建筑声学发展史简论：实践与认识的发展

2017-11-3 09:37| 发布者: weixin| 查看: 719| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 建筑声学是围绕建筑中听音问题和噪声问题而展开的认识世界、理解世界进而改造世界的学问之一。

　　建筑声学的历史是大众集会和娱乐的历史;是贵族人群追求听觉享受的历史;是科学家们深刻认知感官世界的历史;是艺术家们执着于听觉艺术推动的历史;也是千万人置身其中机缘巧合的历史。建筑声学与其说是一门博大精深的学科，不如说是感觉与外界、科学与艺术、技术与文化的辩证统一，她的历史印证了人们在不断理解自我感受的过程中，人与自然界、人与人、人与精神世界的相互作用。

　　建筑声学是围绕建筑中听音问题和噪声问题而展开的认识世界、理解世界进而改造世界的学问之一。眼、耳、鼻、舌、身无时无刻地向人们传递着视觉、听觉、嗅觉、味觉等感觉，受想行识全在其内，喜怒哀乐尽在其中。对耳所关联的精神世界的求索，是推动建筑声学发展的源动力。

　　古代的实践

　　非洲土著音乐之所以节奏感强，其重要原因之一是，在广阔的野外演奏需要这样做。欧洲古典音乐悠扬而舒缓，这与在剧场内演出有密切的关系。中国古代演出场地多为有顶而无墙的“亭子”，似乎介于非洲与欧洲之间，中国戏曲的节奏感也是介于两者之间，必定也受到了古戏台的影响。聪明的古人通过长期实践适应了音效与环境的平衡，在声学方面的成就值得我们敬畏。

　　古罗马埃皮达罗斯露天剧场 (Theaterat Epidauros)，建于公元前300年前，观众达17000人。为了使观众尽可能地靠近舞台，将观众席布置成升起很大的半圆形，提高了听闻效果。另外，演员使用面具来夸张面部表情，同时增加了向观众席的声辅射。表演区的上方及两侧建了倾斜的墙面，对子声音反射、提高语言清晰度有很大的好处。另外，古代室外背景噪声很低，全场观众静息而鸦雀无声时，表演者即使很微弱的声音也依然容易听清。

　　公元1世纪，维特鲁威在《建筑十书》中描述了露天剧场观众区设置多个声瓮，即敞口大坛子，用于“聚拔声音”，还对声瓮不同共鸣音调、位置及布局做了详细的介紹;现代声学研究认为，声瓮对于古罗马露天剧场声学效果的贡献并不大，仅起到一点点储能器的作用，但是却对后来建筑音效设计产生了极大的影响，甚至再1000多年后的欧洲教堂里，还常见在墙壁上埋入向外开口的坛子，以期“提高声音效果”。无论怎样，现今仍然给与这一剧场高度的评价：“依靠山边拖空的半圆形地形就座的方式以及建筑的声学效果，使得埃皮达罗斯剧场成为公元前四世纪最伟大的建筑成就之一。”

　　古希腊和古罗马时期 (约650BC-400AD)、早期基督时期 (400-800)、罗马风时期 (约800-1100)、哥特及拜占庭时期 (1100-1400)、文艺复兴建筑时期(1400-1600)、巴洛克时期 (1600-1750)、及后来的古典主义时期等欧洲古代时期兴建了众多剧场，主要目的都是演出、集会或宗教活动。由于设计者对室内声学知之甚少，声学被神秘化。这些时代的音乐，包括教堂音乐、合唱曲、歌剧、交响乐等，都努力去适应当时普遍的厅堂声学效果。巴赫的管风琴音乐(18世纪上半叶)是专门为莱比锡 (Leipzig) 的托马斯教堂 (Thomas) 所写的。巴洛克和古典音乐 (1600-1820)，以海德尔、莫扎特、贝多芬为代表，是专门为贵族的舞厅而写的(如法国里昂城市大厅)。

　　意大利歌剧，以多尼采蒂 (Donizetti)，罗西尼，威尔第等为代表，是专门为米兰、伦敦、巴黎、维也纳、纽约等大型马蹄型剧院而写的(如法国巴黎歌剧院)。浪漫主义时期(19世纪)的作曲家，门德尔松、勃拉姆斯、李斯特、德彪西、柴科夫斯基等，脑海中则只有维也纳、莱比锡、格拉斯哥、巴塞尔的音乐厅，其中杰出代表是奥地利的维也纳金色音乐厅。

　　巴黎歌剧院的设计者沙尔勒·加尼叶 (Charles Garnier,1825-1898) 反映了古代建筑师对声学的认识，他说：“我必须声明我没有采用任何原则，没有任何声学理论，其成功或失败，我听天由命。”据称，20世纪之前，唯一一个设计中考虑了建筑声学的厅堂，是位于德国拜罗伊特瓦格纳节日歌剧院 (Bayreuth Wagner Festival)，声学效果一般，建于1876年，具体如何考虑的，后续记载不得而知。

　　中国古代先贤们在建筑声学方面的实践与欧洲截然不同。公元前700多年的春秋时期，孔子曾在曲阜的杏坛讲学，如下图是其场景描画及现今在原址上复建的杏坛讲堂。绘画中描绘是露天讲学，笔者更倾向于曲阜复建的杏坛，应是有顶的，至少遮阳避雨，另外面对声反射也有好处。但是，可以肯定的是，当时孔子是不会考虑建筑声学的，孔子倡导“君子远庖厨”，他认为技术是“奇技淫巧”，使孔子和他的弟子们不可能与负责建造杏坛的下等工匠们探讨声音问题，最多监理一下是否符合礼数祖制而己。传说孔子“弟子三千，贤者七十有二”，就杏坛的建筑声学效果来讲，同时听讲的弟子最多不超过100人。

　　汉代曹操所建铜雀台，虽是当时欢庆胜利之用的表演中心，估计建筑与杏坛基本是同一套路，即有顶无墙的“亭子”，可能有两或三层，是曹操观看歌舞表演的场所，良好的声学效果基本无从谈起，杜牧《赤壁》诗中写到“东风不与周郎便，铜雀春深锁二乔”，可见铜雀台仅为曹操私人会所，观众应是很少的，不需要大范围传声。孔子的儒家思想漠视科学技术，造成五四运动前几千年的讲坛、楼台、戏楼等集会观演建筑场所，均缺乏建筑声学考虑。其实，儒家思想至今依然影响巨大。

　　山西临汾牛王庙古戏台(位于山西临汾市西北25公里魏村)，兴建于金代，是中国古戏台的最重要代表之一，距今约1000年。位于北京故宫的紫禁城漱芳斋戏台，是清代修建的豪华皇家戏台，距今约200年。从两个戏台可以看到强烈的杏坛身影。孔子讲学的时候，他的音量、语调、节奏必须有迎合杏坛建筑声学效果的考虑，否则难以传递语言信息，而其后近2000多年里，受到礼教的束缚，没有人去改变这种声环境，而是不断改变自己，创造各种各样有利于迎合这种声环境的讲法、唱法和演奏方法。

　　中国古代也有大量室内表演，如敦煌莫高窟172窟描绘的“西方净土变”(“变”是梵意，有美术画的意思)，以及唐五代名画“韩熙载夜宴图”和明崇祯本《金瓶梅词话》中插图。由于这些表演都是为王公贵族服务的，观众数量很少，距离演出者很近，建筑声学的问题表现得不突出。

　　虽然中国古代没有现代意义的建筑声学，但是聪明智慧的中国人仍然掌握着诸多建筑声学知识。明代《长物志》记载，琴师为了增强演奏效果，地下埋一大缸，缸里还放一口铜钟，形成特大共鸣箱。明永乐皇帝朱棣还是燕王的时候，为了日后起兵夺权，在后花园秘密建地下室“私铸兵器”，为防止声音外传泄密，其谋臣姚广孝采用在墙壁上埋入大量的开口向室内的瓮罐进行吸声降噪，翁起到了亥姆霍兹共振吸收器的作用。

　　另外山西运城普救寺莺莺塔、河南洛阳白马寺的齐云塔、内蒙巴林右旗辽代白塔的“蛙鸣现象”，即正对塔拍手说话可听到多次重叠的声音，象似蛙鸣，原因是多层挑檐形成的声反射;还有北京天坛回音壁、三音石和圆丘的特别建筑形式，形成了特殊的声音反射现象。回音壁直径65米，可使微弱的声音沿壁传播一二百米，在皇弯宇的台阶前，三音石可以听到几次回声。古人如此奇妙的声学效果，应该是出自经验之手精心设计的，严格符合声学原理。这些都是中国古人的创造，也成为建筑声学发展历史的一部分。

　　古代时期尚无机械工业，交通主要以马车代步，房屋内也没有任何现代化设备，所以噪声问题不突出。有人分析过《红楼梦》，书中最全面、最丰富地描绘了清朝约200年前的当时社会，关于声音总共出现2万多次，与噪声相关的主要是马车、马叫声等，不过才60多次，而且作者曹雪芹未对其有任何“噪”的评价，说明古代生活要比现代安静得多。

　　不过在古时候欧洲城市中，由于居住区密度大，街道路面不平，铁轮子的马车驶过石板的街道，噪声使街旁的住户彻夜难眠。中世纪英国国王禁止丈夫在夜晚打骂妻子，并非尊重妇女之举，而是防止哭闹声打扰四邻，这也许是最早通过立法进行噪声防治的案例了。唐人李群玉有一首《石灌》的诗，“古岸陶为器，高林尽一焚。焰红湘浦口，烟油洞庭云。田野煤飞乱，遥空爆响闻。地形穿凿势，恐到祝融坟”，其中“田野煤飞乱，遥空爆响闻”之句，生动地描绘了当时手工制陶、采煤、开矿等的作业时，所形成噪声污染的情景。

　　近现代的发展

　　近代建筑声学的创立，源自于社会发展的需要和划时代人物的出现。中世纪的教堂，因空间大、石材墙面多、室内声音听不清楚;文艺复兴时期意大利建造的大型剧场，声学缺陷相当普遍。随着十九世纪兴起的工业化与城市化进程，大型集会增多，建筑体量更大了，声学问题更加明显地反映出来。意大利米兰大教堂容积达2万多立方米，大理石材质，室内混响时间长达8秒，根本无法演讲。19世纪初，德国人弗里德利克•察拉迪 (E.F. Freidrich Chloudi) 对室内混响现象进行了研究，并编著《声学》。德国物理学家亥姆霍兹于1862年发表了伟大著作《音的感知》，较为系统地论述了声音物理现象和听觉现象。

　　1877年，英国物理学家威廉•瑞利 (Lord John William Royleigh,1842-1919年) 发表巨著《声学原理》，物理声学理论已达到极高的水平。但是，一方面，因为无人请这些科学家参与建筑工程，即使有请，当时的科学家们也尚无完备的处理材料、工艺、施工等工程实践能力;另一方面，虽然有成功剧场的先例，但是因对音质与建筑关系认识的模糊性，没有量化的定义和确切的计算方法，点滴的经验不具备可操作性，也无法传承。那时，建筑声学正处于接近黎明的黑暗期。

　　1895年，哈佛大学弗格艺术博物馆 (Fogg Art Museum) 讲演厅落成，因听不清而不能使用。哈佛大学校长埃利奥特 (Charles W.Eliot,1834-1926年) 委托物理学系27岁的助教W.C.赛宾 (Wallclce Clement Sabine,1868-1919年) 解决这一问题。据说，赛宾在将近40个不同容积的房子里进行了实验研究，对比了声效极佳的桑德尔斯剧院、声效一般的杰弗逊大厅讲演室和声效极差的弗格讲演厅，发现坐椅塾具有吸收声的效果，得到了经验公式——赛宾公式，提出了混响时间和吸声的概念，找到了过长的混响时间是影响语言清晰度的原因，总结出混响时间与房间容积成正比、与吸声量成反比的重要结论。

　　赛宾和建筑工程师一起进驻弗格演讲厅开始施工，从那一刻起，建筑声学从黑暗中一步跨进了科学的殿堂。解决了哈佛大学的问题后，赛宾名声鹊起，随即被邀请进行波士顿音乐厅的声学设计，该大厅优良的音质至今仍为全世界称道。

　　建筑声学理论体系建立以后，房间声学研究更加深入，在欧美也带动了大量的音质工程实践。继赛宾之后，在美国MIT大学又涌现出三位声学泰斗，分别是波特、白瑞纳克和纽曼，他们3人于1948年在美国麻省的剑桥成立了以三人名字命名的BBN声学咨询公司。BBN公司承接了美国航天局风洞 (Wind Tunnel,NACA) 消声工程，是50年代美国最大的噪声控制工程，以及肯尼迪中心剧场(相当于美国国家大剧院)声学设计等众多项目，并为MIT开设相关声学课程培养研究生，撰写了至今依然影响力很大的书籍或论文。18-19世纪的自然科学的发展推动了理论声学的发展，19世纪末古典理论声学发展到最高峰。

　　从20世纪开始，由于电子管的出现和放大器的应用，使非常微小的声学量的测量得以实现，为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。20世纪初至中期，尤其是第二次世界大战后，广播录音和电影配音的飞速发展，更大更快地刺激了美国建筑声学在实际工程中的运用。同时，由于行外人对建筑声学的神秘感，也为建筑声学工程师们提供了丰厚的经济回报。BBN在MIT大学门口盖起了BBN大楼，还为MIT的研究生们提供免费研究室。被誉为互联网之父的里克里德 (Licklider)，1957-1962年就曾经在BBN工作过，他劝说白瑞纳克为他购买了一台在当时天价的计算机——5万美元，他用这台计算机建立了世界上第一个网络节点，可见BBN当时的财力非常丰厚。

　　在美国建筑声学大发展同时，德国、英国、法国、丹麦、瑞典、澳大利亚等国家的建筑声学研究和实践也在快速推进。德国室内声学家库特鲁夫 (H.Kuttruff)、德国哥庭根大学的施罗德 (Shrodler)、澳大利亚的马歇尔 (Marcel)、日本的安腾四一 (Y.Ando)、中国的马大猷等人，在室内声学及噪声控制理论方面，作出了突出的贡献。丹麦科技大学声学所、英国利物浦大学声学所、丹麦的B&K公司在建筑声学应用及测量方面，也发展到很高水平。近百年来，在全世界各地兴建了剧场、剧院、音乐厅以及讲堂、会堂等数以千计的声学建筑，不乏有美国达拉斯音乐厅、悉尼歌剧院等近现代建筑史上辉煌的建筑作品，其中，建筑声学理论的“保驾护航”起到了不可磨灭的历史作用。

　　最早将建筑声学引入中国的，是清华大学物理系创始人叶企孙先生。1920年3月，由美国建筑师亨利•墨菲 (Henry Killam Murphy,1877-1954年) 设计的清华大学礼堂落成，建筑形式融合了古希腊和古罗马的建筑风格，座席1400个，是当时中国大学中最大的礼堂兼讲堂。圆形的天穹和光滑的石材墙，使室内听音非常困难。声学改造的需要随之而来，但不同意见“七嘴八舌”，有说是穹顶造成的，有说地板要抬高，有说室内墙壁直角阻断声音等等。

　　时任校长梅始琉委托叶企孙先生带领物理系教员解决此事，叶企孙先生也希望籍此事声学工程研究开始了。叶先生当时已经看到过赛宾关于混响理论的论文，在考虑中国人着装特点的基础上，他认为，需要在墙面和顶棚安装足够的吸声材料，将混响时间降到1.75秒。那时他没有精确的测试仪器，只能粗估。通过实验室测试，叶先生认为可采用羊毛毡作为吸声材料。在清华大学校史中，叶先生的研究有详细记载，但未见有实施记载，估计可能的原因是粘贴吸声毡破坏了建筑风格，以及时局动荡使工程搁浅，还有最重要的一点，即使什么都不做，也能将就使用。这一将就，就一直将就到了今天。

　　据说当时校长开会，批评台下教师打睦睡，实际是听不清的原因。后来扩声系统更换了多次，起到了一点听音弥补的作用，但建筑声学处理尚非常有限。

　　1949年建国以后，留学归来的声学专家马大猷先生，组织进行了人民大会堂的声学设计，容纳1万人的空间是世界上最大的礼堂了，其中的建筑声学问题非常突出，马先生利用建声和扩声互补的方法，很好地解决了上万人的听音问题，在当时是了不起的成就。马先生还为国家培养了一批声学专家，至今很多人仍在学术或工程舞台上十分活跃。进入机器时代以后，交通噪声、工业噪声日趋严重，噪声控制技术、声学材料、减振降噪手段也随之快速地发展起来，1953年在美国出版的《操声控制手册》(Hand book of Acoustic Noise Control) 已经具有相当高的理论水平。

　　但是很快人们就发现，先进的噪声控制技术井不能彻底解决噪声问题，治理噪声的根本途径在于“立法”，立法的根基是评价标准。当时，世界范围内的声学学会已经建立，其重要的工作之一即制定噪声标准，为噪声防治提供法律依据。例如，60年代美国飞机场噪声是很令人头痛的问题，单纯地在建筑上进行隔声处理难于奏效。后来通过立法，规定飞机自身的噪声限值、要求起飞降落执行减噪飞行程序，限制在噪声影响区内的土地开发等，70、80年代大大地缓解了飞机噪声问题。

　　常常，噪声还与政治联系在一起，如60年代中国和前苏联为了体现社会主义制度的优越性，制定工厂噪声卫生标准限值为不大于85dB(A) 比西方资本王义国家要求的90dB(A) 还严格5dB。但是，在当时“先生产、后生活”的理念下，机械厂、纺织厂、矿山、油田等单位很少有真正噪声达标的。

　　二十一世纪的新认识

　　至今，人们已经发现了众多与厅堂音质相关的客观指标，使建筑声学设计有理论指导可遵循：赛宾发现了混响时间，指出听音效果与室内声能衰变的关系;哈斯发现了哈斯效应，使人们认识到回声的来源是强的长延时声反射;白瑞纳克发现了近次反射声，提出直达声到达后50ms内的反射声有利于声音的“亲切感”;库特鲁夫总结了脉冲声响应的概念，人们对声音在房间中反射的认识更进一步;施罗德发现了散射对音质效果的重要作用;马歇尔发现了侧向声能所代表的空间感;安腾发现双耳效应因子lACC;巴伦发现视在声源宽度指标ASW对听音围绕感的影响。另外，强度因子G、时间中心Ts、早期衰变时间EDT、明晰度C80、语言传输指数STI/RASTI，辅音损失指数ALCONS、初始时延间隙ITDG、表面散射指数SDI、混响低音比BR等大量指标也不断被发现和研究。同时，吸声材料、隔声材料、减振材料、消声器等也飞速地发展起来并大量应用，各种精密的实验仪器、实验室、实验方法也被不断开发出来。最值得一提的是50年代出现的缩尺比例模型测试和80年代发展起来的计算模拟技术使建筑声学手段与现代高科技水平同步。

　　近百年来的发展中，世界范围的大量实践，也使有识之士认识到，建筑声学“与其说是技术，不如说是艺术”。虽然已有上万篇技术文献发表，其中不乏大量有深入的、划时代的精品，但是在解决实际建筑声学问题中，这些严谨的声学原理总有无法完全覆盖的现实细节。19世纪60年代，白瑞纳克先生已经是世界上鼎鼎有名的声学专家了，他对世界上69个著名厅堂进行了声学研究，井撰写了知名巨著《音乐、声学和建筑》，将赛宾开创的建筑声学发展到“广泛实用”的阶段。然而，恰恰在这一历史时期，专家们虽自认为已经“登峰造极”，但“严格遵照理论”设计的纽约林肯中心的爱乐 (Philharmonic) 音乐厅出现了“低频缺乏问题”，后来，经过十数年的研究，人们才发现，是由于浮云反射板低频反射不足，凸显了座椅低谷效应造成的。此事被誉为“建筑声学史上伟大的失败”，人们认识到建筑声学还很原始，还有很多问题要探索，“从猿到人”还将有漫长坎坷的历史要经历。

　　1985年，国内第一个严格进行声学设计的北京音乐厅落成，使用中发现低频混响不足，并在国内声学界引起普遍争论。多年后的统一意见是，墙壁上木板装修在施工中未与混凝土密实粘接，造成了大量低频吸收，降低了低频混响，这并非声学设计的失误，而是施工控制的问题。有识之士应认识到，无论任何细节导致厅堂声学失败，结论只有一个，声学设计者失败了，因为你没有预测到导致失败的这一因素，未对其进行应有的、合理的有效控制。

　　任何大厅中的演出带来的那种美妙的感受，往往都会稍纵即逝。这种美妙的感觉如果能够不断在这个大厅中重现并获得交口称赞，那么这个大厅就会声名远扬。这当然是所有人的梦想，音乐家们渴望在这祥的音乐厅里表演，经理们渴望拥有这样的音乐厅进行经营，建筑师渴望这样的音乐厅是自己建造的。如果厅堂的声学参量超出客观预测和测量的允许值的范围，往往不会有优良的音质。但是，即使设计实现了良好的声学指标，“好音质”也不一定就此产生。美，需要量化和原则，需要悟性和理解，还需要机遇和缘分。

　　与厅堂音质问题相比，噪声控制目标似乎要容易一些，“把声音降低到最低，最好完全听不见”。然而问题远非那么简单，工业时代为人类提供了便利，同时也带来了污染，噪声就是其中之一。一百年来，噪声控制技术虽然“与时俱进”，然而依然跑不赢人对自然改造的速度，城市的居住区和遍布世界的工业区再也回不到一百年前那种朴素、静谧、天人合一的安静环境了。飞机、火车、汽车、轮渡在我们周围咆哮着，发电机、内燃机、压缩机、风机、电机在我们左右轰鸣着，高音棚喇叭、市井的灯红酒绿在我们眼前喧嚣着，我们是在享受这些现代化设施的便利呢，还是在忍受它们对祖先遗传给我们的“安静基因”的破坏?

　　在工程实践中人们很快发现，用dB表述的噪声和人对安静需求之间，并没有永恒不变的绝对对应关系。不同人之间或同一人在不同场合，对噪声的容忍程度的范围是如此之大。例如，卧室内有轻微响声就无法安睡的人，在出差的火车或飞机上也能安然入睡。噪声问题是人造成的，噪声控制效果的最终评价者也是人，噪声控制技术的实施还是人，噪声问题中人的因素与厅堂音质评价体系的“以人为本”殊途同归，笔者认为，甚至比集成电路、光纤通讯、纳米技术、宇宙探索等高科技问题，更富有复杂性和趣昧性。

　　当前的中国，经济的发展释放了人们对建筑声学的需求。在建筑市场持续升温的大背景下，在“一部分先富起来”跨越式生活水平提高的推动下，在城市建设“三大名片”(大剧院、体育中心、会展中心)的建设带动下，在所有制“个人化”后，人们对自然环境要求大幅度提高的促进下，在《噪声污染防治法》等相关法律法规执行力度不断深化的要求下，建筑声学的需求就象“开了锅”一样，全国上下，遍地开花。

　　音乐厅、剧场、影院、演播室、录音室等，音质效果需要建筑声学;体育馆、会展中心、宾馆酒店、机场车站等，吸声处理需要建筑声学;住宅、学校、医院、办公建筑等，隔声降噪需要建筑声学;电厂、水泥厂、化工厂、制造厂等，劳保环保问题需要建筑声学;就连学术上“不入流”的Disco、酒吧、卡拉OK、表演秀场也因噪声扰民或室内音质问题黏上了建筑声学。中国的建筑声学，正处于史无前例的大发展期。

　　作者简介

　　燕翔，清华大学建筑环境检测中心负责人、声学实验室主任，其毕业于清华大学，建筑声学博士。长期从事于厅堂音质、噪声控制、声学实验检测、计算机模拟等科研工作。近年主要设计的项目有：国家大剧院、2008北京奥运场馆(国家游泳中心、老山自行车馆、国家体育馆等)、洛阳体育中心、大庆文化中心、福建剧院、北京南火车站、西气东输金坛储气库噪声控制等。主持翻译了《建筑声学设计指南》，编制修订了《厅堂混响时间测量规范》、《厅堂音质比例模型测量规范》等国家标准，为中国著名建筑声学专家。

　　来源：影音新生活(ID：Cloud9AV)
　　作者：燕翔

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