國家大劇院建筑聲環境

李國棋

（國家大劇院 舞臺技術部，北京 100031）

國家大劇院建筑聲環境

李國棋

（國家大劇院 舞臺技術部，北京 100031）

介紹國家大劇院建筑聲環境，描述隔聲降噪措施與效果，闡述三個劇場聲學設計與特點。

國家大劇院；噪聲；隔聲降噪；混響時間；聲學設計

前言

國家大劇院位于西長安街人民大會堂西側，建筑師的設計理念是“城市中的劇場，劇場中的城市”，聲學專家致力于打造“喧鬧城市中的安靜劇場，音質優美劇場構筑的藝術之城”。為了使觀眾能在安靜的環境中聆聽優美的音樂，享受安靜帶來的舒適和高雅，安靜成為國家大劇院首要考慮的問題，從設計、建設伊始就采取了很多創造安靜、保證大劇院不受外界噪聲干擾的措施。

1 隔聲降噪

1.1 地鐵振動干擾問題

地鐵一號線作為北京人出行的重要交通線路，東西橫貫北京城區。而國家大劇院恰恰坐落在地鐵一號線邊旁。在建設之初，地鐵對大劇院震動和噪聲的干擾問題，曾讓設計者和使用者擔心過，希望由地鐵振動而引起的噪聲級比劇場內允許的背景噪聲級低3 dB。

地鐵一號線距離大劇院外表殼體最近為160 m，到歌劇院外墻為220 m。呼嘯的地鐵從天安門西站風弛而過，如果振動產生的噪音在40 dB～50 dB之間，就需要在劇院外部建隔振墻；如果振動大于50 dB，就必須對劇場結構和地鐵進行必要的減振措施。振動衰減的計算結果表明：在超過150 m的衰減后，地鐵的振動和噪聲不會對大劇院的演出產生影響。竣工后試演出情況驗證了當時的判斷的正確性，工程上節省了投資，保證了工期。

1.2 減振降噪措施

依靠建筑殼體和四周的地下圍墻，使大劇院被自然地保護起來。使用高阻尼連接和鈦金屬板隔斷噪聲的干擾，使得殼體隔聲量 Dn，w = 40 dB ==> Rw = 42 dB。見圖1。

為了進一步減少噪聲，創造一個安靜的聲音環境，除了隔斷外部噪聲干擾以外，還針對觀眾廳內的噪聲源進行了嚴格的控制。例如：電梯豎井遠離觀眾廳，并且在豎井內加裝鋼套；采取置換式座椅椅腳送風的空調方式，減小空調風口產生的噪聲；觀眾座椅采用阻尼緩沖裝置以減少座椅翻起的沖擊噪聲等等。

2 音質設計

2.1 劇場類型與混響時間

國家大劇院外觀上像個巨大的“蛋殼”，里面容納著3個劇場：專供大型歌劇、芭蕾舞演出使用的歌劇院，用于演奏大型交響樂和民族樂的音樂廳，還有以上演戲曲、話劇為主的戲劇場。所以，國家大劇院又被戲稱為“三黃蛋”。各種不同的表演藝術對聲音的要求各不相同，是建設3個不同功能的劇場的理由之一。

建筑聲學是一門古老而又年輕的學科。100多年前，美國科學家賽賓的混響理論使古老的室內聲學煥發了生機。國家大劇院廳堂音質就是基于這一理論設計和建造的。

混響的長短稱為混響時間，國家大劇院不同廳堂的演出類型不同，所需要的最佳混響時間亦不相同。如：戲劇表演需要聽清臺詞，混響時間不能過長，所以戲劇場的混響時間是1.2 s；歌劇院既要讓觀眾聽清臺詞，又要能聽出美妙的音樂旋律，所以歌劇院的混響時間是1.6 s；音樂廳演出交響樂，需要表現出音樂的飽滿、優美等，需要混響時間為2.2 s。這些都是國內外劇場設計和使用的經驗統計結論。

2.2 戲劇場觀眾廳的音質設計

國家大劇院戲劇院特別為話劇和京劇等地方戲劇演出而設計，舞臺具有鏡框式和伸出式兩種形式。觀眾廳有一層池座與兩層挑臺，體積和視距都十分緊湊，有利于戲劇演出。戲劇場觀眾廳座位數1 000（鏡框式舞臺）/900（伸出式舞臺），體積 = 7 200 m3，每座容積7.2 m3。池座長24 m，最大寬度30 m，樓座區距舞臺22 m，最小天花高度12 m。圖2為戲劇場觀眾廳設計圖。

觀眾廳的形狀和尺度滿足劇場音質設計的要求，每座容積大，有利于選擇吸聲材料，使劇場混響時間的設計有更大的自由度。為達到高清晰度和均勻的聲場分布，天花、側墻、特別是舞臺口部分，都采取了有利于音質的裝修材料。

戲劇場在聲學設計上的主要難點是具有兩個不同的表演區，較難得到提供早期聲反射的有效面積。基于以上情況提出了幾點聲學設計要求：

（1）小音量或在第一次強反射聲后仍能獲得清晰度和可懂度高的語音信號；

（2）所有座位應滿足：不能遮擋直達聲，均勻的天花反射聲，第一次強反射聲；

（3）（舞臺前部）伸出式舞臺形式時，要有良好的聲音效果。

聲學設計采用了法國CSTB公司研發的建筑聲學計算機模擬仿真軟件，針對鏡框式舞臺及伸出式舞臺觀眾廳的兩種情況，設置了兩個幾何模型，如圖3，設計目標值：

背景噪聲小于NR-20；

中頻混響時間（T60）1.2 s（低頻+30%，高頻-10%）；

聲強指數（G）無擴聲系統時-30 dB（A），聲場均勻度允許偏差為+3 dB（A）或-2 dB（A），第一排座位除外；

明晰度（C80）≥ 1 dB（500 Hz）；

語言傳輸指數（STI）≥ 0.7（無擴聲系統）。

圖4是兩種舞臺情況下聲壓級的分布情況。當聲源在前舞臺時，它更靠近觀眾，直達聲較強。但在兩種舞臺情況下，聲壓級分布都很均勻，在池座席變化小于3 dB（A）。由于戲劇場的舞臺空間做強吸聲處理，即可將耦合空間結合面的舞臺臺口面視為開放窗口處理，觀眾廳聲壓級并沒有很大的減少，廳堂聲壓級實測值與計算值基本一致。

語言清晰度可以從初始聲能與混響聲能的比值定義。語言傳輸指數RASTI可用范圍應大于或等于0.5。從圖5可知RASTI在池座中部總是不小于0.5，在兩種不同的舞臺情況下，平均值都高于0.6。

在室內聲能衰變過程中，由于各種原因并非總是遵循指數衰變規律。因此，用早期衰變時間EDT來說明初始部分聲能衰變率。早期衰變時間與測試點位置、聲源的指向性、房間容積和吸聲量等因素有關。通常指在廳堂一些具有代表性的位置上測量再取其平均值。一般比房間混響時間短大約100 ms，而房間混響時間僅與房間容積與吸聲量有關。

G（聲強指數）表述了觀眾廳內從聲源（歌唱家、樂隊）傳導到聽眾的聲音強度，它的定義即在聽眾位置上的聲壓級和聲源聲功率級之間的差額。在大多數廳堂內（歌劇院、音樂廳、戲劇院等），此聲強指數必須大于-33 dB，此參數一般是在125 Hz～4 kHz的倍頻帶上測量并用dB（A）來表征。

根據Epidaure軟件分析的結果，如圖6所示，戲劇場的音質令人滿意，達到了設計目標值，十分適合于話劇和京劇等的演出。

戲劇場的500 Hz混響時間設計值是1.3 s左右，如圖7所示。混響時間沒有因表演區的不同而有明顯變化，即使舞臺上的布景吸聲有很大影響，但是設計的混響時間略高于預期的1.2 s。當表演區在舞臺前部時，頂上天花打開，其聲吸收正好補償減少的觀眾吸聲。

綜合整個音質預測結果來看，戲劇院設計能夠滿足各項使用要求。在最后的建筑詳圖中，舞臺口外的墻面、挑臺、欄桿和天花仍可能有所變動。輔助的模擬研究將有助于決定最后的建筑細部。

2.3 歌劇院的視覺空間和聽覺空間

作為國家大劇院內最宏偉的建筑，歌劇院可以容納將近2 400名觀眾觀看演出，是三個劇場中最大、舞臺設施最先進最完備的一個劇場。

在設計之初，設計師安德魯先生為歌劇院選擇了馬蹄形劇場形狀。聲學設計提出歌劇院聲學上需要的矩形空間，以便獲得更多的近次發射聲效果側墻采用曲折形狀，但安德魯認為這樣就破壞了馬蹄形劇場的整體造型。為了使馬蹄形歌劇院既符合視覺上美觀，又符合聲學要求，經過聲學專家與建筑師多次交流，雙方達成共識。

最終人們看到在歌劇院的墻壁上，出現了一層圓弧形的金屬網，它巧妙地將原本不規整的聲學墻“遮擋”起來，形成視覺上的馬蹄形狀，而金屬網結構又像篩子，聲音可以透過，在凹凸不平墻面構成的矩形空間發生反射，達到理想的聲音效果。視覺上的馬蹄形與聲學要求的矩形實現了完美的結合，如圖8、圖9所示。為此，聲學專家們在實驗室及施工現場進行了大量的實驗和測試，以保證這一結合的實現。

2.4 音樂廳聲學特點

與傳統古典派音樂廳風格完全不同，音樂廳觀眾廳為改良的鞋盒形，四面都設有觀眾坐席。音樂廳混響時間為2.2 s，為達到這一數值，建筑師和聲學專家通力合作，做了大量的工作。

建筑師打造了一個現代音樂廳的裝修風格，聲學專家則在天花上進行聲音擴散，設計了凹凸不平的平面。首先，由計算機隨機生成抽象的平面圖案，按照聲學要求，生成凹凸的三維視圖。然后，由法國巴黎巴士底歌劇院的藝術家制成小樣模型帶到北京，加工成型。施工中先吊掛一塊模型，從視覺上和聽覺效果上進行分析、調整，最后完成了音樂廳的天花。可以說：音樂廳天花是聲學專家參與創作的一件“藝術品”。

管風琴是另一件“藝術品”，為了把它展現在觀眾面前，不遮擋觀眾的視線，演奏臺上方的反聲板采用了玻璃材質，如圖10所示，如果采用木質材料聲學效果也許會更好。

音樂廳的側墻面看上去就像超市商品上的條形碼，又像鋼琴的琴鍵。其實這也是聲學裝修聲擴散上的要求。這按照數論方法確定的具有一定周期的凸凹分布被稱為MLS聲學構造，如圖11所示，分布在音樂廳演奏臺周圍，具有擴散聲音的作用，不僅有利于觀眾廳區域的聲音均勻，而且還可以大大地改善演奏員之間的聽聞。

音樂廳在建設之初，要求是：自然聲演出，不使用擴聲，依然能讓每個座位上的觀眾聽到清晰的聲音。音樂廳的建聲設計及裝飾還是嚴格按此要求來實施的，這要求演員有足夠大的聲音，是對演員的“挑戰”。

3 聲學測試和主觀評價

3.1 聲學測試音樂會

2007年12月4日晚，在剛剛落成的國家大劇院音樂廳進行了一場帶觀眾的聲學測試音樂會，如圖12所示。音樂會開幕前由法國CSTB公司和清華大學建筑學院聲學研究所共同進行了帶觀眾的聲學測試。這是廳堂音質評價的重要一環，為準確地評價國家大劇院音樂廳的聲學效果提供科學的數據。

3.2 測試結論

用發令槍發出脈沖聲音，主要的目的還是為測量觀眾廳的滿場混響時間、頻率傳送特性、聲場均勻度等物理指標。統計收集來的大量數據，為評價廳堂音質提供科學的依據。實際測試結果表明，國家大劇院的聲學指標除了空調噪聲外，全部達到了設計指標。

除此之外，國家大劇院還在現場對觀眾和歌唱家、藝術家進行了音質主觀評價調查，大家都積極配合測試工作，提供了自己的聲音感受。本次評價采用調查問卷的形式，《音樂廳主觀評價測試問卷》正文包括初步印象、觀眾評價、演出人員評價、全體人員評價、個人資料、整體印象及建議等6個部分，囊括了從整體氛圍到各個聲部的感受等各個方面。在問卷設計中引入了語意分析法（SD尺度法），將評價分為優秀、良好、一般、較差、很差五個等級，參與者可以根據自己的主觀感受進行選擇。總體來說，超過70%的觀眾對音樂廳音質評價都為“優秀”和“良好”。

結語

國家大劇院的落成，離不開幕后無數設計人員的辛勤勞動。從劇院的外觀到內部裝飾，從觀眾席的座椅到舞臺上的燈光和音響，可以說每一個細節都傾注了設計師們的一份心血，特別是劇院的聲學設計，更是科學和藝術的完美結合。

從國家大劇院首場演出至今已有兩年時間，期間舉辦了百余場大小演出，很多表演藝術家對3個劇場的聲學質量做出了很高的評價。相信在未來會有更多更好的劇目及音樂會上演，會有更多的藝術家能夠在這里為觀眾呈現最震撼最美妙的音樂與視覺盛宴。

The Acoustics Environment of the National Centre for the Performing Arts

LI Guo-qi
(Stage Technology Department, National Centre for the Performing Arts, Beijing 100031, China)

For the National Centre for the Performing Arts, this article introduced its architectural acoustic environment, and solution to sound insulation and sound design; also it analyzed the different characteristics of there theatre.

National Centre for the Performing Arts; noise; sound insulation; reverberation time; acoustic design

（編輯 潘 浪）