音乐厅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

十八世纪中叶，英国牛津建设了世界上的第一个真正意义上的音乐厅——霍利威音乐厅，从十九世纪开始，人们建设了许多闻名于世的音乐厅，如维也纳音乐厅、柏林音乐厅、波士顿交响乐大厅等等，我国的第一个现代音乐厅是1998年建成启用的星海音乐厅，其后又建设了深圳文化中心音乐厅、上海东方艺术中心音乐厅、国家大剧院音乐厅等一系列高水准的音乐厅，音乐厅与剧院一样，也属于观演建筑，其声频工程的设计与应用在许多方面与剧院是相似的，但也有不同之处，其主要特点是演出区域与观众区域同处于同一个空间之内，而且以自然声演出为主。本文将对音乐厅的声频工程设计与应用作系统论述。

2 音乐厅的建筑声学指标与设计

2.1 设计原则

音乐厅的建筑声学指标在许多方面同剧院建筑是相似的，但在一些参数要求上又有所不同。以自然声演出交响乐的大型音乐厅为例，混响时间的设计要满足音乐的丰满度，因此需要较长的混响时间，一般其中频混响时间控制在1.8～2.0 s之间比较合适，小型的室内音乐厅中频混响时间控制在1.2～1.6 s之间比较合适，独奏(唱)音乐厅中频混响时间控制在1.2～1.4 s之间比较合适，表1是一些公认的音质较好音乐厅的中频混响时间(满场)。

表1 部分音质较好音乐厅的中频满场混响时间

音乐厅名称容量/座容积/m3每座容积/(座/m3)混响时间/s维也纳音乐厅1 68015 0008.92.05柏林音乐厅1 57515 0009.52.1肯尼迪艺术中心音乐厅2 75919 2007.02.0

表1 部分音质较好音乐厅的中频满场混响时间

音乐厅名称容量/座容积/m3每座容积/(座/m3)混响时间/s法兰克福音乐厅2 09925 00010.31.9巴塞罗那音乐厅2 34016 8007.21.8广州星海音乐厅1 43712 4008.61.65～1.82北京中央音乐学院音乐厅7805 0006.41.18

通常情况下，混响时间T60是指中频(500 Hz)时的满场混响，但不仅仅是中频混响时间的满足就可以获得音乐厅内对音质的要求，音乐厅内要求在相当宽的频率范围内的混响时间都要能达到预期的最佳值，才能适应多种乐器宽泛的频谱，这就要求提升低频段，使得低音更加的丰满而增加温暖感，高频段要与中频段保持平直，以确保高音的亮度，这就对音乐厅的低音比提出了要求。对于混响时间为2.2 s的音乐厅，低音比BR的较佳值为1.1～1.25之间比较合适，混响时间低于1.8 s的音乐厅，低音比BR的值应小于1.1，其他混响时间值的音乐厅低音比BR可采用插入法确定[1]。

强度因子G反映的是响度的瞬态值特征，强度因子G与音乐厅的早期衰变时间EDT及厅堂的体积比有一定的关系，该值与EDT基本成反比，Gmid为500 Hz与1 000 Hz时的平均值，在音乐厅设计中，Gmid的最佳值在4～5.5 dB之间，图1为在一些音乐厅中测量的Gmid和早期衰变时间EDT及厅堂体积比之间的关系。

明晰度是厅堂内早期声能(80 ms前)与后期声能(80 ms后)之比取对数的分贝值，评价越高的音乐厅明晰度C80就越小，一般都小于0，较好音乐厅的C80(3)值(500 Hz、1 kHz、2 kHz这三个倍频带的明晰度C80平均值)在-1～-4之间。C80(3)的值与混响时间有关，满场中频混响时间越长，C80(3)的值越小，一些音乐厅测试的空场C80(3)与满场中频混响时间之间关系如图2所示。

早期反射声初始时延间隙t1是重要反射声与直达声之间的延时，表明了厅堂听感的亲切度，是聆听者对表演者的一种认同感，该值越短，亲切感越好。由于音乐厅中各个位置的t1并不相同，一般采用池座中央位置的t1来表明该厅堂的亲切感，优秀的音乐厅该值在12～25 ms，中值为16 ms，良好的音乐厅该值在20～40 ms，中值为28 ms，一般的音乐厅该值会更长一些。

侧向反射声系数LF反映的是厅堂中来自侧向的声能，会影响聆听者的空间感与包围感。对于优秀音乐厅来说，侧向反射声系数LF会大一些，一般在0.18～0.23，中值为0.20，良好的音乐厅该值在0.11～0.20，中值为0.16，普通的音乐厅该值在0.10～0.14，中值为0.12。

2.2 音乐厅体形设计

音乐厅的建筑声学设计重点同样包含了观众厅的体形设计与室内声场处理设计，体形设计包括音乐厅的体积、容量、规模、平剖面形式等，关系到音乐厅内的混响、声强、声扩散、早期反射声分布及消除声缺陷等一系列声学处理问题[2]。

2.2.1 观众厅平面设计

音乐厅的平面形式要有利于声场的均匀分布，侧墙要能为观众席提供覆盖面足够大及声压足够的侧向反射声，要尽可能地缩短后排听众与演奏区域的距离，大型的音乐厅一般不超过30 m，中小型音乐厅控制在20～25 m，以保证音的足够声强度。考虑到演奏者声音的指向性，厅堂内大部分的观众席应该在演奏区域中心线的120°～140°的展开角范围内。内部装饰设计不能出现声聚焦、回声、颤动回声、共振等声学问题。

(1)矩形平面

最传统的音乐厅采用矩形平面设计，也称鞋盒形，如维也纳音乐厅、波士顿音乐厅、柏林音乐厅等，如图3所示。

这类音乐厅的长宽比例通常为2:1，演奏台配置在长端的尽头，这种形式当宽度较窄时，可以为听众席提供较强的早期侧向反射声，且覆盖范围较大，全部听众席均在演奏席展开角120°的范围内，因此，乐器声与演唱声均有较好的方向特性。但这种体型，因为有一对平行的侧墙，会产生颤动回声，因此需要在侧墙上面设置一些声学扩散结构，来破坏颤动回声的产生，而且这种体型的厅堂容量较大时，后排坐席离演奏区域的距离就会变远，因此会造成音量不足。

(2)扇形平面

扇形平面的优点在于可以消除两侧平行墙面的颤动回声，以及容纳较多数量的听众，因此，大容量的音乐厅采用这种形式的较多，如札幌音乐厅、首尔艺术中心音乐厅、东京大都会艺术中心音乐厅、凯尔贝斯音乐厅等，如图4所示。

但这种形式的缺点是绝大部分的听众席不可能获得足够的早期侧向反射声，且弧形的后墙容易引起声聚焦，而不得不设置吸声材料，从而降低了混响时间，影响音效，因此近年来新建的音乐厅已较少使用大倾角的扇形平面。

(3)六角形平面

不等边的六角形平面，综合了矩形与扇形平面的优点，又修正了各自的缺点，从而形成一种适合于音乐厅的平面形式，使观众席完全处在倒扇形的平面之内，既能够符合声学上的条件，又能满足大容量观众的特点，因此，六角形平面在音乐厅的建筑实践中被广泛采用。如东京文化馆音乐厅、新潟演艺中心音乐厅、河北艺术中心音乐厅、南宁民族宫音乐厅等，如图5所示。

(4)椭圆形平面

椭圆形平面在界面上的声反射会引起声聚焦，由于它在纵向轴上有两个焦点，在演奏台上的声音会在另一个焦点汇聚，使声场出现极度的不均匀，但如果在厅内壁面上设置强吸声材料或结构，又会降低混响时间，影响听感，因此在音乐厅的声学设计上尽量不要采用这种形式。但如果把椭圆用足够尺度的折线内切于弧形周线，就将形成对声反射较为有利的一种形式，能够使侧向早期反射声覆盖全部的听众席，并且拥有足够的强度。椭圆形平面音乐厅有新西兰克雷斯特彻音乐厅、香港文化中心音乐厅、上海东方艺术中心音乐厅，最著名的还是巴黎音乐城音乐厅，它可以通过改变观众席与演奏台的位置，满足交响乐及各类表演的需要，如图6所示[3]。

(5)圆形平面

音乐厅的平面采用圆形，能够让更多的听众靠近演奏台，但这种平面极易产生声聚焦，造成声场的不均匀分布以及引发回声与多重回声等声缺陷，如果在厅内大量设置强吸声材料与结构，又会缩短混响时间，不能满足音乐厅内自然声演出时长混响的要求，因此需要采用足够尺寸的声扩散体或S形矮墙来破坏大弧度凹形平面，采用圆形平面的音乐厅有丹佛伏埃彻音乐厅、科隆音乐厅、路易汤姆斯音乐厅等，如图7所示。

(6)多边形平面

多边形平面的音乐厅有对称与不对称两种结构，对称形的常见为八角形，是在六角形平面的基础上又增加了一对较短的平行墙面，可更加有利于声场的扩散，但厅内中、前区域的反射声将弱于六角形平面。对称多边形的音乐厅有悉尼歌剧院音乐厅、大阪交响乐大厅等。如图8所示。不规则平面的音乐厅较少，最主要问题在于施工的困难，较著名的音乐厅有赛杰斯特罗姆音乐厅、加的夫音乐厅等，如图9所示。

(7)梯田山谷形平面

在一些大容量的音乐厅中，传统平面的设计会使后排的听众距离演奏台过远而影响听感，人们设计出了梯田山谷形平面的音乐厅，如图10所示，最先采用该设计的是柏林爱乐交响乐大厅，此外还有柏林室内乐厅、慕尼黑加施泰许交响乐大厅等。这种类型的音乐厅提升了大容量体形后排座位的听感，拉近了演奏人员与观众之间的联系，但由于演奏台被四周的观众席所包围，演奏人员之间的相互听闻需要乐台上方的反射板来支持。

(8)马蹄形多层平面

在一些大容量音乐厅中，会将观众厅分为两部分，前半区为矩形平面，后半区为半圆形平面，两者结合后再追加多层包厢，如图11所示。这种体形有利于获得更多的侧向早期反射声，但在弧形墙面处需增加声扩散结构，这类音乐厅有洛桑文化会议中心音乐厅、费城金默尔演艺中心音乐厅等[4]。

2.2.2 观众厅剖面设计

音乐厅观众厅的剖面设计，主要包括地面的起坡，天花的形式，楼座出挑与开口之比等内容，与剧院声学设计相似。但音乐厅的地面起坡可比剧院要高一些，以便减少声音掠过听众席的声吸收，获得足够的直达声。天花的设计要能使演奏台上的声音，均匀的投射至整个观众大厅，能给观众席前、中区域提供早期顶部反射声，它除了可增加直达声的强度以外，还可有效地降低座椅吸声的低谷效应，在设有楼座与挑廊的音乐厅中，应尽可能压缩楼下凹进空间的深度与开口高度的比例。剧院设计中2∶1的规律在这并不实用，这是因为顶部反射声难以投射至凹进较深的楼厅下部，降低了音量，致使声场不均匀。凹进的小空间，混响时间短，并与大厅构成耦合空间，开口处的声场起伏很大，改变了音乐固有的音色。出挑很深的跳台，台下坐的听众接收不到大厅上部传来的反射声，因而感觉大厅没有混响声，如果挑台很深，而且开口不是很高，那么直接从舞台传来的直达声也将受到抑制。图12中的(a)图挑台开口很高，挑檐对听众几乎没有影响，(b)图中挑台也只是遮挡了少部分坐席，挑台的形状也有利于声波投向听众的头部位置，顶部来的反射声很容易被反射到所有的坐席，(c)图中上层挑台的听众具有较好的听闻条件，但中下层挑台的坐席有部分不能接受到顶部来的反射声，尤其是在后部的位置。

2.2.3 音乐厅反射构件设计

大部分音乐厅，尤其是梯田山谷式观众席的音乐厅，演奏区域都处于整个大厅最低的位置，演奏台距音乐厅的屋顶距离最远，所以屋顶结构不但很难向观众席提供早期反射声，而且乐队之间的互相听闻也存在很大问题，解决这个问题的方法就是在演奏台的上方悬吊反射结构，设计演奏台上反射结构，能够保证为观众席的前、中区域提供早期顶部反射声，加强观众席后区声压级强度，改善演奏者之间的听闻条件，如图13所示。

演奏台上的声反射结构表面采用硬质材料，如木材、GRG等，结构一般采用两种形式，一是将反射结构做成一个整体，其优点是反射性能好，反射强度高，但其重量比较大，但构建较为复杂，二是将反射结构设计成多个单独的小型反射板，其优点是重量轻，结构简单，调整灵活，但有可能会漏掉一些反射声，影响反射声的强度与范围。设计时，这些顶部的声反射结构最好做成可升降及角度可调，以给乐队及前排听众更多的早期反射声[5]。

3 音乐厅扩声系统设计

音乐厅一般以自然声演出为主，尤其是在古典音乐时，是不用扩声系统的，因为扩声系统不可避免的会对原声产生一定的影响。

但现代音乐厅通常还要进行一些需要扩声系统的音乐演出形式，比如现代音乐的演出，声功率较小民族音乐的表演，以及合奏时各乐器声压存在差异需要补声，另外还需要报幕以及解说等等，因此，大型音乐厅可以设置两套扩声系统，一套用于音乐演出的活动安装扩声系统，可按文艺演出类扩声要求来设置，一套用于报幕，解说的固定安装语言扩声系统，可按会议类扩声要求来设置，如表所示2。但总体来说，音乐厅的扩声系统不能喧宾夺主，因此扩声系统的设计、安装、使用都应遵守该原则。

音乐厅的大型扩声系统一般不建议固定安装，一是因为音乐厅没有舞台及台口，扬声器较难隐蔽安装，只能明装，会破坏音乐厅建筑的整体协调，与演出的内容风格也格格不入。二是在音乐厅中悬挂安装众多的大型扬声器，会使观众无法判断演出的声音是自然演奏还是来自于扩声系统，甚至会产生该音乐厅音质不佳的感觉。因此扬声器采用活动安装较为合适，需要使用时再进行安装。由于音乐厅的混响时间较长，为了控制声音辐射的方向角度以及保证语言的清晰度，近几年在音乐厅的扩声系统中使用线性阵列较多。

表2 音乐厅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,40～80Hz和8 000～16 000 Hz的允许变化范围为-6 dB/oct100～8 000Hz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会议类一级额定通带内,≥98 dB125～4 000Hz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/oct125～6 300 Hz平均值≥-10 dB1 000 Hz、4 000 Hz时≤8 dB>0.5NR-20NR-30会议类二级额定通带内,≥95 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4 000～8000 Hz的允许变化范围为-9 dB/oct125～4 000 Hz平均值≥-12 dB1 000 Hz、4 000 Hz时≤10 dB≥0.5NR-25NR-35

音乐会等演出过程中通常需要报幕，有些音乐作品还有语言对白或旁白，而语言的声功率较低，因此需要单独的扩声系统。语言扩声系统对声压级和频带的要求并不是很高，最主要是要求保证清晰度。而音乐厅中一般混响时间较长，混响半径较短，为了提高语言的清晰度，就应尽量增强直达声的声能。由于语言扩声系统是固定安装，因此扬声器不可太大，并要和室内装修协调。这些扬声器的功率有限，安装使用一般采用分散扩声的方式，清晰度较高，声场较均匀，但有些位置会出现声像不一致的情况，影响观众的听感。在有些音乐厅中会将语言扩声扬声器开孔安装在演奏台上方的声反射板中，这种方式可保证较好的声像一致性，但也有可能会给反射板的声学反射性能带来影响。

在音乐厅中，需不需要扩声，怎样进行扩声，是一个值得探讨的问题，这既是管理问题，也是技术问题。在音乐厅内要通过传声器布置、扬声器摆放等，努力做到有效地拾音、不知不觉地发声，即达到扩声的目的，又不失演出效果的高雅。

交响乐队分弦乐、管乐、打击乐与弹拨乐四大乐器组，乐队的组成与演出乐曲相关，无论是作曲还是配器，都会追求每一种乐器其自身的音量与独特的音色，以及各种乐器之间的音量及音色等的平衡，创造出音量、音色、旋律的和谐美。因此，凡是在音乐厅演出的交响乐不需要扩声，优美的自然声完全能够满足观众的需求，让观众聆听到乐器本身的声音。另外铜管乐、打击乐等音量较大的演出，平均声压级达到88 dB时，也不需要进行扩声。合唱是最能体现出音乐厅优美的音质，不要随意扩声。同样，民乐中的古琴、阮等乐器声音虽小，但如果数量足够多，当具有很好的乐队组合，各种乐器音量平衡时，为了让听众欣赏到音乐厅本身的音色，一般也不进行扩声。

但某些乐器本身的声功率就小，不足以让音乐厅中大多数听众轻松地听到乐器的演奏，造成距离远的观众听不清，甚至听不到声音。这种乐器本身的音量都成问题，就更别说与乐队配合共同演奏的情况了，当然也就谈不上轻松地欣赏音乐的美。另外，乐器与乐器间的音量大小相差悬殊。因此，如果是这些乐器进行独奏，或是以他们为主进行演出的情况下，形成就需要有针对性地对某一乐器进行适当的补声。这种方式可适用于某些民族乐器独奏，或与乐队的合奏，既可以解决独奏乐器与伴奏乐队的音量平衡，适当地突出独奏乐器的声音，又可较好地解决了自身音量小的问题[6]。

通常人讲话时的声音比唱歌时要小很多，不足以使音乐厅中每个观众都能听见与听清，因此在进行诗朗诵、报幕、解说、领导讲话、广播等都需要使用扩声。

4 结语

现代音乐厅的声学设计是在传统音乐厅的基础上不断改进与完善的，在保持传统音乐厅声学优点的同时要解决大容量坐席问题。要最大限度地降低厅内的声吸收，尤其是大容量音乐厅内座椅对声波的吸收，还可通过设置混响可调装置，来满足不同音乐风格对声场音质的要求，同时，音乐厅一般位于城市的繁华地段，要做好隔声与减振工作，防止噪声及振动对音乐厅的影响。