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福建大剧院大剧场建筑声学设计案例

发表于2015-05-06 15:11       |       937次阅读      |来源:北京维也纳声学技术有限公司      |收藏
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                              福建大剧院大剧场声学设计

                              张海亮  朱相栋

 

摘要:多功能剧院工程在近几年声学工程中占有很大的比重。本文介绍了福建大剧院大剧场的声学设计及从中获得的经验。声学设计的目的是保障厅堂内部的听闻条件,本文根据作者的长期声学设计实践中的经验和教训,从声学设计的合理性、正确性和实施性三个方面对保障声学设计质量的措施进行了探讨。合理性主要体现在大剧院前期的建筑策划阶段,包括大剧院的主要用途和声学指标的确定;正确性主要是体现在声学设计过程中采用先进的1/10缩尺模型测定,计算机模拟等声学设计手段保证室内声学设计能够满足既定的指标;实施性则是为确保剧院有良好的音质,从方案阶段开始声学设计,并贯穿于设计、施工、试用测试全过程,获得了良好音质和高度评价。本文以福建大剧院大剧场的声学设计为例,对以上工作进行详细的介绍。

关键词:大剧院;声学设计;声学实验;

 

      1、引言

      福建大剧院位于福州市中心五一广场一侧。是福建省市民工程建设的一部分,包括一个1472座的剧场、一个423座的音乐厅及贵宾室、化妆室、排练厅及设备机房等相关配套设施。

      剧院池座平面近似于马蹄形,设有两层楼座。音乐演出时使用音乐反射罩和升降乐池。剧院于2009年7月竣工验收,经过声学验收测试,各项指标达到设计要求。曾用于重大会议召开和歌舞剧演出,各方反应良好。大剧院观众厅室内总坐席为1472座,室内总容积12200m3,每座容积为8.2m3/座。观众席吊顶距地面最高15.5m,池座部分距舞台最远视距32m。

      2、福建大剧院声学指标的确定

      剧院观众厅的声学指标是参考国内外的经验、结合国情,并经业主组织各方专家研究讨论认定,各项指标为:

      (1) 混响时间。综合福建大剧院各项用途,最终确定剧院混响时间在中频(500Hz)为(1.4±0.1)s,使用音乐反射罩,厅内混响时间增加0.2s左右。混响时间频率特性中高频曲线平直,低频相对于中频提升1.2倍。

      (2) 声场不均匀度。观众厅内声场不均匀度(ΔLp)在125~4000Hz频率范围满足ΔLp≤8dB要求。

      (3) 噪声级。观众厅背景噪声满足NR20指标要求。

      3、声学设计概要

      3.1 体型设计

      对于自然声演出的歌剧院来说,体形设计至关重要,它要解决响度(音量)、声场分布、声扩散、早期反射声的分布和消除音质缺陷等问题。

      福建大剧院大剧场平面、剖面图分别如图一、图二所示。

图一:观众厅池座平面图

                       图一:福建大剧院观众厅池座平面图

图二:观众厅剖面图

                       图二:福建大剧院观众厅剖面图

      大剧院的室内设计阶段,中国建筑设计院室内所承担装修设计工作,在设计中采用传统的设计手法,大剧院吊顶采用跌落式弧形吊顶方式。此种设计手法能够根据声学反射要求将舞台的声能均匀的反射到观众席,吊顶距离地面最高高度达到15.5m,整体空间感较好,在台口外侧的弧形反射板吊顶根据1/10缩尺模型测定结果确定,能够保证观众席前区得到足够的反射声。

图三:观众厅吊顶形式

                              图三:福建大剧院观众厅吊顶形式

      对大剧院平面设计中采用的传统形马蹄形平面,进行调整。在观众厅两侧设置升起式包厢,减小观众席中部距两侧墙面的距离,增加观众席中部近次反射声。挑台栏板的形式结合福建沿海渔船的造型意向采用船头的弧形造型,能够将声音折射入挑台下部空间,保证挑台下空间内的听闻条件。在观众席后部圆弧形墙面容易在观众席中部形成声聚焦现象,通过在后墙面增加凸弧形吸声扩散结构消除声聚焦现象。

      为对以上设计进行验证,同时确定反射板的尺寸和角度,对大剧院观众厅进行了计算机模型和1/10缩尺模型实验两种实验手段进行室内音质预测。

      计算机模拟通过建立三维模型,通过计算机模拟软件对大剧院观众厅的室内音质进行模拟分析。

     观众厅室内声场分布及混响时间分布模拟

      观众厅1/10缩尺模拟声学实验需要加工一个相当于实际观众厅1/10大小而形状完全相同的音质模型。模型墙面、天花及吸声材料的声学性能与实际用料的声学性能相当。声源使用微型球面声源,接收采用微型电容传声器。在试验中特别采用了人工头双耳模型,进行模拟听音评价实验,在人工头的双耳内安装话筒,从两个方向同时测量,对两组数据进行分析,修正了单话筒测量时方位感不强的缺陷。

        图六:1/10缩尺模型实验

                             图六:福建大剧院 1/10 缩尺模型实验

      从图四和图五可以看出在装修设计方案中,跌落式弧形吊顶和两侧墙体的形状能够满足观众厅内声场分布和侧向声能的要求,保证室内无明显声学缺陷,同时室内的听闻空间感较强。在1/10缩尺模型的测试中,测试结果与计算机模拟结果一致。

      3.2 观众厅声学设计和室内各界面材料控制

      根据大剧院观众厅的混响时间要求,在声学设计初期,根据清华大学建筑物理实验室的大量试验数据对室内装修中使用材料和构造的声学特性进行分析,选择合适的试验数据进行混响时间计算。

      观众厅两侧墙面采用轻钢龙骨20mm厚纸面石膏板墙,表面粘贴18mm厚木条装饰板。为减小材料的低频吸声特性,要求安装过程中,增加龙骨密度,以增强板材的刚度。在台口两侧的八字墙部分采用装饰石材密缝拼贴。该做法有两个用途,起到装饰美观的效果,同时能够减小低频吸收。

      观众厅后墙使用吸声构造,一是控制厅内混响时间,二是防止舞台发出的声音从观众厅后墙反射回前排观众席和舞台,形成回声或扩声系统的反馈啸叫。

      观众厅内座椅吸声占有最大的比例,因此座椅的选择尤其重要。在混响时间计算中,根据以往座椅吸声量测试数据,进行预估设计。当剧院观众厅装修基本完成后,对观众厅进行混响时间测试,根据测试结果调整座椅吸声量,达到控制观众厅混响时间目的。

      3.3 舞台声学设计

      舞台的声学条件会对演出产生很大影响。如果舞台的声学条件不佳,演员和乐师将难以控制演唱的力度和演奏的平衡。因此良好的舞台声环境对剧院的正常使用至关重要。舞台的声学设计包括控制混响时间和消除音质缺陷等两方面内容。

      福建大剧院主舞台容积较大,大约是观众厅的2.0倍左右,混响时间过长,会对观众厅产生耦合效应,影响到观众厅的音质,侧台之间距离过长,会产生回声,影响舞台的声环境。主舞台、侧台和后台均需进行吸声处理,使舞台混响时间接近观众厅混响时间。同时还有舞美设计等,此类物品的吸声量均应予以综合考虑都会影响到舞台的混响时间。

      音乐演出时,在舞台上面设置活动音乐反射罩,它的功能是隔离舞台、节约声能,为乐师创造良好的相互听闻环境,同时为观众厅提供更多的早期反射声,从而增加亲切感。

      3.4 空调系统消声减振设计

      现阶段国内的新建大剧院项目均采用座椅下送风系统属于“下送上回”的置换送风方式。与常规的“上送下回”的顶棚送风方式相比,置换送风的优点在于,一方面每个风口有针对性地向人体周围送风,使得送风均匀、风量平衡,另一方面。重点保障人体周围的舒适温度,避免了能量在巨大空间中的耗散,对节能非常有利。

      但是,由于风口距离人体很近,必须消除风口噪声对观众听闻的影响,而且,人脚踝处是全身对风最敏感之处,还要防止“冷风吹腿”之感。严格控制送风器的最大送风速度在0.2m/s以下,控制送风器噪声不对室内背景噪声产生影响。

      在观众席下方设置巨大的送风静压箱用于调整风速和均匀送风的作用。但是由于静压箱的存在,大大缩短了空调机房和静压箱之间的距离,为消声设计增加难度。经过与中国建筑设计院空调专业协调,在空调机组端增加静压箱和消声器,在座椅下送风静压箱内壁慢粘100mm厚密胺海绵。观众席空调系统采用的消声器均采用密胺海绵消声器,与传统的玻璃棉消声器相比,密胺海绵消声器能够减少粉尘析出量,保证室内空气清洁。

      观众厅、舞台、琴房的室内噪声指标分别为NR25,NR20,NR20,录音室更是高达NR15,故此类房间空调系统设计的主要难点在于噪声控制。噪声分为机外噪声和管道噪声。机外噪声的主要控制手段为:采用噪声及振动较小的空调设备,本工程将空调系统尽量划小,减小单台空调箱送风量,选用优质设备;加强空调机房的隔声及设备的减振,空调箱设置柔性基础,空调机房单独作消声设计;合理布置空调机房的位置,空调机房与被控房间留有一定距离,以便控制振动及设置消声设备,本工程将机房分别设置于距离被控房间不小于20 m的区域内,这样既可以有效地控制噪声及振动的传播,又不至于由于输送距离过大而引起输送能耗增加过大。

      4、施工图设计、声学试验和现场巡查

      4.1 声学施工图设计

      创造一个良好的声环境,单单进行声学计算和计算机模拟远远不够。将计算结果变成现实还需要将设计落实到施工可操作的施工图纸。声学施工图设计是整个声学设计中不可或缺的一步。声学施工图与装修施工图不同,除了考虑装修构造的表面材质和视觉效果外,还要根据实验室实验结果,详尽说明装修材料安装方式、构造、数量等,这些都会影响到室内的音质效果。

      4.2 通过声学实验手段保障音质效果

      为保证最终音质效果,验证声学计算和计算机模拟以及施工中出现的偏差,可在施工过程中进行声学测试,内容包括以下几个部分:

      一是对已选定的装修材料进行吸声特性检测,验证选用的材料能否满足设计要求及相关的改进措施。

      二是对剧院选定的座椅进行声学测试,验证其是否满足声学计算中提出的座椅吸声量要求。同时根据测试结果复核计算竣工后的声学指标。

      三是座椅下送风器噪声声功率测试。清华大学建筑物理实验室建有“极低背景噪声通风实验室”,通过实验研制了一种静音均流风口。风口内有均流和静音结构,不但气流场均匀,而且噪声极低。风口在常规50m3/h的风量下,垂直流场风速低于0.2m/s,噪声声功率小于5dB(A)。

      座椅下送风器声功率测试及座椅吸声量测试

      4.3 施工交底和现场巡查

      良好的声环境与严谨的装修施工密不可分,在装修施工开始前对施工技术人员进行声学施工要点培训,要求技术人员从全面理解声学施工特点、施工过程中注意点及如何解决施工过程中出现的问题。

      施工现场巡查是保障最终音质效果的一个重要措施。福建大剧院施工过程中,技术人员进行工地巡查多达30人次,及时发现施工过程中的问题及时解决。

      5 验收测试

      福建大剧院大剧场于2009年7月进行竣工验收,声学验收测试指标包括混响时间、声场分布、脉冲响应和背景噪声测定。测试结果完全达到设计指标。

       5.1混响时间测定

       空场混响时间测试值与计算值列于表2。

       表三:测试空场混响时间  单位(S)

    测试空场混响时间表

                   图七:观众厅混响时间曲线图

                                 图七:观众厅混响时间曲线

      5.2 声场分布测定

      声场分布测试结果列于表。

      表四:声场分布测试结果  单位(dB)

      声场分布测试结果表

      5.3 厅内噪声水平测定

      观众厅内的噪声级在无空调运行状态下、背景噪声水平:观众厅实测值满足NR20要求。有空调运行状态下、背景噪声水平:观众厅实测值满足NR35要求,舞台满足NR20要求。背景噪声偏高,空调系统需要进行进一步调整。

      5.4 脉冲响应相关指标测试

      通过脉冲相应测试观众厅内清晰度、明晰度等指标。观众厅座席区语言清晰度指标均在0.5以上。表明观众厅内自然声音质清晰明亮,能较好地满足会议和文艺演出。观众厅坐席区池座、楼座音乐明晰度指标均能满足-4~1dB以内,表明厅内音乐明晰度较好,有利于乐队演出对音乐层次感的表现。观众席快速语言传输指数RASTI代表了传声过程中语言信息量的保真度,检测结果为0.57,表明声场信息保真度良好,达到声学设计要求。

      6 福建大剧院大剧场声学设计中取得的经验

      6.1 大剧院观众厅的体形设计至关重要

      大剧院观众厅的体形设计至关重要,它既要解决观众席各部分有足够的音量、声扩散、早期反射声和声场均匀度分布等声学要求,又要兼顾良好的视觉要求。因此剧院的声学设计始于建筑的初步设计,在设计初期就对建筑体形进行调整,为以后的声学设计建立良好的体形基础。

      福建大剧院观众厅内景图如图十所示。

    福建大剧院观众厅内景

                                   图十:观众厅内景

      6.2 建筑声学设计需要各方协调配合

      设计中,首先要使甲方理解声学设计的重要性和设计原理的基础,争取得到甲方对设计的支持。在工程中必须与建筑师和室内设计师及空调工程师、音响工程师等相互配合,把声学设计融入建筑的体形设计和室内装修设计中,把声学功能和艺术创作有机地结合为一体,力争声学工程中没有声学痕迹。

      7、结语

      如何进行剧院的声学设计,是声学界一直在探讨的一个问题。福建大剧院的声学设计、竣工验收和试用主观评价结果显示,声学工程中声学设计、试验、施工图设计和工地巡查应贯穿整个工程,全面控制、影响室内声环境的各种要素,最终才能创造出一个良好的声环境。福建大剧院的声学设计为以后厅堂的设计提供了一个良好范例。

      参考文献:

      [1]项端祈.录音波音建筑声学设计.北京:北京大学出版社,1994.83-84

      [2]秦佑国 王炳麟. 建筑声环境[TU1] 1998.第2版

      [3]马大猷. 沈濠 声学手册 [O5] 2004.第1版

      [4]戴根华. 东京新国家歌剧院的声学设计.[TU1] 《声学学报》2000年9月 第25卷第5期:421-428

      [5]李道增 许瑾. 上海大剧院观众厅使用效果评析.[TU1] 《中国工程科学》2001年1月 第3卷第1期: 15-21

      [6]张力 李冬冬. 大庆文化中心大剧院暖通空调设计.[TU1] 《暖通空调》2007年第37卷第6期:96-97

 

      作者简介:张海亮(1956—),男,北京市,高级工程师,清华大学建筑学院,研究方向:建筑声学

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