声频工程 凹 ６⑥匡闶翊６ ＠＠ ６∞ 文献引用格式：古林强．音乐厅中的声扩散设计初探［Ｊ］．电声技术，２０１６，４０（１）：卜６． ＧＵ Ｌｉｎｑｉａｎｇ．Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｃｏｎｃｅ￣ｈａｌｌｓ［Ｊ］．Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，４０（１）：１—６ 中图分类号：ＴＵｌｌ２．４＋２ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６３１１／ｊ．ａｕｄｉｏｅ．２０１６．０１．０１ 音乐厅中的声扩散设计初探 古林强 （广州大学建筑与城市规划学院，广东 广州５１０００６） 摘要：声扩散设计对厅堂音质的影响缺乏定量描述。以海南大学音乐厅的声学设计为例，运用快速多极子边界元 法（ＦＭＢＥＭ）对声扩散的影响进行定量分析，在侧墙使用一维伪随机序列结合视觉艺术效果优化其散射性能，在后 ■ 墙直接采用二维伪随机序列生成立体的扩散结构，解决了音乐厅平面选型带来的声学缺陷问题。数值模拟及现场 测量显示，在采用扇形与矩形结合平面的小音乐厅中，声扩散设计比平面更有优势，使该音乐厅的中前场及中间位 置获得足够的侧向反射声能，使厅堂各区域的音质参量取值落在推荐的范围之内。 ■咖 关键词：声扩散；边界元；扩散体；声学缺陷 Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｃｏｎｃｅｒｔ ｈａｌｌｓ ＧＵ Ｌｉｎｑｉａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｕｒｂａｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｌｉｔｔｌｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ａｕｄｉｔｏｒｉｕｍ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈａｉｎａｎ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｃｏｎｃｅｒｔ ｈａｌｌ，ｆａｓｔ ｍｕｈｉｐｏｌｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＭＢＥＭ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｉｅｌｄ．Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌａｔｅｒａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ａｒｔ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｗａｌｌ ｗａｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｌａｒｇｅ ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｄｖｅｒｓｅ ｐｌａｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｉｎ—ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｄ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｂｕｎｄａｎｔ ｌａｔｅｒａｌ ｒｅ— ｌｆｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｒｏｗｓ ａｎｄ ｍｉｄｄｌｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｉｓ ｆａｎ—ｓｈａｐｅ ｃｏｎｃｅ￣ｈａｌｌ，ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ａｃｃｅｐｔｅｄ ｒａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｕｎｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｄｉｆｆｕｓｅｒ；ｓｏｕｎｄ ｄｅｆｅｃｔ 在音质设计中，声扩散的影响问题一直令人迷 惑。用大型的反射表面还是用具有散射性能的表面 如１９９６年落成的曼彻斯特Ｂｒｉｄｇｅｗａｔｅｒ Ｈａｌｌ，声学顾 问Ａｍｐ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ根据以往的经验及教训制定了严格 至今也远谈不上已经解决。尽管经过近二十年的努 力，已经对界面的散射行为有了定量的描述参量及相 的音质设计目标，通过努力使得混响时间ＲＴ、早期衰 变时间ＥＤＴ、清晰度指数Ｃ叭相对强感Ｇ、侧向反射 应的实验室测量标准，但声场中需要多少声散射，怎 么描述这些散射的影响，目前得到的科研成果并不 因子ＬＦ等的取值范围都落在合适的区间。Ｈａｒｒｉｓ总 结指出“ｔｈｅ ｈａｌｌ ｍｉｇｈｔ ｂｅｎｅｆｉｔ ｆｒｏｍ ｆｕｒｔｈｅｒ ｈｉｇｈ ｆｒｅ— 多¨Ｊ。在音乐厅的声学设计中，声扩散的处理与目 ｑｕｅｎｃｙ ｓｏｕｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ”，但并没数据的支持 Ｊ。又如 Ｂａｒｔｏｎ比较了伦敦的Ｗａｔｆｏｒｄ Ｃｏｌｏｓｓｅｕｍ音乐厅与莱 比锡的Ｎｅｕｅｓ Ｇｅｖａｎｄｈａｕｓ音乐厅，前者的音质很难谈 得上让人满意，而后者则拥有很高的声学声誉，被誉 为当时音质最出色的几个大厅之一。这两者的体积、 座席数量是一样的，都采用了矩形的平面，混响时间 前已经公认的声学参数都有联系，扩散处理直接影响 几乎所有的声学参数，所以在声学设计时，往往会用 些模糊的字眼来描述有关声扩散对音质的影响。例 基金项目：国家自然科学基金项目（５１００８０８６）；国家公派留学 基金（法［２０１４］５０５０） 一声投靠投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．Ｃｇｌ 堡蔓 鲞蔓！塑固 ｍ声频工程 凹 ６⑥匡响回６闶＠＠旷６嗡回 ■■技巅 ｆ口《ｎｇｆ ｔ ｒｉｎｇ 都相对较短，中频混响时间为１．６ Ｓ。但是为什么人们 对两者的音质评价有那么明显的差别呢？根据 Ｂａｒｒｏｎ的总结，尽管世上有一些音质良好的大厅的表 面不需要做扩散处理，但就单单比较这两个大厅的 话，两者最明显的不同是，莱比锡大厅拥有更多的扩 散表面 。 对声扩散设计模棱两可的描述几乎在所有的厅 堂声学设计中都或多或少存在，有必要利用一些新的 方法尝试探讨界面的扩散处理对音乐厅室内音质的 影响。关于室内声学中的声扩散应用问题，Ｃｏｘ及 Ａｎｔｏｎｉｏ汇编了过去二十多年的研究成果，但大部分 的相关内容是讨论界面声散射的预｛９＝１４及实验室测量 散射系数和扩散系数的问题，在大型音乐厅设计中， 只是讨论了扩散处理如何避免过强的反射导致的回 声及声染色问题，而对声扩散的处理对声场的影响讨 论得并不多ｌ４］。王韵镛、赵越酷等最新的工作是通 过缩尺模型、计算机模拟及主观听音实验的办法在理 论上进行很好的探讨，但同样也指出目前在工程实践 中，对声扩散的影响缺乏总结 Ｊ。在海南大学音乐 厅设计中，结合工程的实际，综合运用快速多极子边 界元法为扩散设计提供理论依据，再利用数论的理论 进行声扩散结构的优化，为以后厅堂的声扩散处理提 供定量化的参考。 １ 设计的局限性 海南大学音乐厅主要供该大学的音乐学院教学 使用，是在原址上拆掉重建的，由于基础和结构方面 的原因，并不能根据座位数的要求确定最佳的体型和 容积。旧址最大可用的面积为１ ０００ ｍ 左右，体积不 到４ ０００ ｍ ，使用方要求座位数达到５５０座，每座容积 仅为７ ｉｎ 。根据Ｂｅｒａｎｎｅｋ的研究结果，一般音乐厅 声学设计的每座容积为８ ｍ 左右ｌ ，章奎生的工程 经验推荐每座容积９～１２ ｍ Ｅ ｓ ３，所以该厅的声学设计 带有较大的局限性。在音乐厅的体型设计时，主要考 虑了图１所示的基本平面。 综合这些平面的优缺点和使用方的座席数要求 后，本音乐厅采用了扇形与矩形复合的平面，如图２ 所示。扇形部分从舞台延伸到观众厅的前三排，而后 面观众厅的侧墙大体还是矩形的。为了同时能容纳 ５５０人，后墙还是采用了弧形的设计。初步的三维声 线分析表明，中前排及观众厅的中间部分比较缺乏侧 向反射声，基本符合事先的判断，因此需要对侧墙进 图 堡蔓！ 鲞蔓 塑 （ａ）矩形 （ｂ）扇形 （ｃ）马蹄形 （ｄ）长六边形 图１ 音乐厅的基本平面设计 行声学扩散处理，而后墙弧线也有较大可能形成聚焦 的缺陷，考虑到本厅体积较小，混响时间难以保证足 够长，所以决定不用吸声材料，因此同样要作扩散 处理。 图２海南大学音乐厅的平面 ２侧墙的声扩散设计 得益于近几年数值算法的改进及计算机技术的 提高，一种称为“快速多极边界元法”的计算方法可 以用来估计大型表面的散射行为（在本音乐厅设计 中，最高频率可以算到１ ０００ Ｈｚ） Ｊ。图３为平面墙 体散射行为的数值模拟结果，模拟时声源采用平面声 源，声源位于舞台前沿往后３ ＩＴＩ的位置，声压级采用 １０４ ｄＢ（参考声压２×１０ Ｐａ），墙体位于建筑设计图 表示的位置。 可以看到平面墙起到镜面反射的作用，在平面附 近由于入射波与反射波的相干叠加存在一个高声压 的区域（图中用深色表示）；并且看到由于平面尺寸 有限，反射的声能分布满足菲涅尔反射规律，入射声 主瓣入射角等于反射声主瓣的反射角，低频时 （２５０ Ｈｚ）衍射瓣比较平缓，稍高频率Ｈ￣（５ｏｏ Ｈｚ）衍射 ■鼻拄一投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ＣＢ ｍ声频工程 凹④６⑥匡闶 ８嗡＠＠旷６响 ■一挂撒 ｉｏ ｎｓｉｎｃｅｒｉｎ８ 是我们逐渐从理想走向现实的结果。之前考虑过不 设置座位，观众可以自由走动，因为这个３Ｄ系统并 没有一个“皇帝位”，没有所谓最好的听音位置，每个 乐学院，２０１１．第四章空间音响特性一声音的调色板：２９— ３７；第五章电子音乐音响特性在作品中的体现Ｐ３７． ［４］魏刚．多孔性吸声材料及穿孑Ｌ装饰吸声板的吸声特性［Ｊ］． 房材与应用（材料·结构），２００５（６）：１０—１２． 位子都能获得最真实的听音体验。其实听我们的作 品大家应该是走来走去，你对哪里感兴趣就到哪里， 但是这在演出过程中会有限制……” 韩锺恩教授极其准确地提出了此次演出并不是 ［５］李海涛，朱锡，石勇，等．多孔性吸声材料的研究进展［Ｊ］． 材料科学与工程学报，２００４（６）：１５—１８． ［６］白国锋，刘碧龙，隋富生，等．多重散射方法研究轴对称空 腔覆盖层的声学特性［Ｊ］．声学学报，２０１２（３）：１５—１９． ［７］赵宏刚，刘耀宗，温激鸿，等．含有周期球腔的黏弹性覆盖 单纯意义上的一场音乐会，很难从声音或者音乐上将 这次的演出归纳出来，甚至没有一个很明确的现成定 层消声性能分析［Ｊ］．物理学报，２００７（８）：５—８． 义。因此适合该演出的场馆的声学设计也是摸索进 ［８］华天初．音乐厅声学指标的客观标准及意义［Ｊ］．音乐艺术 行的，就这种演出形式而言，该场馆的声学设计所起 （上海音乐学院学报），２００７（１）：２２—２６． 到的影响总体来说是正面的，它没有削弱艺术的表现 ［９］韩宝强．我国近代音乐声学研究概览［Ｊ］．武汉音乐学院学 力，而是令其更加真实与完整地展示在观众面前。 报，２００２（１）：５－８． 作者简介： 参考文献： 林勇（１９６０一），学士，副教授，中国美术学院３Ｄ音画研究 ［１］张秀欣，张坤书，田中敏．声学建筑声音动听的关键——混 所所长，主要研究方向为录音、音效理论与创作； 响时间的控制［Ｊ］．商场现代化，２００５（３）：８—１１， 徐真德（１９８４－），硕士，中国美术学院３Ｄ音画研究所研 ［２］韩宝强．空间音乐声学研究：把音乐放在首位［Ｊ］．演艺设 究员，主要研究方向为３Ｄ全息声音技术； 备与科技，２００６（２）：８－１０． 陈畅（１９９１一），学士，主要研究方向为３Ｄ全息声音技术。 ［３］张晓贞．初论电子音乐的音响听觉特性［Ｄ］．北京：中央音 责任编辑：史丽丽 收稿日期：２０１５－１０－２２ （上接第６页） 的盲目状态，需要提供更多定量或者半定量的参考数 ［Ｍ］．［ｓ．１．］：Ｒｏｕｔｌｅｄｇｅ，２００９：１４９—１５３． 据。目前普遍采用的缩尺模型试验法由于受项目投 ［４］ＣＯＸ Ｔ Ｊ，Ｄ ＡＮＴＯＮＩＯ Ｐ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｂｓｏｒｂｅｒｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ： 入资金的限制往往无法进行，而且优化改动也不方 ｔｈｅｏｒｙ，ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］－［ｓ．１．］：ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，２ＯＯ９． 便，常用的建筑声学辅助设计软件例如ＣＡＴ？及０． ［５］王韵镛．界面声扩散对音乐厅室内音质的影响初探［Ｄ］． ＤＥＯＮ等又不能对界面的散射行为进行模拟，所以不 广州：华南理工大学，２０１３． 借助其他数值分析方法就几乎没有办法实现半定量 ［６］赵越 ，张冉．声学扩散体及界面声散射研究进展［Ｊ］．南 方建筑，２０１２（２）：９０－９４． 分析。本次音乐厅中的声扩散设计初探表明运用快 『７］ＢＥＲＡＮＥＫ Ｌ Ｌ．Ｃｏｎｃｅｔｒ ｈａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ：ｓｏｍｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ 速多极边界元法来预测扩散体的影响是可能的，通过 ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｏｏｍ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ．Ｅｎｇｌａｎｄ： 与平面的对比，选择优化的扩散表面更有利于把声能 ［ｓ．ｎ．］，２０１３． 量有效投射到需要的区域，这种方法可以为扩散设计 ［８］章奎生．音乐厅建声设计技术的传承与发展［Ｊ］．声学技 提供数据支持，尽管这只是大量声学设计中的一个环 术，２０１１，３０（１）：２７—３２． 节，但定量化的描述对声学设计起到了很好的促进作 ［９］ＹＬＡ—ＯＩＪＡＬＡ Ｐ，ＫＩＭＩＮＫＩ Ｓ Ｐ，Ｊ ＡＲＶＥＮＰＡＡ ｓ．Ｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇ 用，也为声扩散的影响问题提供更多有益的参考。 ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｉｔｈ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，２０１５，５０：４４７—４５８． 参考文献： ｆ１０ ＨＡＲＧＲＥＡＶＥＳ Ｊ Ａ。ＣＯＸ Ｔ Ｊ．Ａ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｂｏｕｎｄａｒｙ ［１］ＲＯＢＩＮＳＯＮ Ｐ，ＸＩＡＮＧ Ｎ，ＢＲＡＡＳＣＨ Ｊ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｌｅｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｏｏｍ８ Ｅ Ｃ］／／Ｐｒｏ— ｕｓｉｎｇ ｗｅｌｌ ｍｏｕｔｈ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ［Ｊ］．ｈＴｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓ— ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｍｅｅｔｉｎｇｓ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ．Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａ— ｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，２００８，１２４（５）：２９４２—２９５１． ｍｅｒｉｃａ，２０１４，１２（１）：０１５００２． ［１１］ＬＥＮＺ Ｒ Ｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ［２ １ ＨＡＲＲＩＳ Ｒ，Ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｒｉｄｇｅｗａｔｅｒ Ｈａｌｌ， ｉｆｎｉｓｈｅｓ ｏｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ［ｃ］／／Ｐｒ０ｃｅｅｄｊｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ．Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ： ｌＪ『．Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ［ｓ．ｎ．］，１９９７，１９（３）：１２９—１３５． ２０１３，１３４（５）：４００３—４００３． ［３］ＢＡＲＲＯＮ Ｍ．Ａｕｄｉｔｏｒｉｕｍ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ 责任编辑：史丽丽 收稿日期：２０１５－１０－１３ 园 堡兰 鲞蔓 塑 电声拽蠢投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃｎ
