声场扩散与厅堂音质

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声场扩散与厅堂音质(摘要)
(第八届全国建筑物理学术年会论文摘要，)
同济大学声卿学研究所 王季卿教授
　
长期来，许多文献中都提到扩散对厅堂音质设计的重要性，但对音质究竟起多大作用，则一直很不明确。再则，一些新发展的众多音质参量例如 EDT, C, LF, IACC等都以非扩散声场为条件的，无一涉及扩散要求。本文对此作了全面评述，并指出若干需要澄清和值得探讨的问题。
厅堂音质中的重要参量—混响时间是建立在统计声学基础上的，以假定室内声场充分扩散为条件的。所以在赛宾提出混响公式以后相当长一段时间里，人们非常注意室内声场的扩散问题，尤其关注声场的衰变过程。而厅堂音质中，一个理想扩散的声场则未必是最佳音质状态。且声源又总是带有指向性的，并属于非稳态性质，在此情况下也就不可能达到理想的扩散条件。可是人们又常说音质优良的大厅应该有“较好”的扩散，至于扩散与音质的关系、如何定量等则迄今并无确切说明，使建筑设计人员无所适从，或会引起误导。这里有若干问题需要澄清和值得探讨

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声场扩散和表面散射

扩散一词在声学名词术语(GB/T 3947-1996)中定义为：“能量密度均匀，在各个传播方向作无规分布的声场”。前者简称为均匀性，后者简称为各向等同性或同向性，两者是不可或缺的条件。人们常对扩散仅仅与均匀性联系起来，忽略它的同向性要求。后者在评价衰变过程中的音质往往格外重要

室内声场是由直达声和来自各界面的反射声所组成。在室内声学设计中我们所考虑的重点往往是如何处理好各种反射声，主要是控制它们的强度、到达方向和延迟时间。前两者取决于界面的吸收性能、镜面反射方向和散射（漫射）程度。来自一个很强吸声表面上的反射声对扩散声场起不了好作用，所以它会削弱声场的扩散效果。同样，在镜面反射为主的情况下，反射声带有很强方向性，对声场也不会带来扩散效果。只有在稳态声条件下，经过一定时间的多次镜面反射，才能达到充分的交混回响，使之逐渐接近扩散声场。但也只能在离开声源相当距离之外的所谓混响场内才会出现。如果表面是散射性质的，则可以较早地达到扩散，而且更趋理想扩散条件。散射表面虽对于非稳态声的后期声场扩散有帮助，但在早期阶段只有分离的少数几个反射声，仍不可能形成扩散声场。

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扩散体的散射效果与入射角、频率等的关系比较复杂。目前也只有依靠实测散射图案得到一些半定量的结果，尚无参量可表征。利用分散式布置吸声材料也能起到声散射效果，但迄无实用资料，即使定性的说明也了解不够。


扩散声场的评价
早期对扩散声场的评价限于从混响衰变曲线中去分析考察。但由于这些现象与厅堂音质的主观评价缺乏联系，要达到怎样的扩散声场才称满意也就无从谈起。廿世纪50年代前后，人们认识到混响时间本身已不是判断厅堂音质的唯一指标。在探索第二音质评价参量时，将室内声场扩散程度亦作为考虑的内容之一。但是它与听者主观评价有何关系一直未能确定。廿世纪50年代初期的一场对声场扩散评价参量的热烈讨论就此掩旗息鼓。

如今厅堂音质评价在别的方面已有较成熟的第二、第三……参量提出，并在设计实践中广为应用。例如早期衰变时期EDT, 早后期声能比C，侧向反射声能成分LF、双耳互相关函数IACC等等，都不是说明声场扩散的，甚至特意要达到不扩散的声场。但是至今不少论著中，在谈到厅堂音质时，仍然时时提醒设计者应重视扩散问题。至于声场扩散与厅堂音质究竟有什么关系，讨论不多，更无明确的定量答案。

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Beranek曾在他的两本著作[4] [5] (1962年、1996年)中，都谈到听众在大厅中欣赏音乐时，扩散会有两方面的作用。一是对早期声。二是关于混响声。后者的效果在很大程度上取决于到达听者位置上的混响声是否来自各个方向。但是迄无标准方法来检验和判据混响声的扩散性。有人试把IACCL （L表示后期）与后期混响声的扩散性联系起来，这个参量亦常用作评价音乐厅的环绕感，应认为其重要性不下于其它音质评价参量。可是研究结果表明环绕感主要取决于侧向反射声，故与提高扩散性有矛盾。 Haan和 Fricke(1993) 提出用目测评估厅内顶棚和墙面总扩散度的方法。他们得出结论：“表面扩散性与音质最佳厅和一般或很差厅之间的差别有密切联系”。Beranek对此认为似乎强调得太过分了。事实上大家也都己知道，评定大厅音质还有许多其它重要参量必须同时考虑。否则设计一座优质音乐厅单凭这项措施，未免太简单化了。

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若干问题的探讨

3.1 非扩散场的追求 早期普遍认为大厅声场愈加扩散对音质愈有利，这种观点似乎太笼统，而且也未必如此。如今常用的音质评价参量如初始延迟间隙、早后期声能比(明晰度)之类，均不涉及声场是否扩散问题。更有甚者，Marshall等在60年代末先后提出侧向反射对音乐厅音质的重要性，实际上就是强调反射声要来自侧向，不是来自四面八方的扩散场。以后有人[11]提出双耳互相关系数IACC等都不是以充分扩散声场为目标。至于取值多少为宜，虽已有一些实测资料，但限于空场，有观众时又如何还缺乏数据。但无论如何，厅堂音质上追求充分扩散的传统概念需要调整。

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3.2 后期混响声的扩散性 一种可能的解释是，扩散场的要求限于后期混响声。上述IACCL就是指80ms以后的反射声场。可是人们已经认识到早期衰变时间EDT对于主观混响才是主要的，那末这里又强调后期混响声中的扩散性对音质如何如何重要，是否也有点过分了。再说室内声场的后期总的趋势都已比较扩散，它们之间不会有太明显的差别，难道人耳对于这些已处于“掩蔽”下的混响声仍然敏感得很？

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3.3 对强吸收扩散体的评价 厅堂中对重要的低频扩散需要有较大的尺度，这会与建筑设计带来更多矛盾。实用的突出高度如以40cm为限，其有效扩散作用的频率大致只能在300Hz以上。更低的一、二百赫又如何办呢？目前流行采用的平方余数扩散体QRD，在较宽低频段有很强吸收（a 几乎大于0.8），从扩散图案来看也许很散射，但实际效果却很有限。

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3.4 双折混响曲线的音质效果 厅堂音质中往往存在明晰度和混响感的矛盾。Johnson经多年实践，提出利用耦合空间以创造一种有控的双折混响曲线的大厅，据此理论建造了多座音乐厅。并取得成功。厅中有较短的早期混响可保证良好明晰度，后期则有来自耦合空间较长混响的馈入，于是圆满地解决了长期困扰的矛盾，并获得令人意外的良好音质效果。所以传统的线性评价混响曲线方法遇到了挑战。

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3.5 室内音质计算机辅助设计CAD中对扩散的考虑 以几何声学为基础的大厅音质计算机辅助设计中，过去是只考虑镜面反射的。近十余年来许多人致力于更逼真的声场模拟，尤其在进入可听化模拟时代，表面散射因素成为必须考虑的内容之一，所以一些商品化设计软件都对此有所考虑。简单的办法是按上述扩散系数d 引入计算中去，其存在问题已如前面讨论。举凡室内音质CAD设计软件，如没有细致认真的现场实测结果相对照，其可信度和实用性颇令人怀疑。

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3.6 厅内声级分布与响度 对一个声场充分扩散的大厅来说，稳态声的声级不随声源至接收点距离而变化。常用的声级计算公式就是以此假设为前题的。可是一些设计人员往往以此来估算大厅声场分布，又有什么意义呢？不幸在不少教科书中亦推荐此法。事实上大厅内的声场离充分扩散要求甚远，再说听众感受到具有脉冲性质的语言、音乐的响度与稳态声级计算值相差很大。也正因为如此，大厅中的响度不能按简单算式估计

声场扩散与厅堂音质的关系微妙，我们对此认识还很不足，主要是缺乏扩散与主观评价的联系，所谓适度扩散也无定量的参数，使人难以捉摸。再说近年所发展的许多音质设计新参量均与非扩散声场相关联。而目下许多论著中，如此强调扩散对音质的重要作用，显然不妥，故对种种流传误解应予澄清。否则把音质设计仅仅为把握好扩散措施，未免太简单化了，事实上音质设计也没有那么容易进行。