劇場聲學設計

劇場聲學設計時，台口吸聲對觀眾廳的混響指標影響很大。當今，劇場演出規模越來越龐大，形式越來越複雜，舞台上布景、多道幕布、車台、旋轉檯眾多，台口很寬，舞台台倉體積巨大。例如某在建的大劇院，觀眾廳容1500人，體積1萬立米，而舞台體積達5萬多立米，台口寬達20米。一般教課書中認為，台口為吸聲係數0.4的洞口，實際上這是90年代前多數劇場實驗統計結果，其舞台體積比現在普遍要小得多，觀眾廳體積與現在相近。實際上，舞台內吸聲情況影響着台口吸聲，當台倉體積大且台口寬的情況下，這種影響不容忽視。

如圖1 ，為舞台及觀眾廳耦合空間平面圖。其中：觀眾廳體積為V1，除台口吸聲以外的總吸聲量為A1，混響時間為T1；舞台總體積為V2，除台口吸聲以外的總吸聲量為A2，混響時間為T2。舞台與觀眾廳通過台口形成聲耦合空間。一般情況下，由於舞台和觀眾廳的體積不同，總吸聲量不同，因此，聲能密度衰減方式和混響時間亦不同。在耦合空間中，聲場擴散度和均勻度將受破壞。但考慮到舞台台口尺寸與房間體量相比較小的情況下，耦合空間的兩部分可以近似認為是獨立的混響場，台口為一吸聲表面。根據能量守恆原理，如果從觀眾廳看台口的吸聲量為⊿A，那麼從舞台看台口的吸聲量則為-⊿A。也就是說，從觀眾廳看台口的等效吸聲量和從舞台看台口的等效吸聲量是一樣的，只是正負不同。這是很有趣的問題，對觀眾廳而言，如果舞台台口是吸聲洞口的話，那麼在同一耦合空間內，對於舞台來說，台口不再是吸聲表面，而相當於一個提供聲音的喇叭

基於以上分析，設舞台和觀眾廳的聲場分別都近似符合塞賓條件，有如下關係

（1）

下面是應用以上分析的實例

某劇場設計中，舞台體積是觀眾廳體積的5倍，設計要求觀眾廳與舞台具有同為1.5s的混響時間。常規劇場聲學設計中，一般認為舞台台口吸聲係數在0.3-0.4之間，這主要是因為舞台較小，且舞台內為短混響。該劇場設計聲學上的一個顯著特點是，要求舞台和觀眾廳具有近似的混響時間，既都是中頻1.5s左右，這樣使演員和觀眾具有相同的混響環境，有利於演員了解聽眾的聽聞效果，更好地發揮表演水平。因此，上述(1)式變為

(2)

進一步推導可以得到：

(3)

由（3）式可知，台口吸聲量與舞台體積、舞台內部吸聲量、觀眾廳體積、觀眾廳內部吸聲量有關。值得注意的一個問題是，舞台部分的體積約5萬立米，約是觀眾廳體積的5倍，因此舞台內的吸聲量遠大於觀眾廳吸聲量，當舞台內部吸聲量是觀眾廳內部吸聲量5倍時，舞台和觀眾廳將獲得近似相等的混響時間，同時台口吸聲量近似為零。根據（3）式。因此，在舞台和觀眾廳混響時間設計均為 1.5s的條件下，舞台內部的吸聲量設計為觀眾廳的5倍，台口吸聲量則為零，相當於舞台和觀眾廳處於同一混響場內，耦合的影響被降低到最小。當觀眾廳吸聲發生變化，如觀眾佔座率變化時，台口吸聲會受到影響發生變化，造成音質變化。為了解決這一空滿場變化所引起的問題，可採用坐人和空椅吸聲接近的軟座椅，使空/滿場混響時間接近。這樣也有利於演員綵排和實際演出時具有相同的聲環境。當舞台空間與觀眾廳混響時間不同時，為了分析和研究舞台台口吸聲問題，在1:10的劇場模型中進行了模擬實驗。模型劇場的情況為：觀眾廳體積11000m3，容1600座，舞台台口寬20m，台口高12m，由於場地限制，無法製作大舞台空間，舞台空間被模擬做成4600m3。測量時，觀眾廳為滿場（軟座椅坐人），改變不同舞台台倉的吸聲量，分別測試舞台和觀眾廳耦合及非耦合情況下的混響時間。台口敞開時，舞台和觀眾廳為一個整體耦合空間。非耦合時，使用強反射厚水泥纖維板封住台口，舞台和觀眾廳分為兩個獨立混響空間。封住台口時，台口部分吸聲係數為零；敞開台口時，台口可視為一吸聲表面。根據封住和敞開台口測得的混響時間可以計算台口吸聲係數。混響時間測量採用5000Hz的窄帶高頻模擬實際中頻500Hz; 測量觀眾廳看台口吸聲係數時，聲源和接收話筒都位於觀眾廳內，吸聲係數計算公式為：

（4）

其中：V1為觀眾廳體積，T1 為封住台口時的觀眾廳內的混響時間， T1’為敞開台口時的觀眾廳內混響時間，S為台口面積測量舞台看台口吸聲係數時，聲源和接收話筒都位於舞台內，吸聲係數計算公式為：

（5）

其中：V2為舞台體積， T2為封住台口時舞台內的混響時間， T2’為敞開台口時舞台內的混響時間，S為台口面積。如表1，為模型實測觀眾廳和舞台的混響時間及台口吸聲係數計算值。舞台內不同吸聲量時台口吸聲係數的模型實驗數據表表1

   實驗結果分析可以看出：

1）  對於觀眾廳來說，在舞台吸聲較少時，台口吸聲可能出現負值。

2）  從觀眾廳看向舞台和從舞台看向觀眾廳的台口吸聲係數一正一負，絕對值相等，符合能量守恆定律。狀態1情況下-0.72與0.54相比誤差較大，主要是因舞台吸聲少，觀眾廳吸聲多，耦合空間吸聲不均，賽賓公式誤差增大。

3）  若封住台口時觀眾廳和舞台各自混響時間相近於某一數值，則台口敞開后，空間合成耦合狀態時，混響時間也將接近這一數值，且台口吸聲接近零。狀態2即是這種情況。

4）  只有在舞台內存在大量吸聲材料，舞台混響時間短於觀眾廳混響時間時，台口對觀眾廳才相當於一吸聲表面。如狀態3。

5）  當舞台內吸聲材料較少，混響時間長於觀眾廳混響時間時，台口對觀眾廳的傳統意義上的吸聲係數已不存在，而是負值。即台口不但不吸聲，反而會“補充聲音”。

實驗中發現另一問題，即當舞台和觀眾廳混響時間差異較大時，尤其是舞台混響比觀眾廳混響長得多時，敞開台口后，揚聲器位置的變化對測量混響時間的影響很大。在表1狀態2中，舞台混響和觀眾廳比較接近，台口敞開時，無論聲源在觀眾廳內還是在舞台上，測量的混響時間都接近1.58s，說明耦合空間因耦合引起的聲場不均勻度較低，聲場擴散較好。在狀態1和3中，舞台混響和觀眾廳不同，聲源在不同位置時，如在舞台上和在觀眾廳里，測量的混響時間存在差異；尤其狀態1舞台和觀眾廳混響時間差異很大時，這種差異更加明顯。兩種混響狀態不同的空間耦合在一起時，將引起整個空間的聲場的不均勻性，聲場擴散不好，不同位置的混響時間的測量值不同。