廣東星海音樂廳交響樂大廳的聲學設計2023

廣東星海音樂廳交響樂大廳的聲學設計2024廣東星海音樂廳交響樂大廳的聲學設計2024

廣東星海音樂廳交響樂大廳的聲學設計2024

一概述

星海音樂廳是以人民音樂家冼星海②的名字命名的。音樂廳建于珠江之畔風光旖旎的二沙島上。它與已建的美

論文聯(lián)盟.LWlm.術館和正在建設中的博物館等建筑構成廣東省相當規(guī)模的文化中心。

星海音樂廳包括交響樂大廳，室內(nèi)樂廳，音樂觀賞室，排練廳，琴房，音樂資料館，水上演奏臺，音樂噴泉和各種配套用房。建筑面積18000m2，是我國目前規(guī)模最大、設備先進和音質(zhì)優(yōu)異的現(xiàn)代化音樂廳。也是我國第一座采納"葡萄園'形(或稱山谷梯田形)配置方式的音樂廳。音樂廳的總平面見圖2。

星海音樂廳于1998年6月13日冼星海誕生日正式使用。廣州交響樂團和中國交響樂團合唱團進行首場演出。演奏了鋼琴協(xié)奏曲《黃河》和貝多芬第九交響曲《歡快頌》，獲得勝利。

二交響樂大廳的聲學設計指標和實施策略

星海音樂廳這座華麗的藝術殿堂是為滿意廣闊觀眾觀賞高雅音樂的殷切需求、并作為國內(nèi)外文化溝通的基地和窗口而建筑的。音樂廳設計始終把音質(zhì)效果放在首位，以繼承傳統(tǒng)音樂廳的良好品質(zhì)、而又能適應現(xiàn)代生活提出的各種需求為設計的宗旨。

聲學設計指標是依據(jù)國際上獲得"頂級'音質(zhì)效果的音樂廳為參照對象，廣泛聽取我國音樂家和聲學家的意見確定的。交響樂廳的各項"最佳'音質(zhì)指標見表1所示。

為壓縮篇幅，將竣工調(diào)試后實測的各項指標簡述于表內(nèi)

為實現(xiàn)上述設計指標、確保獲得良好的音質(zhì)，實行了如下的策略：

初步設計階段：通過計算機模型和1/40縮尺實體聲學模型試驗與聲學估算相結合，分析體形、了解聲場狀況和可能消失音質(zhì)缺陷的部位；

技術設計和施工圖階段：用1/10縮尺實體聲學模型試驗和各種聲學構件聲學性能的試驗室測定，確定聲學構造的部位、尺度和裝修用材，并進行較為具體的聲學計算；

施工階段：在沒有專業(yè)施工隊的條件下，主要是施工交底和監(jiān)理，檢查隱藏工程，并在交響樂大廳主體結構完成后，進行首次混響和聲場分布的現(xiàn)

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場測定；

竣工調(diào)試階段：用以解決聲學計算、縮尺模型試驗與實際效果存在的差距。要修正客觀存在的偏差，就必需采納聲學測定與樂團試用時主觀感受相結合的方法，做多次調(diào)試、修改裝修、直至達到預期的效果。星海音樂廳通過三個月的調(diào)試工作，才實現(xiàn)所要求的演奏和聽聞效果。

三交響樂大廳的聲學設計

交響樂大廳是星海音樂廳的主體。容納1437名聽眾，有效容積12400m3，每座占容積8.6m3，大廳采納"葡萄園'形的配置方式，即在演奏臺四周漸漸升起的部位設置聽眾席。這種形式的最大優(yōu)點是在大容量廳堂內(nèi)縮短后排聽眾至演奏臺的距離，從而確保在自然聲演奏的條件下，有足夠強的響度。此外，利用演奏臺四周廂座的欄板和樓座的矮墻，可使聽眾席獲得足夠強、且有較大掩蓋面的早期側向反射聲。近期的討論表明，這是傳統(tǒng)音樂廳所以能獲得良好音質(zhì)的重要原由。而傳統(tǒng)音樂廳則是通過窄跨度的側墻實現(xiàn)的。因此，這種形式不僅繼承了傳統(tǒng)音樂廳所具有的良好品質(zhì)，又能適應現(xiàn)代大容量音樂廳的各種需求。它自1963年德國柏林"愛樂'交響樂大廳首創(chuàng)至今，在國際上已被廣泛采納，但在國內(nèi)尚屬首次。

大廳的屋蓋選用"馬鞍'形殼體。建筑師的原意是試圖利用殼體結構本身的形體去獲得聲集中和勻稱的聲場分布，而不必追加特地的反射結構。實際上這是一種誤會，緣由在于：

⑴大廳地面離殼頂最低部位約14m，因此，堂座前，中區(qū)和臺兩側廂座內(nèi)的一次反射聲與直達聲之間的聲程差均超過17m(時差大于50ms)，可能引起回聲；

⑵"馬鞍'形殼頂?shù)娜繖M剖面均為凹弧形面而引成聲聚焦，從而造成聲場不均。通過1/40縮尺實體模型試驗和三維計算機模型試驗充分證明了這一點。即為大廳橫剖面計算機模型顯示的聲反射圖，可見聲聚焦的狀況。

此外，在大廳殼體拆模后的現(xiàn)場測定均表明，頂部不懸吊反射板時，廳內(nèi)聲場分布不均和存在回聲現(xiàn)象。

對此，在演奏臺上懸吊了12個弦長3.2m，曲率半徑為2.6m的球切面反射體，其目的除了消退回聲和聲聚焦以外，還可加強樂師間的相互聽聞，提高演奏的整體性。同時也使堂座前

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區(qū)和廂座聽眾獲得較強的頂部早期反射聲。

為加強聽眾席后座的聲強，在球切面反射體四周設置了錐狀和弧形定向反射板，以此獲得廳內(nèi)勻稱的聲場分布。

交響樂大廳的平、剖面，和建成后的內(nèi)景分別見圖4～圖6所示。

為使大廳達到中頻(500Hz)滿場1.8s的混響時間，并使低頻(125Hz)混響提升1.15倍(相對于中頻)，即2.07s。實行如下幾項措施：

增大容積，每座容積取8.6m3;

廳內(nèi)全部界面均不用吸聲材料，在簡單引起不利聲反射的部位(后墻和后部吊頂)設置錐狀集中體；殼頂拆模后刷涂料；墻面為35mm厚硬木板實貼在18mm厚的多層板上；地面均為實貼木地板，僅演奏臺設木龍骨架空地板；全部懸吊的反射體采納剛度大的阻燃玻璃鋼結構。

減低座椅的聲汲取，并使其吸聲量接近聽眾的吸聲量，從而削減廳內(nèi)空、滿場混響時間的差值。

依據(jù)以上確定的容積和內(nèi)裝修構造，進行了混響時間的計算和1/10縮尺實體聲學模型試驗，縮尺模型的測定結果僅中頻較為接近，其它頻率偏差較大，這是由于模擬材料不行能在很寬的頻率范圍內(nèi)有一一對應的吸聲性能。

大廳的聲集中是除混響時間以外的另一個重要音質(zhì)指標。當聽眾感到樂聲好像以相等的幅度來自四周八方時，集中是最好的。表征聲集中的指標是d，它定義為：廳內(nèi)聲場集中值與自由場集中值之比，即d=1－m/m。(1)

式中m為廳內(nèi)聲場的集中值；

mo為在自由聲場的集中值(由杭州電聲廠消聲室內(nèi)測定)；

m=M(聲強的平均差值)/M(各方位角的平均聲強)；

mo的求法同m，只是在自由聲場中；

交響樂大廳的聲集中是通過多邊的形體、差落的包廂和樓座欄板，以及頂部懸吊的反射體實現(xiàn)的?？s尺模型試驗測定的結果表明，大廳具有良好的聲集中。

對于音樂廳來說，廳內(nèi)盼望獲得良好的聲集中，但又不要求完全集中(即d=1)，由于聽眾在要求樂聲來自各方的同時，還盼望有肯定的方向感，即樂聲來自演奏臺。

傳統(tǒng)音樂廳所以能

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獲得良好的音質(zhì)，除了有最佳的混響時間和良好的聲集中以外，早期側向反射聲起著重要的作用，它加強了直達聲的強度和提高了親切感。因此近年所建音樂廳無不考慮早期側向反射聲的設計。星海交響樂廳是通過側墻、廂座欄板、樓座矮墻對所掩蓋的聽眾席供應早期側向反射聲的；此外，殼頂下懸吊的反射體也給聽眾席供應頂部的早期反射聲。

早期反射聲的狀況，可以通過脈沖聲測定獲得測點的反射聲序列，并能計算求得聲能密度。為了便于定量比較。目前常用早期聲能與后期聲能之比的C值作為評價指標。時間的分界為80ms(以音樂豐滿為主的廳堂)和50ms(以清楚為主的廳堂)。其表示式為：

聲能比C80，又稱明晰度，這是一項與早期聲能相關的指標。L.L.Beranek建議以500Hz、1000Hz和2000HzC80的平均值C80(3)作為評價音樂廳的指標，其最佳值為0～-4.0。

交響樂大廳的噪聲掌握，主要解決單層殼頂?shù)母袈暫涂照{(diào)系統(tǒng)的消聲和減振兩方面：

交響樂大廳的墻體均為內(nèi)隔重墻，只有殼頂暴露在室外，單層230mm厚的鋼筋混凝土殼體，具有足夠的空氣聲隔聲量(基地噪聲為67～71dBLeq(A))。但大雨沖擊的撞擊隔聲量卻很低，對此，做了隔離撞擊聲的構造，并在試驗室內(nèi)做了測定。其結果表明，實施的構造可以隔離大雨時的沖擊聲。

空調(diào)系統(tǒng)的消聲和減振，是大廳獲得良好聽聞條件的最基本的保證。開啟空調(diào)時廳內(nèi)噪聲不得大于28dBA，即以聽不到空調(diào)噪聲為設計指標。對此，實行了如下措施：

⒈在空調(diào)系統(tǒng)的管路系統(tǒng)內(nèi)設置阻、抗復合型消聲器，減低風機噪聲沿管路傳至廳內(nèi)。

⒉防止氣流噪聲，限制流速：主風道低于6m/s，支風道低于3.5m/s，出風口低于1.5m/s。為實現(xiàn)這一目標，采納側送、局部頂送(演奏臺上方球切面，反射體間)，座席地面下回風的方式。

⒊送風與回風量相適應，即采納1:1的送回風比例。

⒋全部空調(diào)、制冷設備均做隔振處理，水泵、冷水機組采納SD型橡膠隔振裝置；風機采納彈簧隔振器；管道用軟接管，并用彈簧吊架。

有關其它的工程設備和需要隔聲的構件，均采納常規(guī)的做法處理。

在交響樂廳即將竣工的前后

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，曾對全部各項聲學指標進行了測量，并在竣工后的試用階段，聽取了樂團的意見進行了音質(zhì)調(diào)試。

四交響樂大廳的聲學測量

和音質(zhì)調(diào)試

⒈聲學測量

聲學測量的內(nèi)容包括響度、混響時間、脈沖響應、聲集中、聲場分布、頻率響應和噪聲等七項。明晰度(聲能比)C80和低音比BR(暖和感)是依據(jù)脈沖響應和混響時間測定的結果計算求得?，F(xiàn)分述如下：

⑴響度(L)：

響度是演奏過程中代表音量大小的指標，最直接代表音量的是聲壓級。測點在樓座聽眾席的最終排，用Leq(A)進行測定，時間是3分鐘。由于聲壓級隨曲目的類別、時間而變化，不行能很精確。通過幾個節(jié)目的測定結果，取其平均值為78～89dBA。

⑵混響時間(T)：

混響時間共測定了四次，測定頻率為63Hz～8000Hz八個倍頻程的中心頻率。其結果是中頻(500Hz)滿場為1.82s，空場為2.19s。

⑶低音比(BR)：

低音比(又稱暖和感)定義為低頻混響時間(T125+T250)與中頻混響時間(T500+T1000)之比，即：

依據(jù)實測混響時間求得的BR=1.13

⑷聲集中(d)：

聲集中是通過配置在聲透鏡內(nèi)的傳聲器旋轉360，測得來自各方向聲壓級的圖形，由式(1)求得。測點選定在離聲源15m以內(nèi)的堂座和廂座內(nèi)，由于離聲源越遠，集中值d就越大。池座內(nèi)4個測點方向性集中，由式(1)求得的集中值為d1=0.87，d2=0.85，d3=0.93，d4=0.91，平均值為0.89。

⑸聲場分布測定(Lp)：

聲場分布的狀況是通過廳內(nèi)各座席的聲壓級測定。其最大值Pmax與最小值Pmin的差值，即為聲場不勻稱度Lp(dB)。

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ta;Lp=Pmax-Pmin(dB)(4)

大廳內(nèi)測得的聲場不勻稱值為：

125Hz:5.3dB；500Hz:4.5dB；2000Hz:6.2dB；

⑹頻率響應(F)：

頻率響應是聽眾席任一位置上接收到的各頻率(63Hz～8000Hz)的聲壓級值。各頻率聲壓級的最大差值，為頻率不勻稱度F，應小于10dB。

全廳各區(qū)共測27個點，頻率不勻稱度F均小于8.5dB，頻率響應的圖形見圖7所示。(圖內(nèi)僅列出12個測點)

⑺早期反射聲時延間隙(tI)：

早期反射聲測定是在演奏臺上配置脈沖聲源。在大廳的7個區(qū)內(nèi)，選擇有代表性的座席測定其反射聲序列。時標為100ms，由圖內(nèi)可觀看早期反射聲的狀況、反射聲的時延間隙(tI)和計算求得明晰度C80和C50。在演奏臺上聲源取2個位置，S1和S2，在廳內(nèi)各區(qū)分別測定27個點。計54幅圖。為壓縮篇幅。在圖8內(nèi)僅列出S1和S2各7個測點結果。由反射聲序列圖可見，時延間隙(tI)為3～7ms。

⑻明晰度(C80(3)：

由早期反射聲測定結果，可用式(2)求得500Hz、1000Hz和2000Hz三個頻率的C80值，然后取其平均值，即C80(3)。同樣可用式(3)求得C50(3)的值。交響大廳七個區(qū)的明晰度C80(3）的平均值為-1.43。

⑼噪聲級(N)：

噪聲測定是在空調(diào)系統(tǒng)達到正常運行工況時進行的。測定值為26.5dBA，背景噪聲為24.5dBA。

⑽音質(zhì)缺陷：

音質(zhì)缺陷沒有做特地的測試，而是借助于脈沖聲測定和混響時間測定所得的聲衰減曲線進行分析，觀看判別的，并結合耳聽，確定廳內(nèi)無音質(zhì)缺陷。

通過上述10項聲學指標的測定表明：交響樂大廳的聲學設計達到了預期的指標。

⒉音質(zhì)

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調(diào)試

聲學設計的最終目的是為樂師和聽眾制造優(yōu)異的演奏和聽聞環(huán)境。各項聲學參數(shù)雖然達到了國際上"頂級'音樂廳的指標，但是否能獲得同等的主觀評價呢？對此，由廣州交響樂團進行多次協(xié)作演出，召開座談會，聽取各方面的意見，經(jīng)歸納有如下幾點：

普遍反映混響時間長，因而層次不夠，清楚度差；

弦樂器部位(小提琴、中音提琴區(qū))缺乏反射聲，得不到演奏臺側墻的支持；

打擊樂和銅管樂聲級過高，相應地弦樂聲較低，影響樂聲的平衡。

依據(jù)上述意見，實行了如下的改善措施：

⑴在演奏臺上方的球切面反射體上，配置人工翻動的錐狀可調(diào)吸聲結構，使大廳混響時間可在1.66～1.82s之間調(diào)整，適應習慣于較短混響條件下演奏的國內(nèi)樂團，滿意層次和清楚度的要求。

⑵在演奏臺兩側凹進的演員入口處，設置凸弧形活動聲屏障，增加提琴區(qū)的側向反射聲，改善樂師的自我感覺。

⑶在演奏臺和合唱隊的兩個后墻上，按原設計配置錐狀集中體，并在兩個錐面上插入可調(diào)吸聲板(一面為七合板，另一面為6mm厚阻燃毯)，用以加強演奏臺的聲集中，以及必要時降低打擊樂和銅管樂的聲級，求得樂聲的平衡和融合。

⑷在堂座走道和演奏臺兩側樓梯上設地毯夾，以便在必要時，鋪設地毯，進一步降低混響至1.5s。

上述修正措施，在近3個月內(nèi)完成。

五音樂廳聲學設計中幾個問題的探討

通過星海音樂廳聲學設計的實踐和調(diào)試、試用過程中我國音樂家們反映的各種意見，筆者認為有些問題值得研討，以便給今后音樂廳的設計供應參考：

⒈關于交響樂大廳的"最佳'混響時間

世界聞名的傳統(tǒng)音樂廳混響時間都比較長。這無疑對我國音樂廳的設計有較大的影響。星海音樂廳交響樂大廳的滿場混響時間主要也是參考了傳統(tǒng)音樂廳而確定為1.8s的。

但長的混響時間不適合國情。緣由首先是我國的交響樂團，習慣于在較短混響條件下演奏。這是由于國內(nèi)自然聲演奏的廳堂沒有達到滿場1.8s混響時間的；其次是我國音樂家常以清楚為主要

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目的。正如我國聞名指揮家嚴良先生在深圳音樂廳國際招標會上對音樂廳提出的音質(zhì)要求是："清楚、圓潤、宏亮'。這在很大程度上代表了我國音樂界的意見。

國外的音樂家們也未必都寵愛長混響，例如：維也納音樂廳的混響時間為2.05s，音樂家也有不同的意見：聞名音樂家、指揮家卡拉揚(H.V.Karajan)就提出："大廳唯一不足之處是難以顯示出一些弓上和嘴唇上的技巧，相繼的音符彼此被相互淹沒'，這明確表明混響太長了。

考慮到建筑一個音樂廳，不僅首先要滿意國內(nèi)音樂家對音質(zhì)的要求，同時必需要適應國外樂團的要求，而國外近年新建的音樂廳幾乎均在1.8s以上。此外，還要滿意管風琴演奏和一些現(xiàn)代浪漫派音樂作品需要長混響的要求。在這種狀況下，唯一有效的解決方法是采納計算機調(diào)控混響時間裝置，而這種技術在國內(nèi)已很成熟。星海音樂廳交響樂大廳在調(diào)試過程中就是追加了人工調(diào)控混響而同時滿意了國內(nèi)外音樂家的要求而獲得好評的。

⒉音樂廳的形體

音質(zhì)良好的傳統(tǒng)音樂廳均為"鞋盒'式形體，盡端配置演奏臺，由于跨度窄、容積小(座椅寬度和排距小)因而有較強的早期側向反射聲，且掩蓋面較大。近年的討論表明：它是傳統(tǒng)音樂廳所以能獲得良好音質(zhì)的重要因素之一。而近代音樂廳，由于容座大、又要求有舒適的座椅，勢必容積大，在這種狀況下，試圖按："鞋盒'式音樂廳的比例增大其尺寸去再現(xiàn)傳統(tǒng)音樂廳的特色，是不行能的。這將轉變直達聲和反射聲到達的時間和方向，從根本上減弱和惡化其效果，英國皇家節(jié)日音樂廳和臺北文化中心音樂廳即為典型的例證。因此，對于大容積的交響樂大廳應在繼承傳統(tǒng)音樂廳良好品質(zhì)的前提下，突破"鞋盒'式形體。

"葡萄園'式(或稱"山谷梯田'形)即為一種比較適用的形式。它有可能縮短聽眾席后排至演奏臺的距離，從而獲得足夠響度，這對于自然聲演奏的大廳來說是至關重要的。假如演奏臺四周漸漸升起的廂座和樓座欄板或矮墻設計得當，同樣可以獲得足夠強的、掩蓋面較大的側向早期反射聲。

至于音樂廳圍護結構的幾何形式(圓、橢圓、扇形、三角

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形等)并不重要，不應約束建筑師的創(chuàng)作，但廳內(nèi)裝修所構成的空間形式應有利于聲的集中，這一點必需做到。

⒊關于音質(zhì)效果的評價

音樂廳聲學設計的最終目的是獲得良好的聽音效果，即滿意聽眾主觀感受的要求。因此音樂廳建成后，通過聲學測量核對測定數(shù)據(jù)是否達到設計指標，僅完成了客觀量的評價，還須進行主觀評價。有關音樂廳音質(zhì)的主觀評價，國內(nèi)外有許多方法，但較為簡易有效的方法是通過樂團多種節(jié)目的演出，聽取各方面的意見，進行統(tǒng)計分析，求得評價結果。但在評價的實際工作中，應留意如下兩點：

⑴樂隊在演奏廳內(nèi)空場排練不能作為主觀評價的依據(jù)。

這首先是由于樂隊常常在容積小，混響短(一般為1.0s)的排練廳內(nèi)練習。因而在混響長達2.0s以上的演奏廳內(nèi)排練，反差太大；其次是空場時，演奏臺四周的座席是空的，座椅有反射而影響樂師的相互聽聞。此外，空場排練只能反映樂師在演奏臺上的自我感受而不能評價大廳的聽音效果。因此，主觀評價時，至少應組織1/3滿座的聽眾。既縮短了混響，又有聽眾和樂師兩方面意見。

⑵正確、公正的評價需要時間

對新建音樂廳最初作出評價的是協(xié)作聲學調(diào)試的樂隊指揮和樂師，他們反映的實際上是演奏臺上的自我感覺，而不是大廳的音質(zhì)。假如是空場排練，則他們反映的意見多數(shù)是不行靠的，大廳公開演出后，廳內(nèi)達到設計的聲學狀態(tài)，音樂家、音樂評論家和聽眾反映的才是真實的音質(zhì)效果。但由于音樂家、指揮的知名度