剧场设计中舞台台口吸声研究

xiaotuzi · 发表于 2005-7-7 12:55

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剧场设计中舞台台口吸声研究 
 
燕翔徐学军薛小艳 
 (清华大学建筑学院建筑物理实验室，北京， 100084) 
 
摘要：在剧场设计中，舞台和观众厅是声耦合空间，台口吸声量的计算对控制观众厅的混响时间非常重要。然而，台口吸声问题容易被忽略，一般的设计是将舞台台口的吸声量看作一固定数值，而并不考虑舞台空间和观众厅空间耦合产生的影响。本文通过理论分析和1:10缩尺模型测量，对舞台和观众厅这两个混响空间的耦合问题进行研究，并进行了理论估算和定量测量，得到台口吸声决定于舞台体积、舞台空间吸声量、观众厅体积和观众厅空间吸声量这一结论。并提出了吸声系数（吸声量）出现负值的概念。 
 
关键词：耦合空间；台口吸声；缩尺模型 
 
剧场声学设计时，台口吸声对观众厅的混响指标影响很大。当今，剧场演出规模越来越庞大，形式越来越复杂，舞台上布景、多道幕布、车台、旋转台众多，台口很宽，舞台台仓体积巨大。例如某在建的大剧院，观众厅容1500人，体积1万立米，而舞台体积达5万多立米，台口宽达20米。一般教课书中认为，台口为吸声系数0.3～0.4的洞口，实际上这是90年代前多数剧场实验统计结果，其舞台体积比现在普遍要小得多，观众厅体积与现在相近。实际上，舞台内吸声情况影响着台口吸声，当台仓体积大且台口宽的情况下，这种影响不容忽视。 
 
舞台 
 
V2, A2, RT2 
观众厅 
 
V1, A1, RT1 
台口 
 
⊿A 
图1 舞台和观众厅耦合空间示意图 
如图1，为舞台及观众厅耦合空间平面图。其中：观众厅体积为V1，除台口吸声以外的总吸声量为A1，混响时间为T1；舞台总体积为V2，除台口吸声以外的总吸声量为A2，混响时间为T2。舞台与观众厅通过台口形成声耦合空间。一般情况下，由于舞台和观众厅的体积不同，总吸声量不同，因此，声能密度衰减方式和混响时间亦不同。在耦合空间中，声场扩散度和均匀度将受破坏。但考虑到舞台台口尺寸与房间体量相比较小的情况下，耦合空间的两部分可以近似认为是独立的混响场，台口为一吸声表面。根据能量守恒原理，如果从观众厅看台口的吸声量为⊿A，那么从舞台看台口的吸声量则为-⊿A。也就是说，从观众厅看台口的等效吸声量和从舞台看台口的等效吸声量是一样的，只是正负不同。这是很有趣的问题，对观众厅而言，如果舞台台口是吸声洞口的话，那么在同一耦合空间内，对于舞台来说，台口不再是吸声表面，而相当于一个提供声音的喇叭。 
 
基于以上分析，设舞台和观众厅的声场分别都近似符合塞宾条件，有如下关系： 
 
，（1） 
 
下面是应用以上分析的实例。 
 
某剧场设计中，舞台体积是观众厅体积的5倍，设计要求观众厅与舞台具有同为1.5s的混响时间。常规剧场声学设计中，一般认为舞台台口吸声系数在0.3-0.4之间，这主要是因为舞台较小，且舞台内为短混响。该剧场设计声学上的一个显著特点是，要求舞台和观众厅具有近似的混响时间，既都是中频1.5s左右，这样使演员和观众具有相同的混响环境，有利于演员了解听众的听闻效果，更好地发挥表演水平。因此，上述（1）式变为： 
 （2） 
 
进一步推导可以得到： 
 （3） 
 
由（3）式可知，台口吸声量与舞台体积、舞台内部吸声量、观众厅体积、观众厅内部吸声量有关。值得注意的一个问题是，舞台部分的体积约5万立米，约是观众厅体积的5倍，因此舞台内的吸声量远大于观众厅吸声量，当舞台内部吸声量是观众厅内部吸声量5倍时，舞台和观众厅将获得近似相等的混响时间，同时台口吸声量近似为零<根据（3）式>。因此，在舞台和观众厅混响时间设计均为1.5s的条件下，舞台内部的吸声量设计为观众厅的5倍，台口吸声量则为零，相当于舞台和观众厅处于同一混响场内，耦合的影响被降低到最小。当观众厅吸声发生变化，如观众占座率变化时，台口吸声会受到影响发生变化，造成音质变化。为了解决这一空满场变化所引起的问题，可采用坐人和空椅吸声接近的软座椅，使空/满场混响时间接近。这样也有利于演员彩排和实际演出时具有相同的声环境。 
 
当舞台空间与观众厅混响时间不同时，为了分析和研究舞台台口吸声问题，在1:10的剧场模型中进行了模拟实验。模型剧场的情况为：观众厅体积11000m3，容1600座，舞台台口宽20m，台口高12m，由于场地限制，无法制作大舞台空间，舞台空间被模拟做成4600 m3。测量时，观众厅为满场（软座椅坐人），改变不同舞台台仓的吸声量，分别测试舞台和观众厅耦合及非耦合情况下的混响时间。台口敞开时，舞台和观众厅为一个整体耦合空间。非耦合时，使用强反射厚水泥纤维板封住台口，舞台和观众厅分为两个独立混响空间。封住台口时，台口部分吸声系数为零；敞开台口时，台口可视为一吸声表面。根据封住和敞开台口测得的混响时间可以计算台口吸声系数。混响时间测量采用5000Hz的窄带高频模拟实际中频500Hz。 
 
测量观众厅看台口吸声系数时，声源和接收话筒都位于观众厅内，吸声系数计算公式为： 
 （4） 
 
其中：V1为观众厅体积，为封住台口时的观众厅内的混响时间，为敞开台口时的观众厅内混响时间，S为台口面积。 
 
测量舞台看台口吸声系数时，声源和接收话筒都位于舞台内，吸声系数计算公式为： 
 （5） 
 
其中：V2为舞台体积，为封住台口时舞台内的混响时间，为敞开台口时舞台内的混响时间，S为台口面积。 
 
如表1，为模型实测观众厅和舞台的混响时间及台口吸声系数计算值。 
 
舞台内不同吸声量时台口吸声系数的模型实验数据表表1 
 
状态 观众厅混响时间(秒) 4式计算台口吸声系数α观众厅看台口 舞台混响时间(秒) 5式计算台口吸 
 
声系数α舞台看台口 
1 台仓内吸 
 
声很少 台口被封住 1.60 -0.72 4.40 0.54 
台口敞开 1.90 2.50 
2 台仓内有 
 
部分吸声 台口被封住 1.60 0.05 1.55 -0.04 
台口敞开 1.58 1.58 
3 台仓内有 
 
大量吸声 台口被封住 1.60 0.47 1.11 -0.46 
台口敞开 1.45 1.32 
 
 
实验结果分析可以看出： 
 
1）对于观众厅来说，在舞台吸声较少时，台口吸声可能出现负值。 
 
2）从观众厅看向舞台和从舞台看向观众厅的台口吸声系数一正一负，绝对值相等，符合能量守恒定律。状态1情况下-0.72与0.54相比误差较大，主要是因舞台吸声少，观众厅吸声多，耦合空间吸声不均，赛宾公式误差增大。 
 
3）若封住台口时观众厅和舞台各自混响时间相近于某一数值，则台口敞开后，空间合成耦合状态时，混响时间也将接近这一数值，且台口吸声接近零。状态2即是这种情况。 
 
4）只有在舞台内存在大量吸声材料，舞台混响时间短于观众厅混响时间时，台口对观众厅才相当于一吸声表面。如状态3。 
 
5）当舞台内吸声材料较少，混响时间长于观众厅混响时间时，台口对观众厅的传统意义上的吸声系数已不存在，而是负值。即台口不但不吸声，反而会“补充声音”。 
 
实验中发现另一问题，即当舞台和观众厅混响时间差异较大时，尤其是舞台混响比观众厅混响长得多时，敞开台口后，扬声器位置的变化对测量混响时间的影响很大。在表1状态2中，舞台混响和观众厅比较接近，台口敞开时，无论声源在观众厅内还是在舞台上，测量的混响时间都接近1.58s，说明耦合空间因耦合引起的声场不均匀度较低，声场扩散较好。在状态1和3中，舞台混响和观众厅不同，声源在不同位置时，如在舞台上和在观众厅里，测量的混响时间存在差异；尤其状态1舞台和观众厅混响时间差异很大时，这种差异更加明显。两种混响状态不同的空间耦合在一起时，将引起整个空间的声场的不均匀性，声场扩散不好，不同位置的混响时间的测量值不同。 
 
现今，剧场设计舞台空间很大，若吸声处理不当，势必造成舞台混响时间偏长。建筑声学设计时，如果仍使用0.3～0.4作为台口吸声系数进行混响计算，总吸声量将出现很大误差。在台口面积很大时，这种误差可能达到总吸声量的10％－20％，造成设计错误。 
 
台口吸声与观众厅和舞台的吸声量和体积都有关，而且可能出现负值，那么，剧场声学设计时如何确定台口吸声呢。一种可行的方法是，令台口吸声系数为零，同时调整舞台和观众厅吸声材料的种类和面积，使观众厅和舞台具有相同的混响时间。这时，观众厅和舞台受耦合影响最小。然而，这种方法对某一频率的计算是可行的，如中频500Hz，但无法保证其它频率都能同时满足台口吸声为零的条件。吸声材料存在频率特性，舞台、观众厅混响时间频率特性不可能一致，而且，剧场声学设计也不希望低频混响时间与中频完全一致。因此，确定台口不为零的吸声系数就成了很大的问题。目前，尚没有理想的耦合空间洞口吸声计算公式可遵循，若要准确估算，往往需要依靠缩尺模型法进行模拟测量。 
 
 
参考文献： 
 
[1] 秦佑国、王炳麟编著，建筑声环境，第二版，北京，清华大学出版社，1999 
 
[2] Acoustics—Measurement of the Reverberation time of rooms with reference to other acoustical parameters，ISO3382:1997(E