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建筑环境声学（厅堂声学、噪声控制学、声景学）的研究现状与前沿综述
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内容提示：目前绿色建筑的政策讨论还是集中在技术应用层面,对经济研究十分缺乏。论文针对这个问题进行讨论,提出分析理论和方法。绿色建筑的宏观经济影响包括两方面:一是在整体经济体系内额外带动的产值,二是额外产生的就业机会。并以实例和数据,通过建立直接与间接相关产业后向前向影响模型,及绿色建筑额外增量产值对本身就业的带动关系分析,测算"十二五"期间我国绿色建筑的整体宏观经济效益。
建筑环境声学包括厅堂声学( 室内声学) 、噪声控制学及声景学三大部分，主要研究改善人居声环境的理论、技术和方法，目的在于创造适宜的声学空间与环境，使人们能欣赏美好的音乐，聆听令人怡悦的声音，保证听觉信息交流的清晰和安全，屏蔽或减低能使人受到伤害和引起烦扰的噪声．
文中简要介绍了建筑环境声学及其3 个分支学科的研究领域、研究内容和某些前沿课题，同时简要介绍了笔者及笔者所带领的团队在若干热点问题上所取得的研究成果．
1 研究范围及内容
1． 1 厅堂声学的研究范围及内容
厅堂声学的主要研究内容包括室内声学、厅堂音质评价、各类厅堂音质设计标准、厅堂音质设计技术与方法及其测试技术等．
室内声学主要研究声波在室内空间( 包括封闭空间或部分封闭空间) 内的传播特性和规律，包括声源声辐射、声波的反射、衍射、吸收、扩散、透射及共振等特性． 这种研究可以在频域进行，也可以在时域进行．厅堂音质评价涉及厅堂音质客观评价和主观听音评价． 这一领域的研究者希望找到某些可计算、预测和测量的物理指标，以便用于指导音质设计． 音质综合评价方法、主观评价与客观指标的相互关系、主观听音试验技术与方法以及客观物理指标的测量等，均是值得研究的课题．
各类厅堂音质设计标准涉及各种听音建筑场所的音质设计目标和为达到此目标的定量控制指标及优选值域，涉及音乐厅、歌剧院、多功能厅、话剧院、电影院、会议厅等观演和会议建筑，也包括体育馆、教室、候机候车室等其它涉及听闻的公共建筑． 这些建筑均需要仔细的声学设计，目的是保证这些建筑建成后能提供良好的声环境，具有满意的声学私密度等．厅堂音质设计技术与方法及其测试技术主要包括声场计算机仿真技术、声学缩尺模型实验技术、可听化技术以及视听一体化虚拟现实技术等．
1． 2 噪声控制学的研究范围及内容
噪声控制学的主要研究内容包括: 建筑环境中噪声与振动对人的健康、心理及行为的影响，噪声和振动控制的理论、技术和方法，材料与构件的吸声、隔声与隔振特性，以及建筑环境噪声预测计算及测试技术等．
吸声、隔声与隔振是对噪声与振动实施被动式控制的有效手段． 减低噪声和振动干扰的技术和方法还包括主动( 有源) 控制技术与方法． 一维有源噪声与振动控制技术目前已基本成熟，然而三维声场的有源噪声控制目前尚不是很成功，需要进一步研究． 此外，各种声掩蔽技术有时也是有价值的．建筑环境噪声与振动的定量预测计算是实施噪声振动控制措施的前提，也是检验、评价所实施的噪声与振动控制措施有效性的重要依据． 预测计算除了寻求声场的理论解析解外，还涉及利用各种数值计算方法( 边界元法、有限元法、有限差分法等) 来求得数值解． 此外，各种声场计算机模拟手段或缩尺模型实验都是常用的、可行的预测方法． 对于居住区或城市区域的噪声预测，还包括噪声地图的研究．
1． 3 声景学的研究范围及内容
声景是指声音意义上的风景，它有别于通常视觉意义上的风景． 声景的概念是由Schafer 于20 世纪60 年代首次明确提出的［1］． 目前，人居声环境的研究已从单纯的基于物理特性描述的噪声控制学，拓展为与社会学、环境心理学、艺术学、生态学等学科交叉，从更广的视野来审视人类对人居声环境的诉求的声景学． 这是因为人类的听觉反应及对声环境的需求，仅仅从物理声学所关注的声音的频率、能量及时间、空间等特性来描述是远远不够的，尚需涉及更为复杂的声音的信息内容以及听者所处的历史、社会与地域等背景．
声景学的研究内容包括: 对不同地区、不同历史时期及不同建筑空间( 如园林、公共空间、居住区)声景的特点的研究，对有价值的声景的调研和保护，声景的描述、记录与评价及其数据库的建立，以及构建声景的技术手段与方法等．
2 研究现状与前沿
2． 1 厅堂声学的研究现状与前沿
自从赛宾于上世纪初奠定建筑声学的科学基础以来，经过一个多世纪的研究与探索，室内声学理论已取得长足进步． 波动声学、几何声学与统计声学成为研究室内声场的三大基本方法． 目前的发展趋势是研究一些较为复杂的室内或半室内空间的声场特性，包括耦合空间与半围闭空间、尺度不成比例的空间以及超大体积空间等特殊空间的声场特性等． 研究室内界面声扩散特性及其对声场的影响也成为热点问题． 国际上新近发布了两种测试界面声散射特性的国际标准，推动了对建筑界面声散射特性及其测量方法的较深入的研究［2-4］． 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室建筑声学实验室建立了国内首个符合国际标准的足尺转台测试系统，并探讨了试件形状和边界效应对测试结果的影响，首次获得了MLS 扩散体的散射频率特性．
厅堂音质评价也在一些重要方面取得共识，包括优良的音质应当具有足够的响度、在丰满度与明晰度之间取得恰当的平衡、具有一定的空间感( 包括声源的扩展感和音乐的包围感) 等． 一些较为公认的音质客观指标也陆续提出，包括混响时间与早期衰变时间、明晰度( 清晰度) 、侧向声能因子、双耳互相关系数与强度指数等． 在主客观评价指标的相互关系以及音质综合评价方法上也取得重要进展，并注重各地区民族音乐戏曲厅堂音质的研究． 在国家自然科学基金委的支持下，笔者及笔者所在团队自2004 年始，开展了对中国民族音乐乐器声功率及民族音乐厅音质的研究，主要工作包括两部分: 一是对30 多种重要的民族乐器的声功率作了系统测量［5-6］，在此基础上提出新的响度评价指标———Lpf，即乐队齐奏强音标志乐段的平均声压级，并导出其计算公式，这是自我国民族乐器发明8 000 年以来，首次对乐器声功率级进行的科学测定，对民族乐器发声特性的科学测定，是进行民族音乐厅堂音质研究的基础; 二是完成了湖北、陕西、广东、广西等地的汉剧、秦腔、粤剧等传统演出场所的建筑声环境调研，利用现代声环境测试技术和声场三维计算机仿真技术，分析我国传统戏曲演出空间的声环境特性．上述研究对于现代民族音乐戏曲演出厅堂的声环境设计无疑具有借鉴意义和参考价值． 近年来，欧盟发起对古罗马和古希腊剧场声环境的复原和记录工作． 笔者及所在团队开展的中国传统音乐戏曲演出场所的声环境研究是与其相对应的重要工作． 实验室还首次在消声室中较系统地录制了民族音乐干信号，并通过计算机仿真和可听化技术、主观听音评价调研和心理声学试验，首次较系统地探讨了现代民族音乐厅堂的声场参数优选值，为创立民族音乐戏曲厅堂的音质设计理论作出了贡献． 研究成果已应用于指导广州友谊剧院改造以及广东粤剧院等工程设计．
过去对于音乐厅、歌剧院、多功能厅等观演和会议建筑的声学设计已有了较多的了解，也总结了较为成熟、系统的经验． 然而对于包括候机室、候车厅、宾馆、体育馆等城市公共建筑的声学要求，尚需要作更多、更深入的专题研究．
目前，随着绿色建筑运动的发展，节能减排已成为建筑业的必然要求，与绿色建筑相关的改善人居声环境的研究也随之成为建筑声学研究的重要方向． 因此，改善住宅声学质量以及与之相关的住宅声、热、光环境的一体化研究，将是今后的重要研究课题．声场计算机仿真、声学缩尺模型实验以及可听化技术是目前进行建筑声学研究的3 种主要技术． 在计算机仿真方面，已推出若干较成熟的室内声场三维仿真软件，包括ODEON、EASE、CATT、RAYNOSIE 等．为保证厅堂建成后的音质效果，按照国际惯例，对于超过1500 座的重要厅堂，均需进行声学缩尺模型实验． 缩尺模型实验技术日趋成熟; 获取各测点单、双通道脉冲响应以及对脉冲响应进行数字信号处理，进而获得各重要声学参数已不成问题． 但仍需进一步研究解决如何较准确地用模型实验来预测厅堂声学参数的问题，尤其是要在各重要频带上均能得到较准确的实验值仍存在较大困难． 此外，对重要的材料和构件，在高频域寻找与之相对应的适用于模型实验的材料和构件，使之具有与实际材料与构件近似的声学特性( 包括吸声、扩散等特性) ，仍须作大量工作，相应的资料库也有待建立．
传统上声学缩尺模型实验技术主要用于声缺陷的判断，很难准确地预测厅堂音质参数． 笔者及笔者所在研究团队针对声学缩尺模型实验的关键步骤和关键技术开展实验研究，利用现代测试设备和信号处理技术，改进实验方法，提高实验精度，实现了用实时数字录音及信号处理系统记录与分析由电火花发声器产生的超高频信号，并通过设置参考点，以及在缩尺混响室中测试选择缩尺模型对应材料与构造的声学特性，来实现在1 ∶ 10 及1 ∶ 20 缩尺模型中进行声学实验的成套技术，能较准确地预测声场参数，大大提高了声学缩尺模型实验水平． 缩尺模型声场参数测试结果与实际建成后厅堂的测试结果的对比表明，该声学缩尺模型测试技术可在直到1 ∶ 20 的缩尺比情况下较准确地预测声场参数． 该项技术已成功地应用于广州歌剧院、天津文化中心音乐厅及综艺剧院、南山文化中心大剧院、儿童剧院、厦门海峡交流中心音乐厅等重要观演建筑的音质设计，为保证上述厅堂的一流音质奠定了基础．
文中简要介绍了建筑环境声学及其3 个分支学科的研究领域、研究内容和某些前沿课题，同时简要介绍了笔者及笔者所带领的团队在若干热点问题上所取得的研究成果．
1 研究范围及内容
1． 1 厅堂声学的研究范围及内容
厅堂声学的主要研究内容包括室内声学、厅堂音质评价、各类厅堂音质设计标准、厅堂音质设计技术与方法及其测试技术等．
室内声学主要研究声波在室内空间( 包括封闭空间或部分封闭空间) 内的传播特性和规律，包括声源声辐射、声波的反射、衍射、吸收、扩散、透射及共振等特性． 这种研究可以在频域进行，也可以在时域进行．厅堂音质评价涉及厅堂音质客观评价和主观听音评价． 这一领域的研究者希望找到某些可计算、预测和测量的物理指标，以便用于指导音质设计． 音质综合评价方法、主观评价与客观指标的相互关系、主观听音试验技术与方法以及客观物理指标的测量等，均是值得研究的课题．
各类厅堂音质设计标准涉及各种听音建筑场所的音质设计目标和为达到此目标的定量控制指标及优选值域，涉及音乐厅、歌剧院、多功能厅、话剧院、电影院、会议厅等观演和会议建筑，也包括体育馆、教室、候机候车室等其它涉及听闻的公共建筑． 这些建筑均需要仔细的声学设计，目的是保证这些建筑建成后能提供良好的声环境，具有满意的声学私密度等．厅堂音质设计技术与方法及其测试技术主要包括声场计算机仿真技术、声学缩尺模型实验技术、可听化技术以及视听一体化虚拟现实技术等．
1． 2 噪声控制学的研究范围及内容
噪声控制学的主要研究内容包括: 建筑环境中噪声与振动对人的健康、心理及行为的影响，噪声和振动控制的理论、技术和方法，材料与构件的吸声、隔声与隔振特性，以及建筑环境噪声预测计算及测试技术等．
吸声、隔声与隔振是对噪声与振动实施被动式控制的有效手段． 减低噪声和振动干扰的技术和方法还包括主动( 有源) 控制技术与方法． 一维有源噪声与振动控制技术目前已基本成熟，然而三维声场的有源噪声控制目前尚不是很成功，需要进一步研究． 此外，各种声掩蔽技术有时也是有价值的．建筑环境噪声与振动的定量预测计算是实施噪声振动控制措施的前提，也是检验、评价所实施的噪声与振动控制措施有效性的重要依据． 预测计算除了寻求声场的理论解析解外，还涉及利用各种数值计算方法( 边界元法、有限元法、有限差分法等) 来求得数值解． 此外，各种声场计算机模拟手段或缩尺模型实验都是常用的、可行的预测方法． 对于居住区或城市区域的噪声预测，还包括噪声地图的研究．
1． 3 声景学的研究范围及内容
声景是指声音意义上的风景，它有别于通常视觉意义上的风景． 声景的概念是由Schafer 于20 世纪60 年代首次明确提出的［1］． 目前，人居声环境的研究已从单纯的基于物理特性描述的噪声控制学，拓展为与社会学、环境心理学、艺术学、生态学等学科交叉，从更广的视野来审视人类对人居声环境的诉求的声景学． 这是因为人类的听觉反应及对声环境的需求，仅仅从物理声学所关注的声音的频率、能量及时间、空间等特性来描述是远远不够的，尚需涉及更为复杂的声音的信息内容以及听者所处的历史、社会与地域等背景．
声景学的研究内容包括: 对不同地区、不同历史时期及不同建筑空间( 如园林、公共空间、居住区)声景的特点的研究，对有价值的声景的调研和保护，声景的描述、记录与评价及其数据库的建立，以及构建声景的技术手段与方法等．
2 研究现状与前沿
2． 1 厅堂声学的研究现状与前沿
自从赛宾于上世纪初奠定建筑声学的科学基础以来，经过一个多世纪的研究与探索，室内声学理论已取得长足进步． 波动声学、几何声学与统计声学成为研究室内声场的三大基本方法． 目前的发展趋势是研究一些较为复杂的室内或半室内空间的声场特性，包括耦合空间与半围闭空间、尺度不成比例的空间以及超大体积空间等特殊空间的声场特性等． 研究室内界面声扩散特性及其对声场的影响也成为热点问题． 国际上新近发布了两种测试界面声散射特性的国际标准，推动了对建筑界面声散射特性及其测量方法的较深入的研究［2-4］． 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室建筑声学实验室建立了国内首个符合国际标准的足尺转台测试系统，并探讨了试件形状和边界效应对测试结果的影响，首次获得了MLS 扩散体的散射频率特性．
厅堂音质评价也在一些重要方面取得共识，包括优良的音质应当具有足够的响度、在丰满度与明晰度之间取得恰当的平衡、具有一定的空间感( 包括声源的扩展感和音乐的包围感) 等． 一些较为公认的音质客观指标也陆续提出，包括混响时间与早期衰变时间、明晰度( 清晰度) 、侧向声能因子、双耳互相关系数与强度指数等． 在主客观评价指标的相互关系以及音质综合评价方法上也取得重要进展，并注重各地区民族音乐戏曲厅堂音质的研究． 在国家自然科学基金委的支持下，笔者及笔者所在团队自2004 年始，开展了对中国民族音乐乐器声功率及民族音乐厅音质的研究，主要工作包括两部分: 一是对30 多种重要的民族乐器的声功率作了系统测量［5-6］，在此基础上提出新的响度评价指标———Lpf，即乐队齐奏强音标志乐段的平均声压级，并导出其计算公式，这是自我国民族乐器发明8 000 年以来，首次对乐器声功率级进行的科学测定，对民族乐器发声特性的科学测定，是进行民族音乐厅堂音质研究的基础; 二是完成了湖北、陕西、广东、广西等地的汉剧、秦腔、粤剧等传统演出场所的建筑声环境调研，利用现代声环境测试技术和声场三维计算机仿真技术，分析我国传统戏曲演出空间的声环境特性．上述研究对于现代民族音乐戏曲演出厅堂的声环境设计无疑具有借鉴意义和参考价值． 近年来，欧盟发起对古罗马和古希腊剧场声环境的复原和记录工作． 笔者及所在团队开展的中国传统音乐戏曲演出场所的声环境研究是与其相对应的重要工作． 实验室还首次在消声室中较系统地录制了民族音乐干信号，并通过计算机仿真和可听化技术、主观听音评价调研和心理声学试验，首次较系统地探讨了现代民族音乐厅堂的声场参数优选值，为创立民族音乐戏曲厅堂的音质设计理论作出了贡献． 研究成果已应用于指导广州友谊剧院改造以及广东粤剧院等工程设计．
过去对于音乐厅、歌剧院、多功能厅等观演和会议建筑的声学设计已有了较多的了解，也总结了较为成熟、系统的经验． 然而对于包括候机室、候车厅、宾馆、体育馆等城市公共建筑的声学要求，尚需要作更多、更深入的专题研究．
目前，随着绿色建筑运动的发展，节能减排已成为建筑业的必然要求，与绿色建筑相关的改善人居声环境的研究也随之成为建筑声学研究的重要方向． 因此，改善住宅声学质量以及与之相关的住宅声、热、光环境的一体化研究，将是今后的重要研究课题．声场计算机仿真、声学缩尺模型实验以及可听化技术是目前进行建筑声学研究的3 种主要技术． 在计算机仿真方面，已推出若干较成熟的室内声场三维仿真软件，包括ODEON、EASE、CATT、RAYNOSIE 等．为保证厅堂建成后的音质效果，按照国际惯例，对于超过1500 座的重要厅堂，均需进行声学缩尺模型实验． 缩尺模型实验技术日趋成熟; 获取各测点单、双通道脉冲响应以及对脉冲响应进行数字信号处理，进而获得各重要声学参数已不成问题． 但仍需进一步研究解决如何较准确地用模型实验来预测厅堂声学参数的问题，尤其是要在各重要频带上均能得到较准确的实验值仍存在较大困难． 此外，对重要的材料和构件，在高频域寻找与之相对应的适用于模型实验的材料和构件，使之具有与实际材料与构件近似的声学特性( 包括吸声、扩散等特性) ，仍须作大量工作，相应的资料库也有待建立．
传统上声学缩尺模型实验技术主要用于声缺陷的判断，很难准确地预测厅堂音质参数． 笔者及笔者所在研究团队针对声学缩尺模型实验的关键步骤和关键技术开展实验研究，利用现代测试设备和信号处理技术，改进实验方法，提高实验精度，实现了用实时数字录音及信号处理系统记录与分析由电火花发声器产生的超高频信号，并通过设置参考点，以及在缩尺混响室中测试选择缩尺模型对应材料与构造的声学特性，来实现在1 ∶ 10 及1 ∶ 20 缩尺模型中进行声学实验的成套技术，能较准确地预测声场参数，大大提高了声学缩尺模型实验水平． 缩尺模型声场参数测试结果与实际建成后厅堂的测试结果的对比表明，该声学缩尺模型测试技术可在直到1 ∶ 20 的缩尺比情况下较准确地预测声场参数． 该项技术已成功地应用于广州歌剧院、天津文化中心音乐厅及综艺剧院、南山文化中心大剧院、儿童剧院、厦门海峡交流中心音乐厅等重要观演建筑的音质设计，为保证上述厅堂的一流音质奠定了基础．
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201301/15184.htm
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