柏林國家歌劇院的聲學改造

楊志剛

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

劇院一般在使用10年～15年后，音視頻、舞臺燈光和機械設備等就要更換升級，部分裝飾也會翻新和改造，一些建筑功能也因使用要求變化而需要改造。中國大批劇院逐步進入改造升級時代。例如，1998年建成的中國第一個現(xiàn)代化劇院——上海大劇院使用已經22年，在2013年～2015年進行了改造和功能升級。許多劇院由于使用功能的變化、時代的需求（追求豐滿度），聲學效果也需要相應地改造。本文詳細介紹柏林國家歌劇院的聲學改造過程，希望為中國劇院的改造提供一定的參考和借鑒。

1 柏林國家歌劇院介紹

柏林國家歌劇院位于德國柏林市中心菩提樹大街，是歐洲第一個獨立的宮廷歌劇院。柏林國家歌劇院于1741年開始建設，在1742年尚未竣工時就進行了第一場演出。1844年被命名為“皇家歌劇院”，1918年被命名為“柏林國家歌劇院”。二戰(zhàn)期間，歌劇院完全被毀，1955年歌劇院得到修復。2010年～2017年，歌劇院進行全面翻新，所有技術設備進行更新（圖1～圖4）。原計劃翻新的工期由四年延長至七年，翻新費用從預估的2.39億歐元激增至4億歐元（4.73億美元）。歌劇院座椅數(shù)量從1 398座減少至1 356座，以提供更大的舒適度和更好的視野。

2010年～2017年，歌劇團暫居席勒劇院進行演出活動。席勒劇院相對而言是一個現(xiàn)代劇場，缺少柏林國家歌劇院的親近感和圍合感。柏林國家歌劇院新任總經理Matthias Schulz說，“柏林國家歌劇院的規(guī)模比這座城市其他兩個歌劇院（德意志歌劇院和喜劇歌劇院）的容量都要小，這是創(chuàng)造強大現(xiàn)場體驗的福音，人們真的能感受到歌手或大提琴的振動?！?/p>

2019年3月，日本《音樂之友》雜志總計邀請了47名音樂評論家和記者選出他們心目中的世界十大歌劇院[1]，其中，柏林國家歌劇院位列第七，其音質效果得到廣泛認可。

2 聲學改造目標

2010年以來，柏林國家歌劇院采取了非常復雜的翻新措施。根據(jù)“翻新如舊”的要求，整個建筑都達到現(xiàn)代化的安全技術水平。整個舞臺塔（600噸鋼材）被拆除，現(xiàn)在的舞臺機械是量身定做的，將柏林國家歌劇院的舞臺機械水平提升到國際較高水準。

圖1 改造前的歌劇院內景前視圖

圖2 改造前的歌劇院內景后視圖

圖3 改造后的歌劇院內景前視圖

圖4 改造后的歌劇院內景后視圖

在音樂總監(jiān)丹尼爾·巴倫博伊姆的要求下，將歌劇院的混響時間從1.1 s延長到1.6 s，這是最重要和最具挑戰(zhàn)性的聲學改造目標。聲學顧問公司為Peutz International GbR，這一聲學改造目標主要是通過增加體積和降低材料的吸聲系數(shù)來達到的，以下主要介紹觀眾廳的聲學設計[2]。

3 建立計算機模型和1:10縮尺模型

首先，建立3D計算機模型，改造前后的觀眾廳縱剖面的聲學計算機模型見圖5，用特殊的吸聲幕布模擬滿場的觀眾（圖6）。改造前防火幕（FC，F(xiàn)ire Curtain）放下的實測與計算值，以及改造后防火幕放下與收起時的計算值（均為滿場RT）見圖7。模擬和測試防火幕放下的條件，是為了避免不同舞臺布景對觀眾廳產生的影響。

為了更好地研究聲音的波動特性，制作了1:10縮尺的模型（圖8），并考慮了尺寸為10 cm（在許多情況下甚至更?。┑募毠?jié)。反射面是帶有清漆的木材，觀眾用金字塔形的泡沫代替，模擬實際演出的滿場狀態(tài)（圖9）。

在計算過程中，首先，對改造前的情況進行檢查，并將其與縮尺模型的測量數(shù)據(jù)相吻合；然后，再對改造后的情況進行分析。為了獲得最大的脈沖響應穩(wěn)定性，對模型中的空氣進行空調處理。測量采用MLS信號，得到能量-時間衰變曲線（Energy-Time Curves，ETC），從這些數(shù)據(jù)中可以計算出清晰度等參數(shù)。由于縮尺模型材料的吸聲系數(shù)與真實材料并不是完全一致，故僅粗略估算混響時間。測試顯示，混響時間RT可以從1.1 s增加到1.6 s（滿場，防火幕放下）。圖10所示為三層樓座中間位置，改造前現(xiàn)場實測和改造后縮尺模型測量的ETC對比，雖然不完全相同，但趨勢非常相似。

4 混響環(huán)廊和格柵

將觀眾廳歷史悠久的吊頂（保留原有的吊頂）整體提升5 m，使觀眾廳的體積相對原體積增加將近50%，達到9 300 m3，而建筑外觀并沒有明顯的改變。觀眾廳增加的體積像蘑菇一樣擴大到三樓走廊的上面，凸出的區(qū)域在其上方創(chuàng)建一個“混響環(huán)廊”（Reverberation Gallery）。為了縮小視覺效果的差距，設置視覺上封閉但聲學上透明的格柵（圖11、圖12）。格柵的菱形結構由玻璃纖維增強磷酸鹽陶瓷(CBPC)按照要求的形狀澆鑄而成（圖13、圖14），并滿足防火要求。格柵的面積為250 m2，網格尺寸根據(jù)參數(shù)幾何形狀的不同而有所不同，格柵的側面寬度為20 cm。

圖5 觀眾廳縱剖面的聲學計算機模型（左為改造前，右為改造后）

圖7 觀眾廳滿場RT的計算和實測值

圖6 用幕布模擬滿場觀眾

圖8 改造后的1:10縮尺模型內景圖

圖9 代替觀眾的金字塔形泡沫

圖10 改造前現(xiàn)場實測（左）和改造后縮尺模型測量（右）的脈沖響應圖

圖11 混響環(huán)廊的觀眾廳一側

圖12 混響環(huán)廊的后部

圖13 3D打印機雕刻格柵的模具

圖14 往模具中澆鑄磷酸鹽陶瓷

同時，對格柵疏密構造的兩種形式進行反射聲能測試，以驗證格柵的透聲性能（圖15）。

5 吸聲材料的控制

僅僅通過增加有限的體積，仍然無法把混響時間從1.1 s提升到1.6 s，還需要減少對其他表面的吸收，具體采取的措施如下。

（1）輕質的木墻面板被重面板（40 kg/m2）取代。

（2）其他紡織品，如欄桿和舞臺開口上方墻體表面覆蓋的天鵝絨，也通過小樣本的吸聲測量進行了優(yōu)化（圖16）。

圖15 比例為1:2的格柵結構的聲反射測試

（3）部分空腔被填實，以避免共振過多地吸收低頻。

（4）最大的吸聲表面是座椅，聲學目標是不能增加座椅的吸聲量。原有座椅的吸聲系數(shù)比較低，同時座椅的舒適度還要提高。座椅舒適度的提高是通過人體工程學設計的，靠背的高度增加10 cm，同時增加靠背薄墊的厚度。聲學設計要求在座椅內部增加密封層，以降低襯墊增加的吸聲。圖17所示為新舊座椅的實驗室測試吸聲系數(shù)，高頻時略有增加，低頻時略有減少。

圖16 用干涉儀現(xiàn)場測量優(yōu)化后的表面吸聲系數(shù)

圖17 舊（上）、新（下）座椅（坐人）的吸聲系數(shù)

圖18 測點M5的脈沖響應圖（紅色為橢圓形墻，藍色為折線形墻）

圖19 池座聚焦平面分析圖（左），125 Hz的第一反射聲能分布圖（右）

6 音質缺陷的消除和研究

在聲學設計和分析研究過程中，許多地方進行了改變和改進，本文主要討論兩點。

6.1 混響環(huán)廊回聲的消除

在縮尺模型研究中發(fā)現(xiàn)，池座前排座位上出現(xiàn)了一組回聲（圖18）。分析原因是混響環(huán)廊的橢圓形狀墻壁造成的，通過在環(huán)廊墻壁上設置折線形擴散體解決了這一問題。

6.2 池座聲聚焦的研究

由于觀眾廳墻面呈橢圓形，從圖19可以看出，池座前中區(qū)缺乏早期反射聲，并且池座后部有聲聚焦現(xiàn)象。基于基爾霍夫積分（Kirchhoff integral）的計算顯示，聚焦區(qū)域第一次反射聲相比直達聲能增加了7 dB（見圖19右圖）。

原有墻壁是部分吸聲的，為了延長所需的混響時間，必須用反射墻代替，所以在墻面布置吸聲材料來解決聲聚焦是不可能的。另外一個解決方案就是在墻面設置擴散體，但又與建筑保護要求維持原狀相矛盾。聲學設計在縮尺模型中進行研究：通過在墻壁上安裝曲面鏡和光源，確定聚焦的精確位置，并在此位置測量脈沖響應。從圖20可以看出，第一次反射聲確實比直達聲高，但增加有限，而且由于時間延遲也是有限的，這將不會被視為回聲，所以在墻壁上不做擴散處理。

7 改造后的實測情況

2017年9月，觀眾廳改造基本完工。在第一次彩排前，進行了聲學測量。觀眾廳測量的狀態(tài)為：空場、滿場（特殊的吸聲幕布模擬滿場的觀眾）、防火幕收起和放下等。此外，交響音樂會的情況，管弦樂隊在舞臺上測量。測量RT采用防噪聲干擾信號和一個9 mm手槍（主要為63 Hz八倍頻帶）。脈沖響應測量用MLS信號和全指向聲源完成。聲源和測點布置圖見圖21，未顯示的聲源位置7在樂池（Q1下）。

圖22所示為M6（池座）、M11（側包廂）和M9（樓座）三個代表測點改造前后的脈沖響應圖。可以看出，改造后具有較強的后期反射聲，混響時間明顯變長，而且衰變曲線比較平滑，沒有明顯不利的反射聲。

圖20 墻上有曲面鏡的縮尺模型（左），在聚焦點處測量的脈沖響應圖（右）

圖21 測試時的聲源（紅色）和接收器（藍色）的位置圖

圖23所示，空場、防火幕放下的條件下，中頻RT超過2 s，但低頻下降比較明顯，125 Hz只有1.7 s。滿場、防火幕放下的條件下，改造前后中高頻RT約提高0.7 s。防火幕收起時，低頻125 Hz只提高約0.25 s。由于舞臺布景條件不同，比較可能不對等。

測試數(shù)據(jù)顯示，觀眾廳響度G略有提高，G的平均測量值約4 dB～5 dB。從表1可以看出，改造后中頻C80值下降4 dB～6 dB，表明明晰度明顯降低。

通過把觀眾廳吊頂提升5 m（形成一個混響環(huán)廊）以及減少觀眾周圍墻壁的吸收，柏林國家歌劇院的聲學效果得到顯著改善。反射聲能的增加、混響時間的顯著延長和相對較低的明晰度，形成一個完全不同的聲學效果，在音樂細節(jié)和混響感之間有一個很好的平衡，一種濃郁而溫暖的聲音出現(xiàn)了。由于側壁反射增強，提高了視在聲源寬度，尤其是對池座后方和正面包廂的觀眾。改造后，觀眾廳既實現(xiàn)了聲學效果的實質性改善，同時還保留了觀眾廳的建筑歷史外觀，這兩個目標應該算是實現(xiàn)了，業(yè)主和觀眾都對柏林國家歌劇院出色的新音效感到非常滿意。

8 改進建議

針對柏林國家歌劇院的聲學改造措施，筆者認為還有三處需要改進。

圖22 2009年（改造前）和2017年（改造后）三個代表測點的脈沖響應圖（樂池升起、防火幕放下和滿場）

圖23 改造前后的RT測試數(shù)據(jù)（歌劇條件）

（1）柏林國家歌劇院觀眾廳體型呈罐子的形狀，體型先天不足，弧形的墻面造成池座后部聲聚焦。基爾霍夫積分（Kirchhoff integral）的計算顯示，聚焦區(qū)域第一次反射聲相比直達聲能增加7 dB；而縮尺模型卻發(fā)現(xiàn)增加有限，不會造成影響。這兩個相互矛盾的結果，建議對改造后實際廳堂進行詳細檢測，以驗證哪種結果更可信。

（2）用特殊的幕布模擬滿場觀眾，是否有充分的依據(jù)，至少人頭的散射系數(shù)和幕布是不一樣的。其實都采用空場條件進行比較分析，應該也完全可以達到目的。建議增加改造后滿場情況的測試。

（3）防火幕放下的測試條件，雖然避免了舞臺布景條件不同，但是并不是正常歌劇的使用狀態(tài)。建議測試條件改為防火幕收起、舞臺布置常規(guī)使用的檐幕、側幕和天幕等（不設布景）條件進行測試，這樣既接近真實的演出條件，又避免不同劇種舞臺布景不同的影響。

9 聲學改造的要點總結

關于改造劇院音質效果的要點，筆者總結如下。

（1）改造前需對聲學參量進行詳細檢測。與改造后、同等條件下的聲學參量檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，確定改造效果。

（2）改造前需對地面、墻面和頂面材料的吸聲系數(shù)進行現(xiàn)場檢測，改造后所選用的材料也需現(xiàn)場測試，當然也可以在實驗室測試并進行驗證。由于不可能把所有材料都拆下來（這樣就破壞了原有的裝飾）拿到實驗室測試吸聲系數(shù)。因此，用專用設備現(xiàn)場測量改造前后材料的吸聲系數(shù)就很有必要。但是，現(xiàn)場測試的吸聲系數(shù)（聲能垂直入射）和實驗室的測試（聲能無規(guī)入射）是不同的，只有在同等條件下對比才有參考價值。

表1 改造前后，不同聲源位置的中頻C80值

（3）建立計算機模型或縮尺模型時，要用實測數(shù)據(jù)驗證模型的準確性。用改造前現(xiàn)場實測的材料吸聲系數(shù)和聲學參量與模型的計算結果進行對比分析，盡量修正到比較一致。

（4）考慮問題一定要全面，某項改進措施既能帶來想要的聲學效果，也可能帶來不利的聲學缺陷。例如，增加混響環(huán)廊，確實達到延長觀眾廳混響時間的目的，但也給池座前區(qū)的某些座位造成了回聲。減少墻面的吸聲系數(shù)，確實達到延長觀眾廳混響時間的目的，但也給池座后區(qū)的某些座位造成了聲聚焦。

（5）由于受某些條件約束，聲學的部分要求可能無法落實。選擇妥協(xié)，也就意味著聲學效果難以盡善盡美。