基于ODEON 對(duì)典型宗祠戲場(chǎng)的聲環(huán)境仿真研究
——以紅安縣吳氏宗祠為例

彭 然，粟春燕，徐 偉*

1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.廣州艾濾聲聲學(xué)技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510000

中國(guó)傳統(tǒng)宗祠戲場(chǎng)以庭院式的觀(guān)演空間居多，其聲學(xué)特征與全開(kāi)敞的露天觀(guān)演空間和全封閉的廳堂觀(guān)演空間均有所不同：較之于前者，在庭院式觀(guān)演空間內(nèi)觀(guān)眾能夠接受到來(lái)自四面墻壁的部分反射聲，使之獲得更好的聽(tīng)音效果；較之于后者，在庭院式無(wú)頂空間中向上輻射的聲能會(huì)全部散失，最終形成不同于一般封閉空間的特殊混響場(chǎng)，也導(dǎo)致其產(chǎn)生的聽(tīng)音效果與在封閉空間中完全迥異。

進(jìn)行宗祠戲場(chǎng)的聲環(huán)境研究，并分析其作為中國(guó)傳統(tǒng)戲曲演出場(chǎng)所的一系列相關(guān)聲學(xué)指標(biāo)以明確其聲場(chǎng)特征，這對(duì)于當(dāng)代中國(guó)民族觀(guān)演建筑的聲學(xué)設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值。近年來(lái)，部分專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)我國(guó)各類(lèi)庭院式戲場(chǎng)進(jìn)行了一系列聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)量，并得出了許多具有啟發(fā)性的結(jié)論：如楊陽(yáng)等對(duì)山西傳統(tǒng)神廟戲場(chǎng)的聲環(huán)境測(cè)量［1］；張龍等［2］對(duì)德和園大戲樓等皇家觀(guān)演建筑的聲場(chǎng)對(duì)比測(cè)試與分析；劉海生等［3］對(duì)典型的庭院式戲場(chǎng)的音質(zhì)測(cè)試與分析。在以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的情況下，王季卿［4-5］、莫方朔［6］等對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)庭院戲場(chǎng)的聲學(xué)特征進(jìn)行了綜合歸納，主要涉及亭式舞臺(tái)的演唱效果、庭院戲場(chǎng)的混響感、不同戲場(chǎng)布局的聲場(chǎng)強(qiáng)度變化、伴奏樂(lè)隊(duì)位置變遷的聲學(xué)效果以及古代歷史中曾在舞臺(tái)下設(shè)甕助聲問(wèn)題的探究等，此外楊陽(yáng)［7-9］、蘭俊鑫等［10］基于科技史觀(guān)對(duì)古代戲場(chǎng)建筑聲環(huán)境營(yíng)造中的諸多傳統(tǒng)手法進(jìn)行了研究。但是，當(dāng)前基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)戲場(chǎng)的聲環(huán)境研究在國(guó)內(nèi)尚還處于欠缺狀態(tài)，而相比于實(shí)地測(cè)量，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的合理運(yùn)用對(duì)于未來(lái)民族觀(guān)演建筑設(shè)計(jì)中各類(lèi)聲學(xué)指標(biāo)的預(yù)判更有價(jià)值。

本文采用建筑聲場(chǎng)仿真軟件Odeon4.0，以湖北省紅安縣吳氏宗祠為例對(duì)其典型的庭院戲場(chǎng)進(jìn)行聲環(huán)境模擬，得出并分析其一系列關(guān)系聽(tīng)音品質(zhì)的主客觀(guān)評(píng)價(jià)值，然后探討此類(lèi)聲環(huán)境能否給人以良好的聽(tīng)音感受，最后提出自己關(guān)于傳統(tǒng)戲場(chǎng)的聲環(huán)境與我國(guó)戲曲演出特點(diǎn)之間內(nèi)在聯(lián)系及其相互適應(yīng)問(wèn)題的見(jiàn)解。

1 吳氏宗祠及其戲樓的建筑概況

吳氏宗祠始建于清乾隆二十八年（1763），后毀于火災(zāi)，又于清同治十年（1781）和光緒二十八年（1902）兩次重建，目前建筑整體保存良好，為湖北省重點(diǎn)文物保護(hù)單位。戲樓位于吳氏宗祠的第一進(jìn)，坐南朝北，并與宗祠的正殿相對(duì)，中間形成了約160 m2的庭院作為觀(guān)演空間，其兩側(cè)為看樓，并通過(guò)連廊和戲樓本體直接相通［11-12］。

戲樓的正中掛有金字匾額，名“觀(guān)樂(lè)樓”（見(jiàn)圖1）。其建筑主體為木結(jié)構(gòu)，色紅如鐵，平面為“凸”字形，分設(shè)前后臺(tái)，中間有板壁與左右兩上下場(chǎng)門(mén)相連。戲樓的前臺(tái)為重檐歇山灰瓦頂，面闊8 m，進(jìn)深5.7 m，臺(tái)面有木制直欞欄桿，檐下施九踩如意斗拱，正脊中置三層塔形寶頂；后臺(tái)則為硬山灰瓦頂，面闊15.6 m，進(jìn)深6 m。

2 建筑聲場(chǎng)仿真軟件Odeon 簡(jiǎn)介

Odeon 軟件的基礎(chǔ)是幾何聲學(xué)，其由虛聲源法與聲線(xiàn)跟蹤法相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算機(jī)聲場(chǎng)模擬并具備可聽(tīng)化功能。該軟件廣泛運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究領(lǐng)域，能夠?qū)缀涡误w較為復(fù)雜的劇院、音樂(lè)廳、教堂、地鐵站及各類(lèi)室外場(chǎng)所進(jìn)行仿真模擬。Odeon 的計(jì)算模型可以由3D 設(shè)計(jì)軟件SketchUp 或其他Cad 軟件導(dǎo)入，并在將各個(gè)建筑界面均賦予參數(shù)后通過(guò)仿真得出諸如混響時(shí)間t30、早期衰變時(shí)間tEDT、A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)LPA、A 計(jì)權(quán)后期側(cè)向聲壓級(jí)LPLLA、語(yǔ)言傳輸指數(shù)GSTI、明晰度C80、早期側(cè)向能量因子HLF等一系列聲學(xué)研究所需的指標(biāo)值。其輸出結(jié)果除以上指標(biāo)值還包括聲音的空間分布圖、聲音傳播的GIF動(dòng)畫(huà)以及雙耳或環(huán)繞可聽(tīng)化音效等。

3 研究模型的建立與相關(guān)參數(shù)設(shè)定

吳氏宗祠的戲場(chǎng)模型采用自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Autocad 建立，以三維面處理工具3Dface 定義平面，其觀(guān)演空間限定于戲樓、兩側(cè)看樓、宗祠正殿以及由此圍合而成的室外院落。中國(guó)傳統(tǒng)的戲曲唱腔力求聲音洪亮悠長(zhǎng)，因此聲源選擇指向舞臺(tái)正前方的高聲調(diào)語(yǔ)言聲“Talkraise”。聲源位于戲樓前臺(tái)的正中央，參照我國(guó)人體的平均高度取1.5 m，加之戲樓本身的3 m 臺(tái)高，聲源距離地面總高度為4.5 m。

吳氏宗祠的主體結(jié)構(gòu)為木質(zhì)薄板，僅其外部圍以抹灰磚墻，根據(jù)以上材質(zhì)在仿真中選擇了相應(yīng)的吸聲系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)［13］，而庭院上部的無(wú)頂空間則直接設(shè)置為全吸聲面。另根據(jù)吳氏宗祠的管理人員介紹，以往戲曲演出時(shí)宗祠內(nèi)常座無(wú)虛席，因此觀(guān)眾區(qū)域設(shè)置為滿(mǎn)場(chǎng)狀態(tài)（見(jiàn)表1）。

模型中共設(shè)置聲線(xiàn)15 000 條，脈沖響應(yīng)的采樣間隔為1.5 ms，背景噪聲采用NR-20 標(biāo)準(zhǔn)［6］。在觀(guān)眾區(qū)內(nèi)一共設(shè)置了13 個(gè)受聲點(diǎn)（見(jiàn)圖2），點(diǎn)1、2、4、5、6、7、8、9、10、11 位于戲場(chǎng)的首層，在考慮人的平均坐高后將其高度設(shè)置為1.25 m，這其中點(diǎn)1、2、7、8 位于宗祠的正廳內(nèi)，點(diǎn)4、5、6、9、10、11 位于露天的庭院之中；點(diǎn)13、3、12 則位于庭院一側(cè)的看樓之上，為有頂空間，受聲點(diǎn)的高度設(shè)置為4.5 m。另外點(diǎn)1、2、4、5、6 位于戲場(chǎng)的中軸線(xiàn)之上，其余受聲點(diǎn)則均勻分布在戲場(chǎng)的東側(cè)，因吳氏宗祠在空間布局上遵循嚴(yán)格的中軸對(duì)稱(chēng)，故其西側(cè)的聲音分布基本可參照東側(cè)的數(shù)據(jù)直接獲取。在對(duì)13 個(gè)具體受聲點(diǎn)位的各聲學(xué)指標(biāo)進(jìn)行詳盡模擬外，模型中還在建筑首層的整個(gè)觀(guān)眾區(qū)內(nèi)距離地面1.25 m 的坐席耳平面上以0.2 m×0.2 m 劃分了網(wǎng)格，以模擬得出由不同色塊所表示的各個(gè)聲學(xué)指標(biāo)值在整個(gè)觀(guān)眾區(qū)內(nèi)的分布與變化情況。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 混響時(shí)間t30和早期衰變時(shí)間tEDT

由模擬結(jié)果可知各受聲點(diǎn)的t30和tEDT值差異很大（見(jiàn)表2～3），這主要是因?yàn)樵撟陟魬驁?chǎng)為無(wú)頂?shù)陌腴_(kāi)敞空間，因此其不同于均勻的擴(kuò)散場(chǎng)，混響公式無(wú)法完全適用，戲場(chǎng)中的混響體驗(yàn)僅局限在少數(shù)早期反射聲所形成的效果上。此類(lèi)場(chǎng)所中后期反射聲多難以為繼，因此早期反射聲對(duì)于聽(tīng)音起著重要的主導(dǎo)作用，故而tEDT較之于t30是更為合理的音質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由圖3 可知t30的混響時(shí)間頻率特性曲線(xiàn)較平直，低頻段的混響時(shí)間也很短，這主要是因?yàn)閰鞘献陟糁黧w為木質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造形式對(duì)于低頻聲的吸收效果明顯；而tEDT反映的是早期反射聲所產(chǎn)生的混響效果，木質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)對(duì)于低頻聲的吸收效應(yīng)尚不明顯，因此其頻率特性曲線(xiàn)呈現(xiàn)中低頻段略有提高的態(tài)勢(shì)。點(diǎn)1、2、7、8 因位于室內(nèi)，其tEDT值較之開(kāi)敞庭院中的點(diǎn)4、5、6、9、10、11 和看樓上的點(diǎn)3、12、13 略大，這說(shuō)明圍合空間能夠產(chǎn)生更好的混響體驗(yàn)。但是這13 個(gè)受聲點(diǎn)的tEDT值在總體上都偏小，多在1.5 s 以?xún)?nèi)，高頻段更是普遍降至了1 s 以?xún)?nèi)，其原因除開(kāi)敞的庭院空間導(dǎo)致聲能散失外，也在于建筑主體的木質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)和滿(mǎn)場(chǎng)觀(guān)眾席分別對(duì)低頻和高頻聲有較多的吸收。其中點(diǎn)6 和11 的tEDT值最小，主要因?yàn)檫@2 個(gè)點(diǎn)基本位于庭院正中心，導(dǎo)致其能夠接收到的早期反射聲極為有限，造成了混響感的缺失。

表2 各受聲點(diǎn)的混響時(shí)間值匯總Tab.2 Summary of reverberation time values of each sound receiving points

表3 各受聲點(diǎn)的早期衰變時(shí)間值匯總Tab.3 Summary of early decay time values of each sound receiving points

圖3 不同倍頻帶下各受聲點(diǎn)的混響時(shí)間和早期衰變時(shí)間均值變化曲線(xiàn)Fig.3 Mean value curves of reverberation time and early decay time of each sound receiving point in different octave

4.2 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)LPA與A計(jì)權(quán)后期側(cè)向聲壓級(jí)LPLLA

根據(jù)圖4 中A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)LPA與A 計(jì)權(quán)后期側(cè)向聲壓級(jí)LPLLA在觀(guān)眾區(qū)的數(shù)值分布可知聲源的指向性對(duì)于聽(tīng)音效果的影響極為明顯，其表現(xiàn)在舞臺(tái)兩側(cè)區(qū)域的LPA值普遍在40 dB 以下，較之于庭院中央驟降了約15 dB，已產(chǎn)生了嚴(yán)重的音質(zhì)缺陷。舞臺(tái)正前方貼近臺(tái)口處的LPA值也較低，這主要是因?yàn)槲枧_(tái)位于戲樓二層，故其正下方同樣處于聲源的指向性范圍之外，難以獲得良好的聽(tīng)音體驗(yàn)。除了以上特殊點(diǎn)位，整個(gè)觀(guān)眾區(qū)的LPA值總體上隨著與聲源距離的增大而衰減，在庭院中基本可以達(dá)到48 dB 以上，而正廳中則普遍位于44～48 dB 之間。

圖4 觀(guān)眾區(qū)聲壓級(jí)分布：（a）A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，（b）A 計(jì)權(quán)后期側(cè)向聲壓級(jí)Fig.4 Distribution of sound pressure level in audience area：（a）A-weighting sound pressure level and（b）A-weighting late lateral sound pressure level

語(yǔ)言聲級(jí)一般要達(dá)到50～65 dB，且信噪比達(dá)到10 dB 以上才能夠使人獲得較清晰的聽(tīng)音體驗(yàn)；而音樂(lè)聲級(jí)則標(biāo)準(zhǔn)更高，往往需要達(dá)到75～96 dB才能夠?qū)崿F(xiàn)演出效果［6］。雖然通過(guò)模擬可知在人的正常發(fā)音情況下吳氏宗祠戲場(chǎng)無(wú)法滿(mǎn)足以上的聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，但是在我國(guó)傳統(tǒng)戲曲演出中演員聲音十分洪亮，其聲功率值往往會(huì)超過(guò)模型中所采用的TALKRAISE 聲源，因此其觀(guān)眾區(qū)內(nèi)的聲壓級(jí)分布預(yù)計(jì)可以滿(mǎn)足正常的演出要求。另一方面，該模型中整個(gè)觀(guān)眾區(qū)的LPLLA值分布比較均勻，但是基本都在40 dB 以下，可見(jiàn)戲場(chǎng)中的后期側(cè)向聲能獲得情況普遍不佳。

4.3 語(yǔ)言傳輸指數(shù)GSTI和明晰度C80

根據(jù)圖5 中語(yǔ)言傳輸指數(shù)GSTI在觀(guān)眾區(qū)的數(shù)值分布可知庭院中的語(yǔ)言清晰度是最好的，其值可達(dá)到0.60 以上，在語(yǔ)言清晰度評(píng)價(jià)體系中屬于“良”和“優(yōu)”的標(biāo)準(zhǔn)，這主要與該區(qū)域離聲源較近而獲得了較強(qiáng)的直達(dá)聲且其在開(kāi)敞的空間內(nèi)能夠大幅度避免混響的干擾有關(guān)，但是舞臺(tái)兩側(cè)由于聲源的指向性因素導(dǎo)致GSTI數(shù)值明顯偏低至0.40以下。正廳中部的GSTI值同樣不夠理想，但正廳兩側(cè)的GSTI值較高，這主要是因?yàn)槁曇魝髦琳龔d后直達(dá)聲的強(qiáng)度早已減弱至難以給予人清晰的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)，這種情況下由側(cè)墻處所帶來(lái)的后期反射聲反而能夠增強(qiáng)語(yǔ)言的清晰度。

位于宗祠正廳中央?yún)^(qū)域的受聲點(diǎn)1、2、7、8 的C80值最低，從這4 個(gè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng)圖和前次反射聲時(shí)間圖譜可以看出其接收的早期反射聲相比于后期反射聲明顯不足。而位于庭院和看樓上的其他9 個(gè)受聲點(diǎn)所接收到的直達(dá)聲強(qiáng)度更大，且混響時(shí)間較短，因此其C80值更為理想。

圖5 （a）觀(guān)眾區(qū)語(yǔ)言傳輸指數(shù)的分布，（b）早期側(cè)向能量因子的分布Fig.5 Distribution of（a）Language transmission index，（b）early lateral energy factor

除此之外也可看出在整個(gè)觀(guān)眾區(qū)內(nèi)低頻段的C80值普遍低于高頻段的C80值（見(jiàn)表4），但是這對(duì)于中國(guó)傳統(tǒng)的戲曲演出影響并不大，因?yàn)楦鲃》N的唱腔基本都是以高音為主，這也正是中國(guó)古代戲場(chǎng)在不使用擴(kuò)音設(shè)備的情況下也能使后部觀(guān)眾聽(tīng)清唱詞的原因之一。

4.4 早期側(cè)向能量因子HLF

根據(jù)圖5 中早期側(cè)向能量因子HLF在觀(guān)眾區(qū)的數(shù)值分布可知庭院中央處的HLF值偏低，這主要是因?yàn)槠渚嚯x側(cè)墻較遠(yuǎn)，所能夠接收到的早期側(cè)向反射聲很少。而位于看樓上的受聲點(diǎn)3、12、13 的HLF值則較高（見(jiàn)表5），說(shuō)明在看樓上觀(guān)戲除了能夠獲得更好的視線(xiàn)外，其空間感體驗(yàn)也更佳。

表4 各受聲點(diǎn)的明晰度值匯總Tab.4 Summary of clarity values of each sound receiving point

表5 各受聲點(diǎn)的早期側(cè)向能量因子HLF值匯總Tab.5 Summary of early lateral energy fraction values of each sound receiving point

5 結(jié) 論

由以上模擬結(jié)果可知宗祠中典型的庭院式戲場(chǎng)由于其開(kāi)敞的空間而導(dǎo)致混響時(shí)間較短，且戲曲演出往往會(huì)聚集大量人群，而人群對(duì)高頻聲的吸收效果明顯，因此如果庭院面積較大，則位于庭院后方的觀(guān)眾會(huì)感到聲音響度不足。但是中國(guó)傳統(tǒng)戲曲一般以嚴(yán)格的“程式”執(zhí)行演出，演員們活靈活現(xiàn)且略為夸張的舞臺(tái)表演有助于觀(guān)眾理解一部分原本需要依靠聲音傳遞的信息［14］。再者，中國(guó)戲曲十分重視唱腔的洪亮與氣息的悠長(zhǎng)，如葉調(diào)元在清道光十九年旅漢時(shí)所作的《漢口竹枝詞》便記載有：“曲中反調(diào)最凄涼，急是西皮緩二黃，倒板高提平板下，音須圓亮氣須長(zhǎng)”。其中“音須圓亮”可彌補(bǔ)位于后場(chǎng)的聽(tīng)眾難以獲得足夠響度感的缺陷，而“氣須長(zhǎng)”則意味著演員唱腔中已經(jīng)帶有一定的混響特征，可平衡觀(guān)眾區(qū)內(nèi)混響感不足的問(wèn)題，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)戲曲中本身便夾雜著大量道白，這也要求觀(guān)眾區(qū)不能如現(xiàn)代的音樂(lè)廳一樣擁有過(guò)長(zhǎng)的混響時(shí)間。

中國(guó)傳統(tǒng)建筑重視平面上的延伸，而罕見(jiàn)對(duì)于垂直高度的追求，因此其庭院式觀(guān)演空間的側(cè)墻往往不高，如果庭院面積過(guò)大則庭院中央很少能夠獲得足夠的早期側(cè)向反射聲，導(dǎo)致庭院中的聲音空間感受容易不足［15］。另一方面，中國(guó)傳統(tǒng)建筑以木構(gòu)居多，木質(zhì)板材對(duì)低頻聲的吸收效果明顯，會(huì)減弱聲音的溫暖感，并導(dǎo)致低頻段的語(yǔ)言清晰度不足，但是中國(guó)傳統(tǒng)戲劇的演唱大量應(yīng)用被稱(chēng)之為“高調(diào)”的假聲，使得聲音的中高頻能量居多，可以很好的彌補(bǔ)這一缺陷。綜上所述，中國(guó)傳統(tǒng)的建筑空間營(yíng)造與其戲曲演出形式之間是能夠相互契合的。