武漢市中南劇場建筑聲學解決方案
2016-04-15 聲泰電子商務部 佛山聲泰聲學
武漢中南劇場外景
     中南劇場是為“中國第八屆藝術節(jié)”服務的重點建設項 目，是國內少有的專業(yè)話劇院，該劇院地處于京漢大道和規(guī)劃的新馬路的交叉口，距京漢大道15米，距軌道一號線約30 米，臨近規(guī)劃的新馬路?？傆玫孛娣e約5 505m2，總建筑面 積14 419m2，總投資近1.5億元。
     中南劇場的功能以演出話劇為主，兼顧歌舞類節(jié)目的多功能使用。該劇場觀眾廳采用鐘形平面，其容量為810座(其中池座580座、樓座186座及包廂44座）。觀眾廳的有效容積為4 750m3,相應的每座容積為5.9m3/座。觀眾廳寬為22m，池座后墻距大幕線為21.5m；樓座后墻距大幕線為 24m。觀眾廳兩側設置有跌落包廂。樓座下開口的高深比為 1:1.2。該劇場舞臺由主臺和側臺組成，其臺口寬14m,高 8m,進深為18m,并設有轉臺、車臺等演出設備。
       
       2 建筑聲學設計特點及技術要求
       演藝建筑的聲學設計策略有下面三種：1)自然聲為主；2)電聲為主；3)自然聲電聲兼顧。每種策略適用于功能不同的演藝建筑。中南劇場的主要功能是演出話劇，話劇演出以自然聲方式最佳，電聲演出往往達不到理想效果。原因是：演員在舞臺上的活動范圍較大，靠固定于臺口的傳聲器不能滿足要求；而在舞臺進深處懸吊傳聲器不僅給換景造成困難，同時靠近傳聲器時聲級明顯提高，反之降低，導致聲音過大的起伏，缺乏真實感與層次感；使用無線話筒時，頻響特性較差，會改變演員的音色。于是確定了“自然聲為主，電聲為輔”的音質設計原則。一個以自然聲方式演出話劇的專業(yè)劇場，其觀眾廳的音質設計有如下特點和要求：
       (1）要保證演出時語言清晰，就需要控制混響時間。
       (2) 觀眾廳內要有足夠的響度，即要有足夠的直達聲和近次反射聲，這主要通過控制觀眾廳進深、坐席的升起（C 值）、吊頂及側墻的聲反射來實現(xiàn)。
 
       （3）廳內聲場要均勻，有良好的擴散，因而廳內需設置擴散體，如沿側墻布置包廂，設計凸弧型擴散反射面等。
       （4）觀眾席區(qū)域內的頻率響應要趨近平直，允許低頻有適當?shù)奶嵘?，低、中、高頻要適度平衡。
       （5）廳內背景噪聲要足夠得低，防止噪聲對演出聲產(chǎn)生掩蔽作用。需嚴格控制內部和外部的環(huán)境噪聲傳入廳內。
        用一句話概括就是：“觀眾廳體型合理，響度足夠，語言清晰，聲場均勻，有足夠的近次反射聲及低的背景噪聲”。根據(jù)上述要求，我們確定了觀眾廳的幾項主要的聲學技術指標，詳見表1。
      下面分觀眾廳每座容積確定、體型設計、混響時間控制、噪聲及振動控制和聲學測量五部分分別論述該劇場的聲學設計。
 
       3 觀眾廳每座容積確定
       所謂每座容積就是觀眾廳裝修完成后的容積與觀眾人數(shù)之比，話劇演出時話劇演員的聲功率是有限的，觀眾廳的容積小一點，聲能密度就會大一些，觀眾聽到的聲音響度就會高一些。從此角度看，每座容積宜小不宜大。另一方面，每座容積太小，混響時間會短，音質會變差，大廳的空間感會狹窄，給人壓抑感。所以每座容積又不能太小?！秳觥㈦娪霸汉投嘤猛緩d堂建筑聲學設計規(guī)范》規(guī)定，話劇院的每座容積為4~6m3/座。
       中南劇場的聲學設計貫穿了該工程的全過程，在建筑方案設計時我們通過調整臺口尺寸，樓座及包廂標高；在裝修設計時通過調整吊頂標高，最終將總容積控制在4 750m3, 即對應的每座容積為5.9m3，達到了話劇演出的要求。
       4 觀眾廳的體型設計
       觀眾廳體形設計要從聲學和視覺兩方面考慮。單就聲學方面，它與廳堂聲音的響度、聲場的均勻度、聲音的音質有關，還與是否存在聲學缺陷有關。體形設計包括觀眾廳的平剖面設計。對以自然聲演出話劇的劇院，體型設計猶為重要。
       4.1 觀眾廳的平面設計
       中劇場是一座810座的中型劇場，經(jīng)過分析，觀眾廳確定采用鐘形平面（圖1)。原因有二：1)它結構簡單，絕大多數(shù)觀眾席有良好的視角，均在人聲的指向性范圍內；2) 該劇院容量不大，觀眾廳跨度控制在22m以內，側墻能夠提供較強和覆蓋面較大的側向早期反射聲。
 
圖1 中南劇場平面圖
       4.2 觀眾廳的剖面設計
       觀眾廳的剖面設計主要包括C值的控制，觀眾廳進深控制，側墻和后墻的聲學處理，臺口及吊頂設計等方面的問題。
   
                        圖2 中南劇場剖面圖
       4.2.1 c值的控制
       在以自然聲方式演出話劇的觀眾廳，每排座位升高應使 任一位聽眾的雙耳充分暴露在直達聲范圍之內，并不受任何障礙物的遮擋。應盡可能大于等于視線所需的C值（視線所 需的c值為120mm)。c值太小，前面的觀眾就會對后面的 觀眾產(chǎn)生掠射吸聲，影響后排觀眾聽到的聲音的聲級。該劇 場觀眾席的c值均大于120,后面觀眾席的c值接近200。
     圖4 觀眾廳c值控制圖
 
       4.2.2 觀眾廳吊頂設計
       該觀眾廳的吊頂造型設計兼顧劇院的其他功能（如音箱橋、面光橋等）和聲學要求。幾經(jīng)修改最后確定為折線型吊頂。通過調整吊頂?shù)膬A角，達到前部吊頂為池座中前部觀眾席提供有益的早期反射聲；中后部吊頂增強后部觀眾席聲級。控制吊頂標高，防止出現(xiàn)長延時反射聲；將近次反射聲相對于直達聲的初始時間間隙控制在35ms以內。為了避免低頻被吊頂吸收，觀眾廳的吊頂采用了35mm厚GRG增強型反聲板。
圖5 觀眾廳吊頂聲線分析圖
武漢市中南劇場觀眾廳效果圖
                          
       4.2.3 觀眾廳后墻處理
       該劇院的后墻呈微凹弧行，容易引起回聲等音質缺陷。廳堂后墻聲學處理方法主要有以下三種方法：1)吸聲處理；2)擴散處理；3)通過后部傾斜加強后座聲級。三種方法適應不同的情況，就該劇場，我們選用了第一種方法，在后墻上布置了復合吸聲結構（圖6)。
       圖6 觀眾廳后墻構造
       4.2.4 臺口側墻設計
       臺口側墻采用大號角形，可以將演員聲反射并導向觀眾席，讓池座中前區(qū)觀眾席得到較多的早期反射聲；另外利于耳光、揚聲器的布置。
       4.2.5 樓座和包廂
       (1)為了壓縮后排觀眾距舞臺的距離，增強直達聲的強度，我們設置了樓座。樓座欄板設計成下傾凸弧面，能給觀眾席提供擴散反射聲。為了防止在樓座下的觀眾席范圍內形成聲影區(qū)，我們將樓座下開口的高深比控制為1:1.2，完全滿足規(guī)范規(guī)定的自然聲演出的劇院樓座下開口的高深比不大于1:1.5的要求。
       (2)觀眾廳有大片平行的側墻，我們在其上設置了跌落的包廂和傾斜的聲反射板。前者不僅有利于消除平行墻面之間的顫動回聲，而且增強觀眾廳的聲擴散，提高聲場的均勻度；后者針對中后部定向反射聲能。
圖7—a  觀眾廳一層側墻擴散反射分析圖

 5 混響時間控制
       5.1 觀眾廳混響時間的控制
       觀眾廳的混響時間長短取決于觀眾廳的每座容積、座椅吸聲、觀眾廳內配置的吸聲材料與結構等因素。中南劇場是專業(yè)話劇院，觀眾廳容積較小，觀眾席本身就能提供可觀的吸聲量，但是話劇演出要求混響時間較短，經(jīng)過計算，仍需配置吸聲材料。我們采用了吸聲量和觀眾相近的座椅，其各頻率吸聲系數(shù)見表2。結合消除音質缺陷，在容易產(chǎn)生回聲的后墻布置了寬頻吸聲結構。其余的部位采用聲反射或聲擴散材料與結構（如吊頂與側墻面均采用GRG反聲板）。根據(jù)中劇場的演出功能設計確定中頻混響時間為1.2(1±10%) s,各頻率的混響時間相對于中頻的比值如表3。

      為了確保設計的準確性，我們對中劇場觀眾廳的混響時間進行了估算，從表4可以看出設計值與估算值接近，在誤差允許范圍內。
   5.2 舞臺混響時間的控制
       因為該劇場采用鏡框式舞臺，舞臺和觀眾廳是兩個不同的空間，通過臺口耦合為一體，而演員位于舞臺上，因此舞臺音質對演員的演出有直接影響。該劇院舞臺容積大于觀眾廳，在沒做聲學處理的情況下，舞臺的混響時間將遠長于觀眾廳的滿場混響時間，會引起一系列問題，如：1)由于舞臺與觀眾廳通過臺口藕合，聲能衰減的速度比觀眾廳慢，從而使聲能倒流，觀眾廳尾聲增長，影響語言的清晰度；2)演員處于巨大的舞臺上，混響時間又長，使演員難以掌握力度和平衡。
       對此，我們對舞臺空間進行適當吸聲處理，大幕下落及舞臺設備設置條件下，舞臺空間的中頻(500~1000 Hz)混響時間不宜超過觀眾廳空場混響時間。
       為了確保達到設計要求，我們對舞臺空間的混響時間進行估算，估算結果如表5，從表中結果來看是滿足設計要求的。

 6 噪聲及振動控制
       噪聲及振動控制是劇場聲學設計的一個非常重要的方面，對自然聲使用的劇場尤為重要。噪聲及振動控制又包括室外噪聲及振動控制和室內噪聲及振動控制兩部分。規(guī)范要求，專業(yè)話劇院觀眾廳的噪聲限值為NR25。經(jīng)過分析，該劇場觀眾廳可能的噪聲源主要包括以下幾個：一是空調的噪聲；二是燈具及舞臺設備的噪聲；三是內部走廊、前廳等處通過出入口傳入的噪聲；四是室外傳入的噪聲。要使總噪聲達到規(guī)范要求的NR25就必須將各噪聲源傳入觀眾廳內的噪聲控制在NR20左右。首先我們來討論室外噪聲及振動控制。
       6.1 室外噪聲及振動控制
       中南劇場選址于鬧市區(qū)，緊鄰京漢大道與軌道交通一號線。根據(jù)武漢新江城環(huán)境事務咨詢有限公司所做的評估報告，中南劇場室外環(huán)境噪聲約為70dBA，軌道一號線的振動對中南劇場有一定影響。評估報告建議設置100米長雙排連續(xù)粉噴樁隔振墻。此部分的設計已由專業(yè)公司負責，不屬于本設計考慮范圍。
       關于室外噪聲控制，我們主要從平面?zhèn)髀暫臀蓓攤髀晝煞矫婵紤]，對應的采取了如下防護措施：
       (1)將觀眾廳布置在整個建筑的中央，周圍環(huán)布輔助房間及休息廳。
       (2)屋頂采用密實的鋼筋混凝土現(xiàn)澆屋面。
       經(jīng)過驗算，采取上述措施后完全能保證室外噪聲傳入觀眾廳后聲壓級小于NR20。
       6.2 室內噪聲及振動控制
       室內噪聲主要包括空調設備噪聲，各類燈具噪聲，舞臺機械設備噪聲，休息廳及走廊的人流噪聲以及中劇場與小劇場之間的相互干擾噪聲等。根據(jù)標準即觀眾廳的背景噪聲要低于NR25,因此以上每種噪聲傳到觀眾席的限值為NR20。