李国棋

（国家大剧院 舞台技术部，北京 100031）

国家大剧院建筑声环境

李国棋

（国家大剧院 舞台技术部，北京 100031）

介绍国家大剧院建筑声环境，描述隔声降噪措施与效果，阐述三个剧场声学设计与特点。

国家大剧院；噪声；隔声降噪；混响时间；声学设计

前言

国家大剧院位于西长安街人民大会堂西侧，建筑师的设计理念是“城市中的剧场，剧场中的城市”，声学专家致力于打造“喧闹城市中的安静剧场，音质优美剧场构筑的艺术之城”。为了使观众能在安静的环境中聆听优美的音乐，享受安静带来的舒适和高雅，安静成为国家大剧院首要考虑的问题，从设计、建设伊始就采取了很多创造安静、保证大剧院不受外界噪声干扰的措施。

1 隔声降噪

1.1 地铁振动干扰问题

地铁一号线作为北京人出行的重要交通线路，东西横贯北京城区。而国家大剧院恰恰坐落在地铁一号线边旁。在建设之初，地铁对大剧院震动和噪声的干扰问题，曾让设计者和使用者担心过，希望由地铁振动而引起的噪声级比剧场内允许的背景噪声级低3 dB。

地铁一号线距离大剧院外表壳体最近为160 m，到歌剧院外墙为220 m。呼啸的地铁从天安门西站风弛而过，如果振动产生的噪音在40 dB～50 dB之间，就需要在剧院外部建隔振墙；如果振动大于50 dB，就必须对剧场结构和地铁进行必要的减振措施。振动衰减的计算结果表明：在超过150 m的衰减后，地铁的振动和噪声不会对大剧院的演出产生影响。竣工后试演出情况验证了当时的判断的正确性，工程上节省了投资，保证了工期。

1.2 减振降噪措施

依靠建筑壳体和四周的地下围墙，使大剧院被自然地保护起来。使用高阻尼连接和钛金属板隔断噪声的干扰，使得壳体隔声量 Dn，w = 40 dB ==> Rw = 42 dB。见图1。

为了进一步减少噪声，创造一个安静的声音环境，除了隔断外部噪声干扰以外，还针对观众厅内的噪声源进行了严格的控制。例如：电梯竖井远离观众厅，并且在竖井内加装钢套；采取置换式座椅椅脚送风的空调方式，减小空调风口产生的噪声；观众座椅采用阻尼缓冲装置以减少座椅翻起的冲击噪声等等。

2 音质设计

2.1 剧场类型与混响时间

国家大剧院外观上像个巨大的“蛋壳”，里面容纳着3个剧场：专供大型歌剧、芭蕾舞演出使用的歌剧院，用于演奏大型交响乐和民族乐的音乐厅，还有以上演戏曲、话剧为主的戏剧场。所以，国家大剧院又被戏称为“三黄蛋”。各种不同的表演艺术对声音的要求各不相同，是建设3个不同功能的剧场的理由之一。

建筑声学是一门古老而又年轻的学科。100多年前，美国科学家赛宾的混响理论使古老的室内声学焕发了生机。国家大剧院厅堂音质就是基于这一理论设计和建造的。

混响的长短称为混响时间，国家大剧院不同厅堂的演出类型不同，所需要的最佳混响时间亦不相同。如：戏剧表演需要听清台词，混响时间不能过长，所以戏剧场的混响时间是1.2 s；歌剧院既要让观众听清台词，又要能听出美妙的音乐旋律，所以歌剧院的混响时间是1.6 s；音乐厅演出交响乐，需要表现出音乐的饱满、优美等，需要混响时间为2.2 s。这些都是国内外剧场设计和使用的经验统计结论。

2.2 戏剧场观众厅的音质设计

国家大剧院戏剧院特别为话剧和京剧等地方戏剧演出而设计，舞台具有镜框式和伸出式两种形式。观众厅有一层池座与两层挑台，体积和视距都十分紧凑，有利于戏剧演出。戏剧场观众厅座位数1 000（镜框式舞台）/900（伸出式舞台），体积 = 7 200 m3，每座容积7.2 m3。池座长24 m，最大宽度30 m，楼座区距舞台22 m，最小天花高度12 m。图2为戏剧场观众厅设计图。

观众厅的形状和尺度满足剧场音质设计的要求，每座容积大，有利于选择吸声材料，使剧场混响时间的设计有更大的自由度。为达到高清晰度和均匀的声场分布，天花、侧墙、特别是舞台口部分，都采取了有利于音质的装修材料。

戏剧场在声学设计上的主要难点是具有两个不同的表演区，较难得到提供早期声反射的有效面积。基于以上情况提出了几点声学设计要求：

（1）小音量或在第一次强反射声后仍能获得清晰度和可懂度高的语音信号；

（2）所有座位应满足：不能遮挡直达声，均匀的天花反射声，第一次强反射声；

（3）（舞台前部）伸出式舞台形式时，要有良好的声音效果。

声学设计采用了法国CSTB公司研发的建筑声学计算机模拟仿真软件，针对镜框式舞台及伸出式舞台观众厅的两种情况，设置了两个几何模型，如图3，设计目标值：

背景噪声小于NR-20；

中频混响时间（T60）1.2 s（低频+30%，高频-10%）；

声强指数（G）无扩声系统时-30 dB（A），声场均匀度允许偏差为+3 dB（A）或-2 dB（A），第一排座位除外；

明晰度（C80）≥ 1 dB（500 Hz）；

语言传输指数（STI）≥ 0.7（无扩声系统）。

图4是两种舞台情况下声压级的分布情况。当声源在前舞台时，它更靠近观众，直达声较强。但在两种舞台情况下，声压级分布都很均匀，在池座席变化小于3 dB（A）。由于戏剧场的舞台空间做强吸声处理，即可将耦合空间结合面的舞台台口面视为开放窗口处理，观众厅声压级并没有很大的减少，厅堂声压级实测值与计算值基本一致。

语言清晰度可以从初始声能与混响声能的比值定义。语言传输指数RASTI可用范围应大于或等于0.5。从图5可知RASTI在池座中部总是不小于0.5，在两种不同的舞台情况下，平均值都高于0.6。

在室内声能衰变过程中，由于各种原因并非总是遵循指数衰变规律。因此，用早期衰变时间EDT来说明初始部分声能衰变率。早期衰变时间与测试点位置、声源的指向性、房间容积和吸声量等因素有关。通常指在厅堂一些具有代表性的位置上测量再取其平均值。一般比房间混响时间短大约100 ms，而房间混响时间仅与房间容积与吸声量有关。

G（声强指数）表述了观众厅内从声源（歌唱家、乐队）传导到听众的声音强度，它的定义即在听众位置上的声压级和声源声功率级之间的差额。在大多数厅堂内（歌剧院、音乐厅、戏剧院等），此声强指数必须大于-33 dB，此参数一般是在125 Hz～4 kHz的倍频带上测量并用dB（A）来表征。

根据Epidaure软件分析的结果，如图6所示，戏剧场的音质令人满意，达到了设计目标值，十分适合于话剧和京剧等的演出。

戏剧场的500 Hz混响时间设计值是1.3 s左右，如图7所示。混响时间没有因表演区的不同而有明显变化，即使舞台上的布景吸声有很大影响，但是设计的混响时间略高于预期的1.2 s。当表演区在舞台前部时，顶上天花打开，其声吸收正好补偿减少的观众吸声。

综合整个音质预测结果来看，戏剧院设计能够满足各项使用要求。在最后的建筑详图中，舞台口外的墙面、挑台、栏杆和天花仍可能有所变动。辅助的模拟研究将有助于决定最后的建筑细部。

2.3 歌剧院的视觉空间和听觉空间

作为国家大剧院内最宏伟的建筑，歌剧院可以容纳将近2 400名观众观看演出，是三个剧场中最大、舞台设施最先进最完备的一个剧场。

在设计之初，设计师安德鲁先生为歌剧院选择了马蹄形剧场形状。声学设计提出歌剧院声学上需要的矩形空间，以便获得更多的近次发射声效果侧墙采用曲折形状，但安德鲁认为这样就破坏了马蹄形剧场的整体造型。为了使马蹄形歌剧院既符合视觉上美观，又符合声学要求，经过声学专家与建筑师多次交流，双方达成共识。

最终人们看到在歌剧院的墙壁上，出现了一层圆弧形的金属网，它巧妙地将原本不规整的声学墙“遮挡”起来，形成视觉上的马蹄形状，而金属网结构又像筛子，声音可以透过，在凹凸不平墙面构成的矩形空间发生反射，达到理想的声音效果。视觉上的马蹄形与声学要求的矩形实现了完美的结合，如图8、图9所示。为此，声学专家们在实验室及施工现场进行了大量的实验和测试，以保证这一结合的实现。

2.4 音乐厅声学特点

与传统古典派音乐厅风格完全不同，音乐厅观众厅为改良的鞋盒形，四面都设有观众坐席。音乐厅混响时间为2.2 s，为达到这一数值，建筑师和声学专家通力合作，做了大量的工作。

建筑师打造了一个现代音乐厅的装修风格，声学专家则在天花上进行声音扩散，设计了凹凸不平的平面。首先，由计算机随机生成抽象的平面图案，按照声学要求，生成凹凸的三维视图。然后，由法国巴黎巴士底歌剧院的艺术家制成小样模型带到北京，加工成型。施工中先吊挂一块模型，从视觉上和听觉效果上进行分析、调整，最后完成了音乐厅的天花。可以说：音乐厅天花是声学专家参与创作的一件“艺术品”。

管风琴是另一件“艺术品”，为了把它展现在观众面前，不遮挡观众的视线，演奏台上方的反声板采用了玻璃材质，如图10所示，如果采用木质材料声学效果也许会更好。

音乐厅的侧墙面看上去就像超市商品上的条形码，又像钢琴的琴键。其实这也是声学装修声扩散上的要求。这按照数论方法确定的具有一定周期的凸凹分布被称为MLS声学构造，如图11所示，分布在音乐厅演奏台周围，具有扩散声音的作用，不仅有利于观众厅区域的声音均匀，而且还可以大大地改善演奏员之间的听闻。

音乐厅在建设之初，要求是：自然声演出，不使用扩声，依然能让每个座位上的观众听到清晰的声音。音乐厅的建声设计及装饰还是严格按此要求来实施的，这要求演员有足够大的声音，是对演员的“挑战”。

3 声学测试和主观评价

3.1 声学测试音乐会

2007年12月4日晚，在刚刚落成的国家大剧院音乐厅进行了一场带观众的声学测试音乐会，如图12所示。音乐会开幕前由法国CSTB公司和清华大学建筑学院声学研究所共同进行了带观众的声学测试。这是厅堂音质评价的重要一环，为准确地评价国家大剧院音乐厅的声学效果提供科学的数据。

3.2 测试结论

用发令枪发出脉冲声音，主要的目的还是为测量观众厅的满场混响时间、频率传送特性、声场均匀度等物理指标。统计收集来的大量数据，为评价厅堂音质提供科学的依据。实际测试结果表明，国家大剧院的声学指标除了空调噪声外，全部达到了设计指标。

除此之外，国家大剧院还在现场对观众和歌唱家、艺术家进行了音质主观评价调查，大家都积极配合测试工作，提供了自己的声音感受。本次评价采用调查问卷的形式，《音乐厅主观评价测试问卷》正文包括初步印象、观众评价、演出人员评价、全体人员评价、个人资料、整体印象及建议等6个部分，囊括了从整体氛围到各个声部的感受等各个方面。在问卷设计中引入了语意分析法（SD尺度法），将评价分为优秀、良好、一般、较差、很差五个等级，参与者可以根据自己的主观感受进行选择。总体来说，超过70%的观众对音乐厅音质评价都为“优秀”和“良好”。

结语

国家大剧院的落成，离不开幕后无数设计人员的辛勤劳动。从剧院的外观到内部装饰，从观众席的座椅到舞台上的灯光和音响，可以说每一个细节都倾注了设计师们的一份心血，特别是剧院的声学设计，更是科学和艺术的完美结合。

从国家大剧院首场演出至今已有两年时间，期间举办了百余场大小演出，很多表演艺术家对3个剧场的声学质量做出了很高的评价。相信在未来会有更多更好的剧目及音乐会上演，会有更多的艺术家能够在这里为观众呈现最震撼最美妙的音乐与视觉盛宴。

The Acoustics Environment of the National Centre for the Performing Arts

LI Guo-qi
(Stage Technology Department, National Centre for the Performing Arts, Beijing 100031, China)

For the National Centre for the Performing Arts, this article introduced its architectural acoustic environment, and solution to sound insulation and sound design; also it analyzed the different characteristics of there theatre.

National Centre for the Performing Arts; noise; sound insulation; reverberation time; acoustic design

（编辑 潘 浪）