上海藝海劇院改造聲學設(shè)計與音質(zhì)效果

王尚岱，陳 陽（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032）

0 引 言

上海藝海劇院始建于 2001 年，地處上海市靜安區(qū)江寧路與康定路交匯處，緊鄰靜安體育中心，是當時一座較為完善的藝術(shù)劇院。劇院名為“藝海”，寓“藝術(shù)海洋、海納百川”之意。本次修繕工程緣起于第十二屆中國藝術(shù)節(jié)籌備工作。經(jīng)上海文廣演藝集團選報，上海市委宣傳部評選，藝海劇院被確認為第十二屆中國藝術(shù)節(jié)演出場館，因而需要接受全面修繕工作以提升品質(zhì)。

1 項目概況

上海藝海劇院建筑原為上海市文化大廈的 6 層裙房。上海市文化大廈由華東建筑設(shè)計研究院于 1998 年擔任設(shè)計工作，并于 2001 年建成，坐落于上海市靜安區(qū)江寧路與康定路交匯處，由高 24 層的辦公塔樓主樓與高 6 層的裙房構(gòu)成，建筑高度為 93.1 m（不含機房、水箱等各類設(shè)備用房），裙房高度為 28.3 m，總建筑面積為 38 334 m2。主樓地下 1 層，局部 2 層。

經(jīng)過 17 年的運營，上海藝海劇院內(nèi)的機械設(shè)備、安防設(shè)施等逐步落后于當前的標準，其室內(nèi)外裝修、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)備管路管道等都出現(xiàn)一定程度的老損，部分屋面板因長期受到風吹日曬而出現(xiàn)滲漏情況。為提升上海藝海劇院整體硬件品質(zhì)，緊跟話劇類劇院先進技術(shù)的時代步伐，同時更好地體現(xiàn)上海藝海劇院的特色，最終決定對上海藝海劇院進行提升修繕。

上海藝海劇院在本次修繕后，大劇場的使用功能將得到全面提升，主要在安全性、舒適性、專業(yè)性和科學性方面提升觀眾的感受度。從材料選型到設(shè)備安裝，全方位提升安防、消防系統(tǒng)的安全防范水平。舞臺設(shè)備和控制系統(tǒng)更新?lián)Q代，整體升級演出效果，滿足劇團更多的專業(yè)藝術(shù)追求，帶給觀眾更極致的視聽音畫體驗。根據(jù)上海藝海劇院十幾年的運營情況，改善、整合與優(yōu)化其功能配置，以便更好地發(fā)揮其使用功能。

對上海藝海劇院改造前的情況分析如下。

（1）藝海劇院觀眾廳可容納 1 066 位觀眾，其中樓座321 座、池座 735 座。后部觀眾廳容積約為 5 300 m3，前端舞臺空間容積約為 11 000 m3。

（2）廳內(nèi)建筑尺寸：池座長 26.5 m、寬 24 m、平均高 10 m。

（3）觀眾席為全臺階形式。池座設(shè)座位 20 排，樓座設(shè)座位 8 排。

（4）池座最后一排距離視點約 25 m，以滿足國家標準中關(guān)于話劇、戲劇場觀眾席距離視點不超過 28 m 的要求。

（5）樓座最后一排距離視點約 29 m，略大于國家標準中關(guān)于話劇、戲劇場觀眾席距離視點不超過 28 m 的要求。末排視角約 17°，滿足鏡框式舞臺的樓座后排視角宜≤30° 的要求。

（6）樓座下空間高深比 3 525 mm∶4 872 mm≈1∶1.38，＜1∶1.20，未滿足規(guī)范要求。

（7）觀眾席前部設(shè)有升降樂池，平均橫向開口尺寸寬度約為 12 m，縱向開口寬度約為 3.6 m，樂池開口面積為 43 m2。

（8）舞臺包括主舞臺、后舞臺和左右側(cè)舞臺。

（9）主舞臺柵頂標高 24.6 m，3 層天橋，標高分別為：8.1 m、10.9 m、15.3 m。

（10）劇場 3 組聲橋主擴線陣列揚聲器設(shè)于臺口前部天花內(nèi)，為暗藏式。

（11）音控室、燈控室均設(shè)置在池座后區(qū)的中央。

2 建筑聲學設(shè)計

2.1 聲學設(shè)計目標

劇院觀眾廳的聲學設(shè)計要確保整個觀眾席區(qū)域具有合適的響度、早期側(cè)向反射聲、混響時間和清晰度，并應(yīng)使舞臺上具有合適的聲支持度。演出時，觀眾廳及舞臺內(nèi)不得出現(xiàn)回聲、聲聚焦、顫動回聲等可識別的音質(zhì)缺陷。劇場設(shè)備噪聲和外界環(huán)境噪聲不得對劇場內(nèi)的音質(zhì)產(chǎn)生干擾[1]。為此，在綜合考慮改造后藝海劇院規(guī)模和使用功能的基礎(chǔ)上，設(shè)定了建聲技術(shù)指標（見表1）。

表1 本項目各主要用房音質(zhì)參數(shù)要求表

2.2 觀眾廳體型分析

廳堂中直達聲與反射聲的空間和時間分布狀況極大程度上決定了最終的音質(zhì)效果。一個良好的觀眾廳體形和表面的聲學性質(zhì)可以保證廳內(nèi)聲場時間和空間的均勻分布，也就決定了廳堂的優(yōu)良音質(zhì)效果[2]。語言清晰度和親切感主要與直達聲后 50 ms 以內(nèi)接收到的反射聲息息相關(guān)；音樂明晰度與直達聲后 80 ms 以內(nèi)接收到的反射聲相關(guān)聯(lián)；直達聲與強反射聲的時間差＞50 ms（即聲程差不應(yīng)超過 17 m）的強反射聲更容易被人耳分辨，形成聲音在聽覺上的不連貫性；直達聲與強反射聲的時間差＞100 ms（聲程差不應(yīng)超過 34 m）的強反射聲會被人耳分辨，形成回音[3]。以下是根據(jù)對藝海劇院觀眾廳進行聲線分析以評估觀眾廳體形對早期反射聲的影響。

首先，對側(cè)墻平面進行聲學分析。分析結(jié)果表明，劇場墻面反射聲在觀眾席主體區(qū)域分布連續(xù)且均勻，但觀眾區(qū)中心區(qū)域的前 4 排座位的早期反射聲主要從臺口八字墻前區(qū)反射而來，而這部分反射面面積較小，反射聲分散角度較大，致使中心區(qū)域的前區(qū)獲得的反射聲能量略低，因而需要從頂部進行補充。

其次，對吊頂面進行聲學分析。分析結(jié)果表明，劇場頂面反射聲在觀眾席主體區(qū)域分布連續(xù)且均勻，但部分反射聲與直達聲聲程差已達到 38 m，容易被聽覺敏感的觀眾察覺，因而需要加強反射聲表面聲學的微擴散處理。

最后，對側(cè)墻突出面進行聲學分析。分析結(jié)果表明，側(cè)墻造型下方的水平突出面向觀眾席進行了側(cè)向反射聲的補充，特別是部分反射聲進入樓座下方空間，對音控室、樓座下方的觀眾非常有利，但遺憾的是，部分反射聲與直達聲聲程差達到 19 m，容易被聽覺敏感的觀眾察覺，因而需要加強反射聲表面聲學的微擴散處理。

2.3 用材介紹

在裝飾設(shè)計階段中，劇場裝飾的構(gòu)造和其用料是影響音質(zhì)的關(guān)鍵因素。

（1）觀眾廳吊頂。吊頂在完成后應(yīng)成為一個封閉面，以免產(chǎn)生耦合效應(yīng)。根據(jù)建聲設(shè)計理論計算，要求天花選取面密度≥40 kg/m2的板材。板材可選擇厚度最小為 25 mm 的玻璃纖維增強石膏（Glass Fiber Reinforced Gypsum，GRG）或玻璃纖維增強混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete，GRC），A 級防火；或者其他同等面密度的板材。

（2）樓座下方吊頂。觀眾廳樓座下吊頂采用水泥壓力板或雙層厚度為 12 mm 的石膏板，結(jié)合厚度為 25 mm的 GRG 板（面密度≥40 kg/m2）吊頂完成面的組合形式。這樣既可以避免樓座送風管道噪聲對池座區(qū)域進行噪聲干擾，又可以達到聲學對吊頂完成面面密度的要求。

（3）觀眾廳側(cè)墻。通過理論計算，本劇場側(cè)墻墻面無需吸聲處理，建議采用厚度為 20 mm 的 GRG 板材，墻面面密度為≥30 kg/m2。弧形造型墻面應(yīng)當充分考慮聲擴散處理。聲學建議結(jié)合室內(nèi)設(shè)計，在墻面設(shè)計凹凸或曲面造型，有助于觀眾廳內(nèi)聲場的擴散。

（4）觀眾廳后墻。通過理論計算，本劇場后墻墻面100 m2需要進行吸聲處理，吸聲材質(zhì) 2 選 1：預制 GRG 穿孔板材（吸聲與聲擴散相結(jié)合形式）、A 級防火吸聲織物軟包吸聲板。

（5）觀眾廳欄板面。聲學建議欄板面做成擴散造型，微擴散凹凸起伏控制在 50 mm 以內(nèi)。

（6）觀眾廳地面。聲學設(shè)計要求地板選料為貼實材料或?qū)⒛君埞强涨粌?nèi)填實，以免因地板共振而吸收低頻。

（7）觀眾廳座椅。在保證舒適的基礎(chǔ)上，要求座椅的吸聲系數(shù)、吸聲量在聲學控制許可指標范圍內(nèi)。

（8）舞臺地面。舞臺地面的制作方法應(yīng)與舞臺的機械工藝充分結(jié)合。

（9）樂池。樂池必須在兩側(cè)墻和部分后墻的縮進部位進行一些吸聲處理。吸聲材料是厚度為 18 mm 的木穿孔吸聲板，后襯厚度為 100 mm 的吸聲空腔，吸聲空腔內(nèi)再填入厚度為 100 mm、密度為 40kg/m3的離心玻璃棉（外包玻璃絲布）。吸聲面積約占側(cè)墻面面積的 1/3～1/2，且分布均勻。

（10）舞臺墻體。重點是舞臺的吸聲，其做法如下：自地面上 3 m 以內(nèi)的墻面采用 25 mm 木絲板（表面噴涂水性涂料）＋75 系列輕鋼龍骨，龍骨內(nèi)填入密度為 40 kg/m3的離心玻璃棉（外包玻璃絲布）；3 m 以上至 2 層天橋以下的墻面采用厚度為 12 mm 的穿孔纖維水泥板（Fiber Cement Board，F(xiàn)CB）/石膏板（穿孔率P≥20%，孔徑約10 mm，表面涂刷黑色水性涂料）＋75 系列輕鋼龍骨，龍骨內(nèi)填入厚度為 100 mm、密度為40 kg/m3的離心玻璃棉（外包玻璃絲布）。

（11）面光橋。面光橋的長條內(nèi)壁面有可能引起不良聲反射，應(yīng)當在面光天橋內(nèi)壁面進行吸聲處理。

（12）音響橋。主音箱室位于臺口前上方，其內(nèi)壁面應(yīng)做吸聲層，聲輻射口采用全頻透聲優(yōu)良的音響布包蒙。

（13）觀眾廳臺口八字墻音響室。應(yīng)考慮對臺口八字墻音響室內(nèi)墻面和吊頂進行吸聲處理。

（14）觀眾廳聲閘。采用雙道門聲閘，要求整體隔聲性能 RW≥50 dBA，對聲閘內(nèi)墻面進行吸聲處理。

（15）控制室。聲控室地面采用架空防靜電活動底板，吊頂材料為玻纖吸聲板/礦棉吸聲板，后墻面實貼厚度為 25 mm 的阻燃裝飾吸聲板。

3 聲學計算機模擬

3.1 模擬方法

聲場的計算機模擬是通過建立實際廳堂的數(shù)學模型，然后按幾何聲學法則來模擬聲波在廳堂內(nèi)的傳播規(guī)律。本項目采用的聲學模擬軟件 ODEON14.0 兼有聲像法和聲線法的功能，并可采用 Lambert 散射算法，使得模擬的過程更加逼真，計算的結(jié)果也更加接近實測值。

3.2 模擬結(jié)果

模擬計算結(jié)果表明：RT（中頻）的平均值為 1.15 s，EDT（中頻）為 1.14 s，Gmid為 3.3，G125為 4.9，C80,3為4.5，清晰度 D50為 0.53，LFE4為 0.187。除此以外，未發(fā)現(xiàn)明顯的聲共振、聲聚焦等音質(zhì)缺陷。

通過分析觀眾廳室內(nèi)音質(zhì)計算機的模擬計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，RT（中頻）、EDT（中頻）、LFE4、D50等主要音質(zhì)參量的模擬計算結(jié)果基本符合建聲設(shè)計的目標值。

4 建筑聲學測量

在完成劇院整體項目改造后，對其內(nèi)部進行空場時的聲學性能測試。主要測試數(shù)據(jù)，見表2。

表2 劇場測試結(jié)果表

對測試結(jié)果進行分析，具體如下。

（1）在空場條件下混響時間及其頻率特性是一項極為重要的音質(zhì)評價指標。測試結(jié)果表明，觀眾廳的空場中頻T30約為 1.20 s，符合建聲設(shè)計目標值。進一步觀察分析混響時間的頻率特性：高頻 T30由于受到空氣吸聲的影響有一定的下降，低頻 T30值相對于中頻 T30值有一定提升。

（2）分析明晰度的測量結(jié)果，可得出廳內(nèi)音樂明晰度較高，音樂細節(jié)的可辨識度較高。

（3）語言清晰度達到了大于設(shè)計值要求的 0.58，說明廳內(nèi)觀眾能較好識別語言聲音。

（4）從聲學上來說，親切感較大程度上取決于初始時延間隙，該劇場測得的初始時延間隙值為 25 ms，而目前國際上最好的劇場中池座中心位置初始時延間隙范圍為15 ms～30 ms，該劇場的初始時延間隙值在該范圍內(nèi)。

（5）聲場力度、側(cè)向反射系數(shù)、雙耳特性指數(shù)都符合國際上較好劇院的要求。

測試結(jié)果表明，前期設(shè)計過程中聲學設(shè)計合理，無明顯的音質(zhì)設(shè)計缺陷和聲學計算失誤。后期改造過程中廳內(nèi)主要音質(zhì)參量的把控符合設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

針對上海藝海劇院改造項目存在的種種困難和限制，聲學設(shè)計師量身定制了各種專業(yè)的設(shè)計理念及方法，如期完成了聲學設(shè)計任務(wù)、達到了聲學設(shè)計目標。聲學計算機模擬和建筑聲學測量結(jié)果顯示，改造后劇院的混響時間等主要聲學參量均滿足聲學設(shè)計要求，可為未來演出營造良好的建聲環(huán)境。

由于受到原有建筑條件等原因的限制，藝海劇院的聲學性能未能得到進一步提高與改進。誠然，聲學設(shè)計在劇場的設(shè)計中有著舉足輕重的地位，但聲學性能并不是劇場的唯一標準，在盡量提升聲學性能的同時，如何保證劇院的其他功能和需求，如燈光的需求、舞美的需求、觀眾的視覺體驗等，也都值得進一步去研究和探索。