側(cè)墻體型對(duì)廳堂混響時(shí)間有何影響？
2022-04-15 15:50:10
廳堂的音質(zhì)效果，在工程設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)一些室內(nèi)音質(zhì)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)和控制建成后廳內(nèi)的音質(zhì)效果；完工投入使用后，還需要經(jīng)受使用者的主觀評(píng)價(jià)。音質(zhì)設(shè)計(jì)需要考慮多種指標(biāo)，如混響時(shí)間、清晰度指數(shù)、明晰度指數(shù)、側(cè)向因子等。這些音質(zhì)指標(biāo)分別與不同的主觀評(píng)價(jià)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如混響時(shí)間與廳內(nèi)的“豐滿與干澀”“渾濁與清晰”等主觀評(píng)價(jià)相關(guān)[1]。所有音質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，混響時(shí)間是目前廳堂聲學(xué)音質(zhì)評(píng)價(jià)中重要的指標(biāo)之一，同時(shí)也是室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)中排在首位的設(shè)計(jì)參量[2]。經(jīng)典的建筑聲學(xué)理論中，廳堂的混響時(shí)間的計(jì)算公式是在擴(kuò)散聲場(chǎng)的假設(shè)下推導(dǎo)出來(lái)的，混響時(shí)間只與室內(nèi)容積、內(nèi)表面積、平均吸聲系數(shù)等因素有關(guān)，而與廳堂內(nèi)部具體的體型、吸聲材料的分布無(wú)關(guān)。在工程設(shè)計(jì)中會(huì)遇到一種情況，同樣數(shù)量的吸聲材料放置在廳內(nèi)的不同位置，根據(jù)經(jīng)典混響時(shí)間計(jì)算公式得出的混響時(shí)間是一樣的，實(shí)際上廳內(nèi)的混響時(shí)間卻存在一定的差別[3]，這說(shuō)明吸聲材料的布置位置會(huì)影響廳內(nèi)的混響時(shí)間。同樣，也存在廳堂的體型影響廳內(nèi)混響時(shí)間的情況。因此，有必要研究這些因素對(duì)廳內(nèi)混響時(shí)間的影響。
本文著重研究廳堂內(nèi)的側(cè)墻體型對(duì)廳內(nèi)混響時(shí)間的影響。在保證混響時(shí)間按照公式計(jì)算的結(jié)果保持不變的前提下，通過(guò)改變廳堂部分側(cè)墻墻體的體型，觀察廳內(nèi)混響時(shí)間的變化情況，研究廳堂體型對(duì)廳內(nèi)混響時(shí)間的影響。文中主要采用廳堂聲學(xué)計(jì)算機(jī)模擬軟件Odeon，模擬分析廳內(nèi)部分側(cè)墻體型變化時(shí)廳內(nèi)混響時(shí)間的變化情況。
2 目標(biāo)音質(zhì)參數(shù)
混響時(shí)間的定義為，在擴(kuò)散聲場(chǎng)中，當(dāng)聲源停止后，從初始的聲壓級(jí)降低60 dB（也就是平均聲能密度衰減到原來(lái)的1/106）所需的時(shí)間，用符號(hào)T60表示。取空氣中聲速C=344 m/s，則可以得到混響時(shí)間T60的表達(dá)式：
其中，V為房間室內(nèi)容積，單位：m³；S為房間內(nèi)總表面積，單位：㎡；為室內(nèi)平均吸聲系數(shù)；m為空氣的聲強(qiáng)吸收系數(shù)[4]。
從定義上看，混響時(shí)間的物理意義在于表征廳堂內(nèi)聲壓級(jí)衰變曲線的衰變特性。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，混響時(shí)間包含一組音質(zhì)指標(biāo)，除T60以外，根據(jù)不同的計(jì)算方法，可分為EDT、T20與T30。其中，EDT為從直達(dá)聲開(kāi)始衰減10 dB所需的時(shí)間再乘以6，T20為從直達(dá)聲后衰減5 dB至衰減25 dB所需的時(shí)間再乘以3，T30為從直達(dá)聲后衰減5 dB至衰減35 dB所需的時(shí)間再乘以2。這些音質(zhì)參數(shù)均在表述聲壓級(jí)衰變曲線的衰變特性。
在實(shí)際工程，尤其是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，想要獲得能滿足T60測(cè)試的信噪比通常較為困難，采用T30可以較為接近T60。大量研究表明，衰變過(guò)程中開(kāi)始下降的前10 dB的衰變率與混響的主觀感受密切[1]。因此，實(shí)際工程中主要選用EDT與T30作為混響時(shí)間的評(píng)價(jià)量。本文分析中選取的音質(zhì)參數(shù)為EDT與T30，模擬廳堂不同側(cè)墻體型對(duì)廳內(nèi)混響時(shí)間的影響。
3 體型調(diào)整及模擬設(shè)置
本次模擬采用的模型較為簡(jiǎn)單，其平面為矩形布局，模型中設(shè)置起坡的坐席區(qū)。同時(shí)，為了能較為明顯地觀測(cè)到音質(zhì)參數(shù)的變化情況，模型選用的尺寸較大，具體為長(zhǎng)50 m、寬30 m、高20 m。將側(cè)墻中后部的部分設(shè)置為可調(diào)整區(qū)域，可調(diào)整側(cè)墻區(qū)域的選擇主要考慮在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中具有一定的可實(shí)施性。本文用于模擬分析的廳堂模型見(jiàn)圖1，圖中紅色墻體為側(cè)墻面的可調(diào)整部分。
圖1 用于模擬分析的廳堂模型
將模型中側(cè)墻可調(diào)整部分的墻體分成三塊相同大小的調(diào)整塊，每個(gè)調(diào)整塊的調(diào)整動(dòng)作可分別按照以豎直中心軸的旋轉(zhuǎn)或以水平中心軸的翻轉(zhuǎn)?？烧{(diào)整側(cè)墻在某種調(diào)整動(dòng)作后，得到廳堂不同的模型?？烧{(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)或者翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，廳堂的室內(nèi)容積始終保持不變，室內(nèi)總表面積會(huì)略微增加，增加部分為硬反射材質(zhì)，吸聲系數(shù)很小。因此，在調(diào)整過(guò)程中，依據(jù)混響時(shí)間計(jì)算公式得出的廳內(nèi)的混響時(shí)間將保持不變。側(cè)墻體型調(diào)整時(shí)，考慮到室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)中可接受的范圍，旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)的角度均包含5°、10°、15°、20°及25°。圖2與圖3所示為可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時(shí)廳堂模型的狀態(tài)，各顯示三個(gè)角度調(diào)整后的狀態(tài)。
圖2 可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的模型
圖3 可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的模型
模擬分析中，選擇全指向性點(diǎn)聲源，設(shè)置兩處聲源S1與S2，分別置于廳內(nèi)前區(qū)中軸線與廳內(nèi)一側(cè)，聲源高于地面1.5 m，聲源布置見(jiàn)圖4。
圖4 聲源布置
同時(shí)，在整個(gè)坐席區(qū)域的正上方且高出坐席區(qū)域地面1.2 m的區(qū)域設(shè)置聲學(xué)模擬網(wǎng)格面，聲學(xué)模擬網(wǎng)格面的精度選擇為1 m×1 m。廳堂模型各內(nèi)壁面的吸聲系數(shù)見(jiàn)表1。
4 模擬結(jié)果及分析
對(duì)可調(diào)整側(cè)墻不同狀態(tài)的廳堂模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，聲源S1與聲源S2分別發(fā)聲的條件下，T30模擬結(jié)果的平均值見(jiàn)表2和表3。
根據(jù)表2中T30模擬的數(shù)據(jù)，聲源S1發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時(shí)廳內(nèi)T30均值的變化情況見(jiàn)圖5和圖6。
圖5 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)T30均值
根據(jù)表3中T30模擬的數(shù)據(jù)，聲源S2發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時(shí)廳內(nèi)T30均值的變化情況見(jiàn)圖7和圖8。
從圖5與圖7可以看出，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)時(shí)，在聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，T30各頻段均值沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。從圖6與圖8可以看出，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)時(shí)，在聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，T30各頻段均值基本上隨著翻轉(zhuǎn)角度的逐漸增加而逐漸減小。
圖6 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時(shí)T30均值
圖7 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)T30均值
圖8 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時(shí)T30均值
聲源S1與聲源S2分別發(fā)聲的條件下，EDT模擬均值見(jiàn)表4和表5。
根據(jù)表4中EDT的模擬結(jié)果，聲源S1發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時(shí)廳內(nèi)EDT均值的變化情況見(jiàn)圖9和圖10。
圖9 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)EDT均值
圖10 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時(shí)EDT均值
根據(jù)表5中EDT的模擬結(jié)果，聲源S2發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時(shí)廳內(nèi)EDT均值的變化情況見(jiàn)圖11和圖12。
圖11 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)EDT均值
從圖9與圖11可看出，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)時(shí)，聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，EDT各頻段均值沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。從圖10與圖12可看出，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)時(shí)，聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，EDT各頻段均值基本上隨翻轉(zhuǎn)角度的逐漸增加而逐漸減小。
圖12 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時(shí)EDT均值
根據(jù)以上不同聲源發(fā)聲以及可調(diào)側(cè)墻不同狀態(tài)下T30與EDT的模擬數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。
無(wú)論可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)還是翻轉(zhuǎn)，廳內(nèi)的T30與EDT均會(huì)發(fā)生一定的變化，表明側(cè)墻體型的變化會(huì)引起廳內(nèi)T30與EDT的變化。
當(dāng)可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)時(shí)，T30與EDT均出現(xiàn)一定的變化，且兩者均沒(méi)有明顯的隨可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)角度而變化的趨勢(shì)。
當(dāng)可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)時(shí)，T30與EDT均出現(xiàn)明顯的變化，且基本各頻段均值隨翻轉(zhuǎn)角度增加而減小。
5 總結(jié)和思考
本文在可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)不同角度的條件下，對(duì)廳內(nèi)的T30與EDT進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得到不同側(cè)墻體型下廳內(nèi)混響時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明，廳堂側(cè)墻體型的變化明顯地影響廳內(nèi)混響時(shí)間。同時(shí)，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)變化時(shí)廳內(nèi)混響時(shí)間出現(xiàn)一致性的變化規(guī)律，這對(duì)廳堂室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
經(jīng)典理論中，混響時(shí)間的計(jì)算公式涉及的吸聲系數(shù)是在混響室的擴(kuò)散聲場(chǎng)中測(cè)試得到的，而實(shí)際廳堂中的聲場(chǎng)不是擴(kuò)散聲場(chǎng)。本文在一定程度上闡明，混響室中獲得的吸聲系數(shù)直接用于實(shí)際廳堂混響時(shí)間的估算會(huì)存在一定偏差。本文只涉及計(jì)算機(jī)模擬的相關(guān)工作，希望后續(xù)將實(shí)際測(cè)試加入到研究中，得到更多定性甚至定量的規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)廳堂室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)。
對(duì)影響廳堂混響時(shí)間因素的探討還會(huì)涉及到吸聲構(gòu)造在實(shí)際廳堂中“吸聲效率”的問(wèn)題，即在廳堂中吸聲構(gòu)造的吸聲系數(shù)會(huì)與在混響室中的測(cè)試結(jié)果相差多少，或者吸聲構(gòu)造設(shè)置位置對(duì)吸聲系數(shù)的影響，或者更加廣泛的廳堂體型對(duì)吸聲構(gòu)造吸聲系數(shù)的影響，這些都是后續(xù)值得研究的課題。
選自《演藝科技》2020年第8期 楊小軍《淺談側(cè)墻體型對(duì)廳堂混響時(shí)間的影響》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。
