西昌凉山民族艺术中心大剧场声学设计和计算机模拟分析研究

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作者：清华大学建筑技术科学研究所
王鹏
张海亮 燕翔
一．工程设计简介
凉山民族文化艺术中心暨火把广场是四川省凉山州丰富群众文化事业，提高全民文艺欣赏水平，建构和谐社会的一项重要建设项目。艺术中心位于凉山州西昌市凉山民族文化公园内“火把广场”的东侧，是一座以演艺中心为主体，融学术交流、展览、商业、休闲、娱乐为一体的多功能文化建筑。艺术中心总建筑面积为2万平方米，功能包括一个固定座席850座的大剧场，一个小剧场（250座），两个电影院（分别为223座和127座），一个多功能厅，一个歌舞厅，三个展厅，和一条商业街等。其中大剧场观众厅正圆形平面，最宽处为30.4m，进深为28.5m，面积为690m²，在观众厅后墙设有两层包厢楼座，升降乐池可加座111座。大剧场室内设计采用具有民族风格的木格栅装饰，木格栅造型从彝族服饰、器物中的典型纹样中提取元素，进行抽象简化，表现热情奔放民族特征。
民族文化艺术大剧场属于民族歌舞类综艺节目兼顾与语言要求的多功能厅堂。大剧场设计要求中频500Hz在混响时间1.3-1.4秒，声场不均匀度为±3dB，背景噪声为NR25。建筑设计由中国建筑设计研究院承担，清华大学建筑学院承担建声设计工作，还负责了小剧场、多功能厅和歌舞厅的建声设计和咨询服务工作。整个凉山民族艺术中心工程于2006 年初启动设计和施工建设，并预计于2006 年12 月10日全部竣工并正式启用，迎接冬旅会召开。

二．观众厅建筑声学设计
1．观众厅容积的确定与体型设计
凉山艺术中心剧院观众厅主要用于民族综艺类节目演出，建声设计主要考虑民族歌舞演出使用，观众厅演出要求以自然声为主，电声为辅，扩声系统主要用于会议功能。艺术中心观众厅的体型是接近圆的圆弧形，建筑设计结合当地彝族火把节文化，其形态围绕日月同辉的天文意境和天文崇拜，贴合西昌市“月城”、“太阳城”、“中国航天城”的城市主题。
观众厅吊顶及墙面的反射声，以及直达声的传播，决定了声场时间和空间的分布状况。因此，观众厅的形体和表面的声学性质也就决定了室内的音质。圆弧型的剧场声学上先天存在声场聚焦和声场不均匀问题，要求声学设计处理好观众厅内的扩散和吸声，弧形墙面上需布置大量扩散体及吸声材料。观众厅中前部侧墙上部和后墙部分布置不规则造型吸声体，防止剧场内出现长延时的反射声；观众厅中前部侧墙下部布置随机排列的扩散体，提供观众席有益的侧向声能。经过声学处理的观众厅整场声压级分布均匀，声场不均匀度≤6dB，较好的改善了声场聚焦缺陷，使得观众厅混响时间均匀。观众厅侧墙采用透声装饰木格栅，以掩遮声学痕迹，保证良好的装饰效果。剧院观众厅前部顶棚采用弧形反射板，为座席中前部提供均匀扩散的近次反射声。观众厅顶棚高度15.5m，观众厅体积10510m3，每座容积12.3m3。
舞台顶部和舞台墙面布置吸声材料，声学设计要求舞台空间内的混响时间接近观众厅的混响时间，避免免舞台空间与观众厅空间之间因耦合空间而产生的不利影响。观众厅包厢内后墙和侧墙布置吸声材料，控制包厢内的混响时间，给包厢内听众提供良好的音质。乐池内的墙面布置木槽吸声板，利于伴奏声有效地辐射至观众厅、同时兼顾到乐队演奏时的相互听闻。
2．观众厅的混响时间设计指标
为了满足综艺类节目演出需要较好的音质丰满度，同时兼顾会议使用良好的语言清晰度，观众厅混响时间设计指标中频500Hz混响时间为1.3±0.1秒,混响时间频率特性曲线允许低频有15-20%的提升,高频有10-15%的降低。
观众厅背景噪声的大小，将对听音产生非常大的影响。根据我国现行剧场设计规范，确定大剧场观众厅背景噪声为25NR噪声评价曲线。合适的响度是听音的基本要求，对于一个大厅，用强度指数G作为评价响度的相对指标。体积较大民族艺术中心大剧场观众厅强度指数G大于0dB,有满意的音质效果。
明晰度是到达观众的早期声能与后期声能比的对数值，它与音质的清晰度有关。各音质指标见表。
表.剧场各项音质指标的数值范围

3．观众厅的混响时间控制

天花：为了充分反射声音，前部弧形天花吊顶采用双层12mm厚纸面石膏板材料，乳胶漆面层。后部天花为原建筑顶棚。
墙面：综合考虑装修与控制混响时间要求，防止观众厅内声场分布不均匀，对圆弧型墙面划分区域进行特殊处理。台口两侧墙到耳光部分侧墙采用混凝土刷涂料做法，给观众厅中前区提供重要的早期声反射。整个观众厅装饰面层的木格栅后预留了500mm厚的空腔，空腔内布置吸声和扩散材料进行声学处理（图5，6）。观众厅耳光以后一层包厢以下弧形侧墙部分布置随机排列的GRG扩散体，扩散体采用轻钢龙骨外贴纸面石膏板做法；侧墙上部和后墙部分采用和GRG扩散体相同造型的穿孔纸面石膏吸声板做法，穿孔石膏板内填50厚玻璃棉（图3）。扩散板的三角型造型结构稳定不易产生低频共振吸收，穿孔吸声板的后空腔由不同尺寸构成，在全频带有很好的吸声特性。在装饰木格栅后安装一道铜网以掩遮声学痕迹，保证良好的装饰效果（图4）。木格栅和铜网的透空率要求大于85％以上。


为控制舞台空间的混响时间，在墙面6米以下部分采用25厚木丝板，兼有吸收低频和防撞功能。舞台墙面6米以上至第一道马道标高12米位置，满贴玻璃棉（外包玻璃丝布），外罩钢板罩面（钢板网喷黑漆）；顶棚采用T型龙骨600×600离心玻璃棉吸声板吊顶。
观众座椅对控制混响时间有重要作用，设计拟定单个座椅的吸声量0.6m2/个，待观众厅装修完毕后，座椅安装前需进行中期声学测试，座椅的声学性能必须符合中期测试要求方可安装。

4．观众厅的噪声控制
(1) 对于由观众厅外有可能传入大厅的环境噪声，主要依靠隔声处理。对于在休息厅活动的观众噪声干扰，需采取在休息厅和观众厅环廊的吊顶做吸声处理，在观众厅入口处采用声闸和隔声门等，在经过上述处理后可保证达到大厅所允许的噪声水平。吸声吊顶的降噪系数NRC³0.6。
(2)对于由空调通风设备传入大厅的机械噪声及气流噪声，需由设备专业按照大厅允许噪声指标要求采用相应措施。送风方式为座椅下送风，风口气流应均匀，流速应小于0.2m/s，单个风口声功率应小于10dB(A)。
(3)所有灯具必须采用低噪声灯具。
(4)观众厅为避免环境噪声干扰，墙体隔声量Rw³60dB。与观众厅相连的单层隔声门、窗的隔声量应Rw³40dB。隔声门由专业厂家生产。
(5)为避免观众厅的座椅在翻动时产生碰撞噪声，应采用缓起立座椅。

三．观众厅计算机模拟分析
在观众厅声学设计中进行了全面地计算机音质模拟分析。本分析采用大型声场模拟软件系统RAYNOISE（它是世界上公认模拟结果最可靠的建声模拟软件之一），其主要功能是对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟，它能够较准确地模拟声传播的物理过程。该系统可以广泛应用于剧场、录音室、演播室音质设计和预测。
针对厅堂声场音质，建立与施工图纸精确度相同的三维立体模型（图X），在软件中输入厅堂装修材料声学参数，指定声源位置，通过计算机阵列服务器运算，十分准确的仿真出建声声场分布和音质参数，及时发现声场缺陷。通过模拟分析，调整设计方案，保证观众席声学效果。RAYNOISE可以准确地预测混响时间、声场分布、脉冲声响应等，还可以计算厅堂音质主观评价参数。并根据声学设计要求，对观众厅方案进行声学效果评价，指导设计改进方案。
RAYNOISE软件计算仿真和展示大剧场声场的主要内容有：
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室内混响声场的最大声压级和声场分布（不均匀度）；
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观众厅混响时间分布RT30 ；
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观众厅音乐明晰度指标C80 ；
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观众厅语言清晰度指标D50 ；
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观众厅侧向声能LE ；
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观众厅声场力度G值；
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语音传输指数（RASTI）损失；

计算机音质模拟分析如下

通过计算机音质分析，对比分析观众厅侧墙和后墙处理前和处理后的比较。原方案，侧墙布置强吸声材料，观众厅中后部声场分布不均匀,模拟显示红色位置高出其他区域8dB（图13）；侧墙布置随机排列的GRG扩散体和吸声体，顶棚前部增加弧形吊顶后，观众厅内声场分布均匀，计算机模拟显示声场不均匀度在6dB以内（图14）。

明晰度是直达声到达后前80毫秒早期声能与后80毫秒后混响声能的比。明晰度C80是反映听众倾听音乐细节的指标,专业听众对该指标非常敏感。研究表明，C80应控制在 －4～1dB之间为好，数值越负混响感越强，数值越正，干涩感将增加。不同人的感受对应该指标的最佳值不同，一般认为，中型民族歌舞演出以倾听细节为主，计算机模拟显示厅内平均为1.1，符合要求（图15）。
语言清晰度是直达声及其后50ms内的声能与全部声能比值的百分数。观众席要求音质清晰、明亮、亲切，会议、文艺演出使用时，D50宜大于50%为好。一层池座和二三层楼座显示数值平均在55以上（图16）。

侧向声能LE是从两侧到达的声音能量占总到达声能的百分比。LE数值越大，代表侧向反射声越多，空间印象越好，音乐环绕感越强。研究表明，剧场要求LE在20－40％为宜，（图17）。
RASTI代表了传声过程中语言信息量的失真程度，是观众厅内电声扩声的基础指标。一般小于0.2被认为信息严重失真，合适的数值应大于0.4，模拟显示在扩声系统声能覆盖区域观众厅内大部分橘红色区域数值在0.4以上，（图18）。
分析结论：
通过模拟分析，观众厅绝大部分座席区的各项声学参数的指标都比较好，可以保证民族综艺演出时能够获得优良的音质效果。墙面上布置的宽频扩散体效果较好，有效的解决了声场不均匀度的问题。

四、中期验收测试数据和计算机模拟数据分析比较
艺术中心大剧场室内装饰部分完成后座椅安装前，进行了中期验收现场测量，主要测量观众厅内混响时间和声场不均匀度。

上表测点1到测点16数值都是与测点0的A声级的差值, 观众厅内的声场分布也均匀，设计要求为≤6dB,而全场实测17个点不同频率的声场不均匀度达到±2.1-±3.9dB，没有声场聚焦缺陷，优于设计预期要求

测试时现场状况为：防火幕落下，墙面吸声装修已完成，顶棚施工基本完成，地面素混凝土（有座椅送风口），耳光吸声未做采用玻璃棉包模拟，乐池施工未完成，现场有少量脚手架，局部门洞使用大芯板封堵，场内有少量杂物。现观众厅测试情况与未来建成后存在的主要差别在防火幕状况不同和有无座椅，其他因素影响较小。一般地，防火幕升起后，低频125－250Hz会降低0.2-0.3s，500－1000Hz会降低0.1-0.2s，去除室内杂物等影响可能增加0.1s左右估计。
在测试状况下如果打开防火幕，清理干净现场，即只是无座椅的情况下，混响时间指标计算为：

观众厅内池座目前现状是有700多个送风洞口，每个面积0.01m2左右，估算有80m2左右的吸声量。为了验证洞口的吸声参数，在清华大学改造的座椅下送风实验室内把9个送风洞口打开，进行实验测试。
标准隔声实验室改造的超低噪声通风实验室图纸：


测量方法参照GBJ 47-83《混响室法吸声系数测量规范》，测量在改造后的标准建筑隔声实验室的接收室内进行风口吸声系数测量。送风接收室静压箱上共有9个风口，3×3排列，排间距900mm，列间距550mm，风洞直径 mm，模拟大剧场池座地面送风风洞现状。
吸声系数和吸声量各频段的混响时间按下列公式计算：




A--单个物体的吸声量（M2）
S--试件面积（M2）
n—试件个数
--未放入试件前的混响时间（秒）
--放入试件后的混响时间（秒）
C—空气中声速（米/秒）
C=331.5+0.5t，（t:空气温度 C）
实验数据如下

实验测试结论：
测试数据表明洞口在低频有吸声，125Hz 吸声系数为0.15， 250Hz吸声系数为0.10。
把上述条件考虑在内，通过计算机模拟分析验证隔声幕打开状态和落下状态混响时间和实测预估的差异。模拟条件要求声源位置和实测一致，池座地面为素混凝土，考虑洞口的低频吸声特性。
计算机模拟混响时间比较如下：


结论：把中期测试时的条件输入计算机中验证，当隔声幕落下时，把池座地面洞口的低频吸声性加入，计算机模拟显示混响时间基本和中期测试混响时间吻合。各测点计算机模拟显示混响时间曲线：
当隔声幕落下状态，各测点计算机模拟显示混响时间曲线：

经过预估和计算机模拟的验证，准确确定观众厅内安装座椅前的混响时间，通过计算需要座椅的吸声量，选用吸声频率曲线合适的座椅，达到建成后的观众厅混响时间设计值：

最后，清华大学通过实验、计算机模拟对比分析等各种声学设计方法完成大剧院的声学设计，相信能够把凉山民族艺术中心建成一个音质效果满意，混响合适,声音响度足够、低音丰满、听音清晰, 声学完美融进室内装修的剧场

jaky02

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tanfeng_yan

感谢燕翔老师，感谢音响设计网。

旭日5198

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