广东星海音乐厅交响乐大厅的声学设计

2001-07-10项端祈王峥陈金京

建筑创作 2001年4期

项端祈　王　峥　陈金京

摘要：目前国内各大城市正在建设或筹建中的音乐厅为数甚多。由于音乐厅均为自然声演出、且音质要求很高，因而有别于国内大量建造的、采用扩声系统的厅堂，对此，本文就近年竣工交付使用的广东星海音乐厅交响乐厅的声学设计作一概要介绍，并就其中的一些声学问题提出个人的见解。关键词：音乐厅声学设计自然声演出Abstract: At present many concert halls are being or will be constructed in many big cities of our country. Because of the requirements for natural sound performance and high level acoustics, the acoustic design of concert hall is rather different from that of general auditorium which are usually depended on sound system. In this paper the acoustic design of symphony hall of Xing Hai Concert hall of Guangdong Province, which was completed on March 3,1998, is introduced briefly and some personal ideas about acoustic design of concert hall are put forward.Key Words:Concert hall, Acoustical design, Natural sound performace.

一概述

星海音乐厅是以人民音乐家冼星海_②的名字命名的。音乐厅建于珠江之畔风光旖旎的二沙岛上。它与已建的美术馆和正在建设中的博物馆等建筑构成广东省相当规模的文化中心。

星海音乐厅包括交响乐大厅，室内乐厅，音乐欣赏室，排练厅，琴房，音乐资料馆，水上演奏台，音乐喷泉和各种配套用房。建筑面积18 000_m2，是我国目前规模最大、设备先进和音质优异的现代化音乐厅。也是我国第一座采用“葡萄园”形(或称山谷梯田形)配置方式的音乐厅。音乐厅的总平面见图2。

星海音乐厅于1998年6月13日——冼星海诞生日正式使用。广州交响乐团和中国交响乐团合唱团进行首场演出。演奏了钢琴协奏曲《黄河》和贝多芬第九交响曲《欢乐颂》，获得成功。

二交响乐大厅的声学设计指标和实施策略

星海音乐厅这座华丽的艺术殿堂是为满足广大观众欣赏高雅音乐的殷切需求、并作为国内外文化交流的基地和窗口而建造的。音乐厅设计始终把音质效果放在首位，以继承传统音乐厅的良好品质、而又能适应现代生活提出的各种需求为设计的宗旨。

声学设计指标是根据国际上获得“顶级”音质效果的音乐厅为参照对象，广泛听取我国音乐家和声学家的意见确定的。交响乐厅的各项“最佳”音质指标见表1所示。

为压缩篇幅，将竣工调试后实测的各项指标简述于表内

为实现上述设计指标、确保获得良好的音质，采取了如下的策略：

初步设计阶段：通过计算机模型和1/40缩尺实体声学模型试验与声学估算相结合，分析体形、了解声场状况和可能出现音质缺陷的部位；

技术设计和施工图阶段：用1/10缩尺实体声学模型试验和各种声学构件声学性能的实验室测定，确定声学构造的部位、尺度和装修用材，并进行较为详细的声学计算；

施工阶段：在没有专业施工队的条件下，主要是施工交底和监理，检查隐蔽工程，并在交响乐大厅主体结构完成后，进行首次混响和声场分布的现场测定；

竣工调试阶段：用以解决声学计算、缩尺模型试验与实际效果存在的差距。要修正客观存在的偏差，就必须采用声学测定与乐团试用时主观感受相结合的方法，做多次调试、修改装修、直至达到预期的效果。星海音乐厅通过三个月的调试工作，才实现所要求的演奏和听闻效果。

三交响乐大厅的声学设计

交响乐大厅是星海音乐厅的主体。容纳1 437名听众，有效容积12 400_m3，每座占容积8.6_m3，大厅采用“葡萄园”形的配置方式，即在演奏台四周逐渐升起的部位设置听众席。这种形式的最大优点是在大容量厅堂内缩短后排听众至演奏台的距离，从而确保在自然声演奏的条件下，有足够强的响度。此外，利用演奏台四周厢座的栏板和楼座的矮墙，可使听众席获得足够强、且有较大覆盖面的早期侧向反射声。近期的研究表明[1][2]，这是传统音乐厅所以能获得良好音质的重要原由。而传统音乐厅则是通过窄跨度的侧墙实现的。因此，这种形式不仅继承了传统音乐厅所具有的良好品质，又能适应现代大容量音乐厅的各种需求。它自1963年德国柏林“爱乐”交响乐大厅首创至今，在国际上已被广泛采用，但在国内尚属首次。

大厅的屋盖选用“马鞍”形壳体。建筑师的原意是试图利用壳体结构本身的形体去获得声扩散和均匀的声场分布，而不必追加专门的反射结构。实际上这是一种误解，原因在于：

⑴大厅地面离壳顶最低部位约14m，因此，堂座前，中区和台两侧厢座内的一次反射声与直达声之间的声程差均超过17m(时差大于50ms)，可能引起回声；

⑵“马鞍”形壳顶的所有横剖面均为凹弧形面而引成声聚焦，从而造成声场不均。通过1/40缩尺实体模型试验和三维计算机模型试验充分证实了这一点。即为大厅横剖面计算机模型显示的声反射图，可见声聚焦的状况。

此外，在大厅壳体拆模后的现场测定均表明，顶部不悬吊反射板时，厅内声场分布不均和存在回声现象。

对此，在演奏台上悬吊了12个弦长3.2m，曲率半径为2.6m的球切面反射体，其目的除了消除回声和声聚焦以外，还可加强乐师间的相互听闻，提高演奏的整体性。同时也使堂座前区和厢座听众获得较强的顶部早期反射声。

为加强听众席后座的声强，在球切面反射体周围设置了锥状和弧形定向反射板，以此获得厅内均匀的声场分布。

交响乐大厅的平、剖面，和建成后的内景分别见图4～图6所示。

为使大厅达到中频(500Hz)满场1.8s的混响时间，并使低频(125Hz)混响提升1.15倍(相对于中频)，即2.07s。采取如下几项措施：

·增大容积，每座容积取8.6m3;

·厅内所有界面均不用吸声材料，在容易引起不利声反射的部位(后墙和后部吊顶)设置锥状扩散体；壳顶拆模后刷涂料；墙面为35mm厚硬木板实贴在18mm厚的多层板上；地面均为实贴木地板，仅演奏台设木龙骨架空地板；所有悬吊的反射体采用刚度大的阻燃玻璃钢结构。

·减低座椅的声吸收，并使其吸声量接近听众的吸声量，从而减少厅内空、满场混响时间的差值。

根据以上确定的容积和内装修构造，进行了混响时间的计算和1/10缩尺实体声学模型试验，缩尺模型的测定结果仅中频较为接近，其它频率偏差较大，这是因为模拟材料不可能在很宽的频率范围内有一一对应的吸声性能。

大厅的声扩散是除混响时间以外的另一个重要音质指标。当听众感到乐声似乎以相等的幅度来自四面八方时，扩散是最好的。[3]表征声扩散的指标是d，它定义为：厅内声场扩散值与自由场扩散值之比，即d=1－m/m。 (1)

式中m——为厅内声场的扩散值；

m_o——为在自由声场的扩散值(由杭州电声厂消声室内测定)；

m=ΔM(声强的平均差值)/M(各方位角的平均声强)；

m_o——的求法同m，只是在自由声场中；

交响乐大厅的声扩散是通过多边的形体、差落的包厢和楼座栏板，以及顶部悬吊的反射体实现的。缩尺模型试验测定的结果表明，大厅具有良好的声扩散。

对于音乐厅来说，厅内希望获得良好的声扩散，但又不要求完全扩散(即d=1)，因为听众在要求乐声来自各方的同时，还希望有一定的方向感，即乐声来自演奏台。

传统音乐厅所以能获得良好的音质，除了有最佳的混响时间和良好的声扩散以外，早期侧向反射声起着重要的作用，它加强了直达声的强度和提高了亲切感。因此近年所建音乐厅无不考虑早期侧向反射声的设计。星海交响乐厅是通过侧墙、厢座栏板、楼座矮墙对所覆盖的听众席提供早期侧向反射声的；此外，壳顶下悬吊的反射体也给听众席提供顶部的早期反射声。

早期反射声的状况，可以通过脉冲声测定获得测点的反射声序列，并能计算求得声能密度。为了便于定量比较。目前常用早期声能与后期声能之比的C值作为评价指标。[4]时间的分界为80ms(以音乐丰满为主的厅堂)和50ms(以清晰为主的厅堂)。其表示式为：

声能比C80，又称明晰度，这是一项与早期声能相关的指标。L.L.Beranek建议以500Hz、1 000Hz和2 000HzC₈₀的平均值C₈₀(3)作为评价音乐厅的指标，其最佳值为0～-4.0。

交响乐大厅的噪声控制，主要解决单层壳顶的隔声和空调系统的消声和减振两方面：

交响乐大厅的墙体均为内隔重墙，只有壳顶暴露在室外，单层230mm厚的钢筋混凝土壳体，具有足够的空气声隔声量(基地噪声为67～71dBLeq(A))。但大雨冲击的撞击隔声量却很低，对此，做了隔离撞击声的构造，并在实验室内做了测定。其结果表明，实施的构造可以隔离大雨时的冲击声。

空调系统的消声和减振，是大厅获得良好听闻条件的最基本的保证。开启空调时厅内噪声不得大于28dBA，即以听不到空调噪声为设计指标。对此，采取了如下措施：

⒈在空调系统的管路系统内设置阻、抗复合型消声器，减低风机噪声沿管路传至厅内。

⒉防止气流噪声，限制流速：主风道低于6m/s，支风道低于3.5m/s，出风口低于1.5m/s。为实现这一目标，采用侧送、局部顶送(演奏台上方球切面，反射体间)，座席地面下回风的方式。

⒊送风与回风量相适应，即采用1:1的送回风比例。

⒋全部空调、制冷设备均做隔振处理，水泵、冷水机组采用SD型橡胶隔振装置；风机采用弹簧隔振器；管道用软接管，并用弹簧吊架。_[5]

有关其它的工程设备和需要隔声的构件，均采用常规的做法处理。

在交响乐厅即将竣工的前后，曾对所有各项声学指标进行了测量，并在竣工后的试用阶段，听取了乐团的意见进行了音质调试。

四交响乐大厅的声学测量

和音质调试

⒈声学测量

声学测量的内容包括响度、混响时间、脉冲响应、声扩散、声场分布、频率响应和噪声等七项。明晰度(声能比)C₈₀和低音比BR(温暖感)是根据脉冲响应和混响时间测定的结果计算求得。现分述如下：

⑴响度(L) ：

响度是演奏过程中代表音量大小的指标，最直接代表音量的是声压级。测点在楼座听众席的最后排，用Leq(A)进行测定，时间是3分钟。由于声压级随曲目的类别、时间而变化，不可能很精确。通过几个节目的测定结果，取其平均值为78～89dBA。

⑵混响时间(T) ：

混响时间共测定了四次，测定频率为63Hz～8 000Hz八个倍频程的中心频率。其结果是中频(500Hz)满场为1.82s，空场为2.19s。

⑶低音比(BR) ：

低音比(又称温暖感)定义为低频混响时间(T₁₂₅+T₂₅₀)与中频混响时间(T₅₀₀+T₁₀₀₀)之比，即：

根据实测混响时间求得的BR=1.13

⑷声扩散(d) ：_[6]

声扩散是通过配置在声透镜内的传声器旋转360°，测得来自各方向声压级的图形，由式(1)求得。测点选定在离声源15m以内的堂座和厢座内，因为离声源越远，扩散值d就越大。池座内4个测点方向性扩散，由式(1)求得的扩散值为d₁=0.87，d₂=0.85，d₃=0.93，d₄=0.91，平均值为0.89。

⑸声场分布测定(ΔL_p) ：

声场分布的状况是通过厅内各座席的声压级测定。其最大值P_max与最小值P_min的差值，即为声场不均匀度ΔLp(dB)。

ΔL_p=P_max-P_min(dB) (4)

大厅内测得的声场不均匀值为：

125Hz:5.3dB； 500Hz:4.5dB；2000Hz:6.2dB；

⑹频率响应(F) ：

频率响应是听众席任一位置上接收到的各频率(63Hz～8000Hz)的声压级值。各频率声压级的最大差值，为频率不均匀度F，应小于10dB。

全厅各区共测27个点，频率不均匀度F均小于8.5dB，频率响应的图形见图7所示。(图内仅列出12个测点)

⑺早期反射声时延间隙(t_I) ：

早期反射声测定是在演奏台上配置脉冲声源。在大厅的7个区内，选择有代表性的座席测定其反射声序列。时标为100ms，由图内可观察早期反射声的状况、反射声的时延间隙(tI)和计算求得明晰度C₈₀和C₅₀。在演奏台上声源取2个位置，S_1和S2，在厅内各区分别测定27个点。计54幅图。为压缩篇幅。在图8内仅列出S₁和S₂各7个测点结果。由反射声序列图可见，时延间隙(t_I)为3～7ms。

⑻明晰度(C₈₀(3) ：[4]

由早期反射声测定结果，可用式(2)求得500Hz、1 000Hz和2 000Hz三个频率的C₈₀值，然后取其平均值，即C₈₀(3)。同样可用式(3)求得C₅₀(3)的值。交响大厅七个区的明晰度C₈₀(3）的平均值为-1.43。

⑼噪声级(N) ：

噪声测定是在空调系统达到正常运行工况时进行的。测定值为26.5dBA，背景噪声为24.5dBA。

⑽音质缺陷：

音质缺陷没有做专门的测试，而是借助于脉冲声测定和混响时间测定所得的声衰减曲线进行分析，观察判别的，并结合耳听，确定厅内无音质缺陷。

通过上述10项声学指标的测定表明：交响乐大厅的声学设计达到了预期的指标。

⒉音质调试

声学设计的最终目的是为乐师和听众创造优异的演奏和听闻环境。各项声学参数虽然达到了国际上“顶级”音乐厅的指标，但是否能获得同等的主观评价呢？对此，由广州交响乐团进行多次配合演出，召开座谈会，听取各方面的意见，经归纳有如下几点：

·普遍反映混响时间长，因而层次不够，清晰度差；

·弦乐器部位(小提琴、中音提琴区)缺乏反射声，得不到演奏台侧墙的支持；

·打击乐和铜管乐声级过高，相应地弦乐声较低，影响乐声的平衡。

根据上述意见，采取了如下的改善措施：

⑴在演奏台上方的球切面反射体上，配置人工翻动的锥状可调吸声结构，使大厅混响时间可在1.66～1.82s之间调节，适应习惯于较短混响条件下演奏的国内乐团，满足层次和清晰度的要求。

⑵在演奏台两侧凹进的演员入口处，设置凸弧形活动声屏障，增加提琴区的侧向反射声，改善乐师的自我感觉。

⑶在演奏台和合唱队的两个后墙上，按原设计配置锥状扩散体，并在两个锥面上插入可调吸声板(一面为七合板，另一面为6mm厚阻燃毯)，用以加强演奏台的声扩散，以及必要时降低打击乐和铜管乐的声级，求得乐声的平衡和融合。

⑷在堂座走道和演奏台两侧楼梯上设地毯夹，以便在必要时，铺设地毯，进一步降低混响至1.5s。

上述修正措施，在近3个月内完成。

五音乐厅声学设计中几个问题的探讨

通过星海音乐厅声学设计的实践和调试、试用过程中我国音乐家们反映的各种意见，笔者认为有些问题值得研讨，以便给今后音乐厅的设计提供参考：

⒈关于交响乐大厅的“最佳”混响时间

世界著名的传统音乐厅混响时间都比较长。[7]这无疑对我国音乐厅的设计有较大的影响。星海音乐厅交响乐大厅的满场混响时间主要也是参考了传统音乐厅而确定为1.8s的。

但长的混响时间不适合国情。原因首先是我国的交响乐团，习惯于在较短混响条件下演奏。这是因为国内自然声演奏的厅堂没有达到满场1.8s混响时间的；其次是我国音乐家常以清晰为主要目的。正如我国著名指挥家严良先生在深圳音乐厅国际招标会上对音乐厅提出的音质要求是：“清晰、圆润、宏亮”。这在很大程度上代表了我国音乐界的意见。

国外的音乐家们也未必都喜爱长混响，例如：维也纳音乐厅的混响时间为2.05s，音乐家也有不同的意见：[8]著名音乐家、指挥家卡拉扬(H.V.Karajan)就提出：“……大厅唯一不足之处是难以显示出一些弓上和嘴唇上的技巧，相继的音符彼此被相互吞没”，这明确表明混响太长了。

考虑到建造一个音乐厅，不仅首先要满足国内音乐家对音质的要求，同时必须要适应国外乐团的要求，而国外近年新建的音乐厅几乎均在1.8s以上。此外，还要满足管风琴演奏和一些现代浪漫派音乐作品需要长混响的要求。在这种情况下，唯一有效的解决办法是采用计算机调控混响时间装置，而这种技术在国内已很成熟。星海音乐厅交响乐大厅在调试过程中就是追加了人工调控混响而同时满足了国内外音乐家的要求而获得好评的。

⒉音乐厅的形体

音质良好的传统音乐厅均为“鞋盒”式形体，尽端配置演奏台，由于跨度窄、容积小(座椅宽度和排距小)因而有较强的早期侧向反射声，且覆盖面较大。近年的研究表明：它是传统音乐厅所以能获得良好音质的重要因素之一。而近代音乐厅，由于容座大、又要求有舒适的座椅，势必容积大，在这种情况下，试图按：“鞋盒”式音乐厅的比例增大其尺寸去再现传统音乐厅的特色，是不可能的。这将改变直达声和反射声到达的时间和方向，从根本上削弱和恶化其效果，英国皇家节日音乐厅和台北文化中心音乐厅即为典型的例证。因此，对于大容积的交响乐大厅应在继承传统音乐厅良好品质的前提下，突破“鞋盒”式形体。

“葡萄园”式(或称“山谷梯田”形)即为一种比较适用的形式。它有可能缩短听众席后排至演奏台的距离，从而获得足够响度，这对于自然声演奏的大厅来说是至关重要的。如果演奏台周围逐渐升起的厢座和楼座栏板或矮墙设计得当，同样可以获得足够强的、覆盖面较大的侧向早期反射声。

至于音乐厅围护结构的几何形式(圆、椭圆、扇形、三角形等……)并不重要，不应约束建筑师的创作，但厅内装修所构成的空间形式应有利于声的扩散，这一点必须做到。

⒊关于音质效果的评价

音乐厅声学设计的最终目的是获得良好的听音效果，即满足听众主观感受的要求。因此音乐厅建成后，通过声学测量核对测定数据是否达到设计指标，仅完成了客观量的评价，还须进行主观评价。有关音乐厅音质的主观评价，国内外有很多方法，但较为简易有效的方法是通过乐团多种节目的演出，听取各方面的意见，进行统计分析，求得评价结果。但在评价的实际工作中，应注意如下两点：

⑴乐队在演奏厅内空场排练不能作为主观评价的依据。

这首先是因为乐队经常在容积小，混响短(一般为1.0s)的排练厅内练习。因而在混响长达2.0s以上的演奏厅内排练，反差太大；其次是空场时，演奏台四周的座席是空的，座椅有反射而影响乐师的相互听闻。此外，空场排练只能反映乐师在演奏台上的自我感受而不能评价大厅的听音效果。因此，主观评价时，至少应组织1/3满座的听众。既缩短了混响，又有听众和乐师两方面意见。

⑵正确、公正的评价需要时间

对新建音乐厅最初作出评价的是配合声学调试的乐队指挥和乐师，他们反映的实际上是演奏台上的自我感觉，而不是大厅的音质。如果是空场排练，则他们反映的意见多数是不可靠的，大厅公开演出后，厅内达到设计的声学状态，音乐家、音乐评论家和听众反映的才是真实的音质效果。但由于音乐家、指挥的知名度高，新闻媒界报导大厅的音质效果主要听取这些权威的评论，很少来自参加音乐会的听众。而正确、公正的评价最终应取决于包括音乐家在内的广大听众，这需要时间，一个音质优异的音乐厅，应经得起时间的考验。

⒋音乐厅屋顶结构的选择应多方考虑

音乐厅的屋顶采用何种结构是结构工程师的事。但不论选用何种形式，必须考虑音乐厅某些特殊的要求：

⑴演奏台上方的屋架应能承重较大的局部荷载，以便吊置重的反射体、灯具和一些机械设备。

⑵演奏台上方应有足够的高度，使台上的声反射板和照明灯有升降的空间，在音乐会开演前一般将反射板悬吊在高处，以便使听众看到演奏台的全景，特别当设置管风琴时，更希望大部分听众都能看到，演奏开始时，才降下反射板和灯具。

⑶在承重的屋顶下，音乐厅的吊顶上应设置一个工作层，以便配置和操作升降的机械设备和设置通风管道。同时，还可使屋顶有足够的空气声和撞击声的隔声能力。

星海音乐厅选用“马鞍”形壳体，从结构上没有体现壳体的优越性(壳体厚达220mm，同时又不能满足上述所提的要求。无论在声学和使用上带来很多麻烦)。

六结语

星海音乐厅的声学设计自1990年3月与广东省文化厅和华南理工大学签约承接任务至1998年6月13日启用，历经8年之久，在这期间进行了3次模型试验，4次现场测定，以及大量的声学构件实验室测定和计算工作，存积了大量资料，本文因受篇幅所限，仅作概要的介绍，供今后音乐厅设计参考。

星海音乐厅交响乐大厅在首演月期间，已有广州交响乐团、中国交响乐团，以色列和澳大利亚交响乐团，以及德国管风琴演奏家在厅内献艺。我国著名音乐家、指挥家李德伦、吴祖强先生、中国交响乐团指挥陈佐湟博士，以色列乐团指挥菲利普·恩特蒙，德国著名管风琴演奏家托斯腾·梅德等均对大厅的优异音质给予很高的评价。祈望该厅能在国际优异的音乐厅行列中，占有一席之地。

主要参考文献

[1]M.Barron,A.H.Marshall:J.Sound,vid,77.211～232(1981)

[2]Y.Ando.,戴根华译，中国科学出版社，1989.5.

[3]E.Meyer,D.Thiele,Acustica,Vol09,1956.

[4]L.L.Beranek,,1996.

[5]项端祈，<空调制冷设备的消声与减振>中国建工出版社，1990.11.

[6]Ma.Dayou(马大猷),Journal of Tongji Universty,April,1966(in Chinese).

[7]项端祈，《近代音乐厅建筑》，科学出版社，2000.3

[8]项端祈，<工程声学>P31，北京大学出版社，1996.9.

注：①建筑设计：林永祥(华南理工大学建筑设计院总建筑师)

装修设计：王中石(广东省集美设计工程公司总经理)

声学装修施工：钟一闻(广东省建筑装饰集团公司)

②冼星海：(1905.6.13-1945.10.30)现代作曲家。原藉广东番禺，他曾在北京艺专、上海国立音乐学院和法国巴黎音乐学院学习。1935年回国，参加抗日救亡音乐活动，1938年11月赴延安，任鲁迅艺术学院音乐系主任。1940年赴苏考察，1945年病逝于莫斯科。作品有《黄河大合唱》、《到敌人后方去》、《游击队歌》、《在太行山上》等500首。还有《满江红》等。

作者单位：北京市建筑设计研究院

收稿日期：2001年5月