 声音，即直达声。但真的是这样吗？想象一下一个没有反射声的环境旷野，旷野里的歌声因为不存在反射声音的墙壁，所有到你的耳朵里的声音都是直达声。但哪怕是再好的歌手，你都会觉得他的声音干涩、飘忽、虚弱、压抑。

而相反，诸位在自家浴室忘情地歌唱的时候是不是都觉得自己的声音非常美妙呢？这个例子告诉我们，当我们听音乐的时候，我们不但在听音源发出的声音（直达声），也在依靠反射声感受着整个空间。如果没有反射声的存在，我们会觉得歌声很别扭。用稍微严肃 点的声学语言来说，在听音乐时，除了音源本身的质量，决定声音品质的最重要因素就是反射声场的特性。我们喜欢有包围感的声音，我们喜欢把自己沉浸在声场里的感觉，我们对声音的空间感有着独特的审美标准。

由此我们知道了反射声的重要性。那么，一座理想音乐厅的声学要素又包括哪些方面呢？下面我们将简单介绍一个高质量音乐厅的反射声场所需要具备的声学要素。

1、合适的混响时间

混响时间是在音乐厅的声学设计中非常重要的声学参数，于二十世纪初被发现，是最早被研究的声学参数。它指音源停止发声后，从听见直达声开始直到余音消逝所经历的时间。由于没有反射，旷野里的混响时间接近0秒，声音干瘪虚弱但清晰； 而大教堂由于高挑的大堂空间和复杂的细节结构，混响时间就可能有几秒，声音雄浑立体包络了整个空间但缺乏力量朦胧柔软。太短的混响时间将造成声音干涩平面，太长的混响时间会让声音重叠在一起变得模糊不堪。合适的混响时间（1.5-2.5秒）可以在声音的清晰度 与包围感中获得一个较好的平衡，世界上最著名的音乐厅，诸如维也纳金色大厅和柏林爱乐厅的混响时间都在2秒左右。

另外有一点需要指出的是，不同的音乐作品的最佳混响时间并不一致，这是由于作品风格和年代、乐队规模以及演奏场景所决定的。古典时期的作品，诸如巴赫、莫扎特、海顿等更适合在短混响时间的音乐厅演奏，因为它们最初就是在相对小的房 间内演出的。而稍长的混响时间会更适合浪漫主义时期的作品（舒伯特、孟德尔颂、勃拉姆斯等）。早期音乐、弥撒、安魂曲等教堂音乐则需要更加长的混响时间来彰显教堂的神圣感。

2、充分的早期反射声，尤其是早期侧向反射声

自从混响时间的规律被发现以来，音乐厅的声学设计得到了相当大的发展。但仅仅依靠这一参数来评价音质并不充分。具有相似混响时间的音乐厅可能听起来效果很不一样。

二十世纪五十年代以来的声学研究才逐渐揭示了早期反射声对于音质的重要意义。和视觉暂留效应一样，人耳也有类似的效应，即哈斯效应：人耳会认为间隔0.05秒以内的两个声音是连续的。因此，充分的早期反射声具有加强并丰富直达声的效果 。所以在混响时间相同的情况下，早期反射声越强，声音也就越清晰丰满。在这样的指导原则下，在音乐厅内部安装反射板、扩散体等设计的确可以在大多数情况下加强早期反射声从而获得良好的音质。但于1962年落成的纽约菲哈莫尼音乐厅却遭遇了前所未有的失败， 尽管设计上充分考虑了早期反射声，但听觉上的效果却远远不如那些早期仅凭经验设计的音乐厅。

声学领域为此展开了大量研究，终于在六十年代末，新西兰声学家Haroid Marshall（他也正是巴黎爱乐大厅的声学顾问）发现了早期侧向反射声在音乐厅声学中的重要地位。早期侧向反射声是指从侧方反射入耳的早期反射声。实验表明，相较于 从头顶等方向传来的正向的早期反射声，人耳对来自侧向的早期反射声要敏感得多，听者的空间感和环绕感主要就是由这部分声音所贡献的。所以，早期反射声，尤其是早期侧向反射声的质量将对音乐厅的声学造成重大的影响。

3、均匀平衡的声场

一个好的音乐厅需要把反射声均匀散布，以使得在各个位置的听众都能获得高质量的音乐体验，而有意思的是，角落里的廉价位置可能比座池中央的高价座位更容易获得好的声学效果，因为角落里的早期反射声非常丰富，而池座中央就未必了。所以，对音 乐厅的几何形状的设计要避免声音传播出现明显的不均匀现象。

主要避免以下几种现象：

（1）回声（echoes）：当房间太大，直达声和最先到达的反射声之间的时间间隔大于0.1秒时，人耳就可以清晰地分辨出直达声和反射声，这就是回声效果。大家最熟悉的例子就是山谷的回声。音乐厅的设计往往需要考虑，比如天花板不宜太高等 等。

（2）声聚焦（focusing）：就好像光线在一个凹面镜上反射会汇聚一样，凹形的墙壁会对声音有汇聚作用，引起局部的声音增强，而其他地方声音被削弱的结果。因此，圆形厅堂的设计或者穹顶的设计在声学上都是极差的。一个反面例子就是美 国俄克拉荷马州的大教堂，其高挑的穹顶式的设计被称为声学的噩梦。当主教讲话时，强烈的回声效果伴随着汇聚效果使得从穹顶产生的回声比真正的说话声更强更清晰。而与凹形结构相反的是，凸形的墙壁对声音有扩散作用，可以使声场变得均匀，因此也是音乐厅中 常见的建筑结构。

（3）颤动回声（flutter echoes）：往往出现在平行的光滑墙面之间，声音会在墙面之间来回反弹叠加，最后听起来会好像乐器的颤音一样，严重失真。

（4）驻波效应（standing wave）：当声波的半波长和平行墙面之间的距离恰好是整数倍的关系时，会引起驻波效应，使得声音的强度在空间上产生强弱的起伏，并且改变声音的频谱特性（即声染色，coloration）。为了消除颤动回声和驻波，除 了减少平行面，对墙面进行漫反射处理或者使用吸收材料也非常重要。

以上我们用比较浅显易懂的方式介绍了音乐厅设计中三个最重要的声学要素。实际上，音乐厅的声学设计还需要考虑许多更加具体的专门化指标，比如不仅仅需要考虑总的混响时间，还需要考虑不同音高的声音的混响时间，即混响时间的频谱（低音的混响时间应比 高音长，从而克服低音更容易损耗的声音传播规律）。

声学是一门严格的科学，声学专家在设计和评估音乐厅的声学特性时，需要用到非常多的声学领域的专门知识、需要精确的计算以及计算机模拟，才能给出最后的最优设计。

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