多功能劇場聲學(xué)設(shè)計研究
——以閩清科技館劇場為例

宋 洋

(福州市建筑設(shè)計院 福建福州 350011)

0 引言

舞臺藝術(shù)是以視覺與聲音為媒介，向觀眾呈現(xiàn)出藝術(shù)家們演繹的劇本中的世界。臺框作為一面窗口，是替代觀眾認知的現(xiàn)實空間的虛擬世界。但是，舞臺又是一個真實存在的物理空間，無法構(gòu)建還原虛擬的故事空間。而聲音媒介不同，沒有物理空間的局限，可以將舞臺的虛擬空間拓展至無限，從而還原宏大而真實的故事場景，為觀眾營造出強烈的代入感。這是聲學(xué)設(shè)計的意義所在。一個好的觀演建筑的設(shè)計，必定是以聲學(xué)設(shè)計為導(dǎo)向的。

閩清科技館位于福州市閩清縣梅溪新城，集規(guī)劃館，科技館，多功能劇場三大功能為一體，是閩清新的高雅藝術(shù)殿堂和政治生活中心。該項目獲得福建省第十二屆優(yōu)秀建筑創(chuàng)作獎一等獎。

1 如何評價室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計

1.1 評價室內(nèi)聲學(xué)的技術(shù)指標(biāo)

1.1.1混響時間

混響時間是評價室內(nèi)音質(zhì)一個重要參數(shù)。適當(dāng)?shù)幕祉憰r間，可以展現(xiàn)音樂作品樂符間的融洽合一，或展現(xiàn)演講者聲音的渾厚有力。但過長的混響時間勢必會掩蓋后續(xù)的聲音內(nèi)容，使聲音喪失清晰度，對傳達的信息造成影響。一般來說，最佳混響時間是以500Hz的聲音頻率測得參考數(shù)值。

對于歌劇院，一種認為以唱詞清晰度為主，采用短混響1.1～1.3s，另一種認為，應(yīng)該以音樂的豐滿度為主，采用較長的混響1.5～1.6s。兩種觀點各抒己見，但由此可見，以音樂為主的廳堂混響時間要長于以語言為主的混響時間。

根據(jù)賽賓公式，Rt=0.161×V/(Axa),混響時間主要受廳堂容積和室內(nèi)界面材質(zhì)影響，合適的容積可以減少對吸聲材料、聲反射板等手段的依賴，從而達到最佳的混響時間。

1.1.2聲音明晰度

早期聲能和總聲能的比，用C80表示。早期聲是直達聲到達之后80ms之內(nèi)聽到的聲音。如果沒有混響，聲音會很清晰，C80會是一個很小的值。反之，如果混響時間很長，則聲音不清晰，C80會是一個很大的值。

1.1.3聲場均勻度

聲源在室內(nèi)發(fā)聲，會形成復(fù)雜聲場。室內(nèi)的任何一個部位，都是由直達聲、反射聲和混響聲組成。如果室內(nèi)各個部位聲壓級相同，即室內(nèi)聲場分布均勻。不同類型觀眾廳混響時間設(shè)計推薦如表1所示。

表1 不同類型觀眾廳混響時間設(shè)計推薦①

1.2 聲學(xué)缺陷

如果觀眾廳體型設(shè)計不妥，就會引起聲學(xué)缺陷，具體表現(xiàn)為回聲、聲焦聚及耦合效應(yīng)。

1.2.1回聲

人對回聲的察覺，取決于反射聲的延遲和聲功率。當(dāng)時間延遲超過1/15S(聲程差23m)，就有出現(xiàn)回聲的危險。例如劇院由于來自后墻的延時反射，前排席位的觀眾就可能聽到回聲(因此觀眾廳后墻多為吸聲材料飾面)。因此，可以將直達聲傳播路程做聲線分析來做簡單的估算。

除了明顯的回聲，中等延時的反射聲也有可能使人們聽聞的語言變得模糊。因此，應(yīng)當(dāng)注意避免在直達聲后延時1/30s～1/15s(相當(dāng)于聲程差12m～23m)的響度過大反射聲。一般來說，這種近似回聲是由側(cè)墻或位置過高的吊頂反射引起的。對此，設(shè)計可以采用凸面處理來避免這些聲學(xué)缺陷。

1.2.2聲焦聚

反射聲經(jīng)過曲率過小的曲面，焦點處的聲壓級會遠大于其他各處的聲壓級，破壞了廳內(nèi)的聲場均勻度。這種情況常常來自于弧面的觀眾廳后墻、側(cè)墻(鐘型觀眾廳平面)，或是樓座挑臺的欄板。為避免這種情況，一種辦法就是控制曲率，使凹曲面的焦點在觀眾廳之外。另一種辦法即在凹曲面做凸面體聲擴散，或是做吸聲處理。

1.2.3耦合效應(yīng)

耦合效應(yīng)，是兩個相鄰的空間混響時間不一致時，在混響時間短的空間內(nèi)感到來自另一個空間的混響聲的現(xiàn)象。因此，要保證觀眾廳和舞臺兩個巨大空間混響時間的一致性。

1.2.4噪聲

噪聲嚴格意義上來說不屬于聲學(xué)缺陷，其分為背景噪聲和侵擾噪聲。背景噪聲是觀眾廳內(nèi)部使用人員引起的，如腳步聲、座椅翻動聲、門的抨擊聲等，消除該噪聲辦法，主要應(yīng)由使用者自己控制。設(shè)計也可設(shè)法降低這種噪聲，例如在翻動的席位背面安裝橡皮止動器等。侵擾噪聲是指觀眾廳外界的噪聲干擾，包括交通噪聲和門廳，過道、樓梯間、放映間、布景間的噪聲。評價噪聲的指數(shù)為NR數(shù)，這是國際標(biāo)準化組織(ISO)推薦的一組曲線，用于評價噪聲的可接受性以保護聽力和保證語言通信，避免噪聲干擾，如表2所示。

表2 不同類型觀眾廳NR數(shù)限值②

2 聲學(xué)設(shè)計專業(yè)方法

2.1 觀眾廳平面和剖面的聲線作圖

幾何聲學(xué)的原理就是把聲音看成光線一樣直射和反射。聲線分析即是檢查觀眾廳內(nèi)反射聲線是否均勻，是否存在聲學(xué)缺陷。不過，幾何聲學(xué)只是聲學(xué)設(shè)計的驗證方法之一，對于建筑師來說，可以作為一種劇場聲學(xué)初步設(shè)計的方法來驗證觀眾廳的形體是否合適。真正要完善聲學(xué)設(shè)計，還需要依靠其設(shè)計方法和設(shè)備檢驗。

2.2 實物縮尺模型

實物縮尺模型，是按一定的比例制作的、內(nèi)部形狀和內(nèi)表面材料和實際廳堂一一對應(yīng)的模型。這個比例稱為縮尺比。聲學(xué)模型依據(jù)的基本等式是聲速=距離/時間=頻率×波長。當(dāng)聲波在傳播過程中遇到障礙物，其變化特征取決于障礙物尺寸和聲波波長之間關(guān)系。所以，波長必須按距離的縮尺比例考慮。測試人員在一個密閉無反射的房間內(nèi)演奏，聲音頻率按照縮尺比提高n倍后進入縮尺模型，通過接收器后再以縮尺比換算成正常頻率進入人耳，從而模擬出真實條件下人耳的聽聞效果。

2.3 計算機聲線模擬

早期的室內(nèi)聲場模擬，主要依靠室內(nèi)統(tǒng)計學(xué)縮尺模型來完成。該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。不過成本較高，所需實驗設(shè)備多，往往只能在一些重要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字技術(shù)對室內(nèi)聲場環(huán)境進行計算機模擬成為可能，并將大大降低經(jīng)濟成本，減少時間，為建筑設(shè)計提供必要的指導(dǎo)。

3 室內(nèi)聲學(xué)為導(dǎo)向的觀眾廳設(shè)計——以閩清科技館劇場為例

觀眾廳的設(shè)計包括尺度、平面、剖面，是基于觀眾的視覺體驗和聽覺體驗，同時還必須兼顧結(jié)構(gòu)體系，施工條件以及建筑環(huán)境等。

3.1 確定混響時間

以語言為主與音樂為主多功能劇場所需的音效條件顯著不同，即使是同一表演形式的音樂，音效要求也差別很大。但是，不管對于語言還是音樂，所有頻率聲音的增長和衰減不能太死板，也不能太跳躍。

多功能劇場表演形式并不是唯一的，所以其混響時間有一個可調(diào)范圍，但過長的混響時間差在技術(shù)上有較大的實現(xiàn)難度，比如交響樂的混響時間上限值是1.9s，會議報告的混響時間下限值是1.0s，兩者相差0.9s。采用一般的可變吸聲結(jié)構(gòu)比較難以實現(xiàn)，必須改變?nèi)莘e和設(shè)置混響室，這就加大了投資。但一般來說，可調(diào)幅度在0.4～0.5s之間是容易實現(xiàn)的，可采用的構(gòu)造有幕簾可調(diào)結(jié)構(gòu)，翻版可調(diào)結(jié)構(gòu)，百葉可調(diào)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)可調(diào)結(jié)構(gòu)等。

(1)閩清科技館劇場混響時間確定

作為多功能劇場，用于文藝演出使用時，要求室內(nèi)聲場有足夠的音樂豐滿度，根據(jù)《劇場、電影院、多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，依據(jù)該劇場規(guī)?？傻檬覂?nèi)的最佳混響范圍為1.2s～1.6s(500Hz)。用于會議、放映使用時，必須滿足語言清晰度要求，才能保證會議聽眾能清晰準確地了解發(fā)言內(nèi)容。在會議過程中需要同期錄音時，室內(nèi)混響時間不宜過長，保證錄音效果。聲學(xué)方面要求廳內(nèi)避免聲聚焦、振顫回聲、聲場不均勻等聲學(xué)缺陷，根據(jù)《劇場、電影院多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，再依據(jù)該劇場規(guī)?？傻檬覂?nèi)的最佳混響范圍為1.1s～1.5s(500Hz)，該劇場要求滿足文藝演出、會議和放映的使用，其混響時間中頻(500Hz)確定為RT=1.2±0.1s;在低頻(中心頻率125Hz的倍頻帶)的混響時間應(yīng)有20%的提升。

3.2 空間尺度

根據(jù)賽賓公式，觀眾廳的容積影響混響時間，合適空間尺度的設(shè)計可以減少對聲材料，聲反射板等手段的依賴，從而達到最佳的混響時間。

(1)觀眾廳進深

觀眾廳的規(guī)模和使用性質(zhì)，是觀眾廳設(shè)計的先決條件，決定了觀眾廳的空間尺度。一個30排席位(排距按0.9m計算)的廳堂，如果不考慮房間界面的作用，在舞臺上用交談的口語聲級50dB說話，至最后一排席位降低至30dB，已經(jīng)比一個較為安靜的大廳里的背景噪聲還低。因此，在以自然聲為主的廳堂設(shè)計中，要設(shè)法縮短講堂至最后排席位的距離。即使在有擴聲系統(tǒng)的廳堂中，觀眾廳的進深也不是可以隨意加大的，還受到視距的控制。對于歌舞劇來說，觀眾要看清演員的動作，對于話劇來說，還要看清面部表情的變化。

(2)平面形式

在觀眾廳進深確定之后，要根據(jù)使用性質(zhì)和規(guī)模，結(jié)構(gòu)體系，施工條件以及建筑環(huán)境來確定平面類型。常見的平面類型有矩形、馬蹄形、鐘形、扇形等平面。規(guī)模小的觀眾廳，矩形平面聲能均勻，座區(qū)前部反射聲空白小，側(cè)墻早期聲音的反射聲場均勻，因此親切感和明晰度較好。但是，隨著觀眾廳規(guī)模的增加，跨度加大(超過30m)，觀眾廳前區(qū)會出現(xiàn)早期反射聲的空白區(qū)，而且中軸上的座位直達聲和反射聲會產(chǎn)生較大的聲程差，導(dǎo)致聲學(xué)缺陷。因此，產(chǎn)生了削減前區(qū)兩側(cè)不良座席的變種，即扇形平面和楔形平面。然而，相對于矩形平面，扇形平面?zhèn)葔μ峁┑膫?cè)向反射聲較少，其音質(zhì)狀況和側(cè)墻傾角有很大的關(guān)系。擴大容量，必須增大傾角。但所增加的大多為大廳后部偏遠兩角區(qū)視聽條件均較差的席位。一般來說，傾角可采取以下值：

φ=5°～8°最佳傾角；

φ≤10°聲音反射效果好；

φ≥15°反射吊頂?shù)蜁r候可采用，因為頂棚越低越有利于前次反射聲；

φ=22.5°超過此值反射區(qū)域減少。前中區(qū)側(cè)向反射聲空白區(qū)大，偏座席位增加，且看不到表演區(qū)深處。

若砍去扇形平面后部的偏座席位，則得到六邊形平面。傾斜的后墻能為中部座席提供較多的側(cè)向反射聲。平面比例改變時，反射聲區(qū)域也隨之改變。為使池座中前區(qū)得到短延時側(cè)向反射聲，應(yīng)控制觀眾廳寬度和前側(cè)張角[1]。

(3)剖面形式

觀眾廳的剖面形式和平面形式是相適應(yīng)的。當(dāng)平面形式有明顯的聲學(xué)缺陷時，剖面形式應(yīng)恰當(dāng)調(diào)整(例如當(dāng)觀眾廳中前部存在側(cè)向反射聲空白時，降低反射吊頂高度以獲得更多的前次反射聲)。800座以上宜設(shè)置樓座，樓座可以擴大容量，縮小視距，節(jié)約面積。同時，出挑的樓座欄板對觀眾廳的聲擴散和反射有利。但要注意，樓座上下空間高深比不宜過小。下空間≥1∶1.2～1.5，上空間≥1∶2.5，否側(cè)，后排席位有可能會處于聲影區(qū)范圍中。

(4)閩清科技館觀眾廳平剖面設(shè)計

根據(jù)項目立項文件的要求，閩清科技館多功能劇場定位為600座上下的小型乙等劇場。此等規(guī)模的劇場采用矩形平面合適，即：跨度24.8m，進深為31.2m。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單規(guī)整，前部座席反射聲空白區(qū)小。

3.3 室內(nèi)設(shè)計

室內(nèi)設(shè)計對音質(zhì)效果起最后把控作用，造型設(shè)計和材料選擇在強調(diào)藝術(shù)性的同時，要保證建筑聲學(xué)的功能性，同時避免聲學(xué)缺陷的產(chǎn)生。

(1)混響時間

觀眾廳室內(nèi)界面材質(zhì)影響混響時間。當(dāng)混響時間設(shè)計值和觀眾廳容積確定后，室內(nèi)吸聲系數(shù)值也相應(yīng)確定。一般來說，為了避免回聲，觀眾廳后墻布置為吸聲面，而吊頂布置為反射面。調(diào)節(jié)混響時間即調(diào)整觀眾廳側(cè)墻的吸聲面比例。

(2)早期反射聲

早期反射聲對于劇場中的聲學(xué)非常重要。因此，反射聲到達聽眾耳部必須有足夠清晰度，直達聲和第一次反射聲之間的時間間隔要小于20ms。早期反射聲可以通過定向反射結(jié)構(gòu)獲得，如側(cè)墻上的反射板和吊頂反射板(云反射板)。做觀眾廳聲線分析圖輔助設(shè)計，以確定吊頂?shù)母叨群驮煨?，兩邊?cè)墻的角度，確保座席收到合適的早期反射聲。

(3)聲場均勻度

聲擴散是觀眾廳獲得均勻聲場的保證。不規(guī)則的觀眾廳邊界有助于聲擴散，但同時會增加劇場的施工難度。在大廳邊界上設(shè)置幾何聲擴散體，球體表面具有最佳的聲擴數(shù)，但必須和聲波波長相匹配。不規(guī)則地配置吸聲材料可助于聲擴散，但擴散材質(zhì)應(yīng)采用厚重的材料，避免低頻聲被吸收，降低混響時間。

建立三維模型，模擬吸聲材料利用計算機進行分析，可以輔助設(shè)計，確認聲場均勻度達到標(biāo)準。閩清科技館多功能劇場，在倍頻程500Hz頻段內(nèi)的大劇場室內(nèi)觀眾席聲場均勻度均位于±3dB范圍內(nèi)，在倍頻程1000Hz頻段內(nèi)的大劇場室內(nèi)觀眾席聲場均勻度均位于±3dB范圍內(nèi)。模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)聲場均勻度滿足設(shè)計和使用要求。

3.4 隔聲降噪

閩清縣科技館位處快速路邊，為了避免交通噪聲對觀眾廳的影響，觀眾廳結(jié)合設(shè)備管井和聲控光控、放映室等房間不同需求，設(shè)置雙層墻來避免外界噪聲對觀眾廳的影響；劇場座椅下空間靜壓箱下的空調(diào)機房，墻面和吊頂，均采用吸聲材料。除了空氣傳聲，還應(yīng)當(dāng)避免空調(diào)機組的震動通過結(jié)構(gòu)傳聲傳至觀眾廳，對空調(diào)機組做減震處理，安裝橡膠或彈簧減震器，空調(diào)管道采用軟管連接，安裝彈性吊架，穿墻位置做彈性密封處理。

舞臺側(cè)臺道具出入口也是噪聲容易侵擾的入口。閩清縣科技館設(shè)計的道具出入口，面向城市快速路(受總平流線制約，無法避免)，容易受到來往車輛噪聲的影響，本應(yīng)設(shè)計聲閘來隔絕交通噪聲，但由于場地空間限制，沒有預(yù)留聲閘空間余地，只能采用隔聲卷簾來控制侵擾噪聲。舞臺內(nèi)部的噪聲指數(shù)還有待于后評估的測定。

4 結(jié)語

觀眾廳聲學(xué)設(shè)計是一項專項設(shè)計，在劇場設(shè)計的過程中與建筑專業(yè)和室內(nèi)設(shè)計專業(yè)需要相互配合。本文以建筑設(shè)計師的角度，介紹了觀眾廳聲學(xué)設(shè)計的基本原理，手段、流程和重點。建筑設(shè)計作為工程建設(shè)的龍頭專業(yè)，應(yīng)總體把控，協(xié)調(diào)各專業(yè)之間的矛盾。因此，掌握基礎(chǔ)的聲學(xué)設(shè)計原理十分必要。

本文僅對設(shè)計基本原理和設(shè)計要點進行簡析。隨著建筑技術(shù)，材料技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)設(shè)計可利用手段也在不斷更新。例如，閩清科技館多功能劇場的混響時間是定值，是平衡兼顧各使用功能的結(jié)果，而對于其它許多先進的多功能劇場，可采用可變吸聲體、聲反射罩等手段達到混響時間可變，提高對不同功能的適應(yīng)性[2]。當(dāng)然，建設(shè)成本也會相應(yīng)提高。因此，建筑師應(yīng)時刻關(guān)注新技術(shù)、新材料的發(fā)展，才能站在更高的維度，進行全過程、全專業(yè)把控。