築聲閣聲學/劇院/專項/設計
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劇院一般使用10~15年後，音視頻、舞檯燈光和機械設備等就要更換升級，部分裝飾也會翻新和改造，一些建築功能也因使用要求變化而改造。從中國第一個現代化劇院——上海大劇院1998年建成使用已經有22年了，其在2013~2015年進行了改造和功能升級，中國大批劇院也逐步進入了改造升級時代。許多劇院由於使用功能的變化、時代的需求（追求豐滿度），聲學效果也需要相應地改造。本文詳細介紹柏林國家歌劇院的聲學改造過程，希望能給中國劇院的改造提供一定的借鑑。
一、歌劇院介紹
德國柏林國家歌劇院是位於德國柏林市中心菩提樹大街的一座歌劇院，是歐洲第一個獨立的宮廷歌劇院。國家歌劇院於1741年開始建設，在1742年尚未竣工時就進行了第一場演出。1844年被命名為皇家歌劇院，1918年被命名為柏林國家歌劇院。二戰期間歌劇院完全被毀，1955年歌劇院得到了修復。在2010年至2017年期間，該建築進行了全面翻新，所有技術設備進行了更新。原計劃翻新四年工作延長至七年，翻新費用從估計的2.39億歐元激增至4億歐元（4.73億美元）。歌劇院座椅數量已從1398減少至1356，以提供更大的舒適度和更好的視野。
圖1. 約1745年的歌劇院最初形式
圖2. 1844年大火重修後的觀眾廳內景
圖3. 2009年改造前的歌劇院內景前視圖
圖4. 2009年改造前的歌劇院內景後視圖
圖5. 2017年改造後的歌劇院內景前視圖
圖6. 2017年改造後的歌劇院內景後視圖
在2010年至2017年期間，歌劇團暫居席勒劇院進行演出活動。2014年我帶領聲學所骨幹到歐洲考察時，原計劃是到柏林國家歌劇院欣賞演出的，由於翻新只能到席勒劇院觀看了一場演出。席勒劇院相對而言是一個現代劇場，缺少了柏林國家歌劇院的親近和圍合感。柏林國家歌劇院新任總經理Matthias Schulz說，「劇院的規模比這座城市其他兩個歌劇院（德意志歌劇院和喜劇歌劇院）的容量都要小，這是創造強大現場體驗的福音，人們真的能感覺到歌手或大提琴的振動。」
圖7. 席勒劇院外觀
圖8. 席勒劇院內景
2019年3月，日本《音樂之友》雜誌總計邀請了47名音樂評論家和記者選出了他們心目中的世界十大歌劇院，其中柏林國家歌劇院名列第七，其音質效果得到廣泛認可。
二、聲學改造目標
自2010年以來，國家歌劇院採取了最複雜的翻新措施。在「翻新如舊」的要求，整個建築都達到了現代化的安全技術水平。整個舞臺塔（600噸鋼材）被拆除，現在的舞臺機械是根據國家歌劇院的需要量身定做的，將國家歌劇院的舞臺機械水平提升到國際水準。
其中最重要和最具挑戰性的改造要求就是在音樂總監丹尼爾·巴倫博伊姆的要求下是將歌劇院的混響時間從1.1秒延長到1.6秒。聲學顧問公司為Peutz International GbR，這一目標主要是通過增加體積和降低材料的吸聲係數來達到的，接下來主要介紹觀眾廳的聲學設計。
三、建立計算機模型和1:10縮尺模型
首先建立了3D計算機模型，圖9為改造前、後的觀眾廳縱剖面的聲學計算機模型，用特殊的吸聲幕布模擬滿場的觀眾（見圖10）。改造前後實測和模擬計算的滿場混響時間RT見圖11。由於防火幕（FC）收起，不同的舞臺布景會產生不同的影響。所以FC收起條件下，改造後RT的計算值比實測值要稍微低一點也屬正常情況。
圖9. 觀眾廳縱剖面的聲學計算機模型
（左為2010年改造前，右為改造後設計）
圖10. 用幕布模擬滿場觀眾的照片
圖11. 觀眾廳滿場RT的計算和實測值
為了更好地研究聲音的波動特性，製作了1:10縮尺的模型（見圖12），並考慮了尺寸為10釐米（在許多情況下甚至更小）的細節。反射面是帶有清漆的木材，觀眾用金字塔形的泡沫代替，模擬實際演出的滿場狀態（見圖13）。
圖12. 1:10縮尺模型內景圖
圖13. 代替觀眾的金字塔形的泡沫
圖14. 改造前現場實測（左）和縮尺模型測量（右）的脈衝響應圖對比圖
在計算過程中，首先對改造前的情況進行檢查，並將其與縮尺模型的測量數據相吻合，然後再對改造後的情況進行分析。為了獲得最大的脈衝響應穩定性，對模型中的空氣進行了空調處理。測量了MLS信號和能量-時間衰變曲線Energy-Time Curves (ETC)計算。從這些數據中計算出清晰度等參數。由於縮尺模型材料的吸聲係數與真實材料並不是完全一致，故僅粗略估算混響時間。測試顯示混響時間RT可以從1.1s增加到1.6s (滿場，FC放下)。圖14顯示了改造前現場實測和縮尺模型測量的ETC對比，雖然不完全相同，但趨勢非常相似。
四、混響環廊和格柵
將觀眾廳歷史悠久的吊頂（保留原有的吊頂）整體提升5米，使大廳的體積增加近總體積的50％，達到9300m，而建築外觀並沒有明顯的改變。觀眾廳增加的體積像蘑菇一樣擴大到三樓走廊的上面，凸出的區域在其的上方創建了一個「混響環廊」（Reverberation Gallery）。為了縮小視覺效果的差距，開發了視覺上封閉但在聲學上透明的格柵（見圖15、16），格柵的菱形結構由玻璃纖維增強磷酸鹽陶瓷(CBPC)按照要求的形狀澆鑄而成（見圖17、18），滿足防火要求。格柵的面積為250㎡，網格尺寸根據參數幾何形狀的不同而有所不同，格柵的側面寬度為20cm。
圖15. 混響環廊的觀眾廳一側
圖16. 混響環廊的後部
圖17. 3D印表機雕刻格柵的摸具
圖18. 往摸具中澆鑄磷酸鹽陶瓷
同時對格柵疏密構造的兩種形式進行了反射聲能的測試，以驗證格柵的透聲性能。見圖19，上：兩個樣本，左下：定向反射（6dB/div），右下：反射聲能百分比，藍色：左樣品，紫色：右樣品。
圖19. 比例為1:2的格柵結構的聲反射測試
五、吸聲材料的控制
僅僅通過增加有限的體積仍然無法把混響時間從1.1秒提升到1.6秒，還需要減少對其他表面的吸收，具體採取的措施如下：
1. 輕質的木牆面板被重面板(40kg/㎡)取代。
2.其他紡織品，如欄杆和舞臺開口上方牆體段表面覆蓋的天鵝絨，也通過小樣本的吸聲測量進行了優化。見圖20，左：牆面飾面(膠粘紡織)，中：欄杆(膠粘天鵝絨)，右：舞臺開口上方牆面(膠粘天鵝絨)。
3.部分空腔被填實，以避免共振過多地吸收低頻。
4.最大的吸聲表面是座椅，原有座椅的吸吸聲係數比較低。聲學目標是不能增加座椅的吸聲量。原有座椅的吸聲係數比較低，同時座椅的舒適度還要提高。座椅舒適度的提高是通過人體工程學設計的，靠背的高度增加了10釐米，同時增加了靠背薄墊的厚度。聲學設計要求在座椅內部增加密封層，以降低襯墊增加的吸聲。圖21顯示了新舊座椅的實驗室測試吸聲係數，高頻時略有增加，低頻時略有減少。
圖20. 用幹涉儀現場測量優化後的表面吸聲係數
圖21. 舊（上）、新（下）座椅（坐人）的吸聲係數
六、音質缺陷的消除和研究
在聲學設計和分析研究過程中，在許多地方進行了改變和改進，本文主要討論兩點。
1.混響環廊回聲的消除
在縮尺模型研究中發現池座前排座位上出現了一組回聲（圖22），分析研究是因為混響環廊的橢圓形狀牆壁造成的，通過在環廊牆壁上設置折線形擴散體解決了這一問題。
圖22. 測點M5的脈衝響應圖
（左圖:紅色為橢圓形牆，藍色為折線形牆）
2.池座聲聚焦的研究
由於觀眾廳牆面呈橢圓形，從圖23可以看出，池座前中區缺乏早期反射聲和池座後部有聲聚焦現象。基於基爾霍夫積分（Kirchhoff integral）的計算顯示聚焦區域第一次反射聲比相比直達聲能增加了7dB（見圖15右圖）。
圖23. 池座聚焦平面分析圖(左) 和橢圓部分125Hz的第一反射聲能分布圖(右)。
原有牆是部分吸聲的，為了延長所需的混響時間，必須用反射牆代替，所以在牆面布置吸聲材料來解決聲聚焦是不可能了。另外一個解決方案就是在牆面設置擴散體，但又與建築保護要求維持原狀相矛盾。聲學設計在縮尺模型中進行了研究：通過在牆壁上安裝曲面鏡和光源，確定了聚焦的精確位置，並在此位置測量了脈衝響應。從圖24可以看出，第一次反射聲確實比直達聲高，但增加有限，而且由於時間延遲也是有限的，這將不會被視為回聲，所以決定在牆壁上不做擴散處理。
圖24. 左: 牆上有曲面鏡的縮尺模型，右: 在聚焦點處測量的脈衝響應圖
七、改造後的實測
2017年9月觀眾廳改造基本完工，在第一次彩排前，進行了聲學測量。觀眾廳測量的狀態為：空場、滿場（特殊的吸聲幕布模擬滿場的觀眾）、防火幕(FC)收起和放下等。此外，交響音樂會的情況，管弦樂隊在舞臺上測量。測量RT採用了防幹擾噪聲和一個9毫米手槍（主要為63Hz八倍頻帶）。脈衝響應測量是用MLS信號和全指向聲源完成的。聲源和測點布置圖見圖25，未顯示的聲源位置7在樂池 (Q1下)。
圖25. 測試時的聲源(紅色)和接收器(藍色)的位置圖。
圖26顯示了M6（池座）、M11（側包廂）和M9（樓座）三個代表測點改造前後的脈衝響應圖，可以看出改造後具有較強的後期反射聲，混響時間明顯變長，而且衰變曲線比較平滑，沒有明顯不利的反射聲。
圖26. 三個代表測點改造前後的脈衝響應圖（樂池升起、FC放下和滿場）
圖28顯示，空場、FC放下的條件下，中頻RT超過2秒，但低頻下降比較明顯，125Hz只有1.7秒。滿場、FC放下的條件下，改造前後中高頻RT約提高了0.7秒。FC收起時，低頻125Hz只提高了約0.25秒，由於舞臺布景條件不同，比較可能不對等。
圖28. 2009年（改造前）和2017年（改造後）的RT測試數據（歌劇條件）
根據測試數據顯示，觀眾廳響度G略有提高，響度G的平均測量值約4-5dB（第三層樓座約6 dB）。從表1可以看出，改造後中頻C80值下降了4~6dB，表明明晰度得到明顯降低。
表1. 改造前後，不同聲源位置的中頻C80值
通過把觀眾廳吊頂提高5米（形成了一個混響環廊），以及減少觀眾周圍牆壁的吸收，柏林國家歌劇院的聲學效果得到了顯著改善。反射聲能的增加、混響時間的顯著延長和較低的明晰度形成了一個完全不同的聲學效果，在音樂細節和混響之間有一個很好的平衡，一種濃鬱而溫暖的聲音出現了。由於側壁反射增強，提高了視在聲源寬度，尤其是對池座後方和正面包廂的觀眾。改造後，觀眾廳既實現了聲學的實質性改善，同時還保留了觀眾廳的建築歷史外觀，這兩個目標應該算是實現了，業主和觀眾都柏林國家歌劇院出色的新音效感到非常滿意。
八、分析和總結
針對本項目的聲學改造措施，本人認為還需要改進的地方有三處：
1.柏林國家歌劇院觀眾廳體型呈罐子的形狀，體型先天不足，弧形的牆面造成池座後部聲聚焦。基爾霍夫積分（Kirchhoff integral）的計算顯示聚焦區域第一次反射聲比相比直達聲能增加了7dB；而縮尺模型卻發現增加有限，不會造成影響。這兩個相互矛盾的結果，最好改造後在實際廳堂中進行詳細檢測，驗證哪種結果更可信。
2.用特殊的幕布模擬滿場觀眾，是否有充分的依據？至少人頭的散射係數和幕布是不一樣的。其實都採用空場條件進行比較分析，應該也完全可以達到目的。如有條件，改造後可以增加滿場情況的測試。
3.FC放下的測試條件，雖然避免了舞臺布景條件不同，但是並不是正常歌劇的使用狀態。建議測試條件改為，FC收起、舞臺布置常規使用的簷幕、側幕和天幕等（不設布景）條件進行測試，這樣既接近真實的演出條件，又避免不同劇種舞臺布景不同的影響。
總結改造劇院音質效果的要點如下：
1.改造前需對聲學參量進行詳細檢測。與改造後、同等條件下的聲學參量檢測數據進行對比分析，確定改造效果。
2. 改造前需對地面、牆面和頂面材料的吸聲係數進行現場檢測，改造後所選用的材料也需現場測試，只有都是在現場測試的條件下比選才有參考價值。當然也可以在實驗室測試進行驗證。由於不可能把所有材料都拆下來（這樣就破壞了原有的裝飾），拿到實驗室進行測試吸聲係數。因此用專用設備現場測量改造前後材料的吸聲係數就很有必要。華東建築設計院聲學所2009年就購買了Zircon現場測試吸聲係數的儀器，擁有豐富的使用經驗。但是注意現場測試的吸聲係數（聲能垂直入射）和實驗室的測試（聲能無規入射）是不同的，只有在同等條件下對比採用參考價值。
3.建立計算機模型或縮尺模型，用改造前現場測試的材料吸聲係數計算結果和已測聲學參量進行對比分析，以驗證模型的準確性。
4.考慮問題一定要全面，某項改進措施既能帶來想要的聲學效果，也可能帶來不利的聲學缺陷。如增加了混響環廊，確實達到延長了觀眾廳混響時間的目的，但也給池座前區的某些座位造成了回聲。減少牆面的吸聲係數，確實達到延長了觀眾廳混響時間的目的，但也給池座後區的某些座位造成了聲聚焦。
5.可能受某些條件約束，聲學的要求無法落實。選擇妥協，也就意味著聲學效果難以盡善盡美。
圖片主要源自：de.wikipedia.org、www.peutz.de、EUMiesAward、BauNetz等。
（文 楊志剛）
參考文獻：
1.日本權威雜誌評選的世界十大歌劇院排名. 今日音樂MuiscToday, 2019,02/27
2.Martijn Vercammen, Margriet Lautenbach. STAATSOPER UNTER DEN LINDEN BERLIN. proceedings of the institute of acoustics, Vol. 40. Pt. 3. 2018
3.https://miesarch.com/work/3961
4.https://www.janknippers.com/archives/portfolio-type/nachhallgalerie-staatsoper-berlin（混響環廊格柵的製作）
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