如何做好智慧空间设计中的声学设计

  本文是智慧空间系统专业知识讲座的图文内容，属于千家智客创始人向忠宏发表的智慧空间设计系列文章中的一篇，智慧空间设计系列文章包括空间准备条件、现场勘察标注、功能空间设计、网络覆盖设计、感知系统设计、全局智能设计、声学设计、视频设计、光学设计、暖通空调新风环境设计、全屋智能家电设计、安防与安全设计、低碳节能设计、陈设艺术设计、造景与绿植设计、场景模式设计等内容，属于智慧空间设计师培训教学参考资料。

  声学设计是指对于一个环境在声学方面给予规划和建设。使得环境符合用户的要求或者国家的标准，我们讨论的空间主体是非专业视听需求的空间，也就是除开音乐厅、影院、剧院外的公共空间与住宅空间。尽管许多住宅家庭购买了各式各样的音响和家庭影响系统，但真正从声学角度进行设计和部署的很少，许多空间业主与消费者投资花费不少却也没有达到理想中的声音效果，这里是有多个原因的，其中最主要的包括消费者本身不太了解专业影音知识、某些家电和影音厂商的误导。

  向忠宏认为，对于一个智慧空间来说，在声学设计上是要有核心理念与消费引导的，简单来说，智慧空间应实现“无处不在音乐”和“随时欣赏动听的音乐”的目标，并且找到一个适合空间业主需求的平衡点，或者说在有限的预算下做最适配的声学系统。尽管大多数消费级的娱乐产品都把影音放在集中在一起，做成一个产品或者不可分割的系统，但出于专业性设计的考虑，我们仍然坚持分开讲述，而且原则上是先声学，后视频。

设计要点一：从白噪声管理开始

  白噪声（white noise）是指功率谱密度在整个频域内是常数的噪声。 所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声。白噪声是一个良好的信号频率，是一种理论建构，就像全彩色白颜色的光频谱，白噪声充满整个人类耳朵可以听到的振动频率，可以帮助一个人放松或睡眠。很多接受过白噪音治疗的人形容它们听上去像下雨的声音，或者像海浪拍打岩石的声音，再或者像是风吹过树叶的沙沙声，亦或是高山流水瀑布小溪的声音。这种声音对各个年龄层的人来说，都可以起到一定声音治疗作用，是一种“和谐”的治疗声音。 人生充满声音和噪声干扰,如轿车鸣喇叭、汪汪狗叫、吵邻打鼾、警报器、大喊大叫. 白噪声并不增加烦躁，而是包含所有同等频率的声音. 研究表明,一个稳定、平和的声音流,如白噪声、可过滤和分散噪音，可以帮助减轻噪音分心，这也正是为什么它用来帮助人们放松、睡眠。

  建在森林、山间、溪边、海边的房子，其室内空间可能获得大自然的动听的白噪声，这是由空间建筑主体所处的地理位置与生态环境决定的，或者说是空间天生就具备的。对于许多处在城市高层与多层建筑物内，被钢筋水泥包围的空间里，是无法获得流水声、吹过树林的风声、海浪拍打礁石声这样优美的大自然白噪声的，只能靠后天弥补，在中式风格的公共空间与住宅私人空间内，假山流水的设计就是人工引入白噪声的具体表现。例如在向忠宏设计的熹道堂古琴体验空间中，就在门口走道一侧设计了野外露营风格的假山流水，流水从石头上流趟下来形成的潺潺水声成为大厅与茶室空间最好的白噪声，并配合场景控制可以在迎宾模式、品茶模式、月光模式下启动。

  还有一种白噪声的设计方法是采用背景音乐方案，将大自然的声音以扩声方式在本地还原，如果能配合大屏显示，则具有更逼真的效果，这种方案适合展厅、体验厅、公共休息区等场所，在家庭内也可作为休闲放松时的影院播放内容。例如，在武汉世创总部的智能家居体验厅里，就有由一面墙体以巨幅屏幕播放带有海浪声的海滨影像。

设计要点二：给所有空间赋予音乐。

  向忠宏认为，作为一个设计准则，所有的智慧空间都应该可以听到音乐，或者说，所有的室内空间都要被喇叭扩声系统覆盖。这个理念与无处不在的电力能源供应、无处不在的光（照明）、无处不在的网络、以及无处不在的感知（目前未达到）是一脉相承的，只有实现了无处不在的音乐，才能将每个空间真正地、完全地赋予元宇宙的特征，才能将真实的物理空间与虚拟的空间建立对应关系。当然，我们必须认识到，声音的还原与扩声播放只是声音的输出，空间其实还必须考虑声音的感知型输入，也就是让空间可倾听记录甚至识别空间内的声音（自然声音、人声、设备声等），这部分的设计是在感知系统设计单元进行介绍，而专业型的输入或者说拾音，将在设计要点六进行介绍。

  给所有的空间赋予音乐，应当能够实现每个空间甚至空间内的分区可以根据主人与用户需求，播放不同的音乐，当然也包括通过场景模式的联动播放。在不同的空间类型，允许有不同专业级别要求的声音还原与扩声播放系统。

设计要点三：满足不同的声音还原与扩声专业度要求

  根据对声音还原与扩声专业度要求不同，可分为基础级（背景音乐）、专业级（HiFi立体声）、 发烧级（专业器材及5.1以上声道要求）。

  基础型就是以背景音乐为表现形式，这种音乐分布方式最早源于消防用的公共广播系统，是用一套定压或者定阻功放通过喇叭线来连接无源喇叭来扩声播放音源的。这非常适用于大开间、半开放空间和对音乐播放品质要求不高的空间场所，如办公区、走廊、卫生间、露台与阳台、储物室等。

  专业级是以左右声道立体声、HiFi高保真为表现形式，并视情况可以加入重低音单元，有一些专业人士认为低音炮加入到HiFi高保真中，会破坏原声的平衡，因此不太认可2.1声道的部署。其实这是一种带有固执情绪的偏见，什么是“原声”，真正意义上的原声其实不存在，离开了发声的那个环境、表演者与时间序列，被复制和异地还原的声音其实只是在声学表现上好像/接近原来的声音，通过器材与技术手段还原的这个声音其实已经经过人工处理，都是数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）的产物，只不过使用的程度不一。所以，专业级对器材设备有了更高的要求，要求有音源及音源播放设备、带立体声解码的功放、专业音箱或者喇叭。对于商业和公共空间来说，会议室、休息室、茶室、直播室、阅览室、报告厅都应该设计部署专业级的音响系统，通常每个相对独立的空间部署相对独立的一套专业音响，并可经由智能主机组成网络实现统一操控和音源的分配。

  发烧级是一个笼统的说法，是特指那些希望极致的声学系统设计，接近或达到某类视听享受的极限或者器材表现的极限，典型的包括高端定制家庭影院、鉴赏级视听室、专业舞台扩声音响系统。发烧级对器材的专业性、技术参数与品牌厂商、器材搭配甚至适合播放的声源类别都有更加细微的要求。发烧级声学系统在别墅豪宅业主用户群里获得了认同，目前无论国内还是国外，别墅豪宅业主用户始终是发烧级影音器材的主要买家。在一个别墅豪宅内，即使预算充足，发烧级声学系统也只适合设计部署在专业影院、娱乐室/多功能健身空间，这是因为发烧级声学系统对空间结构布局甚至表面装饰材料有更高要求，甚至要求另外安装吸音与反射材料，而绝大多数室内空间不能满足这些特殊要求，还有最重要的一点，发烧级的音乐鉴赏是属于比较私密和安静的个人行为，在封闭和隐蔽的专业影院空间享受更为合适。

设计要点四：音源多样性的适配尤其是网络音源的适配

  一套专业级或者发烧级的音响系统，没有好的音源也就成了无米之炊，以前有一种说法认为网络和云端的音乐音质太差，和CD播放器播放的音质表现有明显区别。为了搞清楚网络音源的音质，我们得了解几个基本概念。

  不管是在酷狗上还是网易云上下载音乐时，都会提示下载何种类型音质的音乐，例如流畅音质、标准音质、高品音质、无损音质等。这些音质对于用手机播放或戴耳机听音乐的用户来说区别不大，但对于专业音响系统来说其实差别不小，我们一起了解一下。

  所谓的无损音质其实就是对采集的原音乐没有进行压缩，收集了音乐里面所有频率的声源，目的是最大限度的保留音乐的细节，让音乐的表现力和真实性更强。我们常见的无损音乐的格式有APE、FLAC等，无损音乐由于对原音乐未进行压缩，所以占用内存较大，一般3、4分的音乐就达20多兆。

  而标准音质就是压缩容量，剪去人们听不到的声音。我们都知道人耳能听到的频率在20Hz到20kHz之间，然而音乐在实际的演奏和录制的过程当中，难免会超出这个范围。虽然说这个范围的音乐人们听不出来，但是也不排除一些音乐老司机能听到这个范围的音乐。所以说，标准音质其实是对音乐的阉割，10－12KHz以上的频率会被衰减或被截止，这对于一些爱好音乐者来说是不能忍受的。虽然说标准音质与无损音质差别很大，但是运用普通的音响和耳机并不能表现出来。因为，普通音箱喇叭箱体频响范围不足够宽，本身对音乐高频细节表现不足。在试听无损音质音乐的时候在细节和高频上表现的并不是那么的清楚，基本分辨不出来标准音质与无损音质的差别。而对于专业级与发烧级音响系统来说，音源细节上的缺失会被放大成为极易区分的遗憾，所以，在选择网络音源时，尽量采用无损音质版本。

  为便于网络音源的播放，现在有一种更加灵活的多空间分布式音乐播放方案，就是采用分布式音乐主机（功放），音源输入端可以采用AUX、蓝牙、WiFi,而输出则采用了免布线的无线推送方式，分布式音乐主机可以用无线方式将音源推送到多个音箱无需喇叭线等有线连接，这一方面省去了布线的麻烦，另一方面音箱可以随意摆放位置，更加灵活和个性化。目前主流产品包括CIC Audio® d.Play系列分布式智能功放&流媒体数字播放器，在操控上，支持d.Play、d.SmartHome App 让智能App掌控您的音响系统，App在手，想听什么音乐任您选择。这种分布式音乐主机方案相比传统的公共广播类的背景音乐来说，有一个更体贴的功能，可以在APP中指定某个音箱作为L或者R声道播放，这两个或者两组指定的音箱就组成一个立体声播放系统，这非常适用一些多功能空间，如会客室、茶室、休息室。

设计要点五：要考虑声道解码

  声道解码是由解码器来完成的，通常内置在专业功放尤其是前置功放中。关于声道解码，目前比较流行的有三个技术名词，分别是DOLBY、DTS和THX，我们分别来说一下。

  首先来说DOLBY，因为大家可能首先就是接触的它， 来源于美国杜比实验室，可追溯到上世纪90年代。那个时候能够拥有一台带（porlogic）杜比定向逻辑解码的功放，是多少人的梦想。 而真正到大家对此家喻户晓的，恐怕还得是 杜比数字（AC－3）。 上世纪90年代 的神机，Marantz 马兰士SR680功放就是披着杜比数字（AC－3）的彩霞来的。 再发展到时下火热的杜比全景声技术。杜比全景声（Dolby Atmos）是杜比实验室研发的3D环绕声技术，于2012年4月24日发布。它突破了传统意义上5.1声道、7.1声道的概念，能够结合影片内容，呈现出动态的声音效果；更真实的营造出由远及近的音效；配合顶棚加设音箱，实现声场包围，展现更多声音细节，提升观众的观影感受。 适用于影院的杜比全景声最多有64个独立扬声器呈现内容，且多达 128 个音轨。

  其实是DTS。在那个还广泛使用DVD播放机的年代，带DTS音轨的DVD-9格式的碟片，几乎就是高质量音效的代名词。同样带DTS音轨编码的DTS-CD更是众多发烧友收藏的对象。DTS比杜比晚面市许多年，但是，它一上市就因为高效的音质，而受到众多爱好者的追捧。从5.1声道发展到DTS-ES 7.1声道，再到DTS-HD MASTER AUDIO 以及 DTS:X，类似于杜比全景声的技术。不像DolbyAtmos与Auro-3D对于房间中的音箱布局有着严格的要求，DTS:X在这方面就显得非常灵活，并没有专门的音箱摆位要求，你可以根据房间与自己的喜好进行音箱的配置，理论上，由于DTS:X属于声音对象技术录制，因此整个房间中的音箱布局越完整，DTS:X音效所呈现出来的细节就越丰富。2015年支持DTS:X功能的功放产品将支持高达11.2个音箱输出。用户可以通过空间重组功能来改变默认扬声器摆位设置，也可以对传统内容进行重组，匹配全新的扬声器摆位。

  最后是THX。THX是一种认证标准，不是音效标准。基于这一点，THX和属于音效标准的DTS和杜比数字完全不同。 THX 标准与国际标准不同，大多数标准都有一个允差范围，但THX不设允差，只有一个最低要求，必须超过才能合格，消除了人为猫腻。与杜比数码和DTS不同，THX的超低音上限仅为80Hz，而不是120Hz，只要您选中的THX设定，所有设定参数都会依照THX要求设定好。由此可知，THX处理并不只是一个认证商标，它的存在会让声音的平衡性更好，能够让两个环绕声道产生有如电影院般的浓密的现场感。不过，早期的THX处理程序只对DVD电影音效才起作用，使用其他音乐软件时并不会启动THX处理程序，因为这些音源都不是为电影院大空间所录制的音效。

  如今哪怕是迷你型号的蓝牙或者U盘功放，都已经内置了杜比立体声解码，所以在基础型背景音乐播放，甚至部分专业级音响播放时，常规的功放都可以满足立体声音源的解码要求。但对于追求专业影院效果的发烧级需求用户来说，带有特定高规格解码要求的专业功放的选择相当重要，这时的声源/播放器通常以光纤方式连接，同时还需要考虑功放的输出功率，对低音炮的输出支持方式。功放与音箱及线材的精心组合搭配，再加上专业的家庭影院播放器，才能组成一个完美的专业影院系统。

设计要点六：拾音与录音系统的设计

  在一个智慧空间中，拾音和录音并不是必须的功能，只有在会议室、带有K歌需求的影院、带有直播需求的视听空间，以及具有表演与授课需求的音乐类多功能教室才有拾音与录音的需求。拾音乐器可以理解为一个连接到功放/扩音设备的麦克风，但不同的应用需求对拾音器的专业要求并不一样，在设计时需要考虑的器材、配套电源及连接端口、平衡输入还是非平衡输入等因素，是比较复杂的，为简化设计和降低系统设计风险，通常建议直接选择成熟的专业化拾音系统，例如会议系统、家庭卡拉OK系统、直播声卡系统等，但对于需要专业调音和扩声的钢琴室、古琴室，应由专业的音响师进行设计和指导安装。

设计要点七：关于消防广播的应急切换

  在商业与公共空间中，具有背景音乐/公共广播功能的系统都要与消防广播进行连接，通过自动报警系统的消防广播模块或输出模块切换。背景音乐接模块的常闭点，消防广播接模块的常开点，平时背景音乐功放输出可以正常播放，应急时模块接收报警系统的指令动作，常闭点断开，常开点接通，将背景音乐切开，转入播放消防广播的状态。在设计中有一些要注意的地方：1. 消防广播和背景音乐应该分别播放在不同的音频通道中，以便于控制和切换。 2. 在消防广播需要播放时，应该及时停止背景音乐的播放，并在广播结束后恢复背景音乐的播放。 3. 切换过程中应该注意平滑过渡，避免突兀的音频切换对听众造成不适。 4. 在进行消防演练或实际应急情况时，应该采取自动切换模式，即消防广播优先播放，背景音乐自动停止，以确保广播的及时性和效果。

  在住宅家庭空间中，并未要求接入消防广播信号，而是应该接入家庭安防报警信号，对于有全屋智能家居系统的空间来说，应该将安防报警信号输出到功放主机中，并且在播放安防报警信号时系统暂停其它所有音源的播放，并配合智能照明系统的关联动作（红光、闪烁等），提醒空间内的人员注意、避险。对于没有全屋智能家居系统，但是单独安装了烟雾探测报警器、水浸报警器、门磁等传感器的空间来说，报警信号应由连接这些传感器的安防报警主机给出，通常不建议由某一传感器给音响系统直接发送报警信号，无联动策略的报警源和误导问题会让人崩溃。

设计要点八：剧院报告厅等大空间声学设计要点

    在剧院、多功能厅、报告厅甚至体育场馆、演出舞台等公共空间中，建筑物主体及构筑称对空间声学表现有很大影响。无论空间大小，它们的声学设计基本原则都是相同的。首先是背景噪声要足够的低，然后是合理的混响，同时要避免一些由人为因素所造成的回声，再着重满足不同空间对音质要求的指标。当然以上所有声学条件都必须与美学即实际建筑结构相结合。
  重语言内容的空间和重音乐的空间对混响的指标要求是不一样的，通常来说，重音乐的空间混响要求会大于重语言的空间，另外，现在一般做法重语言内容的大空间，低频混响不大于中高频混响，重音乐内容的大空间低频混响需要略大于中高频，以保证音乐的温暖感。
    对于专业音乐厅，要注意以下声学设计指标：
    1、混响（RT）：混响可分为早期混响与晚期混响。早期混响很大程度决定了我们对整个混响的主观印象。早期混响能够影响声音的清晰度。早期混响能量越大，清晰度越高。晚期混响能够影响现场感，它的能量越多越能够增加现场感或丰满感，但清晰度也会相应地降低。
    2、清晰度：前80ms声音能量与80ms之后晚期混响能量的差值，用C80表示，在一些情况用C80（3），它表示500Hz、1000Hz和2000Hz的C80平均值。C80（3）的范围在-4—+1dB。
    3、明亮感：它所描述的是那些具有临场感且清晰的声音。是由增加反射表面大量的高频所实现的。喇叭单元的摆放方位朝向对明亮感有很大影响，这也就是为什么高音单元被设计成可调角度形式。
    4、增益：一个好的音乐厅应该能为所有的听音位置提供充分的声学增益。增益(G)能够被看成任意声源在厅堂中心位置处的声压与任意生源声压级的差值，减去相同声源在消声室中距声源10m处的声压级。增益取决于厅堂的容积和混响（RT60）或早期延时EDT。好的音乐厅G（Mid）在4.0—5.5dB。
    5、空间感：空间感可以让听众感受被声音包裹的感觉。空间感能够通过侧墙的早期反射声来产生，主要是发生在直达声之后的80ms以内。这些反射声非常重要，它们是相对听众前方20-90°的声音。
    6、初始时延间隙（ITDG）：在固定位置处，直达声与早期反射声之间的时间差。较小的ITDG可以产生令人更加亲切的声场。通常在厅堂中心位置，测得小于15ms的ITDG是比较满意的。
    7、低音比和温暖感：低频部分有较长的混响时间会有较好的温暖感。通常使用低音比（BR）来表示。