多功能劇場聲學設計研究
——以閩清科技館劇場為例

宋 洋

(福州市建筑設計院 福建福州 350011)

0 引言

舞臺藝術是以視覺與聲音為媒介，向觀眾呈現出藝術家們演繹的劇本中的世界。臺框作為一面窗口，是替代觀眾認知的現實空間的虛擬世界。但是，舞臺又是一個真實存在的物理空間，無法構建還原虛擬的故事空間。而聲音媒介不同，沒有物理空間的局限，可以將舞臺的虛擬空間拓展至無限，從而還原宏大而真實的故事場景，為觀眾營造出強烈的代入感。這是聲學設計的意義所在。一個好的觀演建筑的設計，必定是以聲學設計為導向的。

閩清科技館位于福州市閩清縣梅溪新城，集規劃館，科技館，多功能劇場三大功能為一體，是閩清新的高雅藝術殿堂和政治生活中心。該項目獲得福建省第十二屆優秀建筑創作獎一等獎。

1 如何評價室內聲學設計

1.1 評價室內聲學的技術指標

1.1.1混響時間

混響時間是評價室內音質一個重要參數。適當的混響時間，可以展現音樂作品樂符間的融洽合一，或展現演講者聲音的渾厚有力。但過長的混響時間勢必會掩蓋后續的聲音內容，使聲音喪失清晰度，對傳達的信息造成影響。一般來說，最佳混響時間是以500Hz的聲音頻率測得參考數值。

對于歌劇院，一種認為以唱詞清晰度為主，采用短混響1.1～1.3s，另一種認為，應該以音樂的豐滿度為主，采用較長的混響1.5～1.6s。兩種觀點各抒己見，但由此可見，以音樂為主的廳堂混響時間要長于以語言為主的混響時間。

根據賽賓公式，Rt=0.161×V/(Axa),混響時間主要受廳堂容積和室內界面材質影響，合適的容積可以減少對吸聲材料、聲反射板等手段的依賴，從而達到最佳的混響時間。

1.1.2聲音明晰度

早期聲能和總聲能的比，用C80表示。早期聲是直達聲到達之后80ms之內聽到的聲音。如果沒有混響，聲音會很清晰，C80會是一個很小的值。反之，如果混響時間很長，則聲音不清晰，C80會是一個很大的值。

1.1.3聲場均勻度

聲源在室內發聲，會形成復雜聲場。室內的任何一個部位，都是由直達聲、反射聲和混響聲組成。如果室內各個部位聲壓級相同，即室內聲場分布均勻。不同類型觀眾廳混響時間設計推薦如表1所示。

表1 不同類型觀眾廳混響時間設計推薦①

1.2 聲學缺陷

如果觀眾廳體型設計不妥，就會引起聲學缺陷，具體表現為回聲、聲焦聚及耦合效應。

1.2.1回聲

人對回聲的察覺，取決于反射聲的延遲和聲功率。當時間延遲超過1/15S(聲程差23m)，就有出現回聲的危險。例如劇院由于來自后墻的延時反射，前排席位的觀眾就可能聽到回聲(因此觀眾廳后墻多為吸聲材料飾面)。因此，可以將直達聲傳播路程做聲線分析來做簡單的估算。

除了明顯的回聲，中等延時的反射聲也有可能使人們聽聞的語言變得模糊。因此，應當注意避免在直達聲后延時1/30s～1/15s(相當于聲程差12m～23m)的響度過大反射聲。一般來說，這種近似回聲是由側墻或位置過高的吊頂反射引起的。對此，設計可以采用凸面處理來避免這些聲學缺陷。

1.2.2聲焦聚

反射聲經過曲率過小的曲面，焦點處的聲壓級會遠大于其他各處的聲壓級，破壞了廳內的聲場均勻度。這種情況常常來自于弧面的觀眾廳后墻、側墻(鐘型觀眾廳平面)，或是樓座挑臺的欄板。為避免這種情況，一種辦法就是控制曲率，使凹曲面的焦點在觀眾廳之外。另一種辦法即在凹曲面做凸面體聲擴散，或是做吸聲處理。

1.2.3耦合效應

耦合效應，是兩個相鄰的空間混響時間不一致時，在混響時間短的空間內感到來自另一個空間的混響聲的現象。因此，要保證觀眾廳和舞臺兩個巨大空間混響時間的一致性。

1.2.4噪聲

噪聲嚴格意義上來說不屬于聲學缺陷，其分為背景噪聲和侵擾噪聲。背景噪聲是觀眾廳內部使用人員引起的，如腳步聲、座椅翻動聲、門的抨擊聲等，消除該噪聲辦法，主要應由使用者自己控制。設計也可設法降低這種噪聲，例如在翻動的席位背面安裝橡皮止動器等。侵擾噪聲是指觀眾廳外界的噪聲干擾，包括交通噪聲和門廳，過道、樓梯間、放映間、布景間的噪聲。評價噪聲的指數為NR數，這是國際標準化組織(ISO)推薦的一組曲線，用于評價噪聲的可接受性以保護聽力和保證語言通信，避免噪聲干擾，如表2所示。

表2 不同類型觀眾廳NR數限值②

2 聲學設計專業方法

2.1 觀眾廳平面和剖面的聲線作圖

幾何聲學的原理就是把聲音看成光線一樣直射和反射。聲線分析即是檢查觀眾廳內反射聲線是否均勻，是否存在聲學缺陷。不過，幾何聲學只是聲學設計的驗證方法之一，對于建筑師來說，可以作為一種劇場聲學初步設計的方法來驗證觀眾廳的形體是否合適。真正要完善聲學設計，還需要依靠其設計方法和設備檢驗。

2.2 實物縮尺模型

實物縮尺模型，是按一定的比例制作的、內部形狀和內表面材料和實際廳堂一一對應的模型。這個比例稱為縮尺比。聲學模型依據的基本等式是聲速=距離/時間=頻率×波長。當聲波在傳播過程中遇到障礙物，其變化特征取決于障礙物尺寸和聲波波長之間關系。所以，波長必須按距離的縮尺比例考慮。測試人員在一個密閉無反射的房間內演奏，聲音頻率按照縮尺比提高n倍后進入縮尺模型，通過接收器后再以縮尺比換算成正常頻率進入人耳，從而模擬出真實條件下人耳的聽聞效果。

2.3 計算機聲線模擬

早期的室內聲場模擬，主要依靠室內統計學縮尺模型來完成。該技術已經發展得較為成熟。不過成本較高，所需實驗設備多，往往只能在一些重要建筑結構設計中使用，但隨著計算機技術的發展，利用數字技術對室內聲場環境進行計算機模擬成為可能，并將大大降低經濟成本，減少時間，為建筑設計提供必要的指導。

3 室內聲學為導向的觀眾廳設計——以閩清科技館劇場為例

觀眾廳的設計包括尺度、平面、剖面，是基于觀眾的視覺體驗和聽覺體驗，同時還必須兼顧結構體系，施工條件以及建筑環境等。

3.1 確定混響時間

以語言為主與音樂為主多功能劇場所需的音效條件顯著不同，即使是同一表演形式的音樂，音效要求也差別很大。但是，不管對于語言還是音樂，所有頻率聲音的增長和衰減不能太死板，也不能太跳躍。

多功能劇場表演形式并不是唯一的，所以其混響時間有一個可調范圍，但過長的混響時間差在技術上有較大的實現難度，比如交響樂的混響時間上限值是1.9s，會議報告的混響時間下限值是1.0s，兩者相差0.9s。采用一般的可變吸聲結構比較難以實現，必須改變容積和設置混響室，這就加大了投資。但一般來說，可調幅度在0.4～0.5s之間是容易實現的，可采用的構造有幕簾可調結構，翻版可調結構，百葉可調結構，旋轉可調結構等。

(1)閩清科技館劇場混響時間確定

作為多功能劇場，用于文藝演出使用時，要求室內聲場有足夠的音樂豐滿度，根據《劇場、電影院、多用途廳堂建筑聲學設計規范》中規定，依據該劇場規模可得室內的最佳混響范圍為1.2s～1.6s(500Hz)。用于會議、放映使用時，必須滿足語言清晰度要求，才能保證會議聽眾能清晰準確地了解發言內容。在會議過程中需要同期錄音時，室內混響時間不宜過長，保證錄音效果。聲學方面要求廳內避免聲聚焦、振顫回聲、聲場不均勻等聲學缺陷，根據《劇場、電影院多用途廳堂建筑聲學設計規范》規定，再依據該劇場規模可得室內的最佳混響范圍為1.1s～1.5s(500Hz)，該劇場要求滿足文藝演出、會議和放映的使用，其混響時間中頻(500Hz)確定為RT=1.2±0.1s;在低頻(中心頻率125Hz的倍頻帶)的混響時間應有20%的提升。

3.2 空間尺度

根據賽賓公式，觀眾廳的容積影響混響時間，合適空間尺度的設計可以減少對聲材料，聲反射板等手段的依賴，從而達到最佳的混響時間。

(1)觀眾廳進深

觀眾廳的規模和使用性質，是觀眾廳設計的先決條件，決定了觀眾廳的空間尺度。一個30排席位(排距按0.9m計算)的廳堂，如果不考慮房間界面的作用，在舞臺上用交談的口語聲級50dB說話，至最后一排席位降低至30dB，已經比一個較為安靜的大廳里的背景噪聲還低。因此，在以自然聲為主的廳堂設計中，要設法縮短講堂至最后排席位的距離。即使在有擴聲系統的廳堂中，觀眾廳的進深也不是可以隨意加大的，還受到視距的控制。對于歌舞劇來說，觀眾要看清演員的動作，對于話劇來說，還要看清面部表情的變化。

(2)平面形式

在觀眾廳進深確定之后，要根據使用性質和規模，結構體系，施工條件以及建筑環境來確定平面類型。常見的平面類型有矩形、馬蹄形、鐘形、扇形等平面。規模小的觀眾廳，矩形平面聲能均勻，座區前部反射聲空白小，側墻早期聲音的反射聲場均勻，因此親切感和明晰度較好。但是，隨著觀眾廳規模的增加，跨度加大(超過30m)，觀眾廳前區會出現早期反射聲的空白區，而且中軸上的座位直達聲和反射聲會產生較大的聲程差，導致聲學缺陷。因此，產生了削減前區兩側不良座席的變種，即扇形平面和楔形平面。然而，相對于矩形平面，扇形平面側墻提供的側向反射聲較少，其音質狀況和側墻傾角有很大的關系。擴大容量，必須增大傾角。但所增加的大多為大廳后部偏遠兩角區視聽條件均較差的席位。一般來說，傾角可采取以下值：

φ=5°～8°最佳傾角；

φ≤10°聲音反射效果好；

φ≥15°反射吊頂低時候可采用，因為頂棚越低越有利于前次反射聲；

φ=22.5°超過此值反射區域減少。前中區側向反射聲空白區大，偏座席位增加，且看不到表演區深處。

若砍去扇形平面后部的偏座席位，則得到六邊形平面。傾斜的后墻能為中部座席提供較多的側向反射聲。平面比例改變時，反射聲區域也隨之改變。為使池座中前區得到短延時側向反射聲，應控制觀眾廳寬度和前側張角[1]。

(3)剖面形式

觀眾廳的剖面形式和平面形式是相適應的。當平面形式有明顯的聲學缺陷時，剖面形式應恰當調整(例如當觀眾廳中前部存在側向反射聲空白時，降低反射吊頂高度以獲得更多的前次反射聲)。800座以上宜設置樓座，樓座可以擴大容量，縮小視距，節約面積。同時，出挑的樓座欄板對觀眾廳的聲擴散和反射有利。但要注意，樓座上下空間高深比不宜過小。下空間≥1∶1.2～1.5，上空間≥1∶2.5，否側，后排席位有可能會處于聲影區范圍中。

(4)閩清科技館觀眾廳平剖面設計

根據項目立項文件的要求，閩清科技館多功能劇場定位為600座上下的小型乙等劇場。此等規模的劇場采用矩形平面合適，即：跨度24.8m，進深為31.2m。優點是結構簡單規整，前部座席反射聲空白區小。

3.3 室內設計

室內設計對音質效果起最后把控作用，造型設計和材料選擇在強調藝術性的同時，要保證建筑聲學的功能性，同時避免聲學缺陷的產生。

(1)混響時間

觀眾廳室內界面材質影響混響時間。當混響時間設計值和觀眾廳容積確定后，室內吸聲系數值也相應確定。一般來說，為了避免回聲，觀眾廳后墻布置為吸聲面，而吊頂布置為反射面。調節混響時間即調整觀眾廳側墻的吸聲面比例。

(2)早期反射聲

早期反射聲對于劇場中的聲學非常重要。因此，反射聲到達聽眾耳部必須有足夠清晰度，直達聲和第一次反射聲之間的時間間隔要小于20ms。早期反射聲可以通過定向反射結構獲得，如側墻上的反射板和吊頂反射板(云反射板)。做觀眾廳聲線分析圖輔助設計，以確定吊頂的高度和造型，兩邊側墻的角度，確保座席收到合適的早期反射聲。

(3)聲場均勻度

聲擴散是觀眾廳獲得均勻聲場的保證。不規則的觀眾廳邊界有助于聲擴散，但同時會增加劇場的施工難度。在大廳邊界上設置幾何聲擴散體，球體表面具有最佳的聲擴數，但必須和聲波波長相匹配。不規則地配置吸聲材料可助于聲擴散，但擴散材質應采用厚重的材料，避免低頻聲被吸收，降低混響時間。

建立三維模型，模擬吸聲材料利用計算機進行分析，可以輔助設計，確認聲場均勻度達到標準。閩清科技館多功能劇場，在倍頻程500Hz頻段內的大劇場室內觀眾席聲場均勻度均位于±3dB范圍內，在倍頻程1000Hz頻段內的大劇場室內觀眾席聲場均勻度均位于±3dB范圍內。模擬結果顯示，室內聲場均勻度滿足設計和使用要求。

3.4 隔聲降噪

閩清縣科技館位處快速路邊，為了避免交通噪聲對觀眾廳的影響，觀眾廳結合設備管井和聲控光控、放映室等房間不同需求，設置雙層墻來避免外界噪聲對觀眾廳的影響；劇場座椅下空間靜壓箱下的空調機房，墻面和吊頂，均采用吸聲材料。除了空氣傳聲，還應當避免空調機組的震動通過結構傳聲傳至觀眾廳，對空調機組做減震處理，安裝橡膠或彈簧減震器，空調管道采用軟管連接，安裝彈性吊架，穿墻位置做彈性密封處理。

舞臺側臺道具出入口也是噪聲容易侵擾的入口。閩清縣科技館設計的道具出入口，面向城市快速路(受總平流線制約，無法避免)，容易受到來往車輛噪聲的影響，本應設計聲閘來隔絕交通噪聲，但由于場地空間限制，沒有預留聲閘空間余地，只能采用隔聲卷簾來控制侵擾噪聲。舞臺內部的噪聲指數還有待于后評估的測定。

4 結語

觀眾廳聲學設計是一項專項設計，在劇場設計的過程中與建筑專業和室內設計專業需要相互配合。本文以建筑設計師的角度，介紹了觀眾廳聲學設計的基本原理，手段、流程和重點。建筑設計作為工程建設的龍頭專業，應總體把控，協調各專業之間的矛盾。因此，掌握基礎的聲學設計原理十分必要。

本文僅對設計基本原理和設計要點進行簡析。隨著建筑技術，材料技術的發展，聲學設計可利用手段也在不斷更新。例如，閩清科技館多功能劇場的混響時間是定值，是平衡兼顧各使用功能的結果，而對于其它許多先進的多功能劇場，可采用可變吸聲體、聲反射罩等手段達到混響時間可變，提高對不同功能的適應性[2]。當然，建設成本也會相應提高。因此，建筑師應時刻關注新技術、新材料的發展，才能站在更高的維度，進行全過程、全專業把控。