同等条件下鞋盒式和葡萄园式音乐厅声学特性的对比分析

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　　[摘要]以潍坊音乐厅和盛京大剧院音乐厅为例，通过计算机模拟提供的声学参数彩色网格图和数据，比较分析同等条件下鞋盒式和葡萄园式音乐厅的声学特性的区别。
　　[关键词]音乐厅;体型;鞋盒式;葡萄园式;声学特性;建声模拟
　　文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.03.009
　　1引言
　　音乐厅最主要的两个建筑体型为鞋盒式和葡萄园式（也有称作梯田式）。鞋盒式音乐厅的特点是尽端布置舞台，窄而高的类似“鞋盒”形状，一层或多层楼座。葡萄园式音乐厅的特点是观众席围绕着舞台分区布置，缩短乐队与听众的距离，而且起坡也比较陡（视线好）。众所周知，世界上音质效果顶级的三个音乐厅（维也纳金色大厅、阿姆斯特丹音乐厅和波士顿交响乐厅）都是鞋盒式的。近年来，葡萄园式音乐厅因其良好的围合感、演奏人员和观众的亲近感以及建筑空间的美感而得到大量建设，如丹麦哥本哈根音乐厅（图1）、德国汉堡易北爱乐厅（图2）等。那么，这两类音乐厅在声学特性方面到底有什么区别呢？
　　世界上已经有很多文章通过大量的实测数据描述过两种体型音乐厅的区别。如Toyota等人（1988年）提出反射声能累计曲线（RECC），考察不同体型音乐厅内各接收点上的变化。近年来，他们对24个不同体型的世界著名音乐厅[其中，12个鞋盒式、7个非鞋盒式（除鞋盒式和葡萄园式以外的其他体型）、5个环绕形（葡萄园式）]，进行大规模且深入的RECC测量，每座音乐厅取15～25个接收位置上的RECC记录。按早期（80ms）、低频（125Hz/250Hz）的RECC来考核这些音乐厅。结果表明，10座最佳音乐厅中9座是鞋盒式的，而且它们在正厅池座和楼座之间差别很小。非鞋盒式音乐厅多处于RECC早期、低频的中档。葡萄园式音乐厅除了柏林交响音乐厅之外均属最低。有些音乐厅还由于楼座和正厅的音质差别很大，使得各方评价上出现较大差异。从这些音乐厅中选择了6个音乐厅的RECC早期、125的平均值进行比较（图3）。图3中上面两条曲线为矩形大厅，另四条曲线为环绕形大厅。
　　对比维也纳金色大厅、柏林音乐厅、柏林爱乐音乐厅、三得利音乐厅和札幌音乐厅（图4～图5）的G值，发现离声源同样距离处的G值，鞋盒式比葡萄园式要高（图6）。近舞台前排区两类大厅相差2dB左右，距离超过25m时相差3dB或更多。分析原因，鞋盒式音乐厅的乐队置于厅的一端，使侧墙向听众席的反射声限于90°之内，而葡萄园式音乐厅乐队则在厅的中央，它向四面八方作360°发散，环绕的听众席会把声音吸收掉，故而随距离衰减变大。
　　但是，这五个音乐厅的规模不同。从表1可以看出，三个葡萄园式音乐厅体量明显要比两个鞋盒式音乐厅大，这样的比较似乎并不公平。如果这两类音乐厅在同等规模条件下进行比较，它们的声学特性又会怎样呢？就如让同一重量级的两个拳手比赛，看看他们谁的实力更强。
　　中国的潍坊音乐厅（2013年，鞋盒式音乐厅）和盛京大剧院音乐厅（2014年，葡萄园式音乐厅），不仅在国内音质评价都比较好，规模和体量也差不多，而且混响时间的指标也比较接近（表2）。本文以潍坊音乐厅和盛京大剧院音乐厅为案例，通过计算机模拟分析提供的彩色网格和数据，比较直观地反映鞋盒式和葡萄园式音乐厅的声学特性。
　　2潍坊音乐厅和盛京大剧院音乐厅概述
　　2.1潍坊音乐厅
　　潍坊音乐厅（图7～图12）建筑平面呈鞋盒式，座位数、体积、混响时间见表2。舞台分为两部分，其中前半部分可升降，既可以作为舞台，也可以作为观众席，舞台上部悬吊反声板。舞台平均宽18m（前宽19m，后宽17m），深10m或12.9m，面积160m2或208m2，舞台面比池座第一排地面高0.9m。池座观众席共25排，前后高差（总起坡）为5.1m，平均起坡为0.20m。二层楼座共4排，前后高差（总起坡）为1.20m，平均起坡为0.40m。三层楼座共5排，前后高差（总起坡）为2.2m，平均起坡为0.44m。
　　2.2盛京大剧院音乐厅
　　盛京大剧院音乐厅（图13～图16）平面呈葡萄园式，座位数、体积见表2。舞台上部悬吊反声板，舞台宽度15.8m（前宽19.7m，后宽11.9m），深14.6m，面积190m2，舞台面比观众区第一排地面高0.65m。观众席布置在舞台周围7个大小不同、高低不等的区域，形成围绕舞台的“梯田”观众席。观众席池座共22排，前后高差（总起坡）为4.95m，平均起坡为0.24m。观众席梯田（舞台侧后区）共7排，前后高差为2.23m，平均起坡为0.32m。观众席梯m2（中区）共8排，前后高差为2.17m，平均起坡为0.31m。观众席梯m3（后区）共7排，前后高差为1.89m，平均起坡为0.32m。
　　3两种体型音乐厅的计算机模拟结果
　　本文计算机模拟软件采用丹麦技术大学开发的世界上公認建声模拟结果比较可靠的ODEON，版本为14.00Combined。适当调整潍坊音乐厅和盛京大剧院音乐厅的模型，使两个音乐厅在相同的座位数（以1200座计）、相同的体积（以15000m3计）、各界面材料的吸声系数相同、后墙都设管风琴和舞台上都设反声板的条件下（简称同等条件），进行计算机模拟对比分析。调整后的潍坊音乐厅和盛京大剧院音乐厅则分别称为鞋盒式音乐厅和葡萄园式音乐厅。由于音乐厅的体型相对比较复杂，难以精确地计算它们的体积，而且不同的软件计算的体积也不一样。为了验证它们的体积是否一致，打印了1：100的3D模型（图17～图18），用灌入水的方法证明它们体积完全一致。
　　鞋盒式音乐厅是凹凸有致（挑出的楼座）的瘦高型，而葡萄园式音乐厅则是典型的矮胖型。通过表3对比可以看出，最主要的区别在于鞋盒式比葡萄园式音乐厅的墙面面积大约500m2，约占葡萄园式音乐厅墙面面积的1/4，总表面积也相应地增加。 　　计算机模拟时，声源布置在离舞台前沿3m的中轴线上（距舞台地面1.5m高），因为左右对称，测点只布置在对称的一侧（图19～图20）。为了方便对比，把观众区分为五部分，池座、楼座、侧楼座、舞台侧面观众席（简称舞台侧座）、舞台后部观众席（简称舞台后座）。
　　3.1声学参量彩色网格的宏观对比分析
　　鞋盒式和葡萄园式音乐厅的声学参量彩色网格均为空场和1kHz的状态。
　　（1）与音乐的丰满度有关的声学参量（混响时间T30、早期衰变时间EDT和明晰度G80）对比分析（图21～图28）
　　（2）与响度有关的声学参量（强度因子G）对比分析（图29～图30）
　　（3）与空间感有关的声学参量（侧向反射系数LF、视在声源宽度ASW和听众环绕感LEV）对比分析（图31～图32）
　　空间感，包括早期声引致的视在声源宽度ASW和混响声引致的环绕感LEV。视在声源宽度ASW通常用双耳互相关系数（1-LACCB3）来评价，由于模拟软件不能模拟双耳互相关系数的彩色网格，只能用音乐厅各区域（1-LACCE3）的列表来反映（表4）。
　　根据soulodre，Lavoie和Norcross（2003年）推导的LEV公式（1）计算出LE瞄，音乐厅的各测点LEV的计算值见表5。
　　3.2主要声学参量的具体数值对比分析
　　对比同等条件下鞋盒式和葡萄园式音乐厅的主要声学参量，并和美国著名声学专家白瑞纳克写的《音乐厅和歌剧院》中推荐值进行比较（表6）。
　　3.3反射声纹理（序列）的对比分析
　　有些声学专家认为，反射声纹理能够更好地反映音乐厅的音质效果。
　　4两种体型音乐厅的不同之处及原因分析
　　同等条件的鞋盒式和葡萄园式音乐厅，对比分析后发现有以下不同之处。
　　4.1丰满度相关的声学参量（T30、EDT、C80）
　　鞋盒式的混响时间T30和早期衰变时间EDT比葡萄园式音乐厅明显要长（实测数据并没有那么大的差别）。相应地，鞋盒式的明晰度C80要比葡萄园式音乐厅小。也就是说，鞋盒式的丰满度要优于葡萄园式音乐厅。由于葡萄园式音乐厅观众席的坡度较陡（特别是舞台后部和侧部的观众席坡度更陡），观众席在声场中暴露更多，会增大吸声效果，导致葡萄园式音乐厅的混响时间偏短。
　　有资料显示，由于侧墙反射方向及位置布置的不同，为了达到同样混响效果，非矩形和葡萄园大厅的容积需要比矩形的增大6%～10%。因此，在做这两类音乐厅声学设计时，在同样混响时间指标要求下，葡萄园式音乐厅体积一定要比鞋盒式音乐厅大一些。每座容积同样是12.5m3/座，鞋盒式音乐厅已经偏大，而葡萄园式音乐厅尚显不足。因此，在确定音乐厅的每座容积时，葡萄园式音乐厅需适当比鞋盒式音乐厅大一些，如鞋盒式音乐厅通常取9m3/座～11m3/座，葡萄园式音乐厅可取11m3/座～15m3/座。世界上著名葡萄园式音乐厅的每座容积等参数列表见表8。
　　4.2响度G
　　葡萄园式与鞋盒式音乐厅的G平均值略大（5.7和5.5，但相差不大），且均匀性也要好。这是因为G与距离有关，G呈现出近大远小的特点，而葡萄园式音乐厅的特点就是观众席围绕着舞台布置，缩短了乐队与听众的距离，最远视距要比鞋盒式音乐厅短。由于鞋盒式音乐厅楼座观众席（离舞台比较远）布置的比较多，G的全厅平均值就会比葡萄园式音乐厅小。观众席座椅的布置方式与G值的均匀度相关，观众席环绕舞台布置的音乐厅G值的均匀度就高一些。
　　响度G值与离声源的距离、厅内的体积和吸声量成反比。离声源的距离越大，G值越小;厅内体积越大，则G值越小;厅内观众席的吸声量越大，G值也越小。文章引言部分描述的结论也没错（离声源同样距离处的G值，鞋盒式比葡萄园式要高）。由于列举的两个鞋盒式音乐厅（体积为15000m3、座位数约1600座）相比三个葡萄园式音乐厅（体积约为20000m3、座位数为2000多座）不仅体积小而且观众席的吸声量也小，导致G值就高了。
　　4.3空间感相关的声学参量（ASW和LEV）
　　可以看出，反映早期声引致的视在声源宽度ASW的两个声学参量1-LACCE3（0.68和0.68）、LFE4（0.23和0.20），鞋盒式音乐厅要略好于葡萄园式音乐厅。混响声引致的环绕感LEV（1.84和1.78）则是鞋盒式要优于葡萄园式音乐厅。总之，鞋盒式音乐厅的空间感要好于葡萄园式音乐厅。
　　4.4舞台支持度的声学参量ST1
　　通过在舞台上部悬挂反射板等措施，鞋盒式和葡萄园式音乐厅都可以改善舞台支持度到符合推荐值。
　　4.5反射声序列
　　从各测点的反射声序列可以看出，鞋盒式比葡萄园式音乐厅反射声更多、分布更均匀，反射声纹理也更好一些，正厅池座中间测点最为明显。原因分析如下：侧墙和多层侧楼座吊顶构成二次向下的、多层次的反射面组合，不仅增加了向下的反射声，而且排列也更均匀一些。而葡萄园式音乐厅侧墙和吊顶组合只有一种，因此反射声分布难以均匀。参见鞋盒式和葡萄园式音乐厅池座中间位置的剖面反射声对比图（图38）。
　　4.6不同区域观众席的差别
　　从声学参量彩色网格可以直观地看出，葡萄园式音乐厅舞台后部、侧部观众席与正厅池座观众席的声学参量（如早期衰变时间EDT、侧向反射系数LF和双耳质量指数BQI）差别比较大。由于葡萄园式音乐厅这样的位置比较多，因此影响整个音乐厅的音质效果。
　　5结语
　　总的来说，同等條件的鞋盒式比葡萄园式音乐厅的音质效果要好一些。除了响度、视在声源宽度ASW和舞台支持度相差不大外，丰满度、环绕感LEV和反射声序列，鞋盒式音乐厅要优于葡萄园式，而且葡萄园式音乐厅舞台后部、侧部及相邻观众席的声学参量相对比较极端，影响整个音乐厅的音质效果。
　　通过在舞台上部悬挂反射板等措施，鞋盒式和葡萄园式音乐厅的舞台支持度都能做到比较好，因此，指挥和演奏人员在舞台上并不会明显感到两者的音质区别。葡萄园式音乐厅的优点和缺点都很明显。优点是：拉近观众和演奏人员的距离，增加亲近感。观众席围绕着舞台布置，指挥和演奏人员有“众星捧月”的围合感。舞台后部的观众可以直接看到指挥的手势和面部表情，甚至可以让观众成为表演者一员的“切身”感受。观众席围绕着舞台分区布置，视觉上也比较有美感。缺点是：舞台正面、侧面和后面不同观众区的管弦乐平衡有很大差异，这不仅因为不同乐器所发出的声音有不同的指向性，还因为舞台一侧的听众离管弦乐队某一部分比另一部分更近。舞台后部的观众有其不利的一面，如演奏钢琴协奏曲时，琴盖向前敞开，使得坐在舞台后面的听者只能听到一些低音。对女高音演唱声也是如此，因为高音主要都是向前方发射的。
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