美国声学学会会刊《今日声学》2019年最新文章：一线工程师浅谈音乐厅声学的艺术

来源：两江科技评论

《今日声学（Acoustic Today）》是美国声学学会创办的面向专业与大众读者的专业科普杂志。杂志为季刊，大多数文章以约稿形式向业内人士征集，尤其是前沿的声学家、第一线的声学工程师、跨学科跨领域的科学家。此外，《今日声学》作为美国声学学会的会刊也定期发布声学界的各类新闻、短评、采访、讣告，是美国乃至全世界声学工作者的一个交流平台。

原文标题：“The Art of Concert Hall  Acoustics: Current Trends and Questions in Research and Design”

作者：Kelsey Hochgraf（Acentech建筑声学设计所高级顾问）

编译：黄唯纯博士（南京大学光声超构材料研究院）

校对：马仁杰、郭孟真

音乐厅声学的“卓越性”是什么?一个多世纪以来，声学家一直在寻找这个问题感知与认知的答案。尽管当下我们已经在设计与研究方面获得了丰富且深刻的经验，但我们不得不承认世界上最好的古典管弦乐音乐厅仍然是以下公认的经典，那就是维也纳金色大厅(1870年建成)、阿姆斯特丹皇家音乐厅(1888年建成)和与波士顿交响音乐厅(1900年建成)。这些音乐厅在几十年内相继建成，声学上的成功很大程度上要归功于它们幸运地采用了“鞋盒”形状，以及对其他成功音乐厅的借鉴。如今，我们对音乐厅如何传递乐器的声音有了更深入的理解，我们收集了大量感知和物理方面的数据，试图解释这一现象，但在很多方面，卓越的定义仍然难以捉摸。本文讨论了当前音乐厅声学设计的趋势，包括了大家都很了解的主题和有待回答的问题，并挑战“卓越性”是否可以单单由建筑形状或一些数值参数来定义的概念。

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这是每个音乐厅工程开始时都会问的一个基本问题，但要简单扼要地回答这个问题却出奇地困难。音乐厅的主要目的是为音乐家和观众之间的交流提供一个媒介(Blauert, 2018)。声学体验有许多不同的角度，而音乐家与观众关注的角度不尽相同，促成两者之间的交流至关重要。在舞台上，音乐家需要良好的工作环境，使他们能听到自己与合奏，并与音乐厅空间形态取得平衡；对于观众席的听者来说，明确描述他们的需求则更加困难。

听众乐于融入音乐，但这一需求的声学含义是复杂且高度主观的。几十年来，这个问题一直是丰富多样研究的焦点，包括Beranek(1962、1996、2004)，其相关成果在Markham, 2014中有所总结（Hawkes and Douglas (1971)， Schroeder et al. (1974)， Soulodre and Bradley (1995)， Lokki et al.(2012)等人在《今日声学》之前的一期中总结了这一观点）。这些研究建立了相关感觉特征的通用词汇表，并试图从几个关键因素中提取出听者偏好与感知之间的关系，但音乐厅的听觉感知确实是多维的。Kuusinen和Lokki(2017)最近提出了一种“音乐厅音响之轮”的观点，如图1所示，将相关感知因素分为8类:清晰度、混响、空间印象、亲近感、响度、平衡感、音色以及降噪（无关声最小化）。

虽然对于与听众偏好最相关的特定属性还没有达成共识，但人们一致认为，不同的人会优先考虑听觉体验的不同元素。多项研究表明，听众至少可以分为两种偏好:一种偏向声音更大、混响更强、环绕声更强的音响效果，另一种则偏向更亲密、更清晰的声音(Lokki et al.， 2012; Beranek,2016)。第一类人的听力偏好通常适用于具有“鞋盒”音乐厅(高、窄、长方形)的声学特征，如维也纳、波士顿和阿姆斯特丹的音乐厅；第二类听众可能更容易受到听古典管弦乐录音的感受的影响，而非现场表演所产生的(Beranek et al.， 2011)。然而，所有的因素对听力体验都很重要。即使是偏好更清晰声音的听众也需要足够的响度、混响和包络度(Lokki et al.， 2012)。从历史上看，声学家认为的如混响和清晰度此类感知，是相互对立的，但现在新的研究重点是找到一个共同点来吸引更多的听众。

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听觉流分离法解码听觉体验

一个创新的方法是基于听觉流分离的原则，它是建立在Bregman(1990)的听觉场景分析模型的基础上。根据这个模型，大脑将复杂的听觉场景分解成不同的流，以区分不同的声源和背景噪声。“鸡尾酒会效应”是一个常见的例子, 它描述了一个人在嘈杂的房间仍然可以选择性地关注一个对话，但仍下意识地从噪声处理听觉信息(例如,听者会注意到如果有人在房间里说他们的名字)。在音乐厅里，听众的大脑呈现出一个复杂的音乐场景，需要以某种方式组织起来以提取意义，否则，它会被视为噪音。在巴黎声学与音乐研究与协调研究所(Institute for research and Coordination in Acoustics and Music)的研究支持下，Kahle(2013)等人提出，大脑将音乐厅中的听觉场景分解为两个截然不同的流:源和房间。如果听众能从房间中独立地感知到音乐的来源，那么他们就能在感受房间回响的同时感知到管弦乐队的清晰度。Griesinger(1997)提出，这种流分离取决于听者将来自不同乐器的直接声音与其他乐器以及房间内反射的声音进行局部化的能力。虽然大脑可能分别感知听觉流，但听觉源和房间反应是相互依赖的。在空间和时间上更好地理解这种关系，对于未来更全面地整合听觉感知范围是至关重要的。

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如果没有一套感知因素来保证音质的卓越性，那么应该由谁来决定一个新的音乐厅具有怎样的音效呢? 近日，在本文作者与世界各地的声学家进行的采访中，出现了三个典型的答案:管弦乐队、声学家，或者两者兼而有之。Scott Pfeiffer、Robert Wolff和Alban Bassuet讨论了美国新音乐厅的早期设计过程，其中经常包括参观现有的空间，以便管弦乐队的音乐家、指挥家以及声学家和建筑师可以一起听音乐会，并交流体验。    Pfeiffer提出了一个“创造与客户共享语言，驾驭声音美学价值”的新观念。Wolff提到管弦乐队的音乐家往往有很强的听觉偏好，这归功于他们多年来一起演奏，并且经常有机会从观众的角度去倾听彼此；Bassuet则强调声学家在设计音乐厅时更应当担起“与音乐家换位思考”的责任，以此来设定感知目标。Eckhard与Kahle更多地讨论了美国以外地区音乐厅早期设计过程的不同，音乐厅所有者经常雇用独立的声学家团队开发一个“声学简报”，和设计团队互相竞争提出方案以供最有效的回应在“声学简报”中提出的声学设计目标。有了如此多的感知因素和优先排序的方法，世界各地的音乐厅听起来彼此如此不同就不足为奇了。

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如何将感知目标转化为

可测量的量化数据?

考虑到音乐厅是一个线性、定常的系统，脉冲响应测量可以用来了解房间如何改变乐器的声音。图2显示了使用全向扬声器和两个不同麦克风测量的脉冲响应。用全向麦克风测量的脉冲响应(图2，左)说明了从扬声器到麦克风的直接声音路径，早期反射强烈且彼此不同，较弱的晚期反射在时间上间隔很近且衰减平稳。测量数据的分析目前是在时间上将信号分割开，并在不同的八度频带上进行，虽然与每个感知最相关的时间段是正在进行的研究主题，但它们是暂时分开的。为了了解听众周围反射的空间分布，可以使用定向麦克风阵列测量多通道脉冲响应(图2，右侧)。而利用全向声源测量脉冲响应，可以得到ISO 3382-1:2009标准中设定的几个数值参数。

越来越多的声学家一致认为，尽管这些参数中有许多是有用的，但它们并不能完全代表音乐厅的声学效果。在接受本文作者采访时，Pfeiffer指出，“在给定的参数中，在一定范围内它们的性能是可以接受的”，但“完美声学的神话圣杯”并不存在。声学家Paul Scarbrough指出，标准参数在描述声音的空间分布方面尤其有限，他说:“我们还没有测量出正确的东西。Bassuet建议“我们不应该害怕在情感价值和(新的)声学指标之间建立联系。”最近的文章标题同样具有批判性和启发性:“寻找一个新的范例:我们的参数和测量技术如何约束音乐厅设计的方法”(Kirkegaard和Gulsrund, 2011)和“扔掉那个标准去听:你的两只耳朵可以工作得更好”(Lokki, 2013)。

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综上所述，这些限制在很大程度上是由于全向声源与管弦乐队、全向麦克风与人类听觉系统之间的差异造成的。正如Meyer(2009)所详细描述的，每种乐器都具有和频率相关的独特的辐射特性。当音乐家改变他们的幅度，频谱也会随之改变; 即在更高的力度层次上，更多的泛音被表达出来。这些非线性辐射特性并不是由全向声源来表征的，声源的指向性对室内声学感知有重要影响(Hochgraf et al.， 2017)。当考虑到整个管弦乐队的辐射时，这个问题变得显而易见又错综复杂，而且在感知上也更加重要。

在观众席中，听众并不是单声道地感受音乐，而是在空间上听到乐队演奏的。对于音乐空间感的双声道与指向性的测量参数是有用的，但由于麦克风校准和对参数计算的指向性计算的影响，这些参数的测量并不完全可靠。除了真实声源和接收器之间的指向性不匹配，以及用于测量脉冲响应的指向性不匹配之外，人类听觉和乐器辐射的频率范围都明显大于用于室内声学测量的大多数扬声器的能力。除了标准参数的固有限制之外，脉冲响应通常在无人的音乐厅中测量，并在多个座位上取平均值。然而，有无听众在声学上有显著差异，而且不同座位之间的声学条件也有显著差异。

随着这些限制的重要性变得越来越明显，声学家开发了分析脉冲响应的新方法，以获得有用的信息，将更多关注放在了视觉和听觉检查的脉冲响应，而不是可以模糊重要的声学细节的某些标准参数。声学家还通过多种方式修改标准参数，包括改变时间增量、分离早期和晚期脉冲响应的计算以及在不同频率范围内的平均。尽管这些适应性可能帮助个别的声学家理解数据，但这使得相互比较霍尔变得更为困难——这是记录参数的首要原因之一。

新的参数仍在不断涌现，包括Griesinger(2011)提出的预测听者探测声源位置的定位度量(LOC)，以及Bassuet(2011)提出的预测到达听者头部不同部位两侧的能量之间的比值。客观指标与感知良好相关的潜在效用是不可否认的，但随着参数层出不穷，以及它们在声学家之间的应用分歧浮现，我们不断面临一个问题，那便是参数是否从根本上支持或抑制优秀的设计。