阿姆斯特丹音樂廳的聲場模擬探析

楊志剛

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

阿姆斯特丹音樂廳建于1888年，與波士頓音樂廳、維也納金色大廳一起被公認(rèn)為世界上音質(zhì)最頂級的三大音樂廳，見圖1。2013年4月11日（音樂廳建成125周年），荷蘭女王授予阿姆斯特丹音樂廳皇室稱號，所以，至那時起它又被稱為荷蘭皇家音樂廳。阿姆斯特丹音樂廳的音響效果堪稱奇跡，在世界音樂界和建筑界獨樹一幟。該音樂廳每年約舉辦900場音樂會，觀眾超過80萬，成為世界上觀眾數(shù)排名第二的音樂廳，僅次于觀眾數(shù)超過100萬的羅馬音樂公園音樂廳。阿姆斯特丹音樂廳建筑外觀的最大標(biāo)志就是屋頂上金光閃閃的鍍金豎琴雕像。

圖1 阿姆斯特丹音樂廳建筑外觀

世界上著名樂隊指揮和獨奏家對阿姆斯特丹音樂廳的音質(zhì)贊譽有加：“音質(zhì)真妙，這也許是世界上最佳廳之一了”；“我進了大廳，聽了一場波士頓交響樂團的音樂，音質(zhì)絕佳”；“此廳之混響對提琴手提供了很大幫助，當(dāng)拉一個音滑到另一個音時，前面一個音仍留著，給人感覺每一個音都充滿活力”。英國《衛(wèi)報》Tom Service在阿姆斯特丹音樂廳聽過演出后曾寫過：“我從來沒有聽過一場演出，能將德彪西音樂中模擬海洋的聲音展示得這樣攝人心魄，鑼和鋼片琴的聲音在音樂家們中間回響，完全將音樂詩化了”。

為什么阿姆斯特丹音樂廳的音色如此之妙，能否通過某種技術(shù)手段探尋它美妙音質(zhì)的幕后原委？筆者試圖準(zhǔn)確地建立阿姆斯特丹音樂廳的三維計算機模型，通過專業(yè)的計算機模擬軟件分析直觀且詳細(xì)地得出其音質(zhì)參量，并與其他兩個頂級音樂廳進行對比分析，希望能找到一些有益的論點。

1 音樂廳基本概況

音樂廳的座位數(shù)為2 037座，長、寬、高分別為26.2 m、27.7 m、17.1 m，體積為18 780 m3，每座容積為9.2 m3/座。座椅總占地面積843 m2，每個座椅占地面積為0.41 m2/座，相比目前國內(nèi)音樂廳每座容積0.52 m2/座而言，阿姆斯特丹音樂廳座椅的舒適度要差一些。音樂廳的平剖面圖及照片見圖2～圖5。

圖2 阿姆斯特丹音樂廳平面圖

圖3 阿姆斯特丹音樂廳剖面圖

圖4 阿姆斯特丹音樂廳的后視照片

圖5 阿姆斯特丹音樂廳的前視照片

圖6 阿姆斯特丹音樂廳計算機模型的后視圖

圖7 阿姆斯特丹音樂廳計算機模型的前視圖

圖8 計算機模擬分析的聲源和測點布置圖

表1 阿姆斯特丹音樂廳模擬值、實測值和推薦值的對比

2 建立三維計算機模型

文中的計算機模擬軟件采用ODEON14.00Combined。由于阿姆斯特丹音樂廳的墻面和頂面凹凸造型比較復(fù)雜，為了能準(zhǔn)確地找出其形體方面的優(yōu)勢，筆者所在的團隊在建立模型方面投入了大量的精力，共建立了14 606個面，盡最大可能地把各個主要的形體都建立完整。當(dāng)然，墻面和頂部一些小的凸起并沒有建立，而是通過提高擴散系數(shù)來達到聲學(xué)要求，這樣并不會影響音質(zhì)參量的模擬精度。對比圖4、圖5和模擬截圖圖6、圖7，可以看出兩者已非常接近。

進行計算機模擬分析時，聲源設(shè)置在舞臺邊緣向內(nèi)3 m的中心線上，離舞臺地面1.5 m。測點分布見圖8，均離地面1.2 m高。首先，確定各個界面的吸聲系數(shù)，然后適當(dāng)調(diào)整吸聲系數(shù)，使計算機混響時間T30的模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)基本接近，然后相應(yīng)地模擬其他聲學(xué)參量（EDT、C80、G、LF、IACC、ST1等）。

阿姆斯特丹音樂廳的實測數(shù)據(jù)均取自白瑞納克著的《音樂廳和歌劇院》第二版，并與其推薦值進行了比較。音樂廳模擬值、實測值和推薦值的對比表見表1。

表1中：除了T30為滿場外，其他參量均為空場狀態(tài)。T30mid為中頻500 Hz、1 kHz二個倍頻帶的T30平均值；EDTmid為中頻500 Hz、1 kHz二個倍頻帶的EDT平均值；（1-IACCE3）為500 Hz、1 kHz、2 kHz三個倍頻帶的0～80 ms（1-IACCE）平均值；LFE4為125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz四個倍頻帶的LFE平均值；Gmid為中頻500 Hz、1 kHz二個倍頻帶的G平均值；C80,3為500 Hz、1 kHz、2 kHz三個倍頻帶的C80平均值；ST1為250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz四個倍頻帶的ST1平均值。由于聲源校準(zhǔn)方法的不同，Takenaka測試的Gmid比西方實驗室數(shù)據(jù)約大1.2，因此沒有采用。LEV是根據(jù)2003年Soulodre，Lavoie和Norcross通過大量實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來的公式計算而來的：，其中。

從表1中可以看出，除C80和tI的模擬誤差偏大外，其他聲學(xué)參量都比較準(zhǔn)確。tI的實測值比較小，估計測試時第1次反射聲是通過舞臺上某個座椅或樂譜架反射而來，屬于偶然情況。由于音樂廳寬度比較寬（27.7 m），通過墻面的第1次反射聲一定遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于21 ms，從圖9可以看出第1次強反射聲來自于側(cè)墻，相對于直達聲延時46 ms。

3 音質(zhì)美妙的原因探析

白瑞納克不僅是世界著名的聲學(xué)專家，還學(xué)過小鼓和定音鼓，在交響樂團做過一年的職業(yè)音樂師，且他曾多次在阿姆斯特丹音樂廳聽過音樂會，因此，他的主觀感受很有權(quán)威性和代表性。他認(rèn)為：“聲音平衡很好，低音很足，混響聲比其他矩形大廳都大。大提琴聲音響而且非常華麗舒適，整個樂隊演出聲音很豐滿”。“樓座的聲音比池座要好，也許是那些坐席上清晰度更高一些。但是池座適宜那些喜歡充滿豐富低音、氣勢豪華的人，完全沉浸于音樂海洋之中，對這個廳來說無出其右了”。總而言之：混響感最強、聲音很豐滿、響度尤其是低音響度很足、池座空間感極佳。

2014年6月，筆者和單位同事考察阿姆斯特丹音樂廳時，正好有樂隊在排練，在樓座和舞臺后區(qū)都仔細(xì)聆聽了一下，樓座聲音效果實在是太美妙了，混響感特別棒，音色非常豐滿、透徹，響度足夠、充滿活力，比波士頓音樂廳和維也納金色大廳的混響感都要棒。

考核音樂廳與主觀感受相關(guān)的聲學(xué)參量有好幾項，其中以混響感（RT）、響度（G）、明晰度（C80）和空間感尤其重要，以下逐一分析這四個聲學(xué)參量。

（1）主觀感覺阿姆斯特丹音樂廳比波士頓音樂廳和維也納金色大廳的混響感更勝一籌。阿姆斯特丹音樂廳眺臺下的墻面為磚墻抹灰，眺臺上的墻面和頂部均為比較厚重的蘆桿抹灰，地面為墊木條上安裝硬木地板（空腔用砂層填滿），舞臺地面為厚木地板后留大空腔。這些布置都保證了大廳擁有合適的混響時間以及良好的頻率特性（低頻混響也有足夠的提升）。按理說，阿姆斯特丹音樂廳混響時間也應(yīng)該是三個音樂廳中最長的，但是對比三個頂級音樂廳的空、滿場混響時間（RT）和EDT，發(fā)現(xiàn)最長的卻是維也納金色大廳，最短的是波士頓音樂廳，阿姆斯特丹音樂廳居中，見表2。

可是為什么大家都感覺阿姆斯特丹音樂廳混響感最棒呢？問題先提出來，后面再綜合分析。

（2）主觀感覺阿姆斯特丹音樂廳響度合適，低音足夠。從表3中可以看出三個頂級音樂廳中Gmid值分別為5.5、6.3和4.3，阿姆斯特丹音樂廳的Gmid值居中。但是與推薦值1.5～5.5相比，阿姆斯特丹音樂廳的Gmid值5.5已經(jīng)是上限了。

表2 三個頂級音樂廳RT和EDT對比

圖9 正廳池座中心位置反射聲序列和第1次強反射聲來源圖

過去一直認(rèn)為音樂廳低頻混響與中頻混響之比決定大廳的低音豐滿度，近年研究表明這樣的估量不對。白瑞納克認(rèn)為G125—Gmid之差的低音比（bass index）才是重要的因素。從表4中可以看出，無論是空場還是滿場，在三個頂級音樂廳中阿姆斯特丹音樂廳的G125—Gmid值都是最大的，這也就是其低音很足的證明。

（3）主觀感覺阿姆斯特丹音樂廳明晰度很好，每個音符聽起來華麗但清晰可辨。從表5中可以看出三個頂級音樂廳中C80,3分別為-3.30、-4.00和-2.75，阿姆斯特丹音樂廳的明晰度居中。

（4）主觀感覺阿姆斯特丹音樂廳具有良好的空間感。表6數(shù)據(jù)取自文獻[4]，可以看出在三個頂級音樂廳中，阿姆斯特丹音樂廳的視在聲源寬度ASW最小，環(huán)繞感介于中間。從表7中可以看出，阿姆斯特丹音樂廳池座中間區(qū)域的環(huán)繞感為2.0，所以，白瑞納克在池座才會有完全沉浸入音樂海洋之中的感受。

表3 三個頂級音樂廳G值對比

表4 三個頂級音樂廳G125、Gmid和G125-Gmid值空、滿場對比

表5 三個頂級音樂廳C80對比

表6 三個頂級音樂廳BQI和LEV對比

圖10 頂部擴散處理放大圖

圖11 墻面和頂部交界處擴散處理放大圖

4 音樂廳擴散性和反射聲紋理的分析

相對其他音質(zhì)優(yōu)良的音樂廳，阿姆斯特丹音樂廳最獨特之處是其擴散性最好。Hann和Fricke曾經(jīng)通過相關(guān)研究得出結(jié)論：“評價為優(yōu)異與評價為良好或中等的音樂廳相比，表面擴散性程度似乎是造成這種差別的重大原因”。擴散性程度用表面擴散性因子SDI來衡量，是對天花板和側(cè)墻（端墻不計）擴散程度的視覺檢查。

阿姆斯特丹音樂廳整個頂部布滿藻井格，且比較深，每個藻井格的中心還設(shè)置倒圓錐的凸起，這些都大大提高了頂部的擴散性。墻面和頂部交界處采用弧形的連接和半圓的平窗結(jié)合，且起伏非常大。墻面做成一個個門框和立柱的造型，起到擴散的作用。欄板下部的弧形凸起起到很好的擴散作用。安裝管風(fēng)琴墻面的凹凸變化增加了舞臺后墻的擴散效果，見圖10～圖13。雖然阿姆斯特丹音樂廳和波士頓音樂廳、維也納金色大廳的SDI都是最佳值1.0，但是通過圖紙和照片可以看出，阿姆斯特丹音樂廳的頂部以及墻面和頂部交界處的擴散程度顯然要好一些。

圖12 墻面擴散處理放大圖

圖13 欄板擴散處理放大圖

有些聲學(xué)專家認(rèn)為，反射聲紋理能夠更好地反映音樂廳的音質(zhì)效果，從池座、側(cè)包廂、樓座以及舞臺后部座區(qū)的代表測點的反射聲序列圖14～圖19中，也可以看出擴散所起的作用：

（1）由于阿姆斯特丹音樂廳極佳的擴散性，各個測點的混響聲都比較豐富，且沒有比較大的反射聲存在。因此，在此音樂廳不會存在“眩聲”等刺耳的聲音，而且聽起來豐滿且圓潤。

（2）各個測點混響聲的方向來自四面八方，環(huán)繞感非常好。

圖14 測點1、2、3反射聲序列圖

圖15 測點7、8、9反射聲序列圖

圖16 測點13、14、15反射聲序列圖

圖17 測點16、17、18反射聲序列圖

5 音樂廳舞臺支持度的分析

阿姆斯特丹音樂廳舞臺上方頂部的高度約15.6 m，舞臺中心線到側(cè)墻的距離約13.9 m，且圍著樂隊的三面都有大面積的觀眾；波士頓音樂廳舞臺頂部的平均高度約為13 m，舞臺中心線到側(cè)墻的距離約7.6 m（差不多只有一半距離）；維也納金色大廳的側(cè)眺臺一直延伸到舞臺區(qū)域，可以向舞臺提供早期反射聲。由于阿姆斯特丹音樂廳缺少早期強反射聲，舞臺上聽到的聲音就會小一些，但是奇怪的是，除了已故著名指揮尤金·奧曼迪說過“舞臺上的頂棚太高，有一種雜亂的聲音，且樂隊之間平衡很差”，絕大多數(shù)指揮卻贊揚它音質(zhì)美妙。筆者通過舞臺中間測點的反射聲序列圖分析原因，可以看出，雖然反射聲相對于直達聲確實能量偏小，但是反射聲分布比較均勻，且反射聲數(shù)量比較多，首先到達的是通過管風(fēng)琴下部墻面過來的反射聲、其次是來自眺臺欄板的反射聲、然后是頂部和墻面的反射聲，見圖20。也就是說，雖然舞臺上混響聲能比較小，但反射聲的紋理比較好，這可能也就是絕大多數(shù)指揮贊揚它音質(zhì)美妙的原因。

圖18 測點20、21、22反射聲序列圖

圖19 測點23、24、25反射聲序列圖

圖20 舞臺中間測點的反射聲序列圖及第1個反射聲的示意圖

6 混響感分析

混響感是一個綜合的主觀感知量，它不僅受到混響時間的影響，還需綜合考慮聲能衰變的時間特性、空間特性、頻率特性以及聽音信號的強度等因素的影響[5][6]。實驗結(jié)果表明，在一定的聲壓級范圍內(nèi)混響感隨著聲壓級的增大而增強。

由于阿姆斯特丹音樂廳舞臺邊上既沒有側(cè)眺臺可以提供早期反射聲，圍著樂隊兩面坐著的大范圍觀眾也減少了墻面的反射聲。經(jīng)測定，離樂隊中心1 m處的樂師發(fā)出的聲音經(jīng)大廳返回中心后的聲壓級比維也納金色大廳低5 dB，比波士頓音樂廳低4 dB，差別很大。要知道樂隊規(guī)模加倍所增聲級才3 dB。樂隊如果在舞臺聽到同樣的聲壓級，在阿姆斯特丹音樂廳必定要發(fā)出更大的聲音，由于大廳本身的G值（反映大廳所起到的聲音放大作用）也很大，因此，在觀眾區(qū)的聲壓級應(yīng)該是最大的（但還是在人耳可接受的范圍內(nèi)）。而聲壓級大可提高觀眾的混響感知。

圖21 阿姆斯特丹音樂廳計算機模擬聲學(xué)參量彩色網(wǎng)格圖（1 000 Hz）

表7 各測點的空間感聲學(xué)參量模擬數(shù)據(jù)列表

當(dāng)然，這只是阿姆斯特丹音樂廳混響感強的一個方面，其他方面的探索還有待進一步研究。

7 各個區(qū)域的聽感分析

很多人經(jīng)常會問“在音樂廳看演出，坐在哪些位置聲音效果比較好？”雖然計算機模擬結(jié)果并不是完全準(zhǔn)確，但也可以反映一定的規(guī)律。圖21為阿姆斯特丹音樂廳計算機模擬的聲學(xué)參量彩色網(wǎng)格圖。由于ODEON模擬軟件不能模擬空間感兩個參量的彩色網(wǎng)格圖，只能通過計算并用表7來表示。

通過表8中各觀眾區(qū)的聲學(xué)參量的對比分析可以看出：池座中后部的位置各種聲學(xué)參量較好；樓座除了環(huán)繞感稍差，其他聲學(xué)參量都比較好。樓座環(huán)繞感稍差是因樓座位置太靠近后墻，故來自后方的反射聲相對較少所致。

由于阿姆斯特丹音樂廳寬度為27.2 m，從圖22和圖23可以看出，在正廳池座的前中區(qū)和舞臺后區(qū)前部都有可能產(chǎn)生回聲，干擾音樂的欣賞效果（注：當(dāng)Echo參量大于1，超過50%的觀眾會因回聲而煩惱；大于1.5，超過90%的觀眾會因回聲而煩惱）。

表8 各觀眾區(qū)的聲學(xué)參量對比列表

圖22 Echo參量彩色網(wǎng)格圖（1 000 Hz）

圖23 池座前中區(qū)測點1反射聲序列圖

事實上，由于建造阿姆斯特丹音樂廳的年代尚未有成熟的建筑聲學(xué)研究（其實至今仍然沒有完全了解），所以音樂廳完工之后聲學(xué)效果并不佳。后來投入了大量精力去微調(diào)聽覺效果，逐漸贏得了大家的認(rèn)可。為了保持良好的聲學(xué)效果，在后續(xù)的整修工程中特別注意不能修改過去內(nèi)部裝潢所使用的素材。

筆者希望通過對阿姆斯特丹音樂廳做計算機聲場模擬，探索分析其美妙音質(zhì)的內(nèi)在原因，以供業(yè)內(nèi)人士參考借鑒。

致謝：建立計算機模型主體由金瑞完成，文立森又根據(jù)筆者現(xiàn)場實拍的照片進行修整，對兩位的辛勤工作謹(jǐn)致謝意。

[1]LEO BERANEK. CONCERT HALLS AND OPERA HOUSES (First Edition).

[2]LEO BERANEK. CONCERT HALLS AND OPERA HOUSES (Second Edition).

[3]王季卿. 音樂廳音質(zhì)設(shè)計進展及問題探討[J].聲學(xué)技術(shù),2016(10).

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[7]陳一乾,戴璐,孟子厚. 混響效果低頻音量對主觀混響感的影響[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2017(10).