高云斐
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摘要:建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学,它在现在各种文艺演出建筑的设计中发挥了重要作用。本文以珠海大剧院的建筑声学设计为例,阐述了建筑声学中的一些专业术语,论述了珠海大剧院的建筑设计过程以及实施与应用,以期为其他建筑物的建筑声学设计提供指导。
关键词:珠海大剧院;建筑声学;声学元素
引言
声学对于大家而言并不陌生,它是物理学中历史最悠久且当前仍在前沿研究领域的唯一分支学课,这其中包含很多的分支方向,如生理声学、心理声学、生物声学、次声学、超声学、电声学、建筑声学等等。建筑的声学是指在建筑中的声音是如何传送,属于物理学科针对建筑物中的声音进行控制与研究建立相应的评价体系。建筑声学的主要是研究室内的声音传播方式应用物理知识对声音进行处理,以此来构建室内良好的声音传播条件,减少噪音对建筑物的影响。运用专业手段来提升建筑物的室内环境,同时提升建筑物的美观与艺术性。
一、建筑声学基本理论概述
建筑声学是研究建筑物中的声音环境问题,主要是研究室内的声音传播状态与环境噪音的控制方法,保证室内的听闻状态,提升建筑物的居住环境。在建筑声学之中有很多的专业术语,主要有分贝、混响时间RT、清晰度C80、声强因子G、噪音评价数NR、背景噪音、直达声以及混响声,下文我们对这些名词进行理论概述。
分贝:分贝是我国的法定计量单位,并不是国际单位制单位之一。一般来说,1分贝是人耳刚好能听到的声音;15分贝以下人们会感觉很安静;30分贝左右大约是耳语的声音;40分贝大约是冰箱工作的声音;60分贝是人们谈话的声音;70分贝相当于在闹市区;85分贝大约是马路中央的声音;90分贝以上被普遍认为是对听力有损害的声音;如果人们待在100到120分贝的环境中超过一分钟就会造成暂时性的失明,严重者可能会导致耳聋。
混响时间RT:以秒为单位。用来评估一个房间的混响程度和声学性能。RT长的房间声音听上去丰满;RT短的房间声音听上去干涩但清晰度高。RT的定义为在声源停止发声后房间内的声压级衰减60分贝所需要的时间。混响时间T60是用来评价一个空间的声学质量的,以秒计量。混响时间表示了在一个空间内声音是如何衰减的。
清晰度C80:是一个度量声音清晰度的参数,定义为在直达声到达后80ms内到达的声能与80ms后到达的混响声能之比的对数,以分贝表示。在直达声后80ms内到达人耳的声音倾向于增加对声音的主观清晰度,而80ms以外的晚期声能降低对声音的主观清晰度。
声强因子G:用来衡量一个座位处的声音强度,称作声强因子。其定义为在一个座位处测得的来自一个无方向性声源的声压级与用一个声源在一个消音室内距离声源10米测得的声压级之比的对数,以分贝表示,在剧院测量时声源通常在舞台上。
噪音评价数NR:该指标用单一数字评价噪音,并考虑到包括31.5Hz–8kHz倍频程内的声压级。该指标通常用于评价空调系统的噪音,NR数值定的越高,室内允许的空调噪音级越高。
背景噪音:其是指在没有入侵噪音的条件下或在需要控制的噪音源不发声的条件下测得的噪音级。测量背景噪音级的目的通常是确定在增加一个新噪音源之前的环境背景噪音。
直达声:来自观众厅墙面、地面和天花面等的早期反射声。直达声提供给观众有关声源位置的信息,人耳对声音的接受并非是即时的,而是有一段时间效应。人耳无法区分或甄别直达声和每一次到达的反射声,而是把直达声和直达声到达后80毫秒内收到的早期反射声视为一个声音。换言之,80毫秒内到达的早期反射声增强了人耳对直达声响度的感受,这有助于提高声音的清晰度,使得观众在快节奏的音乐或谈话中听到更多的细节。
混响声:存在于观众厅内的大量反射声叠加而成的混响声。观众厅内的混响声是在80毫秒后,从房间各内表面多次反射的大量反射声叠加而成。在直达声被听到后,混响声会在厅内持续约1.5秒。厅内的混响声增加了音乐声的丰富质感,这对于交响乐音乐来说特别需要。
二、珠海大剧院的建筑声学设计
对于珠海大剧院而言,以小剧场为例,它所需的声学功能为:
(1)话剧——基本上不用扩音系统;
(2)室内乐音乐会——不用扩音系统;
(3)演奏厅(小乐队或乐器独奏等)——不用扩音系统;
(4)新闻发布会——用扩音系统;
(5)时装表演——用扩音系统。
珠海大剧院的声学指标如表1所示:
表1歌剧和交响乐模态的室内声学设计目标
建筑声学设计的要点主要包括噪声控制和音质设计两大部分,珠海大剧院的设计也主要以这两方面为主线展开。噪声设计通常要求很低的室内背景噪声,因此,这些厅堂的选址很重要,应尽可能远离户外的噪声与振动源。另外,还要进行场地环境噪声与振动调查、测量与仿真预测,目的是为进行厅堂建筑围护结构的隔声设计提供依据,保证厅堂建成后能达到预定的室内噪声标准。
音质设计所需的工作量较大,主要分为以下几个方面:
(1)确保声音的设计指标与优化数值,根据不同的空间环境选择不同的混响、清晰度、强度指数、侧向能两银子以及人耳的互相关系数等不同的音质评价指标来进行建筑环境的确立与建设,保证环境的声音传播条件。
(2)针对剧院等对声音质量要求较高的环境需要根据需求对舞台、观众席、厅堂等位置进行环境的声音优化设计。
(3)计算厅堂音质参量。当厅堂的平、剖面及楼座、乐池、乐台等设计方案拟定以后,就可开始计算厅堂音质参量。
(4)进行声学构造设计。厅堂音质除了受前述建筑因素影响之外,还与室内装修材料与构造密切相关。声学装修构造设计通常包括各界面材料的选择和绘制构造设计图,需详细规定材料的面密度、表观密度、厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及龙骨的间距等技术参数。
(5)声音三维仿真设计。根据计算机的三维技术,对剧院的声场进行模拟分析,通过数据分析对声音的质量与传播水平进行调整。
(6)缩尺模型试验。对于重要的舞台位置,除了三维的声音技术模拟之外,还需要对声音进行缩尺比的模拟,进行声学的试验与调整。
(7)可听性的主观评价。通过计算机三维仿真音频技术或通过模型进行双耳的现实测验,同时将消声室内记录的音乐或语言“干信号”进行记录,输出已加入霍尔效应的声音信号,让测试者可以听见模拟的音效,这是近年来在建筑声学中兴起的一项新技术。
(8)建筑声学测量。建筑声学测量包括噪声与振动测量,围护构造隔声测量,重要材料与构造的吸声量测量以及厅堂音质参量的测量等。
(9)组织主观评价。组织专门的演出和主观评价,来检验建成后厅堂的音质效果,这也是建筑声学设计最后一个重要环节。
3.珠海大剧院建筑声学元素的实施与应用
3.1建筑声学元素的实施
珠海大剧院建筑声学元素的实施主要分为厅内、厅外和质量控制点三个部分。厅内的建筑声学元素实施主要有以下几个方面:
GRG声扩散体,中文名为预铸式玻璃纤维增强石膏成型品,GRG扩散体能将声波从各个方向均匀的扩散出去,提供了理想的分布和覆盖面。墙面垂直锯齿状凹凸条纹,其看似无序实则有序,靠近舞台的墙面的声扩散体越深,随着离开舞台的距离加大,声扩散体的深度应逐渐减小。
双层天花(穿孔铝单板+GRG声扩散体):透声天花加扩散体,增加观众厅容积,使得声音可以进入天花上方的空间,利用天花空间来增加观众厅的混响容积,从而延长厅内的混响时间。
观众厅区域可伸缩吸音帘:观众厅声学透明吊顶上方的天花空间里安装了活动吸声帘约200平方米,目的是调节观众厅内的混响时间,使得观众厅既适合于电声表演又适合于自然声表演。
声峭壁:峭壁的高度应尽可能高以便有效地提供较低频率的侧向早期反射声,峭壁做到地面上方至少2.2m高。声闸门:双层、软包、开启静音、密封条、缓冲装置,声闸内的墙面进行吸引处理。座椅:座椅系统及观众提供了厅内最重要的吸声源,因此对观众厅的声学影响很大。椅子的吸声作用应当尽可能缩小大厅在有听众和无听众之间的声学变化。场景效果如图1所示:
舞台机械噪声:剧场的噪声主要来源包括空调送风、周边环境、各类机电设备等,其中舞台机械的运行也是重要的噪声源之一;而振动则对各种技能型作业影响较大,剧场舞台机械的振动主要体现在台下机械,如升降台、升降小车、车台、转台等运行过程中对演员和布景的不良影响。
3.2珠海大剧院建筑声学元素的实际应用
对于大剧院的主观评价,结论是大剧院观众厅内的音质是丰满和清晰的。在观看演出时,没有任何音质上的缺陷。由年轻乐师组成的乐队发出的声音在观众厅内是清晰的。独唱和钢琴的声音是丰满的,没有被乐队的声音所覆盖。所有四个歌剧演员发出的声音可以轻松地送到观众厅的后部。
存在的缺陷问题:
(1)暖通噪声大于设计本底噪声标准,主要噪声源在池座后部单双号入口吊顶上的回风口;
(2)部分侧墙后墙面上的声扩散体比推荐的声扩散体浅。
小剧院的室内声学是通过测量厅内的客观声学参数评估的。测量结果表明在自然声音乐表演模态下,厅内所需的丰满音质和高清晰度声音的声学条件满足声学要求。测得的混响时间RT略长于设计指标。
存在的缺陷问题:
(1)舞台上方安装悬吊的反声板,并且永远保留在舞台上方;
(2)要求在舞台后墙安装可以手工拉动的活动吸声帘,当小剧院用作电声表演或语言类节目时,把吸声帘伸展开来,覆盖舞台后墙面。舞台后墙不安装吸声帘是无法把小剧院内的混响时间降低到语言节目或电声表演所需的最佳混响时间的;
(3)高墙上方无GRG扩散体;
4.结束语
整体而言,珠海大剧院建筑声学元素的设计与应用是一次成功的工程,虽然在应用运营的过程中还存在一定的缺陷,但这并不影响它的价值,这些问题会在后期中不断完善。