廳堂建筑的聲學設計

廳堂建筑的聲學設計

 作為聽音場所,歌劇院、音樂廳、戲劇院等廳堂建筑的聽音質(zhì)量是第一重要的,因此必須認真做好建筑聲學設計,確保其音質(zhì)。這些建筑物往往投資巨大,動輒數(shù)億乃至數(shù)十億元,若音質(zhì)不佳,就會造成資源和經(jīng)費的極大浪費。1962年,美國林肯中心音樂廳建成時,就是因為音質(zhì)欠佳,結(jié)果推倒重建,直至音質(zhì)滿意為止。這是廳堂建筑史上一個著名的例子。
 
    美國等發(fā)達國家在進行廳堂建筑設計時,均要由建筑師、聲學顧問和劇場顧問組成聯(lián)合設計組,從項目立項開始就一道工作,直至項目完工。這是國外廳堂建筑之所以高質(zhì)量的重要保證。因此,只有明了建筑聲學設計的程序和工作內(nèi)容,學習國際先進經(jīng)驗和慣常做法,方能保證我國的廳堂建筑具有良好的音質(zhì)。
 
    一般而言,建筑聲學設計的工作內(nèi)容主要包括噪聲控制和音質(zhì)設計兩大部分。
 
    根據(jù)建筑物的使用功能、等級與投資規(guī)模,參照國際或國家規(guī)范來確定建筑物室內(nèi)噪聲標準,是噪聲控制設計的首要內(nèi)容。
 
    通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內(nèi)背景噪聲,因此,這些廳堂的選址很重要,應盡可能遠離戶外的噪聲與振動源。另外,還要進行場地環(huán)境噪聲與振動調(diào)查、測量與仿真預測,目的是為進行廳堂建筑圍護結(jié)構的隔聲設計提供依據(jù),保證廳堂建成后能達到預定的室內(nèi)噪聲標準。
 
    圍護結(jié)構的隔聲設計分為空氣聲隔聲設計及固體聲隔聲設計兩部分,均包括隔聲量的計算、隔聲材料的選擇以及隔聲構造設計等內(nèi)容。除理論計算外,經(jīng)常需要進行隔聲構件的實驗室或現(xiàn)場測量,來確定其各頻帶的隔聲量。
 
    噪聲控制的另一重要內(nèi)容,就是針對廳堂建筑內(nèi)部的噪聲振動源進行控制。這些噪聲振動源包括空調(diào)設備、給排水設備、變壓器、某些燈光設備、舞臺機械設備以及來自相鄰房間通過空氣及固體傳聲傳入的噪聲和振動等,都將對觀眾廳的安靜造成干擾。因此,在建筑方案設計階段,聲學顧問就必須介入,以便審視建筑內(nèi)部各種房間的平、剖面布置是否合理,盡可能在建筑設計階段就將可能的噪聲振動干擾減至最低。
 
    此外,建筑聲學設計的另一個重要任務就是進行室內(nèi)音質(zhì)設計。
 
音質(zhì)設計通常包括下述工作內(nèi)容：
 
    一、確定廳堂體型及體量。為看得清楚、聽得清晰,各類廳堂都有個長度的限制。廳堂的寬度會涉及到早期側(cè)向反射聲的組織,與音質(zhì)的空間感有重要關聯(lián)。廳堂的高度不僅影響豎向早期反射聲的組織,而且影響早后期聲能比和混響聲能的大小及方向。廳堂的體積和每座容積都直接影響混響時間等音質(zhì)參數(shù)。廳堂的體型更是關系到是否存在回聲、顫動回聲、聲聚焦、聲影區(qū)等音質(zhì)缺陷。所有這些,都必須在初步方案設計階段就提供建筑聲學的專業(yè)意見。
 
    二、確定音質(zhì)設計指標及其優(yōu)選值。根據(jù)廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數(shù)、側(cè)向能量因子、雙耳互相關系數(shù)等音質(zhì)評價指標,并確定各指標的優(yōu)選值,是音質(zhì)設計的重要任務。這些指標及其優(yōu)選值的選定,將為進一步進行音質(zhì)參量計算和將來竣工后的音質(zhì)測試提供目標和依據(jù)。
 
    三、對樂池、樂臺、包廂、樓座及廳堂各界面進行聲學設計。廳堂的平面及各界面的形狀、面積、傾角等以及樂池、樂臺、包廂、樓座、音樂罩、反射板等都影響聲脈沖響應的結(jié)構,從而對廳堂音質(zhì)產(chǎn)生重要影響。因此,是否設樓座、包廂,設幾層樓座、包廂,樓座和包廂的深度及開敞度多少為合適,欄板的面積與傾角多大較恰當?shù)鹊?都屬于建筑聲學設計的范疇,都需由建筑師與聲學顧問共同磋商,加以確定。樂池的形狀和開口大小也直接影響樂隊聲能的輸送以及樂隊與演員的相互聽聞。此外,是否設音樂罩或反射板,設何種形式的音樂罩和反射板等等,也都需要從建筑聲學專業(yè)的角度提供咨詢意見,并給出設計方案。 

   四、計算廳堂音質(zhì)參量。當廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂臺等設計方案擬定以后,就可開始計算廳堂音質(zhì)參量。通過音質(zhì)參量的計算,提供設計反饋信息,以便對設計方案作出必要的修改與調(diào)整。這個過程有時需要反復進行多次,以便臻于至善。在此過程中,需要輔以平剖面聲線分析、三維聲場計算機仿真乃至縮尺模型試驗等技術手段,才能做出較準確的預計。
 
    五、進行聲學構造設計。廳堂音質(zhì)除了受前述建筑因素影響之外,還與室內(nèi)裝修材料與構造密切相關。因此,聲學顧問還需與裝修設計師密切配合,共同完成室內(nèi)裝修設計。聲學裝修構造設計通常包括各界面材料的選擇和繪制構造設計圖,需詳細規(guī)定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及龍骨的間距等技術參數(shù)。
 
    六、聲場計算機仿真。對廳堂建筑進行仔細的聲場分析和音質(zhì)參量計算,有賴于聲場三維計算機仿真。從這一點意義上講,要進行成功的現(xiàn)代廳堂音質(zhì)設計已離不開計算機仿真的輔助。
 
    七、縮尺模型試驗。對于重要的廳堂,除了計算機仿真外,通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型,進行縮尺模型聲學試驗?？s尺模型試驗優(yōu)于計算機仿真之處,在于唯有它能對室內(nèi)聲波動效應做出仿真,而前者僅能在中、高頻段,在幾何聲學的范圍內(nèi)提供較準確的仿真結(jié)果。此外,計算機仿真從本質(zhì)上說是將聲學家已知的聲學原理輸入計算機中,而縮尺模型則可較客觀地展示廳堂中發(fā)生的實際聲物理現(xiàn)象。目前,華南理工大學建筑聲學實驗室正在負責對在建的廣州歌劇院作1∶20的聲學縮尺模型試驗,以確保該劇院建成后的高水準音質(zhì)。
 
    八、可聽化主觀評價。對于重要的廳堂,必要時還可在計算機仿真和縮尺模型試驗基礎上,應用先進的可聽化技術進行主觀聽音評價。可聽化技術是通過仿真計算,或者通過模型試驗測量獲得雙耳脈沖響應,將之與在消聲室中錄制的音樂或語言“干信號”卷積,輸出已加入廳堂影響的聲音信號,供受試者預先聆聽建成后的廳堂音質(zhì)效果。這是近年發(fā)展起來的建筑聲學領域一項高新技術。
 
    九、建筑聲學測量。建筑聲學測量包括噪聲與振動測量,圍護構造隔聲測量,重要材料與構造的吸聲量測量以及廳堂音質(zhì)參量的測量等。廳堂音質(zhì)參量測量除了在工程竣工之后進行,以驗證聲學設計是否達標外,有時還需要在廳堂建筑主體完工,進入內(nèi)部裝修階段時進行,以便為施工的最后階段進行必要的設計修改與調(diào)整提供科學數(shù)據(jù)。
 
    十、對電聲系統(tǒng)設計提供咨詢意見。對于需要安裝電聲系統(tǒng)的廳堂,建筑聲學專家尚需與音響工程師配合,對電聲系統(tǒng)的設備選型、設計與安裝提供咨詢意見。
 
    十一、組織主觀評價。對于重要廳堂,在工程落成后,組織專門的演出和主觀評價,來檢驗建成后廳堂的音質(zhì)效果,是建筑聲學設計最后一個重要環(huán)節(jié)。為了做好主觀評價工作,必須仔細選擇節(jié)目、演員、樂隊以及參與主觀評價的人員,才能獲得較客觀、滿意的主觀評價結(jié)果,對廳堂音質(zhì)作出鑒定。