劇場(chǎng)室內(nèi)聲學(xué)缺陷的改善措施研究與應(yīng)用

1?建筑聲學(xué)的發(fā)展自20世紀(jì)初，聲學(xué)設(shè)計(jì)的研究得以發(fā)展；1951年哈斯效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，聲學(xué)工作者開始對(duì)早期反射聲進(jìn)行研究；20世紀(jì)60年代，德國聲學(xué)家施羅德等發(fā)現(xiàn)了早期側(cè)向聲能與非側(cè)向聲能的比例關(guān)系，使反射聲的研究從時(shí)間域發(fā)展到了空間域，是廳堂聲學(xué)研究的一個(gè)重大進(jìn)展；20世紀(jì)50年代開始，廳堂縮尺模型的研究有了長(zhǎng)足進(jìn)展，隨后廳堂聲學(xué)的數(shù)字仿真技術(shù)也發(fā)展起來，此后建筑聲學(xué)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期，各種類型的音樂廳、劇場(chǎng)越來越多。我國古代也出現(xiàn)過聲學(xué)效果極佳的建筑，如北京天壇；21世紀(jì)以來，我國聲學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展起來，上海大劇院、國家大劇院、長(zhǎng)江“黑匣子”劇場(chǎng)等建筑的投入使用標(biāo)志著我國劇場(chǎng)建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。盡管建筑聲學(xué)在理論和實(shí)踐上已經(jīng)取得了巨大的成就，但仍存在一些問題，如廳堂設(shè)計(jì)方面，何種新穎的廳堂體形能產(chǎn)生良好的音質(zhì)效果，值得聲學(xué)工作者進(jìn)一步探討。2?建筑室內(nèi)聲缺陷及改善措施劇場(chǎng)建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素為室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)，室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)的主要目的是使語言清晰、聲音優(yōu)美、音樂豐滿圓潤(rùn)、聲音有立體環(huán)繞之感，同時(shí)劇場(chǎng)內(nèi)任何位置上不出現(xiàn)回聲、多重回聲、顫動(dòng)回聲、聲聚焦和共振等音質(zhì)缺陷。對(duì)于室內(nèi)聲學(xué)缺陷，可以通過體形設(shè)計(jì)及合理布置裝飾界面結(jié)構(gòu)、材料等方式進(jìn)行改善。3?案例分析3.1?項(xiàng)目概況某劇場(chǎng)建筑以歌舞、戲劇和話劇演出為主，劇場(chǎng)的平面大致為扇形，長(zhǎng)約25?m，寬約27?m，天花下高度約8.5?m，聲學(xué)有效房間容積為2?960.3?m3，室內(nèi)總表面積1?598.4?㎡，劇場(chǎng)包括565個(gè)池座，容座率為5.2?m3/座。本項(xiàng)目舞臺(tái)區(qū)包括1個(gè)主舞臺(tái)以及相應(yīng)的側(cè)臺(tái)和后臺(tái)。舞臺(tái)口寬約16?m，高約8?m。3.2?問題分析建筑室內(nèi)音質(zhì)的好壞首先與建筑的體形有關(guān)，建筑的體形設(shè)計(jì)，首先，要充分利用直達(dá)聲，使直達(dá)聲均勻地覆蓋觀眾廳，并保證直達(dá)聲的強(qiáng)度；其次，要注意使早期反射聲（主要是一次反射聲）合理分布于整個(gè)大廳，即廳內(nèi)各主要反射表面應(yīng)使早期反射聲能均勻地到達(dá)觀眾席。實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)也表明，強(qiáng)度適宜的，不至于有回聲感的反射聲有助于演出者感受到來自廳內(nèi)聲場(chǎng)的支持，進(jìn)入更為良好自信的表演狀態(tài)；再次，應(yīng)避免觀眾廳內(nèi)任何位置出現(xiàn)回聲、多重回聲、顫動(dòng)回聲、聲聚焦和共振等聲缺陷。如當(dāng)反射聲與直達(dá)聲的聲程差超過17?m時(shí)，就可能出現(xiàn)回聲。本項(xiàng)目為扇形平面，為了達(dá)到較好的視覺效果，側(cè)墻采用內(nèi)凹弧形設(shè)計(jì)，天花采用兩片貝殼形天花設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，因建筑整體尺寸較小，聲程差較短，不存在回聲缺陷，但因墻體、天花異形結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致早期反射聲聲場(chǎng)分布不均，觀眾席出現(xiàn)聲聚焦等問題，通過體形設(shè)計(jì)，改善聲線路徑，確保聲線分布均勻。3.3?臺(tái)口區(qū)側(cè)墻體形優(yōu)化對(duì)劇場(chǎng)1.5?m高平面進(jìn)行二維聲線分析，聲音從聲源發(fā)出后的聲線，如圖1所示，圖中方框圍合部分為舞臺(tái)口的弧形側(cè)墻，聲音首先經(jīng)該弧形側(cè)墻反射，觀眾席中間區(qū)域大部分接收的一次反射聲都是靠這部分弧形側(cè)墻反射而來，此位置的反射聲線幾乎全部集中在觀眾席中部，兩側(cè)觀眾席的早期反射聲較少，因此應(yīng)對(duì)該部分墻面優(yōu)化，本項(xiàng)目可以將臺(tái)口附近的一段側(cè)墻做成斜展形，改變臺(tái)口附近反射聲方向，使之反射的范圍加寬，提高觀眾席的早期反射聲覆蓋范圍，優(yōu)化后的二維聲線，如圖2所示，從圖中可以看出聲線覆蓋范圍增加。圖1?原始3層平面1.5?m接收平面聲線圖2?優(yōu)化后3層平面1.5?m接收平面聲線3.4?觀眾廳側(cè)墻及后墻體形優(yōu)化為提高聲場(chǎng)均勻度并結(jié)合室內(nèi)美學(xué)藝術(shù)效果，在側(cè)墻上布置擴(kuò)散體，該擴(kuò)散體采用GRG材質(zhì)，與側(cè)墻結(jié)構(gòu)一體成型。擴(kuò)散體類似于墻體上的突起，同時(shí)擴(kuò)散體與墻體間存在圓弧倒角，該結(jié)構(gòu)可使墻面的反射方向發(fā)生變化，由鏡面反射轉(zhuǎn)變?yōu)槁瓷洌纳坡暰劢箚栴}，側(cè)墻體形優(yōu)化后聲聚焦問題得到解決（圖3、圖4）。圖3?用于內(nèi)凹弧形墻面的聲學(xué)擴(kuò)散體主視圖圖4?用于內(nèi)凹弧形墻面的聲學(xué)擴(kuò)散體俯視圖3.5?天花體形優(yōu)化聲音由聲源點(diǎn)發(fā)出后，經(jīng)天花形成一次反射聲，將聲音有效地反射到觀眾區(qū)域，提供大量的早期反射聲，加強(qiáng)直達(dá)聲，提高聲場(chǎng)均勻度、響度和語言清晰度。天花作為最重要的一個(gè)反聲面，需要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用的貝殼形天花造型裝飾效果美觀。原始剖面聲線如圖5所示。由圖5可知，該造型能為觀眾席提供早期反射聲，使來自頂部的反射聲能大致均勻覆蓋觀眾席，但因前排座位較難獲得一次反射聲，故應(yīng)將左側(cè)貝殼整體向上平移0.4?m并以左側(cè)頂點(diǎn)為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)3°，優(yōu)化后的聲線如圖6所示，可知優(yōu)化后前排座位可以獲得一次反射聲，來自頂部的反射聲能均勻覆蓋在整個(gè)觀眾席上。圖5?原始剖面聲線圖6?優(yōu)化后剖面聲線對(duì)于劇場(chǎng)而言，容易引起回聲的部位一般是觀眾廳的后墻，后墻一般采取吸聲或擴(kuò)散處理。本項(xiàng)目為避免后墻產(chǎn)生不利的聲反射，觀眾廳后墻兩側(cè)部分采用擴(kuò)散構(gòu)造。4?仿真模擬建筑聲學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)廣泛地應(yīng)用于廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)、音質(zhì)評(píng)價(jià)、聲場(chǎng)特性研究等領(lǐng)域。與實(shí)物模型（縮尺模型）相比，其克服了模型制作和測(cè)試中的困難，而且模型建立和修改均十分方便、便捷，節(jié)約了時(shí)間和費(fèi)用。本次計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬分析采用ODEON軟件，其以幾何聲學(xué)為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用到聲線跟蹤法、虛聲源法、聲束跟蹤法等原理。本設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)仿真模擬對(duì)廳堂的室內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)，了解小劇場(chǎng)聲學(xué)效果，檢查廳內(nèi)的聲學(xué)缺陷是否得到改善。仿真建模時(shí)，為提高軟件的計(jì)算效率，對(duì)觀眾廳做了簡(jiǎn)化：門與墻作同一平面處理、觀眾席簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體、頂部天花做了封閉處理，如圖7所示。圖7?劇場(chǎng)模型采用無指向性理想聲源OMNI.SO8，增益設(shè)為31?dB，聲源位置設(shè)置在舞臺(tái)口中央，距地面1.5?m高；受聲點(diǎn)為觀眾席區(qū)域，高度距離地面1.2?m，相當(dāng)于人坐下時(shí)耳朵的高度，由于模型具有對(duì)稱性，因此在一側(cè)觀眾席布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。聲源及受聲點(diǎn)位置分布，如圖8所示。圖8?聲源和受聲點(diǎn)分布通過對(duì)廳堂空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，研究每個(gè)網(wǎng)格的聲場(chǎng)特性，以便了解整個(gè)廳堂的聲學(xué)特性。本次模擬將廳堂觀眾席平面劃分為0.75?m×0.75?m的單元，高度距離地面1.2?m；以彩色網(wǎng)格圖形式展示，觀眾席網(wǎng)格分布，如圖9所示。圖9?觀眾席網(wǎng)格分布根據(jù)優(yōu)化后的體形，對(duì)劇場(chǎng)進(jìn)行滿場(chǎng)條件下聲學(xué)仿真模擬，分析對(duì)比模擬結(jié)果，查看體形優(yōu)化后的混響時(shí)間T30等聲學(xué)參數(shù)，500?Hz、1?000?Hz劇場(chǎng)滿場(chǎng)混響時(shí)間T30分布分別如圖10、圖11所示。圖10?劇場(chǎng)滿場(chǎng)混響時(shí)間T30分布（500?Hz）圖11?劇場(chǎng)滿場(chǎng)混響時(shí)間T30分布（1?000?Hz）根據(jù)JGJ57—2?000《劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》，本劇場(chǎng)的容積為2?960.3?m3，故500~1?000?Hz滿場(chǎng)時(shí)混響時(shí)間為（1.1±0.1）s較為合適，劇場(chǎng)中頻滿場(chǎng)混響時(shí)間1.13?s，滿足規(guī)范要求。5?結(jié)束語（1）通過對(duì)劇場(chǎng)進(jìn)行二維聲線分析，針對(duì)分析結(jié)果中出現(xiàn)的聲聚焦、聲場(chǎng)分布不均問題提出改善措施，進(jìn)而提出對(duì)于規(guī)則形體可以采用二維聲線進(jìn)行室內(nèi)體形分析，檢查劇場(chǎng)內(nèi)反射聲線是否均勻，是否存在聲學(xué)缺陷，該方法簡(jiǎn)潔、直觀，可以作為劇場(chǎng)聲學(xué)初步設(shè)計(jì)的方法。（2）