聲線法在劇院建筑聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用

余斌

【摘 要】 結(jié)合大型劇院項目建聲設(shè)計實踐，介紹聲線法在劇場觀眾廳體型聲線分析和聲場模擬計算中的應(yīng)用。通過對觀 眾廳墻面和吊頂形狀的二維和三維聲線分析，有助于優(yōu)化調(diào)整其體型，使反射聲均勻覆蓋整個觀眾席區(qū)域，并 避免產(chǎn)生聲聚焦等明顯的音質(zhì)缺陷。

【關(guān)鍵詞】 聲線法；聲反射；音質(zhì)缺陷；音質(zhì)設(shè)計，建聲設(shè)計

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.006

【Abstract】Combined with the practice of acoustical design for large theater projects， the application of acoustic line method in the analysis of sound line and simulation of sound field in the theatre audience hall are introduced. By analyzing the 2D and 3D acoustical lines of the hall wall and ceiling， it helps to optimize the shape of the auditorium and make the reflection sound even cover the entire audience area， and avoid obvious sound quality defects such as acoustical focusing.

【Key Words】acoustical line method； acoustic reflection； sound quality defect； sound quality design； acoustical design

劇院的音質(zhì)效果，取決于觀眾席區(qū)域接收到的直達聲與反射聲在空間和時間上的分布狀況，以及聲能隨時間的衰減特性?？陀^上可以用接收點處的反射聲系列，以及混響時間等與聲能衰減相關(guān)的音質(zhì)參量來判斷其優(yōu)劣。

劇院建筑聲學(xué)設(shè)計是一項復(fù)雜且不易控制的工作，要保證所有的音質(zhì)參量都滿足設(shè)計要求是十分困難的，且客觀音質(zhì)參量不能窮盡表述，最終的音質(zhì)效果還需要主觀評價來評判。所以，成功的聲學(xué)設(shè)計不能否認(rèn)會有“幸運”的成分在里面。聲學(xué)工程師需要借助各種設(shè)計方法來完成建筑聲學(xué)設(shè)計，如基于擴散聲場理論的混響時間估算公式、基于相似性原理的縮尺模型試驗，以及以聲線追蹤法為核心的聲場電腦模擬計算。

一個較好的觀眾廳體型（吊頂和墻面形狀）和表面的聲學(xué)性質(zhì)可以保證廳內(nèi)聲場時間和空間的均勻分布，也就決定了劇院的優(yōu)良音質(zhì)效果。在演出時，觀眾廳內(nèi)任何位置上不得出現(xiàn)可識別的聲缺陷，如：直達聲與強反射聲的聲程差不應(yīng)超過17 m，否則易造成回聲；避免凹弧形墻面或吊頂造成局部聲聚焦；平行墻面造成顫動回聲等聲學(xué)缺陷。

聲線法是建筑聲學(xué)設(shè)計中使用較多的一種方法，主要包括對觀眾廳體型進行聲線分析，以調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)；對劇院進行模擬計算，以確定室內(nèi)吸聲量等是否符合設(shè)計要求。

1 二維聲線分析

二維聲線分析可以在觀眾廳的平面和剖面圖紙上進行，以聲線法為基礎(chǔ)，入射到界面上的聲線做鏡面反射。二維聲線法可以對觀眾廳的吊頂、樓座底天花、側(cè)墻甚至眺臺欄板的形狀進行分析。調(diào)整頂面的形狀，以使來自吊頂?shù)囊淮畏瓷渎暷軌蚓鶆蚋采w所有的觀眾席區(qū)域，調(diào)整側(cè)墻特別是舞臺口八字形墻體的角度，以使來自墻面的一次反射聲能夠均勻覆蓋所有的觀眾席區(qū)域。

圖1是襄陽大劇院觀眾廳吊頂?shù)亩S聲線分析圖。經(jīng)過幾輪調(diào)整后，觀眾廳吊頂?shù)男螤詈徒嵌群侠恚瑏碜缘蹴數(shù)囊淮畏瓷渎暷軌蚋采w觀眾席的絕大部分區(qū)域；樓座底天花的一次反射聲可以投射到觀眾席的后幾排，以彌補吊頂一次反射聲不能到達的空隙；側(cè)墻的一次反射聲能夠覆蓋整個池座區(qū)域。

2 三維聲線分析

二維聲線法只可以在觀眾廳的平面、剖面圖紙上進行，所以，通常只能對比較常規(guī)的劇院進行分析。如今，異形曲面在劇院建筑中的應(yīng)用越來越多，如廣州歌劇院和哈爾冰大劇院等，簡單的平面和剖面圖甚至都不能表達清楚劇院觀眾廳的形狀，只能借助建筑三維模型。所以，二維聲線法有其局限性，為了完成設(shè)計工作只能進行三維聲線分析。

圖2是哈爾濱大劇院的三維聲線分析圖，聲學(xué)設(shè)計師在此基礎(chǔ)上提出了多項改進意見，以確保最終的體型調(diào)整到滿足聲學(xué)要求。三維聲線分析比二維聲線分析更直觀，且能夠分析的范圍更大，分析結(jié)果更真實，特別是對于側(cè)墻的分析，能看清楚聲線是否真正投射到觀眾席區(qū)域。筆者在做襄陽大劇院和廣州粵劇院聲學(xué)設(shè)計的時候也應(yīng)用到了三維聲線分析，對體型優(yōu)化調(diào)整起到了積極的作用。

3 聲線追蹤法

模擬計算軟件的基礎(chǔ)大多以聲線追蹤法為核心，所以聲場計算機模擬計算也是聲線法在劇場建筑聲學(xué)設(shè)計中的一樣重要的應(yīng)用。

聲線追蹤法以幾何聲學(xué)為理論基礎(chǔ)。聲線追蹤法認(rèn)為：聲源向四周發(fā)出大量聲線，在空間中以聲線的形式傳播聲能，每根聲線開始均攜帶相同的能量；聲場各壁面均為平面（曲面由多個平面替代），聲線每次和空間界面僅有一個碰撞點，且其能量會有所衰減；當(dāng)反射階次高于設(shè)定數(shù)值或聲線攜帶能量低于預(yù)設(shè)閾值時，程序停止對該聲線的追蹤，并開始對下一根聲線進行追蹤運算，直到全部聲線均追蹤計算完畢；接收點的設(shè)定有一定的范圍，當(dāng)聲線穿過預(yù)先設(shè)定的這個范圍時，計算機會記錄聲線到達的時間、能量和方向，最后可以得到接收點處的聲脈沖響應(yīng)。二維矩形空間聲線法的示意圖如圖3所示。

有關(guān)界面散射的處理，聲線追蹤法在計算中引入界面散射系數(shù)d（0

模擬計算得到的反射聲系列可以判斷在接收點是否出現(xiàn)了明顯的聲聚焦、聲共振等音質(zhì)缺陷，以及初始時間間隙tI是否在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)。音質(zhì)參量網(wǎng)格圖不但可以判斷該參量是否在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，還能夠判斷其在整個觀眾席區(qū)域的分布是否均勻、變化是否連續(xù)、最大值和最小值的差異是否可以接受。

圖4是哈爾濱大劇院的聲學(xué)模型、反射聲系列和音質(zhì)參量網(wǎng)格圖，聲場計算機模擬驗證了前期聲學(xué)設(shè)計的有效性。筆者所在的章奎生聲學(xué)設(shè)計研究所在十余座劇院建筑聲學(xué)設(shè)計中應(yīng)用了聲場計算機模擬計算。

4 結(jié)論

二維聲線法和三維聲線法有助于對劇院觀眾廳吊頂、樓座底天花、側(cè)墻和眺臺欄板的角度與形狀進行優(yōu)化調(diào)整。三維聲線法比二維聲線法應(yīng)用范圍更廣，表達更清晰直觀，但需在三維建筑模型上進行，所以，二維聲線法最主要是應(yīng)用在前期調(diào)整，而三維聲線法在觀眾廳體型基本定型以后有著更多的應(yīng)用。

基于聲線追蹤法的聲場計算機模擬計算是建聲設(shè)計的重要手段之一，可以得到比基于擴散聲場理論的混響時間估算更多的音質(zhì)參量信息，其中反射聲系列圖和音質(zhì)參量網(wǎng)格圖可以預(yù)測劇院建成后的實際音質(zhì)效果，在現(xiàn)場實測之前就能比較直觀地驗證前期聲學(xué)設(shè)計工作的有效性。

（編輯 薛云霞）