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日期:1/2019 用户评论

波士顿交响乐厅的声场模拟分析

杨志刚

波士顿交响乐厅位于美国马萨诸塞州波士顿市内,于1900年10月15日落成,在1999年被指定为美国的国家历史地标,也是波士顿的标志性建筑。建造时便有意识地运用声学原理指导音乐厅的设计,聘请哈佛大学物理学助理教授塞宾为声学顾问。因此,波士顿交响乐厅是最早运用现代声学原理设计的音乐厅,从声学上讲,波士顿交响乐厅是世界上三大音乐厅之一,在是美国的最好的音乐厅中也受到青睐之。从开馆之日起,这座交响乐厅就因其活泼的音响效果而广受赞誉,被誉为优美动听的古典音乐会场馆之一,目前是波士顿交响乐团与波士顿流行乐团的驻地。


波士顿交响乐厅以第二次世界大战中被毁的莱比锡音乐厅为原型建造,与阿姆斯特丹音乐厅和维也纳金色大厅一样,外形为狭长而高挑的“鞋盒”形,见图1。当踏入交响乐厅,首先便会看到装有一排镀金风管的管风琴(4 800管)舞台后墙。不同深度的灰色和奶黄色油漆、镀金的眺台栏板、红色的眺台扶手、黑色的座椅和红色的地毯等元素使大厅具有19世纪中叶的建筑风格。16尊希腊和罗马塑像复制品排列在大厅的墙上,以印证波士顿广为人知的“美洲的雅典”的称号。值得一提的是,音乐厅的舞台上镌刻着贝多芬的名字,他是唯一一位被所有理事一致同意将其名字镌刻在交响乐大厅里的音乐家。


图1 波士顿交响乐厅建筑外观


世界上一些著名的乐队指挥、独奏家和评论家对交响乐厅的评价如下颇高,如:


米特罗普洛斯评说:“波士顿交响乐厅音质良好。”


蒙特说:“波士顿交响乐厅我非常非常喜欢。”


奥曼迪和乔治塞尔都认为“波士顿交响乐厅是世界上最佳音乐厅之一。”


明希和艾萨克斯丹恩认为“波士顿交响乐厅是优秀的。”


博尔特写到:“波士顿交响乐厅是我们理想的大厅。”


赖纳说:“波士顿交响乐厅和维也纳金色大厅是两个最好的大厅。”瓦尔特说:“波士顿交响乐厅很好,比卡内基音乐厅更活跃。”


指挥家卡拉扬在将波士顿交响乐厅与维也纳金色大厅进行比较时表示,“对很多音乐而言,它甚至更好……因为它的混响时间稍低。”



1 交响乐厅基本概况


交响乐季时,波士顿交响乐厅能容纳2 625人;流行乐季时,能容纳2 371人,举行宴会时,能容纳8 0 0 人。厅内长、宽、高分别为39 m、22.9 m、18.6 m,体积为18 750 m³,每座容积为7.14 m³/座, 安装座椅的地板面积1 056 ㎡;交响乐季时,每个座椅占地面积为0.40 ㎡/座。音乐厅的平面、剖面图及照片见图2~图5。


图2 波士顿交响乐厅平面图


图3 波士顿交响乐厅剖面图


图4 波士顿交响乐厅的后视照


图5 波士顿交响乐厅的前视照片


波士顿交响乐厅各界面所用的材料如下。


  • 顶部:钢板网抹灰。

  • 墙面:30%为钢板网抹灰,50%为砌筑墙抹灰,20%为13 mm~25 mm厚木材。

  • 眺台:栏板为镂空的铸铁花格栅。

  • 地面:池座地面为平的混凝土黏贴木地板;冬季音乐会时,临时安装起坡的地面,用1.9 cm厚木板铺在由角钢支撑的10 cm×10 cm木楞上,地板的空腔深度由前座的零到后排的1.52 m;楼座地面是混凝土铺木地板;走道铺地毯。所有舞台地面均铺3.8 cm厚木板,下有很大空腔,上面另铺1.9 cm厚木板。

  • 舞台反声罩:大部分表面包括平顶均是1.3 cm厚、0.91 ㎡的木格镶板,其框架为2.5 cm厚和15.2 cm宽。舞台地面以上约4.3 m高的墙面镶板厚2.5 cm。

  • 座椅:靠背前后和座垫面均为毛毡上包覆黑色皮革,座垫下面及扶手均为实木。


2 声场模拟分析


2.1

建立准确的三维计算机模型


计算机模拟软件采用ODEON,版本为14.00Combined。为了能准确地找出波士顿交响乐厅形体方面的优势,笔者所在的团队尽最大可能地把各个主要的形体都建立完整(由于雕塑太复杂,是通过提高雕塑面的扩散系数来达到声学要求),尽量减少对音质参量模拟精度的影响。图6和图7为波士顿交响乐厅计算机模型图,共建立了4 977个面。


图6 波士顿交响乐厅计算机模型的后视图


图7 波士顿交响乐厅计算机模型的前视图


声源设置在舞台边缘向内3 m的中心线上,离舞台地面1.5 m。在观众席中共设置了22个测点,均离地面1.2 m高,声源和测点分布见图8。首先,根据相关资料确定各个界面的吸声系数,然后适当调整吸声系数,使计算机混响时间T30的模拟结果和实测数据基本接近,然后相应地模拟出其他声学参量(EDT、C80、G、LF、IACC、ST1等)。


图8 计算机模拟分析的声源和测点布置图


2.2

计算机模拟结果汇总


波士顿交响乐厅的实测数据绝大多数取自白瑞纳克著的《音乐厅和歌剧院》第二版[2],并和其推荐值进行了比较。音乐厅模拟值、实测值和推荐值的对比表见表1。


注:除了T3 0为满场外,其他参量均为空场状态。T30 mid为中频500 Hz、1 kHz两个倍频带的T30平均值;EDTmid为中频500 Hz、1 kHz两个倍频带的EDT平均值;(1-IACCE3)为500 Hz、1 kHz、2 kHz三个倍频带的平均值;LFE4为125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz四个倍频带的LFE平均值;Gmid为中频500 Hz、1 kHz两个倍频带的G平均值;C80,3为500 Hz、1 kHz、2 kHz三个倍频带的C80平均值;ST1为250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz四个倍频带的ST1平均值。由于声源校准方法的不同,Takenaka测试的Gmid比西方实验室数据约大1.2,因此没有采用。LEV是根据2003年Soulodre,Lavoie和Norcross通过大量实验数据推导出来的公式计算而来的:,其中


2.3

声学参量的彩色网格图


波士顿交响乐厅计算机模拟的声学参量彩色网格图见图9~图14。


图9 混响时间T30(1 kHz)


图10 早期衰变时间EDT(1 kHz)


图11 明晰度C80(1 kHz)


图12 侧向反射系数L(1 kHz)


图13 声场力度G(125 Hz)


图14 声场力度G(1 kHz)


2.4

代表测点的反射声序列


反射声纹理能够很好地反映音乐厅的音质效果,图15~图20列出了池座、侧眺台、二层楼座以及三层楼座代表测点的反射声序列(最多反射次数为4)。从反射声序列可以看出池座的反射声最多,其次是三层楼座,最少的是二层楼座。二层楼座80 ms以后的反射声比较少。


图15 池座前区测点1、7反射声序列图


图16 池座中区测点3、9反射声序列图


图17 池座后区(眺台下部)测点6、12反射声序列图


图18 二层侧眺台测点13、14反射声序列图


图19 二层楼座测点16、17反射声序列图


图20 三层侧眺台测点18、19反射声序列图


3 波士顿交响乐厅的声场特点


三大音乐厅声学参量数据的对比见表2,从中可以看出波士顿交响乐厅与阿姆斯特丹音乐厅体量相当,均比维也纳金色大厅规模要大一些。虽然波士顿交响乐厅和阿姆斯特丹音乐厅体量相当,但波士顿交响乐厅的座位数却明显比阿姆斯特丹音乐厅的座位数要多。


图21 三层楼座测点21、22反射声序列图



3.1

相对较低的丰满度和较高的明晰度


从表2 可以看出,在三大音乐厅中,波士顿交响乐厅空、满场RT mid和EDT mid都是最小的,相应地明晰度就最高,但都在推荐范围内,混响感十分明显。声学家白瑞纳克认为:“只有在维也纳金色大厅、阿姆斯特丹音乐厅、柏林音乐厅、苏黎世的大音乐厅才有波士顿交响乐厅那种到达高峰的增涨过程和混响质量。在此听音乐实在是一种享受”。指挥家卡拉扬在将波士顿交响乐厅与维也纳金色大厅进行比较时表示:“对很多音乐而言,波士顿交响乐厅甚至更好,因为其混响时间稍低。”


3.2

较低的观众厅响度、低频力度和较高的舞台声压级、舞台支持度


过去很长一段时间,大家一直认为大厅低频混响与中频混响之比决定大厅的低频力度,近年研究表明,这样的估量不对。Beranek[4]认为:低频125 Hz的G值减去中频(500 Hz、1 kHz两个倍频带)的G值之差(G125–G中频)的低音比(bass index),才是重要的因素。从表3中可以看出,三大音乐厅中波士顿交响乐厅无论是空场还是满场的Gmid和G125-Gmid都是最小的。响度偏低的原因主要是在相同的空间内布置了较多的观众席,因而能量吸声较多、响度自然就低了。低频力度偏小的原因是20%墙面和舞台反声罩为13 mm~25 mm厚木材(面密度比较小),造成低频吸收较多的缘故。波士顿交响乐厅是三大厅中唯一建有分隔式舞台空间(类似音乐反声罩)的大厅,由于舞台空间比较小,没有一件乐器与指挥台之间距离在9.2 m以上。更重要的是,管风琴下部的扩散底面可以将声能反射向演员。声学测量(盖德,1989和布拉德利,1994)表明,离乐队中心边上1 m的乐师发出的声音经大厅返回中心后那里的声压级,波士顿交响乐厅比维也纳金色大厅低1 dB,比阿姆斯特丹音乐厅高4 dB。



也就是说,在三大厅中,虽然波士顿交响乐厅观众厅的响度和低频力度都比较小,但是由于音乐反声罩的作用,其舞台上的声压级和维也纳金色大厅的相当,比阿姆斯特丹音乐厅的还要高4 dB。波士顿交响乐厅的舞台支持度ST1也是三大厅中最好的。


3.3

较好的视在声源宽度和较低的环绕感


空间感包括早期声引致的视在声源宽度(ASW)和混响声引致的环绕感(LEV)。从表4可以看出,在三大音乐厅中,波士顿交响乐厅的视在声源宽度ASW和维也纳金色大厅的差不多,都比较大,但其环绕感却是三个音乐厅中最小的。



环绕感(LEV)是根据白瑞纳克的《音乐厅和歌剧院》(第二版)[2]数据利用LEV公式计算所得,而没有直接采用《音乐厅的声学质量与厅堂形状有关: 鞋盒、环绕物等》[5]的数据,所以有一定的误差,主要为了详细分析LEV偏大的原因。从计算公式:


计算公式中可以看出,LEV与后期中频的响度、后期双耳相关函数有关。从表5的计算数据可以看出,三大音乐厅值相差并不大,所以,波士顿交响乐厅GLate值最小,直接导致环绕感(LEV)也最小。



3.4

良好的亲切感


亲切感就是在大房间中听音乐却有小房间的主观感觉。白瑞纳克将正厅池座中心位置的初始时延间隙ITDG用作亲切感的量度。正厅池座中心位置定义为舞台前沿和第一层眺台栏板之间的半程位置(偏离中轴线1 m)。从图22池座中心位置测点的反射声序列可以看出,第一次反射声来源于池座的侧墙(见图23),ITDG为28 ms,仍然不符合交响乐厅<25 ms的推荐值。波士顿交响乐厅宽度已经比较窄了(仅约22.9 m),但实测值仅15 ms,声称差仅0.015 m×340 m/s=5.1 m,估计是通过舞台上乐谱架或座椅背板反射的。由于演出时,舞台椅子上坐满演奏人员,会部分或全部遮挡座椅背板或乐谱架。即使没有遮挡,反射声也会随着乐队的布置方式不同而或有或没有。因此,真正演出时来自舞台上乐谱架或座椅背板的反射声是可有可无的,是个变量,无法定量设计。所以,在测量时建议适当调整舞台上乐谱架或座椅背板的角度,从而消除这些不是稳态的反射声。


图22 池座中心位置测点的反射声序列


图23 池座中心位置测点的第一次反射声来源


3.5

不均匀的扩散性


Hann和Fricke曾经通过相关研究得出以下结论:“评价为优异与评价为良好或中等的音乐厅相比,表面扩散性程度似乎是造成这种差别的重大原因”。逐一详细地分析波士顿交响乐厅各界面的扩散特性。整个顶部布满凸出的装饰线条(藻井格)起到很好的扩散效果。眺台是镂空的镀金金属格栅(透空率约50%),起不到什么扩散作用。侧墙三层楼座以上侧墙的扩散效果比较好,尤其是16尊希腊和罗马塑像复制品排列在墙上,使扩散效果更加良好;除池座后墙增设QRD扩散体,扩散效果比较好外,池座和二层的墙面均比较平,扩散效果并不好。舞台区域的木格镶板和管风琴墙面的凹凸变化,使舞台扩散效果非常好。确切地说,波士顿交响乐厅观众厅的下半段扩散不好,上半段(包括顶部)扩散良好,详见图24~图27。


图24 顶部扩散处理


图25 墙面扩散处理


图26 池座后墙QRD扩散体


图27 舞台区域扩散处理


图28 演出现场的照片(可见悬挂了9块白色帘幕)


波士顿交响乐厅侧墙总面积约为1 470 ㎡,池座和二层楼座没做扩散的面积约为460 ㎡,三层楼座以上做扩散的侧墙面积就是1 010 ㎡;全部做扩散的顶棚面积约为1 100 ㎡。由于三层楼座侧墙和顶棚都是高扩散性,所以SDI=(1×1 010+1×1 110)/(1 470+1 100)=0.82。根据白瑞纳克著的《音乐厅和歌剧院》第一版[1]和第二版[2],维也纳金色大厅的SDI为0.96,阿姆斯特丹音乐厅的扩散性和维也纳金色大厅一样好,SDI也约为0.96。


4 总体分析


综上所述,波士顿交响乐厅混响时间比较合适(如果能再长一点,也许会更好),能体会到那种到达高峰的增涨过程和混响质量。相比较另外两大音乐厅,波士顿交响乐厅的观众厅响度偏低,低频力度也不足。由于舞台区域呈乐罩形状,演奏人员的舞台支持度很好,且舞台的声压级足够高,亲切感比较好。在空间感方面,波士顿交响乐厅有很好的视在声源宽度,但环绕感没有另外两大顶级音乐厅明显。总的来说,波士顿交响乐厅非常适合演奏古典音乐会。


2017年6月16日,笔者曾在波士顿交响乐厅看过一场演出,演出内容涉及美国作曲作词家斯蒂芬·桑德海姆生平介绍及其作品,既有交响乐演奏,也有独唱,还有使用扩声系统的个人生平介绍。交响乐厅上部墙面上共悬挂了9块白色丝绒吸声帘幕,且观众爆满,估计满场混响时间在1.6 s~1.7 s。因此,交响乐演奏时,声音效果并不是十分丰满,没有想象中的那种到达高峰的增涨过程和混响质量。但使用扩声系统的语言介绍部分听起来比较清晰,且具有一定的丰满度,是清晰度和丰满度的最佳折衷。


致谢:模型主体由金瑞参照相关图纸和笔者现场实拍的照片来建立的,在此感谢她的辛勤工作。



选自《演艺科技》2018年第12期 杨志刚《波士顿交响乐厅的声场模拟分析》转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。


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