1. 反射與前次反射

聲波在傳播過程中，若遇到比它波長大的物體表面，便會產生反射。當反射面比聲波的波長大很多時，反射規(guī)律與幾何光學相似，即聲線的反射角等于入射角。這時，我們可以用幾何聲學來研究反射的情況。

圖2是室內不同形狀表面對聲反射的三種情況，劇場結構再復雜，都不外乎歸結為這三種反射情況。

圖中，A、B、C分別為平面、凸曲面和凹曲面，S是聲源。聲音從S輻射后，若到達A面，則會形成平面反射，并產生一定程度的擴散 ；若到達B面，由于凸曲面而形成明顯的散射。當聲音到達C面時，C面是凹曲面，會產生聲焦聚。如形狀剛好合適，則會形成虛聲源S’，這樣一來，會在S’附近的區(qū)域集中大量聲能，致使離它稍遠一點的空間因為反射聲不足而形成聲低音區(qū)，造成大廳聲能密度不均勻。我們應盡量避免這種局面出現。而A面與B面反射形成的擴散使室內聲場分布趨于均勻，應是我們所希望的。但聲焦聚并非一無所取，劇場觀眾廳后排往往聲壓不足，在后座區(qū)域造成一定程度的聲焦聚可以均衡整個觀眾廳的聲場。

圖3是某音樂廳的剖面結構圖，聲音從臺上輻射的情況一目了然，可以看出不同形狀的反射板有著各不相同的服務區(qū)。

我們把聽到直達聲后50ms以內到達的反射聲稱為前次反射或早期反射。由于哈斯效應，前次反射聲人耳不但分辨不出來，而且還會將它當作直達聲的一部分，在主觀效果上增加了聲音的響度但又不會影響清晰度。這也是為什么在室內講話時要比在室外講話聽起來聲音響一些的緣故。

劇場與音樂廳的前次反射強弱程度是一個很重要的聲學條件，18世紀在歐洲建造的一些古典音樂廳，以音質效果極佳而著稱于世，曾使很多聲學家和建筑學家感到迷惑。但后來的研究和工程實踐表明，一些優(yōu)秀的古典音樂廳，除了良好的聲擴散與適度混響之外，很重要的原因是這些劇場或音樂廳的觀眾席有足夠的前次反射，尤其是來自側向和頂棚的前次反射聲增加了室內聲能密度，提高了音樂的空間感和豐滿度。

２. 混響與最佳混響時間

混響是建筑聲學中最重要的參數之一，適度的混響，可以明顯的改善聲音質量，改變音樂的音色和風格。

我們已經知道，室內的聲波遇到四周墻面以及地面和頂棚會產生反射，而這種反射過程是往復多次的，從而延長了到達聽者的時間。如果這些反射聲在直達聲到達聽者50ms后仍多次反射而繼續(xù)存在，直到一段時間后才衰減消失，聽起來有一種余音不絕的感覺。這種過程與現象，我們稱為混響，即交混回響之意。

那么，如何確定混響從建立到消失的時間呢？也就是說，如何確定混響時間呢？上個世紀初，聲學家賽賓（W.C.Sabie）通過研究后提出：當聲源停止發(fā)聲后，殘余的聲能在室內往復反射，經吸收衰減，其聲能密度下降為原來值的百萬分之一所需要的時間，或者說，室內聲能密度衰減60dB所需要的時間稱為混響時間，其計算公式如下：

式中，T為混響時間，單位為秒；

V為房間容積，單位為立方米；

a是房間內所有表面材料的平均吸聲系數；

S是室內總表面積，單位是平方米；

4m為空氣的聲能衰減系數，它與聲音頻率，相對濕度都有關系。

表４列出常溫下(200C)空氣的衰減系數。

材料的吸聲系數a我們將在后面部分介紹。

混響時間的實測值與計算值會有一定的差值。一般來說，低頻混響時間的實測值小于計算值，高頻混響時間的實測值大于計算值。在實際計算時應根據經驗作一些修正。

混響時間對聲學品質的影響是眾所周知的，過長過短都會使觀眾感到疲勞。只有適當的混響時間，才會使觀眾處于一種賞心悅目的藝術享受之中，此時聲音豐滿動聽，音符生動活躍、語言親切溫柔，使觀眾有強烈的空間感和豐富的色彩感。

那么，多長的混響時間才是最佳的呢？

事實上，很難確認一個統(tǒng)一的最佳混響時間標準，沒有一個確定的數據，很大程度上是個范圍值。不同類型，不同風格，不同專業(yè)用途的劇場都有不同要求。而且，它還受民族文化背景的影響。因此，各國發(fā)表的數據都不盡相同。表5給出各類不同演出時的混響時間要求，均以500Hz中頻的混響時間為代表。

圖4是最佳混響時間與頻率特性曲線。

這條曲線是由于對廳堂音質的主觀評價而作出的，評價表明，低頻段混響時間稍長有利于音樂的豐滿度和語言的溫暖感，適宜于各類音樂演出，而高頻段混響時間長一點，則容易表現泛音，增加音樂“水分”與鮮活感。所以這條曲線是一條兩頭翹起的馬鞍型曲線。

不同頻率的不同混響決定了劇場的音色特性。在硬質裝飾材料的環(huán)境中，高頻混響時間長，音色冷艷，音色效果能模仿出山洞，水泥大廳，大理石宮殿等。而軟質裝飾材料的低頻混響突出，音色偏暖，有著古典音樂廳與歌劇院的特色。

3. 聲能比和等效混響

混響在主觀感覺上還與一個物理量有關：等效混響。

在一個理想的室內環(huán)境中，某一點的聲能密度應為直達聲能密度與混響聲能密度之和，用數學式表示即為：

E總＝E直＋E混

我們將混響聲能密度E混與直達聲能密度E直之比，稱為該點的聲能比：

RE＝E混

E直

RE值表示在房間某一點混響聲所占的比例。顯然，RE值卻很小，這一結果引起的主觀效應，是縮短了混響時間。這種因主觀效應引起縮短了的混響時間，稱為等效混響時間。它發(fā)生在聲能比很小的區(qū)域，離聲源越近，器件的指向性越強，這種效應就越明顯。反之，在聲場范圍內離聲源越遠，混響效果越明顯，就越接近于實際測定值。因此，我們在觀眾廳后排遠聽具有很好混響效果的劇場，一旦貼近聲源，便感到混響不夠甚至消失了。

這種情況，可以用掩蔽效應解釋。

等效混響時間的存在，要求我們在舞臺擴音與錄音時要充分考慮其影響，因此，我們建議，對大型樂隊、歌劇的舞臺擴音或錄音應采用整體式遠場拾音，不宜采用多點式近場拾音，傳聲器的指向性不可太銳，以充分拾取到劇場空間自然混響聲，使音樂更趨于豐滿、自然。

4. 回聲

回聲與混響是有區(qū)別的。

混響在英文中是Reverberation，是指聲音經過多次往復漫反射，包含多個不同角度、不同時間到達的混合反射聲逐漸衰減形成，聽者分辨不出其中的任何音節(jié)。

而回聲是一種單一固定的反射聲，它的強度和時差都大到足以和直達聲區(qū)別開，并能分辨出音節(jié)。回聲的英文名稱是Echo。

一定的混響對音質有利，而回聲則只能破壞音質，應絕對避免。

消除回聲的方法是進行聲擴散處理。

5. 聲音的擴散

近年來，廳堂室內音質方面的研究工作表明，混響時間并不是音質評價的唯一標準。大小相近，混響時間也接近的房間，音質很可能不同。因此，開展了表述房間音質的第二評價標準研究，提出了許多表述房間聲擴散量的建議。但因分析復雜、計算繁瑣，本文不便闡述，在這里只討論擴散的一般原理及其對劇場音質的影響。

所謂擴散，是聲音朝著許多方向不規(guī)則反射、折射和衍射的現象。擴散使室內聲場均勻。

我們可以舉個擴散的形象比喻：迪斯科舞廳的多棱鏡面反射球就是一個光擴散的良好例子。由于敷設在球面上的許多鏡片朝各個方向反射光線，而使光斑擴散到四周。

同樣，房間的各種家具也有不同的反射面，對射入房間的光線起擴散作用而使整個房間亮度分布均勻。

聲音亦如此，廳內的座椅、不平整的墻面裝飾、圓柱、挑臺立面、欄桿等等物體表面使聲音朝各個方向擴散，使聲場均勻。

理想的擴散應滿足下面三個條件：

(1) 空間各點聲能密度均勻；

(2) 在任何一點上，從各個方向傳來的聲強相同；

(3) 在各個方向傳播的聲波相位是無規(guī)律的，因而各個方向的聲能可以直接相加。

要獲得這樣一個理想的擴散聲場是不可能的，也沒有必要。因為這樣一個均勻的聲場中，聽者無從辨別聲源來自何方，失去了聲源的方位感。但如果使室內保持一定程度的聲擴散，將是我們希望的。因為它可以改善室內聲場分布，縮短前后排的聲級差，調整清晰度與豐滿度的平衡，消除回聲，抑制聲反饋�？傊�，擴散對改善廳堂音質十分有利。

為使劇場獲得一定的聲音擴散效果，可在劇場的頂棚、側墻與后墻的表面設立不同幾何形狀的聲擴散體，如圓柱形、三角形、半球形、多面體、棱錐形等。也有制成極具藝術裝飾效果的立體浮雕圖案形式。常見的聲擴散體形狀如圖5所示，其中由于三角形和半圓柱體構造簡單，擴散效果良好而被廣泛地應用在聲學工程實踐中。這兩種擴散體的擴散效果與它的尺寸和配置有關。圖6是聲波從450角投射至擴散體中心時所測到的聲音擴散效果，可以看出圓柱體略優(yōu)于三角形體，而中、高頻優(yōu)于低頻。

設計與配置聲擴散體時，應注意的是 ：

(1) 擴散體不能同時是吸聲體。

(2) 擴散體的材質應盡量采用比重大而具有一定剛度的材料，如混凝土、抹灰磚石體、大理石、花崗石等。

(3) 如用木材則宜采用實心硬木。如柚木、橡木、花梨木或硬木表面加貼多層組合板。而切忌用三合板、五合板等薄板制成空心體，這樣會形成對低頻的強吸收。

(4) 盡可能避免用石膏澆鑄擴散體，雖然制作成本很低，但它會產生金屬聲染色，對音色不利。

(5) 擴散體各個擴散面的幾何尺寸必須足以與聲波波長相比，才有良好的擴散效果。

以上原則同樣適用于其他聽音室。

根據反射原理，一旦擴散體尺寸一定，室內聲波的擴散程度隨頻率上升而遞增。因此，在進行聲擴散設計時，應注意采用大尺寸的擴散體，以增加對低音的擴散能力。

圖7是奧地利某音樂廳的內部建筑結構，可以看到二樓后座的半圓柱形擴散體群。

表4 空氣的聲能衰減系數4m值

頻率 室內相對濕度（％）

（Hz） 30 40 50 60

1000 0.004 0.004 0.0035 0.003

2000 0.012 0.010 0.010 0.009

4000 0.013 0.029 0.024 0.022

6300 0.084 0.092 0.050 0.043

8000 0.120 0.096 0.088 0.086

表5 各類演出的最佳混響時間

藝術類別 最佳混響時間

古典音樂、大型交響音樂、

室內管弦樂、歌劇 1.8～3秒

輕音樂、民樂、鋼琴、弦樂四重奏、

協(xié)奏曲、戲劇（京劇、地方戲�。� 1.0～1.8秒

現代流行音樂、個人演唱會、輕音樂 0.8～1.0秒

話劇、曲藝、小品、演講 0.6～1.2秒

表6 常用建材及室內用具的吸聲系數

125 250 500 1000 2000 4000

磚墻、抹光、涂漆 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03

厚地毯，鋪在水泥地上 0.20 0.06 0.14 0.37 0.60 0.65

混凝土墻、粗糙 0.36 0.44 0.31 0.29 0.39 0.25

混凝土墻，涂漆 0.10 0.05 0.06 0.07 0.09 0.08

絲絨0.30kg/m2，直接掛在墻上 0.03 0.04 0.11 0.17 0.24 0.35

絲絨0.43kg/m2，折疊面積一半 0.07 0.31 0.49 0.75 0.70 0.60

絲絨0.56kg/m2，折疊面積一半 0.14 0.35 0.49 0.75 0.70 0.60

木地板 0.15 0.11 0.10 0.07 0.06 0.07

水泥地板 0.01 0.01 0.015 0.02 0.02 0.02

普通玻璃（厚3mm～4mm） 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07 0.04

石膏板, 龍骨50×100mm, 中心距40cm 0.29 0.10 0.05 0.04 0.07 0.09

開口的舞臺（與設備有關） 0.25 0.30 0.40 0.50 0.65 0.75

很深的包廂 0.50 0.55 0.65 0.70 0.80 1.00

通風口 0.15 0.22 0.30 0.40 0.45 0.50

大理石或拋光板 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02

膠合板（9mm厚） 0.28 0.22 0.17 0.09 0.10 0.11

玻璃纖維（厚5cm) 0.15 0.38 0.81 0.83 0.79 0.74

超細玻璃纖維（厚5cm) 0.25 0.41 0.82 0.83 0.89 -

礦渣棉（厚6.0cm） 0.25 0.55 0.79 0.75 0.88 -

石棉（厚2.5cm) 0.06 0.35 0.50 0.46 0.52 0.65

甘蔗板（厚1.3cm) 0.12 0.19 0.28 0.54 0.49 0.70

木絲板（厚3cm) 0.05 0.07 0.15 0.56 0.90 -

麻纖維板（厚2cm) 0.09 0.11 0.16 0.22 0.28 -

玻璃棉板（厚5cm) 0.06 0.17 0.48 0.81 0.95 0.90

石棉板（厚0.8cm) 0.02 0.03 0.05 0.06 0.11 0.28

青軟木板（厚3.5cm) 0.05 0.06 0.29 0.35 0.34 0.50

工業(yè)毛氈（厚2.0cm) 0.07 0.26 0.42 0.40 0.55 0.56

瀝青玻璃棉氈（厚3.0cm) 0.11 0.13 0.26 0.46 0.75 0.88

超細玻璃棉氈（厚4.0cm) 0.08 0.24 0.89 0.69 0.77 -

瀝青礦棉氈（厚3.0cm) 0.08 0.18 0.50 0.68 0.81 0.89

泡沫玻璃（厚4.0cm) 0.11 0.27 0.35 0.31 0.43 -

樹脂棉板（厚5.0cm) 0.06 0.17 0.48 0.81 - -

硬聚氯乙烯泡沫塑料板(厚2.5cm) 0.04 0.04 0.17 0.56 0.28 0.58

酚醛泡沫塑料（厚2.0cm) 0.08 0.15 0.30 0.52 0.56 0.60

聚胺甲酸脂泡沫塑料（厚2.0cm) 0.11 0.13 0.27 0.69 0.98 0.79

微孔聚脂泡沫塑料（厚4.0cm) 0.10 0.14 0.26 0.50 0.82 0.77

粗孔聚脂泡沫塑料（厚4.0cm) 0.06 0.10 0.20 0.59 0.68 0.85

聚氯乙烯塑料（厚0.41cm) 0.03 0.02 0.06 0.29 0.13 0.13

尿荃米波羅（厚3.0cm) 0.10 0.17 0.45 0.67 0.65 0.85

微孔吸聲磚（厚9.5cm) 0.41 0.75 0.66 0.76 0.81 -

泡沫石膏（厚2.5cm) 0.06 0.18 0.50 0.70 0.55 0.50

表7 聽眾與座椅的吸聲系數

125 250 500 1000 2000 4000 6000

木椅上聽眾，2人/m2 0.24 0.40 0.78 0.98 0.96 0.87 0.80

木椅上聽眾，1人/m2 0.16 0.24 0.56 0.69 0.81 0.78 0.75

軟椅上聽眾，0.9×0.55m2 0.55 0.86 0.83 0.87 0.90 0.87 0.80

空的軟椅，0.9×0.55m2 0.44 0.56 0.67 0.74 0.83 0.87 0.80

6. 房間的共振與駐波

任何房間都有自己固有的共振頻率。聲源中的某些頻率與房間處于共振狀態(tài)時，該頻率點及附近的聲壓將大大加強，而其他頻率的聲音則因能量不夠而聲壓減小，造成房間在頻率特性上劣化。而當房間的三維尺寸為整數比且至少有兩個反射墻面互相平行時，其中一些合適的頻率由于來回反射產生同類波形的干涉效應而生成駐波，使聲

場中某些區(qū)域落在駐波的節(jié)點(1/4λ和3/4λ處)，聲壓為零 ；而另一些區(qū)域落在駐波的波腹處（1/2λ處），

聲壓最大，造成室內聲場的能量分配嚴重失衡。這兩種情況對室內聲學品質的影響都是比較嚴重的，應盡力避免。

根據共振原理，改變廳堂的三維尺寸可以改變廳堂的固有振動頻率。然而我們常遇到的情況是大廳尺寸已經固定，而共振點又剛好落在音樂頻帶之內。這時，只有最大限度吸收共振點附近的聲能，同時在電聲系統(tǒng)中利用均衡器衰減共振峰，才能在一定程度上消除其影響。

所幸的是，現代劇場和音樂廳都很難產生駐波或簡振，原因是當今的設計師們鑒于前人的經驗已考慮到了此類問題，在設計時一反傳統(tǒng)的“鞋盒”型設計，采用了新型的建筑結構和造型，其中一個措施是現代音樂廳和劇場不再有互相平行的反射面。當今許多劇院，音樂廳都采用圓形、橢圓形、扇形甚至蛋殼形的建筑結構。為防止聲聚焦，其頂棚和四周反射面均采用齒形梯級擴散結構，而觀眾席也采用由前排到后排逐步升高的坡形階梯構造。這些新型的建筑結構造型最大限度地破壞了駐波產生的條件。圖8為廣西南寧民族藝術宮音樂廳的平面圖和縱剖面圖。可知此類結構的劇院根本不用考慮駐波的問題。