宋 洋

(福州市建筑设计院 福建福州 350011)

0 引言

舞台艺术是以视觉与声音为媒介，向观众呈现出艺术家们演绎的剧本中的世界。台框作为一面窗口，是替代观众认知的现实空间的虚拟世界。但是，舞台又是一个真实存在的物理空间，无法构建还原虚拟的故事空间。而声音媒介不同，没有物理空间的局限，可以将舞台的虚拟空间拓展至无限，从而还原宏大而真实的故事场景，为观众营造出强烈的代入感。这是声学设计的意义所在。一个好的观演建筑的设计，必定是以声学设计为导向的。

闽清科技馆位于福州市闽清县梅溪新城，集规划馆，科技馆，多功能剧场三大功能为一体，是闽清新的高雅艺术殿堂和政治生活中心。该项目获得福建省第十二届优秀建筑创作奖一等奖。

1 如何评价室内声学设计

1.1 评价室内声学的技术指标

1.1.1混响时间

混响时间是评价室内音质一个重要参数。适当的混响时间，可以展现音乐作品乐符间的融洽合一，或展现演讲者声音的浑厚有力。但过长的混响时间势必会掩盖后续的声音内容，使声音丧失清晰度，对传达的信息造成影响。一般来说，最佳混响时间是以500Hz的声音频率测得参考数值。

对于歌剧院，一种认为以唱词清晰度为主，采用短混响1.1～1.3s，另一种认为，应该以音乐的丰满度为主，采用较长的混响1.5～1.6s。两种观点各抒己见，但由此可见，以音乐为主的厅堂混响时间要长于以语言为主的混响时间。

根据赛宾公式，Rt=0.161×V/(Axa),混响时间主要受厅堂容积和室内界面材质影响，合适的容积可以减少对吸声材料、声反射板等手段的依赖，从而达到最佳的混响时间。

1.1.2声音明晰度

早期声能和总声能的比，用C80表示。早期声是直达声到达之后80ms之内听到的声音。如果没有混响，声音会很清晰，C80会是一个很小的值。反之，如果混响时间很长，则声音不清晰，C80会是一个很大的值。

1.1.3声场均匀度

声源在室内发声，会形成复杂声场。室内的任何一个部位，都是由直达声、反射声和混响声组成。如果室内各个部位声压级相同，即室内声场分布均匀。不同类型观众厅混响时间设计推荐如表1所示。

表1 不同类型观众厅混响时间设计推荐①

1.2 声学缺陷

如果观众厅体型设计不妥，就会引起声学缺陷，具体表现为回声、声焦聚及耦合效应。

1.2.1回声

人对回声的察觉，取决于反射声的延迟和声功率。当时间延迟超过1/15S(声程差23m)，就有出现回声的危险。例如剧院由于来自后墙的延时反射，前排席位的观众就可能听到回声(因此观众厅后墙多为吸声材料饰面)。因此，可以将直达声传播路程做声线分析来做简单的估算。

除了明显的回声，中等延时的反射声也有可能使人们听闻的语言变得模糊。因此，应当注意避免在直达声后延时1/30s～1/15s(相当于声程差12m～23m)的响度过大反射声。一般来说，这种近似回声是由侧墙或位置过高的吊顶反射引起的。对此，设计可以采用凸面处理来避免这些声学缺陷。

1.2.2声焦聚

反射声经过曲率过小的曲面，焦点处的声压级会远大于其他各处的声压级，破坏了厅内的声场均匀度。这种情况常常来自于弧面的观众厅后墙、侧墙(钟型观众厅平面)，或是楼座挑台的栏板。为避免这种情况，一种办法就是控制曲率，使凹曲面的焦点在观众厅之外。另一种办法即在凹曲面做凸面体声扩散，或是做吸声处理。

1.2.3耦合效应

耦合效应，是两个相邻的空间混响时间不一致时，在混响时间短的空间内感到来自另一个空间的混响声的现象。因此，要保证观众厅和舞台两个巨大空间混响时间的一致性。

1.2.4噪声

噪声严格意义上来说不属于声学缺陷，其分为背景噪声和侵扰噪声。背景噪声是观众厅内部使用人员引起的，如脚步声、座椅翻动声、门的抨击声等，消除该噪声办法，主要应由使用者自己控制。设计也可设法降低这种噪声，例如在翻动的席位背面安装橡皮止动器等。侵扰噪声是指观众厅外界的噪声干扰，包括交通噪声和门厅，过道、楼梯间、放映间、布景间的噪声。评价噪声的指数为NR数，这是国际标准化组织(ISO)推荐的一组曲线，用于评价噪声的可接受性以保护听力和保证语言通信，避免噪声干扰，如表2所示。

表2 不同类型观众厅NR数限值②

2 声学设计专业方法

2.1 观众厅平面和剖面的声线作图

几何声学的原理就是把声音看成光线一样直射和反射。声线分析即是检查观众厅内反射声线是否均匀，是否存在声学缺陷。不过，几何声学只是声学设计的验证方法之一，对于建筑师来说，可以作为一种剧场声学初步设计的方法来验证观众厅的形体是否合适。真正要完善声学设计，还需要依靠其设计方法和设备检验。

2.2 实物缩尺模型

实物缩尺模型，是按一定的比例制作的、内部形状和内表面材料和实际厅堂一一对应的模型。这个比例称为缩尺比。声学模型依据的基本等式是声速=距离/时间=频率×波长。当声波在传播过程中遇到障碍物，其变化特征取决于障碍物尺寸和声波波长之间关系。所以，波长必须按距离的缩尺比例考虑。测试人员在一个密闭无反射的房间内演奏，声音频率按照缩尺比提高n倍后进入缩尺模型，通过接收器后再以缩尺比换算成正常频率进入人耳，从而模拟出真实条件下人耳的听闻效果。

2.3 计算机声线模拟

早期的室内声场模拟，主要依靠室内统计学缩尺模型来完成。该技术已经发展得较为成熟。不过成本较高，所需实验设备多，往往只能在一些重要建筑结构设计中使用，但随着计算机技术的发展，利用数字技术对室内声场环境进行计算机模拟成为可能，并将大大降低经济成本，减少时间，为建筑设计提供必要的指导。

3 室内声学为导向的观众厅设计——以闽清科技馆剧场为例

观众厅的设计包括尺度、平面、剖面，是基于观众的视觉体验和听觉体验，同时还必须兼顾结构体系，施工条件以及建筑环境等。

3.1 确定混响时间

以语言为主与音乐为主多功能剧场所需的音效条件显著不同，即使是同一表演形式的音乐，音效要求也差别很大。但是，不管对于语言还是音乐，所有频率声音的增长和衰减不能太死板，也不能太跳跃。

多功能剧场表演形式并不是唯一的，所以其混响时间有一个可调范围，但过长的混响时间差在技术上有较大的实现难度，比如交响乐的混响时间上限值是1.9s，会议报告的混响时间下限值是1.0s，两者相差0.9s。采用一般的可变吸声结构比较难以实现，必须改变容积和设置混响室，这就加大了投资。但一般来说，可调幅度在0.4～0.5s之间是容易实现的，可采用的构造有幕帘可调结构，翻版可调结构，百叶可调结构，旋转可调结构等。

(1)闽清科技馆剧场混响时间确定

作为多功能剧场，用于文艺演出使用时，要求室内声场有足够的音乐丰满度，根据《剧场、电影院、多用途厅堂建筑声学设计规范》中规定，依据该剧场规模可得室内的最佳混响范围为1.2s～1.6s(500Hz)。用于会议、放映使用时，必须满足语言清晰度要求，才能保证会议听众能清晰准确地了解发言内容。在会议过程中需要同期录音时，室内混响时间不宜过长，保证录音效果。声学方面要求厅内避免声聚焦、振颤回声、声场不均匀等声学缺陷，根据《剧场、电影院多用途厅堂建筑声学设计规范》规定，再依据该剧场规模可得室内的最佳混响范围为1.1s～1.5s(500Hz)，该剧场要求满足文艺演出、会议和放映的使用，其混响时间中频(500Hz)确定为RT=1.2±0.1s;在低频(中心频率125Hz的倍频带)的混响时间应有20%的提升。

3.2 空间尺度

根据赛宾公式，观众厅的容积影响混响时间，合适空间尺度的设计可以减少对声材料，声反射板等手段的依赖，从而达到最佳的混响时间。

(1)观众厅进深

观众厅的规模和使用性质，是观众厅设计的先决条件，决定了观众厅的空间尺度。一个30排席位(排距按0.9m计算)的厅堂，如果不考虑房间界面的作用，在舞台上用交谈的口语声级50dB说话，至最后一排席位降低至30dB，已经比一个较为安静的大厅里的背景噪声还低。因此，在以自然声为主的厅堂设计中，要设法缩短讲堂至最后排席位的距离。即使在有扩声系统的厅堂中，观众厅的进深也不是可以随意加大的，还受到视距的控制。对于歌舞剧来说，观众要看清演员的动作，对于话剧来说，还要看清面部表情的变化。

(2)平面形式

在观众厅进深确定之后，要根据使用性质和规模，结构体系，施工条件以及建筑环境来确定平面类型。常见的平面类型有矩形、马蹄形、钟形、扇形等平面。规模小的观众厅，矩形平面声能均匀，座区前部反射声空白小，侧墙早期声音的反射声场均匀，因此亲切感和明晰度较好。但是，随着观众厅规模的增加，跨度加大(超过30m)，观众厅前区会出现早期反射声的空白区，而且中轴上的座位直达声和反射声会产生较大的声程差，导致声学缺陷。因此，产生了削减前区两侧不良座席的变种，即扇形平面和楔形平面。然而，相对于矩形平面，扇形平面侧墙提供的侧向反射声较少，其音质状况和侧墙倾角有很大的关系。扩大容量，必须增大倾角。但所增加的大多为大厅后部偏远两角区视听条件均较差的席位。一般来说，倾角可采取以下值：

φ=5°～8°最佳倾角；

φ≤10°声音反射效果好；

φ≥15°反射吊顶低时候可采用，因为顶棚越低越有利于前次反射声；

φ=22.5°超过此值反射区域减少。前中区侧向反射声空白区大，偏座席位增加，且看不到表演区深处。

若砍去扇形平面后部的偏座席位，则得到六边形平面。倾斜的后墙能为中部座席提供较多的侧向反射声。平面比例改变时，反射声区域也随之改变。为使池座中前区得到短延时侧向反射声，应控制观众厅宽度和前侧张角[1]。

(3)剖面形式

观众厅的剖面形式和平面形式是相适应的。当平面形式有明显的声学缺陷时，剖面形式应恰当调整(例如当观众厅中前部存在侧向反射声空白时，降低反射吊顶高度以获得更多的前次反射声)。800座以上宜设置楼座，楼座可以扩大容量，缩小视距，节约面积。同时，出挑的楼座栏板对观众厅的声扩散和反射有利。但要注意，楼座上下空间高深比不宜过小。下空间≥1∶1.2～1.5，上空间≥1∶2.5，否侧，后排席位有可能会处于声影区范围中。

(4)闽清科技馆观众厅平剖面设计

根据项目立项文件的要求，闽清科技馆多功能剧场定位为600座上下的小型乙等剧场。此等规模的剧场采用矩形平面合适，即：跨度24.8m，进深为31.2m。优点是结构简单规整，前部座席反射声空白区小。

3.3 室内设计

室内设计对音质效果起最后把控作用，造型设计和材料选择在强调艺术性的同时，要保证建筑声学的功能性，同时避免声学缺陷的产生。

(1)混响时间

观众厅室内界面材质影响混响时间。当混响时间设计值和观众厅容积确定后，室内吸声系数值也相应确定。一般来说，为了避免回声，观众厅后墙布置为吸声面，而吊顶布置为反射面。调节混响时间即调整观众厅侧墙的吸声面比例。

(2)早期反射声

早期反射声对于剧场中的声学非常重要。因此，反射声到达听众耳部必须有足够清晰度，直达声和第一次反射声之间的时间间隔要小于20ms。早期反射声可以通过定向反射结构获得，如侧墙上的反射板和吊顶反射板(云反射板)。做观众厅声线分析图辅助设计，以确定吊顶的高度和造型，两边侧墙的角度，确保座席收到合适的早期反射声。

(3)声场均匀度

声扩散是观众厅获得均匀声场的保证。不规则的观众厅边界有助于声扩散，但同时会增加剧场的施工难度。在大厅边界上设置几何声扩散体，球体表面具有最佳的声扩数，但必须和声波波长相匹配。不规则地配置吸声材料可助于声扩散，但扩散材质应采用厚重的材料，避免低频声被吸收，降低混响时间。

建立三维模型，模拟吸声材料利用计算机进行分析，可以辅助设计，确认声场均匀度达到标准。闽清科技馆多功能剧场，在倍频程500Hz频段内的大剧场室内观众席声场均匀度均位于±3dB范围内，在倍频程1000Hz频段内的大剧场室内观众席声场均匀度均位于±3dB范围内。模拟结果显示，室内声场均匀度满足设计和使用要求。

3.4 隔声降噪

闽清县科技馆位处快速路边，为了避免交通噪声对观众厅的影响，观众厅结合设备管井和声控光控、放映室等房间不同需求，设置双层墙来避免外界噪声对观众厅的影响；剧场座椅下空间静压箱下的空调机房，墙面和吊顶，均采用吸声材料。除了空气传声，还应当避免空调机组的震动通过结构传声传至观众厅，对空调机组做减震处理，安装橡胶或弹簧减震器，空调管道采用软管连接，安装弹性吊架，穿墙位置做弹性密封处理。

舞台侧台道具出入口也是噪声容易侵扰的入口。闽清县科技馆设计的道具出入口，面向城市快速路(受总平流线制约，无法避免)，容易受到来往车辆噪声的影响，本应设计声闸来隔绝交通噪声，但由于场地空间限制，没有预留声闸空间余地，只能采用隔声卷帘来控制侵扰噪声。舞台内部的噪声指数还有待于后评估的测定。

4 结语

观众厅声学设计是一项专项设计，在剧场设计的过程中与建筑专业和室内设计专业需要相互配合。本文以建筑设计师的角度，介绍了观众厅声学设计的基本原理，手段、流程和重点。建筑设计作为工程建设的龙头专业，应总体把控，协调各专业之间的矛盾。因此，掌握基础的声学设计原理十分必要。

本文仅对设计基本原理和设计要点进行简析。随着建筑技术，材料技术的发展，声学设计可利用手段也在不断更新。例如，闽清科技馆多功能剧场的混响时间是定值，是平衡兼顾各使用功能的结果，而对于其它许多先进的多功能剧场，可采用可变吸声体、声反射罩等手段达到混响时间可变，提高对不同功能的适应性[2]。当然，建设成本也会相应提高。因此，建筑师应时刻关注新技术、新材料的发展，才能站在更高的维度，进行全过程、全专业把控。