山東省會大劇院歌劇廳與音樂廳聲學(xué)縮尺模型試驗

余 斌

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司章奎生聲學(xué)設(shè)計研究所，上海 20070）

山東省會大劇院歌劇廳與音樂廳聲學(xué)縮尺模型試驗

余 斌

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司章奎生聲學(xué)設(shè)計研究所，上海 20070）

為預(yù)測山東省會大劇院歌劇廳和音樂廳建成后的音質(zhì)狀況，對兩廳均做了聲學(xué)縮尺模型試驗，以確保不出現(xiàn)音質(zhì)缺陷，并驗證聲學(xué)設(shè)計計算。

音質(zhì)設(shè)計；縮尺模型試驗；GRG板；線性掃頻信號

1 概述

山東省會大劇院（原濟(jì)南大劇院）包括1 600座歌劇廳、1 500座音樂廳、500座排練廳及相關(guān)配套技術(shù)用房等。歌劇廳設(shè)品字形舞臺，要滿足歌劇、戲曲和舞劇等多種演出要求，其觀眾廳平面呈矩形；觀眾廳總體積約22 200 m3，每座容積約13.9 m3/人。音樂廳要求滿足大型交響音樂會、室內(nèi)樂、獨(dú)奏獨(dú)唱音樂會以及使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時的音樂劇等多種演出要求。音樂廳平面呈橢圓形，演奏臺位于中前區(qū)呈扇形；觀眾廳總體積約16 950 m3，每座容積約11.3 m3/人。

室內(nèi)聲學(xué)的復(fù)雜性源于聲音的波動性，縮尺模型試驗研究是國內(nèi)外演藝建筑觀眾廳音質(zhì)設(shè)計中最接近實(shí)際而又最科學(xué)的輔助設(shè)計技術(shù)手段。為預(yù)測大劇院建成后的音質(zhì)狀況，確保達(dá)到滿意的音質(zhì)效果，筆者所在的研究所對歌劇廳和音樂廳均做了聲學(xué)縮尺模型試驗。

2 試驗概況

在縮尺音質(zhì)模型試驗的前期，首先需要科學(xué)合理地確定模型的縮尺比例。根據(jù)現(xiàn)有的測試儀器裝備條件，模型加工制作精度、費(fèi)用、試驗場所條件，以及試驗所需要的頻率范圍等多方面因素，最終確定歌劇廳和音樂廳音質(zhì)模型均選用1:20的縮尺比例。

2.1 模型制作

歌劇廳和音樂廳模型均按縱軸線分兩半制作，然后密封拼合而成一個整體。實(shí)際模型分別如圖1和圖2所示。模型主體的地面、墻面及頂面均由玻璃纖維加強(qiáng)石膏板（簡稱GRG板）表面打光、油漆制作而成。GRG板作為模型制作材料的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：可以做任意復(fù)雜的造型，特別是能逼真地再現(xiàn)界面的微擴(kuò)散造型，且尺寸控制更為精準(zhǔn)。經(jīng)1:20模型內(nèi)未放置座椅的縮尺模型現(xiàn)場測試，并由實(shí)測混響時間換算得到GRG板表面的20 kHz吸聲系數(shù)約為0.072。歌劇廳舞臺模型用細(xì)木工板制作，局部舞臺及內(nèi)部墻面做吸聲處理，以控制舞臺空間的混響時間與觀眾廳基本接近。

歌劇廳和音樂廳的觀眾席座椅均按縮尺比例采用聚氯乙烯板（簡稱PVC板）雕刻成型，軟墊用織物模擬制作。首先，在模型混響室中進(jìn)行了模型坐席吸聲系數(shù)的實(shí)測試驗，測得座席對應(yīng)于實(shí)際廳堂內(nèi)的1 kHz倍頻帶的單位面積吸聲系數(shù)為0.87，單椅吸聲量為0.54 m2。由于混響室和實(shí)際廳堂的聲場有所區(qū)別，吸聲系數(shù)也會有一定的偏差，因此，又在縮尺模型中測量了座椅的吸聲系數(shù)。由實(shí)測混響時間換算得到模型坐席在對應(yīng)于實(shí)際廳堂內(nèi)的1 kHz倍頻帶單位面積吸聲系數(shù)為0.79，介于滿場吸聲系數(shù)設(shè)計值0.85和空場吸聲系數(shù)設(shè)計值0.71之間。

2.2 測試系統(tǒng)

模型試驗采用數(shù)字測試分析系統(tǒng)進(jìn)行測量，線性調(diào)頻信號作為聲源信號。通過接收信號與聲源信號的反卷積獲得模型聲場的脈沖響應(yīng)。測試的頻率范圍為中心頻率20 kHz（對應(yīng)于實(shí)際廳堂內(nèi)的1 kHz）的倍頻帶。聲能衰減曲線由脈沖響應(yīng)經(jīng)脈沖反向積分法得到，再按空氣聲吸收的理論先對其進(jìn)行修正，后對混響時間（RT）和早期衰變時間（EDT）進(jìn)行估值，以避免聲能衰減曲線上混響時間的擬合范圍變化所產(chǎn)生的估值誤差[1]。

測試采用B&K4138 1/8英寸無指向性電容傳聲器，配置B&K2670前置放大器。聲源采用同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所自行開發(fā)的小型高頻無指向性六面體揚(yáng)聲器，最大線度小于15 mm，如圖3所示。聲源經(jīng)30°滑動平均在中心頻率為20 kHz倍頻帶的偏差為-1.35 dB～+0.93 dB，小于±3 dB，符合ISO 3382《廳堂音質(zhì)參量測量標(biāo)準(zhǔn)》對聲源指向性所提出的要求。

圖1 歌劇廳縮尺模型內(nèi)景照片

圖2 音樂廳縮尺模型內(nèi)景照片

圖3 小型高頻無指向性揚(yáng)聲器

3 模型試驗結(jié)果與分析

3.1 歌劇廳

聲源點(diǎn)S和接收點(diǎn)R1～R23的布置如圖4所示。聲源距離舞臺地面7.5 c m（對應(yīng)于實(shí)際廳堂的1.5 m）。接收點(diǎn)共23個，高度距離觀眾席地面6.0 cm（對應(yīng)于實(shí)際廳堂的1.2 m）。試驗結(jié)果如表1所示。

中心頻率為1 kHz的倍頻帶范圍內(nèi)，縮尺模型混響時間RT的平均值為1.78 s，比設(shè)計要求略長。根據(jù)模型試驗的經(jīng)驗，并考慮到模型和座椅制作材料吸聲稍低于實(shí)際廳堂中界面的吸聲，一般模型測試結(jié)果會比實(shí)際測試結(jié)果略長，因此，該測試結(jié)果符合設(shè)計要求。另外，樓座測點(diǎn)的混響時間平均值大于池座測點(diǎn)的混響時間平均值，這與其他大部分歌劇院的實(shí)測結(jié)果也是吻合的。除了個別測點(diǎn)（如R17），各測點(diǎn)的混響時間均與平均值相差較小，表明觀眾廳中混響時間的分布較為均勻。

中心頻率為1 kHz的倍頻帶范圍內(nèi)，縮尺模型早期衰變時間EDT的平均值為1.66 s，小于其混響時間平均值，衰減曲線呈下凹狀，觀眾廳后期聲衰減比早期衰減慢。聲場衰變的這種特性，兼顧了演出中對白的語言清晰度和音樂的豐滿度的要求。

聲場強(qiáng)度G平均值為1.11 dB，在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。觀眾廳前區(qū)測點(diǎn)的G值偏大，主要是因為這些測點(diǎn)離聲源比較近。此外，在23個測點(diǎn)中，最大G值與最小G值相差5.52 dB，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中“≤±3 dB”的要求，表明觀眾廳內(nèi)的聲場分布較為均勻。明晰度C80平均值為1.78 dB，且除個別測點(diǎn)外，C80值均在設(shè)計指標(biāo)范圍（-1 dB～+3 dB）內(nèi)。

此外，考察各測點(diǎn)的反射聲系列，未出現(xiàn)回聲、多重回聲、聲聚焦和共振等可識別的聲缺陷，僅發(fā)現(xiàn)R2和 R10兩測點(diǎn)在直達(dá)聲到達(dá)后約35 ms處有一個強(qiáng)反射聲。經(jīng)計算分析認(rèn)為：該強(qiáng)反射聲來自于頂面的反射板。原因是實(shí)際設(shè)計的頂面反射板呈弧形，而模型實(shí)際制作的時候由于制作工藝的關(guān)系而用直板替代，由此在觀眾廳前區(qū)某些位置對聲線產(chǎn)生強(qiáng)反射，在實(shí)際建成廳堂中可以合理預(yù)期不會出現(xiàn)上述問題。

圖4 歌劇廳測點(diǎn)布置圖

表1 歌劇廳測試結(jié)果匯總

圖5 音樂廳測點(diǎn)布置圖

表2 音樂廳測試結(jié)果匯總

3.2 音樂廳

聲源點(diǎn)S和接收點(diǎn)R1～R10的布置如圖5所示。聲源距離舞臺地面7.5 cm（對應(yīng)于實(shí)際廳堂的1.5 m）。接收點(diǎn)共12個，高度距離觀眾席地面6 cm（對應(yīng)于實(shí)際廳堂的1.2 m）。測試結(jié)果如表2所示。

音樂廳模型中頻（1 kHz）混響時間RT平均值為2.49 s，比設(shè)計要求略長。因模型和座椅制作材料吸聲稍低于實(shí)際廳堂中界面的吸聲，不考慮該因素則測試結(jié)果應(yīng)符合設(shè)計要求。此外，除測點(diǎn)R8外，各測點(diǎn)的混響時間與平均值的差值在±0.15 s的范圍內(nèi)，混響時間的空間分布十分均勻。

1 kHz早期衰變時間EDT平均值為2.15 s，符合EDT的設(shè)計要求（根據(jù)白瑞納克的研究[2]，對軟包座椅音樂廳，EDT的平均值為2.2 s，范圍在1.9 s～2.4 s）。EDT的測試結(jié)果進(jìn)一步印證了前期音質(zhì)設(shè)計對混響時間的控制符合要求。

1 kHz聲場強(qiáng)度G平均值為6.24 dB，稍大于設(shè)計要求的上限5.5 dB，原因是模型制作材料的吸聲系數(shù)略小。觀眾廳前區(qū)測點(diǎn)的G值偏大，主要是因為這些測點(diǎn)離聲源比較近，去除離聲源位置最近的4個測點(diǎn)的測試結(jié)果后G平均值為5.7 dB。此外，在12個測點(diǎn)中最大G值與最小G值相差僅2.43 dB，觀眾廳內(nèi)的聲場分布非常均勻。

1 kHz明晰度C80平均值為-0.03 dB，符合交響樂對明晰度-3 dB～0 dB的要求。此外，考察各測點(diǎn)的反射聲系列，均未發(fā)現(xiàn)回聲、多重回聲、聲聚焦和共振等可識別的聲缺陷。

4 結(jié)論

歌劇廳和音樂廳的音質(zhì)模型測試結(jié)果表明其前期聲學(xué)設(shè)計合理，未發(fā)現(xiàn)明顯的音質(zhì)缺陷和聲學(xué)計算失誤。廳內(nèi)混響時間等主要音質(zhì)參量的控制符合設(shè)計要求，聲場強(qiáng)度滿足要求，聲場不均勻度小。經(jīng)過現(xiàn)場試聽，兩廳均取得令人滿意的音質(zhì)效果。

[1]莫方朔，盛勝我. 廳堂音質(zhì)縮尺模型測試中空氣聲吸收的修正. 中國聲學(xué)學(xué)會2006年全國聲學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集，2006：365-366.

[2]白瑞納克（美）著，王季卿等譯. 音樂廳和歌劇院[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

（編輯 薛云霞）

Acoustic Scale model Testing of Opera Hall and Concert Hall of Shandong Grand Theatre

YU Bin
(Zhangkuisheng Acoustics Design & Research Studio, East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200070, China)

To guarantee the acoustic effects of opera hall and concert hall of Shandong Grand Theatre, scale model test was conducted, for the purpose of ensuring that there is no quality defects, and verifing the acoustic design calculations.

acoustical design; scale model test; GRG board; linear sweep signal

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.008