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剧院的音质效果，取决于观众席区域接收到的直达声与反射声在空间和时间上的分布状况，以及声能随时间的衰减特性。客观上可以用接收点处的反射声系列，以及混响时间等与声能衰减相关的音质参量来判断其优劣。 剧院建筑声学设计是一项复杂且不易控制的工作，要保证所有的音质参量都满足设计要求是十分困难的，且客观音质参量不能穷尽表述，最终的音质效果还需要主观评价来评判。所以，成功的声学设计不能否认会有“幸运”的成分在里面。声学工程师需要借助各种设计方法来完成建筑声学设计，如基于扩散声场理论的混响时间估算公式、基于相似性原理的缩尺模型试验，以及以声线追踪法为核心的声场电脑模拟计算。 一个较好的观众厅体型（吊顶和墙面形状）和表面的声学性质可以保证厅内声场时间和空间的均匀分布，也就决定了剧院的优良音质效果。在演出时，观众厅内任何位置上不得出现可识别的声缺陷，如：直达声与强反射声的声程差不应超过17 m，否则易造成回声；避免凹弧形墙面或吊顶造成局部声聚焦；平行墙面造成颤动回声等声学缺陷。 声线法是建筑声学设计中使用较多的一种方法，主要包括对观众厅体型进行声线分析，以调整到最优状态；对剧院进行模拟计算，以确定室内吸声量等是否符合设计要求。 1 二维声线分析 二维声线分析可以在观众厅的平面和剖面图纸上进行，以声线法为基础，入射到界面上的声线做镜面反射。二维声线法可以对观众厅的吊顶、楼座底天花、侧墙甚至眺台栏板的形状进行分析。调整顶面的形状，以使来自吊顶的一次反射声能够均匀覆盖所有的观众席区域，调整侧墙特别是舞台口八字形墙体的角度，以使来自墙面的一次反射声能够均匀覆盖所有的观众席区域。 图1是襄阳大剧院观众厅吊顶的二维声线分析图 经过几轮调整后，观众厅吊顶的形状和角度合理，来自吊顶的一次反射声能够覆盖观众席的绝大部分区域；楼座底天花的一次反射声可以投射到观众席的后几排，以弥补吊顶一次反射声不能到达的空隙；侧墙的一次反射声能够覆盖整个池座区域。 2 三维声线分析 二维声线法只可以在观众厅的平面、剖面图纸上进行，所以，通常只能对比较常规的剧院进行分析。如今，异形曲面在剧院建筑中的应用越来越多，如广州歌剧院和哈尔冰大剧院等，简单的平面和剖面图甚至都不能表达清楚剧院观众厅的形状，只能借助建筑三维模型。所以，二维声线法有其局限性，为了完成设计工作只能进行三维声线分析。 图2 哈尔滨大剧院观众厅吊顶和墙面三维声线分析图 图2是哈尔滨大剧院的三维声线分析图，声学设计师在此基础上提出了多项改进意见，以确保最终的体型调整到满足声学要求。三维声线分析比二维声线分析更直观，且能够分析的范围更大，分析结果更真实，特别是对于侧墙的分析，能看清楚声线是否真正投射到观众席区域。笔者在做襄阳大剧院和广州粤剧院声学设计的时候也应用到了三维声线分析，对体型优化调整起到了积极的作用。 3 声线追踪法 模拟计算软件的基础大多以声线追踪法为核心，所以声场计算机模拟计算也是声线法在剧场建筑声学设计中的一样重要的应用。 声线追踪法以几何声学为理论基础。声线追踪法认为：声源向四周发出大量声线，在空间中以声线的形式传播声能，每根声线开始均携带相同的能量；声场各壁面均为平面（曲面由多个平面替代），声线每次和空间界面仅有一个碰撞点，且其能量会有所衰减；当反射阶次高于设定数值或声线携带能量低于预设阈值时，程序停止对该声线的追踪，并开始对下一根声线进行追踪运算，直到全部声线均追踪计算完毕；接收点的设定有一定的范围，当声线穿过预先设定的这个范围时，计算机会记录声线到达的时间、能量和方向，最后可以得到接收点处的声脉冲响应。二维矩形空间声线法的示意图如图3所示。 图3 二维矩形空间声线法示意图 有关界面散射的处理， 声线追踪法在计算中引入界面散射系数d（0＜d＜1）。声线撞击壁面时由程序生成一个随机数r（0≤r≤1）。若r＜d，则声线按扩散反射处理；若r大于d，则声线按镜面反射处理。声线追踪法计算速度快、效率高，适用于模拟复杂封闭空间中的声场，并且可以考虑空间中有布置、声屏障或界面吸声布置不均匀的情形。 模拟计算得到的反射声系列可以判断在接收点是否出现了明显的声聚焦、声共振等音质缺陷，以及初始时间间隙tI是否在设计指标范围内。音质参量网格图不但可以判断该参量是否在设计指标范围内，还能够判断其在整个观众席区域的分布是否均匀、变化是否连续、最大值和最小值的差异是否 可以接受。 图4是哈尔滨大剧院的声学模型、反射声系列和音质参量网格图，声场计算机模拟验证了前期声学设计的有效性。笔者所在的章奎生声学设计研究所在十余座剧院建筑声学设计中应用了声场计算机模拟计算。 图4 哈尔滨大剧院声学模型、反射声系列和音质参量网格图 4 结论 二维声线法和三维声线法有助于对剧院观众厅吊顶、楼座底天花、侧墙和眺台栏板的角度与形状进行优化调整。三维声线法比二维声线法应用范围更广，表达更清晰直观，但需在三维建筑模型上进行，所以，二维声线法最主要是应用在前期调整，而三维声线法在观众厅体型基本定型以后有着更多的应用。 基于声线追踪法的声场计算机模拟计算是建声设计的重要手段之一，可以得到比基于扩散声场理论的混响时间估算更多的音质参量信息，其中反射声系列图和音质参量网格图可以预测剧院建成后的实际音质效果，在现场实测之前就能比较直观地验证前期声学设计工作的有效性。 节选自《演艺科技》2018年第2期 余斌《声线法在剧院建筑声学设计中的应用》，转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。 |
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