國內大劇院混響時間及相關參量特性分析

文立森

(華東建筑設計研究院有限公司聲學及劇院專項設計研究所，上海200070)

0 引 言

隨著中國近年來經濟及文化的發展，國內新建了大量的大劇院，其建筑聲學音質效果很重要。國外對音樂廳與歌劇院的聲學效果早有研究，Beranek[1]對全世界有名的100個音樂廳及歌劇院進行了聲學參數分析及評價，得到了具有代表性的歌劇院的建筑聲學參量優選值，至今仍是劇院建筑聲學設計的最重要的參考。國內大劇院主流的劇目與國外存在一定的差別，整體上音質設計效果如何，是否存在差別等問題，目前仍缺乏相關的深入研究和總結評價。

混響時間作為目前建筑聲學音質設計及評價里最重要的指標，是聲學設計的主要設計參考指標，因此本文通過實際測量，選取國內較具代表性的1 200座以上的50個大劇院的混響時間進行了分析(其中有觀眾廳體積數據的有45個)，研究國內大劇院混響時間的范圍特性及其與其他參數的相關性，希望可為國內大劇院建筑聲學設計提供參考。

1 廳堂測量統計概況

國內劇場建筑設計規范[2]中把大于 1 200座的劇場歸類為大型劇場，同時各地大型的劇院更具有設計代表性、功能通用性及社會知名度，因此本文統計了如表1所示的各劇院。本文相關劇院的數據來源于華東建筑設計研究院有限公司聲學及劇院專項設計研究所近年來的現場測量，參考ISO 3382國際標準[3]測量脈沖響應。測量均為空場條件；舞臺幕布為正常演出狀態；聲源統一設置在舞臺中心線大幕線后0.5 m的位置。

表1 劇院列表Table 1 List of theaters

2 混響時間特性分析

2.1 混響時間大小分布

50個劇院空場混響時間統計結果如圖1所示。測量混響時間數值根據實際測量信噪比情況選用T30表示，即基于聲壓級衰變初次達到原始數值以下5 dB與35 dB的兩個時間點之間的衰變曲線線性外推出聲壓級衰變60 dB的衰變時間。結果顯示，各劇院混響時間的頻率特性為低頻(125、250 Hz平均，下同)時較高、高頻(2 000、4 000 Hz平均，下同)時較低，中頻混響時間平均值為1.55 s，低頻、高頻與中頻的混響時間比值分別為 1.19、0.90，整體滿足國家規范對劇院的頻率特性的要求[2]。

由圖1數據分布可見，同一頻率不同的劇院相差比較大，就中頻而言不同劇院的混響時間相差最大為 0.66 s，低頻、高頻時的混響時間在不同劇院相差更大。相對于Beranek[1]對大于1 200座的歌劇院優選值建議的中頻滿場混響時間1.4～1.6 s，表1中 50個劇院的混響時間統計結果平均值按滿場估算預計在1.4 s左右，處于下限值范圍。

圖1 50個劇院不同頻率混響時間統計Fig.1 Statistics for reverberation time at different frequencies of 50 theaters

2.2 混響時間與早期衰變時間大小關系

早期衰變時間(Early Decay Time, EDT)作為評價混響感的另外一個指標，與混響時間關系極其密切，統計 50個劇院中頻早期衰變時間與混響時間(Reverberation Time, RT)的大小關系如圖2所示。

圖2 中頻混響時間與中頻早期衰變時間的關系Fig.2 Relation between reverberation time(0.5 ～1 kHz)and early decay time

由圖 2可知，早期衰變時間明顯小于混響時間，50個劇院的早期衰變時間與混響時間的平均差值為0.2 s，最大差值為0.47 s，早期衰變時間與混響時間之比平均為0.78，說明在劇院中的聲能衰減并不是均勻衰減，而是早期聲能衰減比較快；作者統計過的16個音樂廳和16個加樂罩的劇院的早期衰變時間與混響時間的比值平均為 0.96[4]，而相同劇院有、無樂罩情況下早期衰變時間與混響時間的比值為0.96與0.88。說明由于劇院舞臺空間對聲音的吸收，導致了類似于莫方朔等[5]研究的無頂空間引起的前后期衰減不一致的特性。

對于相同混響時間的不同劇院，早期衰變時間的差別竟然達到0.4 s，是否因為受到體型、墻面吸聲或者擴散程度的差異影響，需要更深入的研究。

2.3 混響時間與明晰度、清晰度的關系

混響時間與明晰度(Clarity)C80與清晰度(Definition)D50密切相關，測試結果如圖3、4所示。結果顯示明晰度隨混響時間的提高而下降，根據趨勢線，明晰度要達到1 dB的變化需要改變混響時間0.2 s，但在相同混響時間下不同的劇院明晰度最大有 2.1 dB的差別，明晰度的最小可察覺差(Just Noticeable Distortion, JND)為1 dB[3]。對于明晰度而言，根據國際上評價較高的歌劇院的音質參數統計，對于混響時間為滿場 1.4～1.6 s時，空場明晰度C80,3(500、1000、2 000 Hz 平均)為 1～3 dB[1]，本文中50個劇院的平均值則為2.7 dB，而混響時間空場大于1.5 s的劇院，其明晰度大部分也在這個范圍內。

圖3 中頻混響時間與明晰度C80,3的對應關系Fig.3 Relation between reverberation time (0.5～1 kHz)and clarity

中頻清晰度也隨混響時間的增大而下降，根據趨勢線清晰度D50要達到0.05的變化需要改變混響時間為 0.17 s，而相同混響時間情況下，不同劇院的中頻清晰度差別最大為 0.1(清晰度的 JND為0.05[3])。根據王季卿對D50與漢語言清晰度的關系研究，當1 000 Hz的D50約大于0.45時，漢語清晰度能達到80%以上[6]，統計50個劇院的中頻清晰度平均值都為0.52，圖4中最小值為0.44，說明整體語言清晰度都能達到較高的水平。

圖4 中頻混響時間與中頻清晰度D50的對應關系Fig.4 Relation between reverberation time (0.5～1 kHz)and definition

2.4 混響時間與每座容積、體積的關系

混響時間與觀眾廳體積、每座容積相關。劇場建筑設計規范要求混響時間隨觀眾廳容積的增加而增加[2]。由圖 5的結果顯示，混響時間與觀眾廳體積關系不大，按體積大小排序，前后相鄰體積劇院混響時間的最大差別為 0.58 s，而平均差別為0.18 s。

圖5 中頻混響時間與觀眾廳體積的對應關系Fig.5 Relation between reverberation time (0.5～1 kHz)and volume of auditorium

劇場建筑設計規范對歌劇、舞劇功能的劇院要求觀眾廳每座容積為 5～8 m3；話劇、戲曲功能的劇院要求觀眾廳每座容積為4～6m3[2]。由圖6的結果顯示，每座容積明顯偏大于規范要求，且每座容積與混響時間無明顯的相關性。

圖6 中頻混響時間與每座容積的對應關系Fig.6 Relation between reverberation time (0.5～1 kHz)and volume per seat

3 討 論

相對于國外歌劇院混響時間的優選值范圍，國內的大劇院混響時間略低，原因是歌劇演出并非大劇院演出的主要或者常用功能，國內大劇院實際是以多用途劇場居多，聲學設計師會根據功能的定位而設計不同的混響時間，如電聲為主的劇院混響時間會設計較低，而有交響樂演出需求的劇院混響時間會設計略高。但對于部分有自然聲演出、交響樂演出功能的劇院，國內外劇院混響時間則無太大的差別。說明國內大劇院設計及建造一定程度上參考了國際上優秀的歌劇院，同時也考慮了國內劇院實際功能的需求。

早期衰變時間、清晰度、明晰度與混響時間的關系規律較明顯，在對應的混響時間區間內這三個參數也處于正常值范圍，說明了國內劇院在混響與清晰度的平衡關系上也取得了一定的效果。

劇院觀眾廳體積及每座容積雖然是與混響時間關系密切的建筑參量，但實際上聲學設計并不單獨以此來設計混響時間大小，而是根據劇院的主要使用功能定位，在一定的容積范圍內結合廳內的吸聲布置實現混響時間的控制，導致其反而與混響時間數據上關系不大，甚至與設計規范的推薦值有所偏差。

4 結 論

國內大部分的大劇院混響時間設計比較規范；小部分數據與規律偏差較大，是由于其特殊且單一的特性，需要進行更深入且有針對性的研究。若在混響時間不改變的同時能定向調整其他相關的參量，以此保證多方面音質參數實現定向設計，可為達到音質最佳的效果提供一個優化設計的方向。研究結果對于國內大劇院的聲學設計有重要的參考價值。

致謝 感謝多年來華東建筑設計研究院有限公司聲學及劇院專項設計研究所同事對數據的收集。