公共空间中的声环境

§6．4　公共空间中的声环境

在人们的日常生活、学习和工作中，经常会遇到许多声音方面的问题。例如，在礼堂中听报告听不清楚；在剧场内很好的座位上看表演，但听得很吃力，等等。凡此种种，说明在工业与民用建筑及城市规划中，存在着一系列需要解决的声学问题。所以学习和运用这方面的知识，对做好空间设计工作是十分必要的。

6．4．1　声环境的基础

在公共空间声环境中，声学是声音的设计基础。人们通过听觉器官感知声音。对任何事物的理解主观上都有喜恶之分。声音的主观感受不仅定义了音乐与噪声的差异，也说明了与之沟通的空间的品质。这个领域有许多实用的分支，包括噪声控制、心理声学（声音对人的心理影响）、生理声学（声音对人身体的影响）、生物声学（声波应用于医学诊断）和建筑声学等。

1．建筑声学

建筑声学在公共空间环境中有着重要的地位。由于个人爱好千差万别，在这一领域的许多方面，尤其对于音乐，存在较多争议。从声波的来源探讨空间声学是最合理的开始。

当弹性介质中以多种速率产生能够被人们听觉器官感知的压力振动时，声音就产生了。声音的产生是物理现象，而噪声是声音的一种主观感受，影响人们工作、学习、休息的声音都称为噪声。对噪声的感受因各人的感觉、习惯等而不同，因此噪声有时是一个主观的感受。一般来说人们将影响人的交谈或思考的环境声音称为噪声。如果森林中的树木倒了，附近并没有一个人听到，虽然这棵树产生了声音，却不是噪声。

如果压力振动源位置固定（相对于固定观察者）且物理尺寸小于声源与观察者之间的距离，我们称之为点声源。如果该声源以恒定速率振动，便产生纯音。可以用单一频率或单一振动速率描述该声源。频率单位称为赫兹（符号为Hz）。自然界中纯音很少存在，多数声音包含许多可听频率。

人类的可听频率范围是20～20 000Hz。在这个频率范围内，我们最敏感的频率成分在500～4 000Hz之间。这并非偶然，这个频率范围与人类所发出的声音的主要频率范围是一致的。尽管我们中的多数人可以听到20～500Hz：的低频声和4000～20 000Hz的高频声，但人们的听觉器官对这些声音不敏感。频率低于20Hz的声音称为次声波。尽管多数人听不到这些频率的声音，但由于人们的内部器官在5～15Hz频率范围内会产生共振，因此能感受到振动。每一个自然实体都有一个与其相应的共振频率，由其密度决定。材料暴露在其共振频率附近的声音下所产生的振动远大于暴露于其他频率的声音下。在极端的例子中，高声级的次声能够干扰我们内脏器官的健康工作。频率高于20 000Hz的声音称为超声波。这些频率能聚焦成窄束，常被广泛用于医学诊断等方面。

声波的波长与频率成反比。换句话说，当频率减小时波长增加，频率增加时波长减小。声速是声音传播的速度。声速依赖于声波传播过程中介质的密度（例如，空气、水或固体材料）和温度。控制声音时这些值是重要的。因为只有声波波长小于隔墙尺寸时，隔墙才能有效地隔声。对于反射和降噪也是一样的。

点声源向各个方向传播的声能是相等的，其辐射图谱类似以声源为中心的球形。如果声源是火车或是高速公路上稳定的交通流，就不适合看成点，更适合看成线，其辐射图谱类似于柱面（如果声源在地面，则为半柱面），这类声源称为线声源。

2．听觉过程

声学只有通过人们对声音加以解读才有意义，因此了解人的听觉器官，对全面了解声学这门科学是有帮助的。人的耳朵一般分为外耳、中耳、内耳，外耳的职责是将聚拢的声波送入其他听觉器官，如果我们头上没有耳廓，我们周围多数的声音会听不到。声波通过耳道作用于耳鼓膜，也就是医学领域所称的鼓室隔膜。耳鼓膜是听觉机制的第一关，耳鼓膜将声能转换成另一种能量形式，进而传到大脑中心进行翻译。耳鼓膜也是外耳的终止点。外耳本身是一个圆柱形通道，一边开口于耳廓而另一边终止于耳鼓膜。类似一个管乐器，根据其尺寸对特定频率的声音产生调谐作用。典型的人耳耳道大约2．5～3cm长，同样长的管乐器的共振频率范围大约在2 000～3 000Hz，因此，这应是我们最敏感的频率范围。实际上我们的外耳将这一范围的声音放大。这样既有优点又有缺点，优点是2 000～3 000Hz频率范围是人类语言频率的上限，在人们发出的辅音中占主导地位，可以帮助人们彼此交流。缺点是人们在这一频率范围存在最先失去听觉敏感性的趋势，使交流更困难。暴露在高声压级中，会使这一频率范围内的听觉敏感性受到损伤，从而失去听觉。

声波继续前行，带动耳鼓膜振动，进入中耳。耳鼓膜振动由中耳室空腔中三块小骨（称为听骨）继续传递。锤骨、砧骨和镫骨将耳鼓膜的振动传到卵圆窗，卵圆窗是内耳的入口。关于中耳功能有一点值得说明，这三块骨头的作用是调整音量使其适合内耳器官，亦即，如果声压级很高，连接这些骨头的肌肉使它们分开，减少进入内耳的声音强度。对于脉冲声，这种反射是无效的，因为这一类型声音发生的速度远大于器官自我保护反应的速度。

中耳的空腔通常与外部世界密封隔绝，当压力改变直到中耳密封被打破时，人体才会感受到。这种压力的不平衡源自海拔高度的改变，耳鼓膜后部会有受压的感觉。中耳和外部的世界唯一的连接是咽鼓管，咽鼓管连接中耳到咽喉，当吞咽或打呵欠时密封结构打开，使中耳的压力减至正常。

一旦声能到达卵圆窗，将引起卵圆窗的振动，被称为蜗形管的充满液体的螺旋形器官随后产生波动，类似于海洋的波动。蜗形管上排列着微小的、毛发似的细胞，在液体中波动。这些毛细胞的波动，将机械能转换成电能，并将这些电信号传送至听觉神经。

听觉神经将来自于全部毛细胞的电信号传送至大脑，并在大脑中进行处理，进而理解为声音。整个听觉过程仅用毫秒即可完成。

3．声传播方向的改变

声波通过四种现象改变传播方向：反射、折射、衍射、漫射。当声波传播过程中介质发生改变时，这些现象就产生了。声波传播与光学遵循同样的物理原理。光和声所不同的是频率范围。可见光的频率范围是16亿～28亿Hz。可听声的频率范围是20～20 000Hz。

（1）反射。当声波进入密度有明显改变的介质时，一些能量被反射。如同镜子对光的反射一样，入射角等于反射角。声波也是入射角等于反射角，如图6－23所示。典型的反射面是光滑且坚硬的表面。室内声学中一些通常由声音反射引起的声学问题是回声和房间共振。听觉器官在听觉过程中的局限性导致回声。当两个声音到达时间相差不到两个反射墙彼此平行的房间内，将在某些特殊频率产生房间共振。在这种情况下，两墙之间的距离是特定半波长的整数倍。因为墙的表面反射声音，在房间两墙之间的镜面反射形成固定的压力模式。这种现象称为驻波，这种形式是最简单的房间共振，如图6－24所示。此外也可以在二维空间或三维空间形成更复杂的驻波，我们分别称为切向驻波和斜向驻波。驻波在设计中产生的问题是驻波在室内产生不均匀的声音分布。即在一些地方声压级高而另一些地方声压级低。

图6－23　声波的反射

图6－24　驻波的形成

（2）折射。正像光通过棱镜会弯曲，介质条件发生某些改变时，虽不足以引起反射，但声速发生了变化，声波传播方向会改变。除了声速因材料或介质不同而改变外，在同样介质中温度改变也会引起声速改变。这种由声速引起的声传播方向改变称为折射，如图6－25所示。

图6－25　声音的反射

（3）衍射。声衍射原理限制了开敞式办公室隔断或室外噪声隔声屏障的声音衰减效果。声波沿墙体的周边弯曲并越过这些墙体。声衍射影响到降噪效果，而与隔断采用的材料无关，如图6－26所示。

（4）漫射。凸表面或不平坦表面反射声波时，反射声的传播要比被限制在固定方向上声传播均匀。这种现象称为声漫射。与漫射光一样，粗糙球形表面比光滑的球形表面更容易产生漫反射。尽管人们不希望出现因不连续反射而引起的回声，但房间中的这些声能也许并不希望被消除掉。例如，在观众厅或音乐厅中漫反射是有用的，漫反射可以使声音遍布整个观众厅，确保所有听众听到相同音质。至少从声学观点看，漫射可以使观众厅中听音不良的座位减到最小，如图6－27所示。

图6－26　声衍射

图6－27　声漫射

6．4．2　声环境设计

声环境设计是专门研究如何为建筑使用者创造一个合适的声音环境。声音是人类行为中重要的组成部分。人们可以听到的声音都属于声环境的范畴，如语音、鸟鸣、音乐、泉水叮咚、歌声等；以及吵闹、机器轰鸣、车辆的轰鸣等噪声。从人的感受上声音分为两类：一类是舒适的，如音乐、歌唱、生活中的交谈等；还有一类是不舒适的，如噪声、爆炸声、刺耳的啸叫声等。

有时舒适声音也会转换成不舒适的声音，如邻居的歌声，别人之间的甜言蜜语以及应该听见听清而听不见、听不清的交谈等。声环境设计围绕着人的感受，在空间设计中做到降低不舒适声音（噪声）对正常工作、生活的干扰，即控制噪声。如何保证舒适的声音听清听好，即空间音质设计。

1．噪声控制

科学家们已经全面研究了噪声对生物和人类的影响。如小白鼠在160分贝的环境中，几分钟就会死亡；人在喷气发动机5米处，几分钟就变成聋子。一般认为40分贝是正常的环境声音，在该值以上就是有害的噪声。噪声损伤人的听觉，人们短期处于噪声环境中，即使离开噪声环境，耳朵也会造成短期的听力下降，但当回到安静环境中，经过较短的时间即可以恢复。这种现象称为听觉适应。如果长年无防护地在较强的噪声环境中工作，在离开噪声环境后听觉敏感性的恢复就会延长，经数小时或十几小时，听力可以恢复。这种可以恢复听力的损失称为听觉疲劳。随着听觉疲劳的加重会造成听觉机能恢复不全。因此，预防噪声性耳聋首先要防止听觉疲劳的发生。一般情况下，85分贝以下的噪声不至于危害人的听觉，而85分贝以上则可能危害人的听觉。相关统计表明，如果人们长期工作在90分贝以上的噪声环境中，耳聋发病率明显增加。噪声影响人的睡眠，人类有近的时间是在睡眠中度过的。睡眠是人类消除疲劳、恢复体力、维持健康的一个重要条件。但环境噪声会使人们不能安眠或易惊醒，在这方面，老人和病人对噪声干扰更为敏感。人的睡眠被干扰后，工作效率和健康都会受到影响，相关研究结果表明，连续噪声可以加快熟睡到轻睡的回转，使人多梦，并使熟睡的时间缩短；突然的噪声可以使人惊醒。一般来说，40分贝的连续噪声可以使10%的人受到影响，70分贝的连续噪声可以使50%的人受到影响，而突发噪声在40分贝时，可以使10%的人惊醒，突发噪声到60分贝时，可以使70%的人惊醒。长期干扰人的睡眠会造成人们失眠、疲劳无力、记忆力衰退，以至产生神经衰弱症等。在高噪声环境中，这种病的发病率可达50%～60%。噪声对语言交流也有干扰，噪声对语言交流的影响，来自噪声对人们听力的影响。这种影响，轻则降低交流效率，重则损伤人们的语言听力。相关研究表明，30分贝以下属于非常安静的环境，如播音室、医院等应该满足这个条件。40分贝是正常的环境，如一般办公室应保持这种水平。50～60分贝则属于较吵的环境，此时人的脑力劳动受到影响，谈话也受到干扰。当打电话时，周围噪声达65分贝则对话有困难；在80分贝时，则听不清楚。在噪声达80～90分贝时，距离约0．15米也得提高嗓门才能进行对话。如果噪声分贝数再高，实际上不可能进行对话。噪声可以引起多种疾病，噪声除了损伤人的听力以外，还会引起其他人身损害。噪声可以引起心绪不宁、心情紧张、心跳加快和血压增高。噪声还会使人的唾液、胃液分泌减少，胃酸降低，从而易患胃溃疡和十二指肠溃疡。一些工业噪声调查结果显示，劳动在高噪声条件下的炼钢工人和机械车间工人比安静条件下人的循环系统发病率高。在强声下，患高血压的人也多。许多人认为，20世纪生活中的噪声是造成心脏病的原因之一。长期在噪声环境下工作，对人的神经功能也会造成障碍。实验室条件下人体实验证明，在噪声影响下，人脑电波可以发生变化。噪声可以引起大脑皮层兴奋和抑制的平衡，从而导致条件反射的异常。有的患者会引起顽固性头痛、神经衰弱和脑神经机能不全等。症状表现与接触的噪声强度有很大关系。

控制噪声的原则：噪声的防治主要是控制声原的输出和声的传播途径，以及对接收者进行保护。其中在声源处降低噪声是最根本的措施。

对声源噪声的具体控制：通过改进结构，降低声源的噪声发射功率，利用声的吸收、反射、干涉等特性，采用吸声、隔声、减振等技术措施，以及安装消声器等，以控制声源的噪声辐射。声波在传播过程中其能量是随距离的增加而衰减的，因此应使噪声源远离安静区。声的辐射具有一般指向性，低频的噪声指向性差，频率增高，指向性增强。因此控制噪声的传播方向（包括改变声源的发射方向）是降低高频噪声的有效措施，建立隔声屏障或利用天然屏障（土坡、山丘或建筑物），以及利用其他隔声材料和隔声结构来阻挡噪声的传播，利用吸声材料和吸声结构，将传播中的声能吸收消耗。对固体振动产生的噪声采取隔振措施，以减弱再生的传播。在城市建设中，采用合理的城市防噪规划，在接受点，为了防止噪声对人的危害，可以采取以下防护措施：佩戴护耳器，如耳塞、耳罩、防噪头盔等。减少在噪声中暴露的时间，根据人的听觉灵敏度，适当调整噪声环境中的工作人员。

2．空间音质设计

室内音质设计是建筑声学设计中的一项重要内容，其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素。室内音质设计应在建筑设计方案初期就同时进行，而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和施工的全过程中，直至工程竣工前经过必要的测试鉴定和主观评价，进行适当的调整、修改，才有可能达到预期的效果。

（1）室内音质的主观评价：室内音质的主观评价为音质好坏的最后标准是听众、演唱者的主观感受。

（2）响度：响度是指人们听到的声音的大小。足够的响度是室内具有良好音质的基本条件。与响度相对应的物理指标是声压级。

（3）丰满度：丰满度是指人们对声音发出后“余音”的感觉。在室外，声音感觉“干瘪”，不丰满，与丰满度相对应的物理指标是混响时间。

（4）色度感：色度感是指对声源音色的保持和美化。良好的室内声学设计应保持音色不失真且对声源具有一定美化作用，如温暖、华丽、明亮，色度感相对应的物理指标主要是混响时间的频率特性以及早期衰减的频率特性。

（5）空间感：空间感是指室内环境给人的空间感觉，包括方向感、距离感（亲切感）、围绕感等。空间感与反射声的强度、时间分布、空间分布具有密切关系。

（6）清晰度：清晰度是指语言训练房间中，声音是否听得清楚。清晰度与混响时间具有直接关系，还与声音的空间反射情况及衰减的频率特性等综合因素有关。

（7）声学缺陷：声学缺陷是指回声、颤动回声、声聚焦、声遮挡、声染色等影响听音效果及声音音质的缺陷。

（8）客观指标：

①声压级。房间中某处的声压级反映了该处的响度。在声源功率一定的情况下，增大声压级需要获得更多的反射声。

②混响时间（RT）。混响时间与室内的混响感、丰满度、清晰度有很大关系。混响时间越长，人们越感音质丰满，但清晰度越差；混响时间越短，人们越感“干”，但清晰度提高。混响时间的频率特性与音色有一定关系，混响时间低频适当增长，声音有温暖感、震撼感；混响时间高频适当增长，声音有明亮感、清脆感。

③反射声时间序列分布。人们最先听到的是直达声，之后是来自各个界面的反射声。一般地，直达声后50ms到达的声音被称为近次反射声，这部分声音对加强直达声的响度、提高其清晰度、维护声源方向起到很大作用。对于语言训练，人们提出清晰度D（difinition）的概念，对于音乐演奏人们提出明晰度C（clarity）的概念。

④空间分布。来自前方的近次反射声能够增加亲切感，来自侧向的反射声能够增加环绕感。一般地，听者左右两耳接收的侧向反射声有较大差别，形成了人们对声源的空间印象。

在小型厅堂（高为10m以内，宽为20m以内）中，20～35ms是直达声与最早的一次反射声的时间间隔；在大型厅堂（高为10m以上，宽为20m以上）中，这样的反射声要靠专门设计的反射面来获得。在音乐厅设计中，应尽可能增大侧向的前次反射声在整个反射声能中的比率，以此来增加声音的环绕感。

6．4．3　各类公共空间的音质设计

各类建筑物，如音乐厅、各类剧场、电影院、多功能大厅、教室、讲堂、体育馆以及录音室等，对音质的要求各不相同，设计中要解决的问题也不同，要根据以上所阐述的原则和方法，结合实际灵活处理。另外，上述建筑物中还有许多的附属房间，如门厅、休息厅、走廊等，这类附属房间对创造整幢建筑物的声环境也具有重要作用。如沉寂的门厅、走廊，会使人感到观众厅的音质更加丰满，而混响很长的门厅、走廊，不仅会使整幢建筑物给人以嘈杂的印象，而且会影响人们对观众厅音质丰满度的感受。因此应把整幢建筑物作为一个整体来进行声环境设计。

音乐厅是为交响乐、室内乐、声乐等音乐演出用的专用大厅。对混响时间的要求为：交响乐1．8～2．2s；民族乐1．6s较为理想；室内乐1．7s较理想。以一种功能为主，兼有其他功能的房间，可以采用以下两种方法改变混响时间：第一种是改变房间的体积；第二种是改变墙面的吸声量（开较多的窗户，要求混响时间长；关窗，要求混响时间短，可以把窗户打开）。

剧院有歌剧院、戏剧院、话剧院等多种类型，其特点是有独立于观众厅的大舞台空间，多以镜框式台口与观众厅相连，一般还有乐池。剧院在体形上都应考虑使前次反射声均布于观众席。歌剧院是以满足歌唱与音乐演奏为主，混响时间应当较长，但略小于音乐厅。

在电影院内听声音，与在剧场内听音乐有所不同。电影录音的过程大致是在录音棚内用传声器拾音，然后经过一系列制作过程录在电影胶片上。观众在电影院内听到的是通过扬声器重放出来的声音。电影的不同场面，在声学环境上有时差别很大，譬如可以包括表现一个大教堂内的特殊声学效果（其混响时间可达8s）或在露天雪地的声音沉寂的空间，为了让观众能清晰地听到影片某一特定场景的录音效果，尽量不要受到观众厅内声学环境的影响。根据这一特点，电影院内应具有较短的混响时间。但混响时间也不宜过短，混响时间过短，一方面会使观众厅内声音过于沉寂，应取建议值；另一方面，对后墙应加以分隔或采取强吸声处理，对于一些有可能产生回声、长延时反射、声聚焦的界面，应作认真的声学处理。

为了提高厅堂的利用率，许多观众厅设计成既可以演出又可以开会或放电影的多功能厅堂，常被称为影剧院或礼堂。多功能厅堂的音质设计一般多采用折中的方法，即在体形上争取前次反射声的均匀分布，适当安排扩散处理，以满足自然声演出的需要。同时又设置电声系统，满足会议、讲演以及小音量演出（独唱、独奏、部分戏剧）的需要。混响时间取音乐厅与语言用大厅的中间值，或者以主要功能为主选择最佳混响时间，次要功能则采用电声系统配合实现。