聲線法在劇院建筑聲學設計中的應用

余斌

【摘 要】 結合大型劇院項目建聲設計實踐，介紹聲線法在劇場觀眾廳體型聲線分析和聲場模擬計算中的應用。通過對觀 眾廳墻面和吊頂形狀的二維和三維聲線分析，有助于優化調整其體型，使反射聲均勻覆蓋整個觀眾席區域，并 避免產生聲聚焦等明顯的音質缺陷。

【關鍵詞】 聲線法；聲反射；音質缺陷；音質設計，建聲設計

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.006

【Abstract】Combined with the practice of acoustical design for large theater projects， the application of acoustic line method in the analysis of sound line and simulation of sound field in the theatre audience hall are introduced. By analyzing the 2D and 3D acoustical lines of the hall wall and ceiling， it helps to optimize the shape of the auditorium and make the reflection sound even cover the entire audience area， and avoid obvious sound quality defects such as acoustical focusing.

【Key Words】acoustical line method； acoustic reflection； sound quality defect； sound quality design； acoustical design

劇院的音質效果，取決于觀眾席區域接收到的直達聲與反射聲在空間和時間上的分布狀況，以及聲能隨時間的衰減特性?？陀^上可以用接收點處的反射聲系列，以及混響時間等與聲能衰減相關的音質參量來判斷其優劣。

劇院建筑聲學設計是一項復雜且不易控制的工作，要保證所有的音質參量都滿足設計要求是十分困難的，且客觀音質參量不能窮盡表述，最終的音質效果還需要主觀評價來評判。所以，成功的聲學設計不能否認會有“幸運”的成分在里面。聲學工程師需要借助各種設計方法來完成建筑聲學設計，如基于擴散聲場理論的混響時間估算公式、基于相似性原理的縮尺模型試驗，以及以聲線追蹤法為核心的聲場電腦模擬計算。

一個較好的觀眾廳體型（吊頂和墻面形狀）和表面的聲學性質可以保證廳內聲場時間和空間的均勻分布，也就決定了劇院的優良音質效果。在演出時，觀眾廳內任何位置上不得出現可識別的聲缺陷，如：直達聲與強反射聲的聲程差不應超過17 m，否則易造成回聲；避免凹弧形墻面或吊頂造成局部聲聚焦；平行墻面造成顫動回聲等聲學缺陷。

聲線法是建筑聲學設計中使用較多的一種方法，主要包括對觀眾廳體型進行聲線分析，以調整到最優狀態；對劇院進行模擬計算，以確定室內吸聲量等是否符合設計要求。

1 二維聲線分析

二維聲線分析可以在觀眾廳的平面和剖面圖紙上進行，以聲線法為基礎，入射到界面上的聲線做鏡面反射。二維聲線法可以對觀眾廳的吊頂、樓座底天花、側墻甚至眺臺欄板的形狀進行分析。調整頂面的形狀，以使來自吊頂的一次反射聲能夠均勻覆蓋所有的觀眾席區域，調整側墻特別是舞臺口八字形墻體的角度，以使來自墻面的一次反射聲能夠均勻覆蓋所有的觀眾席區域。

圖1是襄陽大劇院觀眾廳吊頂的二維聲線分析圖。經過幾輪調整后，觀眾廳吊頂的形狀和角度合理，來自吊頂的一次反射聲能夠覆蓋觀眾席的絕大部分區域；樓座底天花的一次反射聲可以投射到觀眾席的后幾排，以彌補吊頂一次反射聲不能到達的空隙；側墻的一次反射聲能夠覆蓋整個池座區域。

2 三維聲線分析

二維聲線法只可以在觀眾廳的平面、剖面圖紙上進行，所以，通常只能對比較常規的劇院進行分析。如今，異形曲面在劇院建筑中的應用越來越多，如廣州歌劇院和哈爾冰大劇院等，簡單的平面和剖面圖甚至都不能表達清楚劇院觀眾廳的形狀，只能借助建筑三維模型。所以，二維聲線法有其局限性，為了完成設計工作只能進行三維聲線分析。

圖2是哈爾濱大劇院的三維聲線分析圖，聲學設計師在此基礎上提出了多項改進意見，以確保最終的體型調整到滿足聲學要求。三維聲線分析比二維聲線分析更直觀，且能夠分析的范圍更大，分析結果更真實，特別是對于側墻的分析，能看清楚聲線是否真正投射到觀眾席區域。筆者在做襄陽大劇院和廣州粵劇院聲學設計的時候也應用到了三維聲線分析，對體型優化調整起到了積極的作用。

3 聲線追蹤法

模擬計算軟件的基礎大多以聲線追蹤法為核心，所以聲場計算機模擬計算也是聲線法在劇場建筑聲學設計中的一樣重要的應用。

聲線追蹤法以幾何聲學為理論基礎。聲線追蹤法認為：聲源向四周發出大量聲線，在空間中以聲線的形式傳播聲能，每根聲線開始均攜帶相同的能量；聲場各壁面均為平面（曲面由多個平面替代），聲線每次和空間界面僅有一個碰撞點，且其能量會有所衰減；當反射階次高于設定數值或聲線攜帶能量低于預設閾值時，程序停止對該聲線的追蹤，并開始對下一根聲線進行追蹤運算，直到全部聲線均追蹤計算完畢；接收點的設定有一定的范圍，當聲線穿過預先設定的這個范圍時，計算機會記錄聲線到達的時間、能量和方向，最后可以得到接收點處的聲脈沖響應。二維矩形空間聲線法的示意圖如圖3所示。

有關界面散射的處理，聲線追蹤法在計算中引入界面散射系數d（0

模擬計算得到的反射聲系列可以判斷在接收點是否出現了明顯的聲聚焦、聲共振等音質缺陷，以及初始時間間隙tI是否在設計指標范圍內。音質參量網格圖不但可以判斷該參量是否在設計指標范圍內，還能夠判斷其在整個觀眾席區域的分布是否均勻、變化是否連續、最大值和最小值的差異是否可以接受。

圖4是哈爾濱大劇院的聲學模型、反射聲系列和音質參量網格圖，聲場計算機模擬驗證了前期聲學設計的有效性。筆者所在的章奎生聲學設計研究所在十余座劇院建筑聲學設計中應用了聲場計算機模擬計算。

4 結論

二維聲線法和三維聲線法有助于對劇院觀眾廳吊頂、樓座底天花、側墻和眺臺欄板的角度與形狀進行優化調整。三維聲線法比二維聲線法應用范圍更廣，表達更清晰直觀，但需在三維建筑模型上進行，所以，二維聲線法最主要是應用在前期調整，而三維聲線法在觀眾廳體型基本定型以后有著更多的應用。

基于聲線追蹤法的聲場計算機模擬計算是建聲設計的重要手段之一，可以得到比基于擴散聲場理論的混響時間估算更多的音質參量信息，其中反射聲系列圖和音質參量網格圖可以預測劇院建成后的實際音質效果，在現場實測之前就能比較直觀地驗證前期聲學設計工作的有效性。

（編輯 薛云霞）