《声学手册(第七版)》第十五章
第 15 章
可调声学
如果一个音频房间仅用于单一目的或单一类型音乐，其声学处理可以做到相当精确。然而，经济性往往要求一个房间必须服务于多种用途。这种多用途房间必然伴随着一些声学妥协。在某些情况下，房间的声学特性必须可变，以适应不同类型的音乐。例如，一个录音室可能在下午用于录制弦乐四重奏，而在晚上用于录制摇滚乐队。在任何情况下，都需要权衡多用途或可变性带来的妥协与设计的最终音质。本章希望打破声学处理是固定不变的印象，转而探讨声学可调性的实现方法。
帷幔
随着20世纪20年代无线电广播的发展，墙壁上的帷幔和地板上的地毯常被用来“消音”演播室。很快人们发现，这种广播演播室的处理方式存在明显失衡：吸收中高频能量，但对低频能量的吸收微乎其微。随着专有声学材料的出现，硬质地板变得普遍，而帷幔几乎从演播室墙壁上消失了。
一二十年后，声学工程师对调整演播室声学环境产生了新的兴趣，重新关注起帷幔。1946年纽约市国家广播公司3A演播室的重建就是一个很好的例子。该演播室的重新设计旨在为家庭播放音乐录制和广播转录录制提供最佳条件——这两种应用的混响-频率特性有所不同。通过使用帷幔和铰接面板（稍后讨论），混响时间可在超过2:1的范围内调节。厚重的帷幔带有衬里和夹层，并与墙壁保持一定距离悬挂，以增强其在低频段的吸收能力（参见图12-15至12-18）。当帷幔收起时，会露出表面为石膏的多柱形元件。
如果充分考虑帷幔的吸收特性，除成本外，没有理由不使用帷幔。必须考虑帷幔的褶皱程度——当帷幔闭合时，可调元件的声学效果由帷幔本身决定；当帷幔收进壁龛时，其效果由背后的材料决定，如图15-1所示。帷幔背后的墙面处理可以是任何材料：从吸收声能最少的硬质石膏，到在低频区域具有最大吸收能力的共振结构，后者或多或少能与帷幔本身的效果形成互补。从声学角度看，将帷幔收起后露出声学特性相似的材料几乎没有意义。
图15-1 通过将吸收性帷幔拉到反射区域前的壁龛中，可以改变房间的氛围。
便携式吸声面板
便携式吸声面板为调整聆听室或演播室的声学环境提供了一定的灵活性。图15-2展示了这种布置的简单性。在这个例子中，一个浅木柜装有穿孔硬质纤维板面板（覆盖透声布）、玻璃纤维层和内部空气腔。这种面板可以根据需要轻松安装在墙上或移除。例如，将面板放置在房间中可降低语音录制的混响，移除面板则可为乐器录音营造活跃的氛围。
图15-2 可移除的墙面面板可用于调整房间的混响特性。为获得最大可变性，未使用的面板应完全从房间中移除。
图15-3展示了一种使用斜角夹板将面板安装在墙上的方法：只需将面板从夹板上提起，即可轻松移除。将此类单元悬挂在墙上可增加吸声效果，并在一定程度上促进声音扩散。但由于单元从安装条上松散悬挂，其作为低频共振器的效果会有所折损——空腔与房间之间的泄漏耦合往往会削弱共振效应。
图15-3 一种使用斜角夹板将面板安装在墙上的方法，以便于移除面板。
独立式声学挡板（有时称为声障或隔音板）是实用的演播室配件，常用于改善乐器之间的声学隔离。典型的挡板一侧为反射面，另一侧为吸收面。一个典型的挡板由1×4英寸的木材框架和胶合板背板组成，内部填充低密度（如3磅/立方英尺）玻璃纤维板，表面覆盖织物。策略性地布置几块这样的挡板，可在中高频段实现一定程度的局部声学控制，并在高频段提供一定的隔离。
图15-4中建议的挡板将扩散特性引入了挡板技术。从4×4英尺扩散区域返回的声音不同于从平坦反射表面返回的声音——例如，返回声的强度低约8分贝，在半空间内被大幅扩散，并且在数毫秒的时间内传播。音乐家可能会感受到声音的饱满度。为实现这一点，图15-4中的挡板在一侧安装了四个Skyline扩散模块，由RPG声学系统制造。这些特定模块是原根扩散体，也可使用其他类型的商业或定制扩散体，或者将表面保留为平坦反射面。
图15-4 使用扩散表面的非传统独立式挡板。
铰接面板
调整演播室声学最有效且成本最低的方法之一是图15-5A和B所示的铰接面板布置。当面板闭合时，所有表面均为反射性（石膏、石膏板或胶合板）；当面板打开时，暴露的表面为吸收性（玻璃纤维或地毯）。例如，可使用2至4英寸厚、密度为3磅/立方英尺的玻璃纤维板覆盖吸收表面，这些面板可覆盖透声布以改善外观。将玻璃纤维与墙壁保持一定距离，可增强低频吸收。
图15-5 铰接面板一侧为反射面，另一侧为吸收面，提供了一种经济有效的方法来实现房间声学的可变性。（A）单面板设计。（B）双面板设计。
百叶窗面板
多个百叶窗面板可通过框架中的单个杠杆进行调节，如图15-6A所示。百叶窗后面是低密度玻璃纤维板或毡。面板的宽度决定了它们是形成一系列狭缝（图15-6B）还是紧密密封在一起（图15-6C）。将图15-6C中面板的百叶窗略微打开，在声学上接近图15-6B的狭缝布置，但机械上可能难以精确控制狭缝宽度。狭缝宽度的变化会导致共振曲线变宽。
图15-6 百叶窗面板可实现广泛的声学可变性。（A）百叶窗面板打开后可露出内部的吸收材料。（B）面板关闭后呈现反射表面。（C）短百叶窗可从板条共振器（关闭）转变为露出内部吸收材料（打开）。
百叶窗面板的布置非常灵活：玻璃纤维的厚度和密度可以变化，并可直接固定在墙上或间隔不同距离；百叶窗面板可以是反射性材料（玻璃、硬质纤维板）或吸收性材料（软木），可以是实心、穿孔或设计为板条共振器工作。换句话说，几乎任何吸收-频率特性都可以通过百叶窗结构实现，并附加可调节功能。
吸声/扩散可调面板
吸声/扩散面板可在远场结合宽带吸收，在近场对所有入射角度实现水平或垂直扩散。这些面板基于吸收相位光栅原理，使用由薄隔板分隔的等宽井状阵列，旨在扩散未被吸收的声能。井的深度可由二次剩余数列确定。这些面板可商业购得或定制建造。
Abffusor是商用吸声/扩散面板的一个例子，尺寸约为2×4英尺或2×2英尺，可提供低至100 Hz的扩散。面板可安装在悬挂式天花板网格中或作为独立元件。图15-7显示了两种安装方式下面板的吸收特性：直接安装在墙上时，100 Hz处的吸收系数约为0.42；面板与表面之间留有400毫米空气层时，该系数翻倍，后者与面板安装在悬挂式天花板网格中的性能大致相同。250 Hz以上可实现近乎完美的吸收，因此该单元同时提供中高频吸声和声音扩散。Abffusor由RPG声学系统制造。
图15-7 Abffusor面板在两种安装方式下的吸收特性：直接安装在墙上（A安装）和留有400毫米空气层（E-400安装）。
可变共振装置
共振结构可用作可变吸声元件。图15-8A展示了一个使用穿孔面板的例子，改变面板位置会移动吸收共振峰，如图15-8B所示。此例中的近似尺寸为：面板宽2英尺，厚3/8英寸，孔径3/8英寸，孔中心间距1-3/8英寸。
可变共振吸收器的一个重要元件是多孔布，其流阻适中，覆盖在穿孔面板的内表面或外表面。当面板处于打开位置时，孔内空气的质量和背后空腔空气的顺性（或“弹性”）构成共振系统，布料对振动的空气分子提供阻力，从而吸收能量。在此例中，当面板闭合时，空腔几乎消失，共振峰从约300 Hz移至1,700 Hz（参见图15-8B）。在打开状态下，高于共振峰的频率的吸收在5 kHz范围内保持显著恒定。
图15-8 铰接式穿孔面板可用于改变共振吸收。穿孔面板的一侧覆盖有流阻适中的多孔布。（A）面板可在表面上放置在两个位置（1，2）。（B）面板位置的变化会改变吸收特性的响应。
好莱坞的一个配音演播室使用了另一种有趣的共振吸收器设计。电影对白循环录制需要可变的语音录制条件，以模拟电影场景中的多种声学环境。在这个演播室中，80,000立方英尺的舞台混响时间必须在2:1的范围内可调。
舞台的两侧墙壁均采用图15-9所示的可变布置，该图展示了一个典型元件的横截面，从地板到天花板延伸，所有面板均沿垂直轴铰接。12英尺长的上下铰接面板一侧为反射面（两层3/8英寸石膏板），另一侧为吸收面（4英寸玻璃纤维板）。打开时，它们露出吸收面，并露出板条共振器（1×3英寸板条，间距3/8至3/4英寸，背后为玻璃纤维板），这些共振器利用了倾斜面板后面的空间。在某些区域，玻璃纤维直接固定在墙上。当仅暴露高吸收表面时，扩散问题较小；当暴露反射表面时，铰接面板会合，形成良好的几何扩散表面。威廉·斯诺的这一设计展示了将不同类型吸收器结合在一个有效且经济的布置中的灵活性。
图15-9 可变声学元件可用于混音-循环舞台。门关闭时呈现反射区域，打开时呈现吸收区域和板条共振器。
旋转元件
图15-10所示的旋转元件提供了独特的可调性，但由于尺寸限制，它们最常用于较大的房间。在这种特定配置中，平面侧为吸收性，圆柱形扩散元件为反射性。这种系统的一个缺点是需要旋转空间，旋转元件的边缘紧密贴合，以最大限度减少演播室与元件背后空间之间的耦合。
图15-10 旋转元件可改变房间的混响特性，其缺点是需要相当大的空间来容纳旋转元件。
音乐室可设计为一系列旋转圆柱体部分突出于天花板，圆柱体轴通过齿轮齿条驱动联动旋转，使得暴露的圆柱体分区区域可实现：中高频吸收递增的适度低频吸收、高频吸收递减的良好低频吸收，以及高低频吸收均少的高反射。然而，这种布置成本高昂且机械复杂。
图15-11展示了一个提供高度可调性的设计示例，它由可旋转的等边三角形棱柱组成，棱柱的侧面分别为吸收性、反射性和扩散性。每个棱柱的标称高度可为4英尺，面宽2英尺。或者，可将非旋转设计（两侧为吸收性，一侧为扩散性）放置在房间角落。在正常安装中，棱柱边缘紧密对接，每个单元配备旋转轴承，通过这种方式，这些单元的阵列可提供全吸收、全扩散、全反射或三种表面的任意所需组合。与其他旋转吸收器一样，该单元需要较大的安装空间。
图15-11 使用可旋转等边三角形棱柱的设计示例，棱柱侧面分别为吸收性、反射性和扩散性。单个单元的旋转可提供高度的声学可变性。
模块化低频吸收装置
控制低频尤其在小房间中相对困难。在许多情况下，低频吸收器（通常称为低音陷阱）会集成到房间的天花板和墙壁中。然而，更小、更便携的低音陷阱提供了另一种方法。图15-12展示了一个模块化低频吸收器的示例，这种低音陷阱基于哈里·奥尔森最初提出的设计，以“管式陷阱”（Tube Trap）的名称销售。它是一种圆柱形单元，有9、11和16英寸直径以及2和3英尺长度可供选择，较小直径的单元可堆叠在较大直径的单元上。将它们放置在房间角落通常可优化性能，也可使用四分之一圆形适配器。该陷阱是一个简单的1英寸玻璃纤维圆柱体，由金属丝网外骨骼提供结构强度，塑料薄板（称为“软性质量”）覆盖圆柱体表面的一半，为保护和美观，还添加了织物覆盖层。
图15-12 管式陷阱的构造：1英寸玻璃纤维圆柱体，带有结构支撑，软性质量塑料覆盖圆柱体表面的一半，反射和扩散400 Hz以上的声能。（声学科学公司。）
与任何吸收器一样，总吸收量由“（面积）×（系数）= 吸收量（赛宾）”给出。对于此类吸收模块，按每个模块贡献的赛宾吸收量进行评级是方便的。图15-13显示了3英尺长的管式陷阱以及9、11和16英寸直径型号的吸收特性，16英寸陷阱在125 Hz以下实现了显著吸收。
图15-13 三种尺寸管式陷阱的吸收特性，16英寸单元可提供低至约50 Hz的良好吸收。
当在扬声器后面的每个角落堆叠管子时，仅覆盖圆柱体一半面积的软性质量为中高频提供反射，而低频能量则穿过软性质量被吸收。通过反射中高频，可控制聆听位置的声音亮度。图15-14显示了管子的两种位置：如果反射器面向房间（图15-14B），管子完全吸收低频能量，而聆听者接收到更明亮的声音，中高频声音因其圆柱形形状而被扩散；如果偏好较不明亮的声音，可将反射面朝向墙壁，这可能会因相交的墙面和圆柱形反射面板形成的空腔而引入音色变化，如图15-14A所示，通过在墙面上放置吸声面板，可控制这种音色变化。
图15-14 管式陷阱中软性质量反射器的位置可控制房间内声音的亮度。（A）软性质量面向角落时，圆柱体的吸收侧在宽范围内吸收声音。（B）如果软性质量面向房间，400 Hz以上的频率会被反射。
如果实验表明有必要，管式陷阱等模块化低频吸收器也可放置在房间的后两个角落。两个管子可堆叠在一个角落，下方较大的管子吸收低频，上方较小的管子吸收中低频和中频能量。半圆单元可用于控制侧壁反射或在其他位置提供一般吸收。这些类型的可调模块与地毯、家具、结构吸收（墙、地板、天花板）结合是否能提供适当的整体衰减率（活跃度、死寂度），必须通过聆听、计算或测量来确定。管式陷阱由声学科学公司制造。
管式设计的替代方案是具有两个吸收侧和一个扩散侧的棱柱。例如，这种设计可用于立体声聆听室，放置在扬声器后面，吸收侧面向角落，扩散侧面向房间。这种布置有助于控制正常模式，同时为房间增加扩散。一般来说，扩散反射可能降低8至10分贝，最大限度减少其对立体声图像感知混淆的可能贡献。这与图15-14B中陷阱的较高水平软性质量反射不同，后者作为早期反射可能会混淆立体声图像。
关键点
• 帷幔可提供有用的声学可变性，必须考虑帷幔的褶皱程度：闭合时吸收特性由帷幔本身决定，收进壁龛时由背后的表面决定。
• 吸收性便携式面板可根据需要安装在墙上或移除，例如用于降低混响或移除后营造活跃氛围。
• 铰接面板提供了一种有效且低成本的声学调整方法：闭合时表面为反射性（石膏、石膏板或胶合板），打开时暴露的表面为吸收性（玻璃纤维或地毯）。
• 共振结构可用作可变吸声元件，改变面板位置会移动吸收共振峰。
• 不同类型的吸收器和扩散器可通过独特方式组合，提供适用于任何特定房间或应用的声学可调性。
• 模块化低频吸收器可提供便携式、经济高效的低频响应控制方法，此外，某些型号可结合声学设计特点以提供更大的灵活性。