河南藝術(shù)中心建聲設(shè)計

張三明

（浙江大學(xué)建筑技術(shù)研究所，浙江 杭州 310058）

1 項目概況

河南藝術(shù)中心位于鄭州市鄭東新區(qū)CBD中心區(qū)，由歌劇院、音樂廳、小劇場、美術(shù)館、藝術(shù)館5個單體建筑組成。藝術(shù)中心的功能設(shè)置及關(guān)鍵舞臺設(shè)備均按國際先進(jìn)水平配置，可以滿足國內(nèi)外大型歌劇、芭蕾舞劇、交響樂等的演出。藝術(shù)中心建筑造型獨特，由五個橢圓體及兩片玻璃藝術(shù)墻構(gòu)成。五個橢圓體是由河南出土的6500年前古代樂器陶塤造型演變而來；藝術(shù)墻如河南出土的2500年前的古代管樂器石排簫的造型。藝術(shù)中心總建筑面積為75000 m2，投資約為10億人民幣。2007年建成并投入使用。圖1為河南藝術(shù)中心鳥瞰圖，圖2為藝術(shù)中心夜景，圖3為藝術(shù)中心總平面圖。

2 歌劇院建筑聲學(xué)設(shè)計

2.1 歌劇院概況

歌劇院以歌舞演出為主，兼顧音樂會及其他用途。觀眾廳包括一層池座、一層樓座、兩側(cè)各三層包廂。觀眾廳容座為1731座（使用樂池模式），包括殘疾人座椅4個，其中池座1159座，二層樓座452座，兩側(cè)包廂共有座椅120個。觀眾席到舞臺大幕線最遠(yuǎn)水平投影距離池座為33 m，樓座為37 m。舞臺口寬W＝18 m，高H＝12 m；主舞臺寬W＝31.5 m，進(jìn)深L＝24.5 m；左右側(cè)舞臺寬W＝19.0 m，進(jìn)深L＝24.5 m；后舞臺寬W＝24.0 m，進(jìn)深L＝24.0 m。圖4、圖5和圖6分別為歌劇院池座平面圖、樓座平面圖及縱剖面圖。圖7～圖9為歌劇院內(nèi)景。

圖2 河南藝術(shù)中心夜景

2.2 建筑聲學(xué)設(shè)計目標(biāo)及措施

歌劇院音質(zhì)設(shè)計目標(biāo)：在使用舞臺聲反射罩時，完全采用自然聲演出；歌劇演出時，具備自然聲演出條件；其他用途如話劇、地方戲曲等，采用擴(kuò)聲系統(tǒng)。中頻滿場混響時間設(shè)計值為1.5 s，使用舞臺聲反射罩時，預(yù)計有0.2 s的提升，中頻滿場混響時間可以達(dá)到1.7 s，基本滿足交響樂演出需要。觀眾廳背景噪聲控制在NR20以下。

觀眾廳設(shè)計有效容積13825 m3，每座容積為8.0 m3/座。

歌劇院音質(zhì)設(shè)計具體措施：

觀眾廳吊頂是觀眾廳的主要反射面，其形狀需滿足給整個觀眾席提供早期反射聲，有利于把樂隊聲適當(dāng)?shù)胤瓷浣o觀眾席。吊頂采用40 mm厚預(yù)制的GRG板，面板面密度大于40 kg/m2，板面為毛面噴涂。

觀眾廳兩側(cè)墻均為強(qiáng)反射面，為了能起到很好的反射效果，減少對低頻聲的振動吸收，舞臺口兩側(cè)墻面為40 mm厚造型石材，其他側(cè)墻面為30 mm厚中密度板外實貼10 mm～25 mm厚造型實木板。為使側(cè)墻具有一定的擴(kuò)散反射，石材及木板表面均做造型肌理。后墻為穿孔木板吸聲結(jié)構(gòu)。觀眾廳座椅吸聲適中，要求坐人與不坐人時吸聲量差別不大。面光室、耳光室、音箱室等都做吸聲處理。

觀眾廳地面為實貼木地板。

圖3 河南藝術(shù)中心總平面圖

圖4 歌劇院池座平面圖

舞臺墻面從舞臺面至一層天橋為穿孔FC板吸聲結(jié)構(gòu)。

升降樂池、升降舞臺臺倉墻面為穿孔FC板吸聲結(jié)構(gòu)。

圖10為歌劇院GRG石膏板吊頂，圖11為歌劇院側(cè)墻造型木飾面板。

歌劇院建筑聲學(xué)設(shè)計過程中對觀眾廳聲場進(jìn)行了計算機(jī)音質(zhì)模擬，結(jié)果顯示觀眾廳聲學(xué)條件良好。

2.3 舞臺活動聲反射罩設(shè)計

舞臺活動聲反射罩是歌劇院的亮點。在聲反射罩設(shè)計制作前，聲學(xué)設(shè)計人員會同舞臺工藝設(shè)計相關(guān)人員考察了上海大劇院、北京保利劇院、北京二十一世紀(jì)劇場、杭州大劇院、嘉興大劇院等多個劇場的舞臺聲反射罩。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計者的經(jīng)驗，綜合考慮聲學(xué)效果好、使用方便等多種因素，最終確定采用端室式形式，聲反射罩與舞臺口無縫連接。舞臺活動聲反射罩可滿足四管制交響樂隊及120名合唱團(tuán)同臺演出。反射罩前寬17.6 m，后寬10.5 m，前高10.5 m，后高5.4 m，進(jìn)深12 m，罩內(nèi)投影面積170 m2。聲反射罩面層采用木紋面鋁蜂窩板，確保有良好的聲反射效果。為使小提琴演奏人員獲得良好的聲支持，反射罩頂板增加了出挑，這是國內(nèi)第一個采用這種技術(shù)的聲反射罩，效果很好。有專業(yè)人士認(rèn)為是國內(nèi)效果最好的聲反射罩。筆者在其后的聲反射罩設(shè)計中，也有采用這種技術(shù)，均獲得很好效果。圖12為聲反射罩設(shè)計圖。圖13為聲反射罩使用時效果。

圖5 歌劇院樓座平面圖

圖6 歌劇院剖面圖

圖7 歌劇院觀眾廳內(nèi)景

圖8 歌劇院觀眾廳舞臺口

圖9 歌劇院觀眾廳后部

圖10 歌劇院GRG石膏板吊頂

圖11 墻面造型木板飾面

2.4 歌劇院噪聲控制

為降低觀眾廳背景噪聲，采取一系列噪聲控制措施。為防止外部環(huán)境噪聲傳入觀眾廳，觀眾廳墻壁和頂均為混凝土結(jié)構(gòu)，觀眾廳的出入口均設(shè)置聲閘，并采用隔聲門。為降低空調(diào)噪聲，觀眾廳空調(diào)采用座椅下低速送風(fēng)方式。觀眾廳與其他部分在結(jié)構(gòu)上分開。所有振動較大的設(shè)備均采用良好的隔振。

3 音樂廳建筑聲學(xué)設(shè)計

3.1 音樂廳概況

音樂廳是供交響樂（包括民族樂）、室內(nèi)樂及聲樂演出的專業(yè)場所。建筑聲學(xué)設(shè)計時充分考慮自然聲演出的需要，即使獨唱、獨奏也有足夠的響度，完全可以自然聲演出。音樂廳配備管風(fēng)琴，是國內(nèi)最早擁有管風(fēng)琴的音樂廳之一。

音樂廳的最大容量為819座，其中包括殘疾人座椅4個，側(cè)包廂貴賓席42座。音樂廳設(shè)計有效容積8890 m3，每座容積為11.4 m3/座。如加上演奏臺上的演奏人員（按三管樂隊85人計算）后，每座容積為10.3 m3/座。

圖12 聲反射罩設(shè)計圖

圖13 聲反射罩使用效果

圖14 音樂廳平面

表1 音樂廳倍頻程混響時間設(shè)計值

音樂廳平面大致為長方形，長39.6 m，寬24.3 m。音樂廳演奏臺面積約310 m2。圖14為音樂廳平面圖。圖15為音樂廳剖面圖。

3.2 音樂廳建筑聲學(xué)設(shè)計目標(biāo)及措施

音樂廳按自然聲演出設(shè)計，滿場中頻混響時間設(shè)計值為1.8 s～2.0 s，混響時間頻率特性高頻允許稍有下降，低頻有較大提升。混響時間設(shè)計值見表1。

音樂廳背景噪聲設(shè)計值取NR20。

音樂廳采用長方形平面，有利于側(cè)向反射聲的獲得。音樂廳觀眾席采用很陡的地面升起，直達(dá)聲沒有任何遮擋，并降低了觀眾席對直達(dá)聲的掠射吸收。為達(dá)到較長的混響時間，音樂廳每座容積保證10.3 m3/座。

為給舞臺及觀眾席前區(qū)提供早期反射聲，音樂廳舞臺設(shè)計了反射板。反射板距離舞臺面高度為8 m～9 m，采用12 mm厚透明聚丙烯酸板。舞臺聲反射板最初沒有安裝，經(jīng)河南歌舞劇院專業(yè)人員試用試聽后，最終決定實施。圖16為舞臺聲反射板布置平面圖。

音樂廳吊頂采用波浪形，面板為40 mm厚GRG石膏板，面密度大于40 kg/m2。舞臺兩側(cè)下部墻面為40 mm厚石材面層。舞臺兩側(cè)上部墻面及舞臺后墻基層為厚重密度板，面層采用實木板，面層結(jié)合裝飾效果做擴(kuò)散處理。觀眾廳兩側(cè)墻采用40 mm厚石材面層，結(jié)合裝飾效果做擴(kuò)散反射結(jié)構(gòu)。為防止石材面層振動，石材固定后打膠，并在石材背部空腔填砂。觀眾廳后墻采用穿孔木板吸聲結(jié)構(gòu)。觀眾廳地面采用實貼木地板。

對音樂廳座椅吸聲進(jìn)行了控制，并在使用前對座椅吸聲量進(jìn)行了測量。圖17為音樂廳內(nèi)景。圖18為音樂廳側(cè)墻局部。

3.3 音樂廳音質(zhì)模擬

圖15 音樂廳剖面

圖16 音樂廳舞臺聲反射板

圖17 音樂廳內(nèi)景

圖18 音樂廳側(cè)墻石材反射面局部

音樂廳建筑聲學(xué)設(shè)計中對音質(zhì)進(jìn)行了模擬分析，音質(zhì)計算機(jī)模擬采用丹麥技術(shù)大學(xué)研究開發(fā)的當(dāng)時最新版本ODEON 6.5軟件，模擬參數(shù)為混響時間T30、C80、強(qiáng)度指數(shù)G、側(cè)向能量因子LF、舞臺支持因子ST1等。在計算各個參量在音樂廳的分布時，把音樂廳座椅區(qū)域的面定義為觀眾面，接收點高度為1.2 m，間距為0.5 m。反射聲線數(shù)量為13494個，模型早后期聲線算法的轉(zhuǎn)換階次為2。后期算法考慮朗伯余弦定律，當(dāng)反射階次為2000階次或者脈沖響應(yīng)時間為2000 ms時停止計算。模擬時溫度為20℃，相對濕度為50%。聲源點位置設(shè)在演奏臺中軸線上、距舞臺邊緣3 m處，距舞臺面高度為1.2 m。聲源為無指向性點聲源。

觀眾席共布置了7個接收點，演奏臺布置了2個接收點（主要用于了解樂隊間的相互聽聞情況）。模擬時考慮了演奏臺上部聲反射板的存在。

混響時間T30、C80、強(qiáng)度指數(shù)G、側(cè)向聲能因子LF、舞臺支持因子ST1分別見表2。

根據(jù)白瑞納克的研究結(jié)果2，中頻混響時間在2.0 s為好，C80在-4 dB左右豐滿度最好，強(qiáng)度指數(shù)在3.5 dB±1.5 dB左右最合適，舞臺支持因子ST1宜為-12 dB±1 dB。模擬結(jié)果顯示，混響時間、強(qiáng)度指數(shù)有理想的值。側(cè)向聲能因子LF值也較理想。C80偏大，表明豐滿度稍差，清晰度較好，這樣的結(jié)果可能與觀眾席地面升起過大有關(guān)。舞臺支持因子稍偏小。

由于音樂廳兩側(cè)設(shè)置內(nèi)凹的包廂，使該處側(cè)墻不能有效提供側(cè)向反射聲，導(dǎo)致側(cè)向能量因子分布局部偏小。

3.4 音樂廳音質(zhì)測量結(jié)果

音樂廳建成后，對音樂廳音質(zhì)進(jìn)行了測量。測量條件是：音樂廳為空場，裝修全部完畢，管風(fēng)琴安裝完成，舞臺懸掛12 mm厚透明聚丙烯酸板。背景噪聲測量時，空調(diào)系統(tǒng)開啟。測量儀器采用B&K 4190傳聲器，B&K 2669L前置放大器，B&K 2690-OS2 NEXUS信號放大器，筆記本計算機(jī)，B&K2706功率放大器，十二面體點聲源。測量用軟件為Dirac，采用MLS方法測量脈沖響應(yīng)。測量時聲源設(shè)置在舞臺中軸線離舞臺邊3 m處，舞臺支持因子ST1測量時，測點在聲源正前方1 m處。測量音質(zhì)指標(biāo)為混響時間T30、C80、強(qiáng)度指數(shù)、舞臺支持因子ST1、聲場分布、背景噪聲。測量結(jié)果見表3。

音樂廳空調(diào)系統(tǒng)開啟時的背景噪聲小于NR20，主觀感受很安靜。聲場分布各測點之間最大與最小聲壓級差為5.8 dB，出現(xiàn)在250 Hz，其他測點聲壓級差均較小。從測量結(jié)果看，音樂廳實際測量結(jié)果與模擬值基本一致。由于目前所用座椅吸聲量較大，坐人后吸聲量差別不會很大，因此，預(yù)計滿場混響時間比空場測量結(jié)果稍短。舞臺支持因子ST1比預(yù)計的小，但使用者感到滿意。

4 多功能小劇場

4.1 多功能小劇場概況

小劇場是多功能、實驗性的小型演出場所。小劇場舞臺形式可根據(jù)不同演出的需要變化。與舞臺形式變化相適應(yīng)，觀眾席座椅也可有多種變化形式。

表2 音樂廳音質(zhì)模擬結(jié)果

表3 音樂廳音質(zhì)指標(biāo)測量結(jié)果

圖19 小劇場下部平面圖

圖20 小劇場上部平面圖

圖21 小劇場縱剖面圖

表4 小劇場不同舞臺形式及觀眾席數(shù)量

表5 小劇場倍頻程混響時間設(shè)計值

小劇場平面為長方形，長約23.2 m，寬15.4 m，第一排座位距梁底為13.35 m。小劇場設(shè)計有效容積約5000 m3，其舞臺形式可靈活變化。因不同的使用功能需要，小劇場的觀眾容量也隨之變化，不同舞臺形式及觀眾席具體數(shù)量見表4。

圖19為小劇場下部平面圖。圖20為小劇場上部平面圖。圖21為小劇場剖面圖。

4.2 建筑聲學(xué)設(shè)計目標(biāo)及措施

為了適應(yīng)小劇場多種功能的使用要求，建筑聲學(xué)設(shè)計目標(biāo)是滿足不同用途共同需要的高清晰度。小劇場混響時間設(shè)計值見表5。

小劇場背景噪聲控制值為NR25。

小劇場混響時間控制具體措施：舞臺后墻為強(qiáng)吸聲構(gòu)造。兩側(cè)墻面中高頻吸聲構(gòu)造與低頻吸聲構(gòu)造間隔布置，且低頻吸聲構(gòu)造表面設(shè)有小的擴(kuò)散肌理。觀眾席后墻做吸聲結(jié)構(gòu)。小劇場頂部為建筑結(jié)構(gòu)頂級舞臺設(shè)備，未做吸聲處理。

5 結(jié)語

河南藝術(shù)中心建成投用以來，歌劇院、音樂廳和小劇場的使用率都比較高。不管是在歌劇院演出的多種類型劇目，還是在音樂廳舉辦的各種類型音樂會，都獲得了演出團(tuán)體及觀眾的廣泛好評。觀眾和演員對劇場的音質(zhì)效果的評價都很好，特別是演員對音質(zhì)感到滿意。