河南艺术中心建声设计

张三明

（浙江大学建筑技术研究所，浙江 杭州 310058）

1 项目概况

河南艺术中心位于郑州市郑东新区CBD中心区，由歌剧院、音乐厅、小剧场、美术馆、艺术馆5个单体建筑组成。艺术中心的功能设置及关键舞台设备均按国际先进水平配置，可以满足国内外大型歌剧、芭蕾舞剧、交响乐等的演出。艺术中心建筑造型独特，由五个椭圆体及两片玻璃艺术墙构成。五个椭圆体是由河南出土的6500年前古代乐器陶埙造型演变而来；艺术墙如河南出土的2500年前的古代管乐器石排箫的造型。艺术中心总建筑面积为75000 m2，投资约为10亿人民币。2007年建成并投入使用。图1为河南艺术中心鸟瞰图，图2为艺术中心夜景，图3为艺术中心总平面图。

2 歌剧院建筑声学设计

2.1 歌剧院概况

歌剧院以歌舞演出为主，兼顾音乐会及其他用途。观众厅包括一层池座、一层楼座、两侧各三层包厢。观众厅容座为1731座（使用乐池模式），包括残疾人座椅4个，其中池座1159座，二层楼座452座，两侧包厢共有座椅120个。观众席到舞台大幕线最远水平投影距离池座为33 m，楼座为37 m。舞台口宽W＝18 m，高H＝12 m；主舞台宽W＝31.5 m，进深L＝24.5 m；左右侧舞台宽W＝19.0 m，进深L＝24.5 m；后舞台宽W＝24.0 m，进深L＝24.0 m。图4、图5和图6分别为歌剧院池座平面图、楼座平面图及纵剖面图。图7～图9为歌剧院内景。

图2 河南艺术中心夜景

2.2 建筑声学设计目标及措施

歌剧院音质设计目标：在使用舞台声反射罩时，完全采用自然声演出；歌剧演出时，具备自然声演出条件；其他用途如话剧、地方戏曲等，采用扩声系统。中频满场混响时间设计值为1.5 s，使用舞台声反射罩时，预计有0.2 s的提升，中频满场混响时间可以达到1.7 s，基本满足交响乐演出需要。观众厅背景噪声控制在NR20以下。

观众厅设计有效容积13825 m3，每座容积为8.0 m3/座。

歌剧院音质设计具体措施：

观众厅吊顶是观众厅的主要反射面，其形状需满足给整个观众席提供早期反射声，有利于把乐队声适当地反射给观众席。吊顶采用40 mm厚预制的GRG板，面板面密度大于40 kg/m2，板面为毛面喷涂。

观众厅两侧墙均为强反射面，为了能起到很好的反射效果，减少对低频声的振动吸收，舞台口两侧墙面为40 mm厚造型石材，其他侧墙面为30 mm厚中密度板外实贴10 mm～25 mm厚造型实木板。为使侧墙具有一定的扩散反射，石材及木板表面均做造型肌理。后墙为穿孔木板吸声结构。观众厅座椅吸声适中，要求坐人与不坐人时吸声量差别不大。面光室、耳光室、音箱室等都做吸声处理。

观众厅地面为实贴木地板。

图3 河南艺术中心总平面图

图4 歌剧院池座平面图

舞台墙面从舞台面至一层天桥为穿孔FC板吸声结构。

升降乐池、升降舞台台仓墙面为穿孔FC板吸声结构。

图10为歌剧院GRG石膏板吊顶，图11为歌剧院侧墙造型木饰面板。

歌剧院建筑声学设计过程中对观众厅声场进行了计算机音质模拟，结果显示观众厅声学条件良好。

2.3 舞台活动声反射罩设计

舞台活动声反射罩是歌剧院的亮点。在声反射罩设计制作前，声学设计人员会同舞台工艺设计相关人员考察了上海大剧院、北京保利剧院、北京二十一世纪剧场、杭州大剧院、嘉兴大剧院等多个剧场的舞台声反射罩。在此基础上，结合设计者的经验，综合考虑声学效果好、使用方便等多种因素，最终确定采用端室式形式，声反射罩与舞台口无缝连接。舞台活动声反射罩可满足四管制交响乐队及120名合唱团同台演出。反射罩前宽17.6 m，后宽10.5 m，前高10.5 m，后高5.4 m，进深12 m，罩内投影面积170 m2。声反射罩面层采用木纹面铝蜂窝板，确保有良好的声反射效果。为使小提琴演奏人员获得良好的声支持，反射罩顶板增加了出挑，这是国内第一个采用这种技术的声反射罩，效果很好。有专业人士认为是国内效果最好的声反射罩。笔者在其后的声反射罩设计中，也有采用这种技术，均获得很好效果。图12为声反射罩设计图。图13为声反射罩使用时效果。

图5 歌剧院楼座平面图

图6 歌剧院剖面图

图7 歌剧院观众厅内景

图8 歌剧院观众厅舞台口

图9 歌剧院观众厅后部

图10 歌剧院GRG石膏板吊顶

图11 墙面造型木板饰面

2.4 歌剧院噪声控制

为降低观众厅背景噪声，采取一系列噪声控制措施。为防止外部环境噪声传入观众厅，观众厅墙壁和顶均为混凝土结构，观众厅的出入口均设置声闸，并采用隔声门。为降低空调噪声，观众厅空调采用座椅下低速送风方式。观众厅与其他部分在结构上分开。所有振动较大的设备均采用良好的隔振。

3 音乐厅建筑声学设计

3.1 音乐厅概况

音乐厅是供交响乐（包括民族乐）、室内乐及声乐演出的专业场所。建筑声学设计时充分考虑自然声演出的需要，即使独唱、独奏也有足够的响度，完全可以自然声演出。音乐厅配备管风琴，是国内最早拥有管风琴的音乐厅之一。

音乐厅的最大容量为819座，其中包括残疾人座椅4个，侧包厢贵宾席42座。音乐厅设计有效容积8890 m3，每座容积为11.4 m3/座。如加上演奏台上的演奏人员（按三管乐队85人计算）后，每座容积为10.3 m3/座。

图12 声反射罩设计图

图13 声反射罩使用效果

图14 音乐厅平面

表1 音乐厅倍频程混响时间设计值

音乐厅平面大致为长方形，长39.6 m，宽24.3 m。音乐厅演奏台面积约310 m2。图14为音乐厅平面图。图15为音乐厅剖面图。

3.2 音乐厅建筑声学设计目标及措施

音乐厅按自然声演出设计，满场中频混响时间设计值为1.8 s～2.0 s，混响时间频率特性高频允许稍有下降，低频有较大提升。混响时间设计值见表1。

音乐厅背景噪声设计值取NR20。

音乐厅采用长方形平面，有利于侧向反射声的获得。音乐厅观众席采用很陡的地面升起，直达声没有任何遮挡，并降低了观众席对直达声的掠射吸收。为达到较长的混响时间，音乐厅每座容积保证10.3 m3/座。

为给舞台及观众席前区提供早期反射声，音乐厅舞台设计了反射板。反射板距离舞台面高度为8 m～9 m，采用12 mm厚透明聚丙烯酸板。舞台声反射板最初没有安装，经河南歌舞剧院专业人员试用试听后，最终决定实施。图16为舞台声反射板布置平面图。

音乐厅吊顶采用波浪形，面板为40 mm厚GRG石膏板，面密度大于40 kg/m2。舞台两侧下部墙面为40 mm厚石材面层。舞台两侧上部墙面及舞台后墙基层为厚重密度板，面层采用实木板，面层结合装饰效果做扩散处理。观众厅两侧墙采用40 mm厚石材面层，结合装饰效果做扩散反射结构。为防止石材面层振动，石材固定后打胶，并在石材背部空腔填砂。观众厅后墙采用穿孔木板吸声结构。观众厅地面采用实贴木地板。

对音乐厅座椅吸声进行了控制，并在使用前对座椅吸声量进行了测量。图17为音乐厅内景。图18为音乐厅侧墙局部。

3.3 音乐厅音质模拟

图15 音乐厅剖面

图16 音乐厅舞台声反射板

图17 音乐厅内景

图18 音乐厅侧墙石材反射面局部

音乐厅建筑声学设计中对音质进行了模拟分析，音质计算机模拟采用丹麦技术大学研究开发的当时最新版本ODEON 6.5软件，模拟参数为混响时间T30、C80、强度指数G、侧向能量因子LF、舞台支持因子ST1等。在计算各个参量在音乐厅的分布时，把音乐厅座椅区域的面定义为观众面，接收点高度为1.2 m，间距为0.5 m。反射声线数量为13494个，模型早后期声线算法的转换阶次为2。后期算法考虑朗伯余弦定律，当反射阶次为2000阶次或者脉冲响应时间为2000 ms时停止计算。模拟时温度为20℃，相对湿度为50%。声源点位置设在演奏台中轴线上、距舞台边缘3 m处，距舞台面高度为1.2 m。声源为无指向性点声源。

观众席共布置了7个接收点，演奏台布置了2个接收点（主要用于了解乐队间的相互听闻情况）。模拟时考虑了演奏台上部声反射板的存在。

混响时间T30、C80、强度指数G、侧向声能因子LF、舞台支持因子ST1分别见表2。

根据白瑞纳克的研究结果2，中频混响时间在2.0 s为好，C80在-4 dB左右丰满度最好，强度指数在3.5 dB±1.5 dB左右最合适，舞台支持因子ST1宜为-12 dB±1 dB。模拟结果显示，混响时间、强度指数有理想的值。侧向声能因子LF值也较理想。C80偏大，表明丰满度稍差，清晰度较好，这样的结果可能与观众席地面升起过大有关。舞台支持因子稍偏小。

由于音乐厅两侧设置内凹的包厢，使该处侧墙不能有效提供侧向反射声，导致侧向能量因子分布局部偏小。

3.4 音乐厅音质测量结果

音乐厅建成后，对音乐厅音质进行了测量。测量条件是：音乐厅为空场，装修全部完毕，管风琴安装完成，舞台悬挂12 mm厚透明聚丙烯酸板。背景噪声测量时，空调系统开启。测量仪器采用B&K 4190传声器，B&K 2669L前置放大器，B&K 2690-OS2 NEXUS信号放大器，笔记本计算机，B&K2706功率放大器，十二面体点声源。测量用软件为Dirac，采用MLS方法测量脉冲响应。测量时声源设置在舞台中轴线离舞台边3 m处，舞台支持因子ST1测量时，测点在声源正前方1 m处。测量音质指标为混响时间T30、C80、强度指数、舞台支持因子ST1、声场分布、背景噪声。测量结果见表3。

音乐厅空调系统开启时的背景噪声小于NR20，主观感受很安静。声场分布各测点之间最大与最小声压级差为5.8 dB，出现在250 Hz，其他测点声压级差均较小。从测量结果看，音乐厅实际测量结果与模拟值基本一致。由于目前所用座椅吸声量较大，坐人后吸声量差别不会很大，因此，预计满场混响时间比空场测量结果稍短。舞台支持因子ST1比预计的小，但使用者感到满意。

4 多功能小剧场

4.1 多功能小剧场概况

小剧场是多功能、实验性的小型演出场所。小剧场舞台形式可根据不同演出的需要变化。与舞台形式变化相适应，观众席座椅也可有多种变化形式。

表2 音乐厅音质模拟结果

表3 音乐厅音质指标测量结果

图19 小剧场下部平面图

图20 小剧场上部平面图

图21 小剧场纵剖面图

表4 小剧场不同舞台形式及观众席数量

表5 小剧场倍频程混响时间设计值

小剧场平面为长方形，长约23.2 m，宽15.4 m，第一排座位距梁底为13.35 m。小剧场设计有效容积约5000 m3，其舞台形式可灵活变化。因不同的使用功能需要，小剧场的观众容量也随之变化，不同舞台形式及观众席具体数量见表4。

图19为小剧场下部平面图。图20为小剧场上部平面图。图21为小剧场剖面图。

4.2 建筑声学设计目标及措施

为了适应小剧场多种功能的使用要求，建筑声学设计目标是满足不同用途共同需要的高清晰度。小剧场混响时间设计值见表5。

小剧场背景噪声控制值为NR25。

小剧场混响时间控制具体措施：舞台后墙为强吸声构造。两侧墙面中高频吸声构造与低频吸声构造间隔布置，且低频吸声构造表面设有小的扩散肌理。观众席后墙做吸声结构。小剧场顶部为建筑结构顶级舞台设备，未做吸声处理。

5 结语

河南艺术中心建成投用以来，歌剧院、音乐厅和小剧场的使用率都比较高。不管是在歌剧院演出的多种类型剧目，还是在音乐厅举办的各种类型音乐会，都获得了演出团体及观众的广泛好评。观众和演员对剧场的音质效果的评价都很好，特别是演员对音质感到满意。