侧墙体型对厅堂混响时间有何影响？
2022-04-15 15:50:10
厅堂的音质效果，在工程设计中，需要通过一些室内音质参数来预测和控制建成后厅内的音质效果；完工投入使用后，还需要经受使用者的主观评价。音质设计需要考虑多种指标，如混响时间、清晰度指数、明晰度指数、侧向因子等。这些音质指标分别与不同的主观评价有一定的对应关系，如混响时间与厅内的“丰满与干涩”“浑浊与清晰”等主观评价相关[1]。所有音质评价指标中，混响时间是目前厅堂声学音质评价中重要的指标之一，同时也是室内声学设计中排在首位的设计参量[2]。经典的建筑声学理论中，厅堂的混响时间的计算公式是在扩散声场的假设下推导出来的，混响时间只与室内容积、内表面积、平均吸声系数等因素有关，而与厅堂内部具体的体型、吸声材料的分布无关。在工程设计中会遇到一种情况，同样数量的吸声材料放置在厅内的不同位置，根据经典混响时间计算公式得出的混响时间是一样的，实际上厅内的混响时间却存在一定的差别[3]，这说明吸声材料的布置位置会影响厅内的混响时间。同样，也存在厅堂的体型影响厅内混响时间的情况。因此，有必要研究这些因素对厅内混响时间的影响。
本文着重研究厅堂内的侧墙体型对厅内混响时间的影响。在保证混响时间按照公式计算的结果保持不变的前提下，通过改变厅堂部分侧墙墙体的体型，观察厅内混响时间的变化情况，研究厅堂体型对厅内混响时间的影响。文中主要采用厅堂声学计算机模拟软件Odeon，模拟分析厅内部分侧墙体型变化时厅内混响时间的变化情况。
2 目标音质参数
混响时间的定义为，在扩散声场中，当声源停止后，从初始的声压级降低60 dB（也就是平均声能密度衰减到原来的1/106）所需的时间，用符号T60表示。取空气中声速C=344 m/s，则可以得到混响时间T60的表达式：
其中，V为房间室内容积，单位：m³；S为房间内总表面积，单位：㎡；为室内平均吸声系数；m为空气的声强吸收系数[4]。
从定义上看，混响时间的物理意义在于表征厅堂内声压级衰变曲线的衰变特性。在实际工程项目中，混响时间包含一组音质指标，除T60以外，根据不同的计算方法，可分为EDT、T20与T30。其中，EDT为从直达声开始衰减10 dB所需的时间再乘以6，T20为从直达声后衰减5 dB至衰减25 dB所需的时间再乘以3，T30为从直达声后衰减5 dB至衰减35 dB所需的时间再乘以2。这些音质参数均在表述声压级衰变曲线的衰变特性。
在实际工程，尤其是现场测试中，想要获得能满足T60测试的信噪比通常较为困难，采用T30可以较为接近T60。大量研究表明，衰变过程中开始下降的前10 dB的衰变率与混响的主观感受密切[1]。因此，实际工程中主要选用EDT与T30作为混响时间的评价量。本文分析中选取的音质参数为EDT与T30，模拟厅堂不同侧墙体型对厅内混响时间的影响。
3 体型调整及模拟设置
本次模拟采用的模型较为简单，其平面为矩形布局，模型中设置起坡的坐席区。同时，为了能较为明显地观测到音质参数的变化情况，模型选用的尺寸较大，具体为长50 m、宽30 m、高20 m。将侧墙中后部的部分设置为可调整区域，可调整侧墙区域的选择主要考虑在实际项目设计中具有一定的可实施性。本文用于模拟分析的厅堂模型见图1，图中红色墙体为侧墙面的可调整部分。
图1 用于模拟分析的厅堂模型
将模型中侧墙可调整部分的墙体分成三块相同大小的调整块，每个调整块的调整动作可分别按照以竖直中心轴的旋转或以水平中心轴的翻转。可调整侧墙在某种调整动作后，得到厅堂不同的模型。可调整侧墙旋转或者翻转的过程中，厅堂的室内容积始终保持不变，室内总表面积会略微增加，增加部分为硬反射材质，吸声系数很小。因此，在调整过程中，依据混响时间计算公式得出的厅内的混响时间将保持不变。侧墙体型调整时，考虑到室内装饰设计中可接受的范围，旋转与翻转的角度均包含5°、10°、15°、20°及25°。图2与图3所示为可调整侧墙旋转与翻转时厅堂模型的状态，各显示三个角度调整后的状态。
图2 可调整侧墙旋转不同角度时的模型
图3 可调整侧墙翻转不同角度时的模型
模拟分析中，选择全指向性点声源，设置两处声源S1与S2，分别置于厅内前区中轴线与厅内一侧，声源高于地面1.5 m，声源布置见图4。
图4 声源布置
同时，在整个坐席区域的正上方且高出坐席区域地面1.2 m的区域设置声学模拟网格面，声学模拟网格面的精度选择为1 m×1 m。厅堂模型各内壁面的吸声系数见表1。
4 模拟结果及分析
对可调整侧墙不同状态的厅堂模型进行计算机模拟，声源S1与声源S2分别发声的条件下，T30模拟结果的平均值见表2和表3。
根据表2中T30模拟的数据，声源S1发声的条件下，可调整侧墙旋转与翻转时厅内T30均值的变化情况见图5和图6。
图5 声源S1，可调整侧墙旋转不同角度时T30均值
根据表3中T30模拟的数据，声源S2发声的条件下，可调整侧墙旋转与翻转时厅内T30均值的变化情况见图7和图8。
从图5与图7可以看出，可调整侧墙旋转时，在声源S1与S2分别发声的条件下，T30各频段均值没有明显的变化趋势。从图6与图8可以看出，可调整侧墙翻转时，在声源S1与S2分别发声的条件下，T30各频段均值基本上随着翻转角度的逐渐增加而逐渐减小。
图6 声源S1，可调整侧墙翻转不同角度时T30均值
图7 声源S2，可调整侧墙旋转不同角度时T30均值
图8 声源S2，可调整侧墙翻转不同角度时T30均值
声源S1与声源S2分别发声的条件下，EDT模拟均值见表4和表5。
根据表4中EDT的模拟结果，声源S1发声的条件下，可调整侧墙旋转与翻转时厅内EDT均值的变化情况见图9和图10。
图9 声源S1，可调整侧墙旋转不同角度时EDT均值
图10 声源S1，可调整侧墙翻转不同角度时EDT均值
根据表5中EDT的模拟结果，声源S2发声的条件下，可调整侧墙旋转与翻转时厅内EDT均值的变化情况见图11和图12。
图11 声源S2，可调整侧墙旋转不同角度时EDT均值
从图9与图11可看出，可调整侧墙旋转时，声源S1与S2分别发声的条件下，EDT各频段均值没有明显的变化趋势。从图10与图12可看出，可调整侧墙翻转时，声源S1与S2分别发声的条件下，EDT各频段均值基本上随翻转角度的逐渐增加而逐渐减小。
图12 声源S2，可调整侧墙翻转不同角度时EDT均值
根据以上不同声源发声以及可调侧墙不同状态下T30与EDT的模拟数据，可以得出以下结论。
无论可调整侧墙旋转还是翻转，厅内的T30与EDT均会发生一定的变化，表明侧墙体型的变化会引起厅内T30与EDT的变化。
当可调整侧墙旋转时，T30与EDT均出现一定的变化，且两者均没有明显的随可调整侧墙旋转角度而变化的趋势。
当可调整侧墙翻转时，T30与EDT均出现明显的变化，且基本各频段均值随翻转角度增加而减小。
5 总结和思考
本文在可调整侧墙旋转与翻转不同角度的条件下，对厅内的T30与EDT进行计算机模拟，得到不同侧墙体型下厅内混响时间的变化情况。结果表明，厅堂侧墙体型的变化明显地影响厅内混响时间。同时，可调整侧墙翻转变化时厅内混响时间出现一致性的变化规律，这对厅堂室内声学设计具有一定的指导意义。
经典理论中，混响时间的计算公式涉及的吸声系数是在混响室的扩散声场中测试得到的，而实际厅堂中的声场不是扩散声场。本文在一定程度上阐明，混响室中获得的吸声系数直接用于实际厅堂混响时间的估算会存在一定偏差。本文只涉及计算机模拟的相关工作，希望后续将实际测试加入到研究中，得到更多定性甚至定量的规律，从而更好地指导厅堂室内声学设计。
对影响厅堂混响时间因素的探讨还会涉及到吸声构造在实际厅堂中“吸声效率”的问题，即在厅堂中吸声构造的吸声系数会与在混响室中的测试结果相差多少，或者吸声构造设置位置对吸声系数的影响，或者更加广泛的厅堂体型对吸声构造吸声系数的影响，这些都是后续值得研究的课题。
选自《演艺科技》2020年第8期 杨小军《浅谈侧墙体型对厅堂混响时间的影响》，转载请标注：演艺科技传媒。
