中国河北艺术中心音乐厅的声学设计
概述
河北艺术中心建于河北省首府石家庄市，占地2.4hm2，总建筑面积为32 000m2，其中包括2 780座的wWw.LWlm.com杂技表演厅和980座的音乐厅，以及相关的配套用房和服务设施。音乐厅以演奏交响乐和室内乐为主，兼供其它多项功能使用。容纳980名听众(池座535名，楼座445名)，有效容积8 500m3，每座占容积 8.7m3，总表面积3 368m2。为适应多功能使用要求，并使每项功能均具最佳混响时间，音乐厅采用了圆柱形转体和帘幕相结合的可调吸声装置，分布式计算机调控。 音乐厅的声学设计 音乐厅的声学设计包括设计指标的确定、体形分析、混响时间的控制、噪声控制、主客观声学指标的测试和调试等几方面，现分述如下： ⒈声学设计指标的确定 声学设计指标是在参考国外资料、结合国情、听取有关部门的意见并取得业主认可的条件下确定的。音乐厅所确定的各项声学设计控制指标，见表1所示： ⒉音乐厅的体形设计 体形设计关系到厅内的声扩散、声场分布、频率响应、早期反射声的强度和分布、后座的响度和消除音质缺陷等一系列的声学问题。因此，声学设计必须在方案阶段就进入角色。 艺术中心音乐厅的平面采用六角形，它比传统的“鞋盒”式要有利得多，表现在如下几方面： ①听众席处在倒扇形的平面内，前、中区的听众比“鞋盒”式在相对应的座席有更多的早期倾向反射声。 ②消除了平行墙面引起的回声，在没有的巴洛克装修的现代音乐厅内，是非常有利的设施。 ③所有的听众席均在声源最佳的投影角范围内，从而有良好的方向性和频率响应。传统“鞋盒”式音乐厅两侧廊座前半部分则方向性很差。 ④在听众人数相同的情况下，缩短了后座至台口的距离，艺术中心音乐厅楼座后排至演奏台距离仅为23m，同时还可减少后部听众人数。 ⑤演奏台构成“喇叭”形，它比“鞋盒”式矩形演奏台节省了面积，且有利于乐师间的相互听闻和把融洽后的乐声传播至听众席。 通过上述分析对比，艺术中心音乐厅在容量不大的情况下，仍不采用传统的“鞋盒”式，而采用六角形平面。 音乐厅的剖面设计，把演奏台的吊顶压低，以使前区听众早期反射声的时延间隙缩短，同样，在较矮的吊顶下还悬吊了球切面扩散体，使乐师间有较好的相互听闻条件；台口前的锥状反射板，主要为加强后座声级而设置；为了加强声扩散，大厅的侧墙配置半圆柱体，可调圆柱形转体，当反射面暴露时也为圆柱体。音乐厅的平、剖面和内景分别见图2和图4所示。 ⒊可调混响时间的设计［1］ 一个近代音乐厅，无论是专业的或供多功能使用，都必须设置可调混响装置。理由很简单：首先，不同音乐作品要求有各自的混响时间，为使每个作品都有最佳的混响时间就要求有可调装置；其次是为了充分发挥音乐厅的使用效率，提高经济和社会效益，扩大其使用范围是完全应该的，这是近代厅堂设计必须考虑的实际问题。对此，音乐厅设置了用计算机调控的混响装置②。 为确保可调混响实效，遵循如下设计准则： ①可调结构必须有足够的可变吸声量(足够的可调面积和强吸声构造)，且在125Hz～4000Hz的覆盖频率范围内有接近相当的可变吸声量； ②可变吸声结构，当反射面暴露时，应对低频有较低的声吸收，并能起到声扩散的作用； ③可变吸声结构应具有操作简便、性能可靠和先进的调节手段。 ⒋厅内各界面的用材 厅内各界面用材设计，主要为了控制混响、获得良好音色和消除音质缺陷；厅内墙面均采用多层板外贴三合板的构造；可调圆柱体的反射面是在20mm厚的松木企口板外贴三合板；楼座后墙为木格栅内设可调帘幕；池座后墙为条木吸声结构，木地面和架空木板演奏台，石膏板吊顶。 厅内座椅是音乐厅内影响最大的吸声体，为减少其吸声量，并尽可能接近听众本身的吸声量，采用硬木板椅，仅靠垫和座垫为软包的构造。 ⒌噪声控制 音乐厅的噪声控制包括围护结构(墙、天花和门、窗)的隔声和空调系统的消声、减振设计两部分。前者做了构件隔声量的计算和试验，确保各构件均有所需的计权隔声量；后者均做了消声、减振(基础和管道)和限制气流速度的设计，以确保厅内噪声达到设计指标。 音乐厅的声学测量 音乐厅建成后的声学测定，包括混响时间、声场不均匀度、早期反射声、明晰度和噪声级等内容。现分述如下： ⒈混响时间(RT)测定［2］ 混响时间测定按厅内可调吸声结构处在三种不同吸声状态下进行，其结果见表2所示： ⒉温暖感(低音比)BR 温暖感是低音的提升程度，它表征音乐的丰满度，它是低频混响与中频混响时间的比值，即 (空场)，满场为1.04。 ⒊声场不均匀度ΔLp 声场不均匀度是以厅内测得的最大声压级Pmax与最小声压级Pmin的差值来表征，即ΔLp=Pmax-Pmin(dB)，测定结果列于表3。 ⒋早期反射声序列测定 表征反射声优、劣的状况，通常采用明晰度(声能比)C值，即早期声能与后期声场之比的分贝值，并以80ms(音乐)和50ms(语言)为时界，即： 计算时，后期声能取1000ms，8个测点位置上求得的C80(3)和C50(3)dB的平均值为； C80(3)为500Hz,1 000Hz和2 000HzC80值的平均值，C50(3)类同。 ⒌早期反射声时延间隙tI ⒍后座响度L 厅内后座响度，由于后座(楼上)至演奏台仅为23m，池座小于20m，因此，在交响乐自然声演奏时，声压级均大于80dBA(峰值)。 ⒎厅内噪声级N 厅内实测背景噪声为27dBA，开空调时29.7dBA。 关于厅内是否存在音质缺陷，通过脉冲响应测试和声衰减曲线进行分析表明，厅内没有音质缺陷。以上即为音乐厅声学测试的8项内容。 声学测定结果的分析、评价和调试 上述各项声学参数的测定结果与设计指标(见表1)相对应，可以肯定设计达到了预期的指标。通过试用，音乐家、乐师和听众普遍认为音乐具有良好的音质，表现在音色纯真、音节清晰、声学圆润、低音有较好的丰满度。特别是通过计算机调控混响时间装置，满足了不同音乐作品和类别(交响乐、室内乐、合唱音乐等)对混响时间的要求，给予很高的评价。但也有少数音乐爱好者和乐师认为池座5排至8排的中间座席尚感早期反射声不足。对此，通过演奏台上悬吊反射板倾角的调节，使之得到了改善(见图8所示)。 河北艺术中心音乐厅在世纪之交的2000年1月竣工启用，使用至今已有一年多的时间，通过各类音乐剧目的演奏，以及其它功能的使用表明，厅内具有良好的音质，具有很大的适应性。它的建成，不仅为石家庄市，同时也为华北地区、乃至国内增添了一座欣赏高雅艺术的殿堂。