声音简史

迄今为止吉尼斯世界纪录仅认可了为数不多的几个*大的声音：*大的家猫呜呜声（不妨跟您透露一下，是 67.7 分贝）、*大的男性打嗝声（109.9 分贝），以及*大的鼓掌声（113 分贝）——这些声音都够惊人的。但是，作为一个研究建筑声学的人，我对苏格兰汉密尔顿陵墓里的一座小教堂更感兴趣，它可以产生全世界延续时间*长的回音。1970 年版的《吉尼斯世界纪录大全》中记载道：实心青铜门猛地关上之后，回音会一直持续 15 秒钟才彻底消失。
《吉尼斯》将这样的现象描述为“*长的回音”，事实上这一术语用在这里并不正确。我们建筑声学专家会使用“回音”来描述声音清晰可辨的重复音，比如在山里用真假嗓音急变互换的方式歌唱会引起回音，用混响来描述声音缓缓减弱至消失。
混响是指一个字或音符的声源停止发声后，声音在房间内反射而继续存在的声学现象。音乐家和音效师会将房间分为活的或死的。活房间就像浴室那样，将声音反射到你的耳际，激发你唱歌的欲望。死房间则如同奢华的酒店房间，柔软的家具、窗帘、地毯将声音吸收，产生减震效果。一个房间无论回音强烈或是十分安静，主要都是由混响引起的。只需一丁点的混响，就可以让声音延续，不着痕迹地加强话语和音符。在非常热闹的地方，比如说大教堂，混响会展现出充满活力的一面，持续足够长的时间，让人们能听得清楚。混响可以提升音效，极大丰富大型音乐厅里管弦乐队的表演。适当的混响能够增大音量，让房间两头的人更容易听到彼此的对话。有证据显示，通过混响和其他声音感知到的房间大小，会影响我们对普通的或动听的声音的情感反应。我们会觉得小房间比大空间更安静、更安全、更舒服。
在格拉斯哥举办的声学会议期间安排了一个包括小教堂参观的项目，我终于有机会亲自探索那个保持着世界纪录的陵墓。星期天一早，我跟 20 位声学专家一起来到了陵墓大门外。陵墓是由砂岩块堆砌而成的罗马式建筑，宏伟壮观，高达 37 米，两侧各屹立着一头巨大的石狮。面对如此坚固而且带有圆顶的圆柱形建筑，敏锐的访客或许能感受到第十任汉密尔顿公爵的气魄。陵墓建于 19 世纪中期，但遗迹很久以前便迁移至别处了。由于采矿造成地面下陷，建筑物下降了 6 米多。要是克莱德河泛滥，教堂地下室就很容易遭受被淹没的命运。
八角形小教堂位于一楼，阳光透过玻璃穹顶，给房间带来微弱的光亮。小教堂里有四个壁龛，地上铺着棕白相间的大理石地板。产生吉尼斯世界纪录回音的原始青铜门（以佛罗伦萨圣乔凡尼洗礼堂的吉贝尔蒂门为模型建成）架在两个壁龛里。新建的木门对面矗立着坚固的黑大理石制成的柱基，柱基曾用于支撑一位埃及王后的雪白色石棺，公爵经过防腐处理的尸体现在便安放在这里。石棺对公爵来说显得略小，导游带些兴奋地向我们讲述了尸体如何被缩短以装进石棺的恐怖故事。我去的那天，柱基上放置着笔记本电脑、音频放大器和其他用于声学测量的设备。
小教堂本来应该用于举办宗教活动，但由于它的声学特性，居然无法举办礼拜。它就像是一个大型天主教教堂，要是我跟声学同事们距离有点远，就很难进行对话，因为声音在小教堂里四处弹跳，说话声音变得模糊不清。这真的是世界上混响时间*长的地方吗？这个世界纪录对我这样的声学工程师来说十分重要，因为对混响的研究标志着现代科技手段**次应用于建筑声效中。
杰出的物理学家华莱士·克莱门特·萨宾在 19 世纪晚期创建了**个与建筑声学有关的科学学科。根据《大列颠百科全书》中的描述，他“不屑于获取博士学位；他的论文数量不多，但每篇都出类拔萃”。1895 年，年轻的萨宾受邀改善福格艺术博物馆内一间演讲厅混乱的音效，那时的他正在哈佛大学担任教授。大厅（用他的话来说）“很不实用，已经被废弃”。宽广的大厅呈半圆形，建有穹顶。听众基本上无法听清大厅内的演讲——如此模糊的音效一点都不像是形成于精心设计的演讲厅，更像是汉密尔顿陵墓里产生的声音。顶级的艺术演讲大师查尔斯·埃利奥特·诺顿对这里提出了直接的批评。
我们可以想象诺顿站在大厅前方，试图详细阐述艺术——他穿着正式，蓄起大胡子，两边留有鬓角，露出光秃的头顶。他的学生首先会听到从教授口中直接传至他们耳朵里的声音——这些声音沿着*短路程直接传输。然后回音紧跟着出现，在墙壁、穹顶、书桌和其他各处坚硬的表面反射。
这些回音决定了建筑声学——即人们在房间内听到的声音是怎样的。工程师通过改变房间的尺寸、形状和布局来操控音效。因此，像我这样的声学家总是忍不住想通过拍手来聆听反射状况 ( 我在一家法国大教堂的地下室拍手时把我妻子给吓到了。这样的古怪行为必定会让你的配偶尴尬不已 )。拍完手之后，我仔细倾听回音多久会消失。若声音需要很久才消失——混响时间过长——演讲就会听不清楚。因为连续的声音掺杂在一起，让人无法听得清楚。亨利·马修于 19 世纪时写道，混响“不会有礼貌地等演讲者说完话再开始，从他开口到结束，混响就像是长着一万张嘴那般不断地模仿他”。诺顿演讲时就会遇到这样的情形。有学生讥讽道，大多演讲的声音在没被大厅搅得乱七八糟之前就很难懂。不过，诺顿实际上很擅长交流，也是一位深受欢迎的教师，这里的问题出在房间，而非演讲者身上。
建有坚硬表面的大型空间，如大教堂、汉密尔顿陵墓，或福格艺术博物馆的演讲厅里，回声持续时间很长并且清晰可辨。柔软的装饰会吸收声音，减少反射，加速声音的衰退。华莱士·萨宾的实验中也研究了演讲厅中吸音的柔软材料——这一研究让他看起来像是个痴迷于靠垫的家伙。萨宾从附近的剧院拿来 550 个长 1 米的坐垫，将它们一个接一个放进福格艺术博物馆的演讲厅，观察音效的改变。他需要安静的环境，所以总是在学生回家、电车停止运行以后，彻夜工作，记录声音彻底消失所需的时间。他没有用拍手那一招，要像专业的弗拉门戈音乐家那样不断拍手是很艰难的，因此他选择使用管风琴制造音符来进行试验。
萨宾将声音逐渐衰退至消失所需的时间称为“混响时间”，他的研究工作奠定了声学*为重要的一个公式的基础。这个等式表示混响时间由房间大小（体积），以及吸音材料（如萨宾试验中的坐垫，或他*后用来改变演讲厅音效的 2.5 厘米厚的墙面材料）数量测算得出。工程师设计音效良好的房间——大型礼堂、法庭或开放式办公室—— 时，需要做一个关键决定：混响多长时间为*佳。然后，他们便可以使用萨宾的等式来计算出需要多少柔软的吸音材料。
除了回音时间，设计师还要考虑频率，这与听众感知到的音高直接相关。小提琴演奏家拉动琴弦时，弦如同跳绳一样画圈式晃动。若弹奏音乐家所称的中央 C，琴弦每秒会跳动 262 整圈。小提琴的振动每秒向空中发射 262 个声波，频率为 262 赫兹（一般用 Hz 表示）。这个单位以海因里希·赫兹的名字命名，这位 19 世纪的德国物理学家是世界上**位传播并接收无线电波的人。人能听到声音的*低频率为 20Hz，年轻成人能听到声音的*高频率为 20000Hz。但是，*重要的频率不在这里所说的*高和*低频率上。一架大型钢琴可以发出从 30—4000Hz 的音符，在这个范围以外，我们就很难分辨音高，所有声音听起来都差不多。超过 4000Hz 以后，乐曲听起来就像是音盲在乱吹口哨。耳朵*能放大并辨析的是音符所在的中频声段，大多演讲也在这个声段内，这也就是为什么声学工程师要设计出频率在100—5000Hz 之间的房间用于音乐表演。
2005 年，布莱恩·卡茨和爱德华·威瑟雷尔使用电脑模型来研究萨宾对福格艺术博物馆的音效处理是否有效。他们将演讲厅的大小和形状录入电脑，使用描述声音在房间内移动和从表面及物体上反射的等式，然后为模拟的演讲厅墙体和天花板添加虚拟材料，以模仿萨宾的改造方式。吸音材料的确改善了音效，但厅内一些地方依然听不清楚演讲。一个学生曾说，在有些座位听起来很清晰，但“在一些盲点地带很难听清”。萨宾的改造并不尽善尽美，不过他的实验开启了声学探究的广阔天地，他的等式至今依然是建筑声学的基础。
我喜欢走进音乐厅，聆听窄小的入口走廊和开敞的礼堂之间的鲜明对比。我们要从幽闭的走廊走进一间可能会很宽敞的房间，被动倾听观众们满怀期待的聊天声，以及偶尔出现的巨大声响造成的强有力的混响。