剧院声学设计.doc

剧院声学设计
1．建声设计目标
2．建声设计依据
3.体型设计
对于演出的歌剧院来说，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。
剧院平面、剖面图分别如图一、图二所示。
图一：观众厅池座平面图

图二：观众厅剖面图

剧院的室内设计阶段，我方会和装修方积极协调解决声学装修工作的问题，提出合理化建议和提供声学方面的数据。
为对声学设计进行验证，对剧院观众厅进行了计算机模型进行室内音质预测。
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。
EASE模拟计算分析：

3.1 观众厅声学设计和室内各界面材料控制
根据剧院观众厅的混响时间要求，在声学设计初期，根据室内装修中使用材料和构造的声学特性进行分析，选择合适的数据进行混响时间计算。
观众厅两侧墙面采用15mm厚木饰面高密度板，为减小材料的低频吸声特性，建议安装过程中，增加龙骨密度，以增强板材的刚度。在台口两侧部分采用18mm厚高密度板，表面安装50mmX100mm木饰面条。该做法有两个用途，一是起到装饰美观的效果，二是增加板材的刚度，减小低频吸收。
观众厅吊顶设计
该观众厅的吊顶造型设计兼顾剧院的其他功能（如音箱桥、面光桥等）和声学要求。暂定为折线型吊顶。通过调整吊顶的倾角，达到前部吊顶为池座中前部观众席提供有益的早期反射声；中后部吊顶增强后部观众席声级。控制吊顶标高，防止出现长延时反射声；将近次反射声相对于直达声的初始时间间隙控制在35ms以内。为了避免低频被吊顶吸收，观众厅的吊顶可采用了35mm厚GRG增强型反声板。
3.2台口侧墙设计
台口侧墙采用大号角形，可以将演员声反射并导向观众席，让池座中前区观众席得到较多的早期反射声；另外利于耳光、扬声器的布置。由于受座椅布置影响，只能将一层位置台口处理成直角形（但还是建议减少前排边座椅，实现扩声需求）。

3.3后墙设计
观众厅后墙使用弧形扩散吸声构造，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。该剧院的后墙为控制室，若有太强的回声，容易引起音质缺陷。厅堂后墙声学处理方法主要有以下三种方法：1）吸声处理；2）扩散处理；3）通过后部倾斜加强后座声级。三种方法适应不同的情况，就该剧场，我们选用了第一种方法，在后墙上设计复合吸声结构：如下图。

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，进行模拟预估设计。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，根据测试结果对调整座椅吸声量，达到控制观众厅混响时间目的。
表一：设计空场混响时间
频率
125
250
500
1000
2000
4000
混响时间
2.83
1.63
1.51
1.54
1.45
1.40
4.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。
剧院主舞台的高度达到20米以上，容积比较大，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。
6.噪声控制
噪声及振动控制是剧场声学设计的一个非常重要的方面,对自然声使用的剧场尤为重要。噪声及振动控制又包括室外噪声及振动控制和室内噪声及振动控制两部分。
规范要求，专业剧院观众厅的噪声限值为NR25。经过分析，该剧场观众厅可能的噪声源主要包括以下几个：一是空调的噪声；二是灯具及舞台设备的噪声；三是内部走廊、前厅等处通过出入口传入的噪声；四是室外传入的噪声。要使总噪声达到规范要求的NR25就必须将各噪声源传入观众厅内的噪声控制在NR20左右。首先我们来讨论室外噪声及振动控制。
6.1室外噪声及振动控制
本剧场选址于闹市区，紧邻隆福寺商业街。下层又是商业空间，估算室外环境噪声约为70dBA。关于室外噪声控制，我们主要从平面传声方面考虑，对应的采取了如下防护措施：
（1）将观众厅入口做声闸，隔绝室外噪声的进入，同进在墙面做隔音处理。保证进入观众厅的声压级小于NR20。
6.2 室内噪声及振动控制
室内噪声主要包括空调设备噪声，各类灯具噪声，舞台机械设备噪声，休息厅及走廊的人流噪声等。根据标准即观众厅的背景噪声要低于NR25，因此以上每种噪声传到观众席的限值为NR20。对此我们采取了如下措施：
（1）对空调噪声的限值提出为NR20，并配合空调专业人员对空调噪声进行处理。
（2）使用低噪声灯具和舞台设备。
（3）观众厅周围采用双层墙结构，并在出入口设计带有双层隔音门的声闸。
（4）在剧场的顶棚上设置复合隔声层如下图。

复合隔声层构造

6.3空调系统消声减振设计
现阶段国内的新建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厚离心玻璃棉外包密实玻璃丝布。
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，可以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。管道噪声的主要控制手段为：根据空调设备的分频噪声值合理地设置管道消声设备(高中频采用阻抗复合消声器，低频采用微孔板消声器及扩容比较大的静压箱)；合理布置空调机房的位置；根据室内噪声要求合理计算管道风速；采用降噪性能好的送、回风管道材料。
4声学试验和现场巡查
4.1 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。
二是在剧院吊顶和侧墙基本完工、脚手架拆除、室内进行清扫后，进行中期声学测试。测试内容包括混响时间和声场分布两方面。根据测试结果复核计算竣工后的声学指标，座椅在中期测试完成后根据测试结果要求进行生产。
三是座椅下送风器噪声声功率测试。采用静音均流风口。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)。
5混响时间控制
5.1 观众厅混响时间的控制
观众厅的混响时间长短取决于观众厅的每座容积、座椅吸声、观众厅内配置的吸声材料与结构等因素。本剧场是专业话剧院，观众厅容积较小，观众席本身就能提供可观的吸声量，但是话剧演出要求混响时间较短，经过计算，仍需配置吸声材料。建议采用吸声量和观众相近的座椅，其各频率吸声系数见表2。
结合消除音质缺陷，在容易产生回声的后墙布置了宽频吸声结构。其余的部位采用声反射或声扩散材料与结构（如吊顶与侧墙面均采用GRG反声板）。根据该剧场的演出功能设计确定中频混响时间为1.2（1±10％）s，各频率的混响时间相对于中频的比值如表3。
    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）
      频率（dB）混响时间（S）
125
250
500
1000
2000
4000
观众厅
2.11
1.69
1.59
1.53
1.42
1.34
说明：RTA840测试系统
舞台混响时间的控制
因为该剧场采用镜框式舞台，舞台和观众厅是两个不同的空间，通过台口耦合为一体，而演员位于舞台上因此舞台音质对演员的演出有直接影响。该剧院舞台单位容积大于观众厅，在没做声学处理的情况下，舞台的混响时间将远长于观众厅的满场混响时间，会引起一系列问题，如：
1）由于舞台与观众厅通过台口藕合，声能衰减的速度比观众厅慢，从而使声能倒流，观众厅尾声增长，影响语言的清晰度；
2）演员处于巨大的舞台上，混响间又长，使演员难以掌握力度和平衡。
对此，我们对舞台空间进行适当吸声处理，大幕下落及舞台设备设置条件下，舞台空间的中频(500～1000Hz)混响时间不宜超过观众厅空场混响时间。为了确保达到设计要求，我们对舞台空间的混响时间进行估算，估算结果如表5，从表中结果来看是满足设计要求的。

6厅内噪声水平
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NR25要求，舞台满足NR25要求。
7脉冲响应相关指标
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须在0.5以上。观众厅内自然声音质要清晰明亮，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须要满足-4～1dB以内，使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达到0.5以上，使声场信息保真度良好。
8.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，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。
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。