剧场设计之听觉设计浅析

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1  音质设计的几个问题
1.1 早期反射声
具有相同混响时间的大厅并不一定有相同的音质；另外，在同一大厅内，虽然它们的混响时间一般相差很少，但各处的音质效果是不相同的，如池座前区、挑台较深的楼下区域的音质一般很差，不仅听不好，有的还听不到或听不清。所以混响时间是室内音质的重要标准，但不是唯一的标准。
近30多年来，对于早期反射声（前次反射声）的研究发展很快，并取得了重要成就，发现它对大厅的音质具有重要的作用，甚至有比混响时间更为重要的趋势。它与大厅的响度、语言清晰度、亲切感、明晰度、明亮感有关；它和混响声能之间具有好的平衡，可以影响语言的白然音调和音乐的丰满度等；几乎与大厅中的一切音质标准都有关。
混响过程的初始部分是由连续而来的反射声所构成，这些反射声是从各个方向反射来的，它们直接与室的尺寸、比例、体型与吸声材料的位置以及建筑细部处理有关。
70年代开始，对早期反射声影响到音质的作用进行了大量的研究，一般认为其特性由三部分组成。
(1) 能量——第一次反射声的声能与直达声的声能越接近，则“空间感”越好；这表明要有强的第一次反射声。
(2) 时序——反射声与直达声之间的时间间隔即序列，对于语言和音乐的作用是不同的。音乐要求“空间感”和“透明度”，希望第一个反射声滞后20-30 ms，第二个为35-45 ms，第三个为45-70 ms。语言要求是清晰度，希望第一个反射声滞后10-20 ms，第二个为15-25 ms，第三个为25-45 ms。假如增长第一个反射声与直达声之间的时间间隔，将会增加“空间感”而在某种程度上会减少清晰度。
在50 ms前的各个早期反射声所形成的“丰满”情况下，会感到响度提高，这是由于50 ms前的早期反射声加强了直达声的强度。因此也就改变了声学比，从而改善了“清晰度”或“明晰度”；也可以使听者与声源之间的距离拉近，特别是20-30 ms的反射声，增进了“亲切感”。
50 ms前的反射声会形成声音的“饱满”、“浑厚”和“坚实”；而在80-100 ms的反射声则具有“空旷”、“辽阔”的感觉。这两者的结合才具有“丰满”的感觉。前者加大了直达声的响度，才有“饱满”、“深厚”和“坚实”的感觉，这是形成“丰满”的主要因素；而“空旷”、“辽阔”则是人耳对于前次反射声的距离和空间感受而形成的，它烘托了声音“丰满”的气氛，且有利于“融洽”。
(3) 方向——所有早期反射声与直达声的方向相同，则没有“空间感”，而具有三个不同方向的反射声，即使没有混响过程，也会具有明显的“空间感”效应。
综合上述，构思观众厅的尺寸、体型和吸声处理时，应考虑观众席，特别是池座前区的观众席，应该有早期反射声的数量（能量）、时序和方向的最佳组成；也就是应具有在50 ms内有三个反射声，假如从20 ms左右开始一直到80 ms之内有五个反射声，并且是逐次地到达，它们的强度随时间的衰减是成指数下降的，这些前次反射声的序列图形呈圣诞树式的，这样，这些前次反射声与观众厅固有振动方式融合在一起，组成了“音调”，这种“音调”代表了该观众厅的音质特性。另外，这些反射声应该大多数是从30°~70°方向来的，也就是要求侧向反射为主，这样“空间感”好。
1.2 扩散
扩散是指在室内任意一点，平衡地接收到大量的、所有可能方向的反射声能密度与直达声能密度之比。它对“丰满度”、“活跃度”、“空间感”是有利的，并且能保持丰满和明晰度之间的平衡，语言清晰度和较长混响时间之间的平衡，还可以保持观众厅内音调的自然性。可以使室内声能分布均匀，消除回声等。室内扩散不好，音色往往很粗糙。
不对称、不规则的体型对扩散有利。大厅内有圆柱体、半柱体以及包厢、多层小挑台等，是有利于扩散的。而有规则起伏的扩散体则扩散作用更大。假如室内需要布置大量的吸声材料，如立体声电影院、录音室等，应使强吸声材料与声反射材料交错布置，同样可以达到扩散的作用。

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1.3 混响时间
混响时间对于观众厅的音质来说是一项重要的评价标准。从混响时间的计算式可知：V/S(V是室的容积，S是室内各界面的总表面积)值的增加可以使室内混响时间增长，它是决定观众厅内混响时间的主要参数，并与建筑设计有关。另外影响混响时间的是室内吸声量，吸声量越大，混响时间就越短。
目前中国剧场观众厅的V/S值一般为1.5-2.5，国外大约为2.5-3。目前，这一值在中国也日趋增加，首先是因为扩声系统已经是观众厅中必不可少的设备，其主要设备的高度1.2-1.3m，位于舞台口上部，加上建筑的线脚和为了阻止扬声器辐射的声音经顶棚反射而产生不良影响，在扬声器高度以上还要有一距离，一般在舞台口以上要有2.5 m左有的高度，这样就使舞台口主扬声器与面光槽之间顶棚的高度增到11 m左右，与往常在9m以内的情况相比，现在的观众厅的体积是有了很大的增加；为了使V/S保持在恰当的比值，则设计时应考虑多增加观众厅内的表面积，即S值，因此，包厢、多层挑台等的使用从控制混响时间来说也合理的，为设计观众厅构思上也能增加很多有益的手法。
为了有效控制混响时间，国家标准JGJ57-2000《剧场建筑设计规范》中明确规定了与之有关的要求，如表3。
表3 观众厅的混响特性


观众厅的混响特性

音质效果对混响时间的要求还与观众厅容积有关，国家标准GB/T50356-2005《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》、GB/T3557-94《电影院视听环境技术要求》及CY/T183-2002《数字立体声电影院的技术标准》巾有明确规定，在具体设计中可参照执行。
1.4 声场的音质设计
一个好的声场的音质设计比制作音箱时设计箱体还重要，一个好的声场会将音响设备的优点充分发挥出来，让人听起来非常舒服，而一个不合理的声场不仅不会给人以美妙的音响感受，还会使设备的表现水平降低。一个基本的声场音质设计主要包括隔声的处理，现场噪声的降低，建筑结构的要求，声均匀度的实现，声颤动、聚焦、反馈等问题的避免，室内声学计算等。
(1) 隔声的处理
为了创造一个不受干扰的声场，避免对周围环境中的单位和居民造成影响，在声场音质设计的开始，首先应该考虑隔声的处理，以便为声场提供一个好的先天条件。隔声的处理涉及到建筑与外界的隔声、建筑内各房间的隔声，隔声的部位主要包括：隔墙、门窗、顶部相通房间的天花顶等。在隔声处理时，低频段的隔声要想彻底解决比较困难，因此应加大关注度。
(2) 噪声的降低
对于现场的背景噪声，许多人不够重视，而在国家有关标准中却都提出相应的要求，原因就在于，背景噪声的增大相应降低了扩声系统的信噪比，影响了扩声声音质量。因此应对声场噪声源及降噪、消声等提出具体要求。如中央空调的风口、排风机等的噪声。

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(3) 声场均匀度的实现
怎样实现一个均匀的声场呢？首先建筑结构中应该没有明显的缺陷，如房间中不能有太多的立柱，避免在扩声范围内出现较大的声阴影区等。但是由于在建筑结构施工完工后无法进行大量的改动来满足这些要求，所以在音响工程中应该尽量利用经验，巧妙地安排扩声区，避开较大的缺陷结构，将它们带来的影响降到最低；其次可以及时有效地向装饰单位提供一些简单的提高声扩散效果的方案，如所有的音乐厅都有很好的声扩散效果，原因是其内部采用了大量各种形状的声扩散体，而且这些结构可以通过一些简单的装饰方法来完成，所以只要方法得当应该可以达到较好的效果。再者就是，合理地布置音响系统，尤其是音箱的摆位，在设计中应采用某些音箱厂商提供的电脑设计软件进行声场模拟。如果没有，就应该在现场调整，直到声场最佳为止。
(4) 声颤动、聚焦、反馈的避免
对于声颤动、声聚焦、声反馈带来扩声效果不佳的问题都应该属于声场的范畴。在现场能听到有节奏的像脉冲一样的“扑扑”声或“嗡嗡”声，通常在中低频段最易发生，在厅堂较大时，这种声音与直达声相隔较长，让人听起来非常不舒服，这就属于声颤动，原因就是声音在厅堂内相对平行墙壁间来回反射，而墙面的反射又很强，声能很难减弱，所以要求在装饰的时候就随时检查厅内有没有出现两个反射性强的大面积平行面，有没有出现太多的玻璃、不锈钢结构。声聚焦发生在弧形结构的厅堂中，应作扩散或吸声处理，以降低声聚焦发生的可能性。声反馈的前期预防比较困难，而且设计时也不能准确预见反馈发生的频点，但声反馈的防止对实际应用义比较重要，所以在设计前期选用装饰材料时，分析其在不同频点的吸声系数，并参照混响时间的计算来大致判断，为施工和调试提供必要的参考。
(5) 混响时间的计算
对于声场设计而言，一般人接触较多的就是混响时间了，因为它是设计中最能控制的量化指标。如果设计得当，合理的混响时间反映在声场上会使音响系统的表现非常出色，前面声场设计的要求都能较好地得到满足。计算之前首先必须根据厅堂的体积和用途，选择一个合理的混响时间目标值，然后根据观众厅的声学处理结构，如观众座椅、通风口、灯光口、舞台口、门窗及各墙面天棚等，混响时间的 计算式，各种材料的吸声系数，反复调整，确定吸声材料、吸声面积、吸声的位置。
2  扩声系统设计要求
除了以自然声演出的音乐厅外，目前所有的观演大厅都具有扩声系统。作为扩声用的各种电子设备随着科技的发展也以惊人的速度发展着，且保真不断提高，而且还可以通过各种设备进行补偿和制作，使音质获得意想不到的、特殊的效果。
扩声系统设计应按国家标准GJB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中的有关要求与指标进行设计。首先应按声像一致性进行设计，即对于观众来说，扩声声源应与演出中的自然声源的方向及高度基本一致。为此剧场扩声系统扬声器大多采用集中式布置方式，将主扬声器分布在舞台口的上部与两侧；另外，为了使扬声器辐射的声音接近于自然声源，并且使池座前区不感到有压顶感，又常在舞台两侧下部与台唇处布置以拉声像与前区补声效果的辅助扬声器。