长沙音乐厅的声学设计

文立森　杨志刚　李佳菊

[摘要]介绍长沙音乐厅交响乐大厅的建筑声学设计及音质效果，分析其主要的声学音质参量指标，并通过音质计算、音质模拟以及缩尺模型实验的结果与实际验收测试结果的对比，分析不同设计验证方式的特性及准确性。

[关键词]建筑声学；混响时间；音质参量；缩尺模型

文章编号：10.3969/j.issn.1674—8239.2016.04.006

长沙音乐厅位于湘江与浏阳河交汇的新河三角洲滨江文化园内，是滨江文化园的灵魂建筑，按照正规音乐厅标准建设，于2006年8月21日奠基施工，并于2015年12月28日首演。音乐厅以“经典艺术的斤欠赏殿堂、群众艺术的展示舞台、高雅艺术的教育基地、文化艺术的交流平台”为目标定位，力争打造成为湖南省内顶尖、国内一流、国际知名的音乐厅。因此，其优良的音质效果是至关重要的环节。

1.建筑概述

长沙音乐厅总建筑面积约28 000 m²，建筑高度约28m，主要包括1 400余座交响乐大厅（湘江大厅）、490座多功能厅及198座室内乐厅。

主厅即交响乐大厅，1446座、总面积约1790 m²，厅内形制为不等边多边形（见图1）；长约47m，最宽处约41m，最高处约17m；最远座位距离舞台指挥位置30m（见图2）。楼座呈梯田形散布在舞台四周（见图3），能满足大型多编制交响乐团的演出。下文以该厅为例介绍建筑声学的设计。

2.建筑声学设计

2.1混响时间

混响时间是建筑声学设计中最主要的声学参量。根据音乐厅主要演出大型交响乐的功能定位以及观众厅的规模和容积，中频（500H7～1000H7）混响时间（满场）RT应达到1.9s±O.1s，且要求混响时间频率特性为中高频基本平直，但高频允许下降10%～20%，低频混响要求有10%～20%的提升，低音比BR值为1.1～1.25。各频带混响时间设计值见表1。

2.2其他主要音质参数

其他对建筑声学音质影响较大的重要声学参量也需要相应的设计要求。其中包括与混响感相关的早期衰变时间EDT、与声音响度相关的强度因子G、代表音乐可分辨程度的明晰度C80、与声音空间方向感相关的侧向反射系数LF、与观众亲切感或临场感相关的初始时延间隙ITDG，以及与舞台乐手相互听闻感受相关的舞台支持度ST-eady。各主要音质参量设计值见表2。

2.3声场不均匀度

进行交响乐、室内乐等以自然声为主的演出时，要求厅内前区和后区的声场强度差别应小于6dB，横向中区和左右两侧区域的声场强度差别小于3dB。该音乐厅1446座交响乐厅声场不均匀度△LP≤±3dB。

2.4本底噪声

在空调、通风系统正常运行的状态下，厅内本底噪声不大于NR-25噪声评价曲线要求；空调关闭时不超过NR-20噪声评价曲线，相应的A声级不超过30dBA。

2.5总体音质评价

观众厅的音质应保证观众席各处有足够的声音响度、均匀的声场分布、合适的混响特性、足够的早期反射声和侧向反射声，并有良好的清晰度和丰满度。观众厅内任何位置无回声、颤动回声、声聚焦等声缺陷。

2.6观众厅内形体声学要求

为达到上述音质设计目标，需要对交响乐厅的平剖面体形以及每座容积进行调整。在与建筑及室内设计师的沟通协调中，对建筑及室内的方案侧墙进行适当微调，尽量满足观众区各位置声学早期侧向反射声；对建筑及室内方案的吊顶进行调节，尽量满足观众区各位置声学要求的顶面反射声及厅内每座容积；打破建筑形体上的凹弧结构，防止声音聚焦；尽可能结合室内装饰的风格对各个声音反射面做扩散、微扩散处理，使声音扩散、声场均匀。

2.7观众厅内表面声学材料要求

交响乐厅内各个表面声学材料的选择与配置位置及其数量关系到厅内声场的分布和扩散性能，更关系到厅内混响时间及其频率特性的控制。因此，对下列表面材料提出了相应的设计要求：

（1）观众厅地面

为避免地板共振吸收过多的低频声，采用实木地板并将龙骨间隙填实。

（2）吊顶天花

声学上要求吊顶天花具有较强的反射，同时还要求减少对低频的吸收，保证一定的刚度和防火等级要求。因此，采用增强纤维预制石膏板（即GRG板）吊顶，其面密度大于40kg/m²。

（3）墙体

对楼座及池座而言，交响乐厅内墙体都是十分重要的早期声反射面，这些墙面能向观众席提供较多的早期反射声能，提高观众位置上听音的空间感。因此，墙面声学要求尽可能厚实、坚硬，主要起到声反射的作用，充分利用声能而尽可能减少声吸收。采用如下做法：

①在原有结构墙面上安装预制的增强玻璃纤维石膏板，再设计GRG或GRC（玻璃纤维增强水泥）扩散造型。此构造刚度较好，造型新颖，其表面贴上木皮也可达到木饰面的装饰效果，其面密度均要求大于50kg/m²。

②在原有结构墙面的基础上实贴（或外包）实木，实木面层可结合装修做装饰处理，既可以美化装修，又起到扩散作用；实木面层做防火处理，其面密度均要求大于50kg/m²。

两种做法都根据室内设计方案做成横竖向凹凸条纹及分层的构造，较好地解决了厅内声场的扩散问题（见图4）。

（4）座椅

观众席是交响乐厅内最重要的吸声面，中高频的吸声量占到整个交响乐厅总吸声量的80%左右，对厅内的实际混响时间影响很大。因此，选择座椅的形式及用料并控制其声学性能，成为交响乐厅音质设计的重要环节。对于该交响乐厅，要求座椅在空椅和坐人两种条件下的吸声性能尽可能接近，使得在空场和满场条件下观众席厅内的声场音质效果无较大的变化；坐垫翻动时不产生噪声，尤其不允许产生碰撞声；座椅宜采用木靠背及木扶手，靠背宜留木边框，同时靠背软垫不需太厚；坐垫下底面宜做吸声处理，建议选用局部穿孔木板面。

3辅助设计措施

在音质设计时主要使用的辅助设计措施有三种。

3.1混响时间计算

混响时间计算是建筑声学设计最基本的要求，计算公式如下：

其中RT为混响时间（s）；V为音乐厅的体积（m³）；s为音乐厅内表面积（m²）；百为平均吸声系数；4m为空气吸声系数。

根据使用材料，其材料吸声系数取值如表3所示，计算得到混响时间如表4所示。混响时间计算结果满足设计指标要求。

3.2计算机模拟辅助设计

计算机声场模拟是现代建筑声学设计的重要方式。该音乐厅设计采用的计算机模拟软件为丹麦技术大学编制的ODEON 9.2版本。ODEON建声模拟软件是世界上公认模拟结果最可靠的建声模拟软件之一，已广泛地应用于厅堂音质设计、音质评价、声场特性研究等领域。选取楼座池座12个位置进行模拟平均，模型按实际建筑图纸等比例尺寸建立，模拟设置材料吸声系数按混响时间计算用的材料吸声系数，即表3所示。计算机ODEON软件模拟结果如表5所示。

3.3声学缩尺模型实验

声学缩尺模型试验既是厅堂音质设计的一个重要辅助设计方法，也是厅堂音质预测评价中有效的检验方式。该音乐厅的实验模型按1：10的比例模型按纵轴线分左右两半制作，最后密封拼合而成，观众席座椅采用PVC板雕刻成型并铺贴织物制作（见图5）。在1：10模型的混响室中进行了模型坐席吸声系数的实测试验：测得座椅在相当于实物的1kHz倍频带单位面积吸声系数为0.89，接近满场座椅单位面积吸声系数的设计值0.85。模型主体的地面、墙面及顶面均由GRG板表面打光，刷油漆制作。先经1：10模型内未放置座椅的缩尺模型现场测试，并由实测混响时间换算得到GRG表面的10kHz吸声系数为0.072。

测试采用线性调频信号作为声源信号，通过接收信号与声源信号的反卷积获得模型声场的脉冲响应。测试的频率范围为中心频率10000Hz（相当于实物1000Hz）的倍频带。按模型测试时的温度、湿度等气象条件，根据IsO9613—1国际标准的要求，将1：10模型的10000Hz倍频带空气吸声修正为温度20℃、相对湿度50%时厅堂在1000Hz倍频带的吸声。测试声源采用高频无指向性六面体扬声器、BK41381/8”无指向性电容传声器，搭配BK2690前置放大器及Fireface UC声卡。测试选取了16个测点进行平均，测试结果如表6所示。

4.建筑声学测试结果分析

4.1现场测量结果

长沙音乐厅在首演前进行了现场建筑声学测试工作。测量采用IS03382国际标准要求进行，测量设备采用丹麦B&K 7841-DIRAC Room AcousticsSoftware建声测试分析软件、丹麦B&K 4292无指向球面声源、丹麦B&K 2734测试功率放大器、丹麦B&K 1704-A-002信号放大器、丹麦B&K 2250手持声级计、德国SENNHEISER MKH800无线测试传声器（可调指向性）、德国SENNHEISER SKPSOO无线发射系统、德国SENNHEISER EW500无线接收系统。空场测量均匀选取厅内16个位置测点进行平均，现场进行了空场和满场的测量，但满场测量现场背景噪声较大，测量信噪比略低。测量结果如表7所示。

结果显示：长沙音乐厅交响乐大厅（湘江大厅）建筑声学设计比较成功，混响时间很好地控制在设计推荐值范围内，其他参量也满足设计值或在可以接受的设计误差范围内，客观音质达到了较好的效果。在主观评价上，音乐厅首演邀请了国际十大交响乐团之一的以色列爱乐乐团与国际著名指挥家祖宾·梅塔进行演出，声学音质效果也得到了好评。

4.2结果对比

对建筑声学音质设计过程中的混响时间计算、计算机模拟结果、缩尺模型测试结果与现场实测结果进行对比。

混响时间特性对比如图6所示，总音质参量对比如表8所示。

结果显示，在混响时间的控制上，不论是公式计算、计算机模拟还是缩尺模型的验证，在混响时间的长短和频率特性上都得到了较准确的验证结果。这也说明了前期建筑声学设计过程中混响时间控制方式及技术的准确性和有效性。在不同验证方式的对比上，缩尺模型的验证结果较其他措施混响时间略大。缩尺模型材料的选择及测试过程中的测试试验误差，以及经过缩尺比例的转换过程中的误差放大等都有可能造成模型测试的结果与实际厅堂的音质结果出现偏差。

在其他音质方面，早期衰变时间设计及实测都是在空场条件下进行，计算机模拟与缩尺模型为满场条件，参考混响时间的结果空场比满场高O.25 s，预计计算机模拟结果略小，缩尺模型试验结果与实际值较相符；对于强度因子G值，计算机模拟相对偏短，空场满场条件会略有差别，但预计对比结果偏差不大；明晰度c。相对实测值计算机模拟偏大，缩尺模型结果偏小，但都仍接近设计指标；侧向反射声能比LF，计算机模拟结果大于实测，也都在设计范围内；舞台支持度ST实测结果偏小于实测结果，原因可能是由于现场乐队乐器阻碍，测点选择较少所导致。

5.结语

长沙音乐厅交响乐大厅（湘江大厅）的建筑声学实测结果表明声学音质效果达到了设计指标要求；同时未发现音质缺陷及设计的失误，主观音质效果也得到了实际运用的认可。

该项目设计的成功，也表明了目前主流的音质设计辅助方式——音质时间计算、计算机软件模拟及缩尺模型实验验证三种方法的准确性。三种方法互有利弊：音质计算方便快捷，起前期估算作用，但仅能计算混响时间；计算机模拟可以对各个参量全面的模拟分析，精度高、成本不高，但由于算法原因，其对实际声场模拟的真实程度还有待提高；缩尺模型则为真实按比例还原厅堂的实际声场条件，理论上可以推导出实际声场状况，但对制作模型的精度、测量仪器的准确性要求较高，成本较大。三种方法相辅相成，对高音质要求厅堂设计起重要作用。

以上介绍了长沙音乐厅的交响乐大厅的声学设计及其结果，并分析设计过程及多种辅助设计方式的特性及准确性，对音乐厅等高音质要求厅堂声学设计具有一定的参考价值。