建筑声学是研究建筑物内声学环境的艺术，其主要目的是提升室内音质、降低噪声，在提高听众听觉效果的前提下设计建筑物空间结构。而室内空间设计是设计师为提高建筑物的实用性与美观性，进而对室内空间进行规划。虽然两者都需要对空间结构进行设计，但是其出发点是不同的，因此两者很难达到统一与和谐。本文主要阐述声学空间的概念，并结合几种常见声学空间平面问题及应对方法，提出建筑声学设计和室内空间界面艺术融合的有效措施。
关键词：建筑声学;室内空间;声学空间
声音是人们日常生活中常见的元素，是由物体振动产生声波，再经由介质传播，最后被人感知到，人类的听觉范围是20~20000Hz，超出这个频率的声音人耳则无法听到。同时，声学效果还与其所处空间结构息息相关，像戏剧院、歌剧院和电影院等都采用特殊的空间结构，以此带给听众更好的听觉体验，本文对建筑声学设计和室内空间界面艺术的融合进行研究，具体如下。
1声学空间的基本概述
声学空间是研究特定空间内声音传播效果的艺术，其设计师追求的目标是保证空间内的声能均匀分布，能带给听众更好的声学效果。声学空间的设计灵感源于人的耳朵，耳部的结构可以使听众获得更好的听觉效果。因此，从声学空间的设计抽象来看，更像是一个侧放的圆锥体[1]。空间表面上每一个点到圆形的距离都是相同的，优秀的声学空间设计时都会尽量遵循几何原则，如运用马鞍形或波峰形。声学效果的判断因素通常以反射声和混响时间来判定，反射声从空间形成上分为顶部反射、侧向反射、后部反射。顶部反射对增强声能起着决定性的作用，侧向反射能增强环绕感，来自后方的反射声和其他方向的反射声共同作用，来增强听众的包围感。首先，从技术角度来看，声音传播是通过反射进行的，当声源发出声音后，一部分声能用以直接传递给听众，另一部分会通过几何空间一次或多次反射后，传递给听众。其次，在声音的传播过程中，还会有其他因素对声学效果产生影响。例如风速，当风速超过每小时15km，则可能导致声音中断。还有一些环境材料，像玻璃棉、穿孔胶合板、毛毡等材料都具有吸收声波的特性。
2几种常见声学空间平面问题及应对方法分析
2.1矩形平面
矩形平面内声学空间结构简单，侧面墙可以覆盖大部分的声反射区，而且混响声效果良好。但是在此环境下，靠近声源边的两侧区域内，会由于偏离主轴过大，使得该区域内的音质和音色都不理想。为此可以采取以下方式进行改进：①尽量减少矩形平面的“长度”;②改变靠近声源边两侧区域的平面结构，使其变为阶梯状。
2.2扇形平面
观众视野良好是扇形平面的一大优势，建筑师常在一些舞台剧表演厅中采用这种结构，但是该结构下由声音的反射规律可知，声音在传播期间很难达到扇形区域后方的中间位置，严重影响观众的听觉效果。为此，可以采取以下方法进行改进：①将扇形平面两侧和后方的区域平面做不规则处理，增加其反射覆盖区域;②增大扇形平面的夹角。
2.3椭圆形平面
椭圆形平面同扇形区域一样，观众都能有良好的视觉效果，但是由于曲面反射的特点，声音在传播过程中，很容易出现声爬行和声聚焦现象，导致某区域内声音强度过大，而其他区域内声音强度小，影响听众的听觉效果[2]。为此，设计师可以将四周的圆滑曲面改为不规则曲面，以提高反射声的覆盖面，扩散声能。
3建筑声学设计和室内空间界面艺术结合的意义
建筑声学设计是建筑设计中不可或缺的一项内容，其主要任务是通过设计，为各类建筑空间提供优良的听觉环境，防止噪声干扰，提高声学效果。建筑内空间界面是指形成空间的一种实体媒介可以划分为基面、竖向界面和顶面界面。从建筑空间角度来看，界面起着驾驭整体空间、凝聚空间、修饰空间的作用，人们的视觉感受源于空间界面的形式。从声学角度上来看，界面是影响声音反射、漫反射的重要因素。在空间内，当声源的直达声与来自反射界面的反射声的路径超过30.4m时，将会产生回声，回声时间过长或过短都会影响听众的听力效果，而且漫反射可以使声音布满整个空间，确保所有听众都听到相同的音质。在此基础上，可以知道界面有着提高建筑内声学效果、解决声学缺陷的作用。由此可以看出，空间界面形式与声学设计在空间营造上存在很多共性，在进行界面设计时，要将两者结合统一考虑，才能创设出优秀的视听空间。维也纳金色大厅，不仅金碧辉煌、结构匀称，富有艺术美，而且还有良好的声学效果。其主要原因在于维也纳大厅两侧结构复杂，金色浮雕巧夺天工，以及大厅顶部雕刻着优美图案的装饰板，声音在传播过程中可以被这两者很好地反射出来，并创造了一个合适的混响时间，以此提高人们的听觉效果(见图1)。
4建筑声学设计和室内空间界面艺术的融合措施探讨
建筑声学设计和室内空间界面艺术的融合措施可以从改变界面形式、充分利用扩散体和重视造型与设计的结合来探讨。
4.1改变界面形式
声学空间设计内的界面是由基面、竖界面和顶界面三部分构成，并且每部分都在声学声音传播中担任着不同的角色。其中，基面是指直达声音传播时所经过的平面，可以直接影响视听效果;竖界面是通过影响发射声的传播，进而控制声学效果;顶界面是通过影响声音强度控制声学效果。基面中常以局部差高处理和倾斜的方式，改变界面形式。此外，在设计部分声学空间时，为了不破坏原有建筑师的设计效果，可以用一些特殊的手法改变界面结构。例如，用透声材料围成圆形或者椭圆形，在后面的基墙上做声学处理。虽然观众厅外观是圆弧形的墙面，但是其声学效果和长方形空间的效果是一样的。
4.2充分利用扩散体
扩散体是改进声场扩散性能的设施，主要分为最大长度系列扩散体(MLS)、原根序列扩散体(PRD)和二次剩余序列扩散体(QRD)。扩散体在使用时要遵循以下原则：①扩散体的尺寸应与其扩散反射声波的波长相接近，太小则不能起扩散作用，比波长大得多又会在扩散体本身的表面上产生定向反射。一般设计成不同尺寸、不同形状的扩散体，组合使用以取得更宽频带的效果[3]。声音的频率越低，声波的波长越大，要求扩散体的尺寸越大。为了使尺寸不致过大，许多演出建筑如剧场，扩散声频率的下限可定为200Hz。②扩散体不等同于吸声体。③扩散体表面尽可能避免用石膏浇筑。④当选用木质扩散体时，禁止做成空心体。(1)厅堂中的回声控制。通常情况下，声学空间内会存在直达声和混响声两种声音。混响声是声音经过一次或多次反射、扩散、吸收后被人听到的声音，当相邻两次声音的时间差在50ms以上，而且声音强度足够大时，延迟的声音被叫作回声。回声对人的听觉体验影响极大，为此有关人员常会采用吸音处理消除回声，但吸音处理会在一定程度上吸收声能，影响声音的强度。因此，在吸音处理时，用扩散体效果会更好，同样可以使空间内的声能均匀分布，以减少回声。(2)控制混响室中的驻波。驻波指频率相同但传播方向相反的两列声波叠合而成的声波。常会影响混响室中的声能，使其不均匀分布，为此常采用表面扩散体和立体扩散体进行处理。其中，表面扩散经济成本较高，至少同时需要三面墙布置扩散体，才能起到很好的效果。而立体扩散体由于其扩散作用范围较表面扩散体广，因此在空间内悬挂一个立式扩散体即可使空间声音的频率曲线变得平滑。(3)减少凹面的聚焦效应。声聚焦是声波在凹面反射下都集中聚集在同一区域的现象，如果采用吸声处理，虽然可以有效避免声聚焦，但是声源处的人将听不到来自四周空间的反射声，将会影响演出效果。因此，为了能够在保留反射声的前提下消除声聚焦，就可以选择利用扩散体进行处理。
4.3重视造型与设计的结合
无论是改变界面形式还是利用扩散体，都是通过在原有建筑结构的基础上，改进空间结构，以此提高声音的传播效果。然而从建筑声学的角度出发，声学空间的结构在设计阶段本就应同时具有造型之美和声学之美。这就需要建筑师和声学家将设计工作有机结合在一起，通过建筑结构实体直接达到两者的统一。此外，声学与空间设计的结合由来已久，早在古罗马时期，就已经出现。如古罗马剧场遗址，观众座席呈放射性散开，而且将座位排成有规则的阶梯，古剧场神奇音效的秘密在于脉冲回应，为了将声音反射效果增强并扩散到剧场的每一个角落，设计师在横向过道后的凹间里摆放了能产生不同振动频率的青铜缸。这些缸悬空放在凹间里的楔形支撑上，对应不同音程而发出共振，这样舞台上的声音就会引起不同频率的共振，以获得完美的声音效果。还有我国北京天坛回音壁，围墙高3.72m，直径61.5m，周长193.2m，厚0.9m。围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，弧度过度柔和，有利于声波的反射和折射效果。一人贴近回音壁一端轻声讲话，站在对面的另一个人只要把耳朵靠近壁面，就能清楚地听到讲话声。教堂是基督教举行礼拜和重要宗教仪式的场所，长混响会使声音变得浑厚而强化礼拜精神的庄严和力量，给以礼拜者精神鼓舞，有助于赞美诗的音乐抒情和咏唱。据调查统计，现代教堂的最佳混响时间为2~3.5s。首先，从教堂顶棚来看，大部分教堂的顶棚逐渐从最初的大型圆拱顶棚到多肋拱再到花肋拱最后向平面顶棚转变，这样可以有效地解决声聚焦现象。其次，侧墙的反射声是加强音乐丰满度的重要因素。所以，侧墙上方可以利用大幅高浮雕画，既能完美契合宗教艺术，又能起到扩散的效果。或者通过增设构造壁柱、GRG凸出装饰来加强声能扩散。如下图2、图3分别为多肋拱教堂顶棚和平面教堂顶棚。我国广州歌剧院同样是建筑声学艺术与空间界面艺术融合统一的典型例子，广州歌剧院的空间结构是由原创建筑师扎哈设计，在剧院两侧以一种富有流动性的形体和极富魅力的彩绘给人一种仿佛置身动态空间的感觉，而且将四周空间设计成手指状的纹路，从整体来看，给人以艺术美。广州大剧院的成功，除了新颖的造型，还有声学泰斗马歇尔主持下的声学设计。设计既要延续扎哈的风格，给人一种视觉美，同时也要注重声学效果。剧院观众厅室内设计着重考虑厅堂内的空间形体，以及与形体有关的容积、混响时间、响度、圆润度、饱满度、声扩散、早期反射声等声学参数[4]。因此，设计师通过梯田的形式改变空间，同时又在剧院两侧的空间中融入现代雕塑，使得内部空间充满气势与张力，而且这种多层级复杂结构和不规则室内形体使得声音得以充分反射扩散，保证声场均匀分布，提高了声学效果。
5结语
总而言之，建筑声学和室内空间艺术的统一是未来社会建筑工程的重要发展趋势，建筑设计师和声学家在未来工作中要充分协调好彼此的工作。正如马大猷院士所说的：“建筑师要懂得一些声学并尊重声学家，声学家要懂得一些建筑并尊重建筑师”。通过改变界面形式、充分利用扩散体、重视造型与设计的结合等方式，促进建筑声学和室内空间界面艺术的融合，继而提高人们的视听体验。
参考文献
[1]陈慧宇.建筑声学设计和室内空间界面艺术的统一研究[J].建材与装饰，2019(27)：94-96.
[2]王红卫，杨雅洁，张龙.广州粤剧艺术博物馆剧院建筑声学设计[J].华中建筑，2017，35(02)：32-36.
[3]杜桑.体育馆声学设计与艺术表现力[J].建筑工程技术与设计，2017(4).
[4]谭泽斌，罗泽红.歌剧院室内设计与建筑声学的关系[J].建筑技艺，2013(05)：222-225.
作者：黄渤 田燕 吕斯俊 单位：武汉理工大学土木工程与建筑学院 里昂国立高等建筑学校
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