本文选自《物理》年第7期
(南京大学物理学院声学研究所杨彰昭邹欣晔
编译自AnnaDemming.PhysicsWorld，，(2)：23)
公共建筑的翻新往往比看上去要复杂得多。声学家和建筑师讨论了他们在公共空间设计背后的声学考量，以及解决这些场所中需求冲突的一些技巧。
在英国历史悠久的布里斯托尔市中心，沿着一条铺满鹅卵石的街道，两旁是错落有致的建筑，这里就是英语世界里仍持续运营的最古老的剧院——布里斯托尔老维克剧院(theBristolOldVic)。
这座剧院始建于年，最初被称为皇家剧院(TheatreRoyal)。为了迎接落成周年纪念日，工程师们对其进行了一项耗资数百万英镑的翻新工程。这项工程需要十分详尽和仔细的设计方案，以确保其内部的格鲁吉亚大礼堂(thegreatGeorgianauditorium)能够满足各种现场戏剧、音乐和舞蹈的声学需求(项目的第一阶段主要是对格鲁吉亚大礼堂进行了翻新)(图1)。
图1复杂的空间。布里斯托尔老维克剧院里新的大厅和咖啡酒吧都有着良好的声学设计，人们可以在这放松闲聊(左图)；在大厅的后端具有一面有着良好声学性能的礼堂壁(右图)，该区域可以用于表演
剧院其他部分的声学需求也同样复杂，项目第二阶段的重点则是对这些部分进行了翻新。第二阶段的工程包括了修建额外的表演空间和办公室，以及可以容纳一个咖啡酒吧和一个潜在表演空间的大厅。所有这些不同的功能区需要特殊而往往不相同的声学需求，而这又可能与许多其他的技术、文化和美学要求不一致。
能够克服这些困难得以实现理想声场分布的人是鲍勃·埃塞特(BobEssert)。他主修工程学和音乐，并于年创立了声音空间视觉公司(SoundSpaceVision,SSV)，这是一家总部位于伦敦并由声学家和建筑顾问组成的公司。
SSV公司当前的项目之一是耗资万英镑的布里斯托尔市另一个礼堂的翻新项目：科尔斯顿音乐厅(ColstonHall)，其位于布里斯托尔老维克的对面，并将于年重新开放。自年首次开放以来，从完整的交响乐团到甲壳虫乐队，拥有个座位的科尔斯顿音乐厅为在此演出的艺术家们提供了充足的表演空间。该音乐厅有着“鞋盒式”的几何结构，具有长而高的天花板，它可以在音乐家前方提供足够的空间，从而保证有丰富的声音环绕着观众，同时在表演区域的后方有相对狭小的空间能够防止声音的损耗(详见文章头部建筑师莱维特·伯恩斯坦给出的示意图)。这种“鞋盒式”结构是一种经典的设计形式，能产生最佳的声学效果。据《商业内幕》年调查显示，世界十大音乐厅中有9个都采用了这种结构。
埃塞特认为决定声学效果的最主要因素是建筑规模，其次是几何结构，再者是建筑材料。他说：“三个因素都发挥了作用。”然而一个表演场地既要有巨大的长度和高度，而整体又不能显得过于空旷，这往往是难以兼得的。埃塞特以英国萨里郡的梅纽因音乐学院的礼堂为例，SSV公司的设计目标是能够在一个经过特别设计的紧凑空间内容纳个座位，专门用于独奏或室内演奏。埃塞特认为“如果大厅的墙壁离观众和表演者越远，那声音就会越弱”。
简而言之，声音在屋内的传播随着距离增加而衰减。正如埃塞特所强调的，演奏音量能有多大是听众能否有被包围感和沉浸式体验的关键。这就意味着设计空间越小就越适合独奏演出。那么如何在一个可容纳完整交响乐团的空间里听清独奏，并在拥有个座位的大厅里给人以沉浸式的体验呢？
声学设计中的声反射诚然，对于观众来说一部作品的好坏最终是由舞台表演者的艺术表现力所决定的。然而即使在一个巨大的大厅里，能使表演听起来亲切而有包围感的却是反射声。由于声音是以有限速度传播的(20℃室温下，干燥空气中声速是m/s)，相比于从表演者发出的直达观众的声音，从房间边界反射回来的声音到达观众时会有几毫秒的延迟。你可能不会意识到这种延迟。但埃塞特指出，当人脑汇集处理音频输入时，这种延迟效果将导致到达观众的声音具有不同的振幅和方向性，而这对于观众的体验是至关重要的。
早在年，被誉为“建筑声学之父”的美国物理学家华莱士·克莱门特·撒拜恩(WallaceClementSabine)就证明了相较于硬墙面，软的家具装饰能够有效抑制声音的反射。他在改善哈佛大学福格讲堂声学性能的任务中，就用身上携带的一根风琴琴管和一块秒表进行了一系列耳听声实验，例如测试改变礼堂里软垫的数量时，声音衰减所需时间的变化。撒拜恩很快发现，软垫(或是任意的吸声材料)的面积与混响时间是线性相关的。
20世纪60年代，示波器的出现极大地推动了声学技术的发展，它可以直接显示输入的声音，并能直接分析反射声的延迟。进而，研究者们得以发现更多有关声音方向性的应用。例如，从侧面反射而来的声音能够形成环绕声的效果，从而使观众获得更好的沉浸式体验。
对反射声作用的认知促使人们注重声音在不同表面间来回反射方式的研究，进而又延伸到对演出场地的设计。这种“鞋盒式”结构自中世纪教堂(实际上也是当时的音乐厅)建造中采用以来，一直受建筑师们青睐。经过年代到年代由英国的迈克尔·巴伦和哈罗德·马歇尔以及德国哥廷根和柏林的研究团队的研究后，到了年代早期，埃塞特以及其他声学专家便着手研究通过几何结构的设计来调控声音的传播。具体就是通过设计几何结构反射声波的方向来增强来自侧面的声音。这样的典型建筑包括新西兰的克里斯特彻奇市*厅、英国诺丁汉的皇家音乐厅和美国达拉斯的梅尔森交响中心。
音质的水准科尔斯顿音乐厅历史上已经进行过几次的翻新和重建(图2)，最近的一次是在年，由当时英国最具盛名的音乐厅设计声学专家菲利普·霍普·巴格纳尔所主持翻新的。而年的翻新主要针对当时的市场需求，将建筑改造成电影院的模式，这就必然强调视觉效果、可容纳观众数以及电影音效。音乐厅尽管在年德国对英国的空袭中幸存下来，但是却在年由一根雪茄引发的火灾中毁于一旦。在年的重建工作中，巴格纳尔和建筑师J·纳尔逊·梅雷迪斯对室内进行修复时优先考虑保证古典音乐的演出。值得注意的是，当时包括巴格纳尔在内的许多英国声学专家都认为，英国大部分音乐厅的声音清晰度不高。英国人的音乐生活和品位已经被全国各地市*厅的音效所扭曲，埃塞特解释说：“又高又平的天花板使声音变得浑浊。”
图2多次改造。布里斯托尔的科尔斯顿音乐厅经历过很多次翻修，年翻修后的情形如图(a)；年的翻修如图(b)；对于当前的项目，SSV公司进行了声场测量(c)，并为设计方案生成了声学计算模型(d)
巴格纳尔针对科尔斯顿音乐厅采用了阶梯式矩形设计方案，并引入可吸收低频声音的材料来避免了嗡嗡声。他别出心裁地在舞台正上方加了一个顶棚，这样能够大大增加弦乐器的清晰度。尽管年用于辅助设计的示波器还没有被发明出来，但人们已经意识到，顶棚设计能够把声音反射给演奏者们，这样他们就能听到自己的声音。
在SSV公司对科尔斯顿音乐厅的翻新工程中，一项重要的任务就是解决音乐厅顶棚遗留的不足。随着舞台被扩建以容纳更大型的交响乐队，顶棚已经不能完全覆盖舞台前部的弦乐区域了。不仅如此，此时顶棚的前端结构还会引导声音更多的向观众席反射，从而使得弦乐演奏者们更难听到自己的声音。在改造中，SSV公司将搭建一个可伸缩和重塑的、具有更多传动索具的顶棚来应对更广泛的技术需求。
不过，也不是所有的反射声都有好处。科尔斯顿音乐厅里延伸出来的看台就覆盖了14排的观众席，这形成了覆盖数百个座位的“声音盲区”：声音会被看台底部多次反射而大幅减弱，从而使得到达看台下方成排观众席的声音变得干涩而微弱。新的改造工程包括了将看台从一个较深的结构划分为两个较浅的结构，使得看台下方不再有被遮挡的座位。
两全其美的方案让我们还是回到布里斯托尔老维克剧院工程中，为了满足新大厅的多重需求，反射声再一次派上了用场。大厅的设计非常巧妙，人们可以一边喝咖啡一边安静地交谈，并且不会受到其他人谈话的打扰。然而，为了最大化利用建筑空间，同样的大厅空间又需要营造出更活跃的氛围，甚至可以开办演唱会，以便使观众可以沉浸在音乐中。声学专家VangelisKoufoudakis就曾参与了布里斯托尔老维克剧院的改造工程，他坦承要尽可能同时满足各种需求实在令人头疼。这就好比：“你最终可以做出一张沙发床之类的东西——但它既不算好沙发，也不算好床。”但十分幸运的是，在这个项目中，建筑师和声学家终于“发掘”出了一个酝酿了年的独特的解决方案。
在大厅改造案例中，建筑师们希望建造一个连接剧院与街道和城市的开放空间。咖啡酒吧的墙体大多是能够吸声的，用这种表面不规则的墙体取代平整的墙壁能够避免很多奇异的共振。并且房间里充分利用了可回收木料的木屑，木屑的填充可有效地吸收声能并将其转化为热能耗散掉。大厅的天花板是由木质胶合层压制成的“胶合木”梁所构成的对角网格结构。这种对角网格结构呈现出不规则角度的构造，而这种构造和建筑物中一些老房间的几何结构也很类似。Koufoudakis认为：“在声学领域，我们偏爱不规则的形状，因为这可以避免声音聚焦或其他不需要的声学效果。”基于这样或那样的声学需求，你本以为这巨大而开放的大厅会使声音变得铿锵有力且余音绕梁，而它却能够为一场安静的促膝谈心提供一个完美的声学环境。那么，又如何使它在另一个时间点能提供更为活跃的声学氛围呢？
通过挖掘格鲁吉亚大礼堂中位于咖啡酒吧区域最远端的原始石墙，项目团队发现可以利用其作为一个声学反射背景墙，从而使得其正前方的空间可以作为一个表演场地。随着时间的流逝，这堵墙本身也遍布着坑洼，这意味着其反射的声波本身就是扩散声场，而不会产生奇异的高频共振。“这块神奇的墙面见证了剧院的沧桑变迁，”汤姆·吉布森如是说道，他也是翻新工程第二阶段的项目建筑师。同时，凹凸不平的砖石表面具有的热质量也有助于调节咖啡酒吧的室内温度。
稳健的设计同样的，大厅也从另一个后来被证明是因祸得福的奇怪设计中获益。自剧院最初建成以来的几个世纪里，各种扩建和翻新导致建筑包含了不同的地平面层。由于经费问题以及可能会承担考古风险，项目团队不想破坏70年代建造的地下室板或是地基。吉布森说：“总的来说，现在的大厅被建在老城墙的遗址上，我们担心可能会发现一些历史遗迹。”因此，设计的挑战之一是解决古楼层、70年代楼层和新式待建楼层的建筑差异所带来的问题。为了解决这些问题，设计团队在剧院历史上首次提出了将新大厅向下倾斜至街道高度，从而能够开放一个通行通道，而对于距地面较高的楼层则是在原本的礼堂墙面前再创建一个便捷的舞台区域。
不仅如此，建筑师们还充分利用整个场地的不同地面层使得剧院能够得到有效的通风。他们将礼堂一楼和负一楼的比较小的房间移到了70年代建在礼堂隔壁被当做剧院入口的库珀音乐厅区域中(图3)。但此举又会使得紧邻街道的大厅下方地下室的离地高度不合规范，这也导致空间受限，使得占地较大的传统机械通风设备难以安装。“无论如何，项目团队对翻新剧院的设计思路都是要使用自然通风，这样既能节约能源又能降低成本，”吉布森补充道。虽然地下室的高度不符合规范，但这样设计出来的空间恰好够建造一个全新的天然通风“迷宫”。它能够从大厅顶上引入那些带有噪声的空气，使之穿过一个砖石迷宫并充分冷却。这样设计的结果就是：冷空气被引入了剧院，又使得噪声对外界的干扰最小化。
图3几个世纪的沉淀。三维Nolli模型所展示的布里斯托尔老维克剧院在到年的旧(a)新(b)变化对比图。最初的剧院建筑有意与街道隔开一定距离，并且在之后的年历史中存在着众多出入口。到了20世纪70年代，剧院隔壁新建的库珀大厅就充当了出入口的作用。如今特殊功能大厅的新建又能让库珀大厅得以翻新，可以改成一个活动空间和一个小型剧院精美的造型然而，也不是所有的建筑风格的出发点都是要满足这些实用的技术指标。作为在德国被广泛视为“音乐厅设计史上的里程碑”的柏林爱乐音乐厅就打破了这种长久以来居于主导地位的“鞋盒结构”。—年，其建于在二战中被炸毁的柏林爱乐管弦乐厅的旧址上。“在非正式场合中，人们听音乐时总喜欢围成圈，”建筑师汉斯·夏隆说道。正是基于这样的观察，他把音乐厅设计成葡萄园里的露台式样，观众们围坐在一个碗状大厅的斜坡上欣赏音乐。这种大胆的设计激发了许多希望青史留名的建筑师们的灵感，“葡萄园式”的设计在过去15年里被广泛采用(图4)。
图4多样之声。柏林爱乐音乐厅始建于年至年，其被设计成一个类似于碗或者葡萄园的形状。它的宽度是典型鞋盒式设计的两倍然而这种葡萄园式的几何设计一直不受声学家们的欢迎。因为如果观众分散地坐在这么大一个厅内，客观的声强指标和主观的音乐感受都会变弱很多。这导致的结果就是，将环绕声形式扩展到没有看台且拥有个座位的大厅，反而会降低音乐创作者想要的强度和沉浸体验。而且，由于观众环绕舞台，坐在管弦乐队后面的人听到的声音与坐在前排的人听到的声音是不同的，像长号这样的乐器在中轴上可能听起来很响亮，但在其他地方听起来可能会相对较弱。埃塞特说到：“你之所以能听清法国圆号协奏曲，是因为你离他们只有两英尺远。”
这就是埃塞特觉得“鞋盒式”结构正在复兴的原因。同时，人们从心理声学的角度还发现，把音乐厅设计得又高又窄能够防止观众产生像被困于盒中的压抑感。例如，科尔斯顿音乐厅的新天花板在两侧就呈微微倾斜，这样能够减轻之前凹面天花板所带来的聚焦效果。而凸面设计能够很好地让声音均匀发散，同时也能让空间变得不像是一个纯长方体，使你感觉不那么“方正”。
精妙的处理对于科尔斯顿音乐厅这样的场所来说，另一个难点在于如何处理同一个空间中经过放大的声音和原声的叠加效果。尽管专门针对管弦乐的声学优化效果能极大地丰富声音，但功放的设计目标是在增强声音清晰度的同时降低混响，因此观众所听到的声音几乎都来自于扬声器。这类数字信号处理在一个理想化的场地可以很好地增强演出效果，但也难以完全取代在具有丰富音效房间里现场古典演奏的效果。当预算有限时，由玻璃纤维板制成的可伸缩面板或是窗帘可以有效降低被放大音乐的混响，同时能带来声学的多样性。
SSV公司在香港戏曲中心的项目中就将这种多样性的需求提升到一个新的高度。这里不仅需要满足不同风格的西方音乐对场地的需求，还要能适应来自诸如北京、上海、广东和香港的众多中国传统戏曲(图5)。这里的优化思路是能够兼顾歌手的演唱和管弦乐队的演奏，并且能模仿传统的露天声学效果。戏曲中心的装饰和声学系统在设计过程中也是相互兼顾的。
图5特殊需求。香港戏剧中心有许多不同寻常的声学需求。它需要演绎多种多样的音乐风格，因此礼堂中遍布具有复杂的形状、空隙以及用来吸收或散射声的材料，还有可以根据需要来调节的电动窗帘
然而，当观众对现场管弦乐演奏的期望越来越高，情况会变得更加复杂。如今的音乐会听众们都期望现场的声音能和他们在自家音响设备放的录音完全一致。但问题在于，这些录音要么是工程师把麦克风摆放在大厅里精心挑选的位置上录制而成，要么是录好之后再进行电子混音，并添加通道，这样你就能听到清晰的独奏，又能同时在房间内产生共鸣。“其实你听不到那样的声音，”埃塞特说，“但实际上我们的耳朵已经习惯了。”同时传递清晰度、共鸣和包围感的办法就是在房间里再建一个房间。
这个想法是埃塞特在与纽约Artec咨询公司的拉塞尔·约翰逊的一个合作项目中想到的，在这里他反复面临着如何解决多功能方案的设计问题。早在年代，Artec公司就将“混响室”引入到诸如位于美国达拉斯的梅尔森交响乐中心和英国伯明翰的交响音乐厅等音乐厅。从本质上说，这样的设计是将观众所在的音乐厅连接到一个二级空间，并且通常在沉重的枢轴上使用混凝土门。这个二级空间通常有几千立方米的容量，而且根据窗帘的使用与否可以被视作为一个“硬”空间或者“软”空间。“软”空间可以用于消声，“硬”空间可以用于混响，而房间的10—20dB声衰减时间则是由其几何形状决定的。这个想法由Artec公司在新加坡、洛杉矶、雷克雅未克和布达佩斯的项目中得到了进一步发展，并且受到巴黎爱乐音乐厅的设计团队的影响。埃塞特将相同的理念运用在了英国圣盖茨黑德音乐厅的设计上，他将主要空间和可移动的天花板的上方一部分空间耦合在一起。
尽管场馆的声学设计是基于声音的物理原理，但其仍然受制于其他众多的结构和技术考虑，随着场馆需要额外的功能以增加收入来源，这些考虑将会倍增。在对历史场馆的修复过程中，工程方案必须既要保护好历史文物，又要符合规划，还要满足观众们的众多期望。想要完成这一系列棘手的任务绝非易事。但如果在房间的几何形状、观众的视野、舒适度、建筑特色、建筑材料等等方面多下功夫，那无论是说唱还是狂想曲，无论是安静地喝咖啡还是享受歌舞表演卡巴莱，建筑师和声学家总能够为每一位到访的艺术家、顾客和观众带来舒适的体验。
获奖名单
感谢大家参与周末读书活动！恭喜CFxL，Blue，ZARD，猪爸爸＊增＊嘟嘟，reallllYuan，薛玉峰，康东+飞龙小区，郑老师共8位读者获赠《地板下的原子：隐藏在家中的科学》一本，请尽快把快递信息告诉我们以便您收到杂志哦！《物理》在淘宝店和微店上线，扫码即可购买过刊和现刊。
▼往期精彩回顾▼1.不变变分问题
2.宇宙磁场3.拍照时为什么尽量别穿条纹的衣服？摩尔纹大揭秘！4.轨道电子学向前一步：自旋与轨道态的捆绑被打破5.基于金刚石量子传感的纳米磁成像及凝聚态物理应用（上）6.基于金刚石量子传感的纳米磁成像及凝聚态物理应用（下）7.磁性纳米材料的生物医学应用8.走近天文之四：太阳系——熟悉又陌生的家园9.谈书说人之一：《理论物理学教程》是怎样写成的？10.杨振宁：理论物理的工作是“猜”，而数学讲究的是“证”。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇