音樂廳聲學(xué)的發(fā)展歷程并不算漫長，聲學(xué)先驅(qū)、后繼者們經(jīng)過不懈努力，取得了現(xiàn)在的成就。其中，以美國聲學(xué)家白瑞納克（L.Beranek，1914年~2016年）為代表，他的一生見證了音樂廳聲學(xué)的興起和發(fā)展，直到去世前的幾個(gè)月還在JASA（Journal of the Acoustical Society of America）發(fā)表論文。2018年在漢堡易北愛樂音樂廳IOA（Institute of Acoustics，英國的一家聲學(xué)權(quán)威機(jī)構(gòu)）召集的會(huì)議上，聲學(xué)專家交流了音樂廳聲學(xué)的最新研究成果。音樂廳聲學(xué)是在20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的，許多現(xiàn)在成果卓著的學(xué)者當(dāng)時(shí)才剛剛進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，親歷和見證了音樂廳聲學(xué)幾十年的發(fā)展歷程；英國聲學(xué)家巴�。∕. Barron）對(duì)音樂廳聲學(xué)發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧和總結(jié)[1]，在聲學(xué)知識(shí)有限的當(dāng)年是如何進(jìn)行音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)，以及那些為人熟悉的聲學(xué)理論誕生的前因后果。
他們的分享無疑是有特殊意義的。筆者以音樂廳聲學(xué)理論發(fā)展的歷史背景為線索，分別對(duì)20世紀(jì)50年代及以前、60年代和60年代以后這三個(gè)不同時(shí)期音樂廳聲學(xué)的理論發(fā)展和設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)行簡要說明，并對(duì)音樂廳聲學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。
1 20世紀(jì)50年代及以前的發(fā)展?fàn)顩r
20世紀(jì)50年代及以前階段為音樂廳聲學(xué)理論發(fā)展的早期，聲學(xué)研究成果相對(duì)較少，但足以支持兩個(gè)聲學(xué)期刊的正常發(fā)行，一是創(chuàng)刊于1927年的美國聲學(xué)學(xué)會(huì)期刊JASA，二是創(chuàng)刊于1951年的Acustica（以英語、法語和德語三種語言發(fā)行）。雖然聲學(xué)研究的活躍度較低，但所解決的問題卻是非常關(guān)鍵的。
1.1早期理論發(fā)展
1.1.1 賽賓混響時(shí)間
美國聲學(xué)家賽賓（W.C.Sabine，1868年~1919年）關(guān)于混響時(shí)間的理論和測(cè)量無疑是音樂廳聲學(xué)的開創(chuàng)性研究。他為了解決某個(gè)新落成的禮堂音質(zhì)模糊不清的問題，進(jìn)行了廳堂音質(zhì)方面的大量實(shí)驗(yàn)，并最終于1898年找到了混響時(shí)間RT與吸聲量A關(guān)系的數(shù)學(xué)公式，即RT與A 成反比，與廳堂體積V 成正比，由此發(fā)明了混響時(shí)間計(jì)算公式，稱為賽賓公式。賽賓時(shí)任哈佛大學(xué)物理系助教，同年，被邀請(qǐng)擔(dān)任波士頓音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)顧問。混響時(shí)間至今仍是廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)的首要指標(biāo)。
1.1.2 哈斯效應(yīng)
到了20世紀(jì)50年代，室內(nèi)聲學(xué)研究已具備一些基本技術(shù)條件。例如，能夠記錄聲壓級(jí)隨時(shí)間變化曲線，有了可供查詢的常用吸聲材料吸聲系數(shù)表以及不同用途廳堂的混響時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅混響時(shí)間不足以描述室內(nèi)音質(zhì)好壞。由此開啟了新一輪研究工作。
這個(gè)時(shí)期的研究主要基于消聲室中一個(gè)圍繞聽音者的多揚(yáng)聲器系統(tǒng)，如圖1所示[1]。該系統(tǒng)主要用來模擬現(xiàn)場(chǎng)聽音的反射聲和混響聲。最早的研究是在德國哥廷根大學(xué)開展的，第一個(gè)主要成果就是哈斯（H. Haas）于1951年提出的哈斯效應(yīng)，論文發(fā)表于當(dāng)年的Acustica[2]。哈斯的研究主要針對(duì)語聲，指出當(dāng)延時(shí)較短時(shí)（小于50 ms），允許延遲聲強(qiáng)于直達(dá)聲，而不會(huì)影響直達(dá)聲的聽音。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)公共語言擴(kuò)聲有重要意義。當(dāng)然，如今也在音樂擴(kuò)聲領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
圖1 哥廷根大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖
1.1.3 Thiele的清晰度計(jì)算公式
前面提到，建立上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的是找到可以衡量廳堂音質(zhì)的除混響時(shí)間外的其他聲學(xué)參數(shù)。當(dāng)時(shí)的想法是，從廳堂脈沖響應(yīng)出發(fā)進(jìn)行研究，并假設(shè)人耳詮釋聲音的依據(jù)是：①第一個(gè)反射聲的延時(shí)，即后來白瑞納克提出的ITDG（Initial Time Delay Gap）；②在一定時(shí)間間隔內(nèi)反射聲的個(gè)數(shù)；③來自不同方向反射聲的反射階次；④基于聲音能量的某些參數(shù)。
研究人員首先從最后一項(xiàng)找到了突破點(diǎn)。他們通過比較只有直達(dá)聲和只有反射聲這兩種情況，發(fā)現(xiàn)聲音清晰度從最佳變化到最差。那么，早期反射聲的作用又是什么呢？根據(jù)哈斯效應(yīng)，席勒（R.Thiele）認(rèn)為早期聲能應(yīng)計(jì)入直達(dá)聲中，早后期的時(shí)間分界應(yīng)為50 ms，因此，于1953年提出了清晰度計(jì)算公式[3]，定義為早期聲能占總聲能的百分比，即
其中，D 為清晰度，p(t )為所在位置的脈沖響應(yīng)聲壓，0 ms對(duì)應(yīng)直達(dá)聲到達(dá)的時(shí)間。
雖然人們已經(jīng)知道清晰度與混響時(shí)間有關(guān)，但在一些較大廳堂，由于聲源和聽音者周圍缺乏反射面，盡管混響時(shí)間是合適的，聽眾仍然感覺清晰度不夠。Thiele的研究成果解決了這個(gè)問題，標(biāo)志著人們開始關(guān)注早期反射聲的作用。
1.2 早期音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)
很多人存在疑問，在沒有許多聲學(xué)理論作為依據(jù)的當(dāng)年，如何進(jìn)行觀演場(chǎng)所聲學(xué)設(shè)計(jì)？維也納金色大廳建于1870年，卻成為世界上公認(rèn)的音質(zhì)最好的音樂廳之一。事實(shí)上，時(shí)至今日，音樂廳的聲學(xué)設(shè)計(jì)仍然不存在所謂的最佳設(shè)計(jì)，或者可以說，人們還很難把一些對(duì)音質(zhì)有意義的聲學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換到實(shí)際的三維空間。聲學(xué)設(shè)計(jì)的不確定性，導(dǎo)致音樂廳設(shè)計(jì)往往是建筑和功能設(shè)計(jì)占主導(dǎo)的結(jié)果。盡管如此，現(xiàn)今仍存在一些音質(zhì)優(yōu)良的音樂廳。
1914年之前，音樂廳體型基本上都是兩個(gè)側(cè)墻平行的鞋盒式，只有極少數(shù)采用劇院的體型，后者典型代表是建于1891年的紐約卡內(nèi)基音樂廳。這個(gè)時(shí)期音樂廳墻面通常經(jīng)過大量華麗裝飾，從聲學(xué)角度可看成擴(kuò)散處理。
之后，隨著建筑設(shè)計(jì)摒棄鞋盒式體型的思潮，音樂廳平面形狀轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨刃尉佣�，這種狀態(tài)一直延續(xù)到20世紀(jì)的70年代。例如，建于1951年的倫敦皇家節(jié)日音樂廳，主體采用鞋盒式平行墻，但由于寬度較大，考慮到前端演奏臺(tái)過寬，所以大廳前部采用了扇形。這個(gè)廳由于容積不足，存在混響時(shí)間偏小的問題。再如，建于1959年的波恩貝多芬音樂廳，也是扇形體型，采用了大量的擴(kuò)散表面設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)思路可能與19世紀(jì)鞋盒式音樂廳的優(yōu)良音質(zhì)與墻面華麗裝飾的擴(kuò)散效果有關(guān)。
2 20世紀(jì)60年代的發(fā)展?fàn)顩r
2.1 20世紀(jì)60年代的理論發(fā)展
2.1.1 白瑞納克《音樂、聲學(xué)和建筑》的出版
在20世紀(jì)50年代末，白瑞納克的聲學(xué)顧問公司啟動(dòng)了一項(xiàng)對(duì)世界各地音樂廳和歌劇院進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量的計(jì)劃，在此背景下，白瑞納克于1962年出版了題為《音樂、聲學(xué)和建筑》的著作[4]。該書在音樂廳聲學(xué)領(lǐng)域是開創(chuàng)性的，調(diào)查了54個(gè)音樂廳和歌劇院，以同一比例給出了廳堂的平面圖以及內(nèi)部聲學(xué)設(shè)計(jì)照片，并給出混響時(shí)間頻率特性曲線和其他盡可能多的測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，白瑞納克以演奏家和指揮家為對(duì)象進(jìn)行了音樂廳音質(zhì)評(píng)價(jià)調(diào)查，并與聲學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析。調(diào)查結(jié)果正如預(yù)想的那樣，混響時(shí)間并不是影響音質(zhì)的主要參數(shù)，由此白瑞納克提出，初始延時(shí)ITDG是影響音質(zhì)的主要參數(shù)，并將ITDG與親切感相關(guān)聯(lián)。關(guān)于ITDG的作用，其實(shí)一直存在爭議[5]。
2.1.2 施羅德脈沖響應(yīng)積分法和EDT （Early Decay Time）
混響時(shí)間作為廳堂音質(zhì)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，其測(cè)量技術(shù)主要基于室內(nèi)聲壓級(jí)隨時(shí)間衰變曲線的測(cè)量。但是，由于實(shí)際廳堂不是理想的擴(kuò)散聲場(chǎng)，測(cè)得的衰變曲線并不是線性的，而是存在起伏，使得測(cè)量的可重復(fù)性變差，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。解決這一問題的唯一辦法是多次測(cè)量取平均，但比較耗時(shí)費(fèi)力。
哥廷根大學(xué)的聲學(xué)家施羅德（M.R.Schroeder）于1965年提出了測(cè)量混響時(shí)間的脈沖響應(yīng)積分法[6]，并首次加以應(yīng)用。脈沖響應(yīng)積分法等效于多次測(cè)量取平均，但只需測(cè)量一次即可得到所需的混響時(shí)間。其計(jì)算公式為
其中，E (t )為聲能衰變函數(shù)，p 為房間脈沖響應(yīng)聲壓。這種混響時(shí)間測(cè)量法比較方便準(zhǔn)確，因此一直沿用至今。
通過多揚(yáng)聲器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，哥廷根大學(xué)研究人員還發(fā)現(xiàn)，對(duì)混響感起主要作用的并不是通常定義的混響時(shí)間（根據(jù)-5 dB至-35 dB的斜率計(jì)算），更應(yīng)該是前160 ms的聲能衰減速率。而用實(shí)際廳堂的音樂錄音進(jìn)行聽音實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，前15 dB的衰減斜率與聽音的混響感高度相關(guān)。這項(xiàng)研究也得益于施羅德的混響時(shí)間測(cè)量法。最后，V.L Jordan在這些研究的基礎(chǔ)上，于1969年提出早期衰變時(shí)間EDT或稱為T10，作為廳堂音質(zhì)評(píng)價(jià)的又一個(gè)參數(shù)。EDT定義為以聲能從0 dB至-10 dB的衰減斜率計(jì)算的混響時(shí)間，主要用于評(píng)價(jià)聲音的混響感。
2.1.3 早期側(cè)向反射聲的重要性和空間感參數(shù)
1967年，新西蘭聲學(xué)家馬歇爾（H. Marshall）首次以發(fā)表論文的形式[7]，指出早期側(cè)向反射聲對(duì)改善廳堂聽聞的重要性。促成馬歇爾這一研究發(fā)現(xiàn)的背景是，當(dāng)時(shí)廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)的體型選擇極度缺乏理論依據(jù)，而較窄的鞋盒式音樂廳以良好音質(zhì)得到廣泛認(rèn)可。因此，馬歇爾關(guān)注到側(cè)向反射聲的作用。馬歇爾將早期側(cè)向反射聲產(chǎn)生的聽感稱為“空間響應(yīng)”，并且指出，聽眾更偏愛在能提供更加豐富的早期側(cè)向反射聲的廳堂聽音。
英國聲學(xué)家巴�。∕. Barron）于1968年在南開普敦開展了針對(duì)早期側(cè)向反射聲的主觀聽音實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空間感與早期側(cè)向反射聲能量占總聲能的百分比密切相關(guān)，并將早期定義為延遲小于80 ms，為最終在1981年提出側(cè)向能量因子奠定了基礎(chǔ)。
在認(rèn)識(shí)到早期側(cè)向反射聲對(duì)空間感的作用后，研究人員開始關(guān)注雙耳效應(yīng)對(duì)聽音的影響，在隨后幾年中，相繼提出了視在聲源寬度ASW （Apparent Source Width）的概念和雙耳互相關(guān)系數(shù)IACC （Inter-aural Crosscorrelation），認(rèn)為早期側(cè)向反射聲產(chǎn)生的空間感可以用ASW描述，而IACC越小，空間感越強(qiáng)。
2.2 20世紀(jì)60年代的音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)
20世紀(jì)60年代的音樂廳體型仍然少有鞋盒式，大多數(shù)是扇形，也有一些其他體型如橢圓形、六角形、山地式等。下面以三個(gè)音樂廳為例，從中了解當(dāng)時(shí)音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)狀況。
紐約愛樂音樂廳建于1962年。當(dāng)時(shí)，白瑞納克所在公司承擔(dān)聲學(xué)顧問之職，并建議采用平行側(cè)墻，但是最終妥協(xié)采用了扇形平面。在首演后，該音樂廳就得到聽音效果不好的評(píng)價(jià)。關(guān)于聲學(xué)設(shè)計(jì)哪方面出了問題，當(dāng)時(shí)并沒有人給出明確分析。該音樂廳于1978年進(jìn)行改建，重新采用了原來的矩形平面設(shè)計(jì)。
柏林愛樂音樂廳建于1963年。音樂廳聲學(xué)顧問正是德國著名聲學(xué)家克萊默（L. Cremer），而建筑設(shè)計(jì)師很不喜歡樂隊(duì)位于一端的平面設(shè)計(jì)導(dǎo)致演奏者和聽眾之間缺乏互動(dòng)，希望演奏臺(tái)位于聽眾區(qū)中心�？巳R默對(duì)環(huán)繞式設(shè)計(jì)存在兩點(diǎn)顧慮：一是樂器特別是演唱者的聲音指向性可能使某些區(qū)域聽音效果變差；二是連成一片的聽眾區(qū)可能缺乏早期側(cè)向反射聲。最終，聲學(xué)設(shè)計(jì)必須做出妥協(xié)�？巳R默的解決辦法是，將聽眾區(qū)設(shè)計(jì)為階梯式，并用側(cè)板進(jìn)行分區(qū)，利用側(cè)板提供一定的早期側(cè)向反射聲。這樣就誕生了世界上第一個(gè)山地葡萄園式設(shè)計(jì)。這個(gè)音樂廳的音質(zhì)獲得了好評(píng)，隨后出現(xiàn)了一系列山地式音樂廳。
鹿特丹多倫音樂廳建于1966年。該音樂廳采用六邊形體型，演奏臺(tái)和大廳前部又設(shè)計(jì)成一個(gè)附屬的六邊形，最終形成一個(gè)加長的六邊形體型，并且對(duì)墻面做了很高程度的擴(kuò)散處理。這些設(shè)計(jì)元素綜合起來，使之成為世界上公認(rèn)的音質(zhì)良好的音樂廳之一。
3 20世紀(jì)60年代后的發(fā)展?fàn)顩r
3.1 20世紀(jì)60年代后的理論發(fā)展
3.1.1 多維度主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)
1971年Hawkes 和Douglas發(fā)表了一篇關(guān)于音樂廳音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的論文[8]，標(biāo)志著音樂廳音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)性研究的開始。例如，在音樂廳現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行問卷調(diào)查，問卷給出多個(gè)評(píng)價(jià)術(shù)語，評(píng)價(jià)術(shù)語的選擇要使大多數(shù)參評(píng)者能夠辨別不同術(shù)語的含義，然后收集問卷并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的主要目的是找到對(duì)廳堂音質(zhì)起主要作用的主觀評(píng)價(jià)術(shù)語和客觀測(cè)量參數(shù)。
3.1.2 仿真頭技術(shù)在音樂廳聲學(xué)的應(yīng)用
在20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟的仿真頭技術(shù)，在音樂廳聲學(xué)研究中得到了應(yīng)用。利用音樂廳現(xiàn)場(chǎng)的仿真頭錄音，可以將不同音樂廳的錄音帶回實(shí)驗(yàn)室，然后用相同的被試進(jìn)行主觀聽音實(shí)驗(yàn)，這樣不僅解決了轉(zhuǎn)場(chǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，而且解決了聽覺記憶時(shí)間有限帶來的困擾。
主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)得到了兩個(gè)重要結(jié)論。第一，描述廳堂音質(zhì)的主要評(píng)價(jià)術(shù)語為清晰度、混響感、包圍感（或空間感）和響度。雖然響度的作用是顯而易見的，但是研究結(jié)果表明，聽音者對(duì)響度的敏感度大大超出預(yù)期。第二，在進(jìn)行音質(zhì)總體偏愛度評(píng)價(jià)時(shí)，不同聽音者對(duì)不同術(shù)語所設(shè)的權(quán)重不同，如有些聽音者非�？粗仨懚�，而另外一些則認(rèn)為清晰度比較重要。
3.2 20世紀(jì)年代之后的音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)
在20世紀(jì)70年代，音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)依然是折衷性、選擇性和實(shí)驗(yàn)性的，沒有所謂的最佳設(shè)計(jì)，導(dǎo)致聲學(xué)方面依然不占主導(dǎo)，只能采用妥協(xié)的辦法。例如，橢圓形基督城市政音樂廳只能通過大反射板提供早期側(cè)向反射聲；悉尼歌劇院聲學(xué)設(shè)計(jì)受制于著名的貝殼式建筑外形，聲學(xué)效果并不理想。到了20世紀(jì)70年代以后，音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)出現(xiàn)回歸鞋盒式的明顯趨勢(shì)，同時(shí)山地葡萄園式開始受到青睞。
4 音樂廳聲學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀
音樂廳聲學(xué)在20世紀(jì)60年代得到快速發(fā)展，到了80年代，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列客觀評(píng)價(jià)測(cè)量參數(shù)，并能夠通過計(jì)算機(jī)建模對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行一定程度的檢驗(yàn)。但將這些客觀參數(shù)付諸廳堂的實(shí)際設(shè)計(jì)并非易事。
盡管音樂廳聲學(xué)早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)完成了基礎(chǔ)性研究，但是，在完美詮釋音樂廳聲學(xué)之前，還有很多需要解決的問題，例如，墻面擴(kuò)散面積所占百分比多少合適、在哪里設(shè)置擴(kuò)散面、客觀測(cè)量參數(shù)的最佳值是多少、實(shí)際廳堂應(yīng)具有怎樣的聲學(xué)特性、到底哪些重要哪些并不重要。此外，讓所有聽眾區(qū)而不是個(gè)別區(qū)域獲得良好聽聞，是一個(gè)急待解決的問題，演奏者的聽聞條件也還沒有得到完全解決。
21世紀(jì)以來，國內(nèi)外新建音樂廳仍然以環(huán)繞式、山地式體型為主。人們偏好這類體型的主要原因是其良好的視覺效果，以及演奏者與聽眾的良好互動(dòng)關(guān)系。事實(shí)上，其中一些音樂廳的音質(zhì)并不十分理想，遠(yuǎn)沒有達(dá)到優(yōu)秀的水平，這一點(diǎn)已經(jīng)引起研究人員的關(guān)注，并開始對(duì)環(huán)繞式音樂廳的聽覺效果進(jìn)行更加深入的研究[9]，同時(shí)指出，作為音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)者，不應(yīng)該僅僅滿足于視覺帶來的聽感附加值，而應(yīng)該最大程度地滿足聽眾的聽覺感受。
現(xiàn)代信息技術(shù)能夠很好地模擬和處理音樂廳聲音信號(hào)，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越20世紀(jì)50年代的多揚(yáng)聲器系統(tǒng)。芬蘭奧拓大學(xué)的研究人員正在實(shí)驗(yàn)室用最先進(jìn)的模擬系統(tǒng)進(jìn)行音樂廳聲學(xué)研究[9]，如圖2所示。該系統(tǒng)采用33個(gè)不同高度的揚(yáng)聲器進(jìn)行重放（圖中只列出24個(gè)），只需輸入特定技術(shù)測(cè)量的音樂廳脈沖響應(yīng)，系統(tǒng)便能分析出直達(dá)聲和早期反射聲的大小和方向，饋送給相應(yīng)方向的揚(yáng)聲器，從而在實(shí)驗(yàn)室模擬出整個(gè)樂隊(duì)演出的現(xiàn)場(chǎng)聽音。
圖2 音樂廳聲場(chǎng)模擬系統(tǒng)
此外，主觀聽感差異還可以從計(jì)算得到的聲能隨時(shí)間、空間和頻率三個(gè)維度的變化特性看到，為分析和解決問題提供了更大的可能性。
隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，如今的研究手段已非昔日可比，相信經(jīng)過科研人員的不斷努力，能夠解決音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)仍然存在的諸多問題，使音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)更大程度滿足人們的聽覺感受。
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