建筑师必备的声学知识（六）

5.1 回声、混响与共振

“回声（echo）”“混响（reverberation）”与“共振（resonance）”是声学讨论与沟通中常用但常被误用的术语。在此类讨论中，确保各方对这些术语有相同的基本理解十分重要，它们不可互换。

5.2 未经控制的回声、混响或共振

往往是很大的声学挑战。无论好坏，它们体现了业主、建筑或室内设计决策所产生的净声学影响。

5.3 回声

A. “回声是被听作声能经反射后，以足够大的强度与时间延迟到达，以至于可被辨认为直接声的重复。”回声具有两种不同特征：拍击回声（slap echo）与颤动回声（flutter echo）。

B. 当声波一次性反射回声源或听者时，会听到拍击回声（见图 5.1）。

C. 颤动回声发生在声波在坚硬、反射性的平行墙面或其他大面积表面之间来回多次反射时。不论房间大小，颤动回声比较常见于纯矩形房间且具有中等偏短的混响时间（一般 < 约 1.50 秒）。

D. 混凝土、砖、木材、石膏板、玻璃、瓷砖与钢材等饰面材料属坚硬且近乎 100% 反射的材料。

E. 回声常被混响掩盖或掩蔽；同样常见的是，在对房间进行不充分或不当的混响削减处理后，原本潜藏的问题回声会变得明显。

F. 若处理得当，可用同一种处理材料同时治理过量混响与回声，关键在于安装处理体的物理位置。

G. 有时，在各种尺寸的房间中，平行玻璃墙或窗户会产生拍击或颤动回声，且在物理或美观上难以有效治理。此时，较佳的建筑解决方案是将玻璃墙或窗户倾斜或旋转足够角度以减小回声。

5.4 混响

A. “混响是声源停止后，因在封闭空间内反复反射或散射而持续存在的声音。”

B. 混响时间通常以 T₆₀ 表示。字母 T 代表时间（秒），下标 60 代表 60 分贝（dB）。T₆₀ 描述声能衰减 60 dB（即音量降低 60 dB）所需的时间。60 dB 的音量变化极大，因此要点如下：

T₆₀ 表示中等响度声音衰减至几乎不可闻所需的时间。它量化了房间内混响声能消失的时间长度；即直到房间被新声源重新激发，过程才重新开始。

虽应使用精密软硬件获取准确的频率特定数据，但以响亮掌声作为声源进行粗略估计是常见且合理的做法。通过数出混响变得不可闻的秒数，可对房间 T₆₀ 有大致了解。

a. 在进行掌声测试时，也可能听到拍击或颤动回声。走动时，混响的时间与特性应大致相同，但回声的特性会因所在位置而异。

有时可见 RT₆₀ 替代 T₆₀，T₆₀ 才是正确术语。

C. 从广义看，混响时间以单一时间单位表征，如 1.25 秒。这种单一数值有助于描述，但仅代表 500 Hz 与 1 kHz 的平均衰减时间。

这两个频率的平均值有时称为中频 T₆₀（T_mid），因其更好地体现房间的中频混响时间。因此，若有人说房间为“1.25 秒”，意指 T_mid 为 1.25 秒。更高与更低频率的衰减时间通常较短或较长。

一般而言，除非专门处理，否则房间容积越大，T_mid 越长。因此应通过控制房间容积与吸声，使 T_mid 与房间主要音频活动及应用相匹配。

D. 针对不同音频应用，在 63 Hz 到至少 2 kHz 的各倍频程中心频率上的频率特定 T₆₀ 指导值，在声学文献与教科书中长期被忽视。作者的 T₆₀ 斜率比（TSR）理论，提供了示例、指导与度量，帮助相关方推进并界定适宜的混响目标，并提供简单的数值评分尺度与分级词汇，以便启动和评估声学设计规范。图 5.2 与 5.3 展示了其应用实例。

E. 在大多数情况下，混响对所有听者产生相同的扩散声级，并无特定能量流向。相反，房间模态（后文介绍）会在不同位置产生显著的声级变化往往相距仅数英尺。图 5.4 是极佳的可视化示例，胜过千言万语。

F. 理想的混响时间是什么？

并不存在理想的 T₆₀ 或 T_mid。对于无可变声学（VA）设计的房间，只能基于音乐类型与房间容积（尺寸）提出建议。

a. 能源与环境设计先锋（LEED）是全球绿色建筑结构的评级体系。LEED 指南规定：报告厅的 T_mid 不应超过 0.80 秒，体积小于 10,000 ft³ 的中小型教室不应超过 0.60 秒。

b. 对包含言语与现场扩声音乐的混合应用，T_mid 不应超过约 1.50 秒；接近 1.25 秒通常为此类房间的优值。当然也有例外，如专为交响或歌剧厅等特定用途设计的场馆需更详尽分析与咨询声学顾问。

c. 示例：图 5.5 简要总结 Niels Werner Adelman-Larson 等人的研究，结论指出节奏类音乐（如摇滚、流行、爵士、朋克、嘻哈、拉丁、当代敬拜等）需考虑两个重要因素：房间容积与 125 Hz 处的 T₆₀。

G. 在使用扩声的房间中，无论容积大小，过量混响都是导致言语可懂度与/或音乐清晰度差的可能单一原因。

H. 欲深入研究现代混响设计目标与处理方法，请参见 T₆₀ 斜率比² 与 参数声学白皮书。

I. 边栏：你可能偶尔听到录音听起来混响很长，但人声或乐器主体信号却干净清晰。这是电子混音环境中的技巧，而非声学环境。混音师可轻松调整直达声与反射声的比例，使长混响不与期望的可懂度或清晰度冲突。

为实现类似效果，音乐厅可设计耦合房间或腔室以增加容积并提供后期较长混响。

5.5 共振

A. “声学共振是一种声学系统放大与其自身固有振动频率之一相匹配的声波的现象；该频率即为其共振频率。”

B. 应用于建筑声学时，这些共振频率称为房间模态（room modes）、驻波（standing waves）或本征音（eigentones）三者同义。

注：对学过音乐的人，这些与音乐调式（如伊奥尼亚、多利亚、利底亚、爱奥利亚等）无关。

C. 除非是完全复制品，否则没有两个房间会拥有完全相同的房间模态集合。

D. 在矩形房间中，模态有三种可能类型：轴向模态（axial）、切向模态（tangential）与斜向模态（oblique）。建筑师只需了解：房间的主要尺寸不应互为整数倍。例：48′×24′×12′（长×宽×高）房间会加剧棘手的模态状况。

这些模态变化存在于所有建筑中，是应与声学顾问讨论的潜在问题，由其评估并提供建议。

E. 房间模态在低频（LF）与甚低频（VLF）响应中引起明显的峰与谷（凹陷）。当两或多波在特定频率同相相遇时，响应出现峰（声级或音量增大）；反相相遇时互相抵消，形成谷或零陷（声级或响度降低）

F. 中型与大型房间：

VLF 与 LF 房间模态使某些音符在房间不同位置听起来响得多或轻得多。

主导模态（主要是轴向型）成问题，因为它们在区域间产生剧烈声级变化，常相距仅数英尺。这解释了为何一人抱怨低音吉他过响，而坐在几英尺外的人却觉得不够响。

更复杂的是，模态会“变形”。若音乐换调，过响或过轻的音符位置也会改变，并非模态位置变化，而是每个模态频率的峰谷出现在不同位置。

a. 在平面上，这种极端响度变化的影响范围约 25~100 ft²；在立面上范围可能更小，取决于层高。

注：即便技术上模态不算混响，其共振持续时间可能长于其他低、中、高频混响，仍会模糊音乐表现，需妥善处理以提升扩声演出的音乐清晰度（见图 5.10）。

G. 小型房间中，这类模态异常延伸至低中频。房间越小，问题模态的频率范围越高。因此，会议室或协作室等小房间会在男女声基本频段（80 Hz–300 Hz）造成不均匀的声接收。

结论：给定房间主要尺寸，某些基频可能在听者坐位或话筒位置不同处显著更响或更轻，极端差异间距可小至数英尺。

H. “治理声学模态的方法是至少在某一边界施加频率特定吸声，以减少其反射，从而降低叠加或抵消的能量。角落虽非优解，但因位于两个甚至三个房间尺寸末端而有显著益处。有时模态问题需对墙面甚至头顶天花板进行声学处理，仅处理角落并不充分。”

I. 想更深入理解房间模态的形成与行为，可参阅南安普顿大学博客¹⁰，其动画清晰展示了不同频率模态的产生与在房间内的移动。

5.6 用比喻理解回声、混响与共振的差异

A. 可视化回声：拍击或颤动回声犹如走进两面大镜覆盖的平行墙房间。若能专注于一面镜子而忽略其他，你会看到身体的离散映像。由于光子以光速传播，你的映像即瞬时的拍击回声。

将光子速度降至声速并延迟映像，使其与动作不同步，任何活动都会稍晚显现，类似视频唇音不同步，这接近拍击回声的效果，易分散注意力。

退后环顾，你会看到近乎无限的映像副本，视觉反馈循环（见图 5.11）。颤动回声由重复的反射声波组成，随时间缓慢衰减，且声源停止后不会立即停止，会模糊或扭曲需清晰聆听的声音，亦是重大干扰。

B. 可视化混响：在脑海中，可将混响转化为雾（见图 5.4 上）。在具备理想频率特定混响特性的房间，雾极少或无。混响时间越长，房间雾越浓，几英尺外不可见。此比喻中，能见度不足对应于可懂度或音乐清晰度不足。

C. 感受模态共振（见图 5.4 下）：想象身处大房间，暖通空调同时送入冷暖空气，且每约 10 英尺有一个送风口供应极热或极冷空气。风口间舒适，但若坐于风口正下方，可能过热（即过响）或过冷（即几乎无声）。此处以冷暖空气类比房间模态导致的音量剧烈波动。

更复杂的是模态“变形”及其“金发姑娘原则”：系统随机切换送风状态，从未恰好合适。现实中没人会容忍这种热环境太久，但我们却常被迫忍受真实声学的不堪。

5.9 总结

未经控制的回声、混响或共振往往是我们大的挑战。它们体现了业主与建筑设计方的无知或漠视所导致的净声学结果，或场馆设计与主要应用之间的错配。