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室內聲學設計—耦合空間特性對廳堂音質的影響
時間：
2021-10-25
作者：
思成舞臺設計
分類：
聲學知識
耦合空間是指廳堂中存在的一些次空間或者附屬空間（簡稱混響室）,這些空間使主廳內衰變過程呈現(xiàn)非線性衰變（雙斜率甚至多斜率衰變）等聲學特性的改變。廳堂容積擴大而出現(xiàn)混響時間延長，耦合空間聲場的這種特性使混響感和明晰度這兩個一直被認為相互對立的音質參量得到較好兼顧，因而在現(xiàn)代廳堂（尤其是音樂廳）音質設計中獲得重要應用。
一.“耦合空間就是指多個獨立的聲學系統(tǒng)由開口或者透聲隔墻相聯(lián)系而組成整體的空間形式”。準確地說，能夠產生耦合現(xiàn)象的兩個空間就互為耦合空間。
CS面為耦合面，當它開啟時，我們就可以說這三個空間互為彼此的耦合空間，由于相聯(lián)系的各個聲學系統(tǒng)（即R1、R2、R3）之間相互影響，使耦合空間中每個獨立空間的音質參量都與未發(fā)生耦合時明顯不同；但是當CS面關閉時，這R1、R2、R3之間就沒有耦合作用了。
二.耦合空間對廳堂音質參量的影響
耦合空間在建筑中本是常見的現(xiàn)象。自古至今的大小教堂中，不少采用十字形平面布置，在中央大廳之外，兩側有邊廳、廊廳，臺后有祭壇廳等，它們都成為主廳的聲耦合空間。
耦合空間除了可以增加廳堂建筑的混響時間外，還可以改變廳堂建筑的混響衰變曲線，而且耦合空間的開啟狀態(tài)對混響衰變曲線也有著較大的影響。由上圖所示，空間R1為主空間，R2為R1的耦合空間，CS面為可控制開啟面積的耦合面。不同開啟狀態(tài)對混響衰變曲線的影響如下：
（1）當CS面未開啟時
空間R1可看作是一個獨立空間，它的混響時間未發(fā)生變化，混響衰變曲線近似為直線。
（2）當CS面完全開啟時
可將空間R1看作是擴大了容積的廳堂，其混響時間增長，混響衰變曲線與沒有耦合空間存在時發(fā)生一定變化，但總體上仍近似為直線。
（3）當CS面部分開啟時
由于開啟面積的不同，混響衰變曲線也不盡相同。以耦合面開啟10%為例，如上圖所示。從圖中可知，曲線中部有拐點出現(xiàn)，即混響衰變曲線呈現(xiàn)出雙折形。這說明的是聲音衰變的初始階段衰變的速率較快，這樣能夠保證較高的清晰度，而后續(xù)聲壓級衰變則變得緩慢，為后期聲音增加了一定的混響感。這樣對解決音樂廳設計中長期存在的一個矛盾——清晰度和豐滿度之間的矛盾是有利的。
三.耦合空間對廳堂音質的影響
1.耦合空間布置的位置
實際應用表明，耦合空間布置在廳堂的不同部位對音質參數(shù)的影響有著顯著差異，表現(xiàn)為靠近耦合開口處的效果比較明顯，其它較遠距離的坐席區(qū)的效果十分微弱，甚至感覺不出。
一般地，耦合混響空間在音樂廳中主要布置在以下幾個位置：觀眾廳側部、觀眾廳后部、觀眾廳頂部、月臺后方及下方；觀眾廳的池座周邊及廂座周邊也都是主廳的耦合空間。這幾個不同位置，對各頻段聲音的影響十分顯著。而且觀眾廳上部天棚及頂部周邊位置可以通過活動升降天棚控制耦合空間的容積大小，從而調整觀眾廳的廳堂總容積。另外，一層池座周邊的耦合空間對廳堂音質也有較大的影響。
2.耦合空間的體積
耦合空間的體積大小也是影響廳堂音質的一個重要指標。體積的擴大使廳堂使廳堂混響時間增長，而且這種增長的幅度可以通過塞賓公式進行估算。例如，一個帶有耦合空間的廳堂，耦合空間的體積為主廳的30%，設在未發(fā)生耦合前該廳堂的混響時間為T60，那么開啟耦合空間后，其混響時間變?yōu)?/span>
3.耦合空間的開口面積
耦合空間開啟的程度與主廳混響后期衰變時間的延長有關，即開口面積與衰變曲線雙折型拐點出現(xiàn)的位置有關。但這兩者之間相關性的具體量化并不容易，現(xiàn)如今只能根據耦合空間的開口面積變化引起的結果來尋找其中的關系。
（?1）為了達到上述的雙折型衰變音質效果，耦合空間開口的面積應有一定的界限，如果開口過大，就可以將發(fā)生耦合的兩個空間看作一個擴大了容積的大空間，耦合效應就會消失，耦合開口的面積變化對主要聲環(huán)境的影響如上圖所示。
（2）從圖中可以觀察到，開口面積小時比大開口面積的雙折效果要明顯，詳細地說就是，開口面積為總面積1%、5%、10%時的雙折效果遠明顯于30%，在30%的狀態(tài)下，混響衰變曲線接近于一個廳堂擴大容積后的形狀。不同的斜率、不同的拐點位置肯定帶來不同的聽音效果。
（3）雖然開口面積越小，聲耦合現(xiàn)象越明顯，但是當開口面積過小時，會與正常情況有所不同。例如：當開口面積僅為總表面積的1%時，拐點位置變得很低，延長了后期的衰變效果，這時大廳內的背景噪聲與音樂演奏中的后續(xù)聲音會延長的后期衰變聲掩蔽。
以上諸多情形，在不同大廳中對主廳有著不同的影響，設計中需具體問題具體分析，但總的規(guī)律是：耦合開口的面積越小，觀眾廳的混響時間越長，聲能衰變曲線的斜率轉換出現(xiàn)越晚，后期混響聲能衰變曲線的斜率也越小，也就是說耦合作用變得越強。
四.內部界面材料的吸聲特性
耦合空間內部材料的吸聲特性主要影響觀眾廳的混響時間，因此如果側重利用耦合方法來調整觀眾廳的混響時間則應小心處理和選擇耦合混響空間內部的界面材料。
經過應用結果分析：
（1） 耦合空間的聲能衰變呈現(xiàn)明顯地雙折線特征。體積增大致使混響時間增大的主要原因是后期衰變折線的斜率變大所致，而雙折線的拐點位置基本一樣。同樣體積和開口的混響室，布置在舞臺周邊（離聲源較近）的調節(jié)作用顯然更明顯。
（2） 隨著混響室體積的增大，觀眾廳的混響感（T30和EDT）和重心時間Ts也相應增大，尤其對混響時間T30有明顯的提升作用。其他聲學參量變化比較小，都在最小可覺差范圍內。
（3） 同樣體積和開口的混響室，布置在舞臺周邊（離聲源較近）的調節(jié)作用顯然更明顯。
（4） 耦合空間主要對混響時間T30有明顯的提升作用。只有在混響時間出現(xiàn)顯著變化（如從2秒提升到4秒）時，EDT和Ts才會出現(xiàn)可覺差的變化。其他聲學參量變化比較小，都在最小可覺差范圍內。
（5）利用耦合空間進行聲場調節(jié)時，離混響室開口較近的位置，混響感（T30和EDT）和側向反射系數(shù)LF變化更大一些。相對于布置在觀眾廳周邊，混響室布置在舞臺周邊（遠離觀眾席），觀眾席的聲場變化更均勻一些。
（6）隨著開口面積的增大，對觀眾廳的混響感而言：布置在觀眾廳周邊的，效果逐漸變大；布置在舞臺周邊的，效果先變大再逐漸變小，中間有一個最佳值。
（7） 對觀眾廳的LF而言：布置在觀眾廳周邊的，數(shù)值有變小的趨勢；布置在舞臺周邊的，數(shù)值沒有發(fā)生變化。
（8）隨著開口面積的增大，主觀聲級逐漸變小，重心時間Ts均變大。
（9）增設耦合空間后，舞臺的早期支持度ST2都得到了提高。不同位置的混響室R1（離舞臺遠）和R2（離舞臺近），對舞臺的早期支10) 同樣面積的吸聲材料布置在舞臺周邊（離聲源較近）的混響室作用要明顯一些。
（10）在混響時間基本一致的條件下，在大混響室內增加吸聲材料，明晰度C80明顯得到提高，但響度G和包圍感LEV減小了。分析原因主要是吸聲材料吸收了部分后期聲能，降低了后期聲能的總能量所致。相對于無耦合的主廳，在耦合空間內布置吸聲材料可以達到既提高混響感又提高明晰度的目的。如果某種音樂演出（交響樂中穿插語言對白，如某作曲家或指揮家生平的交響樂演出）既需要高混響感也要保持高明晰度的話，在耦合空間內布置吸聲材料是個不錯的選擇。
隨著R1和R2交界面S12的開口逐漸變小，混響時間有逐漸增大的趨勢，其他聲學參量變化都很小。這也說明布置在舞臺周邊（離聲源較近）的混響室作用要明顯一些。
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