从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果广东星海音乐厅交响乐大厅的声学设计XX 一 概述 星海音乐厅是以人民音乐家冼星海②的名字命名的音乐厅建于珠江之畔风光旖旎的二沙岛上它与已建的美术馆和正在建设中的博物馆等建筑构成广东省相当规模的文化中心 星海音乐厅包括交响乐大厅，室内乐厅，音乐欣赏室，排练厅，琴房，音乐资料馆，水上演奏台，音乐喷泉和各种配套用房建筑面积1000m2，是我国目前规模最大、设备先进和音质优异的现代化音乐厅也是我国第一座采用“葡萄园”形(或称山谷梯田形)配置方式的音乐厅音乐厅的总平面见图2 星海音乐厅于1998年6月13日——冼星海诞生日正式使用广州交响乐团和中国交响乐团合唱团进行首场演出演奏了钢琴协奏曲《黄河》和贝多芬第九交响曲《欢乐颂》，获得成功 二 交响乐大厅的声学设计指标和实施策略 星海音乐厅这座华丽的艺术殿堂是为满足广大观众欣赏高雅音乐的殷切需求、并作为国内外文化交流的基地和窗口而建造的音乐厅设计始终把音质效果放在首位，以继承传统音乐厅的良好品质、而又能适应现代生活提出的各种需求为设计的宗旨。
声学设计指标是根据国际上获得“顶级”音质效果的音乐厅为参照对象，广泛听取我国音乐家和声学家的意见确定的交响乐厅的各项“最佳”音质指标见表1所示 为压缩篇幅，将竣工调试后实测的各项指标简述于表内 为实现上述设计指标、确保获得良好的音质，采取了如下的策略： 初步设计阶段：通过计算机模型和1/40缩尺实体声学模型试验与声学估算相结合，分析体形、了解声场状况和可能出现音质缺陷的部位； 技术设计和施工图阶段：用1/10缩尺实体声学模型试验和各种声学构件声学性能的实验室测定，确定声学构造的部位、尺度和装修用材，并进行较为详细的声学计算； 施工阶段：在没有专业施工队的条件下，主要是施工交底和监理，检查隐蔽工程，并在交响乐大厅主体结构完成后，进行首次混响和声场分布的现场测定； 竣工调试阶段：用以解决声学计算、缩尺模型试验与实际效果存在的差距要修正客观存在的偏差，就必须采用声学测定与乐团试用时主观感受相结合的方法，做多次调试、修改装修、直至达到预期的效果星海音乐厅通过三个月的调试工作，才实现所要求的演奏和听闻效果 三 交响乐大厅的声学设计 交响乐大厅是星海音乐厅的主体容纳137名听众，有效容积1200m3，每座占容积m3，大厅采用“葡萄园”形的配置方式，即在演奏台四周逐渐升起的部位设置听众席。
这种形式的最大优点是在大容量厅堂内缩短后排听众至演奏台的距离，从而确保在自然声演奏的条件下，有足够强的响度此外，利用演奏台四周厢座的栏板和楼座的矮墙，可使听众席获得足够强、且有较大覆盖面的早期侧向反射声近期的研究表明[1][2]，这是传统音乐厅所以能获得良好音质的重要原由而传统音乐厅则是通过窄跨度的侧墙实现的因此，这种形式不仅继承了传统音乐厅所具有的良好品质，又能适应现代大容量音乐厅的各种需求它自1963年德国柏林“爱乐”交响乐大厅首创至今，在国际上已被广泛采用，但在国内尚属首次 大厅的屋盖选用“马鞍”形壳体建筑师的原意是试图利用壳体结构本身的形体去获得声扩散和均匀的声场分布，而不必追加专门的反射结构实际上这是一种误解，原因在于： ⑴大厅地面离壳顶最低部位约14m，因此，堂座前，中区和台两侧厢座内的一次反射声与直达声之间的声程差均超过17m(时差大于50ms)，可能引起回声； ⑵“马鞍”形壳顶的所有横剖面均为凹弧形面而引成声聚焦，从而造成声场不均通过1/40缩尺实体模型试验和三维计算机模型试验充分证实了这一点即为大厅横剖面计算机模型显示的声反射图，可见声聚焦的状况 此外，在大厅壳体拆模后的现场测定均表明，顶部不悬吊反射板时，厅内声场分布不均和存在回声现象。
对此，在演奏台上悬吊了12个弦长，曲率半径为的球切面反射体，其目的除了消除回声和声聚焦以外，还可加强乐师间的相互听闻，提高演奏的整体性同时也使堂座前区和厢座听众获得较强的顶部早期反射声 为加强听众席后座的声强，在球切面反射体周围设置了锥状和弧形定向反射板，以此获得厅内均匀的声场分布 交响乐大厅的平、剖面，和建成后的内景分别见图4～图6所示 为使大厅达到中频(500Hz)满场的混响时间，并使低频(125Hz)混响提升倍(相对于中频)，即采取如下几项措施： ·增大容积，每座容积取; ·厅内所有界面均不用吸声材料，在容易引起不利声反射的部位(后墙和后部吊顶)设置锥状扩散体；壳顶拆模后刷涂料；墙面为35mm厚硬木板实贴在18mm厚的多层板上；地面均为实贴木地板，仅演奏台设木龙骨架空地板；所有悬吊的反射体采用刚度大的阻燃玻璃钢结构 ·减低座椅的声吸收，并使其吸声量接近听众的吸声量，从而减少厅内空、满场混响时间的差值 根据以上确定的容积和内装修构造，进行了混响时间的计算和1/10缩尺实体声学模型试验，缩尺模型的测定结果仅中频较为接近，其它频率偏差较大，这是因为模拟材料不可能在很宽的频率范围内有一一对应的吸声性能。
大厅的声扩散是除混响时间以外的另一个重要音质指标当听众感到乐声似乎以相等的幅度来自四面八方时，扩散是最好的[3]表征声扩散的指标是d，它定义为：厅内声场扩散值与自由场扩散值之比，即d=1－m/m (1) 式中m——为厅内声场的扩散值； mo——为在自由声场的扩散值(由杭州电声厂消声室内测定)； m=ΔM(声强的平均差值)/M(各方位角的平均声强)； mo——的求法同m，只是在自由声场中； 交响乐大厅的声扩散是通过多边的形体、差落的包厢和楼座栏板，以及顶部悬吊的反射体实现的缩尺模型试验测定的结果表明，大厅具有良好的声扩散 对于音乐厅来说，厅内希望获得良好的声扩散，但又不要求完全扩散(即d=1)，因为听众在要求乐声来自各方的同时，还希望有一定的方向感，即乐声来自演奏台 传统音乐厅所以能获得良好的音质，除了有最佳的混响时间和良好的声扩散以外，早期侧向反射声起着重要的作用，它加强了直达声的强度和提高了亲切感因此近年所建音乐厅无不考虑早期侧向反射声的设计星海交响乐厅是通过侧墙、厢座栏板、楼座矮墙对所覆盖的听众席提供早期侧向反射声的；此外，壳顶下悬吊的反射体也给听众席提供顶部的早期反射声。
早期反射声的状况，可以通过脉冲声测定获得测点的反射声序列，并能计算求得声能密度为了便于定量比较目前常用早期声能与后期声能之比的C值作为评价指标[4]时间的分界为80ms(以音乐丰满为主的厅堂)和50ms(以清晰为主的厅堂)其表示式为： 声能比C80，又称明晰度，这是一项与早期声能相关的指标建议以500Hz、1 000Hz和000HzC80的平均值C80(3)作为评价音乐厅的指标，其最佳值为0～- 交响乐大厅的噪声控制，主要解决单层壳顶的隔声和空调系统的消声和减振两方面： 交响乐大厅的墙体均为内隔重墙，只有壳顶暴露在室外，单层230mm厚的钢筋混凝土壳体，具有足够的空气声隔声量(基地噪声为67～71dBLeq(A))但大雨冲击的撞击隔声量却很低，对此，做了隔离撞击声的构造，并在实验室内做了测定其结果表明，实施的构造可以隔离大雨时的冲击声 空调系统的消声和减振，是大厅获得良好听闻条件的最基本的保证开启空调时厅内噪声不得大于28dBA，即以听不到空调噪声为设计指标对此，采取了如下措施： ⒈在空调系统的管路系统内设置阻、抗复合型消声器，减低风机噪声沿管路传至厅内 ⒉防止气流噪声，限制流速：主风道低于6m/s，支风道低于/s，出风口低于/s。
为实现这一目标，采用侧送、局部顶送(演奏台上方球切面，反射体间)，座席地面下回风的方式 ⒊送风与回风量相适应，即采用1:1的送回风比例 ⒋全部空调、制冷设备均做隔振处理，水泵、冷水机组采用SD型橡胶隔振装置；风机采用弹簧隔振器；管道用软接管，并用弹簧吊架[5] 有关其它的工程设备和需要隔声的构件，均采用常规的做法处理 在交响乐厅即将竣工的前后，曾对所有各项声学指标进行了测量，并在竣工后的试用阶段，听取了乐团的意见进行了音质调试 四 交响乐大厅的声学测量 和音质调试 ⒈声学测量 声学测量的内容包括响度、混响时间、脉冲响应、声扩散、声场分布、频率响应和噪声等七项明晰度(声能比)C80和低音比BR(温暖感)是根据脉冲响应和混响时间测定的结果计算求得现分述如下： ⑴响度(L) ： 响度是演奏过程中代表音量大小的指标，最直接代表音量的是声压级测点在楼座听众席的最后排，用Leq(A)进行测定，时间是3分钟由于声压级随曲目的类别、时间而变化，不可能很精确通过几个节目的测定结果，取其平均值为78～89dBA ⑵混响时间(T) ： 混响时间共测定了四次，测定频率为63Hz～000Hz八个倍频程的中心频率。
其结果是中频(500Hz)满场为，空场为 ⑶低音比(BR) ： 低音比(又称温暖感)定义为低频混响时间(T125+T250)与中频混响时间(T500+T1000)之比，即： 根据实测混响时间求得的BR= ⑷声扩散(d) ：[6] 声扩散是通过配置在声透镜内的传声器旋转360°，测得来自各方向声压级的图形，由式(1)求得测点选定在离声源15m以内的堂座和厢座内，因为离声源越远，扩散值d就越大池座内4个测点方向性扩散，由式(1)求得的扩散值为d1=，d2=，d3=，d4=，平均值为 ⑸声场分布测定(ΔLp) ： 声场分布的状况是通过厅内各座席的声压级测定其最大值Pmax与最小值Pmin的差值，即为声场不均匀度ΔLp(dB) ΔLp=Pmax-Pmin (dB) (4) 大厅内测得的声场不均匀值为： 125Hz:；00Hz:；XXHz:； ⑹频率响应(F) ： 频率响应是听众席任一位置上接收到的各频率(63Hz～8000Hz)的声压级值各频率声压级的最大差值，为频率不均匀度F，应小于10dB 全厅各区共测27个点，频率不均匀度F均小于，频率响应的图形见图7所示图内仅列出12个测点) ⑺早期反射声时延间隙(tI) ： 早期反射声测定是在演奏台上配置脉冲声源。
在大厅的7个区内，选择有代表性的座席测定其反射声序列时标为100ms，由图内可观察早期反射声的状况、反射声的时延间隙(tI)和计算求得明晰度C80和C50在演奏台上声源取2个位置，S1和S2，在厅内各区分别测定27个点计54幅图为压缩篇幅在图8内仅列出S1和S2各7个测点结果由反射声序列图可见，时延间隙(tI)为3～7ms ⑻明晰度(C80(3) ：[4] 由早期反射声测定结果，可用式(2)求得500Hz、1 000Hz和000Hz三个频率的C80值，然后取其平均值，即C80(3)同样可用式(3)求得C50(3)的值交响大厅七个区的明晰度C80(3）的平均值为- ⑼噪声级(N) ： 噪声测定是在空调系统达到正常运行工况时进行的测定值为，背景噪声为 ⑽音质缺陷： 音质缺陷没有做专门的测试，而是借助于脉冲声测定和混响时间测定所得的声衰减曲线进行分析，观察判别的，并结合耳听，确定厅内无音质缺陷 通过上述10项声学指标的测定表明：交响乐大厅的声学设计达到了预期的指标 ⒉音质调试 声学设计的最终目的是为乐师和听众创造优异的演奏和听。