文立森　楊志剛　李佳菊

[摘要]介紹長沙音樂廳交響樂大廳的建筑聲學(xué)設(shè)計及音質(zhì)效果，分析其主要的聲學(xué)音質(zhì)參量指標，并通過音質(zhì)計算、音質(zhì)模擬以及縮尺模型實驗的結(jié)果與實際驗收測試結(jié)果的對比，分析不同設(shè)計驗證方式的特性及準確性。

[關(guān)鍵詞]建筑聲學(xué)；混響時間；音質(zhì)參量；縮尺模型

文章編號：10.3969/j.issn.1674—8239.2016.04.006

長沙音樂廳位于湘江與瀏陽河交匯的新河三角洲濱江文化園內(nèi)，是濱江文化園的靈魂建筑，按照正規(guī)音樂廳標準建設(shè)，于2006年8月21日奠基施工，并于2015年12月28日首演。音樂廳以“經(jīng)典藝術(shù)的斤欠賞殿堂、群眾藝術(shù)的展示舞臺、高雅藝術(shù)的教育基地、文化藝術(shù)的交流平臺”為目標定位，力爭打造成為湖南省內(nèi)頂尖、國內(nèi)一流、國際知名的音樂廳。因此，其優(yōu)良的音質(zhì)效果是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

1.建筑概述

長沙音樂廳總建筑面積約28 000 m²，建筑高度約28m，主要包括1 400余座交響樂大廳（湘江大廳）、490座多功能廳及198座室內(nèi)樂廳。

主廳即交響樂大廳，1446座、總面積約1790 m²，廳內(nèi)形制為不等邊多邊形（見圖1）；長約47m，最寬處約41m，最高處約17m；最遠座位距離舞臺指揮位置30m（見圖2）。樓座呈梯田形散布在舞臺四周（見圖3），能滿足大型多編制交響樂團的演出。下文以該廳為例介紹建筑聲學(xué)的設(shè)計。

2.建筑聲學(xué)設(shè)計

2.1混響時間

混響時間是建筑聲學(xué)設(shè)計中最主要的聲學(xué)參量。根據(jù)音樂廳主要演出大型交響樂的功能定位以及觀眾廳的規(guī)模和容積，中頻（500H7～1000H7）混響時間（滿場）RT應(yīng)達到1.9s±O.1s，且要求混響時間頻率特性為中高頻基本平直，但高頻允許下降10%～20%，低頻混響要求有10%～20%的提升，低音比BR值為1.1～1.25。各頻帶混響時間設(shè)計值見表1。

2.2其他主要音質(zhì)參數(shù)

其他對建筑聲學(xué)音質(zhì)影響較大的重要聲學(xué)參量也需要相應(yīng)的設(shè)計要求。其中包括與混響感相關(guān)的早期衰變時間EDT、與聲音響度相關(guān)的強度因子G、代表音樂可分辨程度的明晰度C80、與聲音空間方向感相關(guān)的側(cè)向反射系數(shù)LF、與觀眾親切感或臨場感相關(guān)的初始時延間隙ITDG，以及與舞臺樂手相互聽聞感受相關(guān)的舞臺支持度ST-eady。各主要音質(zhì)參量設(shè)計值見表2。

2.3聲場不均勻度

進行交響樂、室內(nèi)樂等以自然聲為主的演出時，要求廳內(nèi)前區(qū)和后區(qū)的聲場強度差別應(yīng)小于6dB，橫向中區(qū)和左右兩側(cè)區(qū)域的聲場強度差別小于3dB。該音樂廳1446座交響樂廳聲場不均勻度△LP≤±3dB。

2.4本底噪聲

在空調(diào)、通風系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下，廳內(nèi)本底噪聲不大于NR-25噪聲評價曲線要求；空調(diào)關(guān)閉時不超過NR-20噪聲評價曲線，相應(yīng)的A聲級不超過30dBA。

2.5總體音質(zhì)評價

觀眾廳的音質(zhì)應(yīng)保證觀眾席各處有足夠的聲音響度、均勻的聲場分布、合適的混響特性、足夠的早期反射聲和側(cè)向反射聲，并有良好的清晰度和豐滿度。觀眾廳內(nèi)任何位置無回聲、顫動回聲、聲聚焦等聲缺陷。

2.6觀眾廳內(nèi)形體聲學(xué)要求

為達到上述音質(zhì)設(shè)計目標，需要對交響樂廳的平剖面體形以及每座容積進行調(diào)整。在與建筑及室內(nèi)設(shè)計師的溝通協(xié)調(diào)中，對建筑及室內(nèi)的方案側(cè)墻進行適當微調(diào)，盡量滿足觀眾區(qū)各位置聲學(xué)早期側(cè)向反射聲；對建筑及室內(nèi)方案的吊頂進行調(diào)節(jié)，盡量滿足觀眾區(qū)各位置聲學(xué)要求的頂面反射聲及廳內(nèi)每座容積；打破建筑形體上的凹弧結(jié)構(gòu)，防止聲音聚焦；盡可能結(jié)合室內(nèi)裝飾的風格對各個聲音反射面做擴散、微擴散處理，使聲音擴散、聲場均勻。

2.7觀眾廳內(nèi)表面聲學(xué)材料要求

交響樂廳內(nèi)各個表面聲學(xué)材料的選擇與配置位置及其數(shù)量關(guān)系到廳內(nèi)聲場的分布和擴散性能，更關(guān)系到廳內(nèi)混響時間及其頻率特性的控制。因此，對下列表面材料提出了相應(yīng)的設(shè)計要求：

（1）觀眾廳地面

為避免地板共振吸收過多的低頻聲，采用實木地板并將龍骨間隙填實。

（2）吊頂天花

聲學(xué)上要求吊頂天花具有較強的反射，同時還要求減少對低頻的吸收，保證一定的剛度和防火等級要求。因此，采用增強纖維預(yù)制石膏板（即GRG板）吊頂，其面密度大于40kg/m²。

（3）墻體

對樓座及池座而言，交響樂廳內(nèi)墻體都是十分重要的早期聲反射面，這些墻面能向觀眾席提供較多的早期反射聲能，提高觀眾位置上聽音的空間感。因此，墻面聲學(xué)要求盡可能厚實、堅硬，主要起到聲反射的作用，充分利用聲能而盡可能減少聲吸收。采用如下做法：

①在原有結(jié)構(gòu)墻面上安裝預(yù)制的增強玻璃纖維石膏板，再設(shè)計GRG或GRC（玻璃纖維增強水泥）擴散造型。此構(gòu)造剛度較好，造型新穎，其表面貼上木皮也可達到木飾面的裝飾效果，其面密度均要求大于50kg/m²。

②在原有結(jié)構(gòu)墻面的基礎(chǔ)上實貼（或外包）實木，實木面層可結(jié)合裝修做裝飾處理，既可以美化裝修，又起到擴散作用；實木面層做防火處理，其面密度均要求大于50kg/m²。

兩種做法都根據(jù)室內(nèi)設(shè)計方案做成橫豎向凹凸條紋及分層的構(gòu)造，較好地解決了廳內(nèi)聲場的擴散問題（見圖4）。

（4）座椅

觀眾席是交響樂廳內(nèi)最重要的吸聲面，中高頻的吸聲量占到整個交響樂廳總吸聲量的80%左右，對廳內(nèi)的實際混響時間影響很大。因此，選擇座椅的形式及用料并控制其聲學(xué)性能，成為交響樂廳音質(zhì)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。對于該交響樂廳，要求座椅在空椅和坐人兩種條件下的吸聲性能盡可能接近，使得在空場和滿場條件下觀眾席廳內(nèi)的聲場音質(zhì)效果無較大的變化；坐墊翻動時不產(chǎn)生噪聲，尤其不允許產(chǎn)生碰撞聲；座椅宜采用木靠背及木扶手，靠背宜留木邊框，同時靠背軟墊不需太厚；坐墊下底面宜做吸聲處理，建議選用局部穿孔木板面。

3輔助設(shè)計措施

在音質(zhì)設(shè)計時主要使用的輔助設(shè)計措施有三種。

3.1混響時間計算

混響時間計算是建筑聲學(xué)設(shè)計最基本的要求，計算公式如下：

其中RT為混響時間（s）；V為音樂廳的體積（m³）；s為音樂廳內(nèi)表面積（m²）；百為平均吸聲系數(shù)；4m為空氣吸聲系數(shù)。

根據(jù)使用材料，其材料吸聲系數(shù)取值如表3所示，計算得到混響時間如表4所示?；祉憰r間計算結(jié)果滿足設(shè)計指標要求。

3.2計算機模擬輔助設(shè)計

計算機聲場模擬是現(xiàn)代建筑聲學(xué)設(shè)計的重要方式。該音樂廳設(shè)計采用的計算機模擬軟件為丹麥技術(shù)大學(xué)編制的ODEON 9.2版本。ODEON建聲模擬軟件是世界上公認模擬結(jié)果最可靠的建聲模擬軟件之一，已廣泛地應(yīng)用于廳堂音質(zhì)設(shè)計、音質(zhì)評價、聲場特性研究等領(lǐng)域。選取樓座池座12個位置進行模擬平均，模型按實際建筑圖紙等比例尺寸建立，模擬設(shè)置材料吸聲系數(shù)按混響時間計算用的材料吸聲系數(shù)，即表3所示。計算機ODEON軟件模擬結(jié)果如表5所示。

3.3聲學(xué)縮尺模型實驗

聲學(xué)縮尺模型試驗既是廳堂音質(zhì)設(shè)計的一個重要輔助設(shè)計方法，也是廳堂音質(zhì)預(yù)測評價中有效的檢驗方式。該音樂廳的實驗?zāi)Ｐ桶?：10的比例模型按縱軸線分左右兩半制作，最后密封拼合而成，觀眾席座椅采用PVC板雕刻成型并鋪貼織物制作（見圖5）。在1：10模型的混響室中進行了模型坐席吸聲系數(shù)的實測試驗：測得座椅在相當于實物的1kHz倍頻帶單位面積吸聲系數(shù)為0.89，接近滿場座椅單位面積吸聲系數(shù)的設(shè)計值0.85。模型主體的地面、墻面及頂面均由GRG板表面打光，刷油漆制作。先經(jīng)1：10模型內(nèi)未放置座椅的縮尺模型現(xiàn)場測試，并由實測混響時間換算得到GRG表面的10kHz吸聲系數(shù)為0.072。

測試采用線性調(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10000Hz（相當于實物1000Hz）的倍頻帶。按模型測試時的溫度、濕度等氣象條件，根據(jù)IsO9613—1國際標準的要求，將1：10模型的10000Hz倍頻帶空氣吸聲修正為溫度20℃、相對濕度50%時廳堂在1000Hz倍頻帶的吸聲。測試聲源采用高頻無指向性六面體揚聲器、BK41381/8”無指向性電容傳聲器，搭配BK2690前置放大器及Fireface UC聲卡。測試選取了16個測點進行平均，測試結(jié)果如表6所示。

4.建筑聲學(xué)測試結(jié)果分析

4.1現(xiàn)場測量結(jié)果

長沙音樂廳在首演前進行了現(xiàn)場建筑聲學(xué)測試工作。測量采用IS03382國際標準要求進行，測量設(shè)備采用丹麥B&K 7841-DIRAC Room AcousticsSoftware建聲測試分析軟件、丹麥B&K 4292無指向球面聲源、丹麥B&K 2734測試功率放大器、丹麥B&K 1704-A-002信號放大器、丹麥B&K 2250手持聲級計、德國SENNHEISER MKH800無線測試傳聲器（可調(diào)指向性）、德國SENNHEISER SKPSOO無線發(fā)射系統(tǒng)、德國SENNHEISER EW500無線接收系統(tǒng)?？請鰷y量均勻選取廳內(nèi)16個位置測點進行平均，現(xiàn)場進行了空場和滿場的測量，但滿場測量現(xiàn)場背景噪聲較大，測量信噪比略低。測量結(jié)果如表7所示。

結(jié)果顯示：長沙音樂廳交響樂大廳（湘江大廳）建筑聲學(xué)設(shè)計比較成功，混響時間很好地控制在設(shè)計推薦值范圍內(nèi)，其他參量也滿足設(shè)計值或在可以接受的設(shè)計誤差范圍內(nèi)，客觀音質(zhì)達到了較好的效果。在主觀評價上，音樂廳首演邀請了國際十大交響樂團之一的以色列愛樂樂團與國際著名指揮家祖賓·梅塔進行演出，聲學(xué)音質(zhì)效果也得到了好評。

4.2結(jié)果對比

對建筑聲學(xué)音質(zhì)設(shè)計過程中的混響時間計算、計算機模擬結(jié)果、縮尺模型測試結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比。

混響時間特性對比如圖6所示，總音質(zhì)參量對比如表8所示。

結(jié)果顯示，在混響時間的控制上，不論是公式計算、計算機模擬還是縮尺模型的驗證，在混響時間的長短和頻率特性上都得到了較準確的驗證結(jié)果。這也說明了前期建筑聲學(xué)設(shè)計過程中混響時間控制方式及技術(shù)的準確性和有效性。在不同驗證方式的對比上，縮尺模型的驗證結(jié)果較其他措施混響時間略大。縮尺模型材料的選擇及測試過程中的測試試驗誤差，以及經(jīng)過縮尺比例的轉(zhuǎn)換過程中的誤差放大等都有可能造成模型測試的結(jié)果與實際廳堂的音質(zhì)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

在其他音質(zhì)方面，早期衰變時間設(shè)計及實測都是在空場條件下進行，計算機模擬與縮尺模型為滿場條件，參考混響時間的結(jié)果空場比滿場高O.25 s，預(yù)計計算機模擬結(jié)果略小，縮尺模型試驗結(jié)果與實際值較相符；對于強度因子G值，計算機模擬相對偏短，空場滿場條件會略有差別，但預(yù)計對比結(jié)果偏差不大；明晰度c。相對實測值計算機模擬偏大，縮尺模型結(jié)果偏小，但都仍接近設(shè)計指標；側(cè)向反射聲能比LF，計算機模擬結(jié)果大于實測，也都在設(shè)計范圍內(nèi)；舞臺支持度ST實測結(jié)果偏小于實測結(jié)果，原因可能是由于現(xiàn)場樂隊樂器阻礙，測點選擇較少所導(dǎo)致。

5.結(jié)語

長沙音樂廳交響樂大廳（湘江大廳）的建筑聲學(xué)實測結(jié)果表明聲學(xué)音質(zhì)效果達到了設(shè)計指標要求；同時未發(fā)現(xiàn)音質(zhì)缺陷及設(shè)計的失誤，主觀音質(zhì)效果也得到了實際運用的認可。

該項目設(shè)計的成功，也表明了目前主流的音質(zhì)設(shè)計輔助方式——音質(zhì)時間計算、計算機軟件模擬及縮尺模型實驗驗證三種方法的準確性。三種方法互有利弊：音質(zhì)計算方便快捷，起前期估算作用，但僅能計算混響時間；計算機模擬可以對各個參量全面的模擬分析，精度高、成本不高，但由于算法原因，其對實際聲場模擬的真實程度還有待提高；縮尺模型則為真實按比例還原廳堂的實際聲場條件，理論上可以推導(dǎo)出實際聲場狀況，但對制作模型的精度、測量儀器的準確性要求較高，成本較大。三種方法相輔相成，對高音質(zhì)要求廳堂設(shè)計起重要作用。

以上介紹了長沙音樂廳的交響樂大廳的聲學(xué)設(shè)計及其結(jié)果，并分析設(shè)計過程及多種輔助設(shè)計方式的特性及準確性，對音樂廳等高音質(zhì)要求廳堂聲學(xué)設(shè)計具有一定的參考價值。