盛京大剧院的声学设计

盛京大剧院的声学设计acousticsdesign；reverberationtime；clarity；lateralreflectioncoefficient；soundfieldintensity盛京大剧院原名“沈阳文化艺术中心”，于2014年9月改名。盛京大剧院位于沈阳五爱浑河隧道以西、青年大街以东；浑河北岸、沈水路以南，占地面积约65143m2,建筑面积85509m2,包括主体建筑面积67000m2和大平台下建筑面积18000m2，主体建筑包括地下一层和地上七层，建筑髙度为60m。2011年6月开工建设，2014年9月全部完工，总投资约10亿元。盛京大剧院的结构设计较为新颖，地上结构为2个不的钢筋混凝土空间结构竖向叠在一起（音乐厅叠在综合剧场上），成为一个在水平和垂直方向都极不规则的钢筋混凝土空间结构体系，屋盖钢结构为“大跨度非常态无序空间网壳结构”，如图1所示。钢结构屋盖外形呈现钻石外观，由36组预埋钢件、26个铸钢节点、89根钢结构主构件和576根次构件组成，钢结构总用钢量近12000t,单根主构件最长达63m,最大重量约98t,主构件最大壁厚达75mm；铸钢节点最大重量达103t,最大壁厚达120mm，属特殊超大超重节点，其结构体系在国内已开工的建筑钢结构工程中实属罕见。功能及建筑概况盛京大剧院主体建筑内设1200座音乐厅、1800座综合剧场、500座多功能厅共3个演出场所。整个建筑的平、剖面图见图2和图3,利用“钻石”玻璃幕墙的髙低位置合理布置3个演出场所。多功能厅和综合剧场舞台机械比较多,结构荷载比较大；音乐厅舞台机械比较少（因此机械噪声和振动影响就比较小）且演出为自然声（相对于扩声系统声压级就比较小）。因此,将音乐厅叠在综合剧场上、多功能厅上部设置为大堂,是最合理的布局。盛京大剧院启用后,预计每年举行200多场演出,其中有100场政府财政补贴的惠民演出,是沈阳市民欣赏多种艺术形式的场所。音乐厅音乐厅平面呈梯田形，舞台平面呈扇形，采用“岛式”舞台设计，如图4〜图6所示。舞台前宽约19.7m，后宽约11.9m，深约14.6m；舞台面比观众区第一排地面髙0.65m；舞台后墙至观众区后墙水平距离约36.8m。演奏台的上空设计悬挂透明反射板，使观众厅的前中区听众获得较多的早期反射声，同时能够增加指挥与乐队、乐师与乐师之间的相互听闻。观众席布置于演奏台周围7个大小不同、髙低不等的区域，形成围绕演奏台的“梯田”型制。观众席池座为全台阶形式，共22排，前后髙差（总起坡）为4.95m,平均起坡为0.24m,观众席池座末排的视点俯角为11.3°；观众席梯田1（演奏台侧后区）共7排，前后髙差为2.23m,平均起坡为0.32m,观众席梯田1末排的视点俯角为12.5°；观众席梯田2（中区）共8排，前后髙差为2.17m,平均起坡为0.31m，观众席梯田2末排的视点俯角为15.4°；观众席梯田3（后区）共7排，前后髙差为1.89m,平均起坡为0.32m,观众席梯田3末排的视点俯角为12.4°。综合剧场综合剧场共1810座,其中池座1110座、一层楼座360座、二层楼座340座。观众厅建筑平面呈传统的马蹄形,观众席包括池座和三层楼座,池座为全台阶形式,共20排,前后髙差（总起坡）为4.198m,平均起坡为0.22m；—层楼座为台阶式楼座，共3排,前后髙差（总起坡）为0.653m,平均起坡为0.33m；二层楼座为台阶式楼座，共4排,前后髙差（总起坡）为1.3m,平均起坡为0.32m；三层楼座为台阶式楼座，共4排,前后髙差（总起坡）为1.8m,平均起坡为0.45m。如图7〜图9所示。舞台平面呈品字形，总面积为2213m2,舞台包括一个主舞台，2个侧舞台和1个后舞台。主舞台宽度32m,深约25m,面积846m2；侧舞台宽度18.8m,深约25m,面积468m2；后舞台宽度21.9m,深约19.7m，面积431m2；舞台面比观众区第一排地面髙1.07m。音控室、灯控室在池座的后墙当中；多功能放映厅在一层楼座的后墙当中；追光室在二层楼座后墙当中。多功能厅多功能厅共500座，建筑平面呈矩形；舞台平面总面积约181m2；舞台包括一个主舞台，二个大小一致的侧舞台；主舞台宽度18m,深约8.6m,面积154m2；侧舞台宽度8.4m,深约8.4m,面积70.5m2；舞台面比观众区第一排地面髙0.3m。观众席分为升降活动座椅,池座为全台阶形式,共19排,前后髙差（总起坡）为5.1m,如图10〜图12所示。音控室、灯控室、同声传译室、放映室在后墙上部。多功能厅的机械设计主要是为满足不同用途需求而实现各种功能模式。最小升降板为1mx6m长条，共90个长条，升降最大髙度为4.8m；6个长条组成6mx6m的方形单元，共15个单元，其中观众区中间部分的9个单元还可以旋转。通过长条和单元的升降和旋转可变化成不同的功能模式，如会议模式、剧院模式、“T”台模式、伸出式舞台模式、中心式舞台模式和半岛式舞台模式共6种模式，如图13〜图18所示。三个演出场所主要功能和建声设计指标音乐厅可满足各种类型的大型交响音乐会；综合剧场主要用于大型歌舞剧（含芭蕾舞剧）、综艺节目的演出及会议，兼演话剧、戏曲等；多功能厅主要用于综艺节目演出及会议，兼演话剧、戏曲等。三个演出场所的具体建声设计指标详见1。观众厅表面装修用材的声学设计要求经过音质设计计算和计算机模拟分析，从建声设计角度对观众厅各部位装修用料、配置及构造设计进行说明。观众厅内地坪及走道音乐厅和综合剧场的观众厅内地坪用料为木地板，龙骨间隙填实以避免地板共振吸收低频。墙面音乐厅和综合剧场的观众厅墙面可选用GRC板、GRG板或木装修，但装修材料的面密度需为50kg/m2。音乐厅墙面采用密度为50kg/m2的桦木饰面板，大墙面做扩散处理，矮墙面板向前略倾，有利于声能向观众区反射。综合剧场的观众厅墙面采用密度为50kg/m2的GRG板（表面有凹槽起伏微扩散处理）。多功能厅墙面主要为木装修，并做扩散和穿孔吸声处理。天花在声学设计方面，天花起到重要的前次反射声作用，因此，要求在屋架荷载容许的条件下，尽可能采用较为厚重的反射型天花，以避免过多的低频声能被吸收。如此，音乐厅和综合剧场的吊顶采用面密度为50kg/m2的GRG板，其中音乐厅吊顶表面做三角椎体的微扩散处理。多功能厅为镂空的钢格栅，结构楼板底部做吸声喷涂处理。舞台墙面舞台包括1个主舞台、2个侧舞台，空间体积比较大。为了避免舞台空间与观众厅空间之间因耦合空间而产生的不利影响，声学设计要求舞台空间内的混响时间应基本接近观众厅的混响时间。同时，要求在舞台（包括主舞台、侧舞台）一层天桥以下墙面做吸声处理。具体做法为：厚度为25mm的防撞木丝吸声板（刷黑色水性涂料）+75系列轻钢龙骨（内填厚度为50mm、密度为48kg/m3的离心玻璃棉板，外包玻璃丝布）+原有粉刷墙体。建声测试结果4.1建声测试仪器系统笔者所在的声学所于2014年4月29日、30日和9月19日对沈阳文化艺术中心进行了现场建声测试工作，测量对象包括综合剧场的空场和满场、音乐厅的空场、多功能厅的空场和满场。测试的软件、仪器和配套设备分别为丹麦BK7841DIRACRoomAcousticsSoftware建声测试分析软件、丹麦BK2250B声学频谱分析仪、德国*****SERMKH800无线测试传声器（可调指向性）、德国*****SERSKP500无线发射系统、德国*****SEREW500无线接收系统、丹麦BK4292无指向球面声源、丹麦BK2734测试功率放大器等。主要建声测试结果综合剧场空场和满场声学参量的测试结果见表2和表3。音乐厅空场声学参量的测试结果见表4。多功能厅（剧场模式）空场和满场声学参量的测试结果见表5和表6。主要建声测试结果分析对剧院或音乐厅进行声学设计时，首先要确定的就是声学技术指标。在国内，确定声学技术指标可参照的只有JGJ57—2000《剧场建筑设计规范》，其中只对混响时间及其频率特性、背景噪声、每座容积有明确规定。如果要设定更多的声学技术指标，则可参考声学家白瑞奈克（LeoL.Beranek）所著的《音乐厅和歌剧院》由于盛京大剧院设计时主要参照《音乐厅和歌剧院》的第一版，而后来出版的第二版对其中声学参量又做了一定的修改，所以，建声测试结果主要针对第二版的声学参量建议值进行比较分析，综合剧场和音乐厅的声学参量测试结果见表7和表8。4.3.1关于ITDG（初始时延间隙）优选范围的探讨白瑞奈克把初始时延间隙ITDG用作亲切感的量度，定义为正厅池座中心（即舞台与第一层眺台栏板之间半程位置处）的初始时延间隙。之所以选正厅池座中心，是因为盲人只有站在中心附近才能精确判定房间的大小。座位数超过1200的歌剧院要求W23ms，座位数超过1400的交响乐厅要求ITDGW25ms。下面来分析该优选范围是否合理。歌剧院以意大利斯卡拉歌剧院为例，声源测点布置在舞台大幕线中间位置，如图19所示；交响乐厅以荷兰阿姆斯特丹音乐厅为例，声源测点布置在舞台边沿向内3m处的中间位置。根据斯卡拉歌剧院的图纸，初步计算ITDG=（12.275+9.305-13.93）/340=22.5ms，符合歌剧院W23ms的要求，但是斯卡拉歌剧院的台口宽度仅约15m,观众厅平均宽度为20.1m。从图示中分析，如果观众厅平均宽度大于20m、台口宽度大于15m，要满足ITDGW23ms的要求是不大可能的。除了欧洲一些比较老的歌剧院，如维也纳国家歌剧院（18.3m）和法国伽涅尔歌剧院（18.9m）等观众厅平均宽度小于20m外，科隆剧院（24.4m）、东京新国立歌剧院（26m）、英国皇家歌剧院（24.4m）和美国大都会歌剧院（33.5m）等观众厅平均宽度大于20m,估计都很难满足歌剧院W23ms的要求。而国内省会级的歌剧院台口宽度一般为18m,平均宽度约为24m〜30m,根据盛京大剧院综合剧场的图纸，如图20所示。初步计算ITDG二（9.105+16.45-14.835）/340=31.5ms（实测值为29ms）。国内著名歌剧院的台口尺寸和ITDG的实测值见表9,因此，ITDGW35ms的要求才应该是比较合理的。4.3.2梯田式音乐厅和鞋盒式音乐厅主要区别相对于鞋盒式音乐厅，梯田式音乐厅缺少侧向向下的二次反射声而高区的座位甚至缺少侧向的反射声。因此，梯田式音乐厅的侧向反射系数和空间感相对差一些，鞋盒式音乐厅的三维声线分析和纵剖面的声线分析如图21〜图22所示。而白瑞奈克显然是按照声场更有利的鞋盒式音乐厅来定义BQI的优选范围的。结语沈阳盛京大剧院建成之后，中国国家交响乐团受邀于2014年10月1日在盛京大剧院举行大型交响音乐会，这也是该剧院首次投入使用。红色经典芭蕾舞剧《红色娘子军》、钢琴协奏曲《黄河》、电影《时光倒流七十年》主题曲等演奏赢得了观众经久不息的掌声，演出人员和观众们普遍反映音质效果良好。