形式与设计原则(音乐厅的声学设计)

Posted 2023-05-25

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形式与设计原则(音乐厅的声学设计)

1、声环境概述

音乐厅的声学设计包括了建筑声学的全部内容，同时还涉及到生理和心理声学、音乐声学、电声学，以及数理、计算机和建筑技术等各个学科。因而，在音乐厅声学设计方面所取得的成就，都是在继承和发扬传统经验的基础上，运用现代新科技的结果。

1.1音乐厅的类别和规模

供音乐演奏（唱）的厅堂种类很多，其规模随类别和用途而不同。

1.1.1音乐厅的分类

音乐厅可按其演奏的内容、演奏台的配置方式和用途分类：

（1）按演奏（唱）内容可分为：交响乐大厅、合唱厅（或称演唱厅）、室内乐厅、多重奏或独奏厅等四类。由于不同音乐有各自的声学要求，因此，通常音乐厅建筑同时备有2个以上的大厅：

（2）按音乐厅演奏台的配置方式，可把它分为“尽端式”和“环绕式”音乐厅两种。前者把演奏台设在观众厅的尽端部位，这是一种传统的布置方式。它便于在演奏台的周围设置反射面，使听众获得足够的早期侧向反射声，但它的缺点是，在现代大容量的音乐厅内，后排听众离演奏台太远，从而造成声强不足的状况；后者是将演奏台配置在大厅的中间部位.在其周围配置听众席，这样可使后排听众更接近演奏台，但它的缺点是反射面仅限于大厅顶部和听众席的栏板。

（3）按音乐厅的用途可分为专业音乐厅（单一用途）、和多用途音乐厅两类。古典的、70年代以前修建的音乐厅、绝大多数是单一用途的音乐厅，例如专供交响乐或室内乐演奏的音乐厅等。但近十年来，业主们（甲方）为了经营上的目的，要求建造多功能音乐厅。同时要求建筑师能适应多得近乎不可能的程度：包括交响乐、合唱音乐、芭蕾舞、独奏音乐、戏剧、歌剧、摇滚音乐、电影展览、商业表演、会议、舞会和体育竞赛等。甚至连那些为专业乐团、剧团使用的单一用途表演厅也通常要求它能以其它不太专业化的用途上获取收益。因此，近年来建造的音乐厅多数设有可调混响、分隔空间等设施，以适应多用途的需要，这看来是一种不可阻挡的趋势。

1.2音乐厅的规模

音乐厅的规模包括容积和容量两方面，它与演奏（唱）内容、乐队规模和听众人数有关：

（1）交响乐大厅

交响乐大厅是音乐厅中规模最大的一类，其容量通常在1500~3000名听众的范围内。由于乐队声功率大，因此，要求每座容积在7~10m2左右。这样根据听众人数和每座容积就可粗略地确定大厅的容积。但当仔细推敲大厅的容积时，在考虑到听众人数的同时，还应考虑经常演出的乐队规模，否则当乐队人数较少时，便会感到音量不足。根据经验，可按乐队人数确定大厅的容积，对于一个多用途音乐厅来说，如果按交响乐大乐队确定了大厅的容积，当大厅进行室内乐。独奏（唱）音乐时就不适用；而作为其它用途：如会议、戏剧等就更不能适应。在这种情况下，必须选用一个折衷的容积或配置可调结构。

（2）室内乐大厅

室内乐大厅通常规模较小，听众人数一般在300~1000名左右。乐队人数不超过50名，由于室内乐主要为弦乐，声功率小。容量和容积过大会使听众感到音量不足。因此，每座容积一般不大于6m2。当乐队人数少于30名时，每座容积还应适当压缩。

（3）重奏（唱）和独奏（唱）厅

这类演奏厅的规模通常没有明确的规定或经验值，因为乐器的声功率差别很大。例如钢琴和铜管乐，甚至可在交响乐大厅内独奏；而小提琴和我国的胡琴、琵琶等就只能在较小容积的厅内演奏。因此，其规模应根据主要演奏的内容和听众人数来确定。

（4）合唱厅

目前专供合唱用的音乐厅仅在德国（德国称演唱厅）和荷兰有，其它国家都在音乐厅内兼用。其规模通常为200~700名听众，每座容积在5m³左右。

2、音乐厅体型设计

当拟建的音乐厅规模确定以后，建筑师首先遇到的问题是选择什么样的体形（平、剖面形式）才能既满足声学上的要求，又能适应现代音乐厅的尺寸、视线、舒适和安全方面的需要。同时又要给人以美的表现新科技的造形。矩形的所谓“鞋盒式”音乐厅是著名古老音乐厅的传统形式。它在声学上的特殊优势在于声反射的方向。每个听众都能接收到占主导地位的早期侧向反射声，而不是来自头顶的反射声。声音是在墙与天花的交界处、侧墙和楼座底层被反射的。通过双耳听闻，比较侧向声音信号到达的时间、响度和音调，对每个到达的声音“单元”，双耳听觉相干性为听众提供了它的方向，对于多方向声音，它使听众产生一种三维空间感。古老“鞋盒式”音乐厅在音质上的另一种优势在于它们比典型的20世纪音乐厅规模小。在小型音乐厅内声音的作用极强，短程的声反射加强了直达声。又由于人是主要的吸声因素，在大型音乐厅中，当声能被吸收而使强度减弱。在大容量的现代音乐厅中，为加强大厅中部的早期侧向反射声，可以通过采用倒扇形的平面形式和追加侧向反射板的方式得以解决。

山地葡萄园座席及环绕式厅：采用不规则平面及式座位区的新颖形式，并在座位布置中采用环绕乐台的新格局。所谓环绕式布局，即在乐队的后部设合唱区。当不需要合唱队时，合唱区就成为观众席。环绕式布局的优点是可争取较多的观众席靠近乐台布置，同时加强了乐师与观众的取系，活跃了音乐厅的气氛。缺点是由于乐器声的指向性主要是朝向前方，故位于乐台侧面和后面的座席音质较差。

带有可变耦合混响空间的音乐厅：这种耦合房间有的设置在乐台后侧，有的设置在观众厅上部，有的则设置在观众厅旁，还有的厅堂考虑利用地下空间声场的作用。总之，可通过宽度和高度的变化来创造可调耦合空间。对于各种平面形式，如圆形、多边形音乐厅也可以通过悬吊各种形式的反射板达到同样的目的。

3、音乐厅音质设计要点

音乐厅混响时间允许值为1.5~2.8s，低于1.5s，将被认为音质偏于干涩。混响时间最佳值为1.8~2.1s。最佳混响时间与音乐作品的体裁与风格有关。对于古典音乐，例如莫扎特的作品，最佳混响时间约为1.6~ 1.8s;对于浪漫音乐，例如勃拉姆斯的作品，最佳混响时间为2.1s;对于现代音乐，可控制在1.8~2.2s之间。混响时间的频率特性曲线可保持平直，或者使低音比，即125Hz与250Hz的混响时间与500Hz与1kHz的混响时间之比为1.1~1.25, 最大可达1.45。

音乐厅的座席最好控制在2000座以内。通常小于2000座的厅堂比大于2500座的厅堂容易达到优良的音质。在较小的厅堂中，亲切度和响度都容易满足要求，并且容易争取较多的侧向反射声能和达到良好的空间感。

音乐厅设计时应尽量少用吸声材料，同时座位区布置不应过宽，因为座席区的面积决定了观众厅的主要吸声量，过宽的座席将导致过量的吸声。此外，座席的包装也不可过分。包装过度的软席座椅容易在250Hz附近导致过度吸声，可能由此造成低音的损失。音乐厅内部应布置能扩散声音的构件，使声能均匀分布。良好的扩散还可改善音质的环绕感。

音乐厅的每座容积，大约为6~12m³/座之间。国外新建音乐厅的每座容积，多在7~11m2/座之间。音乐厅的体积不可过小，以免混响时间过短。

音乐厅楼座设计时，应使其下部的深度D不大于其开口高度H，同时其张角θ应不小于45°以避免造成声影区。

音乐厅的背景噪声标准采用NC15。鉴于空调系统的噪声已成为观众厅主要的噪声源，故对空调噪声控制应采取更为严格的措施，包括采用玻璃棉作为内衬的通风管道等。同时，应注意提高厅堂围护结构的隔声量，尤其当观众厅与排练厅和练功房相毗邻时，要求隔墙的隔声量达到80dB以上。

4、音乐厅乐台设计

音乐厅的乐台有两种基本类型，分别相应于鞋盒式及环绕式厅。前者可称为尽端式乐台，以波士顿音乐厅为典范；后者可称为中心式乐台，以柏林爱乐厅为典范。

尽端式乐台设于音乐厅一侧，乐台上的顶棚可与观众厅的顶棚同高，也可稍低，形成一个专门的乐台空间。乐台的侧墙一般为八字形，比观众厅的宽度稍窄，但也有与观众厅同宽者。设有专门乐台空间的乐台体积，约占观众厅体积的0.3~0.4。

中心式乐台则位于观众厅当中，但偏向一侧，因此没有专门的乐台空间。其四周为座位席所环绕，由台侧及台后座位区的拦墙围成乐台。由于乐台与观众厅浑然一体，其上空的顶棚常较高，因此乐台上方常需悬吊反射板来为乐师和观众提供早期反射声。这种反射板悬吊高度不宜超过6~8m。乐台的面积可按乐队和合唱队人数估计。计算时取:中高音弦乐器和吹奏乐器，1.25m2/人;大提琴和大的铜管乐器，2 m2/人;低音提琴，1.8㎡/人.打击乐，1~2 m2/人;合唱队，0.5 m2/人。因此，若考虑100人乐队演出时，约为150 m2，如再考虑独唱和独奏，约需180㎡。若考虑附加100人合唱队，应再加50 m2面积。据统计，旧的音乐厅之乐台面积平均为158㎡;新建音乐厅的乐台面积平均为203㎡。

乐台的形状应避免过深或过宽。太宽则坐在厅堂一侧的听众会先听到靠近他们的乐器。这种时间差对各声部的融合不利。过深则后面的乐器声到达听众的延时可能过长，以至人耳分辨得出，容易形成干扰。同时乐台过宽，也使指挥难以从整体上把握乐队。建议乐台的宽度控制在16.8m以内，深度控制在12m以内。乐台的高度不可压得过低，以便有足够的空间增加音乐的活跃度，同时避免造成声音的刺耳。对于有专门乐台空间的尽端式乐台，其顶棚平均高度可为8~13m。当乐台顶棚平均高度大于9m时，则两侧声反射墙相距应窄些，如小于15m，乐台深也不应大于9m。世界上较老的音乐厅，其乐台较浅平均深度为8.5m，但其顶棚较高，顶棚前部平均高为14m，后部平均高为12.8m。1928年以来建成的若干较新的音乐厅，乐台较深，达10.5~12m，顶棚则较低，前部高度为9~0m，后部高度为6~7m。当乐台较浅较窄时，顶棚则可较高;当乐台较深较宽时，顶棚可较低些，形状应不规则。

乐台附近应设置反射面和扩散构件，将声能有效地投射至乐师及观众席，改善乐师的相互听闻，同时保证声音在乐台区的融合和平衡。乐台地板应是架空木板。

案例：包头师范学院音乐厅

包头师范学院，坐落在享有“世界稀土之都”美誉的“草原钢城”——内蒙古自治区包头市。音乐厅声学装修要求以自然声为主、扩声系统为辅，按照经典专业音乐厅的设计理念，结合目前最先进的技术和设备进行设计，能够满足标准交响乐团、民乐团演奏以及合唱团、独奏(唱)的演出要求，兼具教研、实验、创作、交流、排演等功能，同时具备现场高品质同期录音功能、合唱台升降功能。在此基础上进行相应的音质设计及装饰效果设计，确定适宜的混响时间、响度、反射声等音质参量，避免回声、声聚集等声学缺陷，达到最佳的视听效果。

音乐厅室内平面为矩形，观众厅平面长为28.8米，宽为18.7米。厅内可容纳观众451，观众厅室内容积约为4088m3，折合每座容积为9.0m3，符合通常音乐厅内要求的每座容积在8～10 m3/座。音乐厅舞台演奏区的宽度约16米，最大深度约9米，可满足80～90人交响乐队使用。

该音乐厅主要用于演出中小型交响乐、室内乐、独唱、独奏等演出形式。其音质设计原则为一个以自然声为主要声源的厅堂，要求做到厅内响度足够、声场扩散良好、有丰富的前次反射声和侧向反射声、厅内无声缺陷及本底噪声足够低等，主要建声设计技术指标如表1-1所示。

音乐厅建声设计的主要特点以及技术措施包括：

1、将观众厅大顶棚设计成具有扩散反射的平板顶棚，采用面密度为30kg/㎡的GRG板，使顶棚产生很好的早期反射声效果。

2、舞台侧、后墙采用MLS扩散体，扩散体宽度为150～450mm不等。演奏台上空悬挂圆形透明声反射罩，材质为夹层玻璃，反声罩可根据音乐厅和多功能演出场所的功能进行高低及角度的变化，使场馆内的声学环境可依据演出内容进行调整，以达到最好的演出效果。

3、室内设计结合建筑设计风格，融合内蒙古当地传统元素，以蒙古包的结构架木样式，利用设计手段进行再造，运用GRG材料的声学反射特性设计墙面的扩散体，在延续自然和谐的民族风格的同时，丰富了室内造型，改善了声场分布均匀度；

在音乐厅的建声设计中还进行了声场计算模拟分析，目的是分析平剖面体形、验证设计并作声场预测评价。

从音乐厅音质计算机模拟结果显示，音乐厅具有较高的音乐明晰度和丰满度、足够的声音响度、合适的混响时间及良好的频率特性，同时具有丰富的早期反射声和侧向反射声。