西昌涼山民族藝術中心大劇場聲學設計和計算機模擬分析

1、西昌涼山民族藝術中心大劇場聲學設計和計算機模擬分析研究一.工程設計簡介涼山民族文化藝術中心暨火把廣場是四川省涼山州豐富群眾文化事業(yè)，提高全民文藝欣賞水平，建構和諧社會的一項重要建設項目。藝術中心位于涼山州西昌市涼山民族文化公園內(nèi)“火把廣場”的東側(cè)，是一座以演藝中心為主體，融學術交流、展覽、商業(yè)、休閑、娛樂為一體的多功能文化建筑。藝術中心總建筑面積為2萬平方米，功能包括一個固定座席850座的大劇場，一個小劇場（250座），兩個電影院（分別為 223座和127座），一個多功能廳，一個歌舞廳，三個展廳，和一條商業(yè)街等。其中大劇場觀眾廳正圓形平面，最寬處為30.4m,進深為28.5m,面積為690n2

2、,在觀眾廳后墻設有兩層包廂樓座，升降樂池可加座111座。大劇場室內(nèi)設計采用具有民族風格的木格柵裝飾，木格柵造型從彝族服飾、器物中的典型紋樣中提取元素，進行抽象簡化，表現(xiàn)熱情奔放民族特征。民族文化藝術大劇場屬于民族歌舞類綜藝節(jié)目兼顧與語言要求的多功能廳堂。大劇場設計要求中頻500Hz在混響時間1.3-1.4秒，聲場不均勻度為土 3dB,背景噪聲為NR25建筑設計由中國建筑設計研究院承擔，清華大學建筑學院承擔建聲設計工作，還負責了小劇場、多功能廳和歌舞廳的建聲設計和咨詢服務工作。整個涼山民族藝術中心工程于2006年初啟動設計和施工建設，并預計于2006年12月10日全部竣工并正式啟用，迎接冬旅會召

3、開。圖1.大劇場平面圖圖2.大劇場剖面圖.觀眾廳建筑聲學設計1 .觀眾廳容積的確定與體型設計涼山藝術中心劇院觀眾廳主要用于民族綜藝類節(jié)目演出，建聲設計主要考慮民族歌舞演出使用，觀眾廳演出要求以自然聲為主，電聲為輔，擴聲系統(tǒng)主要用于會議功能。藝術中心觀眾廳的體型是接近圓的圓弧形，建筑設計結(jié)合當?shù)匾妥寤鸢压?jié)文化，其形態(tài)圍繞日月同輝的天文意境和天文崇拜，貼合西昌市“月城”、“太陽城”、“中國航天城”的城市主題。觀眾廳吊頂及墻面的反射聲，以及直達聲的傳播，決定了聲場時間和空間的分布狀況。因此，觀眾廳的形體和表面的聲學性質(zhì)也就決定了室內(nèi)的音質(zhì)。圓弧型的劇場聲學上先天存在聲場聚焦和聲場不均勻問題，要求聲學

4、設計處理好觀眾廳內(nèi)的擴散和吸聲，弧形墻面上需布置大量擴散體及吸聲材料。觀眾廳中前部側(cè)墻上部和后墻部分布置不規(guī)則造型吸聲體，防止劇場內(nèi)出現(xiàn)長延時的反射聲；觀眾廳中前部側(cè)墻下部布置隨機排列的擴散體，提供觀眾席有益的側(cè)向聲能。經(jīng)過聲學處理的觀眾廳整場聲壓級分布均勻，聲場不均勻度W6dB,較好的改善了聲場聚焦缺陷，使得觀眾廳混響時間均勻。觀眾廳側(cè)墻采用透聲裝飾木格柵，以掩遮聲學痕跡，保證良好的裝飾效果。 劇院觀眾廳前部頂棚采用弧形反射板，為座席中前部提供均勻擴散的近次反射聲。觀眾廳頂棚高度15.5m,觀眾廳體積10510m3,每座容積12.3m3。舞臺頂部和舞臺墻面布置吸聲材料，聲學設計要求舞臺空間內(nèi)

5、的混響時間接近觀眾廳的混響時間，避免免舞臺空間與觀眾廳空間之間因耦合空間而產(chǎn)生的不利影響。觀眾廳包廂內(nèi)后墻和側(cè)墻布置吸聲材料，控制包廂內(nèi)的混響時間，給包廂內(nèi)聽眾提供良好的音質(zhì)。樂池內(nèi)的墻面布置木槽吸聲板，利于伴奏聲有效地輻射至觀眾廳、同時兼顧到樂隊演奏時的相互聽聞。2 .觀眾廳的混響時間設計指標為了滿足綜藝類節(jié)目演出需要較好的音質(zhì)豐滿度，同時兼顧會議使用良好的語言清晰 度，觀眾廳混響時間設計指標中頻500Hz混響時間為1.3 ±0.1秒，混響時間頻率特性曲線允許低頻有15-20%的提升，高頻有10-15%的降低。觀眾廳背景噪聲的大小， 將對聽音產(chǎn)生非常大的影響。根據(jù)我國現(xiàn)行劇場設計規(guī)

6、范，確定大劇場觀眾廳背景噪聲為 25NR噪聲評價曲線。合適的響度是聽音的基本要求，對于一個大廳，用強度指數(shù)G作為評價響度的相對指標。體積較大民族藝術中心大劇場觀眾廳強度指數(shù)G大于0dB,有滿意的音質(zhì)效果。明晰度是到達觀眾的早期聲能與后期聲能比的對數(shù)值，它與音質(zhì)的清晰度有關。各音質(zhì)指標見表。表.劇場各項音質(zhì)指標的數(shù)值范圍背景噪聲混響時間強度指數(shù)明晰度NR噪聲評價曲線T (S)G (dB)C (dB)NR251.3 ±0.1>0-1 £ CW 43 .觀眾廳的混響時間控制為了充分反射聲音， 前部弧形天花吊頂采用雙層12mW紙面石膏板材料， 乳膠漆面層。后部天花為原建筑頂棚

7、。墻面：綜合考慮裝修與控制混響時間要求，防止觀眾廳內(nèi)聲場分布不均勻，對圓弧型墻面劃分區(qū)域進行特殊處理。臺口兩側(cè)墻到耳光部分側(cè)墻采用混凝土刷涂料做法，給觀眾廳中前區(qū)提供重要的早期聲反射。 整個觀眾廳裝飾面層的木格柵后預留了500mm厚的空腔，空腔內(nèi)布置吸聲和擴散材料進彳T聲學處理（圖5, 6）。觀眾廳耳光以后一層包廂以下弧形側(cè)墻部分布置隨機排列的GRGT散體，擴散體采用輕鋼龍骨外貼紙面石膏板做法；側(cè)墻上部和后墻部分采用和GRGT散體相同造型的穿孔紙面石膏吸聲板做法，穿孔石膏板內(nèi)填50厚玻璃棉（圖3）。擴散板的三角型造型結(jié)構穩(wěn)定不易產(chǎn)生低頻共振吸收，穿孔吸聲板的后空腔由不同尺 寸構成，在全頻帶有很

8、好的吸聲特性。 在裝飾木格柵后安裝一道銅網(wǎng)以掩遮聲學痕跡，保證良好的裝飾效果（圖 4）。木格柵和銅網(wǎng)的透空率要求大于85%以上。二號才能陸峨法桀構大耕二號F1拓做法縉櫛大村號4春與怵法由梅大樣漆清瑞穿孔見面石音板;E皆俄悔儻法臣構大斗料掩黑孔需郭瞞斛相穿孔,海口后|三獷附怵,法密相K#'號片忸做W茹珀吠樣GRCT散體構造示意圖聶帆或曾輕蜴龍骨,、紙雷不膏極>>><3輛石香板胞胞B3- 1TT圖3裝飾木格柵圖4裝飾銅網(wǎng)為控制舞臺空間的混響時間，在墻面6米以下部分采用25厚木絲板，兼有吸收低頻和防撞功能。舞臺墻面6米以上至第一道馬道標高 12米位置，滿貼玻璃棉(外包

9、玻璃絲布)， 外罩鋼板罩面(鋼板網(wǎng)噴黑漆)；頂棚采用T型龍骨600X 600離心玻璃棉吸聲板吊頂。觀眾座椅對控制混響時間有重要作用，設計擬定單個座椅的吸聲量0.6m2/個，待觀眾廳裝修完畢后，座椅安裝前需進行中期聲學測試，座椅的聲學性能必須符合中期測試要求方可安裝。圖7大劇院觀眾廳內(nèi)裝修施工照片圖8火把廣場藝術中心施工照片4.觀眾廳的噪聲控制(1)對于由觀眾廳外有可能傳入大廳的環(huán)境噪聲，主要依靠隔聲處理。對于在休息廳活動的觀眾噪聲干擾，需采取在休息廳和觀眾廳環(huán)廊的吊頂做吸聲處理，在觀眾廳入口處采用聲閘和隔聲門等，在經(jīng)過上述處理后可保證達到大廳所允許的噪聲水平。吸聲吊頂?shù)慕翟胂禂?shù) NRC30.6

10、。(2)對于由空調(diào)通風設備傳入大廳的機械噪聲及氣流噪聲，需由設備專業(yè)按照大廳允許噪聲 指標要求采用相應措施。送風方式為座椅下送風，風口氣流應均勻，流速應小于0.2m/s ,單個風口聲功率應小于 10dB(A)。(3)所有燈具必須采用低噪聲燈具。（4）觀眾廳為避免環(huán)境噪聲干擾，墻體隔聲量Rv360dBo與觀眾廳相連的單層隔聲門、窗的隔聲量應Rv340dBo隔聲門由專業(yè)廠家生產(chǎn)。（5）為避免觀眾廳的座椅在翻動時產(chǎn)生碰撞噪聲，應采用緩起立座椅。三.觀眾廳計算機模擬分析在觀眾廳聲學設計中進行了全面地計算機音質(zhì)模擬分析。本分析采用大型聲場模擬軟 件系統(tǒng)RAYNOISE（它是世界上公認模擬結(jié)果最可靠的建聲

11、模擬軟件之一），其主要功能是 對封閉空間或者敞開空間以及半閉空間的各種聲學行為加以模擬，它能夠較準確地模擬聲傳播的物理過程。該系統(tǒng)可以廣泛應用于劇場、錄音室、演播室音質(zhì)設計和預測。針對廳堂聲場音質(zhì)，建立與施工圖紙精確度相同的三維立體模型（圖X）,在軟件中輸入廳堂裝修材料聲學參數(shù)，指定聲源位置，通過計算機陣列服務器運算，十分準確的仿真出建聲聲場分布和音質(zhì)參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)聲場缺陷。通過模擬分析，調(diào)整設計方案，保證觀眾席聲學效果。RAYNOISET以準確地預測混響時間、聲場分布、脈沖聲響應等，還可以計算 廳堂音質(zhì)主觀評價參數(shù)。 并根據(jù)聲學設計要求， 對觀眾廳方案進行聲學效果評價，指導設計改進方案。RA

12、YNOIS歐件計算仿真和展示大劇場聲場的主要內(nèi)容有： 室內(nèi)混響聲場的最大聲壓級和聲場分布（不均勻度）； 觀眾廳混響時間分布 RT30 ; 觀眾廳音樂明晰度指標C80; 觀眾廳語言清晰度指標D50; 觀眾廳側(cè)向聲能 LE ;觀眾廳聲場力度G值;語音傳輸指數(shù)（RASTI）損失;圖9大劇場聲學模型圖10大劇場聲學模型圖11大劇場室內(nèi)效果圖圖12大劇場室內(nèi)效果圖計算機音質(zhì)模擬分析如下:圖13:大劇場觀眾席500Hz聲壓級分布圖（側(cè)墻后墻沒做擴散吸聲處理）圖14:大劇場觀眾席500Hz聲壓級分布圖（側(cè)墻后墻做擴散吸聲處理）通過計算機音質(zhì)分析， 對比分析觀眾廳側(cè)墻和后墻處理前和處理后的比較。原方案，側(cè)墻布

13、置強吸聲材料，觀眾廳中后部聲場分布不均勻，模擬顯示紅色位置高出其他區(qū)域8dB（圖13）;側(cè)墻布置隨機排列的 GRCT散體和吸聲體，頂棚前部增加弧形吊頂后，觀眾廳內(nèi)聲場分布均勻，計算機模擬顯示聲場不均勻度在6dB以內(nèi)（圖14）。圖15:大劇場觀眾廳明晰度指標C80 平均=1.1dB圖16:大劇場觀眾席語言清晰度指標D50明晰度是直達聲到達后前 80毫秒早期聲能與后 80毫秒后混響聲能的比。明晰度 C80C80應控制在是反映聽眾傾聽音樂細節(jié)的指標，專業(yè)聽眾對該指標非常敏感。研究表明,41dB之間為好，數(shù)值越負混響感越強，數(shù)值越正，干澀感將增加。不同人的感受對應該 指標的最佳值不同，一般認為，中型民

14、族歌舞演出以傾聽細節(jié)為主，計算機模擬顯示廳內(nèi)平均為1.1 ,符合要求（圖15）。語言清晰度是直達聲及其后 50ms內(nèi)的聲能與全部聲能比值的百分數(shù)。觀眾席要求音質(zhì) 清晰、明亮、親切，會議、文藝演出使用時，D50宜大于50私好。一層池座和二三層樓座顯示數(shù)值平均在 55以上（圖16）。圖17:大劇場觀眾席側(cè)向聲能指標LE圖18:觀眾席快速語言傳輸指數(shù)RASTI側(cè)向聲能LE是從兩側(cè)到達的聲音能量占總到達聲能的百分比。LE數(shù)值越大，代表側(cè)向反射聲越多，空間印象越好，音樂環(huán)繞感越強。研究表明，劇場要求LE在2040%為宜, （圖 17）。RASTI代表了傳聲過程中語言信息量的失真程度，是觀眾廳內(nèi)電聲擴聲的

15、基礎指標。一般小于0.2被認為信息嚴重失真，合適的數(shù)值應大于0.4 ,模擬顯示在擴聲系統(tǒng)聲能覆蓋區(qū)域觀眾廳內(nèi)大部分橘紅色區(qū)域數(shù)值在0.4以上，（圖18）。分析結(jié)論：通過模擬分析，觀眾廳絕大部分座席區(qū)的各項聲學參數(shù)的指標都比較好，可以保證民族綜藝演出時能夠獲得優(yōu)良的音質(zhì)效果。墻面上布置的寬頻擴散體效果較好，有效的解決了聲場不均勻度的問題。四、中期驗收測試數(shù)據(jù)和計算機模擬數(shù)據(jù)分析比較藝術中心大劇場室內(nèi)裝飾部分完成后座椅安裝前，進行了中期驗收現(xiàn)場測量，主要測量觀眾廳內(nèi)混響時間和聲場不均勻度。聲場不均勻度統(tǒng)計表測點1測點2測點3測點4測點5測點6測點7測點80.30.30.400.61.31.42.1

16、測點9測點10測點11測點12測點13測點14測點15測點161.51.2-0.10-1.2-3.1-0.60.9上表測點1到測點16數(shù)值都是與測點0的A聲級的差值，觀眾廳內(nèi)的聲場分布也均勻，設計要求為w 6dB,而全場實測17個點不同頻率的聲場不均勻度達到土2.1- ±3.9dB,沒有聲場聚焦缺陷，優(yōu)于設計預期要求?；祉憰r間實測統(tǒng)計表：頻率(Hz)125250500100020004000混響時間T(s)2.642.772.882.672.371.88測試時現(xiàn)場狀況為： 防火幕落下，墻面吸聲裝修已完成，頂棚施工基本完成， 地面素混凝土(有座椅送風口)，耳光吸聲未做采用玻璃棉包模擬，

17、樂池施工未完成，現(xiàn)場有少量腳手架，局部門洞使用大芯板封堵，場內(nèi)有少量雜物?，F(xiàn)觀眾廳測試情況與未來建成后存在的主要差別在防火幕狀況不同和有無座椅，其他因素影響較小。一般地，防火幕升起后，低頻125250Hz會降低0.2-0.3S , 500 1000Hz會降低0.1-0.2s ,去除室內(nèi)雜物等影響可能增加0.1s左右估計。在測試狀況下如果打開防火幕，清理干凈現(xiàn)場，即只是無座椅的情況下，混響時間指標計算為：頻率(Hz)125250500100020004000混響時間T(s)2.52.62.72.52.51.7觀眾廳內(nèi)池座目前現(xiàn)狀是有 700多個送風洞口，每個面積 0.01m2左右，估算有80m左

18、右的 吸聲量。為了驗證洞口的吸聲參數(shù)， 在清華大學改造的座椅下送風實驗室內(nèi)把 9個送風洞口 打開，進行實驗測試。標準隔聲實驗室改造的超低噪聲通風實驗室圖紙：圖A實驗室平面圖圖B實驗室立面圖圖C改造后的座椅下送風實驗室測量方法參照 GBJ 47-83混響室法吸聲系數(shù)測量規(guī)范，測量在改造后的標準建筑隔聲實驗室的接收室內(nèi)進行風口吸聲系數(shù)測量。送風接收室靜壓箱上共有9個風口，3X 3排列,排間距900mm列間距550mm風洞直徑mm,模擬大劇場池座地面送風風洞現(xiàn)狀。吸聲系數(shù)和吸聲量各頻段的混響時間按下列公式計算:八 55.3V11A C * n 丁60 2T60 1A-單個物體的吸聲量（M2）S-試件

19、面積（M2）n試件個數(shù)T60 1-未放入試件前的混響時間（秒）T602-放入試件后的混響時間（秒）C空氣中聲速(米/秒)、，I 、0C=331.5+0.5t , ( t:空氣溫度 C)實驗數(shù)據(jù)如下接受室有洞時的混響時間:頻率(Hz)125250500100020004000混響時間T(s)1.331.721.491.491.341.04接受室封堵洞口后的混響時間:頻率(Hz)125250500100020004000混響時間T(s)1.431.831.531.571.351.04計算得到單個風洞洞口的吸聲系數(shù):頻率(Hz)125250500100020004000混響時間T(s)0.150.100.040.030.030.01實驗測試結(jié)論：測試數(shù)據(jù)表明洞口在低頻有吸聲，125Hz吸聲系數(shù)為0.15, 250Hz吸聲系數(shù)為0.10。把上述條件考慮在內(nèi)，通過計算機模擬分析驗證隔聲幕打開狀態(tài)和落下狀態(tài)混響時間和實測預估的差異。模擬條件要求聲源位置和實測一致，池座地面為素混凝土，