同等條件下鞋盒式和葡萄園式音樂廳聲學特性的對比分析
2019-03-25 15:12:54楊志剛
演藝科技 2019年3期
楊志剛
[摘要]以濰坊音樂廳和盛京大劇院音樂廳為例，通過計算機模擬提供的聲學參數彩色網格圖和數據，比較分析同等條件下鞋盒式和葡萄園式音樂廳的聲學特性的區別。
[關鍵詞]音樂廳;體型;鞋盒式;葡萄園式;聲學特性;建聲模擬
文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.03.009
1引言
音樂廳最主要的兩個建筑體型為鞋盒式和葡萄園式（也有稱作梯田式）。鞋盒式音樂廳的特點是盡端布置舞臺，窄而高的類似“鞋盒”形狀，一層或多層樓座。葡萄園式音樂廳的特點是觀眾席圍繞著舞臺分區布置，縮短樂隊與聽眾的距離，而且起坡也比較陡（視線好）。眾所周知，世界上音質效果頂級的三個音樂廳（維也納金色大廳、阿姆斯特丹音樂廳和波士頓交響樂廳）都是鞋盒式的。近年來，葡萄園式音樂廳因其良好的圍合感、演奏人員和觀眾的親近感以及建筑空間的美感而得到大量建設，如丹麥哥本哈根音樂廳（圖1）、德國漢堡易北愛樂廳（圖2）等。那么，這兩類音樂廳在聲學特性方面到底有什么區別呢？
世界上已經有很多文章通過大量的實測數據描述過兩種體型音樂廳的區別。如Toyota等人（1988年）提出反射聲能累計曲線（RECC），考察不同體型音樂廳內各接收點上的變化。近年來，他們對24個不同體型的世界著名音樂廳[其中，12個鞋盒式、7個非鞋盒式（除鞋盒式和葡萄園式以外的其他體型）、5個環繞形（葡萄園式）]，進行大規模且深入的RECC測量，每座音樂廳取15～25個接收位置上的RECC記錄。按早期（80ms）、低頻（125Hz/250Hz）的RECC來考核這些音樂廳。結果表明，10座最佳音樂廳中9座是鞋盒式的，而且它們在正廳池座和樓座之間差別很小。非鞋盒式音樂廳多處于RECC早期、低頻的中檔。葡萄園式音樂廳除了柏林交響音樂廳之外均屬最低。有些音樂廳還由于樓座和正廳的音質差別很大，使得各方評價上出現較大差異。從這些音樂廳中選擇了6個音樂廳的RECC早期、125的平均值進行比較（圖3）。圖3中上面兩條曲線為矩形大廳，另四條曲線為環繞形大廳。
對比維也納金色大廳、柏林音樂廳、柏林愛樂音樂廳、三得利音樂廳和札幌音樂廳（圖4～圖5）的G值，發現離聲源同樣距離處的G值，鞋盒式比葡萄園式要高（圖6）。近舞臺前排區兩類大廳相差2dB左右，距離超過25m時相差3dB或更多。分析原因，鞋盒式音樂廳的樂隊置于廳的一端，使側墻向聽眾席的反射聲限于90°之內，而葡萄園式音樂廳樂隊則在廳的中央，它向四面八方作360°發散，環繞的聽眾席會把聲音吸收掉，故而隨距離衰減變大。
但是，這五個音樂廳的規模不同。從表1可以看出，三個葡萄園式音樂廳體量明顯要比兩個鞋盒式音樂廳大，這樣的比較似乎并不公平。如果這兩類音樂廳在同等規模條件下進行比較，它們的聲學特性又會怎樣呢？就如讓同一重量級的兩個拳手比賽，看看他們誰的實力更強。
中國的濰坊音樂廳（2013年，鞋盒式音樂廳）和盛京大劇院音樂廳（2014年，葡萄園式音樂廳），不僅在國內音質評價都比較好，規模和體量也差不多，而且混響時間的指標也比較接近（表2）。本文以濰坊音樂廳和盛京大劇院音樂廳為案例，通過計算機模擬分析提供的彩色網格和數據，比較直觀地反映鞋盒式和葡萄園式音樂廳的聲學特性。
2濰坊音樂廳和盛京大劇院音樂廳概述
2.1濰坊音樂廳
濰坊音樂廳（圖7～圖12）建筑平面呈鞋盒式，座位數、體積、混響時間見表2。舞臺分為兩部分，其中前半部分可升降，既可以作為舞臺，也可以作為觀眾席，舞臺上部懸吊反聲板。舞臺平均寬18m（前寬19m，后寬17m），深10m或12.9m，面積160m2或208m2，舞臺面比池座第一排地面高0.9m。池座觀眾席共25排，前后高差（總起坡）為5.1m，平均起坡為0.20m。二層樓座共4排，前后高差（總起坡）為1.20m，平均起坡為0.40m。三層樓座共5排，前后高差（總起坡）為2.2m，平均起坡為0.44m。
2.2盛京大劇院音樂廳
盛京大劇院音樂廳（圖13～圖16）平面呈葡萄園式，座位數、體積見表2。舞臺上部懸吊反聲板，舞臺寬度15.8m（前寬19.7m，后寬11.9m），深14.6m，面積190m2，舞臺面比觀眾區第一排地面高0.65m。觀眾席布置在舞臺周圍7個大小不同、高低不等的區域，形成圍繞舞臺的“梯田”觀眾席。觀眾席池座共22排，前后高差（總起坡）為4.95m，平均起坡為0.24m。觀眾席梯田（舞臺側后區）共7排，前后高差為2.23m，平均起坡為0.32m。觀眾席梯m2（中區）共8排，前后高差為2.17m，平均起坡為0.31m。觀眾席梯m3（后區）共7排，前后高差為1.89m，平均起坡為0.32m。
3兩種體型音樂廳的計算機模擬結果
本文計算機模擬軟件采用丹麥技術大學開發的世界上公認建聲模擬結果比較可靠的ODEON，版本為14.00Combined。適當調整濰坊音樂廳和盛京大劇院音樂廳的模型，使兩個音樂廳在相同的座位數（以1200座計）、相同的體積（以15000m3計）、各界面材料的吸聲系數相同、后墻都設管風琴和舞臺上都設反聲板的條件下（簡稱同等條件），進行計算機模擬對比分析。調整后的濰坊音樂廳和盛京大劇院音樂廳則分別稱為鞋盒式音樂廳和葡萄園式音樂廳。由于音樂廳的體型相對比較復雜，難以精確地計算它們的體積，而且不同的軟件計算的體積也不一樣。為了驗證它們的體積是否一致，打印了1：100的3D模型（圖17～圖18），用灌入水的方法證明它們體積完全一致。
鞋盒式音樂廳是凹凸有致（挑出的樓座）的瘦高型，而葡萄園式音樂廳則是典型的矮胖型。通過表3對比可以看出，最主要的區別在于鞋盒式比葡萄園式音樂廳的墻面面積大約500m2，約占葡萄園式音樂廳墻面面積的1/4，總表面積也相應地增加。
計算機模擬時，聲源布置在離舞臺前沿3m的中軸線上（距舞臺地面1.5m高），因為左右對稱，測點只布置在對稱的一側（圖19～圖20）。為了方便對比，把觀眾區分為五部分，池座、樓座、側樓座、舞臺側面觀眾席（簡稱舞臺側座）、舞臺后部觀眾席（簡稱舞臺后座）。
3.1聲學參量彩色網格的宏觀對比分析
鞋盒式和葡萄園式音樂廳的聲學參量彩色網格均為空場和1kHz的狀態。
（1）與音樂的豐滿度有關的聲學參量（混響時間T30、早期衰變時間EDT和明晰度G80）對比分析（圖21～圖28）
（2）與響度有關的聲學參量（強度因子G）對比分析（圖29～圖30）
（3）與空間感有關的聲學參量（側向反射系數LF、視在聲源寬度ASW和聽眾環繞感LEV）對比分析（圖31～圖32）
空間感，包括早期聲引致的視在聲源寬度ASW和混響聲引致的環繞感LEV。視在聲源寬度ASW通常用雙耳互相關系數（1-LACCB3）來評價，由于模擬軟件不能模擬雙耳互相關系數的彩色網格，只能用音樂廳各區域（1-LACCE3）的列表來反映（表4）。
根據soulodre，Lavoie和Norcross（2003年）推導的LEV公式（1）計算出LE瞄，音樂廳的各測點LEV的計算值見表5。
3.2主要聲學參量的具體數值對比分析
對比同等條件下鞋盒式和葡萄園式音樂廳的主要聲學參量，并和美國著名聲學專家白瑞納克寫的《音樂廳和歌劇院》中推薦值進行比較（表6）。
3.3反射聲紋理（序列）的對比分析
有些聲學專家認為，反射聲紋理能夠更好地反映音樂廳的音質效果。
4兩種體型音樂廳的不同之處及原因分析
同等條件的鞋盒式和葡萄園式音樂廳，對比分析后發現有以下不同之處。
4.1豐滿度相關的聲學參量（T30、EDT、C80）
鞋盒式的混響時間T30和早期衰變時間EDT比葡萄園式音樂廳明顯要長（實測數據并沒有那么大的差別）。相應地，鞋盒式的明晰度C80要比葡萄園式音樂廳小。也就是說，鞋盒式的豐滿度要優于葡萄園式音樂廳。由于葡萄園式音樂廳觀眾席的坡度較陡（特別是舞臺后部和側部的觀眾席坡度更陡），觀眾席在聲場中暴露更多，會增大吸聲效果，導致葡萄園式音樂廳的混響時間偏短。
有資料顯示，由于側墻反射方向及位置布置的不同，為了達到同樣混響效果，非矩形和葡萄園大廳的容積需要比矩形的增大6%～10%。因此，在做這兩類音樂廳聲學設計時，在同樣混響時間指標要求下，葡萄園式音樂廳體積一定要比鞋盒式音樂廳大一些。每座容積同樣是12.5m3/座，鞋盒式音樂廳已經偏大，而葡萄園式音樂廳尚顯不足。因此，在確定音樂廳的每座容積時，葡萄園式音樂廳需適當比鞋盒式音樂廳大一些，如鞋盒式音樂廳通常取9m3/座～11m3/座，葡萄園式音樂廳可取11m3/座～15m3/座。世界上著名葡萄園式音樂廳的每座容積等參數列表見表8。
4.2響度G
葡萄園式與鞋盒式音樂廳的G平均值略大（5.7和5.5，但相差不大），且均勻性也要好。這是因為G與距離有關，G呈現出近大遠小的特點，而葡萄園式音樂廳的特點就是觀眾席圍繞著舞臺布置，縮短了樂隊與聽眾的距離，最遠視距要比鞋盒式音樂廳短。由于鞋盒式音樂廳樓座觀眾席（離舞臺比較遠）布置的比較多，G的全廳平均值就會比葡萄園式音樂廳小。觀眾席座椅的布置方式與G值的均勻度相關，觀眾席環繞舞臺布置的音樂廳G值的均勻度就高一些。
響度G值與離聲源的距離、廳內的體積和吸聲量成反比。離聲源的距離越大，G值越小;廳內體積越大，則G值越小;廳內觀眾席的吸聲量越大，G值也越小。文章引言部分描述的結論也沒錯（離聲源同樣距離處的G值，鞋盒式比葡萄園式要高）。由于列舉的兩個鞋盒式音樂廳（體積為15000m3、座位數約1600座）相比三個葡萄園式音樂廳（體積約為20000m3、座位數為2000多座）不僅體積小而且觀眾席的吸聲量也小，導致G值就高了。
4.3空間感相關的聲學參量（ASW和LEV）
可以看出，反映早期聲引致的視在聲源寬度ASW的兩個聲學參量1-LACCE3（0.68和0.68）、LFE4（0.23和0.20），鞋盒式音樂廳要略好于葡萄園式音樂廳?；祉懧曇碌沫h繞感LEV（1.84和1.78）則是鞋盒式要優于葡萄園式音樂廳?？傊惺揭魳窂d的空間感要好于葡萄園式音樂廳。
4.4舞臺支持度的聲學參量ST1
通過在舞臺上部懸掛反射板等措施，鞋盒式和葡萄園式音樂廳都可以改善舞臺支持度到符合推薦值。
4.5反射聲序列
從各測點的反射聲序列可以看出，鞋盒式比葡萄園式音樂廳反射聲更多、分布更均勻，反射聲紋理也更好一些，正廳池座中間測點最為明顯。原因分析如下：側墻和多層側樓座吊頂構成二次向下的、多層次的反射面組合，不僅增加了向下的反射聲，而且排列也更均勻一些。而葡萄園式音樂廳側墻和吊頂組合只有一種，因此反射聲分布難以均勻。參見鞋盒式和葡萄園式音樂廳池座中間位置的剖面反射聲對比圖（圖38）。
4.6不同區域觀眾席的差別
從聲學參量彩色網格可以直觀地看出，葡萄園式音樂廳舞臺后部、側部觀眾席與正廳池座觀眾席的聲學參量（如早期衰變時間EDT、側向反射系數LF和雙耳質量指數BQI）差別比較大。由于葡萄園式音樂廳這樣的位置比較多，因此影響整個音樂廳的音質效果。
5結語
總的來說，同等條件的鞋盒式比葡萄園式音樂廳的音質效果要好一些。除了響度、視在聲源寬度ASW和舞臺支持度相差不大外，豐滿度、環繞感LEV和反射聲序列，鞋盒式音樂廳要優于葡萄園式，而且葡萄園式音樂廳舞臺后部、側部及相鄰觀眾席的聲學參量相對比較極端，影響整個音樂廳的音質效果。
通過在舞臺上部懸掛反射板等措施，鞋盒式和葡萄園式音樂廳的舞臺支持度都能做到比較好，因此，指揮和演奏人員在舞臺上并不會明顯感到兩者的音質區別。葡萄園式音樂廳的優點和缺點都很明顯。優點是：拉近觀眾和演奏人員的距離，增加親近感。觀眾席圍繞著舞臺布置，指揮和演奏人員有“眾星捧月”的圍合感。舞臺后部的觀眾可以直接看到指揮的手勢和面部表情，甚至可以讓觀眾成為表演者一員的“切身”感受。觀眾席圍繞著舞臺分區布置，視覺上也比較有美感。缺點是：舞臺正面、側面和后面不同觀眾區的管弦樂平衡有很大差異，這不僅因為不同樂器所發出的聲音有不同的指向性，還因為舞臺一側的聽眾離管弦樂隊某一部分比另一部分更近。舞臺后部的觀眾有其不利的一面，如演奏鋼琴協奏曲時，琴蓋向前敞開，使得坐在舞臺后面的聽者只能聽到一些低音。對女高音演唱聲也是如此，因為高音主要都是向前方發射的。
