長沙音樂廳的聲學(xué)設(shè)計(jì)

文立森　楊志剛　李佳菊

[摘要]介紹長沙音樂廳交響樂大廳的建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)及音質(zhì)效果，分析其主要的聲學(xué)音質(zhì)參量指標(biāo)，并通過音質(zhì)計(jì)算、音質(zhì)模擬以及縮尺模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)收測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，分析不同設(shè)計(jì)驗(yàn)證方式的特性及準(zhǔn)確性。

[關(guān)鍵詞]建筑聲學(xué)；混響時(shí)間；音質(zhì)參量；縮尺模型

文章編號(hào)：10.3969/j.issn.1674—8239.2016.04.006

長沙音樂廳位于湘江與瀏陽河交匯的新河三角洲濱江文化園內(nèi)，是濱江文化園的靈魂建筑，按照正規(guī)音樂廳標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，于2006年8月21日奠基施工，并于2015年12月28日首演。音樂廳以“經(jīng)典藝術(shù)的斤欠賞殿堂、群眾藝術(shù)的展示舞臺(tái)、高雅藝術(shù)的教育基地、文化藝術(shù)的交流平臺(tái)”為目標(biāo)定位，力爭(zhēng)打造成為湖南省內(nèi)頂尖、國內(nèi)一流、國際知名的音樂廳。因此，其優(yōu)良的音質(zhì)效果是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

1.建筑概述

長沙音樂廳總建筑面積約28 000 m²，建筑高度約28m，主要包括1 400余座交響樂大廳（湘江大廳）、490座多功能廳及198座室內(nèi)樂廳。

主廳即交響樂大廳，1446座、總面積約1790 m²，廳內(nèi)形制為不等邊多邊形（見圖1）；長約47m，最寬處約41m，最高處約17m；最遠(yuǎn)座位距離舞臺(tái)指揮位置30m（見圖2）。樓座呈梯田形散布在舞臺(tái)四周（見圖3），能滿足大型多編制交響樂團(tuán)的演出。下文以該廳為例介紹建筑聲學(xué)的設(shè)計(jì)。

2.建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)

2.1混響時(shí)間

混響時(shí)間是建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)中最主要的聲學(xué)參量。根據(jù)音樂廳主要演出大型交響樂的功能定位以及觀眾廳的規(guī)模和容積，中頻（500H7～1000H7）混響時(shí)間（滿場(chǎng)）RT應(yīng)達(dá)到1.9s±O.1s，且要求混響時(shí)間頻率特性為中高頻基本平直，但高頻允許下降10%～20%，低頻混響要求有10%～20%的提升，低音比BR值為1.1～1.25。各頻帶混響時(shí)間設(shè)計(jì)值見表1。

2.2其他主要音質(zhì)參數(shù)

其他對(duì)建筑聲學(xué)音質(zhì)影響較大的重要聲學(xué)參量也需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。其中包括與混響感相關(guān)的早期衰變時(shí)間EDT、與聲音響度相關(guān)的強(qiáng)度因子G、代表音樂可分辨程度的明晰度C80、與聲音空間方向感相關(guān)的側(cè)向反射系數(shù)LF、與觀眾親切感或臨場(chǎng)感相關(guān)的初始時(shí)延間隙ITDG，以及與舞臺(tái)樂手相互聽聞感受相關(guān)的舞臺(tái)支持度ST-eady。各主要音質(zhì)參量設(shè)計(jì)值見表2。

2.3聲場(chǎng)不均勻度

進(jìn)行交響樂、室內(nèi)樂等以自然聲為主的演出時(shí)，要求廳內(nèi)前區(qū)和后區(qū)的聲場(chǎng)強(qiáng)度差別應(yīng)小于6dB，橫向中區(qū)和左右兩側(cè)區(qū)域的聲場(chǎng)強(qiáng)度差別小于3dB。該音樂廳1446座交響樂廳聲場(chǎng)不均勻度△LP≤±3dB。

2.4本底噪聲

在空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，廳內(nèi)本底噪聲不大于NR-25噪聲評(píng)價(jià)曲線要求；空調(diào)關(guān)閉時(shí)不超過NR-20噪聲評(píng)價(jià)曲線，相應(yīng)的A聲級(jí)不超過30dBA。

2.5總體音質(zhì)評(píng)價(jià)

觀眾廳的音質(zhì)應(yīng)保證觀眾席各處有足夠的聲音響度、均勻的聲場(chǎng)分布、合適的混響特性、足夠的早期反射聲和側(cè)向反射聲，并有良好的清晰度和豐滿度。觀眾廳內(nèi)任何位置無回聲、顫動(dòng)回聲、聲聚焦等聲缺陷。

2.6觀眾廳內(nèi)形體聲學(xué)要求

為達(dá)到上述音質(zhì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)交響樂廳的平剖面體形以及每座容積進(jìn)行調(diào)整。在與建筑及室內(nèi)設(shè)計(jì)師的溝通協(xié)調(diào)中，對(duì)建筑及室內(nèi)的方案?jìng)?cè)墻進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，盡量滿足觀眾區(qū)各位置聲學(xué)早期側(cè)向反射聲；對(duì)建筑及室內(nèi)方案的吊頂進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡量滿足觀眾區(qū)各位置聲學(xué)要求的頂面反射聲及廳內(nèi)每座容積；打破建筑形體上的凹弧結(jié)構(gòu)，防止聲音聚焦；盡可能結(jié)合室內(nèi)裝飾的風(fēng)格對(duì)各個(gè)聲音反射面做擴(kuò)散、微擴(kuò)散處理，使聲音擴(kuò)散、聲場(chǎng)均勻。

2.7觀眾廳內(nèi)表面聲學(xué)材料要求

交響樂廳內(nèi)各個(gè)表面聲學(xué)材料的選擇與配置位置及其數(shù)量關(guān)系到廳內(nèi)聲場(chǎng)的分布和擴(kuò)散性能，更關(guān)系到廳內(nèi)混響時(shí)間及其頻率特性的控制。因此，對(duì)下列表面材料提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求：

（1）觀眾廳地面

為避免地板共振吸收過多的低頻聲，采用實(shí)木地板并將龍骨間隙填實(shí)。

（2）吊頂天花

聲學(xué)上要求吊頂天花具有較強(qiáng)的反射，同時(shí)還要求減少對(duì)低頻的吸收，保證一定的剛度和防火等級(jí)要求。因此，采用增強(qiáng)纖維預(yù)制石膏板（即GRG板）吊頂，其面密度大于40kg/m²。

（3）墻體

對(duì)樓座及池座而言，交響樂廳內(nèi)墻體都是十分重要的早期聲反射面，這些墻面能向觀眾席提供較多的早期反射聲能，提高觀眾位置上聽音的空間感。因此，墻面聲學(xué)要求盡可能厚實(shí)、堅(jiān)硬，主要起到聲反射的作用，充分利用聲能而盡可能減少聲吸收。采用如下做法：

①在原有結(jié)構(gòu)墻面上安裝預(yù)制的增強(qiáng)玻璃纖維石膏板，再設(shè)計(jì)GRG或GRC（玻璃纖維增強(qiáng)水泥）擴(kuò)散造型。此構(gòu)造剛度較好，造型新穎，其表面貼上木皮也可達(dá)到木飾面的裝飾效果，其面密度均要求大于50kg/m²。

②在原有結(jié)構(gòu)墻面的基礎(chǔ)上實(shí)貼（或外包）實(shí)木，實(shí)木面層可結(jié)合裝修做裝飾處理，既可以美化裝修，又起到擴(kuò)散作用；實(shí)木面層做防火處理，其面密度均要求大于50kg/m²。

兩種做法都根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)方案做成橫豎向凹凸條紋及分層的構(gòu)造，較好地解決了廳內(nèi)聲場(chǎng)的擴(kuò)散問題（見圖4）。

（4）座椅

觀眾席是交響樂廳內(nèi)最重要的吸聲面，中高頻的吸聲量占到整個(gè)交響樂廳總吸聲量的80%左右，對(duì)廳內(nèi)的實(shí)際混響時(shí)間影響很大。因此，選擇座椅的形式及用料并控制其聲學(xué)性能，成為交響樂廳音質(zhì)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于該交響樂廳，要求座椅在空椅和坐人兩種條件下的吸聲性能盡可能接近，使得在空?qǐng)龊蜐M場(chǎng)條件下觀眾席廳內(nèi)的聲場(chǎng)音質(zhì)效果無較大的變化；坐墊翻動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生噪聲，尤其不允許產(chǎn)生碰撞聲；座椅宜采用木靠背及木扶手，靠背宜留木邊框，同時(shí)靠背軟墊不需太厚；坐墊下底面宜做吸聲處理，建議選用局部穿孔木板面。

3輔助設(shè)計(jì)措施

在音質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)主要使用的輔助設(shè)計(jì)措施有三種。

3.1混響時(shí)間計(jì)算

混響時(shí)間計(jì)算是建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)最基本的要求，計(jì)算公式如下：

其中RT為混響時(shí)間（s）；V為音樂廳的體積（m³）；s為音樂廳內(nèi)表面積（m²）；百為平均吸聲系數(shù)；4m為空氣吸聲系數(shù)。

根據(jù)使用材料，其材料吸聲系數(shù)取值如表3所示，計(jì)算得到混響時(shí)間如表4所示?；祉憰r(shí)間計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.2計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)聲場(chǎng)模擬是現(xiàn)代建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)的重要方式。該音樂廳設(shè)計(jì)采用的計(jì)算機(jī)模擬軟件為丹麥技術(shù)大學(xué)編制的ODEON 9.2版本。ODEON建聲模擬軟件是世界上公認(rèn)模擬結(jié)果最可靠的建聲模擬軟件之一，已廣泛地應(yīng)用于廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)、音質(zhì)評(píng)價(jià)、聲場(chǎng)特性研究等領(lǐng)域。選取樓座池座12個(gè)位置進(jìn)行模擬平均，模型按實(shí)際建筑圖紙等比例尺寸建立，模擬設(shè)置材料吸聲系數(shù)按混響時(shí)間計(jì)算用的材料吸聲系數(shù)，即表3所示。計(jì)算機(jī)ODEON軟件模擬結(jié)果如表5所示。

3.3聲學(xué)縮尺模型實(shí)驗(yàn)

聲學(xué)縮尺模型試驗(yàn)既是廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要輔助設(shè)計(jì)方法，也是廳堂音質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中有效的檢驗(yàn)方式。該音樂廳的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?：10的比例模型按縱軸線分左右兩半制作，最后密封拼合而成，觀眾席座椅采用PVC板雕刻成型并鋪貼織物制作（見圖5）。在1：10模型的混響室中進(jìn)行了模型坐席吸聲系數(shù)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)：測(cè)得座椅在相當(dāng)于實(shí)物的1kHz倍頻帶單位面積吸聲系數(shù)為0.89，接近滿場(chǎng)座椅單位面積吸聲系數(shù)的設(shè)計(jì)值0.85。模型主體的地面、墻面及頂面均由GRG板表面打光，刷油漆制作。先經(jīng)1：10模型內(nèi)未放置座椅的縮尺模型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并由實(shí)測(cè)混響時(shí)間換算得到GRG表面的10kHz吸聲系數(shù)為0.072。

測(cè)試采用線性調(diào)頻信號(hào)作為聲源信號(hào)，通過接收信號(hào)與聲源信號(hào)的反卷積獲得模型聲場(chǎng)的脈沖響應(yīng)。測(cè)試的頻率范圍為中心頻率10000Hz（相當(dāng)于實(shí)物1000Hz）的倍頻帶。按模型測(cè)試時(shí)的溫度、濕度等氣象條件，根據(jù)IsO9613—1國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，將1：10模型的10000Hz倍頻帶空氣吸聲修正為溫度20℃、相對(duì)濕度50%時(shí)廳堂在1000Hz倍頻帶的吸聲。測(cè)試聲源采用高頻無指向性六面體揚(yáng)聲器、BK41381/8”無指向性電容傳聲器，搭配BK2690前置放大器及Fireface UC聲卡。測(cè)試選取了16個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平均，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

4.建筑聲學(xué)測(cè)試結(jié)果分析

4.1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

長沙音樂廳在首演前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)建筑聲學(xué)測(cè)試工作。測(cè)量采用IS03382國際標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，測(cè)量設(shè)備采用丹麥B&K 7841-DIRAC Room AcousticsSoftware建聲測(cè)試分析軟件、丹麥B&K 4292無指向球面聲源、丹麥B&K 2734測(cè)試功率放大器、丹麥B&K 1704-A-002信號(hào)放大器、丹麥B&K 2250手持聲級(jí)計(jì)、德國SENNHEISER MKH800無線測(cè)試傳聲器（可調(diào)指向性）、德國SENNHEISER SKPSOO無線發(fā)射系統(tǒng)、德國SENNHEISER EW500無線接收系統(tǒng)?？?qǐng)鰷y(cè)量均勻選取廳內(nèi)16個(gè)位置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平均，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了空?qǐng)龊蜐M場(chǎng)的測(cè)量，但滿場(chǎng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲較大，測(cè)量信噪比略低。測(cè)量結(jié)果如表7所示。

結(jié)果顯示：長沙音樂廳交響樂大廳（湘江大廳）建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)比較成功，混響時(shí)間很好地控制在設(shè)計(jì)推薦值范圍內(nèi)，其他參量也滿足設(shè)計(jì)值或在可以接受的設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，客觀音質(zhì)達(dá)到了較好的效果。在主觀評(píng)價(jià)上，音樂廳首演邀請(qǐng)了國際十大交響樂團(tuán)之一的以色列愛樂樂團(tuán)與國際著名指揮家祖賓·梅塔進(jìn)行演出，聲學(xué)音質(zhì)效果也得到了好評(píng)。

4.2結(jié)果對(duì)比

對(duì)建筑聲學(xué)音質(zhì)設(shè)計(jì)過程中的混響時(shí)間計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果、縮尺模型測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

混響時(shí)間特性對(duì)比如圖6所示，總音質(zhì)參量對(duì)比如表8所示。

結(jié)果顯示，在混響時(shí)間的控制上，不論是公式計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬還是縮尺模型的驗(yàn)證，在混響時(shí)間的長短和頻率特性上都得到了較準(zhǔn)確的驗(yàn)證結(jié)果。這也說明了前期建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)過程中混響時(shí)間控制方式及技術(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。在不同驗(yàn)證方式的對(duì)比上，縮尺模型的驗(yàn)證結(jié)果較其他措施混響時(shí)間略大。縮尺模型材料的選擇及測(cè)試過程中的測(cè)試試驗(yàn)誤差，以及經(jīng)過縮尺比例的轉(zhuǎn)換過程中的誤差放大等都有可能造成模型測(cè)試的結(jié)果與實(shí)際廳堂的音質(zhì)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

在其他音質(zhì)方面，早期衰變時(shí)間設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)都是在空?qǐng)鰲l件下進(jìn)行，計(jì)算機(jī)模擬與縮尺模型為滿場(chǎng)條件，參考混響時(shí)間的結(jié)果空?qǐng)霰葷M場(chǎng)高O.25 s，預(yù)計(jì)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果略小，縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際值較相符；對(duì)于強(qiáng)度因子G值，計(jì)算機(jī)模擬相對(duì)偏短，空?qǐng)鰸M場(chǎng)條件會(huì)略有差別，但預(yù)計(jì)對(duì)比結(jié)果偏差不大；明晰度c。相對(duì)實(shí)測(cè)值計(jì)算機(jī)模擬偏大，縮尺模型結(jié)果偏小，但都仍接近設(shè)計(jì)指標(biāo)；側(cè)向反射聲能比LF，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果大于實(shí)測(cè)，也都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；舞臺(tái)支持度ST實(shí)測(cè)結(jié)果偏小于實(shí)測(cè)結(jié)果，原因可能是由于現(xiàn)場(chǎng)樂隊(duì)樂器阻礙，測(cè)點(diǎn)選擇較少所導(dǎo)致。

5.結(jié)語

長沙音樂廳交響樂大廳（湘江大廳）的建筑聲學(xué)實(shí)測(cè)結(jié)果表明聲學(xué)音質(zhì)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；同時(shí)未發(fā)現(xiàn)音質(zhì)缺陷及設(shè)計(jì)的失誤，主觀音質(zhì)效果也得到了實(shí)際運(yùn)用的認(rèn)可。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的成功，也表明了目前主流的音質(zhì)設(shè)計(jì)輔助方式——音質(zhì)時(shí)間計(jì)算、計(jì)算機(jī)軟件模擬及縮尺模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三種方法的準(zhǔn)確性。三種方法互有利弊：音質(zhì)計(jì)算方便快捷，起前期估算作用，但僅能計(jì)算混響時(shí)間；計(jì)算機(jī)模擬可以對(duì)各個(gè)參量全面的模擬分析，精度高、成本不高，但由于算法原因，其對(duì)實(shí)際聲場(chǎng)模擬的真實(shí)程度還有待提高；縮尺模型則為真實(shí)按比例還原廳堂的實(shí)際聲場(chǎng)條件，理論上可以推導(dǎo)出實(shí)際聲場(chǎng)狀況，但對(duì)制作模型的精度、測(cè)量儀器的準(zhǔn)確性要求較高，成本較大。三種方法相輔相成，對(duì)高音質(zhì)要求廳堂設(shè)計(jì)起重要作用。

以上介紹了長沙音樂廳的交響樂大廳的聲學(xué)設(shè)計(jì)及其結(jié)果，并分析設(shè)計(jì)過程及多種輔助設(shè)計(jì)方式的特性及準(zhǔn)確性，對(duì)音樂廳等高音質(zhì)要求廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。