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现代乐器声学知识9-10

2010年12月31日 AEROFISH 1,588 views 发表评论 阅读评论

第九讲 乐器与环境声场的关系

一、乐器声学研究离不开空间环境

  我们已经习惯在特定的环境中聆听特定的音乐,例如,优雅的江南丝竹适合在小型的合奏厅来欣赏,而激越的军乐队总是在开阔的空间进行演奏。如果将二者的演奏空间互换,其音响效果必然大相径庭:在合奏厅演奏军乐势必会震耳欲聋,而在广阔空间欣赏江南丝竹则可能会“只见其影不闻其声”。这些例子说明,任何乐器的演奏效果都与空间环境紧密联系在一起,不了解空间环境的声学特点,就无法全面把握乐器(包括人声)的音响性能。因此在了解乐器声学知识之后,读者还要知道一些与乐器声学关系极为密切的空间声学知识。

  需要说明一点:人们常常把有关环境声学的知识称为“室内声学”(room acoustics)、“厅堂声学”(hall acoustics)、或“建筑声学”(architecture acoustics)。但笔者认为,上述名词都不足以涵盖空间环境与音乐声的关系,因为音乐除了在室内或音乐厅里演奏外,也会在室外和小型的房间(如小型多功能厅和录音棚)演奏,还有更多的人则是利用家庭环境来欣赏音乐CD,观看具有多声道音响效果的DVD节目。这些问题也不能排除在音乐声学研究的范围之外,故笔者创用“空间音乐声学”(musical acoustics of space)一词,目的是使读者从环境的多样性角度来理解空间对音乐声的影响。

  空间音乐声学主要研究那些问题呢?归纳国内外研究情况,空间音乐声学主要关注下列问题:
  1.室内声的基本组成及其建立问题,主要包括直达声、各种形式反射声和混响声的特性,以及声的衰减,室内声场分布问题等。
  2.影响室内声场的因素分析,包括房间的大小、形状,声源位置和强度,吸声,室外、室内噪声和隔声等。
  3.不同声场环境与最佳音乐音响效果的关系,主要研究各种音乐表演形式(如管弦乐、军乐、室内乐、独奏、协奏、独唱、合唱等)和不同音乐风格对声场条件的需求。
  4.室内声场的方法和手段研究,包括分析法,统计(能量)法,几何(声线)法,计算机模拟法等。
  5.不同用途室内声场的特点和设计上的要求,如音乐厅、歌剧院、录音棚和小型家庭听音环境等。
  6.与声场环境有关的建筑、装饰材料的吸声特性、施工技术的研究。
  7.对应于声场物理量的主观听感心理量研究,如响度、音色、空间感、清晰度、可懂度的测量等。
  8.人工模拟空间声场环境的方法和技术,如各种典型声场效果的测量分析与数字模拟、杜比环绕声的概念与系统设计等。

  现代音乐空间环境的设计原则是以追求最佳音乐音响效果为中心。虽然不同用途的音乐厅堂有不同的室内声场指标,但有一些要求是共同的,包括:
  1.各处的响度要比较均匀、清晰。既不能存在“焦点”, 也不能有“盲点”,即不能让有些地方的声音听起来比起它地方响,或比其它地方弱;
  2.能够弥补自然声场的缺陷和不足。即在厅堂先天音响条件不佳的情况下能够改变音响效果,控制声场分布,以达到声场均匀、改善听感的目的;
  3.能够营造出特定的声场,并可以随意调控。通常情况下是通过电子控制的方法来实现这种目标;对于各频段的声音都有较均衡的、或按要求优化的反射,不使某些频率的声音过于突出,即出现所谓声音“染色”现象;尽量减少环境噪声,使听众能听清低音量的声响和细微的变化。

  音乐声学工作者在评价音乐厅的音响效果时需要使用规范的术语。布兰尼克(Beranek)于1962年提出使用18种术语对音乐厅的声音效果进行评价,以下是其中较为重要的10种①:
  1.亲近感,好象在一间小房间里面听音乐的演奏,直达声与第一反射声之间小于20毫秒;
  2.生动感,主要取决于房间对中高频的混响时间,如果混响时间不够,音乐就会显得比较“干”;
  3.温暖感,主要取决于生动感和丰满的低音。对于250赫兹以下频段,其混响时间应长于中高频段;
  4.直达声强度,主要取决于音乐厅的大小,一般来说,音乐厅的空间不能太大,否则就不可能有足够的直达声;
  5.混响声强度,主要取决于混响的时间和声源的强度;
  6.清晰度,主要取决于直达声的强度,一般总要强于反射声;
  7.均匀度,主要取决于声场中是否有足够的散射,是否存在声聚焦或声阴影;
  8.平衡感,主要取决于舞台设计。如果舞台宽于15米,舞台天花板高度应控制在10米以下,并采用不规则角度;
  9.利于合奏,让演奏员相互间能够听到对方演奏的声音,以利于默契配合;
  10.低噪音,环境噪声应小于20分贝。

二、环境声场的一些基本概念

[直达声]
  指从声源发出的直接到达接收者的声音。对听音乐来说,直达声是非常重要的一种声波,对声源的定位起着至关重要的作用。譬如,在音乐厅聆听交响乐的时候,如果你所在的位置直达声能量不充分的话,就无法正确判断正在演奏的乐器声是从哪里发出。

[反射声]
  指声波遇到刚性界面反射而至的声音。反射声对人们的环境感觉极为重要。如果只有直达声,没有反射声,人们会感觉身处一个开阔的平原。如果反射声强烈,则会感觉处于一个狭小的空间内。音乐声学研究中关注的是各种各样反射声的存在,特别是50毫秒内的早期反射声。1851年出现的哈斯效应(Haas Effect)理论指出:早期反射声对于音乐的响度、明晰度、丰满度、明亮感等都有影响。对早期反射声的进一步的研究又表明,早期反射声中的侧向反射声对主观听感有很大影响。据报导,它的时间分布影响空间感和音色。侧向声的低频成分强,空间感好,而侧向声的高、低频成分之比则会影响音色。

[散射声]
  指声波遇到不规则形状反射物后扩散产生的声音。为了使音乐厅内各处的声能密度分布均匀,声波应当向所有方向传播。为了达到良好的扩散效果,一般要在声场内安置。
  不同类型的扩射体。扩散体主要对低频段及中频段声音产生作用。任何扩散体的扩散效果都与它本身尺寸以及声波的波长有关。如果扩散体的尺寸小于波长时,则无扩散效果;如果扩散体尺寸与波长相当时,声波会产生散射和无规反射;如果扩散体的尺寸远大于声波波长时,则声波按扩散体的表面形状产生反射,将声音扩散。常用的扩散体的形状有半圆柱、波纹体、蜂窝体和三角锥体等。

[混响声]
  指从各个方向来的,以相同的概率到达每点的多次反射声。如果混响声中反射波很密集,混响声延续时间会较长。较大空间有利于获得好的低音效果。各简正频率的间隔与空间的长、宽、高有关。音乐空间的基本设计要求是三者之比是无理数为好,不要整数,主要是避免产生声音“染色”,即对某个频率段的声音反射过强。科学家经常推荐的音乐空间的长宽高比例是:1.618:1:0.618(又称“黄金分割比例”)或1: : (根式比例)。总之只要有可能,就应采用多边不规则的空间设计。

[混响时间](reverberation time)
  指当声源停止发声后声场中的声强衰减60分贝所需要的时间,记作T60。美国建筑声学专家赛宾(Sabine)在1900年提出了计算混响时间的公式:
T60 =KV/(S×a)
式中,V是闭室容积,a 是材料平均吸声系数,S是房间的总表面积,K是一个与温度有关的量,常温下K≈0.163s/m。混响时间是空间音乐声学中非常重要的一个指标。
  一般而言,录音棚或听音室的混响时间要短些,音乐厅的混响时间可以长些。音乐厅的混响时间一般接近或超过2秒。如美国波士顿音乐厅的中频混响时间为1.82秒,日本大阪“交响乐”音乐厅的中频混响时间为2秒,我国北京音乐厅的中频混响时间为1.4秒。

[声场均匀度]
  指声场各个角落的声音强度是否均匀。良好的听音环境设计可以保证听众无论坐在哪里,所听到的音乐效果都一样。而设计低劣的音乐厅,听众哪怕转一转脑袋,声音效果都有可能发生变化。其主要原因,就是环境中的声场分布不均匀,有声音聚焦的地方,听起来声音比较大,而声波稀疏的地方,听起来就比较弱。解决的方法之一是在声场中加装扩散体,以增加声波的散射。

[吸声材料]
  指具有吸声效果的材料。各种材料都有其自身的吸声系数。一般常用吸声材料的吸声系数都是在标准实验室用特定的方法测量而得。常用的吸声材料有超细玻璃棉毡、矿岩毡、岩棉、穿孔石膏板等。每种材料的吸声系数与声音的频率有关,即使同一种材料,对于高、中、低不同音区声音的吸纳能力也是不同的。有的材料对高频声音有效,但对低频收效甚微。选择吸声材料时必须注意这个问题。
  人和家具也是吸声体。房间内的桌、椅、柜和被服等都具有一定的吸声能力,它们有的是多孔性吸声材料,有的属薄板吸声结构。人的穿着不同,吸声能力也随之不同。人和家具不易计算面积,因此大多以每个人或每件家具的吸声量来表示。
  在处理剧院观众厅时,也要考虑观众对声音的吸收。为了保证大厅内音质尽量少受观众人数的影响,应使空场状态下单个椅子的平均吸声量尽可能相当于一个观众的吸声量。

[吸声结构]
  指具有吸声效果的物理结构。常用的有薄板结构、共振器结构、穿孔板组合共振结构和织物帘幕结构等。所有吸声结构的吸声原理,都是让声波在进入结构时消耗掉一部分声能,从而达到吸声效果。采用什么样的吸声结构则要视具体声场指标要求、原始环境状况、视觉效果和资金能力等条件而定。
  用织物帘幕吸声结构,是一个相对便宜、实用的方法。即使在已经采用了薄板结构、共振器结构或穿孔板结构的厅堂内,也常会用悬挂帘幕的方式对声场环境进行“微调”,以适合不同音乐表演形式的音响需要。在所有织物中,以各种呢绒材料的吸声效果最强,在悬挂形式上,以多层、打摺的帘幕吸声效果最佳,层与层之间要有一定距离,至少在10厘米以上为好。将幕布、窗帘等与墙面、玻璃窗留有一定距离,尤如在多孔材料后面设置空气层一样,即使没有完全封闭,也可对中高频甚至低频具有一定的吸声作用。

三、音乐环境声场的隔声与隔振

  乐器演奏的环境一般都要尽量避免外界声音的干扰,而专门制作音乐的环境,如录音棚,对外界声音更要“严格管制”。因而就提出了听音环境的隔声和隔振问题。

  外界声音传进室内的途径有以下三种:
  1.由空气直接传入。声音可以通过房门、窗户或管道的隙缝传入室内。
  2.透过墙壁等隔离物传入。声音传到墙壁等隔离物时,声波将使墙壁如同膜片一样产生振动,在墙壁的另一面形成二次声源,将声音向室内辐射。
  3.固体传声。由于墙壁等隔离物受到机械撞击或振动后,振动通过隔离物传播,辐射出声音。
  上述1、2种情况,声音是在空气中产生和传播的,可以称为“空气传声”或“空气声”;第3种情况,一般称为“固体传声”或“撞击声”。实际上,撞击声也是要经过空气才能使人听到。

  空气声和撞击声的隔绝方法是不同的,前者称为隔声,后者称为隔振。下面简单介绍一些隔声的方法。

[单层墙的隔声]
  墙的单位面积质量越大,透声系数越小,隔声效果就越好。这可称为隔声的质量定律。它适用于平均隔声量在50-55分贝以下的墙。在实际中,由于存在各种复杂的共振条件,质量定律会在一定程度受到限制和修正。最低频的共振要受墙的质量及力劲控制,而内部的阻尼和边缘紧固条件又控制了较高模式振动的高频。质量定律说明,当墙的质量或频率每增大一倍,隔声量将增大6分贝。但质量增大一倍,建筑费用也要相应增加一倍。为了增大隔声量但又不过分增加墙体厚度,大多采用双层墙结构。

[双层墙的隔声]
  双层墙能够提高隔声能力的主要原因是由于两层墙之间有空气层,振动通过空气层传到第二层墙,再由第二层墙传到另一房间,空气层的弹性起到了减振的作用,使第二层墙的振动大为减弱,提高了墙体的隔声能力。
双层墙之间不能有刚性材料的连接,否则将使隔声量降低15-30分贝。因此,在实际施工中,对双层墙的建造要求十分严格。要防止双层墙之间被固体连接物所“短路”,影响隔声量。

[门和窗的隔声]
  录音棚的录音控制室,与录音大厅之间有玻璃观察窗。它的玻璃应为2-3层,玻璃彼此之间不能平行,以免引起单一频率共振。通常靠近控制室一端的玻璃下部应向里倾斜,以免反光射向调音师。玻璃与窗框间应密封。录音棚的门应采用大重量的,通常门的中部为钢板。门与门框间应密封,通常包以毛毡。录音棚通常大多用里外两扇双重门,在两门之间形成一个空间,称为声闸或声锁,声闸深度应大于1.5m,面积应大于2m2。

[隔声屏与小型隔声室]
  在较大的录音棚中大多备有隔声屏或小型隔声室,用于多轨同步录音时隔离那些较响的乐器。隔声屏既要起到隔声作用又要起到反射声波的作用,因此,大多是一面为吸声的,另一面为反射声的。常用的小型隔声室高度约为2.25米,小的面积只有几平方米,大的面积约10平方米。隔声小室的混响时间很短,特别在低声频段,约为0.2秒。室内的吸声材料要不对称布置,室形要不规则,以解决小室内的声染色问题。它的四周面板与隔声屏相似。通常可以在完全封闭、顶部半开、拆下后板、拆下前板等几种状态下使用。完全封闭状态时隔声量大约有15分贝。

下面再谈一谈隔振问题。
  声音在固体中传播时,速度要比在空气中传播时快得多,而衰减得却较慢。有些录音棚由于客观条件所限,只能建在交通要道附近,特别容易受到来往车辆振动的影响,因而就需要作隔振处理。要想隔绝固体传声,应设法消除振动源或撞击源与隔离物之间的刚性连接。通常采用如下三种措施来予以解决。
  1.在地板或楼板面层上铺设一层弹性面,例如地毯、橡胶或软木垫层等,用来消耗撞击振动的能量。
  2.在楼上房间的结构楼板上加装弹性垫层或隔振垫层、垫块,如矿棉毡、橡胶等,再在该弹性垫层上做室内地面,形成浮筑结构,使由楼板面层结构传给楼下的振动大为减弱。
  3.采用“房中房”构造。“房中房”由外层结构、内套房和弹性垫层三部分组成。外层结构与内套房之间应无刚性连接,以隔绝固体声的传播。弹性垫层可采用橡胶隔振器或金属弹簧隔振器。

四、乐器与环境声场的匹配

  乐器演奏的形式多种多样,每种形式若想取得最佳音响效果,就必须考虑空间环境的匹配问题。首先应当确定音乐活动的音响类型。从规模角度上讲,乐器演奏可分为大型、中型和小型三种;从体裁角度,可分为交响乐、军乐、室内乐、独奏、协奏等;从音乐呈示角度,可分为现场音乐和录制音乐;等等。理论上讲,不同种类的音乐活动,其音响各具特色,因此需要与之相匹配的空间环境。

  在选择合适的音乐空间环境问题上,有几个关键因素应当特别加以注意。

一)、容积因素
  也就是空间的大小。众人皆知,大型音乐演奏活动需要较大的音响空间,小型音乐演出需要较小的环境,这样才能保证音响有充分的展示空间。但有时也不能一概而论,还要看具体乐器的发声特性。譬如,有些小型乐队,虽然人数不多,但乐器的音量很强,如中国的吹打乐,里面有唢呐和锣鼓等音量较大的乐器,虽然整体人数不多,但也不适合在小型音乐厅演出。

下面是在不用扩声系统情况下,音乐演出规模与最大空间匹配要求,超过允许值,就可能出现“听不清”的问题。

音乐类型 最大允许容积(m3)
独唱、独奏、弦乐重奏 8000
室内乐、管乐重奏 10000
交响乐 20000

二)、混响时间
  音乐厅的混响时间与音乐的类别和作品密切相关。原则上交响乐音乐厅要求混响时间较长,室内乐厅、合唱厅(演唱厅)次之;重奏(唱)和独奏(唱)厅较短。一些世界著名音乐厅的混响时间都很长,一般在1.7-2.0秒范围内。被誉为演奏圣地的奥地利维也纳音乐厅,荷兰的阿姆斯特丹音乐厅的混响时间均为2.05秒(中频500赫兹)。但混响时间过长(如大于2.2秒),有可能破坏旋律的清晰度和声部的均衡度。一些音乐家认为维也纳音乐厅就已经存在音响过于丰满的问题,该厅仅对浪漫派音乐较为适合,对欧洲古典乐派的作品来说,很难显示演奏家弓上和嘴唇上的细微技巧。

  混响时间与音乐的作品也有密切关系,对于古典音乐,一般认为其最佳混响时间在1.5-1.7秒之间,浪漫派音乐为2.0-2.1秒,前者可以展现莫扎特和其它古典作曲家音乐的清晰、细致的特点,后者则为勃拉姆斯、施特劳斯和马勒的后期浪漫派音乐提供融洽浑厚的声音。对于现代音乐,则以取1.8-1.9秒为宜。

三)、座位容积比
  这是被人们常常忽略的问题,所谓“座位容积比”是指音乐厅的容积与座位数量的比例,一般以单个座位所占容积值来表示。值越大,单位空间里面的座位数量越少。因为每个听众都是一个“吸声体”,当音乐厅坐满听众,其混响时间自然就会比空场时要短一些。同样的容积,座位越多,观众数量对混响时间的影响力就越强,这当然不利于音乐演出的效果。因此,对不同类型的演出,要选择不同座位容积比的声场来匹配。

四)、舞台环境条件
  舞台环境条件好坏对演奏者的演出质量和心理影响是至关重要的。其中特别重视的是以下几个因素:
  1.舞台的声场分布要均匀,不能有回声或颤声。
  2.不同的演出规模和乐器种类要选择不同的排阵位置,以获得最佳直达声和反射声的比例。譬如,在悬挂有反射板的音乐厅演出时,独奏或独唱者一定要选择有充分反射声的位置,这个位置或许是在稍微靠台里的位置(即不一定在台口处),虽然离听众稍远一些,但凭借充分的反射效果反而能使声音灌满全场。
  3.舞台地面要坚实,以避免对低频有过多的吸收。

五)、反射声和环境噪声
  这主要是针对露天演出环境而言。一般情况下,在没有扩声设备情况下,露天音乐演出的效果都比较差。这主要是因为缺乏足够的反射声,以及环境噪声的干扰所致。因此音量不大的音乐表演尽可能避开这种声场。比较适合露天环境的音乐类型当属铜管乐队和我国的民族吹打乐。但即使是这些力度较大的乐队,在选择环境上也要注意反射声和环境噪声的问题:一是要尽可能利用现场的反射体,假如露天舞台背后没有反射面,可以用一些活动挡板放在表演者的身后,以增强反射效果;二是在选址时要尽可能避开噪声源。

  这里顺便提及一个与个人或家庭音乐生活有关的问题,就是音乐产品质量与环境的关系。我们大家可能都有这样的体验:有时我们购买的音响产品或乐器,回到家后声音会发生变化,有的是变好,有的则是变坏。譬如一架钢琴在卖琴的地方听起来挺舒服,搬回家后声音感觉变“闷”或变得“太亮”了。这就是环境因素在起作用:因为你家里由于房间体积和装修的原因,对高频吸声能力与琴行的声场环境不一致,钢琴声音中的高频有可能被减弱,也有可能被增强,故而发生了音色变化。音响产品也是如此:一款价格昂贵的“发烧级”音响到了你家,可能完全失去音乐逼真度,如果不是买了假货,那你就需要从环境的角度来寻找问题的原因了。

【来源:http://www.cmia.com.cn/bbs_dv/index.asp


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