宋 洋

(福州市建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350011)

0 引言

舞臺(tái)藝術(shù)是以視覺(jué)與聲音為媒介，向觀眾呈現(xiàn)出藝術(shù)家們演繹的劇本中的世界。臺(tái)框作為一面窗口，是替代觀眾認(rèn)知的現(xiàn)實(shí)空間的虛擬世界。但是，舞臺(tái)又是一個(gè)真實(shí)存在的物理空間，無(wú)法構(gòu)建還原虛擬的故事空間。而聲音媒介不同，沒(méi)有物理空間的局限，可以將舞臺(tái)的虛擬空間拓展至無(wú)限，從而還原宏大而真實(shí)的故事場(chǎng)景，為觀眾營(yíng)造出強(qiáng)烈的代入感。這是聲學(xué)設(shè)計(jì)的意義所在。一個(gè)好的觀演建筑的設(shè)計(jì)，必定是以聲學(xué)設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的。

閩清科技館位于福州市閩清縣梅溪新城，集規(guī)劃館，科技館，多功能劇場(chǎng)三大功能為一體，是閩清新的高雅藝術(shù)殿堂和政治生活中心。該項(xiàng)目獲得福建省第十二屆優(yōu)秀建筑創(chuàng)作獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

1 如何評(píng)價(jià)室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 評(píng)價(jià)室內(nèi)聲學(xué)的技術(shù)指標(biāo)

1.1.1混響時(shí)間

混響時(shí)間是評(píng)價(jià)室內(nèi)音質(zhì)一個(gè)重要參數(shù)。適當(dāng)?shù)幕祉憰r(shí)間，可以展現(xiàn)音樂(lè)作品樂(lè)符間的融洽合一，或展現(xiàn)演講者聲音的渾厚有力。但過(guò)長(zhǎng)的混響時(shí)間勢(shì)必會(huì)掩蓋后續(xù)的聲音內(nèi)容，使聲音喪失清晰度，對(duì)傳達(dá)的信息造成影響。一般來(lái)說(shuō)，最佳混響時(shí)間是以500Hz的聲音頻率測(cè)得參考數(shù)值。

對(duì)于歌劇院，一種認(rèn)為以唱詞清晰度為主，采用短混響1.1～1.3s，另一種認(rèn)為，應(yīng)該以音樂(lè)的豐滿(mǎn)度為主，采用較長(zhǎng)的混響1.5～1.6s。兩種觀點(diǎn)各抒己見(jiàn)，但由此可見(jiàn)，以音樂(lè)為主的廳堂混響時(shí)間要長(zhǎng)于以語(yǔ)言為主的混響時(shí)間。

根據(jù)賽賓公式，Rt=0.161×V/(Axa),混響時(shí)間主要受廳堂容積和室內(nèi)界面材質(zhì)影響，合適的容積可以減少對(duì)吸聲材料、聲反射板等手段的依賴(lài)，從而達(dá)到最佳的混響時(shí)間。

1.1.2聲音明晰度

早期聲能和總聲能的比，用C80表示。早期聲是直達(dá)聲到達(dá)之后80ms之內(nèi)聽(tīng)到的聲音。如果沒(méi)有混響，聲音會(huì)很清晰，C80會(huì)是一個(gè)很小的值。反之，如果混響時(shí)間很長(zhǎng)，則聲音不清晰，C80會(huì)是一個(gè)很大的值。

1.1.3聲場(chǎng)均勻度

聲源在室內(nèi)發(fā)聲，會(huì)形成復(fù)雜聲場(chǎng)。室內(nèi)的任何一個(gè)部位，都是由直達(dá)聲、反射聲和混響聲組成。如果室內(nèi)各個(gè)部位聲壓級(jí)相同，即室內(nèi)聲場(chǎng)分布均勻。不同類(lèi)型觀眾廳混響時(shí)間設(shè)計(jì)推薦如表1所示。

表1 不同類(lèi)型觀眾廳混響時(shí)間設(shè)計(jì)推薦①

1.2 聲學(xué)缺陷

如果觀眾廳體型設(shè)計(jì)不妥，就會(huì)引起聲學(xué)缺陷，具體表現(xiàn)為回聲、聲焦聚及耦合效應(yīng)。

1.2.1回聲

人對(duì)回聲的察覺(jué)，取決于反射聲的延遲和聲功率。當(dāng)時(shí)間延遲超過(guò)1/15S(聲程差23m)，就有出現(xiàn)回聲的危險(xiǎn)。例如劇院由于來(lái)自后墻的延時(shí)反射，前排席位的觀眾就可能聽(tīng)到回聲(因此觀眾廳后墻多為吸聲材料飾面)。因此，可以將直達(dá)聲傳播路程做聲線(xiàn)分析來(lái)做簡(jiǎn)單的估算。

除了明顯的回聲，中等延時(shí)的反射聲也有可能使人們聽(tīng)聞的語(yǔ)言變得模糊。因此，應(yīng)當(dāng)注意避免在直達(dá)聲后延時(shí)1/30s～1/15s(相當(dāng)于聲程差12m～23m)的響度過(guò)大反射聲。一般來(lái)說(shuō)，這種近似回聲是由側(cè)墻或位置過(guò)高的吊頂反射引起的。對(duì)此，設(shè)計(jì)可以采用凸面處理來(lái)避免這些聲學(xué)缺陷。

1.2.2聲焦聚

反射聲經(jīng)過(guò)曲率過(guò)小的曲面，焦點(diǎn)處的聲壓級(jí)會(huì)遠(yuǎn)大于其他各處的聲壓級(jí)，破壞了廳內(nèi)的聲場(chǎng)均勻度。這種情況常常來(lái)自于弧面的觀眾廳后墻、側(cè)墻(鐘型觀眾廳平面)，或是樓座挑臺(tái)的欄板。為避免這種情況，一種辦法就是控制曲率，使凹曲面的焦點(diǎn)在觀眾廳之外。另一種辦法即在凹曲面做凸面體聲擴(kuò)散，或是做吸聲處理。

1.2.3耦合效應(yīng)

耦合效應(yīng)，是兩個(gè)相鄰的空間混響時(shí)間不一致時(shí)，在混響時(shí)間短的空間內(nèi)感到來(lái)自另一個(gè)空間的混響聲的現(xiàn)象。因此，要保證觀眾廳和舞臺(tái)兩個(gè)巨大空間混響時(shí)間的一致性。

1.2.4噪聲

噪聲嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)不屬于聲學(xué)缺陷，其分為背景噪聲和侵?jǐn)_噪聲。背景噪聲是觀眾廳內(nèi)部使用人員引起的，如腳步聲、座椅翻動(dòng)聲、門(mén)的抨擊聲等，消除該噪聲辦法，主要應(yīng)由使用者自己控制。設(shè)計(jì)也可設(shè)法降低這種噪聲，例如在翻動(dòng)的席位背面安裝橡皮止動(dòng)器等。侵?jǐn)_噪聲是指觀眾廳外界的噪聲干擾，包括交通噪聲和門(mén)廳，過(guò)道、樓梯間、放映間、布景間的噪聲。評(píng)價(jià)噪聲的指數(shù)為NR數(shù)，這是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦的一組曲線(xiàn)，用于評(píng)價(jià)噪聲的可接受性以保護(hù)聽(tīng)力和保證語(yǔ)言通信，避免噪聲干擾，如表2所示。

表2 不同類(lèi)型觀眾廳NR數(shù)限值②

2 聲學(xué)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)方法

2.1 觀眾廳平面和剖面的聲線(xiàn)作圖

幾何聲學(xué)的原理就是把聲音看成光線(xiàn)一樣直射和反射。聲線(xiàn)分析即是檢查觀眾廳內(nèi)反射聲線(xiàn)是否均勻，是否存在聲學(xué)缺陷。不過(guò)，幾何聲學(xué)只是聲學(xué)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法之一，對(duì)于建筑師來(lái)說(shuō)，可以作為一種劇場(chǎng)聲學(xué)初步設(shè)計(jì)的方法來(lái)驗(yàn)證觀眾廳的形體是否合適。真正要完善聲學(xué)設(shè)計(jì)，還需要依靠其設(shè)計(jì)方法和設(shè)備檢驗(yàn)。

2.2 實(shí)物縮尺模型

實(shí)物縮尺模型，是按一定的比例制作的、內(nèi)部形狀和內(nèi)表面材料和實(shí)際廳堂一一對(duì)應(yīng)的模型。這個(gè)比例稱(chēng)為縮尺比。聲學(xué)模型依據(jù)的基本等式是聲速=距離/時(shí)間=頻率×波長(zhǎng)。當(dāng)聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物，其變化特征取決于障礙物尺寸和聲波波長(zhǎng)之間關(guān)系。所以，波長(zhǎng)必須按距離的縮尺比例考慮。測(cè)試人員在一個(gè)密閉無(wú)反射的房間內(nèi)演奏，聲音頻率按照縮尺比提高n倍后進(jìn)入縮尺模型，通過(guò)接收器后再以縮尺比換算成正常頻率進(jìn)入人耳，從而模擬出真實(shí)條件下人耳的聽(tīng)聞效果。

2.3 計(jì)算機(jī)聲線(xiàn)模擬

早期的室內(nèi)聲場(chǎng)模擬，主要依靠室內(nèi)統(tǒng)計(jì)學(xué)縮尺模型來(lái)完成。該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。不過(guò)成本較高，所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備多，往往只能在一些重要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字技術(shù)對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬成為可能，并將大大降低經(jīng)濟(jì)成本，減少時(shí)間，為建筑設(shè)計(jì)提供必要的指導(dǎo)。

3 室內(nèi)聲學(xué)為導(dǎo)向的觀眾廳設(shè)計(jì)——以閩清科技館劇場(chǎng)為例

觀眾廳的設(shè)計(jì)包括尺度、平面、剖面，是基于觀眾的視覺(jué)體驗(yàn)和聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)，同時(shí)還必須兼顧結(jié)構(gòu)體系，施工條件以及建筑環(huán)境等。

3.1 確定混響時(shí)間

以語(yǔ)言為主與音樂(lè)為主多功能劇場(chǎng)所需的音效條件顯著不同，即使是同一表演形式的音樂(lè)，音效要求也差別很大。但是，不管對(duì)于語(yǔ)言還是音樂(lè)，所有頻率聲音的增長(zhǎng)和衰減不能太死板，也不能太跳躍。

多功能劇場(chǎng)表演形式并不是唯一的，所以其混響時(shí)間有一個(gè)可調(diào)范圍，但過(guò)長(zhǎng)的混響時(shí)間差在技術(shù)上有較大的實(shí)現(xiàn)難度，比如交響樂(lè)的混響時(shí)間上限值是1.9s，會(huì)議報(bào)告的混響時(shí)間下限值是1.0s，兩者相差0.9s。采用一般的可變吸聲結(jié)構(gòu)比較難以實(shí)現(xiàn)，必須改變?nèi)莘e和設(shè)置混響室，這就加大了投資。但一般來(lái)說(shuō)，可調(diào)幅度在0.4～0.5s之間是容易實(shí)現(xiàn)的，可采用的構(gòu)造有幕簾可調(diào)結(jié)構(gòu)，翻版可調(diào)結(jié)構(gòu)，百葉可調(diào)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)可調(diào)結(jié)構(gòu)等。

(1)閩清科技館劇場(chǎng)混響時(shí)間確定

作為多功能劇場(chǎng)，用于文藝演出使用時(shí)，要求室內(nèi)聲場(chǎng)有足夠的音樂(lè)豐滿(mǎn)度，根據(jù)《劇場(chǎng)、電影院、多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，依據(jù)該劇場(chǎng)規(guī)模可得室內(nèi)的最佳混響范圍為1.2s～1.6s(500Hz)。用于會(huì)議、放映使用時(shí)，必須滿(mǎn)足語(yǔ)言清晰度要求，才能保證會(huì)議聽(tīng)眾能清晰準(zhǔn)確地了解發(fā)言?xún)?nèi)容。在會(huì)議過(guò)程中需要同期錄音時(shí)，室內(nèi)混響時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，保證錄音效果。聲學(xué)方面要求廳內(nèi)避免聲聚焦、振顫回聲、聲場(chǎng)不均勻等聲學(xué)缺陷，根據(jù)《劇場(chǎng)、電影院多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，再依據(jù)該劇場(chǎng)規(guī)?？傻檬覂?nèi)的最佳混響范圍為1.1s～1.5s(500Hz)，該劇場(chǎng)要求滿(mǎn)足文藝演出、會(huì)議和放映的使用，其混響時(shí)間中頻(500Hz)確定為RT=1.2±0.1s;在低頻(中心頻率125Hz的倍頻帶)的混響時(shí)間應(yīng)有20%的提升。

3.2 空間尺度

根據(jù)賽賓公式，觀眾廳的容積影響混響時(shí)間，合適空間尺度的設(shè)計(jì)可以減少對(duì)聲材料，聲反射板等手段的依賴(lài)，從而達(dá)到最佳的混響時(shí)間。

(1)觀眾廳進(jìn)深

觀眾廳的規(guī)模和使用性質(zhì)，是觀眾廳設(shè)計(jì)的先決條件，決定了觀眾廳的空間尺度。一個(gè)30排席位(排距按0.9m計(jì)算)的廳堂，如果不考慮房間界面的作用，在舞臺(tái)上用交談的口語(yǔ)聲級(jí)50dB說(shuō)話(huà)，至最后一排席位降低至30dB，已經(jīng)比一個(gè)較為安靜的大廳里的背景噪聲還低。因此，在以自然聲為主的廳堂設(shè)計(jì)中，要設(shè)法縮短講堂至最后排席位的距離。即使在有擴(kuò)聲系統(tǒng)的廳堂中，觀眾廳的進(jìn)深也不是可以隨意加大的，還受到視距的控制。對(duì)于歌舞劇來(lái)說(shuō)，觀眾要看清演員的動(dòng)作，對(duì)于話(huà)劇來(lái)說(shuō)，還要看清面部表情的變化。

(2)平面形式

在觀眾廳進(jìn)深確定之后，要根據(jù)使用性質(zhì)和規(guī)模，結(jié)構(gòu)體系，施工條件以及建筑環(huán)境來(lái)確定平面類(lèi)型。常見(jiàn)的平面類(lèi)型有矩形、馬蹄形、鐘形、扇形等平面。規(guī)模小的觀眾廳，矩形平面聲能均勻，座區(qū)前部反射聲空白小，側(cè)墻早期聲音的反射聲場(chǎng)均勻，因此親切感和明晰度較好。但是，隨著觀眾廳規(guī)模的增加，跨度加大(超過(guò)30m)，觀眾廳前區(qū)會(huì)出現(xiàn)早期反射聲的空白區(qū)，而且中軸上的座位直達(dá)聲和反射聲會(huì)產(chǎn)生較大的聲程差，導(dǎo)致聲學(xué)缺陷。因此，產(chǎn)生了削減前區(qū)兩側(cè)不良座席的變種，即扇形平面和楔形平面。然而，相對(duì)于矩形平面，扇形平面?zhèn)葔μ峁┑膫?cè)向反射聲較少，其音質(zhì)狀況和側(cè)墻傾角有很大的關(guān)系。擴(kuò)大容量，必須增大傾角。但所增加的大多為大廳后部偏遠(yuǎn)兩角區(qū)視聽(tīng)條件均較差的席位。一般來(lái)說(shuō)，傾角可采取以下值：

φ=5°～8°最佳傾角；

φ≤10°聲音反射效果好；

φ≥15°反射吊頂?shù)蜁r(shí)候可采用，因?yàn)轫斉镌降驮接欣谇按畏瓷渎暎?/p>

φ=22.5°超過(guò)此值反射區(qū)域減少。前中區(qū)側(cè)向反射聲空白區(qū)大，偏座席位增加，且看不到表演區(qū)深處。

若砍去扇形平面后部的偏座席位，則得到六邊形平面。傾斜的后墻能為中部座席提供較多的側(cè)向反射聲。平面比例改變時(shí)，反射聲區(qū)域也隨之改變。為使池座中前區(qū)得到短延時(shí)側(cè)向反射聲，應(yīng)控制觀眾廳寬度和前側(cè)張角[1]。

(3)剖面形式

觀眾廳的剖面形式和平面形式是相適應(yīng)的。當(dāng)平面形式有明顯的聲學(xué)缺陷時(shí)，剖面形式應(yīng)恰當(dāng)調(diào)整(例如當(dāng)觀眾廳中前部存在側(cè)向反射聲空白時(shí)，降低反射吊頂高度以獲得更多的前次反射聲)。800座以上宜設(shè)置樓座，樓座可以擴(kuò)大容量，縮小視距，節(jié)約面積。同時(shí)，出挑的樓座欄板對(duì)觀眾廳的聲擴(kuò)散和反射有利。但要注意，樓座上下空間高深比不宜過(guò)小。下空間≥1∶1.2～1.5，上空間≥1∶2.5，否側(cè)，后排席位有可能會(huì)處于聲影區(qū)范圍中。

(4)閩清科技館觀眾廳平剖面設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目立項(xiàng)文件的要求，閩清科技館多功能劇場(chǎng)定位為600座上下的小型乙等劇場(chǎng)。此等規(guī)模的劇場(chǎng)采用矩形平面合適，即：跨度24.8m，進(jìn)深為31.2m。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單規(guī)整，前部座席反射聲空白區(qū)小。

3.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)

室內(nèi)設(shè)計(jì)對(duì)音質(zhì)效果起最后把控作用，造型設(shè)計(jì)和材料選擇在強(qiáng)調(diào)藝術(shù)性的同時(shí)，要保證建筑聲學(xué)的功能性，同時(shí)避免聲學(xué)缺陷的產(chǎn)生。

(1)混響時(shí)間

觀眾廳室內(nèi)界面材質(zhì)影響混響時(shí)間。當(dāng)混響時(shí)間設(shè)計(jì)值和觀眾廳容積確定后，室內(nèi)吸聲系數(shù)值也相應(yīng)確定。一般來(lái)說(shuō)，為了避免回聲，觀眾廳后墻布置為吸聲面，而吊頂布置為反射面。調(diào)節(jié)混響時(shí)間即調(diào)整觀眾廳側(cè)墻的吸聲面比例。

(2)早期反射聲

早期反射聲對(duì)于劇場(chǎng)中的聲學(xué)非常重要。因此，反射聲到達(dá)聽(tīng)眾耳部必須有足夠清晰度，直達(dá)聲和第一次反射聲之間的時(shí)間間隔要小于20ms。早期反射聲可以通過(guò)定向反射結(jié)構(gòu)獲得，如側(cè)墻上的反射板和吊頂反射板(云反射板)。做觀眾廳聲線(xiàn)分析圖輔助設(shè)計(jì)，以確定吊頂?shù)母叨群驮煨?，兩邊?cè)墻的角度，確保座席收到合適的早期反射聲。

(3)聲場(chǎng)均勻度

聲擴(kuò)散是觀眾廳獲得均勻聲場(chǎng)的保證。不規(guī)則的觀眾廳邊界有助于聲擴(kuò)散，但同時(shí)會(huì)增加劇場(chǎng)的施工難度。在大廳邊界上設(shè)置幾何聲擴(kuò)散體，球體表面具有最佳的聲擴(kuò)數(shù)，但必須和聲波波長(zhǎng)相匹配。不規(guī)則地配置吸聲材料可助于聲擴(kuò)散，但擴(kuò)散材質(zhì)應(yīng)采用厚重的材料，避免低頻聲被吸收，降低混響時(shí)間。

建立三維模型，模擬吸聲材料利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，可以輔助設(shè)計(jì)，確認(rèn)聲場(chǎng)均勻度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。閩清科技館多功能劇場(chǎng)，在倍頻程500Hz頻段內(nèi)的大劇場(chǎng)室內(nèi)觀眾席聲場(chǎng)均勻度均位于±3dB范圍內(nèi)，在倍頻程1000Hz頻段內(nèi)的大劇場(chǎng)室內(nèi)觀眾席聲場(chǎng)均勻度均位于±3dB范圍內(nèi)。模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)聲場(chǎng)均勻度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。

3.4 隔聲降噪

閩清縣科技館位處快速路邊，為了避免交通噪聲對(duì)觀眾廳的影響，觀眾廳結(jié)合設(shè)備管井和聲控光控、放映室等房間不同需求，設(shè)置雙層墻來(lái)避免外界噪聲對(duì)觀眾廳的影響；劇場(chǎng)座椅下空間靜壓箱下的空調(diào)機(jī)房，墻面和吊頂，均采用吸聲材料。除了空氣傳聲，還應(yīng)當(dāng)避免空調(diào)機(jī)組的震動(dòng)通過(guò)結(jié)構(gòu)傳聲傳至觀眾廳，對(duì)空調(diào)機(jī)組做減震處理，安裝橡膠或彈簧減震器，空調(diào)管道采用軟管連接，安裝彈性吊架，穿墻位置做彈性密封處理。

舞臺(tái)側(cè)臺(tái)道具出入口也是噪聲容易侵?jǐn)_的入口。閩清縣科技館設(shè)計(jì)的道具出入口，面向城市快速路(受總平流線(xiàn)制約，無(wú)法避免)，容易受到來(lái)往車(chē)輛噪聲的影響，本應(yīng)設(shè)計(jì)聲閘來(lái)隔絕交通噪聲，但由于場(chǎng)地空間限制，沒(méi)有預(yù)留聲閘空間余地，只能采用隔聲卷簾來(lái)控制侵?jǐn)_噪聲。舞臺(tái)內(nèi)部的噪聲指數(shù)還有待于后評(píng)估的測(cè)定。

4 結(jié)語(yǔ)

觀眾廳聲學(xué)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，在劇場(chǎng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中與建筑專(zhuān)業(yè)和室內(nèi)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)需要相互配合。本文以建筑設(shè)計(jì)師的角度，介紹了觀眾廳聲學(xué)設(shè)計(jì)的基本原理，手段、流程和重點(diǎn)。建筑設(shè)計(jì)作為工程建設(shè)的龍頭專(zhuān)業(yè)，應(yīng)總體把控，協(xié)調(diào)各專(zhuān)業(yè)之間的矛盾。因此，掌握基礎(chǔ)的聲學(xué)設(shè)計(jì)原理十分必要。

本文僅對(duì)設(shè)計(jì)基本原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)析。隨著建筑技術(shù)，材料技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)設(shè)計(jì)可利用手段也在不斷更新。例如，閩清科技館多功能劇場(chǎng)的混響時(shí)間是定值，是平衡兼顧各使用功能的結(jié)果，而對(duì)于其它許多先進(jìn)的多功能劇場(chǎng)，可采用可變吸聲體、聲反射罩等手段達(dá)到混響時(shí)間可變，提高對(duì)不同功能的適應(yīng)性[2]。當(dāng)然，建設(shè)成本也會(huì)相應(yīng)提高。因此，建筑師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注新技術(shù)、新材料的發(fā)展，才能站在更高的維度，進(jìn)行全過(guò)程、全專(zhuān)業(yè)把控。