音樂廳聲學設計方案

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音樂廳聲學設計方案

背景介紹

本方案引用我司某音樂廳項目作為案例。

場館概述

音樂廳呈鐘型，采取盡端式舞臺的設計；建筑尺寸：長：18.95m，寬11.67-20.4m，高2層約12.2m；挑臺進深為3.9m，挑臺口高3.2,進深比1.22。

音樂廳體積約3096m3，可容納約293人，每座容積10.6m3/座；舞臺面積約85㎡；每個樂師所占面積按1.0-1.5㎡/位計算，對于豎琴、大提琴、低音大提琴、長號和大號的樂師所占面積按2.0-2.5㎡/位計算，最多可支持雙管樂隊同等規模演出需求。

使用功能：以中小型音樂會為主。。聲學設計原則以自然聲設計為主，要求廳堂建成后具備較高的混響感、空間感。

聲學設計依據

本項目的聲學設計依據以相關國家標準和相關經典聲學文獻為準，列舉如下：

中華人民共和國國家標準 GB50118－2010《民用建筑隔聲設計規范》

中華人民共和國國家標準GB50121-2005《建筑隔聲評價標準》

中華人民共和國行業標準JGJ57-2000《劇場建筑設計規范》

中華人民共和國國家標準GBT / T 50356-2005《劇場、電影院和多用途禮堂建筑聲學設計規范》

《ISO3382:2008 Acoustics Measurement of the reverberation time of rooms with reference to other acoustical parameters.》

《音樂廳和歌劇院》白瑞納克著

音樂廳相關圖紙與提供的相關信息

聲學設計指標

根據國內外相關標準以及本項目的功能特點，茲確定以下的音質設計指標:

表1 聲學設計指標

表2 觀眾廳各頻率的混響時間相對于500-1000Hz的比值

觀眾廳內本底噪聲 / 運行噪聲級：在空調、通風系統正常運行的狀態下，廳內本底噪聲應不超過NR25噪聲評價曲線，用A 聲級評價時要求噪聲不超過30dBA。

聲場不均勻度：容積大并以擴聲系統為主的廳堂，其聲場不均勻度主要取決于擴聲系統的揚聲器設置方式。要求廳內前區和后區的聲場強度差別宜小于6dB,橫向中區和左右兩側區域的聲場強度差別宜小于3dB。

觀眾廳內任何位置無音質缺陷，如聲聚焦、回聲、顫動回聲等聲學缺陷。廳內總體評價應達到混響合適、特性優良、聲場均勻，聲音清晰豐滿、無明顯噪聲等。

控制室音質設計指標：中頻500~1000Hz滿場混響時間為：RT60=0.4秒，各頻率混響時間平直。

隔聲設計

隔聲吊頂

為確保音樂廳上方外圍護構造隔聲量Rw達到60dB，以避免室外噪聲影響音樂廳正常演出，音樂廳廳上方應設置隔聲吊頂（如圖 3），具體構造為：減振吊桿+吊頂龍骨（內填50mm厚48K玻璃棉）+雙層12mm厚防火石膏板，請參見圖 3。

開放式吊頂設計

通過增加音樂廳的容積，是增加音樂廳的混響時間最有效根本的做法。因此，將吊頂設計成開放式，吊頂上部的空間屬于整個音樂廳的一部分。開放式吊頂的設計，既能讓廳堂擁有大空間廳堂的混響感，同時能保證小空間廳堂的親切感和空間感。

體型優化分析

體型設計是音質設計的重要內容。廳堂體型直接決定了反射聲的時間和空間分布，甚至影響直達聲的傳播，大量的早期反射聲是優良音質的有力保證。合適的體型設計是良好音質的必備條件之一，而科學的裝飾完成面造型設計能為獲得良好音質提供先天性的有利條件。

墻面形狀、尺寸、布置的合理設計以及擴散體的設計與布置來滿足。設計合理的吊頂可以為觀眾廳提供豐富而均勻的早期反射聲，舞臺臺口至面光橋之間的大天花，能夠為前中區提供早期反射聲，面光橋后部的天花吊頂能夠為池座中后部及樓座觀眾席提供早期反射聲。而合理設計側墻的造型，能夠使觀眾廳的側向反射聲更豐富，聲場更為擴散，這也有利于加強觀眾席的空間感。而側墻上擴散反射體的設計能夠為觀眾廳提供大量的側向反射聲，這都能改善觀眾廳的空間感并使觀眾廳具有良好的聲場分布均勻度。

剖面體型優化

吊頂作為最重要的一個反聲面，需要科學合理的設計，將聲音有效地反射到觀眾區域，提供大量的早期反射聲，有利于加強直達聲，提高聲場均勻度、自然聲響度和語言清晰度。本方案的吊頂造型基于裝飾效果美觀的前提下，最大量利用頂部為觀眾席提供反射聲，并使來自頂部的反射聲能均勻覆蓋觀眾席。

演奏臺墻面擴散設計

參數化輔助音質設計

利用計算機參數化設計軟件，對觀眾廳體型進一步分析，聲線分析可涵括二維層次開始到三維聲學模型層次，與傳統CAD聲線作圖法相比，具有高效便利，精細確切，分辨率高，形象生動等優點。

展斜墻平面參數化聲線分析

圖 7、圖 8是展斜墻作擴散處理前后的對入射聲能的反射作用對比：可以清楚看出，入射聲線經MLS數論墻體反射后，相鄰聲線之間的差異更加大，表明MLS擴散可有效對聲能造成時間差、能量差的作用，能量分布按數論規律排列，具有良好的擴散作用。

演奏臺后墻參數化聲線分析

從圖 9圖 10可以清楚看出，入射聲線經MLS數論擴散后墻反射后，反射聲的波前不是一個規律的圓弧，而是帶著數論特征的一個圓弧，對聲能起到很好的擴散，有利于提高演奏臺上的均勻度，有利于樂師之間的良好聽聞、協作，同時避免出現演奏臺上某處地方能量過大的現象出現。

立面體型參數化聲線分析

由于演奏臺上聲源位置眾多，按照傳統的CAD作圖法無法一一進行分析。本項目中，借助參數化工具，對不同聲源點反射板的反射效果進行分析。圖 11給出3個聲源點位置的反射效果。可以清楚看到，反射板造型能適應聲源點位置變化，均能為整個觀眾區域提供覆蓋的早期反射聲，且分布均勻，反射界面有效面積利用率十分高。

橫截面體型優化

由于利用側墻上除MLS擴散體外的墻體作擴散反射設計，設計出如圖 13所示的聲學造型，擴散反射效果如圖 12。能為觀眾區提供向下的早期反射聲，同時能對入射聲能做擴散反射處理，避免出現反射聲能量過于集中的情況。有利于提高音樂廳的空間感、混響感和均勻度。

基于擴大反聲覆蓋范圍的吊頂角度優化

如圖 14所示，通過參數化精確控制反射板的旋轉角度，同時能直觀地觀察到早期反射聲能覆蓋于觀眾區上的情況，能快速確定有利于聲學效果的反射板安裝角度，提高整個反射板的反聲效率。

音樂廳模型三維聲線分析

基于三維聲學建模的基礎上，直觀觀察聲線的傳播路徑。如上圖所示，聲音從聲源發出后，經反射板反射后，反射聲能覆蓋范圍很大，擴散效果佳。同時，若界面存在產生回聲、聲聚焦等聲學缺陷時，利用三維聲線分析技術能作有效判斷。

聲學材料布局

為了獲得期望的足夠長的混響時間，以滿足交響樂演奏的需求；我們確定音樂廳（交響樂模式）內不作任何吸音處理，并嚴格控制座椅的吸音量。為防止音樂廳兩對平行墻體間可能產生的顫動回聲，四面墻體均作了擴散處理。吊頂作為重要的反射面，其形狀經過嚴格設計，以便為觀眾提供更多的早期反射聲，增加語言的清晰度和音樂的聲散比。

觀眾廳內各界面聲學材料的選擇與安裝位置和數量關系到觀眾廳的總體裝修效果和投資，關系到廳內聲場的分布和擴散，更關系到廳內混響時間及其頻率特性的控制，這里將對觀眾廳內各個主要表面的材料選擇及其配置部位提出建筑聲學專業設計的建議和意見，供業主及室內裝修設計和施工單位參考。音樂廳內各界面材料及構造如下：

吊頂天花

吊頂天花聲學上要求具有較強的反射，同時還要求減少對低頻的吸收，因此可以選用增強纖維石膏板（即GRG 板）吊頂，剛度較好，其板的面密度要求達到40Kg/m2以上，如25mm玻璃纖維增強石膏GRG/玻璃纖維增強混凝土GRC。為增加吊頂的擴散效果，表面可結合裝飾設計，做一些凹凸不平的紋理，有利于防止不良的聲學現象。

臺口側墻及兩側墻

側墻對觀眾廳前中區而言都是十分重要的早期聲反射面，這些墻面能向觀眾席提供足夠的早期反射聲能，提高音質空間感。因此該部位的墻面聲學要求厚實、堅硬，具有良好的反射作用，盡量將聲音反射給觀眾席，減少聲吸收。

音樂廳臺口側墻及兩側墻中部，在聲學上是作為觀眾席側向反射聲的反射面，因此可安裝預制的增強纖維石膏板（即GRG 板）、玻璃纖維增強混凝土GRC，或面密度大于40Kg/m2的木質板材作為裝飾面。剛度較好，造型可以滿足聲學和裝飾需要，面密度以及安裝方式需與天花有所不同，以避免共振的不利影響。走道墻面安裝面密度大于30Kg/m2的木質板材。

側墻MLS數論擴散體、幾何擴散體上的具有美學意義的雕飾設計，既能豐富室內裝飾效果，增加裝修檔次，同時使聲音直接撞到表面時起到舒緩散射作用。

舞臺后墻、觀眾后墻

舞臺反射界面的擴散設計師非常重要的，從古典音樂廳的雕飾擴散設計，到現代劇場的幾何擴散體以及MLS、QRD擴散體設計得到廣泛的應用。MLS數論擴散體在控制廳堂回聲、防止聲染色和聲聚焦等音質缺陷，以及在控制聲衰變、使聲場擴散提高音質的空間感和清晰度方面均有重要作用，有利于聲場的擴散，有利于音質效果的提高。可使用預制25mmGRG造型，或者厚度大于35mm的實木造型構件。

觀眾廳地面

觀眾廳地面用料可根據裝修標準、清潔要求及經濟等因素確定，聲學只要求地板為貼實材料。根據以往設計經驗，建議選用實木地板或新型軟木地板，可實貼地面安裝，也可采用龍骨架裝，但需要將龍骨間隙使用回填土填實，以避免地板共振吸收過多的低頻聲。地面施工還必須處理好送風口及座椅安裝的接口問題。

樓座欄板

樓座欄板也是重要的反射面，能夠為中區提供必要的近次反射聲。但如果設計不合理，也會在舞臺或觀眾廳雙向前區造成回聲，甚至電聲嘯叫，為此，樓座欄板在聲學上主要作為擴散反射面考慮，并呈倒錐弧面形狀為宜，建議在混凝土結構外側安裝預制的增強纖維石膏板（即GRG 板），表面結合聲學及室內設計做造型處理。

觀眾席座椅

觀眾席是觀眾廳內最重要的吸聲面，中高頻吸聲量大約占整個觀眾廳總吸聲量的2/3 到3 / 4 ，因此對觀眾廳內的實際混響時間起著非常關鍵的作用，而觀眾席吸聲量的大小又取決于座椅本身的吸聲性能，一般情況下，觀眾的吸聲增量在0.1~0.2左右（隨季節變化），因此選擇座椅的型號、用料，聲學性能的控制成為觀眾廳音質設計的重要環節。對于本觀眾廳座椅，其技術要求如下：
①座椅在空椅和坐人兩種條件下的吸聲性能盡可能接近。座椅廠商必須提供由專業聲學單位檢測的座椅吸聲性能測試報告。
②坐墊應有緩沖裝置，翻動時不產生噪聲，尤其不能產生碰撞聲。
③座椅宜采用木靠背及木扶手，靠背宜留木邊框，同時靠背軟墊不需太厚，座椅樣式可參考下圖。

④坐墊下底面不做吸聲處理，不能選用穿孔木板。
⑤座椅下部應附帶與地面連接的送風口裝置。

⑥對觀眾廳內座椅吸聲系數提出以下要求如表3所示：

音樂廳的混響時間

混響時間 RT 的計算公式：

RT=0.161V/〔－Sln(1－α)+4mV〕式中：

V——比賽大廳容積，m3；

S——室內總表面積，m2；

α——室內平均吸聲系數；

混響時間計算表請參見背后附表。本項目中空場混響時間指座椅已安裝，人員未進場的情況。滿場混響時間指所有椅子均有人員就坐的情況。

控制室

墻體：滿鋪25mm厚布藝軟包+50mm厚32K玻璃棉+50mm空腔；兩側墻直通型E16/6孔木吸音板+50mm厚32K玻璃棉+50mm空腔。其余墻體刷乳膠漆。

天花：礦棉板吊頂；

地面：鋪設架空防靜電地板。

聲閘及其他入口

音樂廳所有公共出入口空間均需設置聲閘，同時能防止演出時傳入外界光線的作用，聲閘內需作吸聲處理，具體為：

吸音墻：50mm軟包+50mm厚32K玻璃棉+50mm空腔（如紅線標記處墻體）；

吸音天花：礦棉板吊頂。

計算機廳堂音質模擬結果

本報告通過兩種方式展示廳堂的聲場特性，一是：網格觀測法(Grid Response)，它是通過對廳堂空間進行網格劃分，研究每個網格的聲場特性，就可以了解整個廳堂的聲學特性。本次模擬，將廳堂觀眾席平面劃分為0.75m×0.75m 的單元，高度距離地面1.2m，相應于人坐下時耳朵的高度；以彩色網格圖形式展示。二是：反射聲序列觀測法(Multipoint Response)，它是通過在廳堂內布置若干測點，表示出直達聲、反射聲到達的時間和強度，以反射聲序列圖形式展示。