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北京保利劇院的廳堂聲學設計方案

發表于2015-11-16 10:24       |       40次閱讀      |來源:北京維也納聲學技術有限公司      |收藏
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                     保利劇院的建筑聲學設計方案
                          項端祈    王  崢    陳金京
                    (北京市建筑設計研究院  北京1000145)
   
摘要:保利劇院是一座繼承傳統歌劇院的良好品質、又能適應近代各種需求的專業歌劇院、兼供自然聲音樂演奏和戲劇演出。為確保劇院有良好的音質,從方案階段就開始聲學設計,并貫穿于設計、施工、試用調試的全過程,從而獲得了良好的音質。評價頗高,本文概要介紹保利劇院的聲學設計及從中取得的經驗。
關鍵詞:歌劇院,聲學設計,自然聲演出
                  Acoustical design for the Poly Theater
                 Xiang Duanqi    Wang Zheng     Chen Jinjing
       (Beijing InstitutesofArchitectural Design and Research,  Beijing 100045)
Abstract   Poly theater is an opera house specialized in natural sound and drama per-formances. The Theater not only inherits the quality of traditional opera house but also meets the various demands of modern times.To ensure the good acoustics in the theater,the acoustic design has been done form the very beginning of the schematic design and has been carried on during the design, construction and test states. Thus, good acoustic quality and high appraisal have been obtained.  This article will brief by mesent the acoustical design for Poly theater as well as our experiences during the designing.
Key words   Opera house, Acoustical design, Natural sound performance

                    北京保利劇院內景圖

     1  引言
    保利劇院是保利大廈的核心部分,它是在拆除音質極槽的原有劇場基礎上新建的現代化歌劇院。兼供自然聲音樂演奏和戲劇演出,因此,是一座音樂劇院,觀眾廳的最大容量為1428座(其中包括樂池升起時配置的108個座席),當用于歌劇演出時為1320座。有效容積為9270m3,用于交響樂演奏時容積為10910m3(包括閉合式音樂罩內的容積1640m3),每座容積分別為7.Om3(用于歌?。┖?.7m3(用于音樂)。
    劇院觀眾廳的圍護結構為六角形,但池座的平面近似于矩形。二層設樓座,三層設跌落包廂,池座前區兩側各設有小包廂,它緊挨后面的貴賓休息室。
    為適應自然聲音樂演奏的需要,舞臺設有“閉合式”活動舞臺音樂罩和升降樂池。

    為使自然聲歌劇演出和音樂演奏時的混響時間均能達到最佳值,觀眾廳內墻面上設有“百頁式”計算機可調混響裝置①(由北京自動化系統工程設計研究院設計。設計人為項昆(程序編制)和夏明(機械傳動))。
    在舞臺上配置的六條車臺,三個升降臺和后舞臺上的轉臺是為大型歌劇演出而設置的。
    劇院于2000年9月15日竣工,通過二周的聲學調試和各種工程設備的試運轉,于10月1日試用,10月15日正式啟用。

     2  保利劇院聲學設計指標的確定
    劇院觀眾廳的聲學設計指標是通過參考國外的經驗、結合國情,并經業主組織專門的研討會認定后確定的,各項指標如下:
    ·混響時間:劇院自然聲演出的中頻( 500Hz)混響為1.4s;交響樂1.7s和室內樂1.3s;其他戲劇為1.2s.低頻提升1.1倍(相對于中頻500Hz)。
    ·聲場不均勻度:廳內聲場不均勻度△Lp在125-4000 Hz頻率范圍內小于8dB。
    ·響度(音量感):表征音量最直接的指標是聲壓級。對于歌劇院目前尚無推薦的指標(音樂廳L.L.Beranek建議聲壓級峰值為77-80dBA),我們根據多年來實踐的經驗,確定為75dBA。
    ·噪聲級:背景噪聲低于25dBA,開空調時(達到使用工況)小于30dBA。
    ·明晰度(聲能比):  C80(3)在0一4.OdB。
    ·早期反射聲時延間隙;ti小于20ms。
    廳內應有良好的聲擴散和無音質缺陷。

    3  聲學設計概要
    聲學設計的程序是:體形設計一用材和可調混響方式的選擇—聲學計算(主要是混響時間的計算)一縮尺( 1:10)實體模型試驗—舞臺的聲學處理一配合工圖設計-一施工交底和現場中間試驗—聲學調試(聲學測定和試用)-竣工測定和聽取評價。
    (1)體形設計:對自然聲演出的歌劇院(或音樂廳)來說,體形設計至關重要,它要解決響度(音量)、聲強分布、聲擴散、早期反射聲的分布和消除音質缺陷等問題。同時,體形設計也是最能反映如何繼承傳統歌劇院的良好品質并加以發展的問題。
    傳統的馬蹄形多層包廂歌劇院形式之所以有巨大的生命力,其主要優點在于:縮短視距,增加直達聲強度而使后座有足夠的音量,大廳各界面有均勻的聲吸收,此外,還有觀眾對舞臺的圍合作用而產生親切感。它的缺點是:高層和臺口側座的視覺很差,穹頂和弧形圍墻不能給觀眾提供早期反射聲,難以設置多道面光和耳光,不能滿足現代歌劇演出的需要,對此,保利劇院采用三層樓座,兩側為跌落包廂,池座平面接近矩形,使前中座有足夠強和覆蓋面較大的側向早期反射聲。后面的弧形墻和包廂欄板設置擴散面,吊頂作雙向彎曲的定向反射面,加強后座的聲級。這些措施,消除了傳統歌劇院形式的缺點,繼承了視距短和良好圍合作用等的優點。圖1和圖2為觀眾廳的平、剖面和內景。

保利劇院觀眾廳的縱剖面圖

  保利劇院觀眾廳的平剖面圖

    (2)廳內各界面的用材和混響可調方式的確定
    由于自然聲歌劇演出和音樂演奏要求較長的混響時間,廳內各界面不設置吸聲材料(結構),這也有利于提高可調混響的幅度:臺口前側墻局部使用石材,其它墻面為抹灰涂料;木裝修均采用厚實木板或復合板,限止低頻的聲吸收;吊頂采用雙層9mm厚石膏板,外刷涂料。
    觀眾廳內最大的聲吸收是座椅,為此,對廠方提出了盡可能降低聲吸收的措施:即除座墊和靠背局部為軟墊外,其余均為硬木板,加工后的樣椅在本院混響室內實測的吸聲量,中、高頻偏高,對此,提出減少椅背軟靠墊50mm長,降低中高頻的聲吸收。初加工實測和修正后的吸聲量,以及在廳堂內實際的吸聲應用聲學量見表1所示。

保利劇院觀眾廳座椅的吸聲量測定值表
    為了使歌劇、音樂演出時的混響時間均能達到最佳值,并兼顧其它用途,可調混響幅度應為0.5s(1.2s-1.7s)。由于音樂演奏時,舞臺將配置音樂罩,根據經驗,它有可能使可調混響幅度提升0.15-0.2s,因此,廳內可調結構的實際可調量為0.3-0.35s。為了減少可調構造占用的空間,并在較小的處理面積上獲得較大的可變吸聲量,采用可調百頁的構造形式,它的構造見圖3所示(圖3上為平面配置,下為局部大樣)??刂品绞絼t采用國際上先進的“分布式計算機調控裝置”。

百葉可調結構的平面配置

可調百頁構造平面大樣

    (3)聲學計算和縮尺模型試驗
    在廳堂設計中,聲學計算主要是指混響時間的計算。(聲場計算目前還有爭議)。在廳內裝修基本確定后,進行混響時間計算是必要的,以便粗略地了解用材是否得當。但由于多種因素(公式推導時的假定,用材吸聲系數與實際差別等)通常有誤差。對此,當有條件時,應進行縮尺實體模型試驗,它可以較為可靠地提供中頻混響值。此外,縮尺模型對體型設計中可能存在的先天性缺陷有較好的鑒別能力。為此,當保利劇院初步設計提出后,當即進行了縮尺( 1:10)實體模型試驗,測試內容包括混響時間、聲場分布和脈沖響應三項,其中混響時間的測定由于頻率提高10倍,高頻僅測至20000Hz(相當于廳內的2000Hz),因高頻在空氣中衰減很大,根據《廳堂縮尺模型試驗測試規范)》進行了修正。
    關于聲場分布和脈沖響應測量的結果表明,與廳內現場測定值相當吻合,因此是今后縮尺模型試驗的主要內容(測量結果略)。
    (4)舞臺的聲學處理
    舞臺是聲源(歌劇演員和樂師)所處的位置,舞臺的聲學條件不佳,將難以控制演唱力度和演奏的平衡,以及舞臺上有限的自然聲能的逸散和吸收,嚴重影響觀眾廳內的聽聞效果。只有演得好,才能昕得好。因此,給舞臺創造良好聲環境,不可忽視。
    舞臺的聲學處理包括控制混響,消除音質缺陷和節約自然聲能等三方面內容:
    保利劇院舞臺的容積為43250m3,它是觀眾廳的4.6倍(不包括后舞臺3960m3),混響時間過長,而側臺之間因距離長而產生回聲。為此,均作了吸聲處理。達到降低混響使之接近觀眾廳內的混響時間,同時又消除了回聲的目的。
    對于自然聲演出歌劇和音樂,減少自然聲能在舞臺上的逸散和吸收是確保觀眾廳良好音質的重要條件。
    歌劇演出時,主要通過布景設計,在舞臺上的圍合空間來實現,由舞美設計師解決。
    音樂演奏時,則需在舞臺上設置活動的音樂罩,它的功能是隔離舞臺、節約自然聲能;為樂師創造良好的相互聽聞條件;以及給觀眾廳前區提供早期反射聲,從而增加親切感。
    舞臺音樂罩目前有輕型敞開式和重型閉合式的兩種。保利劇院采用后者,理由是盡可能減少自然聲能的損失和低頻的聲吸收,配置方式是頂板和后墻板整體吊置,平時懸吊在舞臺上空,側板為設有輪子推動的拼裝單元,音樂罩所占的面積是根據容納四管制樂隊和120名合唱隊的規模確定的。面積為210m2,其形式主要考慮有良好的聲擴散和有利于把融合的樂聲送至觀眾廳。

    4  配合施工圖設計,進行施工交底和現場中間試驗
    參與施工圖設計,對聲學工程進行施工交底,是貫徹聲學設計意圖、確保音質效果的重要環節,而現場中間試驗(廳內裝修即將完成時)則是糾正聲學計算、模型試驗中可能出現偏差的一種保險措施,使一旦出現的問題,在全部完工前解決,當裝修工程全部完工后再進行修改,通常要花費巨大的投資,影響啟用時間,有時甚至很難開展工作。因此,保利劇院在吊頂和側墻基本完成,腳手架拆除后,就進行現場中間試驗,內容包括混響時間和脈沖響應兩項,然后進行推算,預計最終達到的聲學指標,以及可能存在的問題。

保利劇院觀眾廳三種可調狀態下的實測混響時間

     5  聲學測試和初步評價
    保利劇院于2000年9月15日全部完工,留有兩周的聲學測試和試使時間,進行了各項聲學指標的測試,包括混響時間和可調幅度、聲場分布、脈沖響應和噪聲測定。測定結果完全達到設計指標,因而未作調試后的修改工作,測定數據即為竣工驗收的依據。
    測定結果如下:
    (1)混響時間和混響可調幅度
    混響時間測定是在廳內可調混響三種調節方式下進行的,即狀態A(百頁調至反射面),狀態B(百頁調至吸聲面)和狀態C(百頁和后墻吸聲面同時外露)。此外,對舞臺上有、無音樂罩也進行了對比測定,其結果是:
    中頻( 500Hz)最大混響時間,空場為2.08s,滿場為1.71s。

    中頻(500Hz)最短混響時間,空場為1.43s,滿場為1.18s。
    最大可調幅度平均為0.53s,舞臺上設置音樂罩后可提升混響時間0.2s??請龈鞣N可調狀態時的實測結果詳見圖4所示。
    實測混響時間與縮尺模型和中間試驗的對比結果見表2所示。

               廳內實測混響時間與縮尺模型和中間試驗的對比值表
    由表2 測試結果可見,中頻混響時間較為接近模型值,低頻過高,高頻(經修正后的值)低。
    (2)聲場不均勻度測定
    觀眾廳全廳,包括池座、樓座和包廂在內的聲場不均勻度(聲源在臺口中,點聲源,發粉紅噪聲)中頻( 500Hz),小于6.5dB,低頻和高頻小于8.OdB。
    (3)早期反射聲測定
    早期反射聲的狀況(聲能比和時延間隔)關系到聽聞的親切感和空間感,它是除混響時間這一指標以外的另一個評價廳堂音質的重要指標,因此,無論在模型試驗,現場中間試驗和聲學調試階段均作了早期反射聲測定??⒐ず蟮臏y定是在廳內各種可調混響方式(即狀態A、B、c)和有、無音樂罩的情況下,各測定了有代表部位的8個點,2個聲源位置(臺口中和音樂罩內)共計48幅反射聲序列圖(為減少篇幅,測定結果僅列出7個點)。測定結果表明,廳內各座席均有足夠強和覆蓋面大的早期反射聲。特別是當設置音樂罩后、聲源在音罩內,即S2時,前中座4排1號、8排20號和10排1號均有足夠多的早期反射,而這些座位,通常在其它劇場內是缺乏早期反射聲而音質欠佳的,詳見圖5。

   舞臺上有音樂罩,聲源在音罩內(即S2)時的反射聲序列
    (4)明晰度(聲能比)明晰度(聲能比)
    明晰度C是早期聲能(80ms以前到達的反射聲)與后期反射聲能(80ms以后至1OOOms以內)之比。C值為負數值大,代表后期聲能大,因而聲音豐滿;C值為正值,且數值大,表示清晰度高。根據早期反射聲測定可通過下式求得明晰度(聲能比)值,再將500Hz、1000Hz和2000Hz的明晰度(聲能比)值平均,求得明晰度(聲能比)dB值:
         明晰度(聲能比)計算公式
    明晰度(聲能比)計算的結果見表3所示。
    由表3測定結果可見,廳內有音樂罩時,聲音豐滿;無音罩時,廳內清晰度提高。

    觀眾廳內可調結構不同狀態和不同聲源位置的C值表
    (5)早期反射聲時延間隔早期反射聲時延間隔
    跟隨直達聲后的一次反射聲,如果時延間隔大于20ms,就會影響親切感。但廳內各座席早期反射聲時延間隔值均不相同,目前以池座中的反射聲序列圖為評價值,本廳以池座10排1號為評價點,實測值早期反射聲時延間隔=18ms(舞臺上有音樂罩,聲源S2,見圖5),其它座席均小于18ms。
    (6)廳內噪聲級測定
    觀眾廳內的噪聲級包括背景噪聲和空調運行達到使用工況時的噪聲級。前者表示建筑圍護結構的隔聲性能,實測值為30.5dBA;后者為工程設備噪聲控制的效能,實測值為32.8dBA(4個測點平均)略大于設計值。
    上述測定結果表明,各項音質指標均達到預期設計值,在混響時間可調幅度和改善廳內前中區早期反射聲不足方面比預期的要求好。
    劇院于10月1日正式啟用,在啟用的一個月內,進行過提琴獨奏、銅管樂四重奏、交響樂、歌劇和歌舞劇的演出,以及國際音樂節各類音樂劇目的演藝表現,音樂和戲劇家,以及廣大觀眾對劇院的音質給予極高的評價。在如此短的使用時間內,就對大廳音質有強烈的反響,在筆者劇院建筑的歷程中,尚屬首次,期望保利劇院在國際音質優異的歌劇院中占有一席之地。

    6  保利劇院聲學設計取得成效的幾點經驗
    通過保利劇院的聲學設計實踐,可歸納出如下幾點經驗:
    (1)自然聲演出的歌劇院的規模不宜過大,容積大就使每個聽眾所占有的自然聲能小,聽眾會感到音量不足,演員演唱很費力,特別是歌劇演員,他(她)的演唱聲還必須穿透樂隊構成的“聲墻”,才能到達觀眾席,而舞臺又不像音樂廳演奏臺那樣能給予演員足夠的支持,僅靠舞臺布景,因此,歌劇院的規模不宜太大。1500座左右是最佳值,最大也不宜超過1800座。
    (2)歌劇院觀眾廳的體形設計至關重要,它既要解決后座有足夠的音量、聲擴散、早期反射聲和聲場均勻分布等聲學上的要求,以及良好的視覺效果,又要繼承傳統歌劇院(馬蹄形多層包廂的形式)觀眾對舞臺的圍合形式,建立演員與觀眾之間情感交流的親切關系等優良品質。保利劇院觀眾廳的體形充分體現了上述兩方面的要求。
    (3)一座現代歌劇院的混響時間應是可調的,這不僅在于適應不同功能(戲劇、音樂等)的需要,同時也為滿足不同歌劇作品各自所要求的混響時間:瓦格納的《漂泊的荷蘭人》和《羅恩格林》要求有較長的混響,以此建立一種神密的色彩;而莫扎特的《魔笛》,《費加羅的婚禮》,羅西尼的《塞維爾的理發師》,以及比才的《卡門》等歌劇,則要求較短的混響,以達到清晰、圓潤和有較強節奏感的效果。采用可調混響有可能根據作品和指揮的愛好,對廳內音質進行調節,保利劇院采用國際上先進的分布式計算機調控混響裝置,它不僅可以按不同劇目的需要進行調節,同時,還可在同一劇目(例如歌?。┲械牟煌瑪?,實時改變混響,滿足劇情需要,當然這要求控制人員要熟悉劇情才能實施。
    (4)聲學設計必須貫穿建筑設計、施工試用和竣工評價的全過程。保利劇院的聲學設計在方案階段介入,參與建筑設計、相應地展開各項聲學設計、配合施工和竣工前的中間試驗,直至試用和竣工調試。實踐證明,這是一套行之有效、確保音質效果的操作程序。
    (5)建筑聲學作為工程設計的一個專業,必須與建筑師密切結合。應把聲學要求融入建筑形體和裝修設計中,把聲學功能與藝術創作有機地結合為一體,而不是簡單的疊加。才能使劇院成為音質優異的藝術最堂。因此,沒有建筑師的協同工作,聲學設計難以取得成效。
    (6)業主一權力的象征。業主的支持、明智和強有力的領導是聲學設計獲得成效的可靠保證。保利劇院在方案設計時就明確提出,建聲效果是首要任務的準則,一切圍繞建聲展開工作,并配備一支得力的基建隊伍加以實施。貫徹始終,這對保利劇院獲得良好的音質起到關鍵性的作用。
    綜上所述,一座音樂殿堂要獲得良好的音質是一個龐大的,包括設計、施工、管理等的集體共同努力的結果,過分強調聲學工程師的功勞是不實際、也是不科學的。

     注:案例來自網絡。

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