中国建筑声学的发展.doc

中国声学周刊
中国建筑声学五十年回顾
为Dah-you MAA教授90岁生日而作

作者 XIANG Duanqi(北京建筑设计研究学院声学实验室 北京100045）

摘要 Dah-You MAA教授是我国声学及建筑声学的杰出创史人。基于他的基础工作，在过去的半个世纪里，我国声学研究，设计及实践应用取得了重要的进展和巨大的进步，如在厅堂声学中的突破性进展。本论文对他在这一领域的贡献进行简单的介绍。
1、简介
我国现代建筑声学起步于1929，当时国内的Ye Qisun和Shi Ruwei教授正在进行清华大学大礼堂圆屋顶的声学研究。Dah-You MAA教授的早期工作之一是1938年在美国进行的方形房屋简正振动模式的研究，这一研究被认为是一项原创的工作并对当时世界的建筑声学产生了巨大的冲击。除此之外，中国当时的建筑声学几乎没有什么可值得推荐的，因为中国那时正处于战争之中。解放后，在五十年代早期，随着MAA教授和其他一些来自中国科学院的人士的积极参与，我国制定了第一个声学研究的长期规划（其中包括建筑声学）。然后MAA教授开始准备培养资深的专业人士并建立研究基地。
1.1建立声学实验室
第一个符合国际标准的全尺寸的声学实验室的设计工作始于1956年并在1957年开始建造。这个实验室包括两个无回声房间，一系列用于隔声测量的房间以及两个声音反射室。MAA教授仔细考虑了设计的每一个设计细节。北京建筑设计研究学院将完全按照建筑细节进行建造。实验室于1958年完成并投入使用，而且直到现在还在使用中。实验室曾装备了当时世界上最先进的测量工具，MAA教授为此做出了巨大的努力。
1.2培养资深科学家和技术人员
MAA教授在声学领域的第一批学生在1956年开始招收，分别为同济大学和北京建筑设计研究学院的建筑科学协会陪养5个学生。1957年在西苑宾馆，MAA教授接见了他自己在台湾中央研究院声学院的第一批3个博士生。其中的Yang Xunren先生受邀能与建筑声学研究以探索厅堂声学中的“第二微分参数”(声波的散射）。在过去五十年中教授总共培养了超过五十个硕士及博士生。他们当中的大部分现在正活跃在国内国外的前沿科学领域。
1.3着手进行用于理论实践的声学实验
为了将他的成就从科学研究应用到实践中去，教授在五十年代组织了对天津友谊俱乐部和中国人民政治协商会议的礼堂进行了楔形吸收测量和相似模型的测量。1959教授领导了一个由来自五个不同领域的小组组成的联合研究组，以设计用以容纳一万人的人民大会堂的建筑声学。教授取得了完全的成功。从此一个接受良好训练的声学研究队伍在中国诞生了。
1.4进行建筑声学出版物的翻译和引进
1955年，教授出版了他的第一本关于建筑声学的书——《实用建筑声学》。在所谓的十年文化大革命期间，尽管工作环境艰苦，教授坚持进行研究。在教授晚年，他将自己的经验总结到四本书中，这四本书就是他所有研究结果的结晶。更重要的是，教授还积极组织和参与国内外的声学研究活动。
2、人民大会堂万人礼堂中声学设计的成功应用是中国建筑声学发展史上的一个里程碑
2.1总括
人民大会堂是为庆祝解放十周年而建的，并在1959年投入使用。它的建筑面积有120000平方米，可以跟紫禁城的建筑面积相比。它的设计工作开始于1958年，但是却必须在十个月之内完工，这使它成为建筑史上的一个特殊案例。
2.2万人礼堂声学设计回顾
人民大会堂的建筑设计由北京建筑设计研究学院的首席建筑师张波设计。而礼堂的声学设计（包括建筑声学，电子声学和噪声控制）由MAA教授作为首席设计师进行主管。来自北京的五个相关协会的人员参与了联合设计工作，并且取得了重要的成果。这五个协会分别是：中国科学院声学协会，北京建筑设计研究学院，清华大学，建筑科学研究协会和广播电视局设计协会。
（1）历史背景
当时像万人大礼堂样的容纳能力在世界上还没有先例。当时最大的剧院是位于纽约的无线城音乐大厅，可以容纳5901个观众，占地36580平方米。直到90年代中期，设有9970个座位的墨西哥国家大礼堂才开始建造。万人大礼堂可以提供10028个座位（正厅前座区设有3793个，一层楼台上有3618个，二层楼台上有2617个）。它的总体积为91400立方米，其中每个座位体积9.1立方米。像万人大礼堂这样大的厅堂，为了保证会议期间的清晰度和各种表演的音质，要确定各种实际的声学参数及技术措施，这使我们也取得了巨大的成就。
（2）声学参数的确定
为了满足大礼堂的使用功能和它的音效要求，MAA教授确定了以下设计原则和具体参数：
在会议期间，观众区的平均声压水平不得低于70分贝，并且不同座位之间的声压差不得超过±3.0分贝。正常情况下有10000观众，但当只有3000观众的时候（楼台上无人），音效不能下降。
在音乐和歌剧表演期间，平均声压不得低于80分贝并且声音要能充满整个礼堂。噪声水平不得超过35dBA。
当只有3000观众时，对于500赫兹的无线电波其回响时间不得超过2.3秒，当有10000观众时其回响时间不得超过2.0秒。
（3）声学设计——获得所需参数的技术措施
大礼堂的形状是椭圆形的，这种形状尤其不利于声学设计。同时礼堂的体积又非常巨大，所以要在内层采用各种不同的吸波结构，并将礼堂分为六个区：A,B,C,D,E,F,具体布置见图片1。所使用的吸波结构主要有：
A：穿孔胶合板，背面添加矿物棉；
B:：塑料质表面的胶合板，其中要有50mm的气眼；
C:：塑料质表面的胶合板，背面要有1.8米厚的矿物棉和竖直石棉水泥板；
D：同C，但没有50mm的气眼；
E：塑料质表面的胶合板，背面要有矿物棉，而且塑料板和墙面要有210mm的空隙；
F：同E，但没有矿物棉；
装饰有木质胶合板的护壁板。
座位对声波的吸收率要与观众的吸收率保持一致，以避免当观众人数变化时造成声音回响的较大变化。
须采用优质的电子声学系统，在会议期间，每个座位后面装有带有小扩音器的声波扩散系统和延迟系统，并且要为音乐表演设计三维立体声系统。

图片1 万人大礼堂的计划与分区示意图
（4）音效测量和原地评估
回响时间：
频率（赫兹）
125
500
2000
空闲时间
2.2
2.2
3.0
使用期间
1.90
1.82
2.10
声压差距水平（空闲时间）：±4.0分贝
噪声控制：背景噪声在30dBA左右
声波漫射：d=0.60
演讲时的清晰度：12个观众区的清晰度达到85.3%。
礼堂投入使用之后进行了多次的主观评估，观众认为清晰度很好，甚至比小礼堂的都要好，并且观众对大型表演期间的音效也很满意，认为声音非常清晰柔和且没有一点回声。
（5）万人大礼堂的内墙粉刷
之前礼堂的所有内墙面都是木质的，这种封面不能满足现在的防火要求，所以2001年时在装饰风格不变的情况下将礼堂的天花板和封面从木质框架和胶合板换成了钢架和带孔铝合板。因此音质也比之前有所提高。现在大礼堂不仅是人民代表召开会议的地方，而且还是国内外歌舞剧团表演的场所。

图片2 万人大礼堂的内瞰
2.3万人大礼堂中声学设计的成功是中国厅堂声学的里程碑
万人大礼堂中声学设计的应用不仅在声学上是一个成功，它也反映了中国整个建筑声学的水平和超级组织能力及设计实施过程，并成为促进和加速中国建筑声学发展的动力。因此完全可以认为它是一个里程碑式的成功。而它之后建筑声学的繁荣发展是对此最好的说明。
3、运用成比例模型试验预测厅堂音效为厅堂声学设计奠定了科学基础
大礼堂是结构与艺术的结合，但又同绘画或其它艺术形式有所不同，因为一个礼堂一旦建成的话就很难再破坏重建。所以为了保证良好的厅堂音效，在设计阶段避免任何潜在的声学缺陷是很关键的。为此在1957年，当实验工程就要开始时MAA教授指导我们实施了一个成比例（1/40）的声学模型实验以预测礼堂建成后的音效。测量包括三个方面：声波回响时间（只针对500赫兹的声波），声压水平分布和声音反射次序。当时天津建筑设计学院的首席建筑师Dong Dayou教授委托我们进行天津友谊俱乐部的音效设计。我们也为这个工程做了声学模型实验。由于模型是1：40的，测量频率实际要高出40倍，那样500赫兹实际上就成了20000赫兹，这将是频率的最高上限。声压分布差和声波反射次序受到的影响很小。礼堂采用高音输入扩音器和钛酸钡麦克风做为声音放大器。为了得到模型材料的声波吸收系数，我们建了一个同比例大小的声波反射室。当进行声波反射时间测量时要在透明片上绘制不同频率声波的指数衰减曲线，就像显示在示波器上一样，这样声波反射时间就可以轻易读出。图片3显示了天津友谊俱乐部礼堂的模型，所用的反射实验室及衰减曲线图。图片4和图片5是礼堂的设计分区和建成后的内视图。
根据对礼堂的原物测量发现当声波频率为500赫兹时模型与实际建筑物的反射时间一致，但当频率降低时（125赫兹）模型所测得的结果就有偏高了。根据模型测得的声压分布和声波反射次序和原物测试一样。因此可以推断事先运用比例模型进行声学试验预测礼堂的音效和潜在的声学缺陷是一种很有效的途径。
1959年自那之后，我们又将同一实验程序运用到人民政协会议礼堂三楼的会议室设计中交取得了不错的结论。
随着测量技术和电子计算机技术的发展，在原有成就的基础上声学模型的建立得到

图片3 天津友谊俱乐部的成比例模型及反射室和声波衰减曲线

图片4天津友谊俱乐部礼堂的设计分区

图片5 天津友谊俱乐部礼堂建成后的内视图
持续的改善。从60年代开始，北京建筑设计学院的建筑科学研究协会已经为几十个礼堂做了成比例模型实验，除此之外还汇集了一些礼堂比例模型实验的测量规范。图片6展示了东莞大剧院的比例模型图片。

图片6 东莞大剧院的比例模型图片
4、无纤维吸波材料中的微孔板消声结构理论
由MAA教授提出的微孔板消声结构理论为厅堂声学处理和噪声控制提供了一种洁净无纤维的结构，并填补了我国无纤维吸波结构应用的空白。这种结构尤其适用于防潮和有洁净要求的房间。它已经被当作吸声和减噪结构广泛应用于大泳池，地下防潮室和无菌工作坊中。最近几年微孔板的应用也在进一步扩大。透明的微孔板或薄膜作为吸声结构用于玻璃屋顶和墙面不仅提供了很好的光照和内外的联系并且解决了声音聚集问题，因此它已经成为现代建筑设计中一种不错的吸声结构而且深受建筑师的喜爱。德国议会大厦（位于波恩）由于凹形玻璃带来的声音聚集问题成功地用透明微孔板得到了解决并在国内外引起了巨大反响。有一家德国公司现在就专门生产透明（半透明）微孔吸声薄膜。这家公司也在最近在我国媒体刊登广告出售它们的商品。以此我们可以预见这种吸声材料的未来。图片7显示了上海游泳馆的内视图，它所采用的就是微孔特别铝合板。

图片7 装饰有微孔铝合板的上海游泳馆内视图
5、厅堂声学设计中关于方形房屋正交模型理论的应用
在录音和广播建筑中，一些录音室和中小广播室通常采用方形，因为这种形式可以采用简单的布局，结构计算和简易的施工。但是方形或鞋盒形的房屋受到声源激发后这些房间的反射频率会以声音频率的不同而不同。最易受激发的频率就是共振频率（也称作固有频率或正交频率）。依据房屋长宽高比例的不同，会产生不同的正交频率分布。如果比例不太合适的话一些正交频率会互相重叠，也就是“简并”。在“简并”频率下，有相同频率的声音会大大加强并导致声音的扭曲，也叫做频率畸变匮或声音染色。因此这种现象应该在进行录音广播建筑声学设计时予以避免。
方形音乐厅的声学设计中，音乐排练室和设备安排室也要避免产生声音畸变以保证歌手和设备发出声音的原汗原味。尤其在小型的方形房间里，声音畸变频繁发生。那么在设计开发阶段该如何避免这种声学缺陷呢？
1938年，MAA教授进一步完善了方形房屋的正交模型理论。利用教授的理论，一个人可以通过检验正交频率分布，调整房屋的长宽高比例来避免声音畸变。
教授的模型频率计算公式为：

其中c是声速，Lx，Ly，Lz分别是房屋的长宽高，而nx，ny，nz为从0到无穷大的正整数（不包括nx=ny=nz=0）。
现在录音室和广播室及音乐厅的建筑设计中，除了计算普通的声学参数（回响时间，声压分布水平，噪声上限等等），其主要任务是计算正交模型频率分布以确定采用方形时房屋的最佳三维比例。由于不同三维尺寸因排列组合形式不同而变化很大，所以相关的计算量是非常大的。通常都要花几天时间来试算以确定适当的三维比例。最近几年随着计算机技术的发展，计算机编程的使用大大减少了工作量。
过去半个世纪的声学设计应用说明了MAA教授的方形房屋正交模型理论是选择三维尺寸比例和避免声学缺陷的一种有效方法，因此具有显著的使用价值。
6、管理建筑声学测量和设计——编制建筑声学规范
建筑声学设计机构和人员遍布全国各地，他们当中不同的人背景，经验条件和设计水准都大不相同。为了使建筑设计中的声学功能满足实际的要求，建立一个良好的声学设计环境必须将一些建筑声学设计和测量的准则编制成为国家标准或贸易标准以对建筑声学设计和测量进行管制。通过这种方式设计过程将受到管制，声学材料和结构的性能也可以得到保证，测量数据也具有可比性并且我们的声学设计也能够与国际市场接轨。
MAA教授担任了国家声学标准委员会的主管。过去几十年里在他的指导下编制了一系列的声学设计和测量规范。其中有关建筑声学的有：房屋回响时间测量规范，公民建筑隔声设计规范，建筑隔声等级标准，建筑隔声声学措施，反射室法的吸声系数测量规范，驻波管法吸声系数测量和声抗阻具体测量规范，礼堂声学设计规范，礼堂声学比例模型实验测量方法等等。以上规范的出版使建筑声学设计和测量受到管制，并为建筑声学的持续发展奠定了一个基础。
7、设立声学杂志，编制理论性和大众化的科学书籍
1955年，MAA教授了他的第一本关于建筑声学的书——《实用建筑声学》，这也了当时建筑师的启蒙性教育书籍。随后，他又编制了《声学手册》，《噪声控制》和《环境声学》等等。
2002年，MAA教授接受了著名声学家Beranek的邀请组织翻译了Beranek的著作《音乐会和歌剧大厅》，这本书在文化和艺术建筑的盛行时期有着很好的参考价值。
MAA教授是声学学报（中文版）中国声学周刊（英文版）的编辑。周刊是一本理论性的杂志，它介绍了中国声学各个分支的发展情况，并推进声学领域的国际国际合作和沟通。这本杂志受到了国内外读者的赞赏并给他们留下了深刻印象。
8、中国厅堂声学设计的首席构建者和执行者
在过去的半个世纪，国内建起了几十个大型礼堂，其中有南京大剧院，漓江大剧院，杭州歌剧院，天桥歌剧院，新疆大礼堂，星海音乐厅，保利剧院等，还有一些国内项目，如扎伊尔大礼堂，科特迪亚国家大剧院等，它们都是经MAA教授指导建起的。2004年11月北京奥组委向MAA教授征求国家体育馆（也叫鸟巢）的声学设计建议并得到了非常有价值的回应。因此MAA教授不仅是一位出色的科学理论者，一位著名的建筑声学家和建筑声学的杰出创立者，也是中国厅堂声学的首席构建者。
本论文很难涵盖MAA教授在过去半个世纪里对建筑声学领域所做出的所有重要贡献，只对我本人所了解的东西做一个总结。真诚祝愿MAA教授健康快乐！

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