转发同济王季卿教授的中国建筑声学的过去和现在 第一次发 可能不太好

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中国建筑声学的过去和现在<br>王季卿<br>
‘同济大学声学研究所上梅，200092]<br>1994 4r 12月9日收到<br>
摘要中国古代论述声音和乐律的记软可迫溯到世纪之前，与建筑声学有关的现象.如共振和秘响等亦早有所观察和认识.古代有许多专门讨论音乐的书格，但没有建筑声学的专著.如今用现代声学技术对一些古建筑的分析，解开了许多长期以来令人迷惑的现象和特征，近代建筑声学在中国的薄芽是兰十年代末开始的，直至五十年代以后，由于大规模建设的需要才有了藩勃的发展.本文甘在综述这一进展及成就。<br>一、引言<br>声学是一门古老的科学，在中国论述声学原理的记载可迫溯到公元前六世纪(见“管子’)，这<br>
和当时西方文明相比毫不逊色，甚至有人认为希a的毕达拉斯(Pythagores,580一500 B.C.)提<br>
出的自然律取自中国仅法国神父钱德明Jesuit的著作，1780年于巴黎).只是近数百年来，内<br>
沈外患不断，才大大落后了.再则.正如英日李约瑟Joseph Needham(中国科学院院士)在其名<br>
著“中国科技史’(1962年于剑桥)中所指出;“中国科学工作者本身，也往往忽视了他们自己祖先<br>
的贡献，。如今声学研究和其它学科一样，步人了一个焕发时代。回顾一下过去，有利于促进我<br>
国科学技术的更快发展，<br>二、古代对声学的认识<br>相传公元前27[10年，黄帝令乐官伶伦取竹作律，将其基音律管称“黄钟”.增损长短成十二律，阳六为律，阴六为A甲随后又与荣将受命铸钟十二，名为“咸池，，以和五音，奏出美妙音乐 (见’吕氏春秋’，239 B.C‘)。可见那时已掌握把管的长度加长三分之一或酸去三分之一，使之听起来与基音很和着.这是最早的乐音规律，也是以后制作乐律的根据。这十二律是十二个半音，共中任何一律均可组成五音律，即所谓“旋向为宫’，宫者基音也。<br>周朝门100 B. C.)以后历代，把制礼作乐定为一项治国之策.因此乐律和乐器研究一直受到重视。在出上文物中就有许多例证。长沙马王出土的一套西汉律管(200 B一C.)和广州西汉南越王墓出土的编钟(129 B. C.)都有着两千多年历史.前者保存良好，还可吹奏!那个葵音律管长176.5 mm直径6一5 mm.计算颇率为446.5 Iiz，与现代的标准音非常接近以后还出现了双音编钟，即打击不同部位会发出两种不同音调的声音。用近代FFT技术分析出它们的振动模式和衰减现象，说明其安排何等巧妙.钟的铸造也说明我国古代冶炼技术已达到很高水平 上述三分损益法计算出来的十二律不是恰好占一个倍频程(八度音).而人们早就认识到高一个借须程才是较高的同一个音，因此设计各种方法以达到此目的.我国两千年来乐律的研究几乎就集中于用三分损益法加一个音阶中的律数达到倍频程的准确值。明朝伟大的科学家朱载育在其律学新说(1584年)中提出12行等比级数平均划分乐律(“以密律除之，凡十二遍’)来完成十二平均律.和现代音乐中键盘乐器上使用的完全相同。他提出的平均律是世界上最早的，对西方乐律影响很大，这一重要贡献可借今人已不知遭了。<br>东汉时代，王充在“论衡’侈2年)一书中就把声和水波相比，对声音的波动性质提出明确的概念。宋朝谭峭伶38一，，，年)提出“气从声，声从气，气动发声，声发气振’;张载在“正蒙’哟1060年)一书中提出’声者形气相轧而成’，说明物体振动产生声和气流冲动物体而发声原理，在那时已明确声是客观存在，并会引起听觉.但不是听觉的产物.，声，字含有物理性和生理性两重内容.唐朝田同秀在“关尹子’(742年)一书巾对听觉的生理过程有最早的描述:“鼓之形者，我之有也;鼓之声者.我之感也，。由此可引伸出声传至内耳的鼓膜施加给它压力，声感由此产生。<br>在用字上也可说明对声的本质早有了解.’诗序“傣汉之间)上就说过声成文谓之音，音节乃成乐，，所以声、音，乐三者有所区别。声是总称，音则是有调的声.一般的泛指便用“声音月字样。响是声，繁休字中又从音.但与“声，和“音’又有不同，“响之附声如影之著形”，所以响是fu的作用，特别使人发生的感觉(声).噪则是‘群呼烦扰’(见南朝‘玉篇’)或‘扰’(见东汉 ‘说文，〕甲古代用字之严格正说叨对客观现象的观察和理解。“声学，一词最早见之于十一世纪的宋代科学家沈括的著作“梦澳笔谈’《1086年)&gt;而西方在十八世纪才出现aooustique庐学)这一名词，缘起法国科学家，迟了数百年.<br>公元前五世纪的春秋末期，齐人所作“考工记，中讨论了振动物体的大小和形状影响它发声的高低和振动所受阻尼、声音传播的远近等基本问题.在那时，对于单根弦的长度、粗细与发音高低的关系已达到定虽化程度.至于共振现象以及共呜器的作用亦早有所了解，公元前四世纪的。墨子，一书中已有记载，在其。备穴篇，中详述了地听器{Geophon的在战场上的应用.在城墙脚下每隔数尺挖一深坑，埋置了容且约七、八十升的陶雄.口上蒙以皮革，山此可监听到敌人挖地道攻城的声音，井判断其方向。这种方法沿用很久.又称瓮听。利用瓮或铜虹置在舞台下作共鸣器以扩大声音，则是历代常用的音质控制技术.<br>有关共振实珍的记载也可迫溯到公元之前。如在战国时代(公元前七世纪)‘庄子”的杂篇‘徐无鬼，中，“为之调瑟，置于一堂，登于一室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣’.又宋朝沈括所著 “梦很笔谈，中介绍了一个生动的示范实验。剪一小纸人放在乐器的弦线上，弹动另一乐器发生共振的弦.则小纸人跳跃颇动，而弹别的弦则纸人不动。 ‘余音统梁，三日不绝“(见周代&#8226;列子&#8226;汤问篇)以喻歌音之高亢回旋;“空谷传声，虚堂习听，<br>
(见梁朝周于嗣“干字文’，约545年)后一句up指的是大厅混响现象。这些早期的记载都是谈的建筑声学，距今已有1500--zson年了-<br>
三、古建筑中的声学<br>
自古以来，祭祀鬼神，喜庆丰收，必伴之以音乐歌舞。相传殷代《公元前一千多年〕人们 已.1995-2005 Tsiicgkua Tongfang Optical Disc Co.，Ltd, Ail dgkss rm}d,!of<br>
王季卿:中囚建筑声学的过去和现在能利用自然地形修建便于观看表x的场地.公元H-T五，六百年，春秋时代的“诗经’陈风篇记有:<br>
‘观其击鼓宛丘之下，无冬无夏，值其鹭羽’。描述人们在四周高中央低的‘宛丘，巾.手持羽毛群舞，观众在四周斜坡上居高临下地看演.这和古希胎露天剧场[Epidauros,公元前300年)<br>
颇为类似看来这是解决视和听的最原始措施，也是比较科学的布置.<br>至于剧场建筑始于何时，很难查考，但知隋朝欲舞剧已较发达.剧场建筑亦已有相当规摸，人们在戏场的“看挪’中看戏已很盛行。戏台为了遮避风雨日晒，上面有棚，称为乐棚。敦煌璧画 “净土变’中可以看到唐代欧舞表演的概况。至宋代，民问戏剧很发达，演出都在固定剧场中进行。元代戏剧艺术颇为繁荣，民问戏台亦大为发展、由临时性的“露台’发展为砖木建造的戏台建筑。形式上亦由四面观看改为背后有靖，供三面观石的戏台.进而将舞台两侧也用墙封上，甚至形成展斜形式，这些改进对于将演出者的声音向观众反射是非常有利的。山西平阳县圣母祠的金代戏台(1218年建，见图1)和山西临汾县东岳庙元代戏台(1343年由是迄今可以查考的最早型式。<br>明代起各地出现了很多会馆.往往都设有戏台.供行会喜庆演戏之用。四周有耳楼f即厢<br>
座)正厅313院落，形成一组完整的演出建筑，见图2。保存良好的有南方苏州钱江会馆、宁波福建会馆和北方天津的广东会馆(见图3)。由于规模不大、又是全部室内建筑，听音条件有了不少进步.相比之下，寻削七宫中所筑戏台规模宏大.台分三层，均可演出，正面隔着爵夭院子是皇家看戏的正殿.两侧回廊供大臣观看，这种伸出式舞台，从声学观点来分析是很不利的。尤其对两侧观众。现存较著名的有热河行宫福寿园中的清音楼，北京故宫宁寿宫申的畅音阁甲和颐和园巾德1.4园人戏台〔见图41处。<br>那时的伴奏乐队(“场im0〕位R都设在舞台后部，在所谓“守旧’(舞台底幕)和桌椅之间，面对观众演奏.这一布置从声学上讲是合理的。它在后面起到衬托作用，不会压过演员的唱词，迄今在某些日本歌舞伎表演中还可看到这种布局.只是由于后来剧情逐渐复杂，舞台进深加大加宽.乐队不得不退至’下场门’里或舞台一侧了.舞台是普遍设顶盖的，甚至做成精致的穷顶，起到“拢音，作用，扩大演员的音盆和改善白我感觉.很多舞台下设水缸或水池，以盛水深浅来调节不同演出时的共鸣效果.或者把舞合下部空若.为的招增加很响威吧.<br>有一个时期，戏园中只是听戏、谈天、喝茶和抽烟消遣.看戏极为次要。很难想像在那<br>
种很嘈杂的场所居然可以欣赏曲艺演唱，除了演员的功底以外，建筑声学上的配合也是少不<br>
了的. 此外，古代建筑也留下一些声学上的奇迹，久久使人迷恋。如建于明永乐十八年<br>
‘窗530年)的北京夭坛回音璧、三音石、园丘等古迹.因其特殊声学效果而增添了吸引力和<br>
神秘感.近代声学解开了这些谜。直径65 m的光滑回壁，可使微弱语声沿壁传播一百多<br>
m而仍然清晰可闻，如在耳边细语。这种贴壁蛹行现象可由实验证明(见图匀.顶层平台<br>
汽径为23 m的园丘，四周石栏加上地面起拱哎见图5A).使在平台中心发声，自己会听到<br>
来自各方向的多重回声，起到“一呼百应介的效果.以附会皇帝发出“亿兆景从，的号召.<br>其它如山西普救寺内的莺莺塔(初建于阶唐，1564年重建).塔下击石于地.不远处可听到<br>
蛙叫般的回声，长期来迷惑了不少游客.如今由几何声学作图《见图7))及现场声学测童分析，来自多层枪口的反射声构成了与蛙鸣非常相似的回声图。这类情况还出现在其它塔旁，如河南三门峡市宝轮寺的三圣舍利塔健于1176年).这些事情的发生，多半出于佣然，但是民众能及时发觉这些声学现象，况且这种现象也只有在高度精巧的建筑技术墓础上才能实现。 四、近代进展<br>十九世纪末赛宾提出混响时间概念及其计算公式奠定了建筑声学基础以来整整一百年了.在前五十年中最大进展是由几何声学进人波动声学.但那时很响时问仍是音质设计中唯一可班计和可侧量的评价参量.后五十年则对音质评价有了较全面的认识.考虑到了衰变过程中的精细结构.对材料的吸声机理研究已臻完善，吸声材料的品种由此大增.由于嗓声控制问压随着社会和生产发展.室内外环境声学控制成为本学科中一项艰要内容.也投人较多力量进行工作。近一二十年更由于计算机技术的飞速进步，使声学测量和声场估计出现了一个划时代的端新面貌，由纸上比划进人到可听化(Auralisatian)阶段。<br>我国最早开展建筑声学工作的也许是1929年叶企布咬1898--1977)和施汝威(1901~1983)两教授研究了清华大学礼堂的音质，并测盆了中式服装的吸声系数，但在国际建筑声学界最有影响的开创性工作当推马大狱教授在三十年代末对矩形房间简正波理论研究，井成为该理论的莫荃者之一他在以后半个多世纪来，在建筑声学和其它声学领域建树甚多，并一直括跃在声学研究第一线.<br>1954年我国第一个混响室在南京大学物Av系的半地下室改建而成。次年一座新的正规混响室在同济大学建成。随后建筑声学的研究工作逐渐在全国范围蓬劲开展起来。我国首批专业队伍是在五十年代中由魏荣爵教授创建的物理系声学专门化培养出来的.<br>上一个世纪就有人注慧把国外重要声学著作引进我国，如田大里(Tyndall)“声学，一书的中译本于1874年由上海汀南制造局刊印出版〔见图81.五十年代起.一邺重要的建筑声学名著陆续超译出版，至六十年代以后，一些由我国学者自己编写的专著纷纷问世。各种声学专业化杂志从那时起也陆续创刊.目前已有“声学学报‘等六种之多.全国性和地区性的学术交流会议经常举行，还出版了多种论文集.但是，由于诸多众所周知的原因，声学工作和其它学科一样，几乎停滞了一、二十年，使原来就比较薄弱落后的事业与国外先进水平更加拉开了距离非常便人痛心.幸而这十五年来.形势有了根本的转变，出现了许多可喜的优秀成果.兹就本学科中几个主要方面的进展，简述如下:<br>
I，室内声学<br>五十年代中期，大量厅堂(包括剧场、电影院等)和播音室、录音室的兴建.建筑声学设计<br>
受到较大重视.于是开展了厅堂音质的侧址和主现反应的调查工作、适合国惰的最住混响时间选择、模型试验和室内声扩散等问题也都进行了研究。部分研究成果已反映到近年编制的‘剧院、电影院和多用途礼堂声学设计规范碑案)’和&quot;GS 4954-85厅堂扩声特性渊量方法’等国家标准中去。<br>室内脉冲响应和第二评价参量的研究在五十年代中开始受到关注。早先着重于室内声场的方向性扩散，至八十年代则对声能比研究较多。有关汉语与声能比，以及快速语言传翰指数 (RASTI)这两个参且的关系，有了一些实验结果的报导.与听音响度有关的厅内总声强指标如何更客观地反映出房间的作用是声学设计基本内容之一。于是开展了早期反射声对响度作用的研究和厅堂早期声能分布的现场研究等工作。<br>为了保证厅内语言清晰，有关汉语的一些基本特征、影响清晰度的一些主要因索以及汉语清晰度的侧量方法皿已制订出国家标准)等都已开展了大食工作.四十年代初期有少数科学家从事这方面研究，而目前已形成较完备的规模，当然这还与通信广播上的迫切需要分不开. 音质评价的现场主观调查是六十年代开始在上海进行的。当时着重于话剧演出时的言语清晰度、响度、亲切感和总印象等方面.调查工作深人到全厅各区时比较.这是利用等级序列评分方式进行的，并按非参数统计方法进行分析，使评价工作有了半定量的结果.至于音质的总印象实际上是多种因素的综合判断，很难有一个划一的指标。但作为音质设计依据，又很斋要有一个数量概念和给出最佳范围.再说诸因素中会有主次，又是互有影响的，问题的复杂性可想而知。所以综合评价结果应是一个“摸糊集合，甲只能用近似推理-模糊逻辑来处理。这可能比之经典的二值逻辑更接近人类决策过程中所包括的逻辑。当然在综合评价的诸因素计权处理中.如何摆脱主观任意性仍然是一项关键的难题。<br>在五、六十年代，模型试验虽然已作为某些孟大厅堂工程的声学设计物助手段，但是其作用非常有限。至八十年代，数字模拟技术和双耳接收的模型试验在国内已开始，有些成果则是在国外的中国学者所取得。<br>1959年北京人民大会堂的声学设计是我国建筑声学工作的一个标志，该厅可容一万座.容积大到91000 m3(见图9)甲依貂适当吸Ta处理和分散、半分散扩声系统，使如此巨型而且平面、剖面形状对音质颇为不利情况下，取得满意音质效果.另一成功例子是上海文化广场的声学设计俗座12500.容积122,000 m多，1971年建造)(见图loy,该厅首先使用了悬吊式吸声板，不仅控制了混响时问，且具有重全轻、造型新颖的效果，加上合理的扩声系统布置，使这一座巨型大厅在音质上享有较高声誉。 疥年建造为数不少的体育馆，由干需要多用途的功能，即除了体育比赛外，常作文艺表演和集会之用，因此体育馆的声学设计往往由于每座容积过大(一般每座容积超过10动而需采用大最吸声处理以控制混响。囚此发展了多种吸声元体以满足吸声效果好、重掀轻、外形美观等要、求.图ii乃是最早使用空间吸声休的一个体育馆内景.<br>播音室、录音室的声学设计有着较严格的音质要求，一些富有我国特色的声学处理和可变混响时间的房间已有建成，近年则有建造电子程序控制的音乐录音室.使调音录音师可方便地在较大范田内改变声场条件。 在室内声学的基础研究方面，简正振动方式的理论研究仍在继续，如得到其方向分布、其引起室内声场的统计分布(在纯音激励时得到瑞利分布，在窄带白噪声激励下得到x分布)等.简正波研究近年在实用中的一项突破是室内空问噪声的有源控制(马大献，1990))，鉴于所有简正波的极大点都是在墙角上.如利用墙角处作次声魏，经倒相处理后便可以达到降低噪声的目的。这是将传统理论与现代技术相结合，利用室内特定场点能接收与激发所有简正方式的独特见解，首次取得了利用单通道系统达到多个方式同时抑制的效果。<br>消声室和半消声室是进行声学测徽的一个重要声学环境。由于电声和各种设备噪声的测量需要，近年国内已建立了大小不等为数不少的消声室和半消声室，吸声尖劈的设计和理论分析亦有所进展。有关其声场特性的研究已积累了柏当多的资料.设计软件亦已开发，既可保证消声室设计质仑，使用又很方便. Z吸声材料<br>一些传统的常用吸声材料如玻瑞棉、泡抹缀料、矿棉板等早已有定型产品供应，并提供按国家标准进行的混响室吸声系数的测量资料.即使传统材料，由于加工或组合上的变化、同样可以产生出外观各异的建筑效果，因此仍然受到建筑界的欢迎。此外近廿年来也发展了不少新的品种，以适应多种用途.例如:1)带缝的水泥砌块—亥姆霍兹共振式吸声材料。2)塑料薄片盒形共振式吸声材料。朴泡沫玻璃吸声材料.al高强度、耐商沮的泡妹金属吸声材料(容重90k酬衬，孔隙率》90%.)。5}阻燃织物.供室内装修和座椅家俱等使用.G)各种空间吸声体。<br>这里值得一提的是有关微穿孔板吸声结构的理论和设计(马大欧，197匀，它取消了穿孔板后面的多孔性材料.大大简化了穿孔板结构的构造，并显著地提高了它的性能—吸声系数和频率范围。这类用薄金属片冲压的穿孔板吸声结构已广泛地用于消声器和建筑物内。这种微穿孔板的另一特点是它的相对户阻率还随声压级的提高会有迅速增加，从而也改变了它的吸声性能.所以它还有非线性效应(赵松龄等，1978).近来更有人成功地把这一设计扩大应用到有一定厚度{5~左右)的有机玻璃板上，利用激光技术在每澎上穿上数万个孔(立径0.3 mm一1.0 mm)，成为又一种新颖的透明吸声材料。用它解决了新建德国国会大厦圆形玻璃大厅巾出现的声学难题 ‘查雪琴.1993)，它的另一个特点是背后不一定要有封闭的空腔也能具有良好的吸声效果，大大简化了吸声结构。<br>平方余数扩散体(QRD)本是用来控制19内扩散的，但它在中低频段有很大吸声是过去所不了解的，因此势必大大削弱了该频段的扩敞效果。有关机理研究显示其可能成为另一种低频吸声体的前景. 空间吸声体是一种特殊吸声结构。有关机理研究解释了提高吸声效果的途经.<br>
3、房屋隔声<br>我国在大规懊住宅建设中，提供安静舒适的居住环境己成为迫切任务.由于施工预制化和结构轻型化，使隔声问题更显突牛。首先面临着研究住宅内最大容许噪声级和房尾隔声要求这两大课题.1959年在上海首次对住宅进行了大规摸的调查，从近干户居民的面对面访问和即时嗓声侧量中.获得了居民对噪声反应的初步定量资料(见图.2)).以后在其它城市也<br>
作了类似的工作，1985年起又展开了与国外(日，德.英)作了不同文化背景下的对比性研究。对使用者的调查研究还扩充到学校，医院和旅馆，于是制定了包括住宅在内的四种AM民用建筑的隔声设计规范(GBJ 118一8孙，其中分别给出了不同等级的隔声标准。有关构件在实验室内和住宅现场的隔声渊量标准(GB! 75-84)方法亦早已制定，当然在如何<br>
贯彻实施方面还须努力 各种轻质墙体的出现，给隔声带来了麻烦.于是开展了<br>
如何提高其隔声量的研究.一些有效的隔声措施和理论估计方法被提出来了。为了便于现场作大规模的验收和检查，隔声单值评价方法和简易现场隔声侧试<br>
方法的研究也就引起了较大关注。<br>楼板隔声的基本技术虽早已开展研究，但由于受到弹性材料/施工条件和建筑造价的限制，仍然成为房屋隔声《尤其是住宅)中的薄弱环节，有待改进. 外馈的隔声在一些沿街建筑中有时颇为突出，尤J宾对干无空调的房屋尤甚。窗户和封闭阳台的隔声成为另一种需要考虑的问题。于是开展了有关外坡隔声的侧试方法及隔声处理的研究。<br>
a.城市环境噪声<br>直至60年代后期，噪声污染的危害性和严重性才受到各界关注。自从1979年“中华人民共和国环境保护法f试行)’公布以后又有了大的推动〔1989年12月经修订后正式公布).以后又有了GE-82,城市9域环境噪声标准’(GB 3096-92)，GB 10070-880城市区域环境振动标准’，GB9660-88“机场周围飞机噪声标准’和GB 12348一90.工业企业厂界噪声标准，等国家标准和一些大城市制定的噪声污染管理办法等一系例文件、对于减少城市噪声污染起了有力的作用。<br>小区居民对噪声主观的反应一直十分注意，并在很大程皮上与人民的生活、文化、经济等水平的提高密切相关，因此将是一项长期的工作。六十年代中期，北京首先开展城市交通噪声调查.至七十年代，上海几个大城市先后开始了更大规模的噪声调查，按一定距离的网格布置测点，进行噪声分布酬量并对典型浏点作长期的监测，同时还有利用高层建筑屋顶设置的高空监测点记录城市噪声的变化规律.图13所示为我国最早的一副城市噪声分布图。这是1977年在上海进行的，共有2117个网格(网格尺寸为250 m x 250 m)测点.以后这类噪声侧量在全国多个大城市中进行，为控制城市噪声污染积累了大量资料，<br>城市交通噪声因车辆剧增和快速高架道路的兴建而增大了.但是一些管理措施曾起到积极的作用_翩如奠.卜鸣粤.拱忙十牢路口加设人行夭桥或拨街地捕某必街拔实行单向交血和分流隔离带等使交通噪声下降了3-7dB.但也出现了一些新的情况加剧了嗓声污染，例如为了减少白天交通拥挤，实行晚间载重运输，结果对居民睡眠有极大干扰甲尤其在夏天开窗季节。可见行政管理对控缸噪声污染有正面的效果，但也不能忽视它的负面效应.<br>由于中国城市道路交通的车辆组合和车速等的特殊性，因此展开了多种噪声预计模式的研究，城市环境噪声防治的数据库和专家系统的建立.对于加强管理有积极作用.也需要逐步加以完善 城市工业噪声和施工噪声也是受到相当重视的内容。年轻的民航事业所带来的机场噪声等也是面临的新课题.<br>噪声污染本是一项牵涉面广而又迫切的任务，也是当今市政当局必须统筹考虑的问题.有些<br>
内容也超出传统建筑声学的范踌.在此就不再深人论述了 后记:本文系1994年G月5一7日美国声学学会(ASA)举办“纪念赛宾百周年学术讨论会，<br>
上的大会邀请报告'Architectural Acoustics in China, Past and present&quot;.本文得到马大欧教授的<br>
许多指教和资料，谨致衷心感谢。建筑声学是我国声学中发展较早的分支，成就很多.本文不免<br>
挂一肠万，尚祈读者鉴谅.<br>(参考文献从略).<br>

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