李國(guó)棋

（國(guó)家大劇院 舞臺(tái)技術(shù)部，北京 100031）

國(guó)家大劇院建筑聲環(huán)境

李國(guó)棋

（國(guó)家大劇院 舞臺(tái)技術(shù)部，北京 100031）

介紹國(guó)家大劇院建筑聲環(huán)境，描述隔聲降噪措施與效果，闡述三個(gè)劇場(chǎng)聲學(xué)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)。

國(guó)家大劇院；噪聲；隔聲降噪；混響時(shí)間；聲學(xué)設(shè)計(jì)

前言

國(guó)家大劇院位于西長(zhǎng)安街人民大會(huì)堂西側(cè)，建筑師的設(shè)計(jì)理念是“城市中的劇場(chǎng)，劇場(chǎng)中的城市”，聲學(xué)專家致力于打造“喧鬧城市中的安靜劇場(chǎng)，音質(zhì)優(yōu)美劇場(chǎng)構(gòu)筑的藝術(shù)之城”。為了使觀眾能在安靜的環(huán)境中聆聽(tīng)優(yōu)美的音樂(lè)，享受安靜帶來(lái)的舒適和高雅，安靜成為國(guó)家大劇院首要考慮的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)、建設(shè)伊始就采取了很多創(chuàng)造安靜、保證大劇院不受外界噪聲干擾的措施。

1 隔聲降噪

1.1 地鐵振動(dòng)干擾問(wèn)題

地鐵一號(hào)線作為北京人出行的重要交通線路，東西橫貫北京城區(qū)。而國(guó)家大劇院恰恰坐落在地鐵一號(hào)線邊旁。在建設(shè)之初，地鐵對(duì)大劇院震動(dòng)和噪聲的干擾問(wèn)題，曾讓設(shè)計(jì)者和使用者擔(dān)心過(guò)，希望由地鐵振動(dòng)而引起的噪聲級(jí)比劇場(chǎng)內(nèi)允許的背景噪聲級(jí)低3 dB。

地鐵一號(hào)線距離大劇院外表殼體最近為160 m，到歌劇院外墻為220 m。呼嘯的地鐵從天安門(mén)西站風(fēng)弛而過(guò)，如果振動(dòng)產(chǎn)生的噪音在40 dB～50 dB之間，就需要在劇院外部建隔振墻；如果振動(dòng)大于50 dB，就必須對(duì)劇場(chǎng)結(jié)構(gòu)和地鐵進(jìn)行必要的減振措施。振動(dòng)衰減的計(jì)算結(jié)果表明：在超過(guò)150 m的衰減后，地鐵的振動(dòng)和噪聲不會(huì)對(duì)大劇院的演出產(chǎn)生影響?？⒐ず笤囇莩銮闆r驗(yàn)證了當(dāng)時(shí)的判斷的正確性，工程上節(jié)省了投資，保證了工期。

1.2 減振降噪措施

依靠建筑殼體和四周的地下圍墻，使大劇院被自然地保護(hù)起來(lái)。使用高阻尼連接和鈦金屬板隔斷噪聲的干擾，使得殼體隔聲量 Dn，w = 40 dB ==> Rw = 42 dB。見(jiàn)圖1。

為了進(jìn)一步減少噪聲，創(chuàng)造一個(gè)安靜的聲音環(huán)境，除了隔斷外部噪聲干擾以外，還針對(duì)觀眾廳內(nèi)的噪聲源進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。例如：電梯豎井遠(yuǎn)離觀眾廳，并且在豎井內(nèi)加裝鋼套；采取置換式座椅椅腳送風(fēng)的空調(diào)方式，減小空調(diào)風(fēng)口產(chǎn)生的噪聲；觀眾座椅采用阻尼緩沖裝置以減少座椅翻起的沖擊噪聲等等。

2 音質(zhì)設(shè)計(jì)

2.1 劇場(chǎng)類型與混響時(shí)間

國(guó)家大劇院外觀上像個(gè)巨大的“蛋殼”，里面容納著3個(gè)劇場(chǎng)：專供大型歌劇、芭蕾舞演出使用的歌劇院，用于演奏大型交響樂(lè)和民族樂(lè)的音樂(lè)廳，還有以上演戲曲、話劇為主的戲劇場(chǎng)。所以，國(guó)家大劇院又被戲稱為“三黃蛋”。各種不同的表演藝術(shù)對(duì)聲音的要求各不相同，是建設(shè)3個(gè)不同功能的劇場(chǎng)的理由之一。

建筑聲學(xué)是一門(mén)古老而又年輕的學(xué)科。100多年前，美國(guó)科學(xué)家賽賓的混響理論使古老的室內(nèi)聲學(xué)煥發(fā)了生機(jī)。國(guó)家大劇院廳堂音質(zhì)就是基于這一理論設(shè)計(jì)和建造的。

混響的長(zhǎng)短稱為混響時(shí)間，國(guó)家大劇院不同廳堂的演出類型不同，所需要的最佳混響時(shí)間亦不相同。如：戲劇表演需要聽(tīng)清臺(tái)詞，混響時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，所以戲劇場(chǎng)的混響時(shí)間是1.2 s；歌劇院既要讓觀眾聽(tīng)清臺(tái)詞，又要能聽(tīng)出美妙的音樂(lè)旋律，所以歌劇院的混響時(shí)間是1.6 s；音樂(lè)廳演出交響樂(lè)，需要表現(xiàn)出音樂(lè)的飽滿、優(yōu)美等，需要混響時(shí)間為2.2 s。這些都是國(guó)內(nèi)外劇場(chǎng)設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)論。

2.2 戲劇場(chǎng)觀眾廳的音質(zhì)設(shè)計(jì)

國(guó)家大劇院戲劇院特別為話劇和京劇等地方戲劇演出而設(shè)計(jì)，舞臺(tái)具有鏡框式和伸出式兩種形式。觀眾廳有一層池座與兩層挑臺(tái)，體積和視距都十分緊湊，有利于戲劇演出。戲劇場(chǎng)觀眾廳座位數(shù)1 000（鏡框式舞臺(tái)）/900（伸出式舞臺(tái)），體積 = 7 200 m3，每座容積7.2 m3。池座長(zhǎng)24 m，最大寬度30 m，樓座區(qū)距舞臺(tái)22 m，最小天花高度12 m。圖2為戲劇場(chǎng)觀眾廳設(shè)計(jì)圖。

觀眾廳的形狀和尺度滿足劇場(chǎng)音質(zhì)設(shè)計(jì)的要求，每座容積大，有利于選擇吸聲材料，使劇場(chǎng)混響時(shí)間的設(shè)計(jì)有更大的自由度。為達(dá)到高清晰度和均勻的聲場(chǎng)分布，天花、側(cè)墻、特別是舞臺(tái)口部分，都采取了有利于音質(zhì)的裝修材料。

戲劇場(chǎng)在聲學(xué)設(shè)計(jì)上的主要難點(diǎn)是具有兩個(gè)不同的表演區(qū)，較難得到提供早期聲反射的有效面積?；谝陨锨闆r提出了幾點(diǎn)聲學(xué)設(shè)計(jì)要求：

（1）小音量或在第一次強(qiáng)反射聲后仍能獲得清晰度和可懂度高的語(yǔ)音信號(hào)；

（2）所有座位應(yīng)滿足：不能遮擋直達(dá)聲，均勻的天花反射聲，第一次強(qiáng)反射聲；

（3）（舞臺(tái)前部）伸出式舞臺(tái)形式時(shí)，要有良好的聲音效果。

聲學(xué)設(shè)計(jì)采用了法國(guó)CSTB公司研發(fā)的建筑聲學(xué)計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件，針對(duì)鏡框式舞臺(tái)及伸出式舞臺(tái)觀眾廳的兩種情況，設(shè)置了兩個(gè)幾何模型，如圖3，設(shè)計(jì)目標(biāo)值：

背景噪聲小于NR-20；

中頻混響時(shí)間（T60）1.2 s（低頻+30%，高頻-10%）；

聲強(qiáng)指數(shù)（G）無(wú)擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)-30 dB（A），聲場(chǎng)均勻度允許偏差為+3 dB（A）或-2 dB（A），第一排座位除外；

明晰度（C80）≥ 1 dB（500 Hz）；

語(yǔ)言傳輸指數(shù)（STI）≥ 0.7（無(wú)擴(kuò)聲系統(tǒng)）。

圖4是兩種舞臺(tái)情況下聲壓級(jí)的分布情況。當(dāng)聲源在前舞臺(tái)時(shí)，它更靠近觀眾，直達(dá)聲較強(qiáng)。但在兩種舞臺(tái)情況下，聲壓級(jí)分布都很均勻，在池座席變化小于3 dB（A）。由于戲劇場(chǎng)的舞臺(tái)空間做強(qiáng)吸聲處理，即可將耦合空間結(jié)合面的舞臺(tái)臺(tái)口面視為開(kāi)放窗口處理，觀眾廳聲壓級(jí)并沒(méi)有很大的減少，廳堂聲壓級(jí)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本一致。

語(yǔ)言清晰度可以從初始聲能與混響聲能的比值定義。語(yǔ)言傳輸指數(shù)RASTI可用范圍應(yīng)大于或等于0.5。從圖5可知RASTI在池座中部總是不小于0.5，在兩種不同的舞臺(tái)情況下，平均值都高于0.6。

在室內(nèi)聲能衰變過(guò)程中，由于各種原因并非總是遵循指數(shù)衰變規(guī)律。因此，用早期衰變時(shí)間EDT來(lái)說(shuō)明初始部分聲能衰變率。早期衰變時(shí)間與測(cè)試點(diǎn)位置、聲源的指向性、房間容積和吸聲量等因素有關(guān)。通常指在廳堂一些具有代表性的位置上測(cè)量再取其平均值。一般比房間混響時(shí)間短大約100 ms，而房間混響時(shí)間僅與房間容積與吸聲量有關(guān)。

G（聲強(qiáng)指數(shù)）表述了觀眾廳內(nèi)從聲源（歌唱家、樂(lè)隊(duì)）傳導(dǎo)到聽(tīng)眾的聲音強(qiáng)度，它的定義即在聽(tīng)眾位置上的聲壓級(jí)和聲源聲功率級(jí)之間的差額。在大多數(shù)廳堂內(nèi)（歌劇院、音樂(lè)廳、戲劇院等），此聲強(qiáng)指數(shù)必須大于-33 dB，此參數(shù)一般是在125 Hz～4 kHz的倍頻帶上測(cè)量并用dB（A）來(lái)表征。

根據(jù)Epidaure軟件分析的結(jié)果，如圖6所示，戲劇場(chǎng)的音質(zhì)令人滿意，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值，十分適合于話劇和京劇等的演出。

戲劇場(chǎng)的500 Hz混響時(shí)間設(shè)計(jì)值是1.3 s左右，如圖7所示?；祉憰r(shí)間沒(méi)有因表演區(qū)的不同而有明顯變化，即使舞臺(tái)上的布景吸聲有很大影響，但是設(shè)計(jì)的混響時(shí)間略高于預(yù)期的1.2 s。當(dāng)表演區(qū)在舞臺(tái)前部時(shí)，頂上天花打開(kāi)，其聲吸收正好補(bǔ)償減少的觀眾吸聲。

綜合整個(gè)音質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，戲劇院設(shè)計(jì)能夠滿足各項(xiàng)使用要求。在最后的建筑詳圖中，舞臺(tái)口外的墻面、挑臺(tái)、欄桿和天花仍可能有所變動(dòng)。輔助的模擬研究將有助于決定最后的建筑細(xì)部。

2.3 歌劇院的視覺(jué)空間和聽(tīng)覺(jué)空間

作為國(guó)家大劇院內(nèi)最宏偉的建筑，歌劇院可以容納將近2 400名觀眾觀看演出，是三個(gè)劇場(chǎng)中最大、舞臺(tái)設(shè)施最先進(jìn)最完備的一個(gè)劇場(chǎng)。

在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)師安德魯先生為歌劇院選擇了馬蹄形劇場(chǎng)形狀。聲學(xué)設(shè)計(jì)提出歌劇院聲學(xué)上需要的矩形空間，以便獲得更多的近次發(fā)射聲效果側(cè)墻采用曲折形狀，但安德魯認(rèn)為這樣就破壞了馬蹄形劇場(chǎng)的整體造型。為了使馬蹄形歌劇院既符合視覺(jué)上美觀，又符合聲學(xué)要求，經(jīng)過(guò)聲學(xué)專家與建筑師多次交流，雙方達(dá)成共識(shí)。

最終人們看到在歌劇院的墻壁上，出現(xiàn)了一層圓弧形的金屬網(wǎng)，它巧妙地將原本不規(guī)整的聲學(xué)墻“遮擋”起來(lái)，形成視覺(jué)上的馬蹄形狀，而金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)又像篩子，聲音可以透過(guò)，在凹凸不平墻面構(gòu)成的矩形空間發(fā)生反射，達(dá)到理想的聲音效果。視覺(jué)上的馬蹄形與聲學(xué)要求的矩形實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合，如圖8、圖9所示。為此，聲學(xué)專家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室及施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，以保證這一結(jié)合的實(shí)現(xiàn)。

2.4 音樂(lè)廳聲學(xué)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)古典派音樂(lè)廳風(fēng)格完全不同，音樂(lè)廳觀眾廳為改良的鞋盒形，四面都設(shè)有觀眾坐席。音樂(lè)廳混響時(shí)間為2.2 s，為達(dá)到這一數(shù)值，建筑師和聲學(xué)專家通力合作，做了大量的工作。

建筑師打造了一個(gè)現(xiàn)代音樂(lè)廳的裝修風(fēng)格，聲學(xué)專家則在天花上進(jìn)行聲音擴(kuò)散，設(shè)計(jì)了凹凸不平的平面。首先，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成抽象的平面圖案，按照聲學(xué)要求，生成凹凸的三維視圖。然后，由法國(guó)巴黎巴士底歌劇院的藝術(shù)家制成小樣模型帶到北京，加工成型。施工中先吊掛一塊模型，從視覺(jué)上和聽(tīng)覺(jué)效果上進(jìn)行分析、調(diào)整，最后完成了音樂(lè)廳的天花?？梢哉f(shuō)：音樂(lè)廳天花是聲學(xué)專家參與創(chuàng)作的一件“藝術(shù)品”。

管風(fēng)琴是另一件“藝術(shù)品”，為了把它展現(xiàn)在觀眾面前，不遮擋觀眾的視線，演奏臺(tái)上方的反聲板采用了玻璃材質(zhì)，如圖10所示，如果采用木質(zhì)材料聲學(xué)效果也許會(huì)更好。

音樂(lè)廳的側(cè)墻面看上去就像超市商品上的條形碼，又像鋼琴的琴鍵。其實(shí)這也是聲學(xué)裝修聲擴(kuò)散上的要求。這按照數(shù)論方法確定的具有一定周期的凸凹分布被稱為MLS聲學(xué)構(gòu)造，如圖11所示，分布在音樂(lè)廳演奏臺(tái)周圍，具有擴(kuò)散聲音的作用，不僅有利于觀眾廳區(qū)域的聲音均勻，而且還可以大大地改善演奏員之間的聽(tīng)聞。

音樂(lè)廳在建設(shè)之初，要求是：自然聲演出，不使用擴(kuò)聲，依然能讓每個(gè)座位上的觀眾聽(tīng)到清晰的聲音。音樂(lè)廳的建聲設(shè)計(jì)及裝飾還是嚴(yán)格按此要求來(lái)實(shí)施的，這要求演員有足夠大的聲音，是對(duì)演員的“挑戰(zhàn)”。

3 聲學(xué)測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)

3.1 聲學(xué)測(cè)試音樂(lè)會(huì)

2007年12月4日晚，在剛剛落成的國(guó)家大劇院音樂(lè)廳進(jìn)行了一場(chǎng)帶觀眾的聲學(xué)測(cè)試音樂(lè)會(huì)，如圖12所示。音樂(lè)會(huì)開(kāi)幕前由法國(guó)CSTB公司和清華大學(xué)建筑學(xué)院聲學(xué)研究所共同進(jìn)行了帶觀眾的聲學(xué)測(cè)試。這是廳堂音質(zhì)評(píng)價(jià)的重要一環(huán)，為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)國(guó)家大劇院音樂(lè)廳的聲學(xué)效果提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試結(jié)論

用發(fā)令槍發(fā)出脈沖聲音，主要的目的還是為測(cè)量觀眾廳的滿場(chǎng)混響時(shí)間、頻率傳送特性、聲場(chǎng)均勻度等物理指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)收集來(lái)的大量數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)廳堂音質(zhì)提供科學(xué)的依據(jù)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，國(guó)家大劇院的聲學(xué)指標(biāo)除了空調(diào)噪聲外，全部達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

除此之外，國(guó)家大劇院還在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)觀眾和歌唱家、藝術(shù)家進(jìn)行了音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)調(diào)查，大家都積極配合測(cè)試工作，提供了自己的聲音感受。本次評(píng)價(jià)采用調(diào)查問(wèn)卷的形式，《音樂(lè)廳主觀評(píng)價(jià)測(cè)試問(wèn)卷》正文包括初步印象、觀眾評(píng)價(jià)、演出人員評(píng)價(jià)、全體人員評(píng)價(jià)、個(gè)人資料、整體印象及建議等6個(gè)部分，囊括了從整體氛圍到各個(gè)聲部的感受等各個(gè)方面。在問(wèn)卷設(shè)計(jì)中引入了語(yǔ)意分析法（SD尺度法），將評(píng)價(jià)分為優(yōu)秀、良好、一般、較差、很差五個(gè)等級(jí)，參與者可以根據(jù)自己的主觀感受進(jìn)行選擇?？傮w來(lái)說(shuō)，超過(guò)70%的觀眾對(duì)音樂(lè)廳音質(zhì)評(píng)價(jià)都為“優(yōu)秀”和“良好”。

結(jié)語(yǔ)

國(guó)家大劇院的落成，離不開(kāi)幕后無(wú)數(shù)設(shè)計(jì)人員的辛勤勞動(dòng)。從劇院的外觀到內(nèi)部裝飾，從觀眾席的座椅到舞臺(tái)上的燈光和音響，可以說(shuō)每一個(gè)細(xì)節(jié)都傾注了設(shè)計(jì)師們的一份心血，特別是劇院的聲學(xué)設(shè)計(jì)，更是科學(xué)和藝術(shù)的完美結(jié)合。

從國(guó)家大劇院首場(chǎng)演出至今已有兩年時(shí)間，期間舉辦了百余場(chǎng)大小演出，很多表演藝術(shù)家對(duì)3個(gè)劇場(chǎng)的聲學(xué)質(zhì)量做出了很高的評(píng)價(jià)。相信在未來(lái)會(huì)有更多更好的劇目及音樂(lè)會(huì)上演，會(huì)有更多的藝術(shù)家能夠在這里為觀眾呈現(xiàn)最震撼最美妙的音樂(lè)與視覺(jué)盛宴。

The Acoustics Environment of the National Centre for the Performing Arts

LI Guo-qi
(Stage Technology Department, National Centre for the Performing Arts, Beijing 100031, China)

For the National Centre for the Performing Arts, this article introduced its architectural acoustic environment, and solution to sound insulation and sound design; also it analyzed the different characteristics of there theatre.

National Centre for the Performing Arts; noise; sound insulation; reverberation time; acoustic design

（編輯 潘 浪）