影响耦合空间声学效果的因素分析

厅堂音质设计中一直存在这样一个矛盾问题，即语言对白时希望混响时间较短、具有较高的明晰度；音乐演奏时则希望混响时间较长、具有较高的混响感。为了解决这个矛盾，采用耦合空间是一个很好的解决方法，即利用主厅衰减快的特点以保证语言明晰度，再利用耦合空间回输的混响声能而获得足够的混响感，这就出现了前后不同的衰变斜率。因此非直线型的衰变曲线又成为一种良好音质的追求。

耦合空间是指厅堂中存在的一些次空间或者附属空间（简称混响室）,这些空间使主厅内衰变过程呈现非线性衰变（双斜率甚至多斜率衰变）等声学特性的改变。厅堂容积扩大而出现混响时间延长，耦合空间声场的这种特性使混响感和明晰度这两个一直被认为相互对立的音质参量得到较好兼顾，因而在现代厅堂（尤其是音乐厅）音质设计中获得重要应用。

本文主要分析影响耦合空间效果的因素。在已发表的相关文章中，主要集中在耦合空间的体积和耦合开口面积的大小[1]。据美国ARTEC声学顾问公司的经验知耦合空间约为主厅的1/3时，声学效果才会充分显现。开口面积在5%至10%时双折效果明显，增至30%时其作用接近扩大容积后的主厅混响时间[2]。由于早期反射声在音质设计占有重要地位，所以耦合开口一般开在舞台和观众厅的上部，池座侧墙通常不设开口。

为了全面了解影响耦合空间声学效果的因素，以苏州文化艺术中心1200座大剧院为原型进行计算机模拟分析，采用的模拟软件为ODEON15.15Combined。初始状态为交响乐演出模式（有乐罩）。声源为设置在舞台边缘向内3m的中心线上，离舞台地面1.5m。在观众席上共设置了16个测点，均离地面1.2m高，声源和测点布置

选取的声学参量参照国际标准ISO3382和GB/T36075.1-2018《声学 室内声学参量测量 第一部分：观演空间》的建议以及常用的混响时间T30和双耳听觉相关系数（1-IACCE3）。除了IACCE3为500 Hz、1 kHz、2 kHz三个倍频带的平均值外，其他参量均为500 Hz和1 kHz的中频平均值。LEV是根据2003年Soulodre、Lavoie和Norcross通过大量实验数据推导的公式计算而来的：

耦合空间开口面积变化对声学参量的影响

主厅体积：约14600m3；主厅总表面积：约5400 m2；位于观众厅周边的混响室（R1）和位于舞台周边的混响室（R2）的初始体积均为4820m3，相对于主厅体积的占比为33%（约1/3）。为了表述简单和方便，简化了部分表述文字，如相对于主厅体积占比33%简化为V33%，相对于主厅总表面积开口面积占比5.5%简化为S5.5%。

在实际工程应用中，耦合空间开口面积相比于主厅总表面积的占比不可能太大。一是主厅的总表面积比较大；二是受建筑（楼板和门框等占据一定面积）和声学（需要保留一定面积提供早期反射声）条件所限，开口的面积也比较有限。如开在观众厅侧墙的R1，即使把所有的门都开启，最大占比也只有5.7%。

模拟结果分析：

1) 从图5可以明显地看出，耦合空间的声能衰变呈现明显地双折线特征。开口面积增大致使混响时间增大的主要原因是双折线的拐点前移所致，后期衰变折线的斜率变化并不大。同样体积和开口的混响室，布置在舞台周边（离声源较近）的调节作用显然更明显。

2) 耦合空间主要对混响时间T30有明显的提升作用。只有在混响时间出现显著变化（如从2秒提升到4秒）时，EDT和Ts才会出现可觉差的变化。其他声学参量变化比较小，都在最小可觉差范围内。

3) 利用耦合空间进行声场调节时，离混响室开口较近的位置，混响感（T30和EDT）和侧向反射系数LF变化更大一些。相对于布置在观众厅周边，混响室布置在舞台周边（远离观众席），观众席的声场变化更均匀一些。

4) 随着开口面积的增大，对观众厅的混响感而言：布置在观众厅周边的，效果逐渐变大；布置在舞台周边的，效果先变大再逐渐变小，中间有一个最佳值。

5) 对观众厅的LF而言：布置在观众厅周边的，数值有变小的趋势；布置在舞台周边的，数值没有发生变化。

6) 随着开口面积的增大，主观声级逐渐变小，重心时间Ts均变大。

7) 增设耦合空间后，舞台的早期支持度ST2都得到了提高。不同位置的混响室R1（离舞台远）和R2（离舞台近），对舞台的早期支持度ST1影响不大。

耦合空间体积变化对声学参量的影响

从上面的模拟可以看出，混响室位于观众厅周边，4.3%开口比较有效；混响室位于舞台周边，1.5%开口比较有效。接下来就以这两个状态为基础模拟体积变化的规律。

模拟结果分析：

1) 耦合空间的声能衰变呈现明显地双折线特征。体积增大致使混响时间增大的主要原因是后期衰变折线的斜率变大所致，而双折线的拐点位置基本一样。同样体积和开口的混响室，布置在舞台周边（离声源较近）的调节作用显然更明显。

2) 随着混响室体积的增大，观众厅的混响感（T30和EDT）和重心时间Ts也相应增大，尤其对混响时间T30有明显的提升作用。其他声学参量变化比较小，都在最小可觉差范围内。

两组混响室交界面开口大小对声学参量的影响

实际工程应用中，耦合空间会既分布在舞台周边，也分布在观众厅周边。按实际情况建立耦合空间模型：R1体积23%、开口3.5%，R2体积23%、开口1.5%，耦合空间总的体积占比为46%、开口面积占比为5%。R1和R2的交界面为S12。接下来分析各声学参量随S12开口大小的变化情况，以了解声能进入混响室R1和R2的交换情况，以证实分布在舞台周边（离声源较近）的混响室更有效。

模拟结果分析：

随着R1和R2交界面S12的开口逐渐变小，混响时间有逐渐增大的趋势，其他声学参量变化都很小。这也说明布置在舞台周边（离声源较近）的混响室作用要明显一些。

混响室内布置吸声材料对声学参量的影响

在实际工程应用中，通常会在混响室内布置吸声材料，以便精细地调整混响时间的变化。通常设置的吸声材料为吸声帘幕。

为了达到某一长混响时间的目的，可以通过调整混响室的体积或调整开口面积的大小来实现，也可以在大混响室内增加吸声材料来达到。他们混响时间一样，其它声学参量是否也基本相同呢？

模拟结果分析：

1) 同样面积的吸声材料布置在舞台周边（离声源较近）的混响室作用要明显一些。

2) 在混响时间基本一致的条件下，在大混响室内增加吸声材料，明晰度C80明显得到提高，但响度G和包围感LEV减小了。分析原因主要是吸声材料吸收了部分后期声能，降低了后期声能的总能量所致。相对于无耦合的主厅，在耦合空间内布置吸声材料可以达到既提高混响感又提高明晰度的目的。如果某种音乐演出（交响乐中穿插语言对白，如某作曲家或指挥家生平的交响乐演出）既需要高混响感也要保持高明晰度的话，在耦合空间内布置吸声材料是个不错的选择。

耦合空间内墙面和顶面的材料对声学参量的影响

混响室的墙面和顶面一般采用比较厚重的混凝土。如果混响室是采用轻质石膏板围合而成（这在实际工程中是可能存在的）。虽然吸声系数的绝对值变化不大，中频只差0.08，但是涉及的面积比较大，对耦合空间的声学效果会有多大影响呢？

模拟结果分析：

混响室的墙面和顶面分别采用混凝土和石膏板，虽然吸声系数的绝对值变化不大，但是涉及的面积比较大，因此对耦合空间的混响时间会产生较大的影响，EDT和C80也有可觉差的变化。

国外音乐厅工程应用案例

成立于1970年的美国ARTEC声学顾问公司致力于耦合空间的应用研究，他们共设计了约20个专业的交响乐厅，绝大多数都采用了耦合空间。ARTEC公司创始人R.Johnson甚至预言这是21世纪音乐厅设计的方向。Artec顾问公司设计的音乐厅为了保证音质效果均采用鞋盒式体型，利用墙面可开启的门或顶部可升降的吊顶改变观众厅的体积，并利用吸声帘幕改变厅内的吸声量，从而达到调节音乐厅的混响时间和其它音质参量以满足不同音乐演出的声学效果。

由于音乐厅舞台后部一般会设置管风琴，观众厅后部会设置灯控室和音控室，池座周围的空间包括各种入口和管井等，所以混响室一般设置在舞台和观众厅的两侧上部。最成功的当属瑞士卢塞恩KKL音乐厅和新加坡esplanade音乐厅，它们耦合空间都包含了舞台周边的混响室。

我们到国外考察观演建筑时，发现2014年开幕的波兰国家广播交响乐团音乐厅（1800座、体积22000m3、满场混响时间2.1秒）在舞台后部也设置了混响室，其实就是后勤的走廊，只不过走廊比较宽，体积略大一些。舞台后墙的三个黑色方形空洞就是耦合空间的开口。

利用耦合提升音乐反声罩的混响时间调节量

在国内很多剧院都有演出交响乐的功能，通常是在舞台上设置音乐反声罩来实现。一般剧院的混响时间最大也就是1.6秒（据调研，多数在1.4秒左右），再长会影响剧院主要演出（如歌剧、音乐剧、戏曲和话剧等）的明晰度。增加反声罩延长的混响时间比较有限，只有约0.2或0.3秒。很难达到专业音乐厅所需要的2秒左右的最佳混响时间。可以在反声罩的后部设置耦合空间（见图10），以大幅提高混响时间。但是由于反声板都是轻质蜂窝板，舞台地板也是木地板，都大于混凝土的吸声系数。从表4可以看出，虽然混响时间调节作用并不太明显，但也有约0.2秒的提升，可以基本满足专业音乐厅最佳混响时间的要求。

分析与总结

厅堂音质研究和检测的声源都是球面声源（点声源），以球形波阵面向四周空间传播。声源的功率是对包围声源的闭合曲面的功率，即P=∮I·dS，其中I为能流密度。对于球面波，P=I·4πr2。由于声源的功率是常量，故I=P/4πr2，既球面波的能流密度与球形波阵面的半径（到声源的距离）的平方成反比。也就是说越靠近声源，能流密度越大。

其次耦合开口面（简称开口面）是否有效，还与开口面和波线的夹角有关。开口面和波线的夹角越小，在波面的投影面积就越小，也就越无效；开口面和波线的夹角越大，在波面的投影面积就越大，也就越有效。

也就是开口面距离声源越近，且和波线的夹角越大（正对声源），则单位时间进去的声能就越多，耦合空间的作用才能充分地显现出来。反之，如果开口面进去的声能很少，那耦合空间的声学效果甚至可以忽略不计。

影响耦合空间声学效果的主要因素有：

1. 混响室和开口的位置。混响室和开口布置在舞台周边（离声源较近）更有效，开口面和声源的波线夹角越大越有效，可以起到事半功倍的效果。

2. 混响室开口面积的大小。主要是决定多少声能被延长。

3. 混响室体积的大小。主要是决定声能的延长时间。

4. 混响室内吸声量的多少。主要是决定延长声能的损耗量。

参考文献：

[1] 王季卿. 耦合空间与厅堂音质，《电声技术》2005年11月

[2] Ermann E. Coupled volumes: Aperture Size and the Double-sloped Decay of concert Halls. J. Building Acoustics, 2005,12(1):1-14.

[3] Leo L. Beranek, Listener Envelopment LEV, Strength G and Reverberation Time RT in Concert Halls, Proceedings of 20th International Congress on Acoustics, ICA 2010, August 2010.

[4] 孟子厚. 用耦合空间来调节声学特性的音乐厅，《艺术科技》2004年第3期

[5] 王季卿. 音乐厅音质设计进展及问题探讨，《声学技术》第35卷第5期，2016年10月