阿姆斯特丹音乐厅的声场模拟探析

杨志刚

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

阿姆斯特丹音乐厅建于1888年，与波士顿音乐厅、维也纳金色大厅一起被公认为世界上音质最顶级的三大音乐厅，见图1。2013年4月11日（音乐厅建成125周年），荷兰女王授予阿姆斯特丹音乐厅皇室称号，所以，至那时起它又被称为荷兰皇家音乐厅。阿姆斯特丹音乐厅的音响效果堪称奇迹，在世界音乐界和建筑界独树一帜。该音乐厅每年约举办900场音乐会，观众超过80万，成为世界上观众数排名第二的音乐厅，仅次于观众数超过100万的罗马音乐公园音乐厅。阿姆斯特丹音乐厅建筑外观的最大标志就是屋顶上金光闪闪的镀金竖琴雕像。

图1 阿姆斯特丹音乐厅建筑外观

世界上著名乐队指挥和独奏家对阿姆斯特丹音乐厅的音质赞誉有加：“音质真妙，这也许是世界上最佳厅之一了”；“我进了大厅，听了一场波士顿交响乐团的音乐，音质绝佳”；“此厅之混响对提琴手提供了很大帮助，当拉一个音滑到另一个音时，前面一个音仍留着，给人感觉每一个音都充满活力”。英国《卫报》Tom Service在阿姆斯特丹音乐厅听过演出后曾写过：“我从来没有听过一场演出，能将德彪西音乐中模拟海洋的声音展示得这样摄人心魄，锣和钢片琴的声音在音乐家们中间回响，完全将音乐诗化了”。

为什么阿姆斯特丹音乐厅的音色如此之妙，能否通过某种技术手段探寻它美妙音质的幕后原委？笔者试图准确地建立阿姆斯特丹音乐厅的三维计算机模型，通过专业的计算机模拟软件分析直观且详细地得出其音质参量，并与其他两个顶级音乐厅进行对比分析，希望能找到一些有益的论点。

1 音乐厅基本概况

音乐厅的座位数为2 037座，长、宽、高分别为26.2 m、27.7 m、17.1 m，体积为18 780 m3，每座容积为9.2 m3/座。座椅总占地面积843 m2，每个座椅占地面积为0.41 m2/座，相比目前国内音乐厅每座容积0.52 m2/座而言，阿姆斯特丹音乐厅座椅的舒适度要差一些。音乐厅的平剖面图及照片见图2～图5。

图2 阿姆斯特丹音乐厅平面图

图3 阿姆斯特丹音乐厅剖面图

图4 阿姆斯特丹音乐厅的后视照片

图5 阿姆斯特丹音乐厅的前视照片

图6 阿姆斯特丹音乐厅计算机模型的后视图

图7 阿姆斯特丹音乐厅计算机模型的前视图

图8 计算机模拟分析的声源和测点布置图

表1 阿姆斯特丹音乐厅模拟值、实测值和推荐值的对比

2 建立三维计算机模型

文中的计算机模拟软件采用ODEON14.00Combined。由于阿姆斯特丹音乐厅的墙面和顶面凹凸造型比较复杂，为了能准确地找出其形体方面的优势，笔者所在的团队在建立模型方面投入了大量的精力，共建立了14 606个面，尽最大可能地把各个主要的形体都建立完整。当然，墙面和顶部一些小的凸起并没有建立，而是通过提高扩散系数来达到声学要求，这样并不会影响音质参量的模拟精度。对比图4、图5和模拟截图图6、图7，可以看出两者已非常接近。

进行计算机模拟分析时，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。测点分布见图8，均离地面1.2 m高。首先，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，然后相应地模拟其他声学参量（EDT、C80、G、LF、IACC、ST1等）。

阿姆斯特丹音乐厅的实测数据均取自白瑞纳克著的《音乐厅和歌剧院》第二版，并与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。

表1中：除了T30为满场外，其他参量均为空场状态。T30mid为中频500 Hz、1 kHz二个倍频带的T30平均值；EDTmid为中频500 Hz、1 kHz二个倍频带的EDT平均值；（1-IACCE3）为500 Hz、1 kHz、2 kHz三个倍频带的0～80 ms（1-IACCE）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二个倍频带的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。

从表1中可以看出，除C80和tI的模拟误差偏大外，其他声学参量都比较准确。tI的实测值比较小，估计测试时第1次反射声是通过舞台上某个座椅或乐谱架反射而来，属于偶然情况。由于音乐厅宽度比较宽（27.7 m），通过墙面的第1次反射声一定远远大于21 ms，从图9可以看出第1次强反射声来自于侧墙，相对于直达声延时46 ms。

3 音质美妙的原因探析

白瑞纳克不仅是世界著名的声学专家，还学过小鼓和定音鼓，在交响乐团做过一年的职业音乐师，且他曾多次在阿姆斯特丹音乐厅听过音乐会，因此，他的主观感受很有权威性和代表性。他认为：“声音平衡很好，低音很足，混响声比其他矩形大厅都大。大提琴声音响而且非常华丽舒适，整个乐队演出声音很丰满”。“楼座的声音比池座要好，也许是那些坐席上清晰度更高一些。但是池座适宜那些喜欢充满丰富低音、气势豪华的人，完全沉浸于音乐海洋之中，对这个厅来说无出其右了”。总而言之：混响感最强、声音很丰满、响度尤其是低音响度很足、池座空间感极佳。

2014年6月，笔者和单位同事考察阿姆斯特丹音乐厅时，正好有乐队在排练，在楼座和舞台后区都仔细聆听了一下，楼座声音效果实在是太美妙了，混响感特别棒，音色非常丰满、透彻，响度足够、充满活力，比波士顿音乐厅和维也纳金色大厅的混响感都要棒。

考核音乐厅与主观感受相关的声学参量有好几项，其中以混响感（RT）、响度（G）、明晰度（C80）和空间感尤其重要，以下逐一分析这四个声学参量。

（1）主观感觉阿姆斯特丹音乐厅比波士顿音乐厅和维也纳金色大厅的混响感更胜一筹。阿姆斯特丹音乐厅眺台下的墙面为砖墙抹灰，眺台上的墙面和顶部均为比较厚重的芦杆抹灰，地面为垫木条上安装硬木地板（空腔用砂层填满），舞台地面为厚木地板后留大空腔。这些布置都保证了大厅拥有合适的混响时间以及良好的频率特性（低频混响也有足够的提升）。按理说，阿姆斯特丹音乐厅混响时间也应该是三个音乐厅中最长的，但是对比三个顶级音乐厅的空、满场混响时间（RT）和EDT，发现最长的却是维也纳金色大厅，最短的是波士顿音乐厅，阿姆斯特丹音乐厅居中，见表2。

可是为什么大家都感觉阿姆斯特丹音乐厅混响感最棒呢？问题先提出来，后面再综合分析。

（2）主观感觉阿姆斯特丹音乐厅响度合适，低音足够。从表3中可以看出三个顶级音乐厅中Gmid值分别为5.5、6.3和4.3，阿姆斯特丹音乐厅的Gmid值居中。但是与推荐值1.5～5.5相比，阿姆斯特丹音乐厅的Gmid值5.5已经是上限了。

表2 三个顶级音乐厅RT和EDT对比

图9 正厅池座中心位置反射声序列和第1次强反射声来源图

过去一直认为音乐厅低频混响与中频混响之比决定大厅的低音丰满度，近年研究表明这样的估量不对。白瑞纳克认为G125—Gmid之差的低音比（bass index）才是重要的因素。从表4中可以看出，无论是空场还是满场，在三个顶级音乐厅中阿姆斯特丹音乐厅的G125—Gmid值都是最大的，这也就是其低音很足的证明。

（3）主观感觉阿姆斯特丹音乐厅明晰度很好，每个音符听起来华丽但清晰可辨。从表5中可以看出三个顶级音乐厅中C80,3分别为-3.30、-4.00和-2.75，阿姆斯特丹音乐厅的明晰度居中。

（4）主观感觉阿姆斯特丹音乐厅具有良好的空间感。表6数据取自文献[4]，可以看出在三个顶级音乐厅中，阿姆斯特丹音乐厅的视在声源宽度ASW最小，环绕感介于中间。从表7中可以看出，阿姆斯特丹音乐厅池座中间区域的环绕感为2.0，所以，白瑞纳克在池座才会有完全沉浸入音乐海洋之中的感受。

表3 三个顶级音乐厅G值对比

表4 三个顶级音乐厅G125、Gmid和G125-Gmid值空、满场对比

表5 三个顶级音乐厅C80对比

表6 三个顶级音乐厅BQI和LEV对比

图10 顶部扩散处理放大图

图11 墙面和顶部交界处扩散处理放大图

4 音乐厅扩散性和反射声纹理的分析

相对其他音质优良的音乐厅，阿姆斯特丹音乐厅最独特之处是其扩散性最好。Hann和Fricke曾经通过相关研究得出结论：“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”。扩散性程度用表面扩散性因子SDI来衡量，是对天花板和侧墙（端墙不计）扩散程度的视觉检查。

阿姆斯特丹音乐厅整个顶部布满藻井格，且比较深，每个藻井格的中心还设置倒圆锥的凸起，这些都大大提高了顶部的扩散性。墙面和顶部交界处采用弧形的连接和半圆的平窗结合，且起伏非常大。墙面做成一个个门框和立柱的造型，起到扩散的作用。栏板下部的弧形凸起起到很好的扩散作用。安装管风琴墙面的凹凸变化增加了舞台后墙的扩散效果，见图10～图13。虽然阿姆斯特丹音乐厅和波士顿音乐厅、维也纳金色大厅的SDI都是最佳值1.0，但是通过图纸和照片可以看出，阿姆斯特丹音乐厅的顶部以及墙面和顶部交界处的扩散程度显然要好一些。

图12 墙面扩散处理放大图

图13 栏板扩散处理放大图

有些声学专家认为，反射声纹理能够更好地反映音乐厅的音质效果，从池座、侧包厢、楼座以及舞台后部座区的代表测点的反射声序列图14～图19中，也可以看出扩散所起的作用：

（1）由于阿姆斯特丹音乐厅极佳的扩散性，各个测点的混响声都比较丰富，且没有比较大的反射声存在。因此，在此音乐厅不会存在“眩声”等刺耳的声音，而且听起来丰满且圆润。

（2）各个测点混响声的方向来自四面八方，环绕感非常好。

图14 测点1、2、3反射声序列图

图15 测点7、8、9反射声序列图

图16 测点13、14、15反射声序列图

图17 测点16、17、18反射声序列图

5 音乐厅舞台支持度的分析

阿姆斯特丹音乐厅舞台上方顶部的高度约15.6 m，舞台中心线到侧墙的距离约13.9 m，且围着乐队的三面都有大面积的观众；波士顿音乐厅舞台顶部的平均高度约为13 m，舞台中心线到侧墙的距离约7.6 m（差不多只有一半距离）；维也纳金色大厅的侧眺台一直延伸到舞台区域，可以向舞台提供早期反射声。由于阿姆斯特丹音乐厅缺少早期强反射声，舞台上听到的声音就会小一些，但是奇怪的是，除了已故著名指挥尤金·奥曼迪说过“舞台上的顶棚太高，有一种杂乱的声音，且乐队之间平衡很差”，绝大多数指挥却赞扬它音质美妙。笔者通过舞台中间测点的反射声序列图分析原因，可以看出，虽然反射声相对于直达声确实能量偏小，但是反射声分布比较均匀，且反射声数量比较多，首先到达的是通过管风琴下部墙面过来的反射声、其次是来自眺台栏板的反射声、然后是顶部和墙面的反射声，见图20。也就是说，虽然舞台上混响声能比较小，但反射声的纹理比较好，这可能也就是绝大多数指挥赞扬它音质美妙的原因。

图18 测点20、21、22反射声序列图

图19 测点23、24、25反射声序列图

图20 舞台中间测点的反射声序列图及第1个反射声的示意图

6 混响感分析

混响感是一个综合的主观感知量，它不仅受到混响时间的影响，还需综合考虑声能衰变的时间特性、空间特性、频率特性以及听音信号的强度等因素的影响[5][6]。实验结果表明，在一定的声压级范围内混响感随着声压级的增大而增强。

由于阿姆斯特丹音乐厅舞台边上既没有侧眺台可以提供早期反射声，围着乐队两面坐着的大范围观众也减少了墙面的反射声。经测定，离乐队中心1 m处的乐师发出的声音经大厅返回中心后的声压级比维也纳金色大厅低5 dB，比波士顿音乐厅低4 dB，差别很大。要知道乐队规模加倍所增声级才3 dB。乐队如果在舞台听到同样的声压级，在阿姆斯特丹音乐厅必定要发出更大的声音，由于大厅本身的G值（反映大厅所起到的声音放大作用）也很大，因此，在观众区的声压级应该是最大的（但还是在人耳可接受的范围内）。而声压级大可提高观众的混响感知。

图21 阿姆斯特丹音乐厅计算机模拟声学参量彩色网格图（1 000 Hz）

表7 各测点的空间感声学参量模拟数据列表

当然，这只是阿姆斯特丹音乐厅混响感强的一个方面，其他方面的探索还有待进一步研究。

7 各个区域的听感分析

很多人经常会问“在音乐厅看演出，坐在哪些位置声音效果比较好？”虽然计算机模拟结果并不是完全准确，但也可以反映一定的规律。图21为阿姆斯特丹音乐厅计算机模拟的声学参量彩色网格图。由于ODEON模拟软件不能模拟空间感两个参量的彩色网格图，只能通过计算并用表7来表示。

通过表8中各观众区的声学参量的对比分析可以看出：池座中后部的位置各种声学参量较好；楼座除了环绕感稍差，其他声学参量都比较好。楼座环绕感稍差是因楼座位置太靠近后墙，故来自后方的反射声相对较少所致。

由于阿姆斯特丹音乐厅宽度为27.2 m，从图22和图23可以看出，在正厅池座的前中区和舞台后区前部都有可能产生回声，干扰音乐的欣赏效果（注：当Echo参量大于1，超过50%的观众会因回声而烦恼；大于1.5，超过90%的观众会因回声而烦恼）。

表8 各观众区的声学参量对比列表

图22 Echo参量彩色网格图（1 000 Hz）

图23 池座前中区测点1反射声序列图

事实上，由于建造阿姆斯特丹音乐厅的年代尚未有成熟的建筑声学研究（其实至今仍然没有完全了解），所以音乐厅完工之后声学效果并不佳。后来投入了大量精力去微调听觉效果，逐渐赢得了大家的认可。为了保持良好的声学效果，在后续的整修工程中特别注意不能修改过去内部装潢所使用的素材。

笔者希望通过对阿姆斯特丹音乐厅做计算机声场模拟，探索分析其美妙音质的内在原因，以供业内人士参考借鉴。

致谢：建立计算机模型主体由金瑞完成，文立森又根据笔者现场实拍的照片进行修整，对两位的辛勤工作谨致谢意。

[1]LEO BERANEK. CONCERT HALLS AND OPERA HOUSES (First Edition).

[2]LEO BERANEK. CONCERT HALLS AND OPERA HOUSES (Second Edition).

[3]王季卿. 音乐厅音质设计进展及问题探讨[J].声学技术,2016(10).

[4]Hidaka T,Nishihara N. Acoustical quality in concert halls as re-lated to hall shape:shoebox,surround,and other[J]. Psychomusi-cology:Music,Mind,&Brain,2005,25(3):240-252.

[5]莫方朔,盛胜我. 混响的感知及其评价[J]. 声学技术,2009(12).

[6]戴璐,孟子厚. 混响感的因素分析[J]. 中国传媒大学学报自然科学版,2013(6).

[7]陈一乾,戴璐,孟子厚. 混响效果低频音量对主观混响感的影响[J]. 声学技术, 2017(10).