國家大劇院建築聲學設計分析

2020-12-20 堅平說建聲

國家大劇院建築聲學設計分析

國家大劇院位於北京市心臟地帶,西長安街沿線,與人民大會堂和天安門廣場相鄰,佔地面積11.89萬平方米,總建築面積21.75萬平方米(包括地下車庫近4.66萬平方米)。

一般而言，建築聲學設計的工作內容主要包括音質設計和噪聲控制兩大部分。下面我僅從以下幾個方面來分析：一、室內音質設計·確定音質設計指標及其優選值。根據廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數、側向能量因子、雙耳互相關係數等音質評價指標，並確定各指標的優選值，是音質設計的重要任務。這些指標及其優選值的選定，將為進一步進行音質參量計算和將來竣工後的音質測試提供目標和依據。大劇院的廳堂平面設計·室內音質的評價標準：1、 主觀評價指標——合適的響，較高的清晰度和明晰度，足夠的豐滿度，良好的空間感，沒有聲缺陷和噪聲幹擾。

2、 客觀物理量——聲壓級，混響時間，反射聲的時間分布，反射聲的空間分布。·其基本原則有：1、 充分利用直達聲2、 合理分布前次反射聲

3、 正確地控制混響時間及其頻率特性

4、 注意避免和消除聲音缺陷和噪聲影響·確定廳堂體型及體量。為看得清楚、聽得清晰，各類廳堂都有個長度的限制。廳堂的寬度會涉及到早期側向反射聲的組織，與音質的空間感有重要關聯。廳堂的高度不僅影響豎向早期反射聲的組織，而且影響早後期聲能比和混響聲能的大小及方向。廳堂的體積和每座容積都直接影響混響時間等音質參數。廳堂的體型更是關係到是否存在回聲、顫動回聲、聲聚焦、聲影區等音質缺陷。所有這些，都必須在初步方案設計階段就提供建築聲學的專業意見。二、混響時間分析 在廳堂（室內）聲學設計中，混響時間是一個重要的概念與指標。聲音在室內衰減的過程稱之為混響過程。聲音在室內將從穩態開始衰減，直至衰減到其聲能為原有聲能的百萬分之一時，這段時間被稱為「混響時間」，也即衰減60dB所需的時間，記作（RT或T60）。 在廳堂內，適度的混響時間，可使音樂豐滿，語言宏亮、飽滿。過短的混響時間使聲音乾澀無力；混響過長將使語言清晰度降低，音樂缺乏節奏感和力度，唱詞模糊還清。 因此，在廳堂音質設計中，根據不同的性質和要求，必須選擇一個「最佳」的混響時間。但混響時間並非決定 廳堂音質的唯一指標。噪聲控制也非常重要，也是室內音質設計的重要指標之一。

三、聲學材料分析工程上把吸聲係數較大的材料與結構（一般大於0.2）稱為吸聲材料或吸聲結構。其主要用途在於控制室內混響時間，消除音質缺陷。如國家大劇院音樂廳「魅頂」，音樂廳「魅頂」除了為音樂廳增添藝術的氛圍，它還是一個考慮升學效果的設計。對於音樂廳而言，第一重要的就是聲音，一切建築和裝飾設計都要為聲音效果服務。凹凸不平的頂棚，更加有利於聲音的擴散，不規則圖形的浮雕頂棚，就是一個聲音擴散器，把舞臺上發出的聲音擴散到觀眾席的每一個角落。

浮雕頂棚設計浮雕頂棚只是大劇院聲學竅門中的一個，為聲學考慮的精巧設計處處可見。歌劇院室內看上去是橢圓形的，但觀眾眼睛看到的形狀卻是個「假想」。從視覺美觀上講，弧形牆面的橢圓劇場會更加美觀，但是圓弧形對於音質來說卻是致命的形狀。長方體型有利於反射聲音，音質最好，但看上去又會古板。最後，設計師使用了一個兩全其美的辦法。燈光映射下的金屬網

現在長方形歌劇院被蒙上金屬網，看上去歌劇院牆面呈弧形，但聲音確能穿過金屬網投射到金屬網背後真正的牆面上。此外，金屬網和牆面之間還安裝了裝飾燈，燈光映上金屬網後面的紅色牆面，再透過金色的網面，看上去富麗堂皇。另一個聲學設計是「數字牆」。在音樂廳和歌劇院中，我們能看到四周牆面都是凹凸的立體木質牆面，就像站立起來的鋼琴琴鍵。凹凸牆面也是為了聲音可以得到更多的反射，保證坐在每個位置的觀眾，都能聽到同樣優質的聲音。數字牆的設計處理

這些只是顯而易見的聲學設計，改大劇院的地下還隱藏著錄音棚、錄音演播室等設施，它們都要求最優質的聲學設計，而工程師最像考慮的就是如何阻斷外界的噪音。國家大劇院地下正好與北京地鐵二號線相鄰，地鐵不可避免地發出振動，振動通過地面傳導以後，會給錄音棚帶來噪聲。解決振動噪聲的辦法——給錄音棚裝一個避震器。而且設計師讓房子站在了彈簧避振器上，但是每一根錳鋼彈簧的承載力是一噸左右，設計壽命為100年。四、隔聲降噪設計所謂隔聲，就是在圍護結構把聲源所發出的聲音限制在局部範圍內，基聲波傳播途徑上用屏蔽把遮擋住一部分，這種使聲能減弱的物理性能就稱之隔聲。噪聲危害很大，例如——噪聲損害人的聽覺，對人的睡眠的幹擾，對語言交流的幹擾，噪聲可引起多種疾病等等。通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內背景噪聲，因此，這些廳堂的選址很重要，應儘可能遠離戶外的噪聲與振動源。另外，還要進行場地環境噪聲與振動調查、測量與仿真預測，目的是為進行廳堂建築圍護結構的隔聲設計提供依據，保證廳堂建成後能達到預定的室內噪聲標準。圍護結構的隔聲設計分為空氣聲隔聲設計及固體聲隔聲設計兩部分，均包括隔聲量的計算、隔聲材料的選擇以及隔聲構造設計等內容。除理論計算外，經常需要進行隔聲構件的實驗室或現場測量，來確定其各頻帶的隔聲量 為中國設計國家大劇院

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