基于ODEON 對典型宗祠戲場的聲環境仿真研究
——以紅安縣吳氏宗祠為例

彭 然，粟春燕，徐 偉*

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2.廣州艾濾聲聲學技術有限公司，廣東 廣州 510000

中國傳統宗祠戲場以庭院式的觀演空間居多，其聲學特征與全開敞的露天觀演空間和全封閉的廳堂觀演空間均有所不同：較之于前者，在庭院式觀演空間內觀眾能夠接受到來自四面墻壁的部分反射聲，使之獲得更好的聽音效果；較之于后者，在庭院式無頂空間中向上輻射的聲能會全部散失，最終形成不同于一般封閉空間的特殊混響場，也導致其產生的聽音效果與在封閉空間中完全迥異。

進行宗祠戲場的聲環境研究，并分析其作為中國傳統戲曲演出場所的一系列相關聲學指標以明確其聲場特征，這對于當代中國民族觀演建筑的聲學設計具有很高的參考價值。近年來，部分專家、學者對我國各類庭院式戲場進行了一系列聲學指標的測量，并得出了許多具有啟發性的結論：如楊陽等對山西傳統神廟戲場的聲環境測量［1］；張龍等［2］對德和園大戲樓等皇家觀演建筑的聲場對比測試與分析；劉海生等［3］對典型的庭院式戲場的音質測試與分析。在以大量實測數據作為基礎的情況下，王季卿［4-5］、莫方朔［6］等對中國傳統庭院戲場的聲學特征進行了綜合歸納，主要涉及亭式舞臺的演唱效果、庭院戲場的混響感、不同戲場布局的聲場強度變化、伴奏樂隊位置變遷的聲學效果以及古代歷史中曾在舞臺下設甕助聲問題的探究等，此外楊陽［7-9］、蘭俊鑫等［10］基于科技史觀對古代戲場建筑聲環境營造中的諸多傳統手法進行了研究。但是，當前基于計算機仿真技術對傳統戲場的聲環境研究在國內尚還處于欠缺狀態，而相比于實地測量，計算機仿真技術的合理運用對于未來民族觀演建筑設計中各類聲學指標的預判更有價值。

本文采用建筑聲場仿真軟件Odeon4.0，以湖北省紅安縣吳氏宗祠為例對其典型的庭院戲場進行聲環境模擬，得出并分析其一系列關系聽音品質的主客觀評價值，然后探討此類聲環境能否給人以良好的聽音感受，最后提出自己關于傳統戲場的聲環境與我國戲曲演出特點之間內在聯系及其相互適應問題的見解。

1 吳氏宗祠及其戲樓的建筑概況

吳氏宗祠始建于清乾隆二十八年（1763），后毀于火災，又于清同治十年（1781）和光緒二十八年（1902）兩次重建，目前建筑整體保存良好，為湖北省重點文物保護單位。戲樓位于吳氏宗祠的第一進，坐南朝北，并與宗祠的正殿相對，中間形成了約160 m2的庭院作為觀演空間，其兩側為看樓，并通過連廊和戲樓本體直接相通［11-12］。

戲樓的正中掛有金字匾額，名“觀樂樓”（見圖1）。其建筑主體為木結構，色紅如鐵，平面為“凸”字形，分設前后臺，中間有板壁與左右兩上下場門相連。戲樓的前臺為重檐歇山灰瓦頂，面闊8 m，進深5.7 m，臺面有木制直欞欄桿，檐下施九踩如意斗拱，正脊中置三層塔形寶頂；后臺則為硬山灰瓦頂，面闊15.6 m，進深6 m。

2 建筑聲場仿真軟件Odeon 簡介

Odeon 軟件的基礎是幾何聲學，其由虛聲源法與聲線跟蹤法相結合進行計算機聲場模擬并具備可聽化功能。該軟件廣泛運用于工程設計和科學研究領域，能夠對幾何形體較為復雜的劇院、音樂廳、教堂、地鐵站及各類室外場所進行仿真模擬。Odeon 的計算模型可以由3D 設計軟件SketchUp 或其他Cad 軟件導入，并在將各個建筑界面均賦予參數后通過仿真得出諸如混響時間t30、早期衰變時間tEDT、A 計權聲壓級LPA、A 計權后期側向聲壓級LPLLA、語言傳輸指數GSTI、明晰度C80、早期側向能量因子HLF等一系列聲學研究所需的指標值。其輸出結果除以上指標值還包括聲音的空間分布圖、聲音傳播的GIF動畫以及雙耳或環繞可聽化音效等。

3 研究模型的建立與相關參數設定

吳氏宗祠的戲場模型采用自動計算機輔助設計軟件Autocad 建立，以三維面處理工具3Dface 定義平面，其觀演空間限定于戲樓、兩側看樓、宗祠正殿以及由此圍合而成的室外院落。中國傳統的戲曲唱腔力求聲音洪亮悠長，因此聲源選擇指向舞臺正前方的高聲調語言聲“Talkraise”。聲源位于戲樓前臺的正中央，參照我國人體的平均高度取1.5 m，加之戲樓本身的3 m 臺高，聲源距離地面總高度為4.5 m。

吳氏宗祠的主體結構為木質薄板，僅其外部圍以抹灰磚墻，根據以上材質在仿真中選擇了相應的吸聲系數與擴散系數［13］，而庭院上部的無頂空間則直接設置為全吸聲面。另根據吳氏宗祠的管理人員介紹，以往戲曲演出時宗祠內常座無虛席，因此觀眾區域設置為滿場狀態（見表1）。

模型中共設置聲線15 000 條，脈沖響應的采樣間隔為1.5 ms，背景噪聲采用NR-20 標準［6］。在觀眾區內一共設置了13 個受聲點（見圖2），點1、2、4、5、6、7、8、9、10、11 位于戲場的首層，在考慮人的平均坐高后將其高度設置為1.25 m，這其中點1、2、7、8 位于宗祠的正廳內，點4、5、6、9、10、11 位于露天的庭院之中；點13、3、12 則位于庭院一側的看樓之上，為有頂空間，受聲點的高度設置為4.5 m。另外點1、2、4、5、6 位于戲場的中軸線之上，其余受聲點則均勻分布在戲場的東側，因吳氏宗祠在空間布局上遵循嚴格的中軸對稱，故其西側的聲音分布基本可參照東側的數據直接獲取。在對13 個具體受聲點位的各聲學指標進行詳盡模擬外，模型中還在建筑首層的整個觀眾區內距離地面1.25 m 的坐席耳平面上以0.2 m×0.2 m 劃分了網格，以模擬得出由不同色塊所表示的各個聲學指標值在整個觀眾區內的分布與變化情況。

4 模擬結果及分析

4.1 混響時間t30和早期衰變時間tEDT

由模擬結果可知各受聲點的t30和tEDT值差異很大（見表2～3），這主要是因為該宗祠戲場為無頂的半開敞空間，因此其不同于均勻的擴散場，混響公式無法完全適用，戲場中的混響體驗僅局限在少數早期反射聲所形成的效果上。此類場所中后期反射聲多難以為繼，因此早期反射聲對于聽音起著重要的主導作用，故而tEDT較之于t30是更為合理的音質評價指標。

由圖3 可知t30的混響時間頻率特性曲線較平直，低頻段的混響時間也很短，這主要是因為吳氏宗祠主體為木質薄板結構，其構造形式對于低頻聲的吸收效果明顯；而tEDT反映的是早期反射聲所產生的混響效果，木質薄板結構對于低頻聲的吸收效應尚不明顯，因此其頻率特性曲線呈現中低頻段略有提高的態勢。點1、2、7、8 因位于室內，其tEDT值較之開敞庭院中的點4、5、6、9、10、11 和看樓上的點3、12、13 略大，這說明圍合空間能夠產生更好的混響體驗。但是這13 個受聲點的tEDT值在總體上都偏小，多在1.5 s 以內，高頻段更是普遍降至了1 s 以內，其原因除開敞的庭院空間導致聲能散失外，也在于建筑主體的木質薄板結構和滿場觀眾席分別對低頻和高頻聲有較多的吸收。其中點6 和11 的tEDT值最小，主要因為這2 個點基本位于庭院正中心，導致其能夠接收到的早期反射聲極為有限，造成了混響感的缺失。

表2 各受聲點的混響時間值匯總Tab.2 Summary of reverberation time values of each sound receiving points

表3 各受聲點的早期衰變時間值匯總Tab.3 Summary of early decay time values of each sound receiving points

圖3 不同倍頻帶下各受聲點的混響時間和早期衰變時間均值變化曲線Fig.3 Mean value curves of reverberation time and early decay time of each sound receiving point in different octave

4.2 A計權聲壓級LPA與A計權后期側向聲壓級LPLLA

根據圖4 中A 計權聲壓級LPA與A 計權后期側向聲壓級LPLLA在觀眾區的數值分布可知聲源的指向性對于聽音效果的影響極為明顯，其表現在舞臺兩側區域的LPA值普遍在40 dB 以下，較之于庭院中央驟降了約15 dB，已產生了嚴重的音質缺陷。舞臺正前方貼近臺口處的LPA值也較低，這主要是因為舞臺位于戲樓二層，故其正下方同樣處于聲源的指向性范圍之外，難以獲得良好的聽音體驗。除了以上特殊點位，整個觀眾區的LPA值總體上隨著與聲源距離的增大而衰減，在庭院中基本可以達到48 dB 以上，而正廳中則普遍位于44～48 dB 之間。

圖4 觀眾區聲壓級分布：（a）A 計權聲壓級，（b）A 計權后期側向聲壓級Fig.4 Distribution of sound pressure level in audience area：（a）A-weighting sound pressure level and（b）A-weighting late lateral sound pressure level

語言聲級一般要達到50～65 dB，且信噪比達到10 dB 以上才能夠使人獲得較清晰的聽音體驗；而音樂聲級則標準更高，往往需要達到75～96 dB才能夠實現演出效果［6］。雖然通過模擬可知在人的正常發音情況下吳氏宗祠戲場無法滿足以上的聲學標準，但是在我國傳統戲曲演出中演員聲音十分洪亮，其聲功率值往往會超過模型中所采用的TALKRAISE 聲源，因此其觀眾區內的聲壓級分布預計可以滿足正常的演出要求。另一方面，該模型中整個觀眾區的LPLLA值分布比較均勻，但是基本都在40 dB 以下，可見戲場中的后期側向聲能獲得情況普遍不佳。

4.3 語言傳輸指數GSTI和明晰度C80

根據圖5 中語言傳輸指數GSTI在觀眾區的數值分布可知庭院中的語言清晰度是最好的，其值可達到0.60 以上，在語言清晰度評價體系中屬于“良”和“優”的標準，這主要與該區域離聲源較近而獲得了較強的直達聲且其在開敞的空間內能夠大幅度避免混響的干擾有關，但是舞臺兩側由于聲源的指向性因素導致GSTI數值明顯偏低至0.40以下。正廳中部的GSTI值同樣不夠理想，但正廳兩側的GSTI值較高，這主要是因為聲音傳至正廳后直達聲的強度早已減弱至難以給予人清晰的聽覺體驗，這種情況下由側墻處所帶來的后期反射聲反而能夠增強語言的清晰度。

位于宗祠正廳中央區域的受聲點1、2、7、8 的C80值最低，從這4 個點的脈沖響應圖和前次反射聲時間圖譜可以看出其接收的早期反射聲相比于后期反射聲明顯不足。而位于庭院和看樓上的其他9 個受聲點所接收到的直達聲強度更大，且混響時間較短，因此其C80值更為理想。

圖5 （a）觀眾區語言傳輸指數的分布，（b）早期側向能量因子的分布Fig.5 Distribution of（a）Language transmission index，（b）early lateral energy factor

除此之外也可看出在整個觀眾區內低頻段的C80值普遍低于高頻段的C80值（見表4），但是這對于中國傳統的戲曲演出影響并不大，因為各劇種的唱腔基本都是以高音為主，這也正是中國古代戲場在不使用擴音設備的情況下也能使后部觀眾聽清唱詞的原因之一。

4.4 早期側向能量因子HLF

根據圖5 中早期側向能量因子HLF在觀眾區的數值分布可知庭院中央處的HLF值偏低，這主要是因為其距離側墻較遠，所能夠接收到的早期側向反射聲很少。而位于看樓上的受聲點3、12、13 的HLF值則較高（見表5），說明在看樓上觀戲除了能夠獲得更好的視線外，其空間感體驗也更佳。

表4 各受聲點的明晰度值匯總Tab.4 Summary of clarity values of each sound receiving point

表5 各受聲點的早期側向能量因子HLF值匯總Tab.5 Summary of early lateral energy fraction values of each sound receiving point

5 結 論

由以上模擬結果可知宗祠中典型的庭院式戲場由于其開敞的空間而導致混響時間較短，且戲曲演出往往會聚集大量人群，而人群對高頻聲的吸收效果明顯，因此如果庭院面積較大，則位于庭院后方的觀眾會感到聲音響度不足。但是中國傳統戲曲一般以嚴格的“程式”執行演出，演員們活靈活現且略為夸張的舞臺表演有助于觀眾理解一部分原本需要依靠聲音傳遞的信息［14］。再者，中國戲曲十分重視唱腔的洪亮與氣息的悠長，如葉調元在清道光十九年旅漢時所作的《漢口竹枝詞》便記載有：“曲中反調最凄涼，急是西皮緩二黃，倒板高提平板下，音須圓亮氣須長”。其中“音須圓亮”可彌補位于后場的聽眾難以獲得足夠響度感的缺陷，而“氣須長”則意味著演員唱腔中已經帶有一定的混響特征，可平衡觀眾區內混響感不足的問題，另一方面傳統戲曲中本身便夾雜著大量道白，這也要求觀眾區不能如現代的音樂廳一樣擁有過長的混響時間。

中國傳統建筑重視平面上的延伸，而罕見對于垂直高度的追求，因此其庭院式觀演空間的側墻往往不高，如果庭院面積過大則庭院中央很少能夠獲得足夠的早期側向反射聲，導致庭院中的聲音空間感受容易不足［15］。另一方面，中國傳統建筑以木構居多，木質板材對低頻聲的吸收效果明顯，會減弱聲音的溫暖感，并導致低頻段的語言清晰度不足，但是中國傳統戲劇的演唱大量應用被稱之為“高調”的假聲，使得聲音的中高頻能量居多，可以很好的彌補這一缺陷。綜上所述，中國傳統的建筑空間營造與其戲曲演出形式之間是能夠相互契合的。