長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心大劇院的聲學設計

楊志剛+劉京城+趙換江+張羽

【摘 要】 介紹長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心大劇院的工程概述、大劇院建筑概況、大劇院的主要功能和建聲設計技術(shù)指 標、觀眾廳的體型分析及調(diào)整建議、觀眾廳表面裝修用材的聲學設計要求、凹槽造型的GRG吸聲性能檢測、非 常規(guī)座椅的吸聲性能檢測、大劇院前廳的聲環(huán)境優(yōu)化以及竣工后的建聲測試結(jié)果和評價。

【關(guān)鍵詞】 混響時間RT；早期衰變時間EDT；明晰度C80；清晰度D50；空間感（1-IACCE3）；聲場力度G；親切感ITDG

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.006

【Abstract】The author introduces the overview of Changsha Meixihu international culture and art center theatre project， theater building outline， main functions and acoustical design technology index of the theater， auditorium shape analysis and proposal for adjustment of auditorium， surface decoration materials of the acoustical design requirements， groove modeling GRG absorption performance detection， non conventional absorption seat the lobby of the theater performance detection， sound environment optimization and sound evaluation and test results of theatre after completion.

【Key Words】RT； EDT； C80； D50； （1-IACCE3）； G； ITDG

1 工程概述

長沙國際文化藝術(shù)中心坐落于岳麓山下，梅溪湖畔?？偼顿Y28億元，總用地面積100 000 m2，總建筑面積120 000 m2，項目包括1 800座位的大劇院、500座位的多功能小劇場和藝術(shù)館，藝術(shù)館由9個展廳組成，展廳面積達10 000 m2。中心能承接世界一流的大型歌劇、舞劇、交響樂等高雅藝術(shù)表演，是湖南省規(guī)模最大、功能最全的國際文化藝術(shù)中心。

2011年6月，“國際建筑大師對話梅溪湖”活動吸引了漢斯·霍蘭因建筑事務所、藍天組建筑事務所、扎哈·哈迪德建筑事務所、阿克雅建筑事務所、保羅·安德魯建筑師事務所5個世界級國際建筑大師團隊。經(jīng)過激烈的角逐，最終扎哈·哈迪德建筑事務所設計的方案以其獨特的設計視角和理念勝出。設計之初，扎哈的方案是以盛開的梅花的理念構(gòu)思的（見圖1）。經(jīng)過溝通和優(yōu)化，扎哈根據(jù)湖南素有的“芙蓉國”之稱，把建筑方案變?yōu)榱耸㈤_的芙蓉花瓣落入如鏡的梅溪湖水面激起不同形態(tài)“漣漪”的概念（見圖2），建筑外觀的線條更加流暢。

2 大劇院建筑概況

藝術(shù)中心大劇院整體建筑情況見圖3～圖8。觀眾廳平面近似于圓形，池座有兩處不對稱欄板分區(qū)，兩層樓座均用欄板分成4個不對稱的分區(qū)。池座長34 m（其中二層樓座后墻向后延伸0.8 m，三層樓座后墻向后延伸2 m）；最大寬33.8 m；平均高約18.5 m。舞臺開口：18 m×12 m，舞臺面高度比第一排觀眾席高1 m。觀眾席前部設升降樂池，開口尺寸：平均長約21.5 m，最大寬約4.8 m，開口面積92 m2，樂池內(nèi)面積約126 m2。

臺口側(cè)墻設一道臺口側(cè)光、二道耳光；天花設二道面光天橋，一道追光。一層眺臺開口高4.8 m，深4.9 m（到最后一排的距離，而不是后墻），高深比接近1：1；二層眺臺開口高3.0 m，深4.8 m，高深比為1：1.6。池座觀眾席為全臺階形式，共24排，第一排標高為-5.000 m，最后一排標高為0.000 m，前后高差（總起坡）為5 m，平均每階高差約為0.22 m；二層樓座共5排（中間分區(qū)），第一排標高為4.270 m，最后一排標高為6.000 m，前后高差（總起坡）為1.730 m，平均每階高差約為0.43 m；三層樓座共6排（中間分區(qū)），第一排標高為8.450 m，最后一排標高為11.000 m，前后高差（總起坡）為2.550 m，平均每階高差約為0.51 m；各層觀眾席末排的視點俯角分別為池座8°，二層樓座18°，三層樓座25°。

舞臺包括主舞臺、左右側(cè)舞臺和后舞臺。主舞臺尺寸：長32 m，深25 m，凈高33.65 m；面積為800 m2；左右側(cè)舞臺尺寸：長19.8 m，深25 m，高20 m（到結(jié)構(gòu)樓板），面積為495 m2；后舞臺尺寸：長24 m，深21 m，高20 m（到結(jié)構(gòu)樓板），面積為504 m2。

大劇院實景照片見圖9～圖12。

3 大劇院的主要功能和建聲設計指標

3.1 主要功能

大劇院以演出大型歌劇、舞劇為主，能滿足國內(nèi)外各類歌劇、舞劇、音樂劇、大型交響樂、大型歌舞、戲曲、話劇等大型舞臺類演出的使用要求。

3.2 主要建筑聲學技術(shù)指標

（1）中頻滿場混響時間RT

大型歌劇、舞劇、大型綜藝晚會的演出：1.5 s～1.6 s；

交響樂、室內(nèi)樂、合唱等演出：1.8 s±0.1 s （設置舞臺聲學反射罩）；

（2）混響時間頻率特性（相對于中頻500 Hz～1 000 Hz的比值）：見表1；

（3）音樂明晰度 C80，3：1.0～3.0；endprint

（4）聲場力度 Gmid：-1.0 dB～2.0 dB；

（5）背景噪聲：≤NR-20噪聲評價曲線；

（6）每座容積：7 m3/座～9 m3/座。

4 大劇院觀眾廳的體型分析及調(diào)整建議

根據(jù)Odeon計算機模擬軟件估算，觀眾廳體積約為15 600 m3，單座容積為8.67 m3/座，符合設計要求的7 m3/座～9 m3/座。采用多種技術(shù)手段對大劇院觀眾廳建筑體型進行分析，具體手段如下。

4.1 CAD平剖面的二維聲線分析

大劇院觀眾廳平面近似于圓形，建筑體型并不是太好。從建筑平面聲學分析圖（見圖13）可以看出前中區(qū)絕大多數(shù)觀眾區(qū)缺少側(cè)向反射聲，而且在觀眾區(qū)后部聲線比較集中，可能產(chǎn)生聲聚焦。從建筑剖面聲學分析圖（見圖14）也可以看出來自頂部的聲線分布并不均勻。因此，臺口側(cè)墻的形狀必須進行優(yōu)化處理，頂部形狀也需進行優(yōu)化或擴散處理。

4.2 Rhino模型的三維聲線分析

從Rhino模型的三維聲線分析中發(fā)現(xiàn)，臺口側(cè)墻和一層眺臺欄板形體存在一定問題。從觀眾廳臺口側(cè)墻聲線分析（見圖15）來看，臺口側(cè)墻的反射聲幾乎沒有到達觀眾席中心區(qū)域。從一層眺臺欄板聲線分析（見圖16）來看，部分凹形欄板的反射聲在池座形成了聲聚焦。

4.3 Odeon模擬分析

從Odeon模擬分析的側(cè)向反射系數(shù)LF格柵圖（見圖17）也可以發(fā)現(xiàn)前中區(qū)絕大多數(shù)觀眾區(qū)缺少側(cè)向反射聲，而且在觀眾區(qū)后部還容易產(chǎn)生聲聚焦等聲缺陷。

4.4 縮尺模型試驗（中頻1 000 Hz）

通過縮尺模型（見圖18）試驗各測點的反射聲序列發(fā)現(xiàn)：池座前中部區(qū)域（見圖19）缺乏側(cè)向反射聲；池座與二層樓座的后區(qū)中部（見圖20和圖21）發(fā)現(xiàn)直達聲后面40 ms左右有強烈的反射聲，疑是聲聚焦現(xiàn)象。

4.5 體型調(diào)整建議

通過CAD平剖面的二維聲線分析、Rhino模型的三維聲線分析、Odeon模擬分析和縮尺模型試驗等4種技術(shù)手段的分析，大劇院觀眾廳建筑體型主要存在以下三方面問題：

（1）池座前中部區(qū)域缺乏側(cè)向反射聲；

（2）觀眾區(qū)后部聲線比較集中，容易產(chǎn)生聲聚焦；

（3）一層眺臺部分凹形欄板的反射聲在池座形成了聲聚焦。

分析其原因，主要是原有建筑體型近似呈圓形以及一層眺臺部分欄板呈內(nèi)凹形所致。因此，聲學設計和建筑設計、室內(nèi)設計專業(yè)綜合考慮各種因素，調(diào)整建議如下：

（1）臺口側(cè)墻形狀由內(nèi)凹形調(diào)整為外凸形，使觀眾區(qū)的前中區(qū)也能被側(cè)向反射聲能覆蓋（見圖22）；

（2）側(cè)墻、頂面和眺臺欄板均做擴散處理（結(jié)合裝飾燈帶，見圖23、圖24），使觀眾區(qū)的聲能分布比較均勻，避免聲聚焦等聲缺陷。

5 大劇院觀眾廳表面裝修用材的聲學設計

計算機模擬軟件采用的是Odeon14.0，各聲學參量（中頻1 000 Hz）的計算機模擬分析結(jié)果見圖25。

根據(jù)計算機模擬和音質(zhì)計算結(jié)果，確定了觀眾廳各界面的聲學裝修材料、配置及構(gòu)造，具體要求如下。

5.1 觀眾廳內(nèi)地坪及走道

觀眾廳內(nèi)地坪用料為櫻桃實木復合木地板+毛地板45°斜鋪（底面刷防火漆），龍骨間隙填實，以避免地板共振吸收低頻。

5.2 墻面和頂面

觀眾廳墻面和頂面均選用GRG板，藝術(shù)漆飾面。墻面和頂面的GRG面密度分別為45 kg/m2和50 kg/m2。墻面和頂面均結(jié)合燈帶做擴散處理。

5.3 舞臺墻面

由于舞臺包括1個主舞臺、2個側(cè)舞臺，空間比較大。為了避免舞臺空間與觀眾廳空間之間因耦合空間而產(chǎn)生的不利影響，聲學設計要求舞臺空間內(nèi)的混響時間應基本接近觀眾廳的混響時間。聲學設計要求在舞臺（包括主舞臺、側(cè)舞臺）一層天橋以下墻面做吸聲處理。具體做法為：3 m以下墻面采用25厚防撞木絲吸聲板（刷黑色水性涂料）+75系列輕鋼龍骨（內(nèi)填50厚48 kg/m3離心玻璃棉板，外包玻璃絲布）+原有粉刷墻體；3 m以上墻面采用5厚穿孔LCFC板，穿孔率20%（刷黑色水性涂料）+75系列輕鋼龍骨（內(nèi)填50厚48 kg/m3離心玻璃棉板，外包玻璃絲布）+原有粉刷墻體。

6 凹槽造型的GRG吸聲性能檢測

由于整個墻面、頂面和眺臺欄板均為一條一條的凹槽造型（內(nèi)藏燈帶），考慮到過多的凹槽可能對聲能的某個頻率造成有選擇的吸收，因此，聲學要求對凹槽造型的GRG造型樣板到同濟大學混響試驗室進行聲學檢測（見圖26）。GRG樣板的投影面積為10 m2，由于GRG表面起伏比較大，周邊用18厚細木工板封堵，擋板面積17 m2。材料表面積把周邊的細木工板考慮在內(nèi)，由于細木工板的吸聲系數(shù)比45 kg/m2的GRG要小，所以，實際的GRG吸聲系數(shù)比較測試數(shù)據(jù)還要小一些。從測試報告可以看出，各個頻率的吸聲系數(shù)都比較小，最小的僅為0.03，最大也不超過0.08，且沒有出現(xiàn)某個頻率吸收過多的現(xiàn)象。

根據(jù)GRG的吸聲檢測報告（見圖27），聲學確定凹槽造型的GRG板不會對觀眾廳的聲場造成不利影響。

7 非常規(guī)座椅吸聲性能檢測

除了座椅，觀眾廳沒有布置任何吸聲材料，因此，座椅的吸聲量占整個觀眾廳總吸聲量的比例最大（中頻的吸聲量約占到80%）。所以，座椅的吸聲系數(shù)對觀眾廳內(nèi)的混響時間控制會起到?jīng)Q定性作用，故對觀眾廳內(nèi)座椅吸聲系數(shù)提出聲學要求，見表2。

經(jīng)過長時間反復修改，座椅樣式由業(yè)主和扎哈·哈迪德建筑事務所共同確認通過。座椅式樣與常規(guī)劇院的座椅式樣不同，不僅座椅靠背的上邊及兩側(cè)邊沒留木邊（以減少吸聲），而且靠背后板約一半面積也包布，布料采用一家丹麥公司專用布（見圖28）。座椅廠家通過調(diào)整座椅內(nèi)部構(gòu)造（如高彈棉的密度、內(nèi)襯薄膜）極大地提高了座椅的舒適度，并在清華大學實驗室進行了五次反復試驗（見圖29），第五次座椅吸聲系數(shù)已最大限度接近聲學最初提出的要求。只是由于工期緊迫，無法再做深入調(diào)整，留下400 Hz左右吸聲系數(shù)偏高的遺憾。endprint

8 大劇院前廳的聲環(huán)境優(yōu)化

由于大劇院前廳的體積比較大，且地面為高強水泥基鋼化地面、墻面為GRG造型板和玻璃幕墻等，因此，混響時間特別長（頂部不做吸聲處理，混響時間估計大于6 s）。大劇院前廳是觀眾參觀、交流和休憩的主要場所，若混響時間太長，人們講話時聲音會在前廳各個界面多次反射、經(jīng)久不息，造成聲音比較混濁、聽不清楚，使人產(chǎn)生煩躁之感。因此，建議在前廳的頂部做一定的吸聲處理（見圖30），具體做法為在GRG造型板下實貼STO無縫連接吸聲系統(tǒng)板，安裝面積約4 000 m2。實際效果較為理想，幾百人同時在前廳參觀和講話并沒有嘈雜之感。

9 竣工后的建聲測試結(jié)果和評價

9.1 建聲測試儀器

華東建筑設計研究院聲學所于2017年9月1日對大劇院進行了空場建聲測試工作。測試的儀器和軟件為丹麥B&K 7841-DIRAC Room Acoustics Software建聲測試分析軟件、丹麥B&K 4292無指向球面聲源、丹麥B&K 2734測試功率放大器、丹麥B&K 1704-A-002 信號放大器、丹麥B&K 4101A頭戴式雙耳傳聲器、丹麥B&K 2250 D手持頻譜分析儀、德國SENNHEISER MKH800無線測試傳聲器、德國SENNHEISER SKP500無線發(fā)射系統(tǒng)、德國SENNHEISER EW500無線接收系統(tǒng)等。

9.2 主要建聲測試結(jié)果及分析

大劇院空場建聲測試結(jié)果見表3。

空場混響時間RTmid為1.66 s，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，預計滿場RTmid為1.5 s左右，符合設計要求的1.5 s～1.6 s（滿場）。由于座椅在400 Hz的吸聲系數(shù)較大，導致250 Hz～500 Hz頻段的混響時間較低。滿場時觀眾會遮擋座椅，主要反映的是觀眾的吸聲效果，因此，正常演出時（滿場）混響時間的頻率特性會比較好。

中頻早期衰變時間略小于設計推薦值，原因是觀眾區(qū)后中部的測點聲能早期衰變較快，后期衰減相對平緩，表現(xiàn)為雙折線衰減的聲能量曲線，該特性在保證早期聲音的清晰度的同時，兼顧了后期的混響聲。G125（低頻聲場力度）、Gmid（中頻聲場力度）和1-IACCE3（空間感）等參量均符合優(yōu)選范圍，說明大劇場的響度和空間感是非常好的。

初始時延間隙ITDG偏長，主要是由于中國劇院普遍臺口偏大、池座偏寬所致。有關(guān)中國劇院ITDG偏大的詳細論述可參見《演藝科技》2017年第3期《探討中外大型劇院觀眾廳體型與音質(zhì)》一文。

大劇院廳內(nèi)背景噪聲（見圖31）控制效果也較好，幾乎達到了NR-20的標準，只是1 000 Hz的噪聲略高。測量時大劇院廳外有打磨地板等施工作業(yè)影響，預計實際還要優(yōu)于目前測量結(jié)果。

9.3 首演主觀評價

2017年9月2日，大劇院上演了首場演出劇目——話劇《明年此時》，該劇由俄羅斯和法蘭西最高榮譽獎章獲得者、著名導演尤里·伊萬諾維奇·耶列明執(zhí)導，中國觀眾熟知的實力派演員蔣雯麗和劉鈞主演。筆者現(xiàn)場觀看了演出并聆聽了觀眾的感受，大家認為大劇院的語言清晰度較高，能夠聽清楚每一句對白，且聲音非常通透。

整個藝術(shù)中心的內(nèi)部裝修、外面景觀施工等預計最快2017年底完工，畢竟長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心才剛剛建好，大劇院的建筑聲學條件調(diào)音師還需要慢慢適應，然后逐步地調(diào)試擴聲系統(tǒng)。這可能需要很長一段時間才能使大劇院音效達到完美的效果。華東建筑設計研究院聲學所正積極聯(lián)系業(yè)主和保利劇院管理公司，希望對大劇院的滿場狀態(tài)以及增設音樂反聲罩的狀態(tài)（音樂反聲罩最近才剛運抵現(xiàn)場）再進行一次詳細的聲學測試，以補全相關(guān)聲學參量的測試數(shù)據(jù)，并驗證預測結(jié)果是否正確。

（編輯 薛云霞）endprint