青岛国信大剧院大剧场声学测试

孙 艳，李国棋

（北京工业大学 剧场设计与舞台技术研究所，北京 100124）

青岛国信大剧院大剧场声学测试

孙 艳，李国棋

（北京工业大学 剧场设计与舞台技术研究所，北京 100124）

通过对青岛国信大剧院观众厅主要声学参数的测试，给出了该剧场的音质特性。此次测试采用了脉冲积分法，对两种不同的脉冲音源信号测试结果进行了比较，并分析了产生差别的原因。

青岛国信大剧院；厅堂音质；声学指标；声学测试

青岛国信大剧院坐落于美丽的青岛崂山海水浴场之滨，由大剧场、音乐厅、多功能厅等多个厅堂组成，经过近5年的建设，于2010年10月竣工。在该剧场即将投入使用之际，笔者对大剧场观众厅空场和满场的RT30、EDT、D50、C80、RASTI等观众厅声学参量进行了测试，给出了该厅堂音质特性。同时，对同等声学条件下不同发声源的测试结果进行了比较，分析了产生误差的原因。为类似大型观演厅堂的音质设计和声学测量提供了具有参考价值的实例。

1 概况

青岛国信大剧院的大剧场是一座以音乐类节目演出为主，兼顾会议使用、戏曲演出等的多用途剧场。观众厅设有一层池座和二层楼座，共有观众席座位1 600个（含池座包厢）。观众厅四周墙壁采用软包外贴木板装饰、装修，木质地板，软坐席。台口宽16 m，舞台上配备有大、小转台，全套台上机械吊挂设备，以及装备齐全的舞台照明灯具；观众厅台口扬声器暗装，两侧墙和后墙安装有环绕声扬声器。剧场平面图见图1。

2 测试方法及基本原理

混响时间是描述声能量衰减快慢程度的物理量，其定义为：在扩散声场中，当声源停止后室内声压级比初始稳定时的声压级下降60 dB所需要的时间。迄今为止，混响时间仍然是厅堂音质设计中最重要的参量。因此，声学测量中也以混响时间测试最为重要。另外还有D50、C80等与能量比相关的其他声学测量。

混响时间T60的测量方法之一——音源截断法采用粉红噪声作为声源，当室内声场稳定后，声源停止发声，让室内声场平稳自然衰减，同时，使用一只无指向性传声器接收测点处的声压信号，通过记录声能从-5 dB衰减到-35 dB所需的时间，外推计算得到衰减60 dB所需时间，得到混响时间。另一混响时间测量方法是脉冲积分法，该方法是Schroeder于1965年提出的①，采用猝发声测量混响时间，当声源发出δ脉冲，经壁面反射后形成反射脉冲，将直达脉冲到达测量点的时刻作为时间的起始点，测点先后接收到的直达脉冲与壁面反射脉冲序列称为室内对δ脉冲的瞬态响应函数。把脉冲的响应函数在时域上从时间t至∞作能量积分：

图1 剧场平面图及测点位置布置图

通过对室内的δ脉冲响应进行反向积分后，就能得到声能随时间的衰减曲线，从而可以方便地求出包括混响时间在内的许多声学指标。本次测试采用的是脉冲积分法。

采用脉冲积分法进行声学测试时，声源信号的选择非常重要。常用的有外部脉冲信号和数字化声源信号，以下对这两大类声源分别予以阐述。

2.1 外部脉冲信号

常用的外部脉冲信号包括气球破裂、电火花、发令枪等。一般来说气球破裂过程中，气体会突然膨胀，气球内压力迅速下降后，在惯性的作用下压力会达到比大气压还低的最低点，然后气体又变为收缩，这样来回胀缩产生振荡过程。由于这种气体的膨胀运动随机性很强，没有一定的规律可循，所以，产生的脉冲声并不是理想的脉冲信号，调幅波包络特性难以控制，实验可重复性差；另外，声音能量有限。因此，它只能适用于在混响时间较长的房间内进行较粗略的测量。②

电火花是由高压电源通过电感及可变电阻向电容充电后，电容两端电压达到一定值时，电容气隙内的空气被击穿产生火花放电而发出的脉冲声。由于放电电路中一般都存在一定的电感，它会与电容组成交变振荡回路，这样放电过程形成的衰减振荡并不规则。②瞬时声压起伏变化较大，虽然可以得到可重复的信号，但是相邻两次声脉冲的时间间隔较长，需要等待电容充电以达到放电所需要的高压，因此，不能保证测量工作的顺利进行，也与准确地测量不相符。

声学测量用发令枪多采用体育比赛用子弹发令枪，在枪上装上无头子弹扳动扳机就可发声，子弹在撞针的撞击下发生瞬时爆炸带动周边气体急剧膨胀，获得较为理想的δ脉冲信号。以发令枪声源的测量方法简单易行，可重复性效果较好，可获得较高的信噪比。另外，在测试中也可以直接听到厅堂中存在的明显声缺陷，例如：颤动回声。本次测试外部脉冲信号采用了该种声源。测试现场如图2所示。

2.2 数字化声源

由于外部脉冲声源存在的局限性，可重复测试的数字化声源信号在室内声学测量中得到了越来越广泛的应用，通过迭加技术、相关分析等数据处理手段来获得更细致、更精确的各种测量参量。常用的数字化声源信号有伪随机噪声、线性调频声和指数调频声。

伪随机噪声是一种用数学方法产生的周期性随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但是各个周期内的信号是完全相同的，这样，解决了测试信号的可重复性问题。它与理想的白噪声具有相同的统计特性，其自相关函数为δ函数。在频域上, 其功率谱与白噪声相同, 均匀平坦。测试时，通过计算测试点接收到的声压信号与发出的伪随机信号的互相关函数或互功率谱可以得到房间的响应函数h（t），由此，可以进一步计算房间的其他声学参量。此种方法最大的问题在于测量过程中，大多数扬声器会产生相当数量的谐波失真，并在脉冲响应信号中出现尖刺信号，影响测量结果的准确性。

线性调频声是一种频率随时间线性变化的特殊信号，调频声源发出的典型声压信号PA可表示为：

图2 发令抢声源和十二面体无指向扬声器

式中，A为振幅，φ为初始相位, 当时间从0至TN时, 相应的频率f从0线性增大至fN。可以把这种信号视为频率随时间单调提高的“准纯音”，在频域上功率谱为一平坦的直线。可以证明，这种信号的自相关函数也为δ函数。因此，可以通过与伪随机信号相类似的方法得到房间的响应函数，从而，可以进一步计算房间的声学指标。与伪随机声源相比较，此种信号源随机起伏较小，消除了谐波失真，因此，具有较大的优越性。②

指数调频与线性扫频信号的工作原理类似，只是信号在变化过程中，频率是随时间按指数关系增加的，并且扫过每个倍频程的时间是一个常数，同时，这种扫频信号能够获得更大的信噪比。本次测量的内部声源采用的就是此种指数调频声源。扫频声源信号经过高质量功率放大器放大后，推动声学测量专用十二面体无指向扬声器发声，如图2所示。

3 测试结果

本次测试采用脉冲积分法，分别采用发令枪声源和指数调频线性扫频信号声源进行了测试，测试现场如图3所示，工作场景如图4所示。

图3 测试现场

图4 测试工作场景

按照GBJ76-84《厅堂混响时间测量规范》的要求，将无指向性声源放置于舞台大幕线中央，距地面1.5 m，发令枪声源置于同一位置。无指向性传声器距观众席地面1.2 m，距声源4.0 m以上取测试点，由于该厅是对称的，选择12个均匀分布于观众席一侧的测点，各测点位置如图1所示。每点各测试3组数据取平均，发令枪声源测试每点放2枪。分别测量空场、满场状态下的混响时间、EDT、D50、C80、RASTI等指标。

3.1 脉冲响应曲线与房间响应函数

现场录制了每个测试点的脉冲响应声音。图5是直接录制的第4点（15排4号）发令枪声源脉冲响应图（空场），图6是MLS取样计算获得的第8点指数扫频音源记录到的房间响应函数（空场）。通过以上脉冲响应情况就可以分别计算出混响时间、早期反射声、D50、C80等与能量相关的厅堂音质指标。

3.2 混响时间（RT30）

观众厅混响时间（RT30）空场、满场测试结果统计如表1如示；混响时间频率特性曲线（发令枪空场、扫描音源空场、发令枪满场、扫描音源满场）如图7所示。

3.3 与能量有关的厅堂音质评价指标

各测点1/1oct声学指标测试结果统计如表2所示。

表1 观众厅混响时间（RT30）空场、满场测试结果

表2 各测点1/1oct声学指标测试结果统计表

表3 各测点RASTI和统计表

3.4 语言传输指数STI测量结果

STI（Speech Transmission Index，语言传输指数）是由荷兰TNO（The Netherlands Organization For Applied Scientif i c Research，荷兰应用科学研究组织）推荐的语言清晰度指标，并在IEC（国际电工委员会）刊物286号第16卷中规定了它的简化指标RASTI。③由于该剧场同时兼有其他功能，例如会议等，要求语言清晰可辨。该剧场的测试结果如表3所示。

4 结论

本次测试的脉冲积分法分别采用了发令枪声源和十二体无指向扬声器发声的指数调频扫频声源，测试结果基本一致。除低频个别情况外，其他频段的测试数值偏差很小，基本上在测量误差范围之内。

无论是发令枪声源还是十二体无指向扬声器发声的指数调频扫频声源，低频段测试数据都出现了一些较大偏差，测试数据不确定，出现较大离散情况，甚至测试仪器也计算不出有效的数据。究其原因也许是测试较大厅堂时，声源发声能量有限，不足以激发厅堂低频特性所致。这一点应当引起足够的重视，需要更加深入地研究。

另外，值得一提的是背景噪声对声学测试的干扰问题。测试结果和现场体验都表明，该观众厅背景噪声对听闻有妨碍，对声学测试影响更大，以至于开启空调排风时，无法使用扬声器发声的指数调频扫频声源进行有效的测试，当晚不得不关闭空调排风系统后才完成测试工作。由此可见，背景噪声控制仍然是厅堂声学设计中的薄弱环节。

注释：

① Schroeder MR, New method of measuring reverberation time. [J] J.Acoustics.Am. 1965, 37（3）:409

② 赵跃英，盛胜，刘海生. 室内声学测量中常用声源性能的比较. 声学技术，2003，Vol 22（2）76～79

③ 孙艳，李国棋. 潮州文化艺术中心剧场声学测试与音质评价. 演艺科技，2010（10），24

（编辑 潘 浪）

A Study on Acoustic Parameters Measurement with Qingdao GuoXin Theatre

SUN Yan, LI Guo-qi
（Theater Design And Stage Research Institute, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）

This paper presents a quantif i cational evaluation to Qingdao Guoxin Theatre via measuring on some main acoustic parameters. During the test sweeping integral and impulse sources were used and two different test results were compared analyzing the reasons of the difference. It presents a practical sample for architects on acoustic design of hall.

Qingdao Guoxin Theatre; acoustic; parameters; measurement

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.007