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发表于 2019-11-10
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5 }3 o- Q4 u* W" @5 e% Y- A室内声学的四大阶段，从混响到可听，你值得拥有
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建筑声学从时间线来划分，大概可以分为五个阶段：
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: |! f! _' v9 |& A4 l% n: I* F远古 —— 1930：从物理声学到建筑声学初步成型
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1930 —— 1960：早期科学探索
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: b% G2 c1 q: n: {; F$ B" X' l& Y3 q! l1960 —— 1980：大面积参数化. g0 i. ?- G9 i' M
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1980 —— 现在：电脑时代
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1990 —— 现在：可听化(Auralization)& @: P/ E2 t0 ^! @6 H
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一、上古时期 —— 1930：从物理声学到建筑声学初步成型/ \4 I; C; d+ B, ]. r! c
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作为物理学的分支，声学的发展较晚，直到19世纪下半页其物理理论基础才日趋完善。其中两位奠基人是两位德国人，分别为Hermann von Helmholtz，1862年发表了《作为乐理的生理学基础的音调感受的研究》以及John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh，1877年发表的《声学理论》。: H- y% s& }# @9 z- ?
4 M2 e7 h8 t5 H* w建筑声学真正的形成是以W.C. Sabine的出现为时间节点，他也被普遍认为是建筑声学的奠基人。是他首先在1900年左右提出了混响时间 (Reverberation Time)和材料吸声的概念以及相应的经验公式，开启了科学研究建筑声学的先河。他设计的波士顿交响乐大厅被认为是全世界最好的音乐厅之一。6 `% t5 O: v: _. K: t
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（塞宾混响理论）
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9 t5 K' B5 t, n6 h: s二、1930 —— 1960：早期科学探索+ V; B% `, _1 H1 Z% N: s
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在Sabine混响理论的基础之上，30年代之后陆陆续续的出现了一批德国声学家逐步完善建筑声学的理论和实验基础，如Erwin Meyer，Lothar Cremer，Vilhelm Jordan，Walter Reichardt等，建立了以尖劈为吸声结构的消声室 (1936年)，创立了早期的声学杂志——Akustische Zeitschrif (1936年，1951年更名为Acustica) 和Acta Acustica (1996年合并为Acta Acustica united with Acustica)。
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房间响应 (Room Response)也是在这一时期被L. Cremer提出，用来研究添加吸声材料对房间混响的影响。从此，房间响应逐渐被应用到建筑声学中来。; p$ V7 t( O- ]
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值得一提的是，在这一期间 (1959年)，我国的声学之父马大猷先生参与了人民大会堂的声学设计。他于1939年在美国声学杂志JASA (The Journal of the Acoustical Society of America)发表的《矩形室内低频简正频率的分布》(Distribution of Eigentones in a Rectangular Chamber at Low Frequency Range)被认为是严格建筑声学的基础，并于60-70年代发明了微穿孔板结构并完善了设计和理论。
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三、1960 —— 1980：大面积参数化
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, n7 L7 V4 Y$ U. a% P5 E在这一时期，脉冲响应和传递函数被广泛应用到建筑声学，做出突出贡献的有Schroeder和Kuttruff。Schroeder freuqency也在这一时期被提出，根据房间大小和混响时间来判定从哪个频率点开始，房间模态开始大面积堆叠无法区分，呈现出随机性质。( \" `- o: _1 x- j
, Z( ]" y' F- B0 `3 B: k( M/ l从70年代开始，建筑声学进入了“参数化”时期，清晰度 (Clarity)，早期衰变时间 (EDT, Early Decay Time)，Lateral energy fraction (LEF)，Interaural cross correlation (IACC)，美国的Leo Beranek提出的衡量空间感知的强度 (Strength G)，Apparent Source Width (ASW)等等，并给出相应的计算公式。然而通过大量参数的提出和研究，人们发现适中的声级，混响时间和清晰度，并无法保证合格的声学效果。这位后面引入人的主观评价和可听化Auralization埋下了伏笔。" X, V* r J5 v
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四、1980 —— 现在：电脑时代
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随着电脑的发展，人们终于不用再手动计算傅里叶变换分析频谱，也可以逐渐摆脱各种大型测试仪器，人们终于可以在建筑设计的初期就可以介入声学诉求，各种仿真软件也走入市场，比如CATT，EASE，ODEON等直到现在也是比较普遍的建筑声学软件。这些声学软件优势很明显，可以快速计算各种建筑声学参数，近些年也增加了Auralization功能，既能客观分析物理参数，还能进行主观评价；同时局限性也很明显，大部分软件都是基于几何声学，也就是在前面提到的Schroeder frequency只上的频率区域是准确的，只把声波等效成了没有相位只有强度的粒子，而忽略了低频的波动性。因此，主攻低频仿真的数值声学 (Numerical Acoustics)随着计算机功能的强大也逐渐兴起，比如常用的有限元/边界元 (FEM/BEM)，时域有限差分 (Finite-Difference Time-Domain, FDTD)，以及近些年的Pseudo-spectral Time Domain (PSTD)和Discontinuous Galerkin (DG)。然而这些数值方法距离大规模商用还有待计算机计算能力的进一步提升。* E* H5 [) e: K I
. x+ s* L" x$ v" h在电脑建模时，需要考虑声音传播的三要素，即声源，传播途径和接受者。
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对于声源，要考虑：, X8 }. ]- W* |3 v6 B$ ?
- n6 D! z* x& r8 r1 b5 J) v声源的本身体积是多少？
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是否为多声源？声源的空间位置？' R: L( V @4 S: L2 ~8 i
& S: X7 B p+ C+ @& a声源的指向性 (Directivity)？
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- z' |2 Z! A) C/ h$ L! T ?: }对于传播途径，要考虑：
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2 S! r% \ s6 z3 E3 f7 y D房间的3D建模7 \- Y+ p5 G# ?+ Z' ^' W
3 O R5 U( @% Q3 C2 |+ X7 n; v# v复杂表面& \: ^+ T) {* q: H3 x. n
$ g" \ n. J W0 I+ C7 E材料表面阻抗 (Impedance)1 x- p s% i* G- o1 ~" W
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衍射，散射系数等除了镜面反射的声学现象（针对几何声学，数值声学计算全声场无需单独考虑各种声学现象）: v4 {, s$ o% D3 A* p
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对于接受者，要考虑：
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接受者的空间体积大小和方位
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. S9 W( v1 h2 n5 C双耳效应9 ~- e8 O8 A% y& y
2 P# o. Q; w1 h. R, m* I' [4 L由于诸多因素都会引起仿真结果的bias，在90年代中期声学界展开了第一轮“Round Robin”测试，用来对比建筑声学的仿真结果。$ b; q0 f- w! C+ M& v! ^
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五、1990 —— 现在：可听化(Auralization), y5 g( C. E! A3 |' s G
, ^% O7 H7 F4 Y8 L6 A现在我们终于迈入了现代化。“可听化”一词并不是可以听话的意思，而是与视觉的可视化 (Visualization)相对应的词汇。举个最简单的例子，当你在电脑里面建了一个房间的声学模型，从前你只可以用眼睛看到模型计算出来的各个参数，而现在有了Auralization，你还可以用耳朵去听这个房间的声音效果——就像在真实世界一样。Auralization经常和虚拟现实结合起来，把现实世界的声环境转到虚拟世界里，结合Visualization，让人身临其境。比如你在打游戏，看到在房间里，前面有个人在打枪，那么你听到的声音一定要从前边来，才能保证良好的游戏体验。而这个声音是一定要通过严谨的声学计算生成的。9 F% d, E' A$ U+ W) G
/ Q" V3 r& r) }' T* ?: r现在的Auralization和VR相结合更多地用在了游戏产业，做得比较成功的是Facebook Reality Lab (前Oculus)，在其他产业并没有得到广泛关注，更多地停留在概念和科研界。Auralization本身也有很多没有解决的问题，比如想达到实时效果，声传播模型还停留在并不怎么准确的简化版几何声学，回放方面还不能满足多人接收者，大声源和移动声源的建模还不成熟等等。Auralization在以后的文章里我会详细讲，在这里就不再赘述。
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( \0 U5 |: U V' f: H. l. k声学和最新科技的结合，及其带来的全新发展视角和以人为本的考量，让建筑声学这一传统声学学科再次焕发青春，并充满潜在的商业机遇。 |
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