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音乐厅声学设计方案

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音乐厅声学设计方案






背景介绍

本方案引用我司某音乐厅项目作为案例。


场馆概述



音乐厅呈钟型,采取尽端式舞台的设计;建筑尺寸:长:18.95m,宽11.67-20.4m,高2层约12.2m;挑台进深为3.9m,挑台口高3.2,进深比1.22

音乐厅体积约3096m³,可容纳约293人,每座容积10.6m³/座;舞台面积约85㎡;每个乐师所占面积按1.0-1.5/位计算,对于竖琴、大提琴、低音大提琴、长号和大号的乐师所占面积按2.0-2.5/位计算,最多可支持双管乐队同等规模演出需求。

使用功能:以中小型音乐会为主。。声学设计原则以自然声设计为主,要求厅堂建成后具备较高的混响感、空间感。


声学设计依据

本项目的声学设计依据以相关国家标准和相关经典声学文献为准,列举如下:

中华人民共和国国家标准 GB501182010《民用建筑隔声设计规范》

中华人民共和国国家标准GB50121-2005《建筑隔声评价标准》

中华人民共和国行业标准JGJ57-2000《剧场建筑设计规范》

中华人民共和国国家标准GBT / T 50356-2005《剧场、电影院和多用途礼堂建筑声学设计规范

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

《音乐厅和歌剧院》白瑞纳克著

音乐厅 相关图纸与提供的相关信息


声学设计指标

根据国内外相关标准以及本项目的功能特点,兹确定以下的音质设计指标:


1 声学设计指标


2 观众厅各频率的混响时间相对于500-1000Hz的比值


观众厅内本底噪声 / 运行噪声级:在空调、通风系统正常运行的状态下,厅内本底噪声应不超过NR25噪声评价曲线,用A 声级评价时要求噪声不超过30dBA

声场不均匀度:容积大并以扩声系统为主的厅堂,其声场不均匀度主要取决于扩声系统的扬声器设置方式。要求厅内前区和后区的声场强度差别宜小于6dB,横向中区和左右两侧区域的声场强度差别宜小于3dB

观众厅内任何位置无音质缺陷,如声聚焦、回声、颤动回声等声学缺陷。厅内总体评价应达到混响合适、特性优良、声场均匀,声音清晰丰满、无明显噪声等。

控制室音质设计指标:中频500~1000Hz满场混响时间为:RT60=0.4秒,各频率混响时间平直。


隔声设计

隔声吊顶


为确保音乐厅上方外围护构造隔声量Rw达到60dB,以避免室外噪声影响音乐厅正常演出,音乐厅厅上方应设置隔声吊顶(如 3),具体构造为:减振吊杆+吊顶龙骨(内填50mm48K玻璃棉)+双层12mm厚防火石膏板,请参见 3


开放式吊顶设计



通过增加音乐厅的容积,是增加音乐厅的混响时间最有效根本的做法。因此,将吊顶设计成开放式,吊顶上部的空间属于整个音乐厅的一部分。开放式吊顶的设计,既能让厅堂拥有大空间厅堂的混响感,同时能保证小空间厅堂的亲切感和空间感。


体型优化分析

体型设计是音质设计的重要内容。厅堂体型直接决定了反射声的时间和空间分布,甚至影响直达声的传播,大量的早期反射声是优良音质的有力保证。合适的体型设计是良好音质的必备条件之一,而科学的装饰完成面造型设计能为获得良好音质提供先天性的有利条件。

墙面形状、尺寸、布置的合理设计以及扩散体的设计与布置来满足。设计合理的吊顶可以为观众厅提供丰富而均匀的早期反射声,舞台台口至面光桥之间的大天花,能够为前中区提供早期反射声,面光桥后部的天花吊顶能够为池座中后部及楼座观众席提供早期反射声。而合理设计侧墙的造型,能够使观众厅的侧向反射声更丰富,声场更为扩散,这也有利于加强观众席的空间感。而侧墙上扩散反射体的设计能够为观众厅提供大量的侧向反射声,这都能改善观众厅的空间感并使观众厅具有良好的声场分布均匀度。


剖面体型优化



吊顶作为最重要的一个反声面,需要科学合理的设计,将声音有效地反射到观众区域,提供大量的早期反射声,有利于加强直达声,提高声场均匀度、自然声响度和语言清晰度。本方案的吊顶造型基于装饰效果美观的前提下,最大量利用顶部为观众席提供反射声,并使来自顶部的反射声能均匀覆盖观众席。


演奏台墙面扩散设计



参数化辅助音质设计

利用计算机参数化设计软件,对观众厅体型进一步分析,声线分析可涵括二维层次开始到三维声学模型层次,与传统CAD声线作图法相比,具有高效便利,精细确切,分辨率高,形象生动等优点。


展斜墙平面参数化声线分析



7 8是展斜墙作扩散处理前后的对入射声能的反射作用对比:可以清楚看出,入射声线经MLS数论墙体反射后,相邻声线之间的差异更加大,表明MLS扩散可有效对声能造成时间差、能量差的作用,能量分布按数论规律排列,具有良好的扩散作用。


演奏台后墙参数化声线分析



9 10可以清楚看出,入射声线经MLS数论扩散后墙反射后,反射声的波前不是一个规律的圆弧,而是带着数论特征的一个圆弧,对声能起到很好的扩散,有利于提高演奏台上的均匀度,有利于乐师之间的良好听闻、协作,同时避免出现演奏台上某处地方能量过大的现象出现。


立面体型参数化声线分析


由于演奏台上声源位置众多,按照传统的CAD作图法无法一一进行分析。本项目中,借助参数化工具,对不同声源点反射板的反射效果进行分析。 11给出3个声源点位置的反射效果。可以清楚看到,反射板造型能适应声源点位置变化,均能为整个观众区域提供覆盖的早期反射声,且分布均匀,反射界面有效面积利用率十分高。


横截面体型优化



由于利用侧墙上除MLS扩散体外的墙体作扩散反射设计,设计出如 13所示的声学造型,扩散反射效果如 12。能为观众区提供向下的早期反射声,同时能对入射声能做扩散反射处理,避免出现反射声能量过于集中的情况。有利于提高音乐厅的空间感、混响感和均匀度。


基于扩大反声覆盖范围的吊顶角度优化



14所示,通过参数化精确控制反射板的旋转角度,同时能直观地观察到早期反射声能覆盖于观众区上的情况,能快速确定有利于声学效果的反射板安装角度,提高整个反射板的反声效率。


音乐厅模型三维声线分析


基于三维声学建模的基础上,直观观察声线的传播路径。如上图所示,声音从声源发出后,经反射板反射后,反射声能覆盖范围很大,扩散效果佳。同时,若界面存在产生回声、声聚焦等声学缺陷时,利用三维声线分析技术能作有效判断。


声学材料布局

为了获得期望的足够长的混响时间,以满足交响乐演奏的需求;我们确定音乐厅(交响乐模式)内不作任何吸音处理,并严格控制座椅的吸音量。为防止音乐厅两对平行墙体间可能产生的颤动回声,四面墙体均作了扩散处理。吊顶作为重要的反射面,其形状经过严格设计,以便为观众提供更多的早期反射声,增加语言的清晰度和音乐的声散比。

观众厅内各界面声学材料的选择与安装位置和数量关系到观众厅的总体装修效果和投资,关系到厅内声场的分布和扩散,更关系到厅内混响时间及其频率特性的控制,这里将对观众厅内各个主要表面的材料选择及其配置部位提出建筑声学专业设计的建议和意见,供业主及室内装修设计和施工单位参考。音乐厅内各界面材料及构造如下:


吊顶天花

吊顶天花声学上要求具有较强的反射,同时还要求减少对低频的吸收,因此可以选用增强纤维石膏板(即GRG 板)吊顶,刚度较好,其板的面密度要求达到40Kg/m²以上,如25mm玻璃纤维增强石膏GRG/玻璃纤维增强混凝土GRC。为增加吊顶的扩散效果,表面可结合装饰设计,做一些凹凸不平的纹理,有利于防止不良的声学现象。




台口侧墙及两侧墙

侧墙对观众厅前中区而言都是十分重要的早期声反射面,这些墙面能向观众席提供足够的早期反射声能,提高音质空间感。因此该部位的墙面声学要求厚实、坚硬,具有良好的反射作用,尽量将声音反射给观众席,减少声吸收。

音乐厅台口侧墙及两侧墙中部,在声学上是作为观众席侧向反射声的反射面,因此可安装预制的增强纤维石膏板(即GRG 板)、玻璃纤维增强混凝土GRC,或面密度大于40Kg/m²的木质板材作为装饰面。刚度较好,造型可以满足声学和装饰需要,面密度以及安装方式需与天花有所不同,以避免共振的不利影响。走道墙面安装面密度大于30Kg/m²的木质板材。



侧墙MLS数论扩散体、几何扩散体上的具有美学意义的雕饰设计,既能丰富室内装饰效果,增加装修档次,同时使声音直接撞到表面时起到舒缓散射作用。

舞台后墙、观众后墙

舞台反射界面的扩散设计师非常重要的,从古典音乐厅的雕饰扩散设计,到现代剧场的几何扩散体以及MLS、QRD扩散体设计得到广泛的应用。MLS数论扩散体在控制厅堂回声、防止声染色和声聚焦等音质缺陷,以及在控制声衰变、使声场扩散提高音质的空间感和清晰度方面均有重要作用,有利于声场的扩散,有利于音质效果的提高。可使用预制25mmGRG造型,或者厚度大于35mm的实木造型构件。



观众厅地面

观众厅地面用料可根据装修标准、清洁要求及经济等因素确定,声学只要求地板为贴实材料。根据以往设计经验,建议选用实木地板或新型软木地板,可实贴地面安装,也可采用龙骨架装,但需要将龙骨间隙使用回填土填实,以避免地板共振吸收过多的低频声。地面施工还必须处理好送风口及座椅安装的接口问题。


楼座栏板




楼座栏板也是重要的反射面,能够为中区提供必要的近次反射声。但如果设计不合理,也会在舞台或观众厅双向前区造成回声,甚至电声啸叫,为此,楼座栏板在声学上主要作为扩散反射面考虑,并呈倒锥弧面形状为宜,建议在混凝土结构外侧安装预制的增强纤维石膏板(即GRG 板),表面结合声学及室内设计做造型处理。


观众席座椅

观众席是观众厅内最重要的吸声面,中高频吸声量大约占整个观众厅总吸声量的2/3 到3 / 4 ,因此对观众厅内的实际混响时间起着非常关键的作用,而观众席吸声量的大小又取决于座椅本身的吸声性能,一般情况下,观众的吸声增量在0.1~0.2左右(随季节变化),因此选择座椅的型号、用料,声学性能的控制成为观众厅音质设计的重要环节。对于本观众厅座椅,其技术要求如下:
①座椅在空椅和坐人两种条件下的吸声性能尽可能接近。座椅厂商必须提供由专业声学单位检测的座椅吸声性能测试报告。
②坐垫应有缓冲装置,翻动时不产生噪声,尤其不能产生碰撞声。
③座椅宜采用木靠背及木扶手,靠背宜留木边框,同时靠背软垫不需太厚,座椅样式可参考下图。

④坐垫下底面不做吸声处理,不能选用穿孔木板。
⑤座椅下部应附带与地面连接的送风口装置。

⑥对观众厅内座椅吸声系数提出以下要求如表3所示:




音乐厅的混响时间

混响时间 RT 的计算公式:

RT=0.161V/〔-Sln(1-α)+4mV〕式中:

V——比赛大厅容积,m³;

S——室内总表面积,m²;

α——室内平均吸声系数;

混响时间计算表请参见背后附表。本项目中空场混响时间指座椅已安装,人员未进场的情况。满场混响时间指所有椅子均有人员就坐的情况。


控制室

墙体:满铺25mm厚布艺软包+50mm厚32K玻璃棉+50mm空腔;两侧墙直通型E16/6孔木吸音板+50mm厚32K玻璃棉+50mm空腔。其余墙体刷乳胶漆。

天花:矿棉板吊顶;

地面:铺设架空防静电地板。


声闸及其他入口

音乐厅所有公共出入口空间均需设置声闸,同时能防止演出时传入外界光线的作用,声闸内需作吸声处理,具体为:

吸音墙:50mm软包+50mm厚32K玻璃棉+50mm空腔(如红线标记处墙体);

吸音天花:矿棉板吊顶。


计算机厅堂音质模拟结果

本报告通过两种方式展示厅堂的声场特性,一是:网格观测法(Grid Response),它是通过对厅堂空间进行网格划分,研究每个网格的声场特性,就可以了解整个厅堂的声学特性。本次模拟,将厅堂观众席平面划分为0.75m×0.75m 的单元,高度距离地面1.2m,相应于人坐下时耳朵的高度;以彩色网格图形式展示。二是:反射声序列观测法(Multipoint  Response),它是通过在厅堂内布置若干测点,表示出直达声、反射声到达的时间和强度,以反射声序列图形式展示。




声学结果分析与结论

7 音质客观评价参量模拟结果分析



对各个测点的仿真结果进行统计分析,以及分析厅堂内各音质参量的彩色网格示意图,可以对厅堂音质进行一定程度的预测分析,结果总结如下:

1. 通过对本观众厅的室内音质计算机模拟计算结果的分析可知,包括T30EDTGLFC80TsST1BRIDTD等声学参量的模拟计算结果均满足声学设计目标值。

2. 18个测点的反射声序列图可以看出,厅堂各处不存在回声、长延时反射声、声聚焦音质缺陷;80ms内,池座、楼座区域均能接受到大量早期反射声,是优良音质效果的有力保证。早期反射声能越强,空间感越好。早期反射声最密集的是楼座中后区中部区域,较弱的是楼座后部区域。

3. 从观众厅的混响时间分布图可以看出,全厅各处的混响时间分别均匀,声场均匀度高;这说明对两侧墙、后墙和吊顶所采取的吸声扩散措施对提高音质效果十分有效。混响时间的频率特性符合设计要求,即低频有适当的提升,高频有适当的降低。

4. 早期衰变时间EDT模拟值高达1.98s,说明厅堂建成后丰满度、混响感强,非常有利于提高室内乐的演奏效果。

5. 自然声响度G10.3,说明音乐厅内响度高,有利于聆听细微的音乐细节。

6. 声场分布,即G值在观众区的分布情况:池座第一排与最后一排相差5.3dB,与楼座最后一排相差4dB;中间与两侧声压级差为0.5dB,说明对音乐厅设计的扩散措施十分有效,声场均匀度较高。

7. 侧向能量因子模拟值LFE4值为0.23,与世界公认的音质效果最好的三大音乐厅之一:波士顿音乐厅实测值0.25非常接近,使得音乐更有整体感、空间感和丰满度。

8. 从声散比C80的模拟结果可以看出,音乐厅C803)值位-0.9dB,说明厅堂建成后具有很好的丰满度。

9. 重心时间Ts的模拟结果137ms,小于优选值要求在70-150ms内的要求,说明厅堂音乐的平衡度、丰满感属于优选水平,具较强的空间感。

10. 低音感:低频的混响时间与声压级均比中频大,低音强度较好,音乐厅具有满意的温暖度。

11. 初始时延间隙仅仅比在优选值范围内,说明厅堂的亲切感佳。

根据模拟结果,可以预测观众厅内任何位置无音质缺陷,如声聚焦、回声、颤动回声等声学缺陷。厅内总体评价应达到混响合适、特性优良、声场均匀,声音清晰丰满、无明显噪声等。




其他项目

案例一:成都城市音乐厅


案例二:天津茱莉亚音乐厅


案例三:武夷山音乐厅



我司拥有业内领先的声学分析技术:三维声线分析、声粒子动画分析、 音质模拟预测分析、现场声学测试等;配备丹麦进口正版声学模拟软件ODEON15.14,可对建筑空间进行声学模拟,音质试听;配备瑞士/列支敦士登进口一级声学仪器;擅长于剧场、音乐厅、报告厅、影院、体育场馆、开放式办公室、主题乐园声学设计。
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