他山之石——柏林国家歌剧院的声学改造 -新宝5登录app

他山之石——柏林国家歌剧院的声学改造

发布日期:2020-09-16浏览次数:5

来源于:筑声阁

剧院一般使用10~15年后,音视频、舞台灯光和机械设备等就要更换升级,部分装饰也会翻新和改造,一些建筑功能也因使用要求变化而改造。从中国第一个现代化剧院——上海大剧院1998年建成使用已经有22年了,其在2013~2015年进行了改造和功能升级,中国大批剧院也逐步进入了改造升级时代。许多剧院由于使用功能的变化、时代的需求(追求丰满度),声学效果也需要相应地改造。本文详细介绍柏林国家歌剧院的声学改造过程,希望能给中国剧院的改造提供一定的借鉴。

一、歌剧院介绍

德国柏林国家歌剧院是位于德国柏林市中心菩提树大街的一座歌剧院,是欧洲第一个独立的宫廷歌剧院。国家歌剧院于1741年开始建设,在1742年尚未竣工时就进行了第一场演出。1844年被命名为皇家歌剧院,1918年被命名为柏林国家歌剧院。二战期间歌剧院完全被毁,1955年歌剧院得到了修复。在2010年至2017年期间,该建筑进行了全面翻新,所有技术设备进行了更新。原计划翻新四年工作延长至七年,翻新费用从估计的2.39亿欧元激增至4亿欧元(4.73亿美元)。歌剧院座椅数量已从1398减少至1356,以提供更大的舒适度和更好的视野。

图1. 约1745年的歌剧院最初形式

图2. 1844年大火重修后的观众厅内景

图3. 2009年改造前的歌剧院内景前视图

图4. 2009年改造前的歌剧院内景后视图

图5. 2017年改造后的歌剧院内景前视图

图6. 2017年改造后的歌剧院内景后视图

在2010年至2017年期间,歌剧团暂居席勒剧院进行演出活动。2014年我带领声学所骨干到欧洲考察时,原计划是到柏林国家歌剧院欣赏演出的,由于翻新只能到席勒剧院观看了一场演出。席勒剧院相对而言是一个现代剧场,缺少了柏林国家歌剧院的亲近和围合感。柏林国家歌剧院新任总经理matthias schulz说,“剧院的规模比这座城市其他两个歌剧院(德意志歌剧院和喜剧歌剧院)的容量都要小,这是创造强大现场体验的福音,人们真的能感觉到歌手或大提琴的振动。”

图7. 席勒剧院外观

图8. 席勒剧院内景

2019年3月,日本《音乐之友》杂志总计邀请了47名音乐评论家和记者选出了他们心目中的世界十大歌剧院,其中柏林国家歌剧院名列第七,其音质效果得到广泛认可。

二、声学改造目标

自2010年以来,国家歌剧院采取了最复杂的翻新措施。在“翻新如旧”的要求,整个建筑都达到了现代化的安全技术水平。整个舞台塔(600吨钢材)被拆除,现在的舞台机械是根据国家歌剧院的需要量身定做的,将国家歌剧院的舞台机械水平提升到国际水准。

其中最重要和最具挑战性的改造要求就是在音乐总监丹尼尔·巴伦博伊姆的要求下是将歌剧院的混响时间从1.1秒延长到1.6秒。声学顾问公司为peutz international gbr,这一目标主要是通过增加体积和降低材料的吸声系数来达到的,接下来主要介绍观众厅的声学设计。

三、建立计算机模型和1:10缩尺模型

首先建立了3d计算机模型,图9为改造前、后的观众厅纵剖面的声学计算机模型,用特殊的吸声幕布模拟满场的观众(见图10)。改造前后实测和模拟计算的满场混响时间rt见图11。由于防火幕(fc)收起,不同的舞台布景会产生不同的影响。所以fc收起条件下,改造后rt的计算值比实测值要稍微低一点也属正常情况。

图9. 观众厅纵剖面的声学计算机模型

(左为2010年改造前,右为改造后设计)

图10. 用幕布模拟满场观众的照片

图11. 观众厅满场rt的计算和实测值

为了更好地研究声音的波动特性,制作了1:10缩尺的模型(见图12),并考虑了尺寸为10厘米(在许多情况下甚至更小)的细节。反射面是带有清漆的木材,观众用金字塔形的泡沫代替,模拟实际演出的满场状态(见图13)。

图12. 1:10缩尺模型内景图

图13. 代替观众的金字塔形的泡沫

图14. 改造前现场实测(左)和缩尺模型测量(右)的脉冲响应图对比图

在计算过程中,首先对改造前的情况进行检查,并将其与缩尺模型的测量数据相吻合,然后再对改造后的情况进行分析。为了获得最大的脉冲响应稳定性,对模型中的空气进行了空调处理。测量了mls信号和能量-时间衰变曲线energy-time curves (etc)计算。从这些数据中计算出清晰度等参数。由于缩尺模型材料的吸声系数与真实材料并不是完全一致,故仅粗略估算混响时间。测试显示混响时间rt可以从1.1s增加到1.6s (满场,fc放下)。图14显示了改造前现场实测和缩尺模型测量的etc对比,虽然不完全相同,但趋势非常相似。

四、混响环廊和格栅

将观众厅历史悠久的吊顶(保留原有的吊顶)整体提升5米,使大厅的体积增加近总体积的50%,达到9300m³,而建筑外观并没有明显的改变。观众厅增加的体积像蘑菇一样扩大到三楼走廊的上面,凸出的区域在其的上方创建了一个“混响环廊”(reverberation gallery)。为了缩小视觉效果的差距,开发了视觉上封闭但在声学上透明的格栅(见图15、16),格栅的菱形结构由玻璃纤维增强磷酸盐陶瓷(cbpc)按照要求的形状浇铸而成(见图17、18),满足防火要求。格栅的面积为250㎡,网格尺寸根据参数几何形状的不同而有所不同,格栅的侧面宽度为20cm。

图15. 混响环廊的观众厅一侧

图16. 混响环廊的后部

图17. 3d打印机雕刻格栅的摸具

图18. 往摸具中浇铸磷酸盐陶瓷

同时对格栅疏密构造的两种形式进行了反射声能的测试,以验证格栅的透声性能。见图19,上:两个样本,左下:定向反射(6db/div),右下:反射声能百分比,蓝色:左样品,紫色:右样品。

图19. 比例为1:2的格栅结构的声反射测试

五、吸声材料的控制

仅仅通过增加有限的体积仍然无法把混响时间从1.1秒提升到1.6秒,还需要减少对其他表面的吸收,具体采取的措施如下:

1. 轻质的木墙面板被重面板(40kg/㎡)取代。
2.其他纺织品,如栏杆和舞台开口上方墙体段表面覆盖的天鹅绒,也通过小样本的吸声测量进行了优化。见图20,左:墙面饰面(胶粘纺织),中:栏杆(胶粘天鹅绒),右:舞台开口上方墙面(胶粘天鹅绒)。
3.部分空腔被填实,以避免共振过多地吸收低频。

4.最大的吸声表面是座椅,原有座椅的吸吸声系数比较低。声学目标是不能增加座椅的吸声量。原有座椅的吸声系数比较低,同时座椅的舒适度还要提高。座椅舒适度的提高是通过人体工程学设计的,靠背的高度增加了10厘米,同时增加了靠背薄垫的厚度。声学设计要求在座椅内部增加密封层,以降低衬垫增加的吸声。图21显示了新旧座椅的实验室测试吸声系数,高频时略有增加,低频时略有减少。

图20. 用干涉仪现场测量优化后的表面吸声系数

图21. 旧(上)、新(下)座椅(坐人)的吸声系数

六、音质缺陷的消除和研究

在声学设计和分析研究过程中,在许多地方进行了改变和改进,本文主要讨论两点。

1.混响环廊回声的消除

在缩尺模型研究中发现池座前排座位上出现了一组回声(图22),分析研究是因为混响环廊的椭圆形状墙壁造成的,通过在环廊墙壁上设置折线形扩散体解决了这一问题。

图22. 测点m5的脉冲响应图

(左图:红色为椭圆形墙,蓝色为折线形墙)

2.池座声聚焦的研究

由于观众厅墙面呈椭圆形,从图23可以看出,池座前中区缺乏早期反射声和池座后部有声聚焦现象。基于基尔霍夫积分(kirchhoff integral)的计算显示聚焦区域第一次反射声比相比直达声能增加了7db(见图15右图)。

图23. 池座聚焦平面分析图(左) 和椭圆部分125hz的第一反射声能分布图(右)。

原有墙是部分吸声的,为了延长所需的混响时间,必须用反射墙代替,所以在墙面布置吸声材料来解决声聚焦是不可能了。另外一个新宝5下载安装的解决方案就是在墙面设置扩散体,但又与建筑保护要求维持原状相矛盾。声学设计在缩尺模型中进行了研究:通过在墙壁上安装曲面镜和光源,确定了聚焦的精确位置,并在此位置测量了脉冲响应。从图24可以看出,第一次反射声确实比直达声高,但增加有限,而且由于时间延迟也是有限的,这将不会被视为回声,所以决定在墙壁上不做扩散处理。

图24. 左: 墙上有曲面镜的缩尺模型,右: 在聚焦点处测量的脉冲响应图

七、改造后的实测

2017年9月观众厅改造基本完工,在第一次彩排前,进行了声学测量。观众厅测量的状态为:空场、满场(特殊的吸声幕布模拟满场的观众)、防火幕(fc)收起和放下等。此外,交响音乐会的情况,管弦乐队在舞台上测量。测量rt采用了防干扰噪声和一个9毫米手枪(主要为63hz八倍频带)。脉冲响应测量是用mls信号和全指向声源完成的。声源和测点布置图见图25,未显示的声源位置7在乐池 (q1下)。

图25. 测试时的声源(红色)和接收器(蓝色)的位置图。

图26显示了m6(池座)、m11(侧包厢)和m9(楼座)三个代表测点改造前后的脉冲响应图,可以看出改造后具有较强的后期反射声,混响时间明显变长,而且衰变曲线比较平滑,没有明显不利的反射声。

图26.  三个代表测点改造前后的脉冲响应图(乐池升起、fc放下和满场)

图28显示,空场、fc放下的条件下,中频rt超过2秒,但低频下降比较明显,125hz只有1.7秒。满场、fc放下的条件下,改造前后中高频rt约提高了0.7秒。fc收起时,低频125hz只提高了约0.25秒,由于舞台布景条件不同,比较可能不对等。

图28. 2009年(改造前)和2017年(改造后)的rt测试数据(歌剧条件)

根据测试数据显示,观众厅响度g略有提高,响度g的平均测量值约4-5db(第三层楼座约6 db)。从表1可以看出,改造后中频c80值下降了4~6db,表明明晰度得到明显降低。

表1. 改造前后,不同声源位置的中频c80值

通过把观众厅吊顶提高5米(形成了一个混响环廊),以及减少观众周围墙壁的吸收,柏林国家歌剧院的声学效果得到了显著改善。反射声能的增加、混响时间的显著延长和较低的明晰度形成了一个完全不同的声学效果,在音乐细节和混响之间有一个很好的平衡,一种浓郁而温暖的声音出现了。由于侧壁反射增强,提高了视在声源宽度,尤其是对池座后方和正面包厢的观众。改造后,观众厅既实现了声学的实质性改善,同时还保留了观众厅的建筑历史外观,这两个目标应该算是实现了,业主和观众都柏林国家歌剧院出色的新音效感到非常满意。

八、分析和总结

针对本项目的声学改造措施,本人认为还需要改进的地方有三处:

1.柏林国家歌剧院观众厅体型呈罐子的形状,体型先天不足,弧形的墙面造成池座后部声聚焦。基尔霍夫积分(kirchhoff integral)的计算显示聚焦区域第一次反射声比相比直达声能增加了7db;而缩尺模型却发现增加有限,不会造成影响。这两个相互矛盾的结果,最好改造后在实际厅堂中进行详细检测,验证哪种结果更可信。

2.用特殊的幕布模拟满场观众,是否有充分的依据?至少人头的散射系数和幕布是不一样的。其实都采用空场条件进行比较分析,应该也完全可以达到目的。如有条件,改造后可以增加满场情况的测试。

3.fc放下的测试条件,虽然避免了舞台布景条件不同,但是并不是正常歌剧的使用状态。建议测试条件改为,fc收起、舞台布置常规使用的檐幕、侧幕和天幕等(不设布景)条件进行测试,这样既接近真实的演出条件,又避免不同剧种舞台布景不同的影响。 

总结改造剧院音质效果的要点如下:

1.改造前需对声学参量进行详细检测。与改造后、同等条件下的声学参量检测数据进行对比分析,确定改造效果。

2. 改造前需对地面、墙面和顶面材料的吸声系数进行现场检测,改造后所选用的材料也需现场测试,只有都是在现场测试的条件下比选才有参考价值。当然也可以在实验室测试进行验证。由于不可能把所有材料都拆下来(这样就破坏了原有的装饰),拿到实验室进行测试吸声系数。因此用专用设备现场测量改造前后材料的吸声系数就很有必要。华东建筑设计院声学所2009年就购买了zircon现场测试吸声系数的仪器,拥有丰富的使用经验。但是注意现场测试的吸声系数(声能垂直入射)和实验室的测试(声能无规入射)是不同的,只有在同等条件下对比才有参考价值。

3.建立计算机模型或缩尺模型,用改造前现场测试的材料吸声系数计算结果和已测声学参量进行对比分析,以验证模型的准确性。

4.考虑问题一定要全面,某项改进措施既能带来想要的声学效果,也可能带来不利的声学缺陷。如增加了混响环廊,确实达到延长了观众厅混响时间的目的,但也给池座前区的某些座位造成了回声。减少墙面的吸声系数,确实达到延长了观众厅混响时间的目的,但也给池座后区的某些座位造成了声聚焦。

5.可能受某些条件约束,声学的要求无法落实。选择妥协,也就意味着声学效果难以尽善尽美。

图片主要源自:de.wikipedia.org、www.peutz.de、eumiesaward、baunetz等。