近代建筑声学在中国的奠基(一)

——以清华大礼堂听音问题校正为中心的考察

●姚雅欣 杨舰 田芊

  1925年8月,应清华学校教务长梅贻琦(清华当时唯一的物理学教授)之聘,1923年取得哈佛大学哲学博士学位、1924年回国任教东南大学的叶企孙(1918级),回到清华母校主持创建物理学系。1926年秋,物理学系正式成立,叶企孙成为首任系主任。此时,校内也存在对物理科学的现实需求,1921年落成的清华大礼堂音响效果差,由于缺少物理学专门人才,只能依靠自然科学部教师和校内工程师探索解决方案,自然很难切中问题的实质。于是,物理学系最初的研究工作就此展开,逐步开启近代建筑声学在中国奠基的历程。

  一、赛宾开创的近代建筑声学

  近代建筑声学(Modern Architectural Acoustics)创立之前,建筑声学作为经验性知识的历史可上溯至古代希腊、罗马时代的露天剧场。公元前1世纪,罗马建筑师维特鲁威(Vitruvius)在《建筑十书》(De Architectura Libri Decem)中记述了古希腊露天剧场用共鸣缸调节音响的方法,认识到无响区、回响区、余响区、和响区四种不同音响区域的存在。 中世纪的教堂,由于内部大空间和石质光滑的内墙面,室内声音的可辨度较差,然而却与神秘的宗教氛围相适应,建筑声学问题尚未突显出来。16、17世纪,意大利建造大型剧场(如可容纳3000观众的奥林匹克剧院),由于观众的吸音和剧院内奢华的软装饰,弥补了建筑形制对室内音质的负面影响。随着十九世纪兴起的工业化与城市化进程,公共性集会增多,体量宏大的教堂应运而生。意大利米兰大教堂体积达2万多立方米,大理石材质,平常礼拜者不过千人,演奏风琴时混响时间长达8秒,讲话时声音一片混乱,室内恶劣的音响效果已冲出宗教神秘性的掩盖,成为亟待解决的现实问题。19世纪初,德国人弗里德利克•察拉迪(E.F. Freidrich Chlaudi)的著作《声学》(Acoustics),开始致力于解释混响现象。1877年,英国物理学家威廉•瑞利(Lord John William Rayleigh,1842—1919年)发表巨著《声学原理》(The Theory of Sound),声学成为物理学中相对独立的分支学科,拉开近代声学的序幕,运用声学原理科学地解决建筑声学问题成为可能。

  1895年,新建成的哈佛大学弗格艺术博物馆(Fogg Art Museum),讲演厅却因无法听闻的音响效果而不能使用,“这座建筑跟院子里的其他任何讲演厅一样不能让人满意,消除这些障碍是研究生们的义务!” 于是,哈佛大学校长埃利奥特(Charles W. Eliot,1834—1926年)向物理学系求助,27岁的助教W.C.赛宾(Wallace Clement Sabine,1868—1919年)受命,并试图从科学中为这个多年悬而未决的问题找到一个合乎逻辑的、可定量的答案。

  塞宾与两位实验室助理选取桑德尔斯剧院(声效极佳)、杰弗逊大厅讲演室(声效一般)、弗格讲演厅(声效极差)为真实的物理模型,把杰弗逊大厅地下室装备成混响测试室,并借用桑德尔斯剧院数百个软椅垫,每天午夜后进行实验。用管风琴作为声源,在房间中产生大约512赫兹的中频段声音,然后将声源切断,再测量声音从刚刚切断到衰减至听不到所花的时间,仪器仅为秒表和试验者的耳朵。通过研究和测试得出:

  当声源停止发声后,室内声场逐渐减弱至听不到所延续的时间,即混响时间,是衡量室内音质的重要参量;混响时间与房间体积成正比,与房间界面及家具对声音的总吸收量成反比,即著名的塞宾混响公式:

  T=0.163V/A

  (其中T为混响时间,单位秒;V为体积,单位立方米;A为总吸声量,单位平方米。)

  此外,赛宾还测得一些普通建筑材料的吸声系数,得知地毯、帘幕、座垫以及类似材质具有缩短混响时间的功能。通过在后墙上部和穹顶凹陷处安装毛毡的补救措施,弗格讲演厅最终获得了良好的声学效果。塞宾公式作为近代建筑声学创立的标志,成为人们处理建筑声学非常有效、实用而简明的指导理论。特别是“混响时间”概念,具有明确的物理意义和可测得数据,为建筑声学设计和音质评价提供了规范的技术参量。随后塞宾进行的波士顿音乐厅音效设计,验证了其建筑声学理论的科学性,优良的音质至今仍为世界称道。

  二、求解清华大礼堂听音问题

  近代建筑声学问题在中国的发生,源自在中国建造的美式建筑形制导致的听音困难。当时的清华因其作为留美预备学校的特殊身份,首先从研究对象和研究主体方面,成为开创中国近代建筑声学研究的源头。然而,在真正运用赛宾理论科学地求解清华大礼堂听音问题之前,清华校内曾经过一段短暂的经验性探索。

  1、地板抬高方案

  清华大礼堂由美国建筑师亨利•墨菲(Henry Killam Murphy,1877—1954年)设计,始建于1917年9月,1920年3月落成,与图书馆、科学馆、体育馆一起构成清华早期的“四大建筑”。大礼堂融合希腊式与罗马式建筑风格,建筑面积1840平方米,体积12350立方米,坐席1400个,是当时中国大学中最大的礼堂兼讲堂。 由于在建筑设计中没有进行建筑声学设计,大礼堂落成之日,演说时听闻不清晰的问题随之而来,遂为清华学校寻求解决方案的当务之急。

  1924年,学校首先委派自然科学部教师海宴士、李广诚等三人研讨此问题。他们认为新礼堂内部四壁直角太尖,致使声音不易传达,由此初步提出应对方案:或“将橡皮地板提高,钝其角度”;或“用布幕或他物挂礼堂天花板作圆形,则角度可以加多。” 海宴士为清华学校高等科的数学教师,通过一般性观察和经验性分析得出的仅是极粗略的方案,不可能切中建筑声学问题的实质。而当时清华学校“科学馆化学、物理等部正谋扩充,楼下办公处必须他迁,适中地点颇不易得。如能迁入新礼堂,为最适当。” 对于大礼堂地板提高、取消楼座后,下层可以作为学校办公处,无论校方还是海宴士都满意于此方案可能一举两得。不过,提高大礼堂地板方案的科学性和可行性,校方计划交由居住天津的清华同学关颂生工程师研究。

  2、叶企孙小组:创造性地运用建筑声学理论

  海宴士研究大礼堂听音问题时,清华学校仅梅贻琦一名物理教授,缺少专门的物理学研究力量。1925年8月,叶企孙从东南大学受聘为清华学校物理学教授,大学毕业不久的赵忠尧同来任教,并于1926年4月26日正式成立清华学校大学部物理学系。 这样,清华大礼堂听音问题成为叶企孙主持的物理学系首要求解的最具现实性的科学问题。

  叶企孙教授领导创建之初的物理学系同人赵忠尧(教员)、施汝为(助教)、郑涵清(教员)以及实验辅助人员阎裕昌等组成研究小组, 他们不仅在某些物理学前沿已有相当的研究积累,而且对国外建筑声学的最新进展有全面的把握:从塞宾公式与1922年哈佛大学出版社出版的《塞宾声学论文集》(Collected Papers on Acoustics, Harvard University Press),到伊利诺伊大学物理教授沃特森(F.R.Watson)于1918年至1924年改良该校大礼堂,1923年出版专著《建筑声学》(Acoustics of Buildings),再到1924至1925年间关于细化混响时间的几种最新研究,如美国Riverbank建筑声学实验室主任P.E.塞宾(P.E.Sabine)区分了满座情况下,讲演、轻音乐、重金属乐混响时间的差异;莫斯科国立音乐研究所S.里夫舒茨(Samuel Lifshitz)得出大容积建筑混响时间的计算公式。叶企孙研究小组掌握了通常情况下塞宾公式的意义,初步认识到大空间结构、发声特点、声场分布、温度等因素对混响时间的影响。在此基础上,他们求解清华大礼堂听音问题具有充分的理论依据和最新建筑声学实践的参考。

  叶企孙小组运用建筑声学理论,分析出导致大礼堂听音困难的原因和改良方法。拱顶造型、石灰砖材质的内墙直接造成听音困难,“一部分因吸收声音之材料太少,以致余音时间太长;一部分因形状关系而发生回音。故改良方法,统归于增加相宜之吸音材料于相宜位置。换言之,问题有三:用何物?用多少?置何处?” 他们进而运用理论公式和实验测试相结合的方法,求解清华大礼堂听音问题。运用塞宾公式计算出清华大礼堂空场时总吸音能力为270平方米开的窗, 通过实地测试所得为267平方米开的窗。

  何以出现实测与公式计算的差异?这里体现出叶企孙小组科学创新的精神,而非机械地因循塞宾公式。其一,将塞宾公式未考虑在内的室内温度变化对混响时间的影响作为调整系数,提高了实验的准确性;其二,没有照搬塞宾测定的着西服者的吸音能力,通过实验研究,得出在各种情形下(着棉衣或夹衣情况下,区别离散者、听众的坐、立情形)着中国衣服者的吸音能力,对塞宾公式中国化的修正提高了科学的精确性。改良清华大礼堂听音困难虽是个案研究,叶企孙小组绝非限于就事论事,而是注重探索建筑声学中具有普遍意义的科学规律,得出“别处也可以永久应用的材料”。 着中国衣服者吸音能力的测定,为当时中国建筑声学提供了重要的基础参数。

  通过以上两点修正,得出清华大礼堂最适宜的混响时间为1.75秒,包括听众时的总吸音能力需达到1160平方米(开的窗),按冬服(夏装吸音效果可不计)半座(700人)计算,堂内已有吸音能力为690平方米(开的窗),还需补充吸音能力470平方米(开的窗),圆拱顶、四弧面、四墙壁为铺设吸声材料的主要位置。

  对于吸声材料的选择,叶企孙仍然根据中国实际指引创新的方向。他通过比较美国出产的四种吸声材料,认为从美观、易于安装和性能价格比方面考虑,石棉隔音毛毡(Asbestos acoustical felt)最适合于清华大礼堂。由于历史上华北盛产兽毛和毛毡,北京织毡业兴盛,叶企孙小组致力于吸音毛毡的国产化。1926年6月4日叶企孙记载,“物理学系同人现正在体育馆一小室中试验京中毛粘铺所出之各种软粘,比较其吸收声音之能力,以供选择。” 1927年10月以来,叶企孙还与北京仁立地毯公司凌其峻合作,着手制造吸音毡。 吸声材料的国产化探索体现出叶企孙主持建筑声学研究敏锐的问题意识。尽管其研制成果未见记载,却与建筑声学创立后继之而起的主要方向之一—研制各种吸声材料的指向是一致的。当时关于消除室内听音问题流行的一种通俗的误解,即室内张金属线可以消除听音困难,叶企孙小组通过清华大礼堂听音问题的科学分析、实验和论证,及时匡正了非科学的谬见。

  此时中国建筑声学的进展,一方面有叶企孙小组在国内的实践,同时也离不开清华留美学生的作用。在麻省理工学院学习建筑工程的1925级清华同学蔡方荫,1926年5月4日致信叶企孙教授,就改良清华大礼堂余音提出自己的见解。叶企孙遂请蔡方荫在美国作专业的协助。在此引述蔡方荫致叶企孙的信,可见以清华大礼堂听音问题校正为核心,国内外在建筑声学信息、见解方面的互动,以及清华学人密切联系理论与实践的科学精神:

  “……(蔡方荫)在麻工习建筑工程,近日正研究建筑声学也。……迄今读萨拜因(哈佛已故物理教授)、F.R.Watson(伊利诺伊大学物理教授)诸人关于建筑声学之著作始恍然,建筑师于计划母校大礼堂时,于其声音方面不但无精密之计算,抑且未尝丝毫注意及此:盖圆顶曲壁最易制成回声,砖石硬质最能处长余音(Reverberation),有于此已非计。而吾校大礼堂乃兼而有之,则其中声音之不佳,又何足怪数年前F.R.Watson因欲改良伊利诺伊大学大礼堂(亦系圆顶式,与吾校大礼堂极相似)之声音曾费有六年之研究,并在以萨拜因所得之结果,于改良之进行始渐有端倪。最后乃决定用毛粘遍遮四壁及圆顶以吸收声浪而缩短余音,效果极佳。荫以吾校大礼堂之建筑及缺点与伊大礼堂者极相仿佛,则改良之法似以用毛粘为最佳。他种方法如用Sounding Bar升高地板毁去圆顶等,或效果不大,或不易实行,均非善法也。至用毛粘之法Watson所著Acoustics of Buildings(《建筑声学》)一书述之最详。此书想先生早已见之,荫于此道颇饶兴趣,故不揣冒昧读呈于右。先生之研究必有相当之结果,报告编成后尚乞以一份见赐,俾资参考,是为至盼。”

  叶企孙附记:“信中近述减少大礼堂余音之方法,与企孙拟采用者相同。另函蔡君请其在美协助。”

  关于清华大礼堂听音问题校正的研究成果,1926年10月叶企孙与赵忠尧写成最初的报告刊载于《清华学校校刊》(1926年10月19日,第三期第二版);实验成果由赵忠尧完成《着中国衣服者之吸音能力》的论文,作为1927年中国科学社第12次年会交流论文, 发表于当年的《科学》杂志; 1927年12月叶企孙总其大成作研究报告《清华学校大礼堂之听音困难及其改正》,刊于《清华学报》第4卷第2期。清华大礼堂听音问题研究成果的发表以及在中国科学社年会上的交流,使建筑声学研究和实践由清华学校进入更广泛的科学共同体视野,20年代末中国引进建筑声学理论并富有创新的研究,为中国近代建筑声学的起步奠定了基础。

  来源:《中国科技史杂志》2006(6):353-364.

2007年07月13日 08:38:13  清华新闻网

更多 ›图说清华

最新更新