孫 艷，李國棋

（北京工業(yè)大學(xué) 劇場設(shè)計與舞臺技術(shù)研究所，北京 100124）

青島國信大劇院大劇場聲學(xué)測試

孫 艷，李國棋

（北京工業(yè)大學(xué) 劇場設(shè)計與舞臺技術(shù)研究所，北京 100124）

通過對青島國信大劇院觀眾廳主要聲學(xué)參數(shù)的測試，給出了該劇場的音質(zhì)特性。此次測試采用了脈沖積分法，對兩種不同的脈沖音源信號測試結(jié)果進(jìn)行了比較，并分析了產(chǎn)生差別的原因。

青島國信大劇院；廳堂音質(zhì)；聲學(xué)指標(biāo)；聲學(xué)測試

青島國信大劇院坐落于美麗的青島嶗山海水浴場之濱，由大劇場、音樂廳、多功能廳等多個廳堂組成，經(jīng)過近5年的建設(shè)，于2010年10月竣工。在該劇場即將投入使用之際，筆者對大劇場觀眾廳空場和滿場的RT30、EDT、D50、C80、RASTI等觀眾廳聲學(xué)參量進(jìn)行了測試，給出了該廳堂音質(zhì)特性。同時，對同等聲學(xué)條件下不同發(fā)聲源的測試結(jié)果進(jìn)行了比較，分析了產(chǎn)生誤差的原因。為類似大型觀演廳堂的音質(zhì)設(shè)計和聲學(xué)測量提供了具有參考價值的實例。

1 概況

青島國信大劇院的大劇場是一座以音樂類節(jié)目演出為主，兼顧會議使用、戲曲演出等的多用途劇場。觀眾廳設(shè)有一層池座和二層樓座，共有觀眾席座位1 600個（含池座包廂）。觀眾廳四周墻壁采用軟包外貼木板裝飾、裝修，木質(zhì)地板，軟坐席。臺口寬16 m，舞臺上配備有大、小轉(zhuǎn)臺，全套臺上機械吊掛設(shè)備，以及裝備齊全的舞臺照明燈具；觀眾廳臺口揚聲器暗裝，兩側(cè)墻和后墻安裝有環(huán)繞聲揚聲器。劇場平面圖見圖1。

2 測試方法及基本原理

混響時間是描述聲能量衰減快慢程度的物理量，其定義為：在擴散聲場中，當(dāng)聲源停止后室內(nèi)聲壓級比初始穩(wěn)定時的聲壓級下降60 dB所需要的時間。迄今為止，混響時間仍然是廳堂音質(zhì)設(shè)計中最重要的參量。因此，聲學(xué)測量中也以混響時間測試最為重要。另外還有D50、C80等與能量比相關(guān)的其他聲學(xué)測量。

混響時間T60的測量方法之一——音源截斷法采用粉紅噪聲作為聲源，當(dāng)室內(nèi)聲場穩(wěn)定后，聲源停止發(fā)聲，讓室內(nèi)聲場平穩(wěn)自然衰減，同時，使用一只無指向性傳聲器接收測點處的聲壓信號，通過記錄聲能從-5 dB衰減到-35 dB所需的時間，外推計算得到衰減60 dB所需時間，得到混響時間。另一混響時間測量方法是脈沖積分法，該方法是Schroeder于1965年提出的①，采用猝發(fā)聲測量混響時間，當(dāng)聲源發(fā)出δ脈沖，經(jīng)壁面反射后形成反射脈沖，將直達(dá)脈沖到達(dá)測量點的時刻作為時間的起始點，測點先后接收到的直達(dá)脈沖與壁面反射脈沖序列稱為室內(nèi)對δ脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)。把脈沖的響應(yīng)函數(shù)在時域上從時間t至∞作能量積分：

圖1 劇場平面圖及測點位置布置圖

通過對室內(nèi)的δ脈沖響應(yīng)進(jìn)行反向積分后，就能得到聲能隨時間的衰減曲線，從而可以方便地求出包括混響時間在內(nèi)的許多聲學(xué)指標(biāo)。本次測試采用的是脈沖積分法。

采用脈沖積分法進(jìn)行聲學(xué)測試時，聲源信號的選擇非常重要。常用的有外部脈沖信號和數(shù)字化聲源信號，以下對這兩大類聲源分別予以闡述。

2.1 外部脈沖信號

常用的外部脈沖信號包括氣球破裂、電火花、發(fā)令槍等。一般來說氣球破裂過程中，氣體會突然膨脹，氣球內(nèi)壓力迅速下降后，在慣性的作用下壓力會達(dá)到比大氣壓還低的最低點，然后氣體又變?yōu)槭湛s，這樣來回脹縮產(chǎn)生振蕩過程。由于這種氣體的膨脹運動隨機性很強，沒有一定的規(guī)律可循，所以，產(chǎn)生的脈沖聲并不是理想的脈沖信號，調(diào)幅波包絡(luò)特性難以控制，實驗可重復(fù)性差；另外，聲音能量有限。因此，它只能適用于在混響時間較長的房間內(nèi)進(jìn)行較粗略的測量。②

電火花是由高壓電源通過電感及可變電阻向電容充電后，電容兩端電壓達(dá)到一定值時，電容氣隙內(nèi)的空氣被擊穿產(chǎn)生火花放電而發(fā)出的脈沖聲。由于放電電路中一般都存在一定的電感，它會與電容組成交變振蕩回路，這樣放電過程形成的衰減振蕩并不規(guī)則。②瞬時聲壓起伏變化較大，雖然可以得到可重復(fù)的信號，但是相鄰兩次聲脈沖的時間間隔較長，需要等待電容充電以達(dá)到放電所需要的高壓，因此，不能保證測量工作的順利進(jìn)行，也與準(zhǔn)確地測量不相符。

聲學(xué)測量用發(fā)令槍多采用體育比賽用子彈發(fā)令槍，在槍上裝上無頭子彈扳動扳機就可發(fā)聲，子彈在撞針的撞擊下發(fā)生瞬時爆炸帶動周邊氣體急劇膨脹，獲得較為理想的δ脈沖信號。以發(fā)令槍聲源的測量方法簡單易行，可重復(fù)性效果較好，可獲得較高的信噪比。另外，在測試中也可以直接聽到廳堂中存在的明顯聲缺陷，例如：顫動回聲。本次測試外部脈沖信號采用了該種聲源。測試現(xiàn)場如圖2所示。

2.2 數(shù)字化聲源

由于外部脈沖聲源存在的局限性，可重復(fù)測試的數(shù)字化聲源信號在室內(nèi)聲學(xué)測量中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，通過迭加技術(shù)、相關(guān)分析等數(shù)據(jù)處理手段來獲得更細(xì)致、更精確的各種測量參量。常用的數(shù)字化聲源信號有偽隨機噪聲、線性調(diào)頻聲和指數(shù)調(diào)頻聲。

偽隨機噪聲是一種用數(shù)學(xué)方法產(chǎn)生的周期性隨機信號，它在一個周期內(nèi)的信號是純隨機的，但是各個周期內(nèi)的信號是完全相同的，這樣，解決了測試信號的可重復(fù)性問題。它與理想的白噪聲具有相同的統(tǒng)計特性，其自相關(guān)函數(shù)為δ函數(shù)。在頻域上, 其功率譜與白噪聲相同, 均勻平坦。測試時，通過計算測試點接收到的聲壓信號與發(fā)出的偽隨機信號的互相關(guān)函數(shù)或互功率譜可以得到房間的響應(yīng)函數(shù)h（t），由此，可以進(jìn)一步計算房間的其他聲學(xué)參量。此種方法最大的問題在于測量過程中，大多數(shù)揚聲器會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的諧波失真，并在脈沖響應(yīng)信號中出現(xiàn)尖刺信號，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

線性調(diào)頻聲是一種頻率隨時間線性變化的特殊信號，調(diào)頻聲源發(fā)出的典型聲壓信號PA可表示為：

圖2 發(fā)令搶聲源和十二面體無指向揚聲器

式中，A為振幅，φ為初始相位, 當(dāng)時間從0至TN時, 相應(yīng)的頻率f從0線性增大至fN。可以把這種信號視為頻率隨時間單調(diào)提高的“準(zhǔn)純音”，在頻域上功率譜為一平坦的直線?？梢宰C明，這種信號的自相關(guān)函數(shù)也為δ函數(shù)。因此，可以通過與偽隨機信號相類似的方法得到房間的響應(yīng)函數(shù)，從而，可以進(jìn)一步計算房間的聲學(xué)指標(biāo)。與偽隨機聲源相比較，此種信號源隨機起伏較小，消除了諧波失真，因此，具有較大的優(yōu)越性。②

指數(shù)調(diào)頻與線性掃頻信號的工作原理類似，只是信號在變化過程中，頻率是隨時間按指數(shù)關(guān)系增加的，并且掃過每個倍頻程的時間是一個常數(shù)，同時，這種掃頻信號能夠獲得更大的信噪比。本次測量的內(nèi)部聲源采用的就是此種指數(shù)調(diào)頻聲源。掃頻聲源信號經(jīng)過高質(zhì)量功率放大器放大后，推動聲學(xué)測量專用十二面體無指向揚聲器發(fā)聲，如圖2所示。

3 測試結(jié)果

本次測試采用脈沖積分法，分別采用發(fā)令槍聲源和指數(shù)調(diào)頻線性掃頻信號聲源進(jìn)行了測試，測試現(xiàn)場如圖3所示，工作場景如圖4所示。

圖3 測試現(xiàn)場

圖4 測試工作場景

按照GBJ76-84《廳堂混響時間測量規(guī)范》的要求，將無指向性聲源放置于舞臺大幕線中央，距地面1.5 m，發(fā)令槍聲源置于同一位置。無指向性傳聲器距觀眾席地面1.2 m，距聲源4.0 m以上取測試點，由于該廳是對稱的，選擇12個均勻分布于觀眾席一側(cè)的測點，各測點位置如圖1所示。每點各測試3組數(shù)據(jù)取平均，發(fā)令槍聲源測試每點放2槍。分別測量空場、滿場狀態(tài)下的混響時間、EDT、D50、C80、RASTI等指標(biāo)。

3.1 脈沖響應(yīng)曲線與房間響應(yīng)函數(shù)

現(xiàn)場錄制了每個測試點的脈沖響應(yīng)聲音。圖5是直接錄制的第4點（15排4號）發(fā)令槍聲源脈沖響應(yīng)圖（空場），圖6是MLS取樣計算獲得的第8點指數(shù)掃頻音源記錄到的房間響應(yīng)函數(shù)（空場）。通過以上脈沖響應(yīng)情況就可以分別計算出混響時間、早期反射聲、D50、C80等與能量相關(guān)的廳堂音質(zhì)指標(biāo)。

3.2 混響時間（RT30）

觀眾廳混響時間（RT30）空場、滿場測試結(jié)果統(tǒng)計如表1如示；混響時間頻率特性曲線（發(fā)令槍空場、掃描音源空場、發(fā)令槍滿場、掃描音源滿場）如圖7所示。

3.3 與能量有關(guān)的廳堂音質(zhì)評價指標(biāo)

各測點1/1oct聲學(xué)指標(biāo)測試結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表1 觀眾廳混響時間（RT30）空場、滿場測試結(jié)果

表2 各測點1/1oct聲學(xué)指標(biāo)測試結(jié)果統(tǒng)計表

表3 各測點RASTI和統(tǒng)計表

3.4 語言傳輸指數(shù)STI測量結(jié)果

STI（Speech Transmission Index，語言傳輸指數(shù)）是由荷蘭TNO（The Netherlands Organization For Applied Scientif i c Research，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織）推薦的語言清晰度指標(biāo)，并在IEC（國際電工委員會）刊物286號第16卷中規(guī)定了它的簡化指標(biāo)RASTI。③由于該劇場同時兼有其他功能，例如會議等，要求語言清晰可辨。該劇場的測試結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)論

本次測試的脈沖積分法分別采用了發(fā)令槍聲源和十二體無指向揚聲器發(fā)聲的指數(shù)調(diào)頻掃頻聲源，測試結(jié)果基本一致。除低頻個別情況外，其他頻段的測試數(shù)值偏差很小，基本上在測量誤差范圍之內(nèi)。

無論是發(fā)令槍聲源還是十二體無指向揚聲器發(fā)聲的指數(shù)調(diào)頻掃頻聲源，低頻段測試數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了一些較大偏差，測試數(shù)據(jù)不確定，出現(xiàn)較大離散情況，甚至測試儀器也計算不出有效的數(shù)據(jù)。究其原因也許是測試較大廳堂時，聲源發(fā)聲能量有限，不足以激發(fā)廳堂低頻特性所致。這一點應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，需要更加深入地研究。

另外，值得一提的是背景噪聲對聲學(xué)測試的干擾問題。測試結(jié)果和現(xiàn)場體驗都表明，該觀眾廳背景噪聲對聽聞有妨礙，對聲學(xué)測試影響更大，以至于開啟空調(diào)排風(fēng)時，無法使用揚聲器發(fā)聲的指數(shù)調(diào)頻掃頻聲源進(jìn)行有效的測試，當(dāng)晚不得不關(guān)閉空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)后才完成測試工作。由此可見，背景噪聲控制仍然是廳堂聲學(xué)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。

注釋：

① Schroeder MR, New method of measuring reverberation time. [J] J.Acoustics.Am. 1965, 37（3）:409

② 趙躍英，盛勝，劉海生. 室內(nèi)聲學(xué)測量中常用聲源性能的比較. 聲學(xué)技術(shù)，2003，Vol 22（2）76～79

③ 孫艷，李國棋. 潮州文化藝術(shù)中心劇場聲學(xué)測試與音質(zhì)評價. 演藝科技，2010（10），24

（編輯 潘 浪）

A Study on Acoustic Parameters Measurement with Qingdao GuoXin Theatre

SUN Yan, LI Guo-qi
（Theater Design And Stage Research Institute, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）

This paper presents a quantif i cational evaluation to Qingdao Guoxin Theatre via measuring on some main acoustic parameters. During the test sweeping integral and impulse sources were used and two different test results were compared analyzing the reasons of the difference. It presents a practical sample for architects on acoustic design of hall.

Qingdao Guoxin Theatre; acoustic; parameters; measurement

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.007