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声学经典故事分享
作者:管理员    发布于:2019-07-02 10:16:07    文字:【】【】【
【查雪琴 :教授 】
记者问:
听说德国联邦议会大厦曾经在声学设计上出了问题,在解决的过程中您也参与了并做出了贡献,是否可以谈谈详细情况?
查教授:
1992年,德国在波恩新建了一个联邦议会大厦。12月份启用,谁知议长刚说了几句话就没有声音了。最初以为是扩声系统发生了故障,只好请全体议员退席,紧急招来厂家的技术人员抢修。几个小时后,技术人员说没问题,可以继续开会,然而不到两分钟又没有声音了。由于这次会议是通过电视向全国转播的,所以全国的观众都看到了这一情况,导致舆论大哗,第二天全国各报纷纷载文说:这是一场丑闻。
事后的分析表明:
导致这次事故的原因不是设备故障,而是室内声学设计失误。原来,设计者想把这座大厦搞成一座前所未有、独具特色的建筑物,所以设计得很特别:它是圆形的,直径4l米。墙壁全部是玻璃,以象征“政治透明度”。屋顶是半透明的,以便自然采光。
正前方的墙上挂着德国国徽(鹰),称为“鹰墙”,讲话者的位置大致在大厅的中央,距圆心很近。此外,为了避免在电视镜头中出现喇叭,所以把喇叭挂得很高。扩声系统是电脑控制的,一旦发生反馈就会自动跳闸,以避免出现令人不快的啸叫声。
如果把这些设计要求中的每一项单独拿出来分析,都是合理的。但由于没有人把它们综合起来考虑,于是就出了问题:喇叭挂得高,辐射面就大,而玻璃的反射系数是很大的,室内的声反射非常严重。
由于墙壁是圆形的,所有的反射声恰好聚焦在讲话者(也就是话筒)的位置上,从而形成了强反馈,导致扩声系统跳闸。
事后召集了各行各业的专家坐下来开会,研究原因和解决办法。有趣的是德国人也会“踢皮球”,在分析原因的时候互相指责:搞室内声学的人说是扩声系统的问题,搞扩声系统的人说是室内声学的问题,后来又联合起来说是建筑设计的问题。搞建筑设计的人马上在报纸上发表了一篇文章,说从来没有先把扩声系统搞好再盖房子的,总是先建好房子,然后再搞扩声系统。意思是说:应该是你的扩声系统适应我的房子而不能要我的房子去适应你的扩声系统。
争来争去,责任问题只好不了了之。接下来就是如何解决这个问题。专家们采取了多种办法:
扬声器全部换成指向性更强的产品,以减小幅射面,在“鹰墙”上钻孔、加玻璃棉,以增大吸声系数;屋顶上允许加吸音材料的地方加了一些吸音材料;墙的上部加了两层玻璃反射板,上层的反射板朝上,把声音反射到屋顶的吸声材料区而吸掉,下层的反射板朝下,把声音反射到听众席以避免在话筒附近造成声聚焦,改变听众席的倾斜角;走路的通道铺上地毯。。。。。。
但是,有一个问题却使他们为难了。整个大厦有24樘玻璃门,总面积100多平方米。这些玻璃门所产生的声反射是不可忽视的,但既不能在门上加玻璃棉,也不能加反射板,用常规手段无法解决这一问题。 
问:这一问题最终是如何解决的呢?
查:当时我刚到德国,研究所的所长问我有没有办法?我说:利用中国著名科学家马大猷教授的“微穿孔板吸声构造”的理论就可以解决。其基本方法是根据所需的吸收频率及吸收系数,在玻璃板上按一定的孔距和孔径打孔,使玻璃面由反射面变成吸收面。
这一构造的另一优点是不需要矿物纤维、,用玻璃棉作吸声材料有很多问题:玻璃棉是否会致癌姑且不论,它的再循环再回收等许多方面也是有问题的。近年来许多人都在研究无矿物纤维的吸声材料,而马教授的理论是最完善的。遗憾的是:对于这样一种理论,德国人居然没听说过。
为了验证马教授的理论,首先用钢板作了一套试样.拿到试验室里进行测量。测量结果与事先的计算结果吻合得非常之好。使所有搞声学的人看了都感到吃惊,因为从来没有见过计算与实验结果能够如此吻合。这说明马先生的理论是非常完善和准确的。
按照过去的理论,共振型吸声构造的共振频率是可以比较精确地算出来的,难的是吸声系数和吸收频带的宽度,由于牵扯到声阻尼等一系列复杂问题,所以很难算准。穿孔板也是一种共振型的吸声材料。利用马先生的理论就可以算得很准,甚至可以用测量结果来校对工厂的加工精度。有一次我们要求制作的穿孔板孔距为3.5毫米,孔径为O.6毫米。作好后进行测量,发现声学特性与原设计不符。测量了一下该加工件的几何尺寸,发现误差很大:孔距实际为3.32毫米,孔径也小了。把这两个尺寸代入公式重新计算,结果就和测量值完全一样了。
初步试验成功后,所长问我:能不能用玻璃?我说:当然可以!因为这个理论有一个特点,就是声学特性与所用材料基本无关。当然,由于金属与非金属材料的导热系数不同,吸声特性也会有一些差别,但这种差别也是可以计算出来的。
为了验证,还需要再作一个试样。德国人对经费的控制是很严格的:你没有项目就没有钱,没有钱就不能花钱。我当时刚到德国,当然没有项目,所以没钱向工厂订购,只能自己动手做。我对另两个在德国的中国留学生说:我们一定要按期把试验作好,这个周末是无论如何不能休息了。
为便于加工,我们用有机玻璃作试样,在20×20厘米的面积上要打几万个孔。我的手脚快,亲自来加工:老花眼镜·戴,坐在钻台前面就干了起来,八个小时没动地方,终于干完了。接着就是进行声学测量、写实验报告……。星期四接受的任务,到星期一就全部完成了。星期三,试样和报告全部按期送到了波恩。在诸多竞争者中,最终是这一方案被采纳了,应用于议会大厦的改造并获得了成功。
事后,德国的《工程师报》载文说:“中国人成就了德国的联邦议会大厦”。
《图片报》则说:“一个小个子中国女人在我们的联邦议会大厦上钻了上百万个孔”。
我个人觉得:不能接受这种说法。因为议会大厦的声学改造采取了多方面的措施,我的措施只是其中一项。
但是,其它措施都是常规的,而“钻孔”的措施是非常规的。渝:听了这件事觉得很过瘾,您确实给中国人争了一口气。
查:我作这件事的时候也是这样想的。事后也有人说:我们到现场测量过,这个东西好象没有用。我们的所长回答得很妙,他说:现在要证明它有用,只有一个办法:把这些措施统统撤掉,看看是否还会发生同样的情况。然而这是无法做到的。事先谁也不敢说门的声反射可以忽略,所以所有这些措施一项也不能缺少。
还有人给所长打电话抗议,说这种理论书上早就有了,根本不是中国人的。我听了气得要命。所长说:不要生气,好好准备你的学术报告会上的论文。
最初我写论文的时候是想好好的介绍一下这种吸声构造的原理,现在既然出现了这些论调,我决定把论文的内容改一改,改成论证为什么说这个理论是中国人的。
我从一百多年前英国人开始研究微细管的声吸收开始,论述了如何逐步发展到马先生的理论的过程。还论证了当前其他人一些表面上类似的理论在机理上却是完全不同的,因此证明了这个理论就是中国人的。
在服从真理这一点上,德国人还是蛮可爱的。
我的报告被安排在当天的最后一篇,厅堂里坐无虚席,连台阶上都座满了人。
报告一结束,许多人走上台来向我表示祝贺,说这下我们信服了。
从此以后,再没有一个人来反驳这个问题。  
问:刚才这个实例说明房间的声学特性是非常重要的。但是对于一般家庭的听音室问题,声反馈问题似乎并不很突出,那么,室内声学设计的重要性表现在什么地方呢?
查:同样也是很重要的。
整个音响系统就象一个链条,是由许多环节组成的:先是录音制作,然后是CD唱机、功放、扬声系统,还应该包括人的耳朵。
扬声系统发出的声音要达到人的耳朵就必须经过房间,所以房间也是音响系统这个链条中的一环,如果不考虑房间的声学特性,那么整个链条里就缺少了一环。
问:如果房间的声学条件不好,会造成什么影响?
查:先说频率响应,当前要把CD唱机、功放及扬声系统的频响做到在20至200O0赫范围内平直并不困难。
但是房间也是一个共振器,也有它的共振频率。
由于房间的三维几何尺寸不同等原因,共振频率不是一个,而是许多个,分布在整个频带中,如果简振振动频率的密度比较大而且分布均匀,整个房间的频率响应就比较平直,反之就会出现许多峰谷。
如果房间的简振振动频谱中没有某个频率,那么即使扬声器系统发出了这个频率的声音,也不能激发房间的空气作相应的振动,我们的耳朵也听不到。
我曾在一间声学特性很差的房间里作过试验:用扫频仪发出连续变化的20—20000赫兹声频信号,再经功放和扬声器播放出来,发现其中某些频率的声音没有了。也就是说:本应连续的声音变成了断断续续的,象人在喘气。
是功放的频响问题吗?不是。因为在整个播放过程中,功放的输出指示表纹丝不动,说明由功放送到扬声器系统的功率没有变化。
是扬声系统的毛病吗?我们立即把喇叭拆下来送到消声室进行测量,结果也没问题。
最终的结论是:在房间的频率响应曲线上有许多峰谷,在谷点处的频率就听不到了。对这间房子进行适当的声学处理后,问题就解决了。
由此可见:如果房间的频率响应不好,即使你的器材频响再好,与房间的特性叠加后也会变成一条很坏的曲线。
房间是音响系统中非常重要的一环,也是当前最薄弱的一环。一根链条的强度取决于其中强度最低的一环:如果其中一环一碰就断,那么其它环节作得再好也没用。
从这个意义上来看,可以说:房间是当前音响系统中最重要的一环。
问:
记得管善群教授在接受本刊记者采访的时候曾经说过一段与您的意思相同的话。
他说:现在的发烧友特别注重器材。
总是在一个元件、一条线上下功夫,这只能说明他还是处于初级阶段。
进入高级阶段的标志是把注意力集中在声场上,也就是房间的声学特性。
查:
我也曾经与管教授讨论过这个问题。记得曾经看到过某杂志上的一篇文章,说真正的Hi—End就是我的感觉。
我认为这种说法是不对的,因为每个人的感觉是不一样的,如果感觉就是Hi—End,那么就无标准可循了。
就当前设备生产所能达到的水平而言,与房间的不均匀性相比,设备的缺陷是很微弱的。
所以我认为:真正的Hi—End不是器材,而是房间。
如果置听音室的声学特性于不顾, 而只在器材上下功夫去寻找Hi—End,那是永远也找不到的。
问:换句话说,您是否认为:与房间的缺陷相比,对器材进行一些修改,也就是所谓摩机,其效果实在是微不足道的?
查:那当然是房间的影响要大得多了。 怎样才算是一间好的听音室?
问:您能否再举出一些实例来说明房间声学特性的重要性?
查:好吧,先说说我在德国搞的一间听音室。
那其实不是一间专用听音室,而是研究所所长的办公室,面积35平米,体积大约100立方米,大概是为了对外宣传的需要,要求在保持办公室原貌及功能不变的情况下对其进行声学处理,能够兼作一个高质量的听音间。
我只对这间房子作了一些简单的声学处理,就获得了很好的效果。

测量结果表明:频响曲线非常平直,一点也不比专业的听音室差。
有一家历史很悠久、规模很大的私人录音公司的负责人和两个录音师来到这里一听,说在这问屋子里走来走去,各点的声音怎么都是一样的?其实这就是声学处理得当的结果。
有些声学特性很差的房间,最佳听音位(也就是发烧友常说的“皇帝位”一一渝生按)的区域非常狭小,甚至只要头歪一歪就不对了。
人在听音的时候怎么可能把头绑在那里一动都不动呢?
通过这个例子就可以知道:正确的声学处理不仅可以改善频响,而且可以扩大最佳听音位的范围,对音箱摆位的要求也可以松一些。
后来他们又把自己录制的带子放出来听,认为低音太重了。
我告诉他:不是这间房子的低音太重,因为测量结果表明这问房子的频响是非常平直的。这只能说明你的制作间的低音太不对了,你在那间房子里觉得低音不足,就拼命把低音往上调,现在拿到正确的房间里,低音就显得多了。
他反驳说:你们把房间的频响作得如此平直,但实际上没有一个房间的频响能做到如此平直。
我告诉他:你说得很对,我们的房间处理得水平非常高,实际的房间很少能做到。
实际房间的频响是什么样的呢?如果只测一个房间,那肯定有许多峰谷,但如果测量一千问、一万间,然后把测量结果平均一下,那平均值一定是一条平直的曲线。
制作间的频响只能按照平均房间的情况来做,也就是说,频响一定要平直。
问:您对这个房间的处理方法很复杂吗?业余条件下能不能做到?
查:完全能做到,这叫做难者不会,会者不难。
我所采用的办法主要是加了一个十厘米厚的吊顶,吊顶的材料是我在德国研制的一种“复合板共振吸收器”。当然也采取了一些其它措施。
开始研制这个东西的时候,德国人提出要求:厚度不能超过十厘米。最初我觉得这不可能,因为我在国内的时候为搞一个录音室,曾把吸音材料加到1.3米才解决问题。但是德国人非常死板:说十厘米就是十厘米,一厘米也不准超过。结果一咬牙也就搞出来了,在许多地方使用效果都很好,还申报了专利。
问:这种吸音材料确实太好了,但那是德国产品,又申报了专利,国内的业余爱好者恐怕很难弄到,价钱也不会太便宜吧?在我们现有的条件下,用什么办法才能把房间的声学特性搞好呢?
查:好,我先介绍一些基本原则。
我们听音的房间从声学上看都是“小房间”,所谓小房间是指与波长相比。例如50赫的声波,波长是6.8米,房间的几何尺寸与之相比就显得小了。小房间的声场肯定是不均匀的,不均匀就要处理它。
处理的基本原则是:
1.房间的体积绝对不要浪费
因为简振振动频率的密度取决于体积,体积浪费掉了简振振动频率的密度就小,声场就不均匀。
例如说房间的频响曲线上50赫处有个谷,就说50赫附近没有共振频率,所以根本激发不起来,我们也就听不到这个频率的声音。
所以,不必要地浪费体积的东西千万不要放。
比方说:有的人为了增加低频扩散,作了两个低频扩散体放在屋子里,这是完全没有用处的,因为扩散体要起作用,它的几何尺寸必须与要扩散的波长相当,你的扩散体是不可能作得这么大的。
放进一个不起作用的扩散体,岂不白白浪费了体积? 
还有人把顶棚和墙做成曲折形,这对解决低频的扩散问题也是没有用的。当然,对解决回声问题还是有好处的。
2.调整房间的几何尺寸为一个合适的比例,可以使简振振动频率的均匀度得到改善,并能解决驻波问题。
3.如果房间的大小和尺寸已经确定,无法修改,那么就要尽量加大低频的阻尼和吸收。
这对于大多数人来说恐怕是最现实的办法。吸收材料加多少为好?
说得极端一点:永远不可能过份多.只怕不够,你想过份都不可能。
我曾经作过一个试验:
一个体积约100立方米的小房间,用扬声器在里面播放音乐信号,用假人头接收,人退到屋子外面用耳机听。
同时还从声源直接接出一个信号,这个信号是没有经过房间的,两种信号作A、B对比。
我发现:随着吸音材料越加越多,听到的低频也越来越多。最初听不到的一些低频信号如鼓声之类。在吸音材料加多后也能听到了。
而且吸音材料越多,AB两组信号就越一致,也就是说:通过房间的信号就越接近声源中原有的声音。
为了测数据,我又把吸音材料全部去掉,搬进仪器,再把吸音材料重新一点点加上去。
结果确实是这样:随着吸音材料的加多,房间的频率响应越来越平直。  总之一定要有足够的吸收。
有一种误解:当低音不足的时候,就以为低音混响时间不够,低音吸得太多了,实际上恰恰相反。 
问:能否更具体地说说:应该用些什么材料,怎样作法呢?
过去曾见过有人介绍:在墙上贴泡沫塑料、挂壁毯等等办法,这些方法有用吗?
查:对于低频而言,这些作法都是没有用的。
常规的办法是在墙角、墙棱处加上墙角吸声器。
这种吸声器在业余条件下也可以作,比方说用纸箱板做成一个长盒子,打上孔,里面放玻璃棉(用塑料薄膜包起来)。不愿用玻璃棉也可以放泡沫塑料或其它织物,放衣服也可以。
关键是尺寸一定要够大,一般要求为待吸收频率的1/4波长,而且一定要放在墙角。
有些房间在顶角上有一排吊柜,也可以利用起来,只需在柜门上打孔或换成纱门,让它能透气,里面仍然可以放衣服。当然,只用吊柜有时还不够,那就再想办法加别的东西。
还有人把吸声器做成花架的形状,放在墙角,上面仍然放一盆花,很美观,声学效果也不错。
混响时间——长些好还是短些好?
问:前面谈了许多关于房间频率响应的问题,房间声学特性的另一项重要指标是混响时间,听音室的混响时间应该调整到多少才算合适?
查:我们需要的是节目源中原有的混响,而不是房间所产生的混响。
但任何房间都不可能没有混响,我们所听到的声音是房间的混响与节目源的混响相叠加的结果,如果房间的混响时间过长,听音效果当然会受影响。
问:既然房间的混响是有害的,那么是不是说:应该把混响时间调得越短越好呢?
查:不能这么说。虽然从原则上说,混响时间越短,听到的信号就越逼真,比方说在消声室里听,这时完全没有混响,听到的信号就最逼真。
当前国际上对理想听音间的要求是“中性”,什么叫“中性”?
那就是要求在房间里听音等于没有房间,换句话说就是没有混响。
但是人不可能在消声室里听,而且如果房间做得太“干”,会引起一系列其它问题,不易处理。
例如设备面的反射问题:在一间很“干”的房间里,设备面的反射声就会显得很突出,再者,太干的房间也不符合人的习惯。
刚走进消声室的时候,你会觉得“压耳朵”,但十分钟以后就好了,你会感到说话的声音很清楚。
前面提到的那间经过声学处理的办公室,人刚一走进去会觉得有些异样,但在这个房间里呆一段时间后再到别的房间里去,你就会觉得声音发混,不如这间房子好。 另一个问题是:把中、高频的混响时间作得短一些是比较容易办到的,低频的混响时间则不可能作得很短。
比方说:
把中高频的混响时间做短,而低频长,声音就会觉得非常难听,非常闷。
有人遇到这种情况就认为是中高频混响时间太短造成的,我总是告诉他:这不是中高频太短,而是因为低频太长了。
如果把低频混晌时间也做短,马上就会觉得一点也不闷。
我们可以想一想:在室外听声音的时候,那可是一点混响也没有的,可我们从来不会觉得闷,为什么屋子里面的中高频混响时间一短就会觉得闷?
问题就是低频混响时问太长了。
问:怎样做才能缩短低频混响时间呢?
查:仍然是吸收。尽管无法做得很短,但要想尽办法让它短,还要注意在整个频段上的线性平衡。
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