【科普】巴黎爱乐音乐厅:声学设计新范式
  • 来源:网络
  • 作者:ArtParis
  • 发布时间:2015-02-11
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尽管拥有着世界级的歌剧院,作为世界艺术之都的巴黎一直缺少一座可以和维也纳金色大厅、柏林爱乐厅、阿姆斯特丹音乐厅等相媲美的世界级音乐厅。而巴黎爱乐大厅,在历经20多年的重重阻碍之后,终于以一种令人瞩目的姿态亮相在巴黎的天际线上。大胆前卫的建筑设计和最先进的工艺技术已经让它不同于以往任何一座世界级的音乐厅。尽管如此,它的音响效果和声学特性能否满足最顶尖的乐团和最严苛的听众们的耳朵,才真正决定了它能否撼动那些经典音乐厅的地位。在这里我们将为您介绍巴黎爱乐大厅辉煌外表背后先进而独特的声学设计。

音乐厅的声学设计是一项复杂的系统工程,其背后的科学和规律直到20世纪后期才被完整地理解和利用起来。在声学设计这个学科中,主观的对声音的审美被分解成了一些声学设计要素和准则。在几百年的经验史和现代科技的帮助下,一个好的音乐厅所需要的声学条件已经被完整地归纳出来。这里我们将先从一些简单的声学概念入手,音乐厅设计的声学要素。在这个基础上,我们将回顾历史上最经典的两种音乐厅声学设计范式:鞋盒式音乐厅以及山地葡萄园式音乐厅,分析其中的设计原理。最后,我们将遵循设计师的角度仔细解读巴黎爱乐大厅的声学设计,从而理解巴黎爱乐大厅在声学设计上的独特与伟大之处。

音乐厅设计的声学要素

在分析音乐厅的声学之前,我们将先介绍一些简单而重要的声学概念,引入一些基本的术语,并结合我们的日常经验,来帮助大家理解一些简单的声学概念和现象,比如为什么澡堂里的歌声更加动听,为什么旷野里的笛声显得单薄,为什么穹顶的建筑结构对于音乐厅来说是极差的,等等。

  • 当我们在听音乐时我们在听什么?

想象你在一个大厅里听歌手唱歌,进入你耳朵的歌声主要由两部分构成,i)直接从音源(歌手)抵达你的耳朵的声音,称为直达声(direct sound);ii)经由大厅的墙壁单次或多次反射进入你的耳朵的声音,称为反射声(reflected sound)。由于直线路径最短,直达声将最先到达你的耳朵,随后是反射声。在反射声中,我们进一步将听见直达声后大约0.1秒以内到达的反射声称为早期反射声(early reflected sound);这个时间节点之后抵达的反射声一律归为混响声或后期反射声(reverberation or late reflected sound)。在图1A中的我们画了三条代表性的声音路径,分别代表了直达声(红色,路径1),早期反射声(橙色,路径2),以及混响声(蓝色,路径3)。而在图1B中,我们示意性地画出了音源发声后你听到的如前所述的几种声音成分随着时间的变化。


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图1:(A) 房间里声音的传播路线。路径1表示直达声,路径2代表了早期反射声,路径3代表了混响声。(B) 直达声,早期反射声以及混响声的时间分布。

在这里之所以介绍了这么多关于反射声的概念是因为,人对于声音的审美,除了对声音本身的审美,都源自于对反射声的审美习惯。为了说明这一点,我们不妨思考一个问题:当我们在听音乐时我们在听什么?直觉上我们可能会认为我们只是想听歌手或者乐器发出的声音,即直达声。但真的是这样么?想象一下一个没有反射声的环境——旷野。旷野里的歌声,因为不存在反射声音的墙壁,所有到你的耳朵里的声音都是直达声(图1B中只留下红色部分)。但哪怕是再好的歌手,你都会觉得他的声音干涩、飘忽、虚弱、压抑。而相反,诸位在自家浴室忘情地歌唱的时候是不是都觉得自己的声音太美了?这个例子告诉我们,当我们听音乐的时候,我们不但在听音源发出的声音(直达声),我们也在依靠反射声感受着整个空间。如果没有反射声的存在,我们会觉得很别扭。用稍微严肃点的声学语言来说,在听音乐时,除了音源本身的质量,决定声音品质的最重要因素就是反射声场的特性。我们喜欢有包围感(envelopement)的声音,我们喜欢把自己沉浸在声场里的感觉,我们对声音的空间感有着独特的审美标准。

  • 一座理想音乐厅的声学要素

从上面的讨论中我们知道了反射声的重要性。下面我们将简单介绍一个高质量音乐厅的反射声场所需要具备的声学要素。

  1. 合适的混响时间(reverberation time

混响时间是在音乐厅的声学设计中非常重要的声学参数,于二十世纪初被发现,是最早被研究的声学参数。它指音源停止发声后,从听见直达声开始直到余音消逝所经历的时间。由于没有反射,旷野里的混响时间接近0秒,声音干瘪虚弱但清晰;而大教堂由于高挑的大堂空间和复杂的细节结构,混响时间就可能有几秒,声音雄浑立体包络了整个空间但缺乏力量朦胧柔软。太短的混响时间将造成声音干涩平面,太长的混响时间会让声音重叠在一起变得模糊不堪。合适的混响时间(1.5-2.5秒)可以在声音的清晰度与包围感中获得一个较好的平衡,世界上最著名的音乐厅,诸如维也纳金色大厅和柏林爱乐厅的混响时间都在2秒左右。另外有一点需要指出的是,不同的音乐作品的最佳混响时间并不一致,这是由于作品风格和年代、乐队规模、以及演奏场景所决定的。古典时期的作品(诸如巴赫、莫扎特、海顿等)更适合在短混响时间的音乐厅演奏,因为它们最初就是在相对小的房间内演出的。而稍长的混响时间会更适合浪漫主义时期的作品(舒伯特、孟德尔颂、勃拉姆斯等)。早期音乐、弥撒、安魂曲等教堂音乐则需要更加长的混响时间来彰显教堂的神圣感。

2. 充分的早期反射声,尤其是早期侧向反射声(lateral early reflected sound)

自从混响时间的规律被发现以来,音乐厅的声学设计得到了相当大的发展。但仅仅依靠这一参数来评价音质并不充分。具有相似混响时间的音乐厅可能听起来效果很不一样。二十世纪五十年代以来的声学研究才逐渐揭示了早期反射声对于音质的重要意义。和视觉暂留效应一样,人耳也有类似的效应,即哈斯效应(Hass effect):人耳会认为间隔0.05秒以内的两个声音是连续的。因此,充分的早期反射声具有加强并丰富直达声的效果。所以在混响时间相同的情况下,早期反射声越强,声音也就越清晰丰满。在这样的指导原则下,在音乐厅内部安装反射板、扩散体等设计的确可以在大多数情况下加强早期反射声从而获得良好的音质。但于1962年落成的纽约菲哈莫尼音乐厅却遭遇了前所未有的失败,尽管设计上充分考虑了早期反射声,但听觉上的效果却远远不如那些早期仅凭经验设计的音乐厅。声学领域为此展开了大量研究。终于在六十年代末,新西兰声学家Haroid Marshall(他也正是巴黎爱乐大厅的声学顾问)发现了早期侧向反射声在音乐厅声学中的重要地位。早期侧向反射声是指从侧方反射入耳的早期反射声(见图2)。实验表明,相较于从头顶等方向传来的正向的早期反射声,人耳对来自侧向的早期反射声(图三中60度附近的范围)要敏感得多,听者的空间感和环绕感主要就是由这部分声音所贡献的。所以,早期反射声,尤其是早期侧向反射声的质量将对音乐厅的声学造成重大的影响。



图2:早期侧向反射声的示意图。人耳对侧方60度左右传来的声音最敏感。听音乐时的空间感和环绕感主要是由这部分侧向的反射声贡献的。

3. 均匀平衡的声场

一个好的音乐厅需要把反射声均匀散布,以使得在各个位置的听众都能获得高质量的音乐体验(题外话,有意思的是,角落里的廉价位置可能比座池中央的高价座位更容易获得好的声学效果,因为角落里的早期反射声非常丰富,而座池中央就未必了)。所以,对音乐厅的几何形状的设计要避免声音传播出现明显的不均匀现象。具体地,主要需要避免几种情况:i) 回声(echoes)。当房间太大,直达声和最先到达的反射声之间的时间间隔大于~0.1秒时,人耳就可以清晰地分辨出直达声和反射声,这就是回声效果。大家最熟悉的例子就是山谷的回声。音乐厅的设计往往需要考虑,比如天花板不宜太高等等。ii) 声聚焦(focusing)。就好像光线在一个凹面镜上反射会汇聚一样,凹形的墙壁会对声音有汇聚作用(图3A),引起局部的声音增强,而其他地方声音被削弱的结果。因此,圆形厅堂的设计或者穹顶的设计在声学上都是极差的。一个反面例子就是美国俄克拉荷马州的大教堂,其高挑的穹顶式的设计被称为声学的噩梦(图3D)。当主教讲话时,强烈的回声效果伴随着汇聚效果使得从穹顶产生的回声比真正的说话声更强更清晰。而与凹形结构相反的是,凸形的墙壁对声音有扩散作用,可以使声场变得均匀,因此也是音乐厅中常见的建筑结构(图3B)。iii)颤动回声(flutter echoes)。往往出现在平行的光滑墙面之间,声音会在墙面之间来回反弹叠加(图3C),最后听起来会好像乐器的颤音一样,严重失真。iv) 驻波(standing wave)效应。当声波的半波长和平行墙面之间的距离恰好是整数倍的关系时,会引起驻波效应,使得声音的强度在空间上产生强弱的起伏,并且改变声音的频谱特性(即声染色,coloration)。为了消除颤动回声和驻波,除了减少平行面,对墙面进行漫反射处理或者使用吸收材料也非常重要。

图3:(A)凹形墙壁的聚焦作用。(B)凸形墙壁的散射作用。为了达到均匀的声场,音乐厅设计时会选择凸形墙壁而尽量避免凹形墙壁。(C)颤动回声的原理。(D)声学的噩梦:俄克拉荷马州大教堂。

以上我们用比较浅显易懂的方式介绍了音乐厅设计中三个最重要的声学要素。实际上,音乐厅的声学设计还需要考虑许多更加具体的专门化指标,比如不仅仅需要考虑总的混响时间,还需要考虑不同音高的声音的混响时间,即混响时间的频谱(低音的混响时间应比高音长,从而克服低音更容易损耗的声音传播规律)。声学是一门严格的科学,声学专家在设计和评估音乐厅的声学特性时,需要用到非常多的声学领域的专门知识、需要精确的计算以及计算机模拟,才能给出最后的最优设计。但对于我们来说,只要理解了上述三个要素,就可以理解音乐厅设计中的绝大部分声学原理。


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