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福建大劇院大劇場建筑聲學設計案例

發表于2015-05-06 15:11       |       114次閱讀      |來源:北京維也納聲學技術有限公司      |收藏
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                              福建大劇院大劇場聲學設計

                              張海亮  朱相棟

 

摘要:多功能劇院工程在近幾年聲學工程中占有很大的比重。本文介紹了福建大劇院大劇場的聲學設計及從中獲得的經驗。聲學設計的目的是保障廳堂內部的聽聞條件,本文根據作者的長期聲學設計實踐中的經驗和教訓,從聲學設計的合理性、正確性和實施性三個方面對保障聲學設計質量的措施進行了探討。合理性主要體現在大劇院前期的建筑策劃階段,包括大劇院的主要用途和聲學指標的確定;正確性主要是體現在聲學設計過程中采用先進的1/10縮尺模型測定,計算機模擬等聲學設計手段保證室內聲學設計能夠滿足既定的指標;實施性則是為確保劇院有良好的音質,從方案階段開始聲學設計,并貫穿于設計、施工、試用測試全過程,獲得了良好音質和高度評價。本文以福建大劇院大劇場的聲學設計為例,對以上工作進行詳細的介紹。

關鍵詞:大劇院;聲學設計;聲學實驗;

 

      1、引言

      福建大劇院位于福州市中心五一廣場一側。是福建省市民工程建設的一部分,包括一個1472座的劇場、一個423座的音樂廳及貴賓室、化妝室、排練廳及設備機房等相關配套設施。

      劇院池座平面近似于馬蹄形,設有兩層樓座。音樂演出時使用音樂反射罩和升降樂池。劇院于2009年7月竣工驗收,經過聲學驗收測試,各項指標達到設計要求。曾用于重大會議召開和歌舞劇演出,各方反應良好。大劇院觀眾廳室內總坐席為1472座,室內總容積12200m3,每座容積為8.2m3/座。觀眾席吊頂距地面最高15.5m,池座部分距舞臺最遠視距32m。

      2、福建大劇院聲學指標的確定

      劇院觀眾廳的聲學指標是參考國內外的經驗、結合國情,并經業主組織各方專家研究討論認定,各項指標為:

      (1) 混響時間。綜合福建大劇院各項用途,最終確定劇院混響時間在中頻(500Hz)為(1.4±0.1)s,使用音樂反射罩,廳內混響時間增加0.2s左右?;祉憰r間頻率特性中高頻曲線平直,低頻相對于中頻提升1.2倍。

      (2) 聲場不均勻度。觀眾廳內聲場不均勻度(ΔLp)在125~4000Hz頻率范圍滿足ΔLp≤8dB要求。

      (3) 噪聲級。觀眾廳背景噪聲滿足NR20指標要求。

      3、聲學設計概要

      3.1 體型設計

      對于自然聲演出的歌劇院來說,體形設計至關重要,它要解決響度(音量)、聲場分布、聲擴散、早期反射聲的分布和消除音質缺陷等問題。

      福建大劇院大劇場平面、剖面圖分別如圖一、圖二所示。

圖一:觀眾廳池座平面圖

                       圖一:福建大劇院觀眾廳池座平面圖

圖二:觀眾廳剖面圖

                       圖二:福建大劇院觀眾廳剖面圖

      大劇院的室內設計階段,中國建筑設計院室內所承擔裝修設計工作,在設計中采用傳統的設計手法,大劇院吊頂采用跌落式弧形吊頂方式。此種設計手法能夠根據聲學反射要求將舞臺的聲能均勻的反射到觀眾席,吊頂距離地面最高高度達到15.5m,整體空間感較好,在臺口外側的弧形反射板吊頂根據1/10縮尺模型測定結果確定,能夠保證觀眾席前區得到足夠的反射聲。

圖三:觀眾廳吊頂形式

                              圖三:福建大劇院觀眾廳吊頂形式

      對大劇院平面設計中采用的傳統形馬蹄形平面,進行調整。在觀眾廳兩側設置升起式包廂,減小觀眾席中部距兩側墻面的距離,增加觀眾席中部近次反射聲。挑臺欄板的形式結合福建沿海漁船的造型意向采用船頭的弧形造型,能夠將聲音折射入挑臺下部空間,保證挑臺下空間內的聽聞條件。在觀眾席后部圓弧形墻面容易在觀眾席中部形成聲聚焦現象,通過在后墻面增加凸弧形吸聲擴散結構消除聲聚焦現象。

      為對以上設計進行驗證,同時確定反射板的尺寸和角度,對大劇院觀眾廳進行了計算機模型和1/10縮尺模型實驗兩種實驗手段進行室內音質預測。

      計算機模擬通過建立三維模型,通過計算機模擬軟件對大劇院觀眾廳的室內音質進行模擬分析。

     觀眾廳室內聲場分布及混響時間分布模擬

      觀眾廳1/10縮尺模擬聲學實驗需要加工一個相當于實際觀眾廳1/10大小而形狀完全相同的音質模型。模型墻面、天花及吸聲材料的聲學性能與實際用料的聲學性能相當。聲源使用微型球面聲源,接收采用微型電容傳聲器。在試驗中特別采用了人工頭雙耳模型,進行模擬聽音評價實驗,在人工頭的雙耳內安裝話筒,從兩個方向同時測量,對兩組數據進行分析,修正了單話筒測量時方位感不強的缺陷。

        圖六:1/10縮尺模型實驗

                             圖六:福建大劇院 1/10 縮尺模型實驗

      從圖四和圖五可以看出在裝修設計方案中,跌落式弧形吊頂和兩側墻體的形狀能夠滿足觀眾廳內聲場分布和側向聲能的要求,保證室內無明顯聲學缺陷,同時室內的聽聞空間感較強。在1/10縮尺模型的測試中,測試結果與計算機模擬結果一致。

      3.2 觀眾廳聲學設計和室內各界面材料控制

      根據大劇院觀眾廳的混響時間要求,在聲學設計初期,根據清華大學建筑物理實驗室的大量試驗數據對室內裝修中使用材料和構造的聲學特性進行分析,選擇合適的試驗數據進行混響時間計算。

      觀眾廳兩側墻面采用輕鋼龍骨20mm厚紙面石膏板墻,表面粘貼18mm厚木條裝飾板。為減小材料的低頻吸聲特性,要求安裝過程中,增加龍骨密度,以增強板材的剛度。在臺口兩側的八字墻部分采用裝飾石材密縫拼貼。該做法有兩個用途,起到裝飾美觀的效果,同時能夠減小低頻吸收。

      觀眾廳后墻使用吸聲構造,一是控制廳內混響時間,二是防止舞臺發出的聲音從觀眾廳后墻反射回前排觀眾席和舞臺,形成回聲或擴聲系統的反饋嘯叫。

      觀眾廳內座椅吸聲占有最大的比例,因此座椅的選擇尤其重要。在混響時間計算中,根據以往座椅吸聲量測試數據,進行預估設計。當劇院觀眾廳裝修基本完成后,對觀眾廳進行混響時間測試,根據測試結果調整座椅吸聲量,達到控制觀眾廳混響時間目的。

      3.3 舞臺聲學設計

      舞臺的聲學條件會對演出產生很大影響。如果舞臺的聲學條件不佳,演員和樂師將難以控制演唱的力度和演奏的平衡。因此良好的舞臺聲環境對劇院的正常使用至關重要。舞臺的聲學設計包括控制混響時間和消除音質缺陷等兩方面內容。

      福建大劇院主舞臺容積較大,大約是觀眾廳的2.0倍左右,混響時間過長,會對觀眾廳產生耦合效應,影響到觀眾廳的音質,側臺之間距離過長,會產生回聲,影響舞臺的聲環境。主舞臺、側臺和后臺均需進行吸聲處理,使舞臺混響時間接近觀眾廳混響時間。同時還有舞美設計等,此類物品的吸聲量均應予以綜合考慮都會影響到舞臺的混響時間。

      音樂演出時,在舞臺上面設置活動音樂反射罩,它的功能是隔離舞臺、節約聲能,為樂師創造良好的相互聽聞環境,同時為觀眾廳提供更多的早期反射聲,從而增加親切感。

      3.4 空調系統消聲減振設計

      現階段國內的新建大劇院項目均采用座椅下送風系統屬于“下送上回”的置換送風方式。與常規的“上送下回”的頂棚送風方式相比,置換送風的優點在于,一方面每個風口有針對性地向人體周圍送風,使得送風均勻、風量平衡,另一方面。重點保障人體周圍的舒適溫度,避免了能量在巨大空間中的耗散,對節能非常有利。

      但是,由于風口距離人體很近,必須消除風口噪聲對觀眾聽聞的影響,而且,人腳踝處是全身對風最敏感之處,還要防止“冷風吹腿”之感。嚴格控制送風器的最大送風速度在0.2m/s以下,控制送風器噪聲不對室內背景噪聲產生影響。

      在觀眾席下方設置巨大的送風靜壓箱用于調整風速和均勻送風的作用。但是由于靜壓箱的存在,大大縮短了空調機房和靜壓箱之間的距離,為消聲設計增加難度。經過與中國建筑設計院空調專業協調,在空調機組端增加靜壓箱和消聲器,在座椅下送風靜壓箱內壁慢粘100mm厚密胺海綿。觀眾席空調系統采用的消聲器均采用密胺海綿消聲器,與傳統的玻璃棉消聲器相比,密胺海綿消聲器能夠減少粉塵析出量,保證室內空氣清潔。

      觀眾廳、舞臺、琴房的室內噪聲指標分別為NR25,NR20,NR20,錄音室更是高達NR15,故此類房間空調系統設計的主要難點在于噪聲控制。噪聲分為機外噪聲和管道噪聲。機外噪聲的主要控制手段為:采用噪聲及振動較小的空調設備,本工程將空調系統盡量劃小,減小單臺空調箱送風量,選用優質設備;加強空調機房的隔聲及設備的減振,空調箱設置柔性基礎,空調機房單獨作消聲設計;合理布置空調機房的位置,空調機房與被控房間留有一定距離,以便控制振動及設置消聲設備,本工程將機房分別設置于距離被控房間不小于20 m的區域內,這樣既可以有效地控制噪聲及振動的傳播,又不至于由于輸送距離過大而引起輸送能耗增加過大。

      4、施工圖設計、聲學試驗和現場巡查

      4.1 聲學施工圖設計

      創造一個良好的聲環境,單單進行聲學計算和計算機模擬遠遠不夠。將計算結果變成現實還需要將設計落實到施工可操作的施工圖紙。聲學施工圖設計是整個聲學設計中不可或缺的一步。聲學施工圖與裝修施工圖不同,除了考慮裝修構造的表面材質和視覺效果外,還要根據實驗室實驗結果,詳盡說明裝修材料安裝方式、構造、數量等,這些都會影響到室內的音質效果。

      4.2 通過聲學實驗手段保障音質效果

      為保證最終音質效果,驗證聲學計算和計算機模擬以及施工中出現的偏差,可在施工過程中進行聲學測試,內容包括以下幾個部分:

      一是對已選定的裝修材料進行吸聲特性檢測,驗證選用的材料能否滿足設計要求及相關的改進措施。

      二是對劇院選定的座椅進行聲學測試,驗證其是否滿足聲學計算中提出的座椅吸聲量要求。同時根據測試結果復核計算竣工后的聲學指標。

      三是座椅下送風器噪聲聲功率測試。清華大學建筑物理實驗室建有“極低背景噪聲通風實驗室”,通過實驗研制了一種靜音均流風口。風口內有均流和靜音結構,不但氣流場均勻,而且噪聲極低。風口在常規50m3/h的風量下,垂直流場風速低于0.2m/s,噪聲聲功率小于5dB(A)。

      座椅下送風器聲功率測試及座椅吸聲量測試

      4.3 施工交底和現場巡查

      良好的聲環境與嚴謹的裝修施工密不可分,在裝修施工開始前對施工技術人員進行聲學施工要點培訓,要求技術人員從全面理解聲學施工特點、施工過程中注意點及如何解決施工過程中出現的問題。

      施工現場巡查是保障最終音質效果的一個重要措施。福建大劇院施工過程中,技術人員進行工地巡查多達30人次,及時發現施工過程中的問題及時解決。

      5 驗收測試

      福建大劇院大劇場于2009年7月進行竣工驗收,聲學驗收測試指標包括混響時間、聲場分布、脈沖響應和背景噪聲測定。測試結果完全達到設計指標。

       5.1混響時間測定

       空場混響時間測試值與計算值列于表2。

       表三:測試空場混響時間  單位(S)

    測試空場混響時間表

                   圖七:觀眾廳混響時間曲線圖

                                 圖七:觀眾廳混響時間曲線

      5.2 聲場分布測定

      聲場分布測試結果列于表。

      表四:聲場分布測試結果  單位(dB)

      聲場分布測試結果表

      5.3 廳內噪聲水平測定

      觀眾廳內的噪聲級在無空調運行狀態下、背景噪聲水平:觀眾廳實測值滿足NR20要求。有空調運行狀態下、背景噪聲水平:觀眾廳實測值滿足NR35要求,舞臺滿足NR20要求。背景噪聲偏高,空調系統需要進行進一步調整。

      5.4 脈沖響應相關指標測試

      通過脈沖相應測試觀眾廳內清晰度、明晰度等指標。觀眾廳座席區語言清晰度指標均在0.5以上。表明觀眾廳內自然聲音質清晰明亮,能較好地滿足會議和文藝演出。觀眾廳坐席區池座、樓座音樂明晰度指標均能滿足-4~1dB以內,表明廳內音樂明晰度較好,有利于樂隊演出對音樂層次感的表現。觀眾席快速語言傳輸指數RASTI代表了傳聲過程中語言信息量的保真度,檢測結果為0.57,表明聲場信息保真度良好,達到聲學設計要求。

      6 福建大劇院大劇場聲學設計中取得的經驗

      6.1 大劇院觀眾廳的體形設計至關重要

      大劇院觀眾廳的體形設計至關重要,它既要解決觀眾席各部分有足夠的音量、聲擴散、早期反射聲和聲場均勻度分布等聲學要求,又要兼顧良好的視覺要求。因此劇院的聲學設計始于建筑的初步設計,在設計初期就對建筑體形進行調整,為以后的聲學設計建立良好的體形基礎。

      福建大劇院觀眾廳內景圖如圖十所示。

    福建大劇院觀眾廳內景

                                   圖十:觀眾廳內景

      6.2 建筑聲學設計需要各方協調配合

      設計中,首先要使甲方理解聲學設計的重要性和設計原理的基礎,爭取得到甲方對設計的支持。在工程中必須與建筑師和室內設計師及空調工程師、音響工程師等相互配合,把聲學設計融入建筑的體形設計和室內裝修設計中,把聲學功能和藝術創作有機地結合為一體,力爭聲學工程中沒有聲學痕跡。

      7、結語

      如何進行劇院的聲學設計,是聲學界一直在探討的一個問題。福建大劇院的聲學設計、竣工驗收和試用主觀評價結果顯示,聲學工程中聲學設計、試驗、施工圖設計和工地巡查應貫穿整個工程,全面控制、影響室內聲環境的各種要素,最終才能創造出一個良好的聲環境。福建大劇院的聲學設計為以后廳堂的設計提供了一個良好范例。

      參考文獻:

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      作者簡介:張海亮(1956—),男,北京市,高級工程師,清華大學建筑學院,研究方向:建筑聲學

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