保利剧院的建筑声学设计方案
                          项端祈    王  峥    陈金京
                    （北京市建筑设计研究院  北京1000145）
   
摘要：保利剧院是一座继承传统歌剧院的良好品质、又能适应近代各种需求的专业歌剧院、兼供自然声音乐演奏和戏剧演出。为确保剧院有良好的音质，从方案阶段就开始声学设计，并贯穿于设计、施工、试用调试的全过程，从而获得了良好的音质。评价颇高，本文概要介绍保利剧院的声学设计及从中取得的经验。
关键词：歌剧院，声学设计，自然声演出
                  Acoustical design for the Poly Theater
                 Xiang Duanqi    Wang Zheng     Chen Jinjing
       (Beijing InstitutesofArchitectural Design and Research,  Beijing 100045)
Abstract   Poly theater is an opera house specialized in natural sound and drama per-formances. The Theater not only inherits the quality of traditional opera house but also meets the various demands of modern times.To ensure the good acoustics in the theater,the acoustic design has been done form the very beginning of the schematic design and has been carried on during the design, construction and test states. Thus, good acoustic quality and high appraisal have been obtained.  This article will brief by mesent the acoustical design for Poly theater as well as our experiences during the designing.
Key words   Opera house, Acoustical design, Natural sound performance

     1  引言
    保利剧院是保利大厦的核心部分，它是在拆除音质极槽的原有剧场基础上新建的现代化歌剧院。兼供自然声音乐演奏和戏剧演出，因此，是一座音乐剧院，观众厅的最大容量为1428座（其中包括乐池升起时配置的108个座席），当用于歌剧演出时为1320座。有效容积为9270m3，用于交响乐演奏时容积为10910m3（包括闭合式音乐罩内的容积1640m3），每座容积分别为7.Om3（用于歌剧）和7.7m3（用于音乐）。
    剧院观众厅的围护结构为六角形，但池座的平面近似于矩形。二层设楼座，三层设跌落包厢，池座前区两侧各设有小包厢，它紧挨后面的贵宾休息室。
    为适应自然声音乐演奏的需要，舞台设有“闭合式”活动舞台音乐罩和升降乐池。

    为使自然声歌剧演出和音乐演奏时的混响时间均能达到最佳值，观众厅内墙面上设有“百页式”计算机可调混响装置①（由北京自动化系统工程设计研究院设计。设计人为项昆（程序编制）和夏明（机械传动））。
    在舞台上配置的六条车台，三个升降台和后舞台上的转台是为大型歌剧演出而设置的。
    剧院于2000年9月15日竣工，通过二周的声学调试和各种工程设备的试运转，于10月1日试用，10月15日正式启用。

     2  保利剧院声学设计指标的确定
    剧院观众厅的声学设计指标是通过参考国外的经验、结合国情，并经业主组织专门的研讨会认定后确定的，各项指标如下：
    ·混响时间：剧院自然声演出的中频( 500Hz)混响为1.4s；交响乐1.7s和室内乐1.3s；其他戏剧为1.2s.低频提升1.1倍（相对于中频500Hz）。
    ·声场不均匀度：厅内声场不均匀度△Lp在125-4000 Hz频率范围内小于8dB。
    ·响度（音量感）：表征音量最直接的指标是声压级。对于歌剧院目前尚无推荐的指标(音乐厅L.L.Beranek建议声压级峰值为77-80dBA)，我们根据多年来实践的经验，确定为75dBA。
    ·噪声级：背景噪声低于25dBA，开空调时（达到使用工况）小于30dBA。
    ·明晰度（声能比）：  C80(3)在0一4.OdB。
    ·早期反射声时延间隙；ti小于20ms。
    厅内应有良好的声扩散和无音质缺陷。

    3  声学设计概要
    声学设计的程序是：体形设计一用材和可调混响方式的选择—声学计算（主要是混响时间的计算）一缩尺( 1:10)实体模型试验—舞台的声学处理一配合工图设计-一施工交底和现场中间试验—声学调试（声学测定和试用）-竣工测定和听取评价。
    (1)体形设计：对自然声演出的歌剧院（或音乐厅）来说，体形设计至关重要，它要解决响度（音量）、声强分布、声扩散、早期反射声的分布和消除音质缺陷等问题。同时，体形设计也是最能反映如何继承传统歌剧院的良好品质并加以发展的问题。
    传统的马蹄形多层包厢歌剧院形式之所以有巨大的生命力，其主要优点在于：缩短视距，增加直达声强度而使后座有足够的音量，大厅各界面有均匀的声吸收，此外，还有观众对舞台的围合作用而产生亲切感。它的缺点是：高层和台口侧座的视觉很差，穹顶和弧形围墙不能给观众提供早期反射声，难以设置多道面光和耳光，不能满足现代歌剧演出的需要，对此，保利剧院采用三层楼座，两侧为跌落包厢，池座平面接近矩形，使前中座有足够强和覆盖面较大的侧向早期反射声。后面的弧形墙和包厢栏板设置扩散面，吊顶作双向弯曲的定向反射面，加强后座的声级。这些措施，消除了传统歌剧院形式的缺点，继承了视距短和良好围合作用等的优点。图1和图2为观众厅的平、剖面和内景。

    (2)厅内各界面的用材和混响可调方式的确定
    由于自然声歌剧演出和音乐演奏要求较长的混响时间，厅内各界面不设置吸声材料（结构），这也有利于提高可调混响的幅度：台口前侧墙局部使用石材，其它墙面为抹灰涂料；木装修均采用厚实木板或复合板，限止低频的声吸收；吊顶采用双层9mm厚石膏板，外刷涂料。
    观众厅内最大的声吸收是座椅，为此，对厂方提出了尽可能降低声吸收的措施：即除座垫和靠背局部为软垫外，其余均为硬木板，加工后的样椅在本院混响室内实测的吸声量，中、高频偏高，对此，提出减少椅背软靠垫50mm长，降低中高频的声吸收。初加工实测和修正后的吸声量，以及在厅堂内实际的吸声应用声学量见表1所示。

    为了使歌剧、音乐演出时的混响时间均能达到最佳值，并兼顾其它用途，可调混响幅度应为0.5s(1.2s-1.7s)。由于音乐演奏时，舞台将配置音乐罩，根据经验，它有可能使可调混响幅度提升0.15-0.2s，因此，厅内可调结构的实际可调量为0.3-0.35s。为了减少可调构造占用的空间，并在较小的处理面积上获得较大的可变吸声量，采用可调百页的构造形式，它的构造见图3所示（图3上为平面配置，下为局部大样）。控制方式则采用国际上先进的“分布式计算机调控装置”。

    (3)声学计算和缩尺模型试验
    在厅堂设计中，声学计算主要是指混响时间的计算。（声场计算目前还有争议）。在厅内装修基本确定后，进行混响时间计算是必要的，以便粗略地了解用材是否得当。但由于多种因素（公式推导时的假定，用材吸声系数与实际差别等）通常有误差。对此，当有条件时，应进行缩尺实体模型试验，它可以较为可靠地提供中频混响值。此外，缩尺模型对体型设计中可能存在的先天性缺陷有较好的鉴别能力。为此，当保利剧院初步设计提出后，当即进行了缩尺( 1:10)实体模型试验，测试内容包括混响时间、声场分布和脉冲响应三项，其中混响时间的测定由于频率提高10倍，高频仅测至20000Hz（相当于厅内的2000Hz），因高频在空气中衰减很大，根据《厅堂缩尺模型试验测试规范）》进行了修正。
    关于声场分布和脉冲响应测量的结果表明，与厅内现场测定值相当吻合，因此是今后缩尺模型试验的主要内容（测量结果略）。
    (4)舞台的声学处理
    舞台是声源（歌剧演员和乐师）所处的位置，舞台的声学条件不佳，将难以控制演唱力度和演奏的平衡，以及舞台上有限的自然声能的逸散和吸收，严重影响观众厅内的听闻效果。只有演得好，才能昕得好。因此，给舞台创造良好声环境，不可忽视。
    舞台的声学处理包括控制混响，消除音质缺陷和节约自然声能等三方面内容：
    保利剧院舞台的容积为43250m3，它是观众厅的4.6倍（不包括后舞台3960m3），混响时间过长，而侧台之间因距离长而产生回声。为此，均作了吸声处理。达到降低混响使之接近观众厅内的混响时间，同时又消除了回声的目的。
    对于自然声演出歌剧和音乐，减少自然声能在舞台上的逸散和吸收是确保观众厅良好音质的重要条件。
    歌剧演出时，主要通过布景设计，在舞台上的围合空间来实现，由舞美设计师解决。
    音乐演奏时，则需在舞台上设置活动的音乐罩，它的功能是隔离舞台、节约自然声能；为乐师创造良好的相互听闻条件；以及给观众厅前区提供早期反射声，从而增加亲切感。
    舞台音乐罩目前有轻型敞开式和重型闭合式的两种。保利剧院采用后者，理由是尽可能减少自然声能的损失和低频的声吸收，配置方式是顶板和后墙板整体吊置，平时悬吊在舞台上空，侧板为设有轮子推动的拼装单元，音乐罩所占的面积是根据容纳四管制乐队和120名合唱队的规模确定的。面积为210m2，其形式主要考虑有良好的声扩散和有利于把融合的乐声送至观众厅。

    4  配合施工图设计，进行施工交底和现场中间试验
    参与施工图设计，对声学工程进行施工交底，是贯彻声学设计意图、确保音质效果的重要环节，而现场中间试验（厅内装修即将完成时）则是纠正声学计算、模型试验中可能出现偏差的一种保险措施，使一旦出现的问题，在全部完工前解决，当装修工程全部完工后再进行修改，通常要花费巨大的投资，影响启用时间，有时甚至很难开展工作。因此，保利剧院在吊顶和侧墙基本完成，脚手架拆除后，就进行现场中间试验，内容包括混响时间和脉冲响应两项，然后进行推算，预计最终达到的声学指标，以及可能存在的问题。

     5  声学测试和初步评价
    保利剧院于2000年9月15日全部完工，留有两周的声学测试和试使时间，进行了各项声学指标的测试，包括混响时间和可调幅度、声场分布、脉冲响应和噪声测定。测定结果完全达到设计指标，因而未作调试后的修改工作，测定数据即为竣工验收的依据。
    测定结果如下：
    (1)混响时间和混响可调幅度
    混响时间测定是在厅内可调混响三种调节方式下进行的，即状态A(百页调至反射面)，状态B（百页调至吸声面）和状态C（百页和后墙吸声面同时外露）。此外，对舞台上有、无音乐罩也进行了对比测定，其结果是：
    中频( 500Hz)最大混响时间，空场为2.08s，满场为1.71s。

    中频(500Hz)最短混响时间，空场为1.43s，满场为1.18s。
    最大可调幅度平均为0.53s，舞台上设置音乐罩后可提升混响时间0.2s。空场各种可调状态时的实测结果详见图4所示。
    实测混响时间与缩尺模型和中间试验的对比结果见表2所示。

               
    由表2 测试结果可见，中频混响时间较为接近模型值，低频过高，高频（经修正后的值）低。
    (2)声场不均匀度测定
    观众厅全厅，包括池座、楼座和包厢在内的声场不均匀度（声源在台口中，点声源，发粉红噪声）中频( 500Hz)，小于6.5dB，低频和高频小于8.OdB。
    (3)早期反射声测定
    早期反射声的状况（声能比和时延间隔）关系到听闻的亲切感和空间感，它是除混响时间这一指标以外的另一个评价厅堂音质的重要指标，因此，无论在模型试验，现场中间试验和声学调试阶段均作了早期反射声测定。竣工后的测定是在厅内各种可调混响方式(即状态A、B、c)和有、无音乐罩的情况下，各测定了有代表部位的8个点，2个声源位置（台口中和音乐罩内）共计48幅反射声序列图（为减少篇幅，测定结果仅列出7个点）。测定结果表明，厅内各座席均有足够强和覆盖面大的早期反射声。特别是当设置音乐罩后、声源在音罩内，即S2时，前中座4排1号、8排20号和10排1号均有足够多的早期反射，而这些座位，通常在其它剧场内是缺乏早期反射声而音质欠佳的，详见图5。

   
    (4)明晰度（声能比）
    明晰度C是早期声能（80ms以前到达的反射声）与后期反射声能（80ms以后至1OOOms以内)之比。C值为负数值大，代表后期声能大，因而声音丰满；C值为正值，且数值大，表示清晰度高。根据早期反射声测定可通过下式求得值，再将500Hz、1000Hz和2000Hz的值平均，求得dB值：
         
    计算的结果见表3所示。
    由表3测定结果可见，厅内有音乐罩时，声音丰满；无音罩时，厅内清晰度提高。

    
    (5)早期反射声时延间隔
    跟随直达声后的一次反射声，如果时延间隔大于20ms，就会影响亲切感。但厅内各座席值均不相同，目前以池座中的反射声序列图为评价值，本厅以池座10排1号为评价点，实测值=18ms（舞台上有音乐罩，声源S2，见图5），其它座席均小于18ms。
    (6)厅内噪声级测定
    观众厅内的噪声级包括背景噪声和空调运行达到使用工况时的噪声级。前者表示建筑围护结构的隔声性能，实测值为30.5dBA；后者为工程设备噪声控制的效能，实测值为32.8dBA（4个测点平均）略大于设计值。
    上述测定结果表明，各项音质指标均达到预期设计值，在混响时间可调幅度和改善厅内前中区早期反射声不足方面比预期的要求好。
    剧院于10月1日正式启用，在启用的一个月内，进行过提琴独奏、铜管乐四重奏、交响乐、歌剧和歌舞剧的演出，以及国际音乐节各类音乐剧目的演艺表现，音乐和戏剧家，以及广大观众对剧院的音质给予极高的评价。在如此短的使用时间内，就对大厅音质有强烈的反响，在笔者剧院建筑的历程中，尚属首次，期望保利剧院在国际音质优异的歌剧院中占有一席之地。

    6  保利剧院声学设计取得成效的几点经验
    通过保利剧院的声学设计实践，可归纳出如下几点经验：
    (1)自然声演出的歌剧院的规模不宜过大，容积大就使每个听众所占有的自然声能小，听众会感到音量不足，演员演唱很费力，特别是歌剧演员，他（她）的演唱声还必须穿透乐队构成的“声墙”，才能到达观众席，而舞台又不像音乐厅演奏台那样能给予演员足够的支持，仅靠舞台布景，因此，歌剧院的规模不宜太大。1500座左右是最佳值，最大也不宜超过1800座。
    (2)歌剧院观众厅的体形设计至关重要，它既要解决后座有足够的音量、声扩散、早期反射声和声场均匀分布等声学上的要求，以及良好的视觉效果，又要继承传统歌剧院（马蹄形多层包厢的形式）观众对舞台的围合形式，建立演员与观众之间情感交流的亲切关系等优良品质。保利剧院观众厅的体形充分体现了上述两方面的要求。
    (3)一座现代歌剧院的混响时间应是可调的，这不仅在于适应不同功能（戏剧、音乐等）的需要，同时也为满足不同歌剧作品各自所要求的混响时间：瓦格纳的《漂泊的荷兰人》和《罗恩格林》要求有较长的混响，以此建立一种神密的色彩；而莫扎特的《魔笛》，《费加罗的婚礼》，罗西尼的《塞维尔的理发师》，以及比才的《卡门》等歌剧，则要求较短的混响，以达到清晰、圆润和有较强节奏感的效果。采用可调混响有可能根据作品和指挥的爱好，对厅内音质进行调节，保利剧院采用国际上先进的分布式计算机调控混响装置，它不仅可以按不同剧目的需要进行调节，同时，还可在同一剧目（例如歌剧）中的不同片断，实时改变混响，满足剧情需要，当然这要求控制人员要熟悉剧情才能实施。
    (4)声学设计必须贯穿建筑设计、施工试用和竣工评价的全过程。保利剧院的声学设计在方案阶段介入，参与建筑设计、相应地展开各项声学设计、配合施工和竣工前的中间试验，直至试用和竣工调试。实践证明，这是一套行之有效、确保音质效果的操作程序。
    (5)建筑声学作为工程设计的一个专业，必须与建筑师密切结合。应把声学要求融入建筑形体和装修设计中，把声学功能与艺术创作有机地结合为一体，而不是简单的叠加。才能使剧院成为音质优异的艺术最堂。因此，没有建筑师的协同工作，声学设计难以取得成效。
    (6)业主一权力的象征。业主的支持、明智和强有力的领导是声学设计获得成效的可靠保证。保利剧院在方案设计时就明确提出，建声效果是首要任务的准则，一切围绕建声展开工作，并配备一支得力的基建队伍加以实施。贯彻始终，这对保利剧院获得良好的音质起到关键性的作用。
    综上所述，一座音乐殿堂要获得良好的音质是一个庞大的，包括设计、施工、管理等的集体共同努力的结果，过分强调声学工程师的功劳是不实际、也是不科学的。

     注：案例来自网络。