大连经济开发区文化中心大剧场的声学设计

1 概述

大连经济技术开发区位于大连市新区，是未来大连城市经济和人口的发展方向。文化中心坐落于开发区的行正中心区，由加拿大设计大师埃里克森设计，总建筑面积81000㎡，总投资近10亿元。

大剧院是大连经济开发区文化中心观演区的核心部分，其功能以自然声演出歌剧、交响乐为主，兼顾大型文娱演出、会议等。观众厅最大容量1317座，固定座位1238座，其中池座788座，二层楼座120座，三层楼坐330座，乐池可容纳79个活动座位。观众厅有效容各11318m3,加上舞台音乐罩后为12668m3，相应的每座容积分别为9.14m3/座和10.23m3/座。观众厅最大宽度为29m。池座后墙距大幕线（垂直距离）30m，二层楼座后墙距大幕线（垂直距离）30 m，三层楼座后墙大幕线（垂直距离S）33 m。二层楼座座眺台下开口的高深比为1：1.35，三层楼座眺台下开口的高深比为1：2.18。为适应自然声音乐演奏的需要，舞台设有活动音乐反射罩和升降乐池。音乐反射罩的材料为蜂窝铝板。

 

2 观众厅体形设计

为了使大剧院有一种比较古典的氛围和较强的环绕感，大剧院观众厅一层设计成六边形平面，二层及三层楼座设计成马蹄形跌落包厢。

大剧院体形的优点是观众席可以最大限度地接近演奏，以获得较强的直达声和良好的视线。但其问题是容易产生声学缺陷，尤其是楼座的弧形栏板，它的圆心位于池座观众席内，如不能很好地解决，很可能产生声聚焦，影响观众厅的音质效果。为了解决这个问题，我们采取了如下措施：

（1）       将一层后墙及二、三层环绕墙面设计为具有扩散作用凸弧形状，使得观众厅宏观上是凹弧形，而在微难上是凸弧形，既保持了有较结直达声的优点，又消除了声聚焦的缺陷。

（2）       将眺台栏板纵剖面设计成凸弧形，在不影响栏板反射功能的条件下，消除了声聚焦的隐患，提高了声扬的扩散度和均匀度。

 

3 声学装修设计

由于大剧院为多功能厅堂，必须同时满足自己声音乐、歌剧和其他文艺形式演出的声学要求。自然声音乐演出要求较长混响时间，歌剧演出要求适中的混响时间，而以电声为主其他文艺形式的演出需要较短的混响时间。考虑到装修效果的要求，在观众厅内没有设置转筒、百叶等幅度较大的混响调节装置，只在二、三层楼座的后墙，局部采用了帘幕式的混响调节装置，并通过在舞台上设置音乐罩调节观众厅的混响时间，但调节同度有限。计算中频混响时间调节幅度在0.25s左右，高频在0.35s左右，而低频在0.15s左右。

根据目前电声技术的发展，扩声系统可能在较长的混响条件下达到较好的音响效果，而自然声音乐演出时，如混响太短则很难保证演出的声学效果。所以混响时间设计指标主要偏重于自然声演出的长混响，在音乐厅形式（舞台上设置音乐罩，墙面吸声帘幕收起的状态）下，中频满场混响时间设计指标为1.7s±0.5s。

根据混响时间设计指标，观众厅的装修材料以声反射材料为主，台口两侧和一层墙面的装修材料为主，台口两侧和一层墙面的装修材料以木材为主，木材的厚度大于25mm。二、三层楼座的墙面表面为木格栅，木格栅后为可升降的空腹吸声帘幕，在长混响状态，帘幕可能性收藏到吊顶内。帘幕后为水泥抹灭墙面。

观众厅吊顶为集中式，呈圆形，吊顶材料为GRG石膏板。

 

4 计算机模拟

大剧院的计算机声学模拟采用比利时的声学模拟软件RAYNOISE 3.0，该软件主要基于几何声学和统计的方法，核心程序采用虚声源法和声线跟踪法相结合的算法。

软件可以进行5组声学参量的模拟计算，分别为（1）声压组：包括声压和声压级；（2）声压级组：包括声压级、噪声评价标准、噪声评价等级、直达声能量、总声能与直达声能比；（3）语言组：包括语言传输指数、清晰度、用于语言的回声评价标准、早期反射声能比；（4）音乐组：包括明晰度、侧向反射声标准；（5）混响时间组：包括基于不同时间段的各种混响时间和早期衰变时间。

建立三维模型时，在不影响模拟结果的前提下，对观众厅的体形作了适当的简化：将观众席的台阶作斜面处理，将曲面用小的平面拟合。建成的三维模型共有1755个平面界面围合而成。计算机模拟主要模拟自然声音乐演出时的声学参量，所以将舞台部分建成音乐反射罩的形式，建成的三维模型的顶视图、侧视图及轴测图。

模拟计算时赋予大剧院界面材料的吸声系见表1。

 

表1 观众厅界面吸声系数表

部位	材质	125Hz	250Hz	500Hz	1KHz	2KHz	4KHz
观众厅地面	地毯	0.02	0.06	0.15	0.25	0.30	0.35
舞台地面	架空木地板	0.15	0.10	0.10	0.07	0.06	0.07
观众厅墙面	木质实贴	0.10	0.07	0.05	0.05	0.04	0.04
眺台栏板	木夹板	0.15	0.11	0.10	0.07	0.06	0.07
吊顶	双层12石膏板	0.03	0.05	0.04	0.06	0.08	0.08
观众及座椅	观众坐在音乐厅椅上	0.63	0.74	0.82	0.85	0.86	0.86

 

表2混响时间模拟计算结果

项目	状态	倍频程中心频率（Hz）								平均
		63	125	250	500	1K	2K	4K	8K
混响时间（s）	A	2．01	1．88	1．77	1．71	1．56	1．52	1．50	1．22	1．59
	B	1．95	1．81	1．60	1．47	1．31	1．27	1．20	1．05	1．39
混响时间调节量（s）		0．06	0．07	0．17	0．24	0．25	0．25	0．30	0．17	0．21

 

计算机模拟项目包括混响时间、声压级分布、反射声序列、侧向反射声LE、明晰度C80等，模拟时声源为全指向性点声源，放置在舞台中线上，距大幕线1M。表2为混响时间模拟计算数据，模拟在两种状态下进行，音乐厅演出形式（A状态，舞台上设置音乐罩的状态）和歌剧演出形式（B状态：舞台上不设音乐罩）。模拟时在音乐厅演出形式（舞台上设置音乐罩的状态）下进行。

 

5 声学测量结果

5．1早期反射声序列测量结果

早期反射声序列（Reflectogram）通过脉冲测量获得，主要用来观察观众厅内不同位置反射声的分布情况，可以得出100MS内早期反射声的分布情况，可以得出100MS内早期反射声序列图。测量时声源有BDMSI-040528便携式脉冲声发生器，声源位置位于舞台正中大幕线后1M处，高度为1.6M；接收系统为ASW61声学测量工作点，测量时在池座布置之不了15个测点，二层布置了7个测点，脉冲测量分别在音乐演出状态（在舞台上安装音罩）和歌剧演出状态（在舞台上不安装音罩）图17为测点布置图。

5．2声音的响度：强度因子G

强度因子G 主要是量度大厅内的响度的声学量，其定义为：

       ∫ P2(t)dt

G=10lg              dB   (1)

       ∫PA2(t)dt

 

式中：

P为声源在比赛大厅测点处的声压，PA为声源在消声室10M处的声压。

强度因子G通过脉冲测量获得，测量方法与测点的布置与早期反射声序列的测量相同。Gmid是500Hz和1KHz的G因子的平均值，对响度起决定性的作用。音乐厅演出形式（舞台上设置音乐罩的状态）Gmid的最大值为6.76，最小值为2.11平均值为4.71，歌剧演出形式（舞台上不设音乐罩）Ｇmid的最大值为4.61,最小值为-1.56，平均值为1.68.一般音乐厅的Gmid值在４dB～5.5dB之间比较理想，而歌剧院的Ｇmid值一般低于音乐厅，所以从测试结果可能看出，大厅的响度是比较理想的。

 

５．３声音的亲切感：早期反射声初始延迟间隔▲t1

亲切感使在大型音乐厅内聆听音乐而有身处小房间的主观感觉，表示听者与演出者之间的认同感，早期反射声初始延迟间隔▲t1 是与亲切感有重要关系的声学量。其物理意义是第一个重要反射声学量。其物理意义是第一个重要反射声与直达声之间的距离，单位为ms，一般越短，亲切感越好，较好的音乐厅应小于25ms。

早期反射声初始延迟间隔▲t1  是通过脉冲测量获得，测量方法与测点的布置与早期反射声序列的测量相同。由于各测点的早期反射声初始延迟间隔▲t1 有较大的不同，所以一般用大厅池座正中，即一层眺台栏板之间半程位置处的早期反射声初始延迟间隔▲t1来说明大厅的亲切感的优劣，在本厅中该位置的反射声序列，音乐厅演出形式（舞台上设置音乐罩的状态）早期反射声初始延迟间隔▲t1为20ms,歌剧演出形式（舞台上不设音乐罩）为40ms.

5．4声音的丰满度：明晰度（Clarity）C80的测量结果

明晰度（Clarity）C80的定义为：

 

∫ P2(t)dt

 C80=10lg                   dB   (1)

 

             ∫P2(t)dt

 

其物理意义是80ms以前的早期反射声能与80ms以后混响声能的比值，主要用于评价声音的明晰程度。C80的值越大明晰度越好，而丰满度越好。对于音乐厅来说，空场的C80（3）（为50Hz、1KHz、2KHz三个频段C80的平均值）在-1dB～-2 dB之间比较理想。

明晰度通过脉冲测量获得，测量方法及测点的布置与早期反射声序列的测量相同，表3为明晰度测量结果。

表3 明晰度指标测量C80结果

频率（Hz）	125	250	500	1K	2K	4K	C80（3）	C80（6）
有音乐罩	-6.75	-1.56	-1.07	-1.12	-1.19	-0.11	-1.34	-2.07
无音乐罩	-4.75	0.86	1.45	2.12	2.39	3.49	1.99	0.93

注：表中C80 （3）为500Hz、1KHz、2KHz 3个频段的平均值，C80（6）为125Hz～4KHz 6个频段的平均值。

 

5．5混响时间测量

混响时间（Reverberation Time）分别在音乐厅演出形式（A状态，舞台上设置音乐罩的状态）和歌剧演出形式（B状态：舞台上不设音乐罩）两种状态下测量。测量声源为扩声系统的返送扬声器系统，放置在舞台正中大幕线后1M处,高度为1.6m,可以近似为点声源，接收系统为ASAW61声学测量工作站。测量在9个具有代表性的位置进行，其中池座6个，一层楼座3个。两种状态的测试结果详见表4和表5。

表4声源阻断法空场混响时间T60（实测）

 

项目	状态	倍频程中心频率（Hz）								平均
		63	125	250	500	1K	2K	4K	8K
混响时间（s）	A	2．36	2．26	1．87	1．98	1．83	1．83	1．79	1．19	1．82
	B	2．29	2．18	1．81	1．78	1．63	1．48	1．23	0．97	1．58
混响时间调节量（s）		0．07	0．07	0．06	0．20	0．21	0．36	0．56	0．23	0．24

表5声源断法满场混响时间T60（计算）

项目	状态	倍频程中心频率（Hz）								平均
		63	125	250	500	1K	2K	4K	8K
混响时间（s）	A	2．04	1．96	1．68	1．69	1．49	1．47	1．42	1．05	1．54
	B	1．98	1．90	1．63	1．53	1．34	1．22	1．02	0．86	1．36
混响时间调节量（s）		0．05	0．06	0．05	0．15	0．15	0．25	0．40	0．19	0．18

注：1、测量时只测量声混响时间，满场混响时间是根据观众的吸声增时折算。

2、平均值为125Hz～4KHz的平均值。

 

5．6自然声声场分布测量

声场分布测量在音乐厅演出形式（舞台设置音乐罩的状态）下进行。测试时声源为一个全频扬声器系统，放置在舞台正中大幕线后1M处，高度为1.6m,可以近似点声源，接收系统为ASAW61声学测量工作站。测量在观众席66个具有代表性的位置进行，其中池座37个，一层楼座18个，二层楼座11个。表6为声场分布测试结果。

 

表6自然声声场分布测试结果

区域	倍频程最大声压级差（dB）
	125Hz	250Hz	500Hz	1KHz	2KHz	4KHz	8KHz
池座	8.6	8.8	8.0	8.1	8.5	8.6	7.2
一层楼座	7.3	6.7	6.3	5.7	5.1	5.5	5.0
二层楼座	7.6	5.6	5.9	6.3	5.8	5.6	4.2
观众厅	10.6	10.1	9.8	8.5	8.7	9*.6	10.5

注：最大声压级差为最大声压级减去最小声压级（dB）。

 

6 结语

从上述测试结果可以得出：

（1）       观众席池座两侧区域、中区后部及楼座和二层各包厢的反射声分布情况较好，早期反射声较丰富，具有一定的丰满度，预计有较好的音质；在池座中区的前部，在舞台上未安装音乐罩时，早期反射声分布比较缺乏，在安装了音乐罩后有较明显的改善，脉冲响应的测试结果表明在观众厅的绝大部分区域都预计有较好的音质。

（2）       对于专业音乐厅来说，空场明晰度C80（3）在-1～-4之间比较理想，但由于C80（3）基本上都是在空场条件下测量的，所以座椅的吸声对C80（3）的影响较大。例如世界上最著名的四个音乐厅阿姆期特丹、波士顿、维也纳和苏黎世的座椅均为未包饰面的硬椅，C80（3）在-3dB左右，而一般音质较好的音乐厅的平均值为-0.5dB，本厅堂的音乐厅形式（舞台安装罩状态）时C80（3）的值为-1.34dB，基本与世界上音质较好的音乐厅的平均值一致。作为非专业音乐厅的多功能厅堂，C80（3）值为-1.34dB，对自然声音乐演出是比较理想的。

（3）       满场中频混响时间在音乐厅形式（舞台安装音乐罩状态）时为1.69s，作为非专业音乐厅，对自然音乐演出比较理想。在歌剧院形式（舞台未安装音乐罩状态）时为1.53s ,可以满足歌剧和其他舞台演出中的声学要求。

（4）       音乐厅形式（舞台安装音乐罩状态时），空场早期衰变时间EDT所确定的混响时间约为满场混响时间T60的1.5倍，这与大部分现代音乐厅的情况近似。

（5）       在自然声音演出状态（舞台安装音罩，可调混响装置调至全反射状态），强度因子Gmid的平均值为4.71dB之间，而据统计，大部分专业音乐厅因子的统计结果为3.5dB±1.5dB.

（6）       自然声声场分布在中高频声场较为理想，在池座和楼座分布都比较均匀，但楼座的声压级低于池座的声压级，测试结果还表明在包厢内有较高的声压级。

在古典剧场中，马蹄形剧场占有很大的比例，这种体形环绕感强，可以最大限度地接近观众与演员的距离，从而获得较强的直达声和良好的视线。但这种体形的问题是容易生产声聚集等声学缺陷，因而，在现代剧场中采用的比例相对较少。在本项工程的声学设计中，我们利用了解这种体形的优势，同时又采取措施消除了可能产生的声学缺陷。从测试数据可以看出，观众厅内Gmid较大，早期反射声初始间隔较小，这都说明了马蹄形剧场围绕感强的优点，从而反射声序列和声场分布的测试结果看，在观众厅内未发现声学缺陷。

资讯来源： 北京市建筑设计研究院声学工作