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钢筋水泥塑造的天籁之音
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圣诞节即将来临，在期盼圣诞老人带来礼物的同时，教堂也成为人们欢度节日的重要场所，当赞美诗在你的耳边响起，可否想到教堂建筑的声音设计也是一门科学。
■本报记者 魏刚
“抬头仰望穹顶，那里出现了耶稣诞生日的星空，当你怀疑这是幻觉并赞叹创意的神圣与伟大时，也许不会留意椭圆形的空间正在制造混乱的声学环境。”
2005年，北京工业大学建筑声学实验室讲师孙艳与中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室助理研究员尹铫曾承担了北京基督教丰台堂和朝阳堂的建筑声学测量和设计改进工作。7年过去了，孙艳仍然记得当时身处刚刚封顶的丰台基督教堂中给她的感觉。
“当我沿着椭球体穹拱大厅的中轴线缓步向前时，若隐若现的布道声让我意识到这里的声学环境有些问题。前方传出的布道声无法均匀地传递到每一处角落，甚至有的地方，声音小到几乎听不清。”
当然，并不是每个进入教堂的人都会把这些感觉与教堂建筑的声学设计联系起来，其实，无论是伴随着管风琴响起的唱诗班的歌声，还是神父或牧师的讲经布道，那些让你产生神圣、庄严、雄浑、纯净的仪式都离不开教堂建筑的独特声学设计。
长方形建筑声音传播效果最好
记者在北京宣武门天主教堂看到，狭长而高耸的中厅由若干个连接在一起的穹顶组成，中厅与两侧边廊由两排立柱分开，而正对讲坛的靠近大门处的上方，是唱诗班的位置。教堂内部以砖石材质为主，座椅为木质。在这里几乎看不到任何扩音设备，但是坐在任何一排座位上，都可以清楚地听到说话的声音。
但是，记者在位于崇文门的亚斯利基督教堂，却有另一种感受。亚斯利教堂呈八角形，布道台位于八角形的一边，其余几边均匀地布置着一排排座位，整个教堂屋顶、立柱和地板均为木质。如果坐在中间靠前的位置，听到的声音就变得很小。
对此，孙艳告诉记者，建筑的形状决定了声音传播的效果。一般来说，在像鞋盒一样的长方形建筑内，声音传播的效果最好。比如维也纳音乐厅就是长方形的，国家大剧院虽然外观是半圆形，里面却是三个长方形的大厅，所以那里举办音乐会和戏剧表演效果都很好。
宣武门天主教堂就是典型的长方形大厅，而亚斯利基督教堂由于是八角形，在中间靠前的位置声音反射不足。而前面提到的北京基督教丰台堂则是椭圆形建筑，这种建筑深受建筑师的喜爱，国内许多会议室、报告厅、多功能厅均采用这种形式的设计手法。但是，这种建筑由于椭圆有两个焦点，导致室内声场存在明显的声聚焦缺陷。
在尹铫看来，除了建筑形状外，建筑内的布置，舞台的位置，座椅的材质、厚度，地面墙面的材质，空场和人们坐满时，都会影响到建筑内声音的传播。比如，玻璃或金属材质声音反射就会很强，而如果使用木质或地上铺地毯，座椅用海绵材质，就会吸收声音。由于人也是吸声体，所以建筑内坐满人，声音的反射就会减弱。
教堂建筑有独特的声环境要求
“但如果简单的把音乐厅的声学设计标准照搬到教堂建筑设计中也不行。” 尹铫指出，这里涉及到一个关键的指标——混响。声音遇到障碍会反射，所以我们这个世界充满了混响，也就是所谓的“余音绕梁”。
音乐厅要演奏交响乐，所以混响时间要长，而教堂既有唱诗又有布道，既要求声音的清晰度，又要求声音要饱满，所以对混响时间的要求与音乐厅不同。而天主教堂与基督教堂对声环境要求也有差别，由于天主教唱诗仪式较多，所以建筑都高大狭长，尖拱穹顶，这使得声音混响时间较长，增添了赞美诗的神圣感。而基督教布道仪式较多，所以建筑多为宽阔平顶，使声音混响时间较短，保证声音的清晰度。
在重庆大学学者张厚斌看来，教堂不但是时代建筑水平和时代审美观念的沉淀，同时也充满丰富的想象力和创造力，是神学与建筑学的结晶。在神学家看来，教堂就是要体现上帝的神圣，但由于教堂是人聚集的场所，所以声环境必须符合人的需要。
其实，教堂的声学要求随着时代的变迁，已经发生了变化。传统教堂空间较大而且构造复杂，礼拜方式一般以咏唱为主，因此较长的混响时间能够满足人们的使用要求。而现在一些教堂，体型变化较大，比如崇文门的亚斯利基督教堂是八角形的，朝阳基督教堂是梯形的，丰台基督教堂是椭圆形的。
此外，礼拜仪式也多种多样，例如：随着欧洲宗教改革运动，一些新教教派在礼拜仪式和内容上更注重理解牧师讲经布道的内容，音乐风格也更接近现代的通俗音乐，而不是传统的礼拜音乐。
同时，教堂内的音源种类增多，除了传统的管风琴、钢琴、唱诗班外，还增加了许多电子乐器和大量扩声设备，有时甚至会用电视播映礼拜仪式。现代礼拜用语也由原来指定的拉丁语（或希腊语）改为各民族本地语言。因此，教堂对声环境的清晰度要求越来越高。
但是并非混响时间越短越好，张厚斌认为，教堂中的长混响有助于赞美诗的音乐抒情，这是礼拜心理的需求，是构成教堂声环境特色的充分和必要条件。
在孙艳看来，这往往也构成一种矛盾。比如，丰台基督教堂在声学设计时对唱诗的神圣感与布道的清晰度都有要求，但是管风琴要求的混响时间是4~5秒，而布道要求的混响时间是0.8~1秒，要将这二者协调统一几乎不可能做到。经过几次讨论，由于管风琴一年只用一次，最后还是更倾向于保证实现清晰度的声学设计。
北京教堂的声学缺陷
但丰台基督教堂的声环境改造，如果能在建筑设计之初就考虑到声学因素，就更完美了。
孙艳和尹铫接手该教堂的声学改造时，教堂建筑主体已完工。设计者之所以选择了椭圆形结构，更多的是考虑在空间和视觉上制造一种神圣的气氛。当初设想把椭圆形穹顶当做天幕，用激光投影把耶稣诞生那天的星空图打在上面。这一方案当然充满着创意和虔诚，但是，椭圆形穹顶直接造成出现两个声音焦点，而声聚焦是最大的声环境缺陷，表现在只有在两个焦点处声音清晰，其他位置不是声音小，就是听不清。
同样的现象也出现在没有穹顶的海淀基督教堂，该教堂范国兴牧师告诉记者，这座教堂是由德国GMP建筑事务所设计的，这座位于中关村西区图书城内闹中取静的建筑整体俯视如方舟，正面两侧如翻开的《圣经》。由于地处“中国硅谷”，所以用现代传播技术来布道成为海淀基督教堂的特色。这里有最先进的投影仪和专业的音响控制室。
但是这里的音响师张师傅却对教堂的声环境很头疼。在张师傅看来，海淀基督教堂在设计时声学因素考虑得不够全面。“现在教堂内正面和侧面两面墙回声非常严重，反送音箱无法往上推，声音听不清。” 张师傅指着围着大厅一圈的高大玻璃幕墙和白色的钢管说：“这些玻璃反射声音很厉害，后来为了美观又增加了一圈竖钢管，导致现在无法做吸音措施了。现在布道时功率调小了听不见，功率调大了听不清。”
孙艳看了海淀基督教堂大厅的照片后，也认为四周墙壁的玻璃和钢管产生强反射导致声环境出现缺陷，如果钢管上无法包裹吸音材料，就只能在空中悬吊吸音块来解决了。
在北京西什库天主教堂，记者也感觉声音听不清。孙艳和尹铫曾在西什库教堂用无指向声源和信号传感器做过声环境测量，发现那里的空场混响时间长达2.49秒。根本原因是西什库教堂过多的穹顶造成了许多声聚焦。
教堂声学改善材料是重点
那么教堂声环境究竟该如何改善呢？尹铫认为教堂建筑的声环境应该从建筑设计阶段就有所考虑，通过3D模型模拟建筑完工后的声学环境，确定方案后再进行选材和实验室测量，即使在工程施工中，也可以不断调整。
但是现在许多教堂建筑在设计时只考虑象征意义和视觉效果，比如朝阳基督教堂在开始设计时也设计了穹顶，建筑设计师并不知道这样的设计会产生声音聚焦现象。
针对这种已经是半成品甚至是成品的教堂建筑中的声缺陷应该如何弥补呢？在孙艳看来，这些主体结构已经完工的建筑只有通过布置吸音材料来改善声环境了。
在北京工业大学声学实验室，记者看到已经应用到建筑中的各种吸音材料，包括人造玻璃棉、木丝板、密胺棉、铝蜂窝板等，丰台基督教堂就在穹顶喷涂了3厘米厚的吸音材料，改善了声环境。该教堂管委会张主任认为改造后，无论是唱诗还是布道，坐在任何一个座位都听得很清楚。
当然，教堂建筑对声环境的影响更多还来自人们的主观感受，但声学正努力用客观世界的标准来完善人们的主观感受。
《中国科学报》 (2012-12-22 第8版 调查)
https://blog.sciencenet.cn/blog-973055-702274.html
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