永森（上海）工程项目管理咨询有限公司
摘要：针对某小型音乐厅的空间改造设计做了介绍，并据此重点阐述了相关的声学改善措施，主要针对混响时间，早期反射声和初始时间延迟等声学参量作了改善，并对建筑隔音，降噪音的有效方法作了简单地阐述，为今后同类型的音乐厅场馆设计提供了借鉴。
关键词：每座容积；混响时间；早期反射声；声差；低频噪音
Study on Architecture and Acoustic Design Improvement on Music Chamber Hall
1功能及场馆概况
项目位于上海浦东新区张江高科技园区，主要工作是将原有空间改造成一个158座的小型古典式音乐厅，其建成后将可用于6-10 人的演出，并可兼容钢琴，弦乐和小型戏剧的演出；同时为满足商业运营功能，该音乐厅还可作为专业的录音棚，录像及远程授课来使用。该音乐厅平面形状呈矩形，舞台演奏区深7.2m, 宽7.8m, 观众席从演奏区边缘呈台阶式向后方布置。厅内声学面积约200m2, 声学体积约1000m3。该项目于2017 年春节开工，2018年3月落成。
158 座的音乐厅在规模上属于小型音乐厅范畴，在同级别的音乐厅中比较少见。项目初期定位是建成后的声场效果可比拟上海交响乐团的小厅。因此特别邀请了国际著名的声学设计大师丰田泰久来主持该项目的声学设计，其主持设计的音乐厅包括德国汉堡易北爱乐厅，上海交响乐团音乐厅和苏州交响乐团音乐厅等更包括了诸如洛杉矶迪士尼音乐厅以及悉尼歌剧院等超一流音乐厅的声乐翻新改造。 对于音乐厅的声学设计，丰田泰久认为 “一个音乐厅的声学系统并不能单纯用声学参量来衡量“，同时与主观感受有关。音乐和听众的亲密感是非常重要的因素。
2设计原则
2.1原建筑的缺陷及问题
功能定位的改变，该项目原来的设计仅为演讲报告厅，完全无法满足一个音乐厅的设计需求，经过前期的分析，其主要问题如下
1）厅堂的体型设计无法满足音乐厅的设计，厅堂的净高只有8m, 远远小于传统音乐厅14m 的最小净高的要求。国际上著名的音乐厅，其空间净高一般都在
15m-22m的区间范围内。西柏林爱乐音乐厅的净高22m, 而较高的美国达拉斯音乐厅更是达到了惊人的26.2m, 而净高的不足，将对音乐厅的混响时间，音质的丰满感和清晰度都将产生不利的影响。
2）厅堂的宽度较窄，两边的平行侧墙的净宽度只有7.8m。 如果对侧墙不作处理，将使得侧墙早期的反射声产生不可避免的颤动回声，或者不利的反射后的聚声，从而对混响时间和清晰度控制带来负面因素。
3）原设计的空调为顶送顶回空气组织方式，空调设备为风机盘管加集中式空调热泵机组，所有已按常规演讲厅设计并安装的空调设备和管道所产生的低频振动和噪音都将使得最终建成一个音乐厅的目标无法实现
4) 该音乐厅位于园区的东侧，临近一条城市主干道，尽管直线距离还有约20m左右，但车辆经过时的噪音对音乐厅的影响还是非常大，经现场实测，最高值可达80-90 db。
2.2建筑声学改建要求和目标
在项目建设的整个生命周期，建设具有国际一流水准的专业性音乐厅的目标自始自终地被贯彻执行。该音乐厅定位于可供自然声演出的音乐厅，要求不仅能容纳古典音乐的演出；也能同时兼作演讲，远程教育的厅堂；戏剧演出； 并能用作专业的录音棚。而录音棚的设计要求，更是对整个音乐厅的专业性和声场效果提出了更为苛刻的要求
代表厅堂设计顶端的专业级音乐厅的设计，是一项系统工程，容合了多项专业技术，室内声学，建筑隔音，降噪措施，舞台照明，舞台设备，空调技术，精装修细节处理等。只有在项目整个生命周期，充分协调，平衡各专业，并重点突出声学工程的核心地位， 才有可能最终建设成集视，听，演于一体的现代化的专业音乐厅
3声学改善措施
3.1声学指标概述
专业来讲，音乐厅实际上是追求卓越，一流音质的听音场所。声学工程作为音乐厅设计的核心和枢纽，在项目的初期，就需要明确其主导地位。
作为音乐厅音质评价的音质参量，经历了数十年的发展，已经积累了大量的数据和成功的案例，并从中得出不少评价音乐厅成败的重要客观的参数，例如，混响时间, 早期反射声，初始时间延迟，声场力度感（G），噪声指标。 通过对这些音质参量的控制和管理，使得音乐厅声场效果的定量设计成为可能。
但正如丰田泰久所倡导的，仅有客观参量是远远不够的， 音乐厅音质的主观评价更是区分专业级厅堂的一个重要的衡量因素，这其中就包含：声音的丰满度，低频感，清晰度，响度，空间感，环绕感。 而这些主观评价一方面需要专业的声学顾问，另一方面可以通过演奏者，乐队指挥，录音师的信息反馈来调整音场的声场设计。
3.2室内声学音质参量的机算计模拟分析
优秀的音乐厅是平衡两个主要印象的产物，声音必需同时清晰和丰满。这就是声音的早期反射（主导声音的清晰度）和混响之间的平衡。而如何更好地操控声音的早期反射具体来说就需要更合理的安排厅堂的几何尺寸和体型。 根据原有的建筑结构，池座， 观众席的安排，通过使用建模技术来模拟声音的早期反射在时间，舞台和观众席的均匀分布，然后通过建筑调整，内装饰的饰面调整和天，地，墙的声音吸收系数控制来实现
3.3建筑平面，剖面形式和容积
通过建模分析该音乐厅的主要特征参数：
厅堂占地面积200m2;
声学有效容积 1000m3;
座位数： 158座；
每座容积 6.32 m3/ 每座
最大宽度： 约7.8m
舞台尺寸： 7.2mX7.8m
池座尺寸： 13mX7.8m( 共计12排)
厅堂的体型设计和每座容积对声场的影响非常大， 不但对声音的响度，混响时间影响较大， 更直接关系到声音的分布， 反射声的空间时间构成和是否有声缺陷等。 根据近年来的各类厅堂的大数据分析来看， 音乐厅8-10m3/每座，歌剧院6-8m3/每座，多用途礼堂/剧场5-6m3/每座，演讲厅，多功能教室4m3/每座。 而由于该音乐厅的厅堂体积较小，因此最终方案审定后所选用的每座容积，要略小于传统音乐厅的，但从最终的实际效果来看，还是令人满意的
从建模分析结果来看， 由于该厅堂的尺寸较小， 两侧平行墙的声音反射会产生相当大的颤动， 因此需要在其天花和墙面引入微成型造型， 干涉形成优质的早期反射声音，详见分析结果
厅堂的体型设计和每座容积对声场的影响非常大， 不但对声音的响度，混响时间影响较大， 更直接关系到声音的分布， 反射声的空间时间构成和是否有声缺陷等。 根据近年来的各类厅堂的大数据分析来看， 音乐厅8-10m3/每座，歌剧院6-8m3/每座，多用途礼堂/剧场5-6m3/每座，演讲厅，多功能教室4m3/每座。 而由于该音乐厅的厅堂体积较小，因此最终方案审定后所选用的每座容积，要略小于传统音乐厅的，但从最终的实际效果来看，还是令人满意的
从建模分析结果来看， 由于该厅堂的尺寸较小， 两侧平行墙的声音反射会产生相当大的颤动， 因此需要在其天花和墙面引入微成型造型， 干涉形成优质的早期反射声音，详见分析结果
3.4混响时间
混响时间即直达直接声消失后室内持续的声音，通常以声压级下降60db 所需的时间来度量。 为保证这么小规模的音乐厅有足够的满足优质声音要求的混响， 内装饰材料必须保证有足够的质量， 以确保声音不被吸收，让声音尽可能在四周进行无序的反射, 跳跃。 因此选用合适的非吸声材料来填充墙体， 天花非常重要。常规的非吸声材料可见下表：
根据以往经验和建模分析：吊顶的质量密度必须大于50kg/m2; 墙体 60kg/m2 才能保证反射的要求。 为满足墙面的反射， 所有墙面平均厚度约为200-300mm, 四周的墙体如果按这个造型来满足声场要求， 原有建筑结构的承重将是很大问题。综合考虑了不同材料特性， 针对本项目最理想的材料是实木做填充并模拟造型， 但如果整个音乐厅都采用实木作四周隔音墙（国外也确实是这么做的），那么具体实施的平米造价将是个天文数字。经反复分析比较， 及和声学顾问进行多次沟通调整设计后最终选用加气混凝土加钢架的形式（密度600kg/m3）来模拟隔音墙的方案被确定下来； 同时在吊顶处也选用GRC板进行全部封闭处理，来满足质量密度要求。
可变声卷帘的应用， 使得场馆可在不同的使用模式下灵活切换。 三种模式的转换是通过在侧墙安装可变声帷幕来具体实现。在古典音乐演出时，需要足够的混响时间， 因此基本上所有的可调声帷幕都会被收起；而在戏剧演出和演讲时， 对声音的清晰度要求较高， 混响时间要求较短，就需要部分或全部放下可变声帷幕。
根据三种不同的场景进行最终的现场数字模拟测试，全反射（reflective）; 部分吸音（Partially Absorptive），即下放舞台区域部分可变声帷幕； 全吸音（Absorptive）下放所有舞台两侧和部分观众席前部的所有可变声帷幕。该音乐厅的混响时间分析如下：
3.5早期反射和初始时间延迟
厅堂的体型设计对直达声的影响很大，反射声的空间和时间设计是否合理，是音乐厅音质设计的重要考量因素。在此，在这个项目中我们所重点关注的是大厅两侧的早期反射R1/R2 和天花的早期反射R3。
两侧墙体的早期反射声的初始延迟R1/R2：原建筑物的两侧平行墙体间的距离较近，很容易产生早期反射声的有序反射，形成声颤，和局部的声音聚焦， 从而导致声音的音质生硬，这是音乐厅设计中所最不希望看到。
而从客观音质参量的建模分析，这样不经处理或处理不完善的早期反射声的初始时间延迟， 即直达声和早期反射声的时间差都会大于50ms。而传统的专业级的音乐厅都会要求这个时间差甚至小于20ms。基于这一原则，在两侧反射墙的设计中，需要扩散体和反射体来加强声音的。多方位散射，反射。
目前国际上较为流行的侧墙设计有曲线，垂直线条，不规则曲线分布等反射体形式。
3.6建筑隔音
作为专业音乐厅，尤其可用作录音棚和录音室的`空间，控制外界噪音要求就更为严苛。为了防止外部噪音的负面影响，目前经设计后的音乐厅的所有墙体和吊顶，都已考虑了足够的隔音材料，但原场馆内的很多门，不能满足新功能的要求，就成为了其中最薄弱的一环。
在充分兼顾了造价和隔音需求后， 在音乐厅的隔音门选用中，所有通向室内的门都选用了30db 的隔音门；通向建筑物室外的隔音门，尤其是面对交通主干线的东侧的几扇大门，重点选用了可达50db 的重级提升推拉门，并在室内再增设一道25db的常规隔音门； 通过这些改造，使新的音乐厅满足了设计和使用要求。
隔音效果侧试，虽然无法模拟在专业的声学室验室内测试每扇门或隔墙的隔音参量，但是通过在场馆内设置不同位置的声源，并在隔音门或墙另一侧来测试的方法，整个隔音系统还是可以被较客观地测试。
3.7降噪措施
场馆的背景噪音对要求更高专业级的音乐厅或录音棚也会产生不利影响，该厅堂按原报告厅设计安装的空调设备和管道对场馆的背景噪音控制是非常不利的。
机电设备的背景噪音：通过分析发现，场馆的背景噪音主要来源于电气设备，空调设备，管道的低频振动所产生的背景噪音，其噪音指标经现场实测后还是比较惊人的，基本上可达到50db- 70db。
针对这些问题，主要采取的控制措施包括1) 严格控制空气在空调管道中的流速，所有管道末端风速控制在3m/s， 风口处风速控制在1m/s 以内；2) 调整增大所有的空调管径，并按需配置足够的消音弯头，以降低风速噪音 3）改变原设计的空气组织方式，由原来的上送上回，改为下送侧回的方式，在看台下方设计一个足够容量的混凝土空气静压箱，使得空气的传导速度被进一步的放慢降低； 4) 在原有空调管道保温棉（至少25mm 厚）的基础上，另增加一道3mm 厚的乙烯基隔音材料，进一步杜绝空调管道内的低频噪音的影响；5）在空调机房内满铺隔音棉，空调设备通过减震垫安置在混凝土设备基础上，以降低设备振动的噪音传导到混凝土结构上。
电气设备的噪音也是另一个极易被忽视的噪音源，尤其是舞台灯光，大功率的照明设备会对音乐厅的声学效果带来不利影响。为避免这一难题，并参考了目前国际上较流行的舞台照明配置，在这个厅堂设计中，所有音乐厅演出的照明和非音乐演出的照明被分开设计，取消传统的吊杆式大功率的舞台照明，专门定加工了一批满足一定IP等级（IP65）的嵌入式大功率照明灯具，用来兼做音乐演出照明（同时这些灯具的变压器被放置在厅堂外的配电室内，从而降低了电气设备的低频噪音， 这一点在录音时的效果尤其明显）。而非专业演出的大功率舞台照明采用天花预留插口的方式，在音乐演出时，可灵活拆卸，从而较好地解决了大功率舞台照明设备的噪音问题。
项目竣工后的实测完全和期望的噪音控制值NC-15 （500HZ）基本一致，甚至还好于期望值。
具体测试结果:
4结束语
本音乐厅于2018年3月落成，马上投入使用，先后举办了不少世界顶级小提琴和钢琴演奏专场，并取得了这些大师的一致好评，为上海的传统的小型专业音乐厅填补了空白。上海音乐学院部分师生在参观和使用了该厅后，上海音乐学院马上与该音乐厅签署了合同，把该厅作为上音学生录音的一个专业场地。而不少外来参观者，演奏者在聆听了音乐演出后，都对场内的音质的平衡，丰满度非常满意
综上所述，音乐厅的是一项多专业协同，并容入各专业行业顶级水准的综合实体。项目实施过程中，对各参建方的综合素质要求非常高。通过该音乐厅的设计，建造，对同类型音乐厅的实施过程可归纳为：以声学和建筑的雏形空间为基础，进行综合各专业初步设计。并在初期建模，进行声学计算，对各声学指标做核对，并以此为基础，反复调整厅内的体型设计，吸声材料布置等并最终创造出超一流的内环境的艺术境界
音乐厅的音质设计过程，是空间，声学和建筑艺术形态完美融合的过程。一个优质的音乐厅，也一定是建筑师，声学专家，管理方等各参建方呕心沥血，共同谱写的一个和谐的，完美的乐章
参考文献：
[1]“中国音乐学院音乐厅声学设计综述” 汪静波，章奎生著 演艺科技杂志
[2]Leo L Beranek “Revised Criteria for noise control in buildings”
论文作者:胡峻
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/12
标签：音乐厅论文; 声学论文; 反射论文; 厅堂论文; 混响论文; 噪音论文; 声音论文; 《基层建设》2018年第25期论文;