青島國信大劇院大劇場聲學測試

孫 艷，李國棋

（北京工業大學 劇場設計與舞臺技術研究所，北京 100124）

青島國信大劇院大劇場聲學測試

孫 艷，李國棋

（北京工業大學 劇場設計與舞臺技術研究所，北京 100124）

通過對青島國信大劇院觀眾廳主要聲學參數的測試，給出了該劇場的音質特性。此次測試采用了脈沖積分法，對兩種不同的脈沖音源信號測試結果進行了比較，并分析了產生差別的原因。

青島國信大劇院；廳堂音質；聲學指標；聲學測試

青島國信大劇院坐落于美麗的青島嶗山海水浴場之濱，由大劇場、音樂廳、多功能廳等多個廳堂組成，經過近5年的建設，于2010年10月竣工。在該劇場即將投入使用之際，筆者對大劇場觀眾廳空場和滿場的RT30、EDT、D50、C80、RASTI等觀眾廳聲學參量進行了測試，給出了該廳堂音質特性。同時，對同等聲學條件下不同發聲源的測試結果進行了比較，分析了產生誤差的原因。為類似大型觀演廳堂的音質設計和聲學測量提供了具有參考價值的實例。

1 概況

青島國信大劇院的大劇場是一座以音樂類節目演出為主，兼顧會議使用、戲曲演出等的多用途劇場。觀眾廳設有一層池座和二層樓座，共有觀眾席座位1 600個（含池座包廂）。觀眾廳四周墻壁采用軟包外貼木板裝飾、裝修，木質地板，軟坐席。臺口寬16 m，舞臺上配備有大、小轉臺，全套臺上機械吊掛設備，以及裝備齊全的舞臺照明燈具；觀眾廳臺口揚聲器暗裝，兩側墻和后墻安裝有環繞聲揚聲器。劇場平面圖見圖1。

2 測試方法及基本原理

混響時間是描述聲能量衰減快慢程度的物理量，其定義為：在擴散聲場中，當聲源停止后室內聲壓級比初始穩定時的聲壓級下降60 dB所需要的時間。迄今為止，混響時間仍然是廳堂音質設計中最重要的參量。因此，聲學測量中也以混響時間測試最為重要。另外還有D50、C80等與能量比相關的其他聲學測量。

混響時間T60的測量方法之一——音源截斷法采用粉紅噪聲作為聲源，當室內聲場穩定后，聲源停止發聲，讓室內聲場平穩自然衰減，同時，使用一只無指向性傳聲器接收測點處的聲壓信號，通過記錄聲能從-5 dB衰減到-35 dB所需的時間，外推計算得到衰減60 dB所需時間，得到混響時間。另一混響時間測量方法是脈沖積分法，該方法是Schroeder于1965年提出的①，采用猝發聲測量混響時間，當聲源發出δ脈沖，經壁面反射后形成反射脈沖，將直達脈沖到達測量點的時刻作為時間的起始點，測點先后接收到的直達脈沖與壁面反射脈沖序列稱為室內對δ脈沖的瞬態響應函數。把脈沖的響應函數在時域上從時間t至∞作能量積分：

圖1 劇場平面圖及測點位置布置圖

通過對室內的δ脈沖響應進行反向積分后，就能得到聲能隨時間的衰減曲線，從而可以方便地求出包括混響時間在內的許多聲學指標。本次測試采用的是脈沖積分法。

采用脈沖積分法進行聲學測試時，聲源信號的選擇非常重要。常用的有外部脈沖信號和數字化聲源信號，以下對這兩大類聲源分別予以闡述。

2.1 外部脈沖信號

常用的外部脈沖信號包括氣球破裂、電火花、發令槍等。一般來說氣球破裂過程中，氣體會突然膨脹，氣球內壓力迅速下降后，在慣性的作用下壓力會達到比大氣壓還低的最低點，然后氣體又變為收縮，這樣來回脹縮產生振蕩過程。由于這種氣體的膨脹運動隨機性很強，沒有一定的規律可循，所以，產生的脈沖聲并不是理想的脈沖信號，調幅波包絡特性難以控制，實驗可重復性差；另外，聲音能量有限。因此，它只能適用于在混響時間較長的房間內進行較粗略的測量。②

電火花是由高壓電源通過電感及可變電阻向電容充電后，電容兩端電壓達到一定值時，電容氣隙內的空氣被擊穿產生火花放電而發出的脈沖聲。由于放電電路中一般都存在一定的電感，它會與電容組成交變振蕩回路，這樣放電過程形成的衰減振蕩并不規則。②瞬時聲壓起伏變化較大，雖然可以得到可重復的信號，但是相鄰兩次聲脈沖的時間間隔較長，需要等待電容充電以達到放電所需要的高壓，因此，不能保證測量工作的順利進行，也與準確地測量不相符。

聲學測量用發令槍多采用體育比賽用子彈發令槍，在槍上裝上無頭子彈扳動扳機就可發聲，子彈在撞針的撞擊下發生瞬時爆炸帶動周邊氣體急劇膨脹，獲得較為理想的δ脈沖信號。以發令槍聲源的測量方法簡單易行，可重復性效果較好，可獲得較高的信噪比。另外，在測試中也可以直接聽到廳堂中存在的明顯聲缺陷，例如：顫動回聲。本次測試外部脈沖信號采用了該種聲源。測試現場如圖2所示。

2.2 數字化聲源

由于外部脈沖聲源存在的局限性，可重復測試的數字化聲源信號在室內聲學測量中得到了越來越廣泛的應用，通過迭加技術、相關分析等數據處理手段來獲得更細致、更精確的各種測量參量。常用的數字化聲源信號有偽隨機噪聲、線性調頻聲和指數調頻聲。

偽隨機噪聲是一種用數學方法產生的周期性隨機信號，它在一個周期內的信號是純隨機的，但是各個周期內的信號是完全相同的，這樣，解決了測試信號的可重復性問題。它與理想的白噪聲具有相同的統計特性，其自相關函數為δ函數。在頻域上, 其功率譜與白噪聲相同, 均勻平坦。測試時，通過計算測試點接收到的聲壓信號與發出的偽隨機信號的互相關函數或互功率譜可以得到房間的響應函數h（t），由此，可以進一步計算房間的其他聲學參量。此種方法最大的問題在于測量過程中，大多數揚聲器會產生相當數量的諧波失真，并在脈沖響應信號中出現尖刺信號，影響測量結果的準確性。

線性調頻聲是一種頻率隨時間線性變化的特殊信號，調頻聲源發出的典型聲壓信號PA可表示為：

圖2 發令搶聲源和十二面體無指向揚聲器

式中，A為振幅，φ為初始相位, 當時間從0至TN時, 相應的頻率f從0線性增大至fN?？梢园堰@種信號視為頻率隨時間單調提高的“準純音”，在頻域上功率譜為一平坦的直線?？梢宰C明，這種信號的自相關函數也為δ函數。因此，可以通過與偽隨機信號相類似的方法得到房間的響應函數，從而，可以進一步計算房間的聲學指標。與偽隨機聲源相比較，此種信號源隨機起伏較小，消除了諧波失真，因此，具有較大的優越性。②

指數調頻與線性掃頻信號的工作原理類似，只是信號在變化過程中，頻率是隨時間按指數關系增加的，并且掃過每個倍頻程的時間是一個常數，同時，這種掃頻信號能夠獲得更大的信噪比。本次測量的內部聲源采用的就是此種指數調頻聲源。掃頻聲源信號經過高質量功率放大器放大后，推動聲學測量專用十二面體無指向揚聲器發聲，如圖2所示。

3 測試結果

本次測試采用脈沖積分法，分別采用發令槍聲源和指數調頻線性掃頻信號聲源進行了測試，測試現場如圖3所示，工作場景如圖4所示。

圖3 測試現場

圖4 測試工作場景

按照GBJ76-84《廳堂混響時間測量規范》的要求，將無指向性聲源放置于舞臺大幕線中央，距地面1.5 m，發令槍聲源置于同一位置。無指向性傳聲器距觀眾席地面1.2 m，距聲源4.0 m以上取測試點，由于該廳是對稱的，選擇12個均勻分布于觀眾席一側的測點，各測點位置如圖1所示。每點各測試3組數據取平均，發令槍聲源測試每點放2槍。分別測量空場、滿場狀態下的混響時間、EDT、D50、C80、RASTI等指標。

3.1 脈沖響應曲線與房間響應函數

現場錄制了每個測試點的脈沖響應聲音。圖5是直接錄制的第4點（15排4號）發令槍聲源脈沖響應圖（空場），圖6是MLS取樣計算獲得的第8點指數掃頻音源記錄到的房間響應函數（空場）。通過以上脈沖響應情況就可以分別計算出混響時間、早期反射聲、D50、C80等與能量相關的廳堂音質指標。

3.2 混響時間（RT30）

觀眾廳混響時間（RT30）空場、滿場測試結果統計如表1如示；混響時間頻率特性曲線（發令槍空場、掃描音源空場、發令槍滿場、掃描音源滿場）如圖7所示。

3.3 與能量有關的廳堂音質評價指標

各測點1/1oct聲學指標測試結果統計如表2所示。

表1 觀眾廳混響時間（RT30）空場、滿場測試結果

表2 各測點1/1oct聲學指標測試結果統計表

表3 各測點RASTI和統計表

3.4 語言傳輸指數STI測量結果

STI（Speech Transmission Index，語言傳輸指數）是由荷蘭TNO（The Netherlands Organization For Applied Scientif i c Research，荷蘭應用科學研究組織）推薦的語言清晰度指標，并在IEC（國際電工委員會）刊物286號第16卷中規定了它的簡化指標RASTI。③由于該劇場同時兼有其他功能，例如會議等，要求語言清晰可辨。該劇場的測試結果如表3所示。

4 結論

本次測試的脈沖積分法分別采用了發令槍聲源和十二體無指向揚聲器發聲的指數調頻掃頻聲源，測試結果基本一致。除低頻個別情況外，其他頻段的測試數值偏差很小，基本上在測量誤差范圍之內。

無論是發令槍聲源還是十二體無指向揚聲器發聲的指數調頻掃頻聲源，低頻段測試數據都出現了一些較大偏差，測試數據不確定，出現較大離散情況，甚至測試儀器也計算不出有效的數據。究其原因也許是測試較大廳堂時，聲源發聲能量有限，不足以激發廳堂低頻特性所致。這一點應當引起足夠的重視，需要更加深入地研究。

另外，值得一提的是背景噪聲對聲學測試的干擾問題。測試結果和現場體驗都表明，該觀眾廳背景噪聲對聽聞有妨礙，對聲學測試影響更大，以至于開啟空調排風時，無法使用揚聲器發聲的指數調頻掃頻聲源進行有效的測試，當晚不得不關閉空調排風系統后才完成測試工作。由此可見，背景噪聲控制仍然是廳堂聲學設計中的薄弱環節。

注釋：

① Schroeder MR, New method of measuring reverberation time. [J] J.Acoustics.Am. 1965, 37（3）:409

② 趙躍英，盛勝，劉海生. 室內聲學測量中常用聲源性能的比較. 聲學技術，2003，Vol 22（2）76～79

③ 孫艷，李國棋. 潮州文化藝術中心劇場聲學測試與音質評價. 演藝科技，2010（10），24

（編輯 潘 浪）

A Study on Acoustic Parameters Measurement with Qingdao GuoXin Theatre

SUN Yan, LI Guo-qi
（Theater Design And Stage Research Institute, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）

This paper presents a quantif i cational evaluation to Qingdao Guoxin Theatre via measuring on some main acoustic parameters. During the test sweeping integral and impulse sources were used and two different test results were compared analyzing the reasons of the difference. It presents a practical sample for architects on acoustic design of hall.

Qingdao Guoxin Theatre; acoustic; parameters; measurement

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.007