剧院声频工程设计与应用

丁 雷

(江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405)

1 引言

随着我国文化事业的不断发展，各地开始兴建了大大小小的各类剧院与剧场建筑，既有欧洲的歌剧院，也有中国的戏剧院，以及话剧院、多功能剧院等等，这是一类涉及舞台表演的观演建筑，由表演的舞台区域与观看的观众厅区域两个相对独立的空间构成，两者通过台口相互连通。在建设过程中，人们也越来越重视剧院的音质设计与应用，本文将对剧院的声频工程设计与应用作系统论述。

2 剧院的建筑声学指标与设计

2.1 设计原则

剧院观众厅建筑声学的设计，既要考虑到音乐与人声的丰满度，同时又要兼顾唱词、语言的清晰度，因此混响时间通常比相同规模的音乐厅要短一些。对剧院来说要在音乐丰满，及唱词清晰度的最佳值之间取值，对于一般多功能的剧院，混响时间的最佳值要根据其规模，用途的不同确定，如图所示1所示，推荐值为1.4±0.1 s，剧院的舞台对混响时间也有一定的要求，一般在大幕落下，及常用舞台设置条件下，舞台空间的中频混响时间不应大于观众厅的空场混响时间。音质较好剧院的低音比要控制在1.05～1.3，强度因子G控制在3～5 dB，明晰度C80取值在0～-2 dB较为合适。

剧院建筑声学设计主要体现在观众厅的体形设计与装修设计，体形设计包括平面与剖面的形式，它关系到厅堂的音量，声强分布，声扩散，早期反射声的分布及消除音质缺陷等一系列的声学问题，因此，体形设计对厅堂的音质起到重要作用，剧院的体形如果设计不当会出现声聚焦、声影区、回声、颤动回声等声缺陷，如图2所示。而体形设计主要由建筑师负责，因此建声设计必须从方案的初期就要介入，目的是要把声学要求渗入到体形设计中去，才能为厅堂获得良好的音质奠定基础[1]。

2.2 观众厅平面设计

剧院建筑的平面有多种形式，从传统的马蹄形或近马蹄形的U形平面，到扇形、多边形、钟型，及不规则形状等，还有少数的圆形平面。

(1)马蹄形平面

巴洛克式马蹄形多层包厢的形式，由于具有良好的视觉观赏及听闻效果，对于剧院来讲是比较合适的，是一类广泛应用的平面结构，如图3所示。

马蹄形平面剧院国外有著名的巴黎国家剧院、伦敦皇家剧院、柏林皇家剧院、维也纳歌剧院、悉尼歌剧院等，国内有国家大剧院、江苏大剧院、闽南大戏院、盛京大剧院等。在容量相同的条件下，马蹄形剧院后排观众离舞台的距离较短，有接近的相同视距，建筑观感上也有较好的围合作用，增加了观看的气氛。在声学上，由于视距较短，而提高了直达声的强度，但马蹄形、U形及圆形平面，也会引起声音的聚焦现象，造成声场分布不均匀。马蹄形平面最大的缺点是台口两侧的观众视觉效果较差，且多层包厢上层的观众因俯角过大，也有相同问题，现代剧院中，把台口两侧展开成斜面，不设观众席，通过台口两侧向观众席的倾斜面加强厅堂内中前区域的侧向早期反射声，来获得较好的声场效果。

(2)扇形平面

扇形平面是对马蹄形平面的一种变革，利用几何原则合理的解决座位排列方式，可充分利用水平视角范围安排更多的观众座位，在解决厅堂内视线问题的同时改善了声学效果，常用于大、中型的观众厅，如图4所示。

扇形平面剧院国外有著名的拜罗斯歌剧院、东京新国立剧院等，国内有北京世纪剧院、青岛大剧院等。剧院中采用扇形平面会使大量坐席远离舞台，后排视距加长，直达声减弱，且厅堂中大部分席位得不到来自侧墙的早期反射声，这是一个比较大的缺点，但是如果把两侧墙做成多个平行于中轴线的台阶形状，就可以改善这一缺陷。扇形平面在声学上的优点是，观众厅大部分观众均在演唱声和音乐声指向性的覆盖范围内，另外全厅观众均在舞台120°的展开角范围内，因而有较好的视角，这对镜框舞台的现代剧场表演来说是非常重要的。

(3)钟形平面

矩形平面在台口两侧切角就构成了钟形平面，钟形平面的两侧墙为曲面，后墙结合座位的排列为弧形，可以看作是矩形平面的一种改进形式，如图5所示。

钟形平面剧院应用广泛，国外有著名的美国卡彭泰演艺中心剧院、巴黎巴士底歌剧院、西班牙贝尼多姆剧院等，国内有上海大剧院、北京天桥剧场、武汉琴台大剧院、深圳保利剧院等。钟形平面结构简单，绝大多数听众有较好的视角，且均在舞台演唱声与音乐声指向性的覆盖范围内。当观众厅跨度较小时，侧墙可给观众席提供较强的，大覆盖面积的侧向早期反射声，但当容量较大时，后排观众将离台口距离较远，而降低直达声强度，因此必须设置多层楼座或跌落式包厢来弥补这一缺点[2]。

(4)多边形平面

多边形平面是在扇形平面上切角形成的，减少了偏远座位，改善了视觉效果，但座位容量也有所减少了，由于其侧、后墙可以作为一次反声面，声场分布较均匀，如图6所示。

多边形平面剧院应用也广泛，国外有著名的法国第戎剧院、柏林德意志歌剧院、大阪NHK广播大厦剧院、加拿大哈默生剧院等，国内有北京中国剧院、北京保利剧院、河南艺术中心剧院、广州大剧院等。多边形平面的后部通常是倒扇形平面，即台口前侧墙向外倾斜，后侧墙向内倾斜。这样就可能使厅堂内的听众席获得覆盖面积较大的侧向早期反射声。同时，在池座周围设置多层包厢和逐层向台口伸展的跌落式包厢，这样不仅视觉好，同时使听众对舞台起到围合作用，提高了观演的亲切感。

(5)不规则形平面

不规则形平面有对称与不对称两种形式，而剧院使用的多为对称结构，采用不规则形平面主要是使剧院能够容纳更多的观众，同时能提供较多的侧向反射声。

总体来讲，剧院观众厅的平面设计要充分利用直达声，保证直达声可以到达到每个听众，要控制好大厅尺寸比例，避免过长，使观众席位尽可能靠近声源，一般剧院观众厅长度小于30 m，最大不超过36 m，设楼座时要求短而宽布置，夹角小于120°，最大不超过140°。并争取和控制好早期反射声。

剧院的平面结构设计时要注意前次反射声量多少的控制，使声场分布均匀，特殊形状应作处理。观众厅平面一般以钟形、矩形平面居多，如采用扇形平面，墙面与中轴的夹角要小于8°～10°。弧形墙面必须做扩散或吸声处理。一个简单几何形平面，如果不做特殊处理，视线最好的中前区将会缺乏一次侧向反射声。图7为各种类型观众厅平面形式与反射声分布情况，图中右侧部分为左侧部分的改善型。

2.3 观众厅剖面设计

观众厅的剖面设计，主要包括观众坐席与声源的距离，侧墙和后墙的反射声处理，以及台口与天花等设计方面的问题。

(1)观众厅的地面升起

人作为声源在舞台上的高度约为1.7 m左右，而舞台通常高出池座前排地面1 m左右，其总高度约为2.7 m左右。地面升起的坡度应根据声源高度和离观众席的距离，以及减少前排听众的声吸收来确定。单纯从增加直达声强度的要求出发，地面升起远大于视线设计的要求，并尽可能缩短声源与最后一排座席的距离，坡度升起较高，还可以减少乐池内演奏声绕过护栏时的衰减量，以此改善伴奏声的亮度。

(2)观众厅的顶棚设计

剧院中，观众厅顶棚的设计，主要是要解决以下问题，一是台口前吊顶和侧墙的展斜面要为池座前中区的观众，和乐池内的表演者，提供人声的早期反射声，以此提高演唱声的穿透力。二是使乐池内的伴奏声，均匀的反射至大厅池座后区，楼座及包厢内。三是大厅的吊顶形式应把演唱与伴奏融合后的声音均匀地分布全厅，并侧重加强后座的声压级。要实现以上的要求，有很多的方法，比如采用抛物线形的吊顶，如图8(a)所示，利用不同倾斜角的平板作为反射面，如图8(b)所示，或采用双曲凸弧面反射面作为吊顶等多种形式，它们的目的都是相同的，使厅堂内的声场更加均匀地扩散[3]。

各类顶棚在设计时，要充分综合考虑声吸收、声扩散与造型之间的关系，几种典型的顶棚结构声学特性分析如表1所示。

表1 几种典型顶棚剖面与声学特性

(3)观众厅的后墙设计

观众厅的后墙如果处理不当，容易在池座的前区与舞台上产生回声，特别是当后墙面呈现弧形结构，其曲率中心位于舞台或厅堂前区时，更易引起声聚焦，并加强回声，因此必须要通过吸声、声扩散或者改变后部倾斜面来加强后部声压的方式来做相应的声学处理，使厅堂内后墙的声反射得到有效处理，如图9所示。

(4)观众厅的包厢设计

剧院的出挑包厢，特别是侧墙上跌落式出挑包厢，它们包络在大厅的混响空间内，听音效果比传统凹进式包厢效果要好，它不仅可不受阻挡地接受来自舞台的直达声，同时通常有较强的侧向早期反射声，如果设计得当，出挑包厢内的音质要比池座与楼座更好，观众厅两侧墙的跌落式出挑包厢，对大厅的声扩散很有利，同时又减少了大片的平整墙体，对消除音质缺陷也有帮助。

(5)观众厅的挑台设计

挑台的主要作用是用来增加坐席，缩短后排观众到舞台的距离，但这样的设计会对挑台下的观众有所遮挡，设计不佳的话，会对直达声与反射声均有遮挡。合理的挑台出挑深度与开口高度之比合适的比值在1.5∶1左右，不应大于2∶1，其反射声的投射角应在25°左右，图10为几种正确的与错误的挑台出挑形式[4]。

3 剧院声学装饰材料的选择与布置

剧院中声学装饰材料的选择与布置，主要目的是控制观众厅的混响时间，并为观众席提供足够且均匀的反射声。对于混响时间，设计指标较长的剧院，如中频混响时间大于1.6 s，由于观众席有很大的吸声量，因此观众厅的其他界面几乎不能做任何吸声处理，而都应该选择声扩散材料，否则很难达到长混响的要求。在装修构造与材料选择时，应特别注意低频的吸声问题，装修材料要保证一定的厚度与密度，一般来说，木质材料的厚度应大于30 mm，面密度大于30 kg/m2。

对于混响时间设计指标中等的剧院，如中频混响时间在1.2～1.5 s之间，应在观众厅部分界面上布置一些吸声材料，观众厅后墙通常设计成强吸声构造，而观众厅的侧墙根据具体情况选择是否布置吸声材料，但一般情况下，台口两侧的墙面，如耳光处的墙面，多用于为池座中区的观众席提供侧向反射声，因此应选择声反射材料。观众厅的吊顶，一般应采用声反射材料，以便为观众席提供足够的反射声，但对于一些拱形或凹弧形的吊顶，则应考虑进行一定的吸声，避免产生声聚焦等声学缺陷。

对于混响时间设计指标较短的剧院，如中频混响时间小于1.2 s，则应在观众厅的大部分界面上设置吸声材料，如观众厅的后墙与侧墙等位置，一般短混响的剧院是以电声扩声为主，对反射声的要求不是太高，但在设计时也要注意，由体形设计可能引起的声缺陷。

吸声材料的作用主要是要控制混响时间，消除音质缺陷。多孔吸声材料对高频的吸声效果较好，薄膜及薄板共振吸声结构，对中低频的吸声效果较好，穿孔板共振吸声结构，其吸声性能可由吸声材料及空腔的深度来进行选择调节。总体来说，吸声材料与构造的选择确定，要注意声波低频、中频、高频吸收的平衡，保证所需的音色，还要与厅堂的室内装饰装修做好配合，在布置时，要遵循以下原则：

(1)要使吸声材料充分发挥作用，应将其布置在厅堂内最容易接触声波和反射次数最多的表面上，通常顶棚和地面反射次数要比侧墙多一倍，因此许多厅堂把吸声材料布置在顶棚上，但如果要利用顶棚作声反射，就要把吸声材料设置在其他易与声波接触的表面上。

(2)舞台附近的顶棚及侧墙均采用吸声系数小的材料来布置，以便把有用的前期反射声(35～50 ms)反射到观众厅的后部。

(3)为了不使后墙反射回来的声音(大于50 ms)影响观众的听觉，厅堂中常需要在后墙护墙板以上部分设置较高吸收系数的材料(α>0.7)，以减弱回声强度，不易被听众发觉。过高的顶棚，过大跨度有可能会产生回声，也应在适当的位置布置吸声材料来解决。

(4)一般来说，舞台台口四周的墙面、天花、侧墙下部应布置声反射性能好的材料，以便向观众席提供早期反射声，观众厅的后墙宜设置吸声材料或结构，以消除回声干扰，如所需吸声量较多时，还可在大厅中后部的天花、侧墙上布置吸声材料与结构。

(5)对于有高大舞台空间的表演大厅来说，观众厅与舞台空间通过舞台开口成为耦合空间，当舞台空间吸声较少时，就会将较多的混响声返回给观众厅，使观众厅的语言清晰度降低，因此，应该注意舞台上应有适当的吸声，吸声材料的用量应使舞台空间的混响时间与观众厅基本相同为宜，至于耳光室、面光室内部也应适当布置一些吸声材料，使它们的开口处成为一个吸声口。

室内音质设计中，并不是所有的声场环境都需要增强吸声材料，有时为了获得较长的混响时间，必须控制吸声总量，尤其是对剧院更是如此，而且除了建筑装饰中应减少吸声量外，对座椅的吸声也必须加以控制，如椅背不宜过高过宽，以减少吸声量[5]。

4 剧院扩声系统设计

在现代剧院中，大部分都是各类文艺类节目的演出，扩声系统是必备的。由于音乐等文艺类演出的动态范围较大，为达到演出效果，最大声压级一般情况下要达到103 dB以上，如要求达到震撼的效果，有时就需要更高的声压级。演出时，音乐与文艺类节目的频带范围很宽，因此就要求扩声系统具备较高的传输频率特性，另外对传声增益、声场不均匀度、语言传输指数、系统总噪声级等参数均有一定的要求，其声学指标如表2所示。

表2 剧院扩声系统声学特性指标

等级最大声压级传输频率特性传声增益稳态声场不均匀度语言传输指数系统总噪声级总噪声级文艺演出类一级额定通带内,≥106 dB80～8 000 Hz的平均声压级为0 dB,在此频带内允许-4 dB～+4 dB 的变化,40～80 Hz和8 000～16 000 Hz的允许变化范围为-6 dB/oct100～8 000 Hz平均值≥-8 dB100 Hz时≤10 dB,1 000 Hz时≤6 dB,8 000 Hz时≤8 dB>0.5NR-20NR-30文艺演出类二级额定通带内,≥103 dB100～6 300 Hz的平均声压级为0 dB,在此频带内允许-4 dB～+4 dB的变化,50～100 Hz和6 300～12 500 Hz的允许变化范围为-6 dB/oct125～6 300 Hz平均值≥-8 dB1 000 Hz、4 000 Hz时≤8 dB≥0.5NR-20NR-30多用途类一级额定通带内,≥103 dB100～6 300 Hz的平均声压级为0 dB,在此频带内允许-4 dB～+4 dB的变化,50～100 Hz和6 300～12 500 Hz的允许变化范围为-6 dB/oct125～6 300 Hz平均值≥-8 dB1 000 Hz时≤6 dB,4 000 Hz时≤8 B>0.5NR-20NR-30多用途类二级额定通带内,≥98 dB125～4 000 Hz的平均声压级为0 dB,在此频带内允许-6 dB～+4 dB的变化,63～125 Hz和4 000～8 000 Hz的允许变化范围为-6 dB/oct125～4 000 Hz平均值≥-10 dB1 000 Hz、4 000 Hz时≤8 dB≥0.5NR-20NR-30

大型剧院剧场的扩声系统一般采用集中式布置。通常会将扬声器系统布置在台口上方的音桥内，这样可以使声音有更大的覆盖范围，有利于提高厅堂的声场均匀度。剧院剧场的扩声系统按声道数来分，常见的为单声道、双声道、三声道系统等，如图11所示。

单声道扩声系统一般用于语言为主的厅堂，如话剧院等，将扬声器系统设置在舞台上方的中央位置，这样语言清晰度较高，声像一致性也较好。双声道扩声系统用在体形较窄的中小型文艺类演出场所，主扬声器系统设置在舞台上方两侧或舞台两侧上方，这种扩声方式的立体感较强。三声道扩声系统用在体形较大的文艺类演出场所，将左、中、右三路扬声器布置在舞台台口上方位置，大大增强了空间的立体感。

台口上方声桥布置扬声器对于前区的观众来说，声像感会遭到破坏，感觉声音是来自舞台上方，而且对于一些挑台较深的厅堂来说，挑台下方靠后的位置声压级有可能会不足，要解决这些问题，一般采取以下方法：

在台口两侧较低的位置布置扬声器系统，将前区观众的声像感拉回到舞台中，而且可以补充覆盖挑台下方主扬声器声场难以到达的区域。

如果剧院台口较宽，对于偏向一侧的观众来讲，可能会感觉声音来自舞台的一侧，而不是舞台中央，这种情况下可以在乐池栏杆上设置一系列小型扬声器系统，将声像拉倒舞台中，进行较准确的声像定位。

在一些特别长的厅堂，或者挑台特别深的厅堂，为了提高声场的均匀度，会在主扬声器系统覆盖不足的区域增加一些辅助扬声器，但要注意与主扬声器的声程差，利用哈斯效应设置好延时，否则会导致观众听到两个声音，同时要注意音量的调整，不能让观众感觉声音是来自于辅助扬声器，同时还有注意不同扬声器的参数，尽量减少音色差，尤其在低频部分。

在一些剧院中，为了制造一些效果声，还会在舞台内及观众厅的周边墙面上设置一定数量的效果扬声器，整个扩声系统的扬声器布置如图12所示。

因此在剧院的扩声系统中通常要求在以下位置设置扬声器，具体工程项目可根据需要进行取舍。

台口上方。这是扩声系统中最重要的扬声器系统，为能有效地覆盖全部观众席，通常设置在舞台外台口上方，观众席吊顶内最前部位，一般可根据台口的高度、宽度及观众席的宽度不同，设置中间一组、左右各一组、左中右各一组这三种形式。

台口两侧。该组扬声器设置在观众厅内台口两侧，主要用于前区的补声，同时使台口上方扬声器系统的声像下移，起到拉声像的作用，该扬声器应与台口上方的扬声器同时使用，宜采用相同型号的产品，以免造成音色上的差异。

台唇。该组扬声器设置在舞台台唇或乐池栏杆上，主要用于前区补声并兼拉声像的作用，由于舞台位置有限，宜选择尺寸较小的扬声器组。

舞台流动扩声。该组扬声器是临时设置在舞台台口两侧，根据演出需要进行流动设置，使用时由台口的综合接线箱内引出信号。

侧墙、顶棚扬声器。观众厅内的侧、后墙及顶棚位置可设置效果扬声器，用于演出中的效果声还音，电影放映时，也可作为环绕扬声器系统使用。

补声。一般设置在眺台下沿，用于弥补观众厅眺台下声音的不足，多采用安装小功率吸顶扬声器的方式来实现。

固定返送。通常在舞台内的上下场台口的侧墙或台口中央位置设置固定的返送扬声器，朝着舞台方向播放，给演出人员使用。

流动返送。在一些大型演出节目中，还要在舞台上设置流动返送扬声器，信号从舞台上的台板或综合接线箱内引出。

在剧院中，为了满足各种扩声、录音及监听功能的需要，应在必要位置上设置足够多的传声器插座箱，一般包括舞台台面的舞台传声器插座箱，位于乐池内的乐池传声器插座箱，位于舞台顶部的天棚传声器箱，以及位于观众厅前部吊顶下用于录音的三点吊传声器，还要配置一定数量的无线传声器[6]。

剧院等场所扩声系统的音频信号流程如图13(a)所示，系统基本构成如图13(b)所示。

5 结语

剧院中的演出集合了演唱、音乐、诗歌、舞蹈等多种艺术形式，由于歌剧、戏剧等节目中的对白对语言清晰度有一定的要求，因此剧院的混响时间设置不可太长，但也不可太短而影响音乐丰满度，近年来建设的一些剧院一般折中选取混响时间为1.4 s左右甚至再略低一些。由于语言在表演中所占的比重较大，因此为了确保厅堂内一定的响度，就要求观众与舞台之间的距离更近一些，同时要保证较低的噪声环境，以增强声音的穿透力。如果只是单纯的剧院，其每座容积推荐值为5.5～6 m3/座，如兼为音乐厅使用，可放宽至7 m3/座，剧院内的总容量不宜超过1 500座，否则难以有足够的音量与良好的音色作为支撑。

随着声学理论的日益成熟，声学设计的不断深入发展，各种各样的声学材料与构造做法在剧院建筑的声学设计中被广泛采用。而且，随着声学技术的不断改革创新，一些新材料、新构造形式不断地涌现出来，将为剧院建筑的声学设计注入更多新的活力。