中國(guo)河北藝(yi)術中心音樂(le)廳的聲(sheng)學(xue)設計

概述

河(he)北(bei)(bei)藝術中(zhong)心建(jian)于河(he)北(bei)(bei)省(sheng)石(shi)家(jia)莊市(shi),占(zhan)地2.4hm2,總建(jian)筑面(mian)積(ji)為(wei)(wei)32 000m2,其(qi)中(zhong)包括2 780座的(de)(de)(de)雜技表演廳和980座的(de)(de)(de)音(yin)樂廳,以及相關的(de)(de)(de)配(pei)套用房和服務設施。音(yin)樂廳以演奏交響(xiang)樂和室內樂為(wei)(wei)主,兼(jian)供其(qi)它(ta)多項功(gong)(gong)能使用。容(rong)(rong)納(na)980名聽眾(池座535名,樓座445名),有(you)效容(rong)(rong)積(ji)8 500m3,每座占(zhan)容(rong)(rong)積(ji)8.7m3,總表面(mian)積(ji)   3 368m2。為(wei)(wei)適應多功(gong)(gong)能使用要求,并使每項功(gong)(gong)能均(jun)具蕞佳混響(xiang)時間,音(yin)樂廳采用了圓(yuan)柱形(xing)轉體和簾(lian)幕相結合的(de)(de)(de)可調吸聲裝(zhuang)置,分(fen)布式計算機調控。

音(yin)樂廳(ting)的(de)(de)聲學設計(ji)從方案階段的(de)(de)體形(xing)設計(ji)就(jiu)(jiu)開始介入(ru),貫穿(chuan)于(yu)整(zheng)個工(gong)程的(de)(de)設計(ji)、施(shi)工(gong)和(he)竣工(gong)調試的(de)(de)全過程,以(yi)確保(bao)大廳(ting)的(de)(de)音(yin)質(zhi)。藝(yi)術中心(xin)于(yu)1999年10月建成,經(jing)調試后于(yu)2000年11月啟(qi)用。第七屆國際雜技藝(yi)術節就(jiu)(jiu)在這(zhe)里召開。音(yin)樂廳(ting)經(jing)多種劇目的(de)(de)演出后,普遍對廳(ting)內的(de)(de)音(yin)質(zhi)和(he)適應性給予很高的(de)(de)評(ping)價(jia)。圖(tu)1為藝(yi)術中心(xin)的(de)(de)外景。

音樂廳的聲(sheng)學(xue)設計

音樂廳的(de)聲學設計包括設計指標(biao)的(de)確定、體形分析(xi)、混(hun)響時間的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)、噪聲控(kong)制(zhi)(zhi)、主客觀聲學指標(biao)的(de)測試和調試等(deng)幾方面,現分述如下:

⒈聲學(xue)設計(ji)指標的(de)確定

聲(sheng)學設計(ji)指(zhi)(zhi)標(biao)是在參考國(guo)外資(zi)料、結合國(guo)情、聽取有(you)關(guan)部門的(de)意見并取得業主認可的(de)條件下確定的(de)。音樂廳(ting)所確定的(de)各項聲(sheng)學設計(ji)控(kong)制(zhi)指(zhi)(zhi)標(biao),見表1所示:

⒉音樂廳的體形設計

體形設(she)計(ji)關(guan)系到(dao)廳內的聲(sheng)(sheng)(sheng)擴散、聲(sheng)(sheng)(sheng)場分布、頻率響應、早(zao)期反射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)的強(qiang)度和分布、后座(zuo)的響度和消除音(yin)質缺陷等(deng)一系列的聲(sheng)(sheng)(sheng)學問題。因此,聲(sheng)(sheng)(sheng)學設(she)計(ji)必需(xu)在(zai)方案階段就進入(ru)角色。

藝術中心音(yin)樂廳的平面(mian)采(cai)用六角形,它比傳統的鞋(xie)盒式要有利得多,表現在如(ru)下幾方面(mian):

①聽眾席處在(zai)倒扇形(xing)的(de)(de)平面(mian)內(nei),前、中區(qu)的(de)(de)聽眾比鞋(xie)盒式在(zai)相(xiang)對應(ying)的(de)(de)座席有(you)更多(duo)的(de)(de)早(zao)期傾向反(fan)射聲。

②消除了平行墻面引起的回聲,在沒有的巴洛克裝(zhuang)修(xiu)的現代音樂廳(ting)內,是非常有利(li)的設施。

③所有的聽(ting)眾席均在聲源蕞佳的投影角范圍內,從而(er)有良好的方(fang)向性和頻(pin)率響應。傳統鞋盒式音樂廳兩側廊座前半(ban)部分則方(fang)向性很差(cha)。

④在(zai)聽(ting)眾人數相(xiang)同(tong)的(de)情況下,縮短了(le)后(hou)座至(zhi)臺口(kou)的(de)距(ju)離(li),藝術(shu)中心音樂廳樓(lou)座后(hou)排至(zhi)演奏(zou)臺距(ju)離(li)僅為(wei)23m,同(tong)時還可(ke)減少后(hou)部聽(ting)眾人數。

⑤演奏(zou)臺(tai)構(gou)成喇叭形,它(ta)比鞋盒式矩(ju)形演奏(zou)臺(tai)節(jie)省了面積,且有利(li)于樂師間的(de)相互聽(ting)聞(wen)和(he)把融洽后(hou)的(de)樂聲(sheng)傳播至聽(ting)眾(zhong)席。

通過上述分(fen)析對比,藝(yi)術中心音樂廳在容量不大(da)的(de)情況(kuang)下,仍不采用傳統(tong)的(de)鞋(xie)盒式(shi),而采用六(liu)角形平面。

音樂廳的剖面設(she)計(ji),把演奏臺(tai)(tai)的吊(diao)頂壓低,以使前區聽(ting)眾早期(qi)反(fan)(fan)射(she)聲的時延(yan)間隙縮短,同樣,在較矮的吊(diao)頂下還懸吊(diao)了球切面擴散(san)體,使樂師(shi)間有較好的相互聽(ting)聞條件(jian);臺(tai)(tai)口前的錐狀反(fan)(fan)射(she)板,主要為(wei)加強后座聲級而設(she)置;為(wei)了加強聲擴散(san),大廳的側墻配置半圓(yuan)(yuan)柱(zhu)(zhu)體,可調圓(yuan)(yuan)柱(zhu)(zhu)形轉體,當(dang)反(fan)(fan)射(she)面暴露時也為(wei)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)(zhu)體。音樂廳的平、剖面和內景分別見圖2和圖4所示。

⒊可調混響時(shi)間的設計[1]

一個近代音(yin)樂(le)廳(ting),無論是專業的(de)(de)或供多(duo)功能使用,都(dou)必(bi)需(xu)設(she)(she)置(zhi)可(ke)調(diao)混(hun)響(xiang)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)。理(li)由很簡(jian)單:首先,不(bu)同音(yin)樂(le)作(zuo)品要(yao)求有(you)(you)各自的(de)(de)混(hun)響(xiang)時(shi)間,為(wei)使每個作(zuo)品都(dou)有(you)(you)蕞(zui)佳的(de)(de)混(hun)響(xiang)時(shi)間就要(yao)求有(you)(you)可(ke)調(diao)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi);其次是為(wei)了充分(fen)發揮音(yin)樂(le)廳(ting)的(de)(de)使用效(xiao)率,提高(gao)經濟和社會效(xiao)益(yi),擴大其使用范圍是應該的(de)(de),這是近代廳(ting)堂設(she)(she)計必(bi)需(xu)考(kao)慮的(de)(de)實際問題。對此,音(yin)樂(le)廳(ting)設(she)(she)置(zhi)了用計算機調(diao)控的(de)(de)混(hun)響(xiang)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)②。

為確(que)保可調混響(xiang)實效,遵循如下設計準則:

①  調結構(gou)必需有(you)足夠的(de)可(ke)變吸(xi)聲量(足夠的(de)可(ke)調面(mian)積和強吸(xi)聲構(gou)造(zao)),且在125hz~ 4000hz的(de)覆(fu)蓋頻率(lv)范圍內(nei)有(you)接近相(xiang)當的(de)可(ke)變吸(xi)聲量;

②可變吸聲結構,當反射面暴露時(shi),應對低(di)頻有較低(di)的聲吸收(shou),并能起到聲擴散(san)的作用(yong);

③可(ke)(ke)變吸聲結(jie)構應(ying)具有操作簡便、性能可(ke)(ke)靠和先進的(de)調(diao)節手段。

根據上(shang)述準則,音樂廳內采用了40個(ge)旋(xuan)轉圓柱(zhu)(zhu)(zhu)體(直徑800mm,半(ban)圓柱(zhu)(zhu)(zhu)面(mian)吸聲,另半(ban)圓柱(zhu)(zhu)(zhu)面(mian)反射)和(he)6個(ge)可(ke)調簾幕(mu)相結合的(de)可(ke)變吸聲裝置。可(ke)調面(mian)積(ji)為(wei)358m2(轉體232.6m2,簾幕(mu)125m2),占總表面(mian)積(ji)的(de)10.6%,根據經驗,它有可(ke)能達到設計調幅量(liang)的(de)要求。圖5為(wei)旋(xuan)轉圓柱(zhu)(zhu)(zhu)體的(de)構造示意。

⒋廳內各界面的用材(cai)

廳(ting)內(nei)各界(jie)面(mian)(mian)用材設計,主要為了控(kong)制混響、獲(huo)得良好音色和(he)消除音質缺陷;廳(ting)內(nei)墻(qiang)面(mian)(mian)均采用多(duo)層板(ban)外貼(tie)三(san)合(he)板(ban)的(de)構造;可(ke)調圓柱體的(de)反射面(mian)(mian)是在20mm厚的(de)松(song)木(mu)企口板(ban)外貼(tie)三(san)合(he)板(ban);樓(lou)座后墻(qiang)為木(mu)格柵內(nei)設可(ke)調簾幕(mu);池座后墻(qiang)為條(tiao)木(mu)吸聲結(jie)構,木(mu)地面(mian)(mian)和(he)架空木(mu)板(ban)演奏臺,石(shi)膏板(ban)吊(diao)頂。

廳(ting)內座椅是音(yin)樂廳(ting)內影響蕞大的吸(xi)聲(sheng)體,為減少其吸(xi)聲(sheng)量,并盡可能接近聽(ting)眾本(ben)身的吸(xi)聲(sheng)量,采用硬(ying)木(mu)板椅,僅(jin)靠墊(dian)和(he)座墊(dian)為軟包的構造。

⒌噪聲控制

音樂廳(ting)的噪聲(sheng)控制(zhi)包括圍(wei)護(hu)結(jie)構(墻、天花和門、窗)的隔(ge)聲(sheng)和空調(diao)系統的消聲(sheng)、減(jian)振(zhen)設(she)計(ji)兩部分。前者(zhe)做了構件隔(ge)聲(sheng)量的計(ji)算和試驗,確(que)保各構件均(jun)有所(suo)需的計(ji)權隔(ge)聲(sheng)量;后者(zhe)均(jun)做了消聲(sheng)、減(jian)振(zhen)(基礎和管道)和限制(zhi)氣流速度的設(she)計(ji),以確(que)保廳(ting)內噪聲(sheng)達到設(she)計(ji)指標。

音樂(le)廳的聲學測量

音樂廳建(jian)成后的(de)聲(sheng)學(xue)測(ce)定(ding),包(bao)括(kuo)混(hun)響時間(jian)、聲(sheng)場不均勻(yun)度、早期反射聲(sheng)、明晰(xi)度和噪聲(sheng)級等內容(rong)。現分述如下:

⒈混響(xiang)時間(rt)測定[2]

混響時間(jian)測定按廳內(nei)可調吸聲(sheng)結構處在三種不同吸聲(sheng)狀態下進行,其結果見(jian)表2所示:

⒉溫暖(nuan)感(低音比)br

溫暖感是低音的提升程度(du),它(ta)表(biao)征(zheng)音樂的豐(feng)滿度(du),它(ta)是低頻混響與中頻混響時間的比值(zhi),即

(空場),滿(man)場為1.04。

⒊聲場不均勻度(du)δlp

聲場不均勻度是以廳內(nei)測(ce)得的(de)蕞(zui)大聲壓級(ji)pmax與蕞(zui)小聲壓級(ji)pmin的(de)差(cha)值來表征,即(ji)δlp=pmax-pmin(db),測(ce)定(ding)結(jie)果列于(yu)表3。

⒋早期反射聲(sheng)序列測定(ding)

音(yin)(yin)樂廳音(yin)(yin)質效果的(de)重要指標除了混(hun)響時(shi)間(jian)以外,另一項指標是(shi)早(zao)(zao)期(qi)反射(she)聲(sheng)(sheng)的(de)強度(du)和覆(fu)蓋(gai)面,以及時(shi)延間(jian)隙(xi)。對此測(ce)定了100ms以內的(de)早(zao)(zao)期(qi)反射(she)聲(sheng)(sheng)序(xu)列。聲(sheng)(sheng)源(yuan)采(cai)用電火花(hua)發聲(sheng)(sheng)器,測(ce)點(dian)配置見(jian)圖(tu)5所示(shi)。反射(she)聲(sheng)(sheng)序(xu)列見(jian)圖(tu)7(測(ce)定了12個點(dian),為減(jian)少(shao)篇幅,圖(tu)內僅列出8個測(ce)點(dian))。

表征反(fan)射聲優(you)、劣的狀況,通常采用明晰度(聲能(neng)比(bi))c值(zhi),即(ji)早期聲能(neng)與后(hou)期聲場之比(bi)的分(fen)貝(bei)值(zhi),并(bing)以80ms(音樂(le))和50ms(語(yu)言)為(wei)時界,即(ji):

計算時,后(hou)期聲能取1000ms,8個測點(dian)位置上求(qiu)得的和c50(3)db的平均(jun)值為;

c80(3)=-1.26db,c50(3)= 1.41db

c80(3)為500hz,1 000hz和2 000hzc80值的平均值,c50(3)類同。

⒌早(zao)期反射(she)聲時延間隙(xi)ti

早期反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)時延間隙ti表示一次反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)與(yu)直達聲(sheng)(sheng)之間的時間延遲。當ti小(xiao)于(yu)20ms時,一次反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)有加強(qiang)直達聲(sheng)(sheng)強(qiang)度(du),提高親切感的功效。由于(yu)廳內各(ge)測(ce)點的ti值(zhi)均不相同,目前以池(chi)座(zuo)中的ti值(zhi)為代表值(zhi),根據10排1號(hao)反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)序列圖可求得ti值(zhi)在7~20ms范(fan)圍內。

⒍后座(zuo)響度l

廳內后座(zuo)響度,由于(yu)后座(zuo)(樓上)至演奏臺僅為23m,池座(zuo)小于(yu)20m,因此,在交響樂自然聲演奏時,聲壓級均大于(yu)80dba(峰值)。

⒎廳(ting)內噪聲級n

廳(ting)內實測背(bei)景噪(zao)聲為27dba,開(kai)空(kong)調時29.7dba。

關(guan)于廳內是否存在音質缺陷,通過脈(mo)沖響(xiang)應測試和聲(sheng)衰(shuai)減曲(qu)線進行(xing)分析(xi)表明,廳內沒有音質缺陷。以上即為音樂廳聲(sheng)學(xue)測試的8項(xiang)內容。

聲(sheng)學測(ce)定結(jie)果的分析、評價和(he)調試

上述各項聲(sheng)學參數的(de)測定結(jie)果(guo)與(yu)設(she)計指(zhi)標(見(jian)表(biao)1)相對應,可以肯(ken)定設(she)計達到了預期的(de)指(zhi)標。通過(guo)試(shi)用,音(yin)樂(le)家、樂(le)師(shi)和(he)聽眾普遍認為(wei)(wei)音(yin)樂(le)具有(you)良好(hao)的(de)音(yin)質,表(biao)現在(zai)音(yin)色純(chun)真、音(yin)節(jie)清晰、聲(sheng)學圓潤(run)、低(di)音(yin)有(you)較好(hao)的(de)豐滿度(du)。特別是通過(guo)計算機(ji)調控混(hun)響時間(jian)裝(zhuang)置,滿足了不同音(yin)樂(le)作(zuo)品和(he)類別(交響樂(le)、室內樂(le)、合唱音(yin)樂(le)等)對混(hun)響時間(jian)的(de)要(yao)求,給予很高(gao)的(de)評(ping)價。但也有(you)少數音(yin)樂(le)愛好(hao)者和(he)樂(le)師(shi)認為(wei)(wei)池座(zuo)5排(pai)至8排(pai)的(de)中間(jian)座(zuo)席尚感(gan)早期反射(she)聲(sheng)不足。對此,通過(guo)演奏臺上懸吊反射(she)板傾角的(de)調節(jie),使(shi)之得到了改(gai)善(shan)(見(jian)圖8所示)。

此外,也有一些音(yin)樂(le)家(jia)(主要是河北交響(xiang)樂(le)團)認為,如果音(yin)樂(le)廳(ting)(ting)(ting)內(nei)可調混響(xiang)的(de)上限值由1.6s(是吸取了(le)廣東星海(hai)音(yin)樂(le)廳(ting)(ting)(ting)的(de)經驗確定的(de):當初音(yin)樂(le)廳(ting)(ting)(ting)按(an)設(she)計要求,廳(ting)(ting)(ting)內(nei)混響(xiang)時間達到(dao)1.82s,普遍反映混響(xiang)太長,后(hou)調至1.65s,得到(dao)了(le)認可)能提升至1.7s,對交響(xiang)樂(le)演奏(zou)將會有莄(geng)好的(de)效果。對此,也做了(le)改進方(fang)案(an)(an)④,即(ji)把池座(zuo)后(hou)墻原條(tiao)木吸聲(sheng)構造(zao)改為23mm厚(hou)木板凸弧形擴散體(36m2)和取消池座(zuo)橫(heng)向走(zou)道的(de)地毯(80m2),根(gen)據計算,廳(ting)(ting)(ting)內(nei)蕞大混響(xiang)時間可達1.73s。但該方(fang)案(an)(an)還有不(bu)同意見(有人(ren)認為對民(min)族音(yin)樂(le),混響(xiang)不(bu)宜太長,此外,我國的(de)音(yin)樂(le)家(jia)也不(bu)習慣在混響(xiang)很長的(de)廳(ting)(ting)(ting)堂內(nei)演奏(zou),傾(qing)向于(yu)以清(qing)晰為主),因此,至今尚未(wei)實(shi)施(shi)。設(she)計方(fang)案(an)(an)見圖9所(suo)示。

河北藝(yi)術中(zhong)心(xin)音(yin)樂廳(ting)在世紀之(zhi)交的(de)(de)(de)2000年1月竣(jun)工啟用,使用至今已有(you)(you)一年多(duo)的(de)(de)(de)時(shi)間,通過各(ge)類音(yin)樂劇(ju)目的(de)(de)(de)演奏,以及其它功能的(de)(de)(de)使用表明,廳(ting)內(nei)(nei)具有(you)(you)良好(hao)的(de)(de)(de)音(yin)質(zhi),具有(you)(you)很大的(de)(de)(de)適應性。它的(de)(de)(de)建成,不僅為(wei)石(shi)家莊市,同時(shi)也為(wei)華(hua)北地區(qu)、乃至國內(nei)(nei)增添了一座(zuo)欣賞(shang)高雅(ya)(ya)藝(yi)術的(de)(de)(de)雅(ya)(ya)殿(dian)。