房间几何形状对声音的影响

8.1 建筑几何形状与建筑声学有着千丝万缕的联系。大多数具有复杂内部几何形状的房间，比简单几何形状的房间更能衬托并支持优质的声音。本章试图解释为何房间几何形状对声音和声学具有如此显著的影响。

8.2 房间几何形状的重要性归根结底与颤振回声（flutter echo，见第5章5.3节）和房间简正模式（room modes，第5章5.5节）有关。只要有足够的容积和反射表面积，无论形状如何，所有房间内都会存在混响。

A. 无处不在的六面长方体房间（鞋盒状）是一种非常常见的建筑形态。每对相对的表面都是平行的。所有转角均为90度角。这是一种非常简单且通常建造成本低廉的三维形状。

B. 当我们提到更复杂的内部几何形状时，指的是那些拥有超过六个主要表面、凸面曲线、钝角、倾斜或旋转墙体、壁龛、阳台、与地面不平行的吊顶、倾斜或阶梯式地板等的房间。

C. 除了基本的几何决策外，还需考虑的其他重要因素包括：声源相对于听众的物理位置、房间的内部尺寸和对称性、扩声系统的配置与使用，以及待呈现的低频（LF）/甚低频（VLF）成分。

D. 您需要设计的是一间 30′×30′的教室、一个小型会议空间、一个礼拜中心、一座多功能建筑、一个体育场馆，还是一个表演艺术场馆？从声学角度看，每一种都有其独特的挑战。

E. 现在让我们审视各种房间形状的平面图和体积比。以下列表包含多种可能性。从声学上讲，并非所有形状都特别理想，但它们确实阐释了贯穿本评论的关键概念。在列举常见几何形状（从球形房间开始）之后，第8.17节概述了常见的吊顶拓扑结构。

8.3 球形房间A. 球体的内部，通常是声学效果较差的形状。由于这种形状对于大多数公共场馆来说并不实用，因此很少见，除了以下几点外不值得过多评论：球形或近球形房间的问题主要在于简正模式分布和集中的镜面反射。

球体无法提供足够的简正模式密度和多样性。它只有一个内部尺寸：直径。完美的球体只会产生一个主导的共振频率。

与凹面墙和穹顶（后文详述）非常相似，球体的未处理内表面会导致反射声能集中在房间内非常特定的区域。该区域位于球半径的焦点处及其附近。这种声能集中通常比其他区域的标称声级响得多，并且可能伴随可闻的颤振回声。

B. 还需要考虑“耳语廊”（whispering galleries）现象。即当您在墙边低语时，远处的人却能听得一清二楚。

C. 如果您计划建造一个用于公共集会的球形房间，您先应该打给声学顾问。要使这种形状在声学上可接受，需要大量的工作和费用。

D. 相反，位于几乎任何房间内部的球体外部形状则是一个极佳的形态。无论大小，它都成为一个非常有效的凸面散射体。

8.4 立方体房间

A. 立方体是所有现实可行房间形状中较差的。问题在于其三个主要尺寸相等，且三对表面均平行。这种配置导致了糟糕的房间比例（长宽比、高宽比等）。简而言之，由于缺乏尺寸的多样性，简正模式缺乏足够的密度和变化。关于房间比例的更多内容见第8.14节。

B. 与具有较佳长宽比的房间相比，立方体房间的简正模式峰值和谷值更少但更强。此外，如果不在至少三个非对立面上进行仔细处理，有问题的颤振回声可能会主导听觉体验。要使立方体房间在声学上可用，需要一些周密的规划和合理的处理预算。

8.5 圆形/圆柱形房间

A. 圆形房间——无论吊顶和地面是否平行——对于任何与声音相关的活动都是一种困难的形状。

B. 从声学角度看，圆形房间的行为很像球体。如果在弧形墙中没有结合大量的吸声和/或扩散材料，这种平面布局对于任何规模的公共集会都可能充满挑战。椭圆形和蛋形房间也有类似的问题。

C. 圆柱体和椭圆形房间的主要问题在于，过量的声能会聚焦于弧半径中心和周围相当小的区域。您应该开始注意到一个规律：无论大小，凹面边界对于大多数用于公共集会和/或任何形式的音频演示的房间来说，在声学上都是不友好的。

D. 如果必须设计圆形房间，改为锥形会有所帮助，前提是倾斜梯度至少为1:12且地面和吊顶不平行。

8.6 矩形房间

A. 矩形平面图可能是商业建筑较常见的形状。几何形状简单明了。想象一下常见的鞋盒。一旦决定建造矩形房间，房间比例问题就应成为优先考虑的事项。如果该空间对声音敏感且用于产生或接收任何有意义的音频内容（无论是语言还是音乐），审慎地评估并可能调整比例是明智的。

B. 长度、宽度和高度尺寸应各不相同，且不能是彼此的整数倍。例如，一个高12英尺、宽24英尺、长36或48英尺的矩形房间并不是一个好的起点。

直接的倍数关系是有问题的，因为它们缺乏尺寸的多样性。这会导致房间简正模式的分布不佳。因此，在产生的少数几个简正模式之间会出现巨大的间隙。结果是，大多数人都能轻易听到较显著的简正模式共振。理想情况下，房间简正模式应分布均匀且尽可能密集。

如果之前没有说清楚，我们的目标是消除所有简正模式活动。我们需要的是数量众多且在截止频率（FS）及以下紧密均匀分布的一系列简正模式共振。

C. 与普遍看法相反，平坦的平行墙并不自动意味着声学负面因素。然而，如果设计仅满足基本施工要求而缺乏精心考量，则可能存在潜在的声学问题。

19世纪的欧洲音乐厅都有平行的侧墙。它们提供了舞台端自然声源的“心理声学加宽”效应，且其华丽的装饰提供了一些有用的散射。

平行的光滑墙面很可能需要至少在两面非对立的墙上进行一些形式的声学处理。如果任由其裸露，平坦、反射性的平行墙会创造并维持颤振回声的环境。

如果地面和吊顶平行，可能也需要在其中一个表面上进行处理。在中小型房间中，这通常表现为地毯和/或吸声天花板砖。然而，由于地毯非常薄，它是效果较差的基于质点速度（VB）的吸收体之一。

8.7 三角形房间

A. 三角形虽然不是常见的建筑形状，但它确实有一个优点：侧墙尽可能地远离平行。除非发生在地面和吊顶之间，否则不应存在颤振回声问题。

B. 为了更好地解决合适的房间比例问题，尽量避免等边三角形平面图。

8.8 四分之一圆和半圆房间

A. 近年来，这些形状在表演艺术和宗教礼拜场所中变得流行。虽然考虑到视线以及让观众尽可能靠近舞台的需求时，这些形状可能相当不错，但它们也会带来声学挑战。

一个例子是侧墙无法提供任何有用的早期反射。对于那些专门为无放大语音或原声音乐设计的房间，侧墙早期反射是一个重要特征。一旦使用了扩声系统，对侧墙早期反射的需求通常就变得无关紧要了。

B. 任何凹面的内墙表面都呈现出一种声学悖论。

如果凹面位于舞台或平台的背墙处或其附近，它可能作为一种有效且理想的声学反射体，增强某些风格的无放大演讲或音乐表演。在戏剧术语中，舞台上较靠近后台墙的部分称为“Upstage”（上场门方向/后台）。

如果观众席的后墙（舞台对面）呈凹形，则在声学上会有问题，很可能需要特定的处理以较小化反射声能从曲面反弹造成的负面影响（弧半径聚焦）。

无论后墙是真曲线还是多面体（刻面）曲线，其有害影响都非常相似。

8.9 梯形房间

A. 像四分之一圆形状一样，梯形房间有一个显著优势：至少有一组墙不平行。这种形状有助于打破左右方向的颤振回声，并在低频和甚低频区域创造更复杂的简正模式行为。

侧墙角度的陡峭程度决定了有多少中心座位区失去了有用的侧墙反射，而被推向边缘。

B. 梯形形状的较大缺点往往是前墙和后墙平行。如果未在初始设计中正确考量，这种配置将需要进一步评估和处理。以下是一些解决方案：

使用较小1:12的坡度梯度偏移来倾斜一面或两面平行墙。

如图8.5所示，在一面或两面墙上增加凸面。

添加穿孔板或条缝吸声板，覆盖至少一个表面的50%——较好是舞台对面的后墙。

在地面和/或吊顶中加入非平行的坡度。

如果需要，将一些基于声压（PB）的吸收装置与基于质点速度（VB）的处理混合使用。

8.10 五边形房间

A. 五边形是我较喜欢的平墙形状，因为它提供了较大的座位区、良好的视线，且没有主要的平行或凹面墙。

B. 尽管这种形状乍看之下不错，但对于此形状或任何其他房间形状，仍然存在需要考虑的潜在声学问题。这些基于：

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