现代声学与音乐厅设计

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音乐厅建筑中的多项专业技术，例如：室内声学、电声、噪声减低、舞台照明、舞台设备、空调技术等等，已经发展成熟，成为独立的工程项目和科学技术，并且运用现代的工程技术手段、机电和计算机辅助设计与控制，特别是室内声学理论的发展和实际经验的积累，取得了很大的成就，日趋定量化，直接影响着音乐厅的尺寸、体形、容量、细部等，指导着音乐厅的建筑和室内设计，并且与其它各工程专业形成了一项多层次的系统工程。由于声学工程中各专业都有着直接的关联，所以它是该工程中的“纽结”，是解决音乐厅设计中诸多问题的关键。这种集视、听、演于一体的内环境是由高科技所武装的现代音乐厅建筑的特征。
1、 目标
一流的具有高雅文化氛围的专业性音乐厅可供自然声演出，并适应多种风格的音乐作品演出。
1.1声学指标
作为研究厅堂主观感受的音质评价和客观物理量的音质参量的室内声学，自20世纪50~60年代以来经历了数十年的研究，已经从众说纷纭的数十个参量中取得了共识的有5个，音乐厅为6个（如下所列）。但仍然还不尽人意，主观评价的方法和参量还存在不少问题；某些物理参量尚未能达到定量的程度，物理量与主观感受的关系如何，尚待不断深入研究，因此室内声学的主观音质评价和客观音质参量的研究，仍是一个要不断深入研究的课题。
音质评价（主观）：混响感、丰满感、低频感
相应的音质参量（客观）：混响时间（T60）和它的中频与低频之比的作用。推荐值：1.8~2.0s，小于1.7s则音质较差，中小型见注（3）
音质设计的措施：大空间。与厅内材料选择有关，选用材料应能控制振动，若选用木板材，厚度宜为8cm
音质评价（主观）：响度
相应的音质参量（客观）：接收点的声能密度或声场力度感（G），适合听众的声级77~80dBA，G值：计算复杂，误差较大，实测较复杂
音质设计的措施：与体型有关；应有较多的早期反射声。以80ms为界，声源处两墙之间的宽度值为17~18m
音质评价（主观）：清晰度
相应的音质参量（客观）：接收点处的有效声能与无效声能之比（G80）
音质设计的措施：与体型有关；具有较多的早期反射声。并在后期声（混响声）有很好的扩散效应
音质评价（主观）：亲切感
相应的音质参量（客观）：早期反射声的初始延迟时间间隙（t2），最佳设计值为20ms，大于35ms则不利
音质设计的措施：与体型有关；直达声与反射声之间的时间差（约20ms），反射面与接收点之间的距离为7m左右
音质评价（主观）：空间感或环绕感
相应的音质参量（客观）：较多的早期侧向反射声（LEV）
音质设计的措施：与体型有关；早期侧向反射声的时间-能量-空间分布合理
音质评价（主观）：演奏台的演员之间，与指挥之间的彼此感受
相应的音质参量（客观）：直达声与反射声之比
音质设计的措施：与演奏台的体型有关；台内空间应有适宜的早期反射声、扩散声能
注：（1）噪声允许标准NR≯20；

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（2）声场分布均匀，无回声干扰等缺点；
（3）古典时期的数百座的音乐厅T60在1.0~1.3s地范围；浪漫时期的500~800座的音乐厅T60为1.5~1.7s
由上可知，音乐厅的音质控制既有科学的根据，也有建筑的相应措施可行，当然他们的关系并不是如此简单，但是有脉理可寻、有原则可据，所以音乐厅的设计可以说逐渐从茫然的经验走向理性。
1.2模式
音乐厅的模式对音乐厅的音质完善起着决定性的作用，西方及日本已经积累了很多经验可供参考，室内声学的理论也能给予指导。参考世界著名的音乐厅资料（如下），古典的大都是细长的矩形，现代的则较灵活，类型较多，但仔细分析多数仍然是以矩形为基础，根据现代室内声学理论进行变形发展呈现了多样化。

音乐厅：莱比锡音乐厅（德国）
建造年代：1884
容积/m3：10600
容量/N：1560
长/m：41.7
宽/m：18.9
高/m：14.9
体型：鞋匣（矩形）
混响时间/s：1.55

音乐厅：维也纳音乐厅（奥利地）
建造年代：1870
容积/m3：15000
容量/N：1680
长/m：池座35.5 楼座52.6
宽/m：19.6
高/m：17.7
体型：鞋匣（矩形）
混响时间/s：2.00

音乐厅：阿姆斯特丹音乐厅（荷兰）
建造年代：1888
容积/m3：18770
容量/N：2206
长/m：43.0
宽/m：28.4
高/m：17.2
体型：鞋匣（矩形）
混响时间/s：2.00

音乐厅：波士顿音乐厅（美国）
建造年代：1900
容积/m3：18750
容量/N：2631
长/m：池座39 楼座48.2
宽/m：22.8
高/m：18.6
体型：鞋匣（矩形）
混响时间/s：1.80

音乐厅：西柏林爱乐音乐厅（德国）
建造年代：1963
容积/m3：25000
容量/N：2218
长/m：台口18.5 池座30
最处宽/m：47
高/m：22
体型：葡萄园式
混响时间/s：2.00

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音乐厅：基督堂城音乐厅（新西兰）
建造年代：1972
容积/m3：20700
容量/N：2338
长/m：28
宽/m：19
高/m：18.6
体型：环绕式
混响时间/s：2.30

音乐厅：圣得利音乐厅（日本）
建造年代：1986
容积/m3：21000
容量/N：2006
长/m：池座23 楼座32
高/m：18
体型：环绕式
混响时间/s：2.10

音乐厅：达拉斯音乐厅（美国）
建造年代：1989
容积/m3：23900
容量/N：2065
长/m：30.8
宽/m：25.4
高/m：26.2
体型：鞋匣（矩形）
混响时间/s：1.30~3.00

现代音乐厅建筑的内环境与文艺复兴以来各时期的音乐作品和它们代表的思想、感情和风格之间以及与相应时期的音乐厅建筑之间的亲缘关系是如此浓密，这不仅体现在对某些共同艺术和声学标准（主观的和客观的）追求上，即使是从艺术形态、意境的表达上，亦具有那种惊人的稳定性和恒一性，的确令人诧异。由于音乐厅上演的主要是经典之作，它们所显示的主观评价参量与以往的要求相仿佛，反映在厅内的物理量也是相仿佛的，这样稳定的要求和标准导致音乐厅内环境，尤其是演奏台和面向演奏台的池座所组合的空间表达上也相仿佛，遵循着“黄金律”。唯有随着时代的发展不断地出现着艺术、技术化的创新，闪烁着时代的光芒，体现在艺术的、科技的美；显示出既是传统的、又是时代的氛围。

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2、 音质设计
音质设计是用建筑艺术和技术的技巧和手段来体现音质参量的要求，以期达到视、听演具佳的内环境的综合效果，也就是音质设计工程化。提供主观评价和客观参量测量和验证的场所，为进一步开展对室内声学理论研究创造条件。
当前音质设计是向综合方向发展，以确认混响理论为基础，并向微观方向开拓，考虑早期反射声组成（早期反射声的序列、空间分布）的合理性，后期声的扩散。消除或转化不利的反射声为有利的反射声。综合考虑厅堂的形状、反射、扩散、吸声等因素的协调和制约，达到厅内有合适的混响时间、足够的响度、合理的初始时延、较多的早期侧向反射声等。因此建筑师与声学家密切合作，共同创造实现厅堂的各物理的音质参量的要求，达到好的听、视、演的效果，建立一个初步合理的声学的建筑雏形空间，以便展开和深入各工种之间配合和综合，共同进行设计。
（1）为了保证有较多的早期侧向反射声，保证厅中央区域（4~5排至11~12排中央区域内的座席）具有必要的早期反射声，采用古典音乐厅的矩形平面，对于中小型音乐厅是合理的。这类音乐厅的宽度约为20m，而侧墙挑出的栏板之间距离约为16m。
（2）根据现代对视、听觉的研究，最大距离不宜大于40m，古典音乐厅池座长度约为35m，现代音乐厅约为30m。
（3）由于对舒适度的要求比19世纪高，因此目前每座所占的面积较大，为每座0.8m2或更多些，按古典音乐厅来考虑，大型音乐厅的长度将大于50m，对视、听不利，所以现代大型音乐厅大多数是采用矩形为基础的变形手法进行设计。
（4）由于乐器和人声都具有方向性特点，其声能除向前方辐射外，在其侧向和后方也辐射一定的能量，为了充争利用声能，所以大型音乐厅座席的安排是围绕着演奏台。座席分配的情况是前方为80~85%，后方和侧面占12~15%，这样主要座席离指挥处不大于30m，以保证响度和亲切感的要求。
（5）演奏台。大型交响乐队演奏台的宽度不大于18m，其侧墙可以设计成具有100的斜面，保证好的侧面反射。台的深度约11m，其面积为150~190m2，合唱队员约为100人，可以增加50m2，所以演奏台的面积约为220m2即可。维也纳音乐厅演奏台的宽度为16m，深度为8m，其面积为130m2，也足够大型交响乐队的演出，其合唱队员布置在演奏台上面，管风琴前的浅挑台处。西柏林爱乐音乐厅的演奏台面积则为300m2。乐队队员与指挥的距离希望在8m左右，这样可以保证直达声好，指挥与队员之间融合协调，保证声音的融洽和整体性。演奏台内空间应具有较多的早期反射声和好的扩散性能。为了长三角钢琴搬动方便，可在指挥附近设2.5×4m的升降台，或专用的搬迁架。
（6）演奏台的后墙高约为4m，其后即为后座席，高约2m，席后的管风琴区约为10m，宽为12m，深为3m，共约5800管，重18吨。演奏台前沿的吊顶离台面的高度约为18m，挑台下的最后座席离挑台下吊顶的距离不小于3.3m，楼座则不小于3.3m，楼座则不小于3.5m，保证演奏台声音全频地和整体地辐射到所有的座席，台高为1m左右。按照上述座席和演奏台的布置，可以保证厅内具有8~10m3/座的大空间，是长混响（1.8~2.0s）的空间基础。演奏台上部的悬挂反射板离台面为9m。
（7）材料的选择。演奏台的地面为1.5cm厚的粗地板，3cm厚的面地板，木龙骨、台内空间的各墙表面、浅挑台的栏板和池座侧墙可为石材或石、木组合。
大厅的吊顶应为反射材料（可以是3×10mm纤维石膏板）能经两次反射到达座席，并具有一定的扩散效应，所以其表面应具有浅凸弧形。

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（8）座椅是大厅内吸声量最大的，由于音乐厅的混响时间要求较长，所以座椅的吸声不宜过强，其靠手和背板都应是木质的，座垫厚度不宜守厚，以防吸声量太强。
（9）为了能够演出多种风格的作品，特别是中国民族乐曲，除保证厅内具有1.8~2.0s的混响时间外，最好能够调节其混响时间为1.7~2.1s，因此厅内需考虑设置可调节的混响时间装置，但投资较大，难度也较大。
（10）为了防止外部噪声的干扰，在大厅吊顶上部还应做一层隔声吊顶（3×10mm纤维石膏板）和平均隔声量为30~35dBA的隔声门，也可以用3×10mm纤维石膏板做隔声墙。
根据上述可得一个声学和建筑的雏形空间，在此基础上进一步综合各专业初步设计。依此设计进行计算机建模，进行声学计算，对各声学指标做核对，为施工设计提供科学的依据，必要时在施工设计基础上，进行缩尺比例模型做声学试验，调整厅内的局部体型、构件形态以及吸声材料布置，由大厅的空间进入各艺术形态的处理，最终创造出内环境的艺术境界，所以音乐厅的音质设计过程，是一个体（空间）一形（声学和建筑艺术形态）一境（科学与艺术结合的境界）创造的过程，即体一形一境的创造系统。
由此可知，音质设计的构思应在进行土建和室内设计方案同时进行，甚至在工程立项时就应根据建筑在城市建设中的地位、投资的情况进行审核，在功能定位、声学特性模式等方面有明确完整的目标，立意恰当，理性当序，使建筑艺术和声学科技互相配合，形成统一和谐的整体。