黄建勇
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摘 要：本文以大型剧院项目建筑升学设计为基础，并对声线法在剧院建筑声学设计中的应用进行了分析。同时，对于观众厅墙面和吊顶形状的二三维声线进行了全面的分析，以此来保证达到优化改善其体型的目的，进而促进在整个观众席区域，都会充满反射声，如此一来，便可以有效避免因为声音聚集而对音质造成的影响。
关键词：声线法 ；剧院建筑 ；声学设计
引 言
声音在剧院内部的直达和反射情况影响着最终呈现在观众听觉当中的音质效果，也对剧院内开展演出的效果产生着重大的影响。剧院建筑设计师需要考虑声音在观众席区域的呈现情况，通过更好的空间设计来促使声音的反射和混响效果达到最佳状态。剧院建筑设计当中的声学设计是一项十分复杂的系统工程，需要在设计过程当中对各类音效的参数进行细致地调节，并通过良好的计算机模型来对声音扩散的效果进行准确地考察，以此来保障观众厅内的任何位置都不会出现明显的音效缺陷。
一、建筑声学设计的分析
观众席内所听到的反射声和直达声在声能随之间的减弱特点以及时间、空间上的实际遍布情况，和剧院的整体音质效果有着密不可分的联系。站在客观角度上分析，可以通过混响时间、声音接收点的反射声系列等，科学合理的判断声能衰减的质量。由于剧院建筑声学设计不仅较为复杂，而且也有着不容易对其进行控制的特点，针对这种情况，想要保证音质参量符合相关标准有着极大的难度，同时客观的音质参量并不能有效地评判出来，最终还是应该通过主观评价，对音质效果的质量进行判断。因此，声学设计的科学性和有效性也有着幸运的成分。在对建筑声学进行设计的过程中，相关工程师应通过基于相似性原理的缩尺模型试验去完成，另外，基于扩散声场理论的混响时间估算公式、以声线追踪法为关键的声场电脑模拟计算等各种设计方式，都可以完成建筑声学设计。
观众席区域的吊顶、墙面形状等体型和表面声学性质的科学性，可以在很大程度上保证观众席区域内的声场时间和空间分布得更加均匀，这也便提升了剧院音质效果的更加完善。剧院在实际演出时，观众厅内应杜绝出现平行墙面出现颤动回声以及凹弧形墙面或者吊顶造成局部的声音聚焦等声学漏洞，想要避免上诉问题的发生，应保证直达声和强反射声的声程差不能超过17米。
二、剧院建筑声学设计中二维声线的分析
二维声线分析可以在观众厅的平面和剖面图纸上进行，以声线法为基础，入射到界面上的声线做镜面反射。二维声线法可以对观众厅的吊顶、楼座底天花、侧墙甚至眺台栏板的形状进行分析。调整顶面的形状，以使来自吊顶的一次反射声能够均匀覆盖所有的观众席区域，调整侧墙特别是舞台口八字形墙体的角度，以使来自墙面的一次反射声能够均匀覆盖所有的观众席区域。
株洲神农大剧院观众厅吊顶的二维声线。经过几轮调整后，观众厅吊顶的形状和角度合理，来自吊顶的一次反射声能够覆盖观众席的绝大部分区域；楼座底天花的一次反射声可以投射到观众席的后几排，以弥补吊顶一次反射声不能到达的空隙；侧墙的一次反射声能够覆盖整个池座区域。
三、剧院建筑声学设计中三维声线的分析
二维声线法只可以在观众厅的平面、剖面图纸上进行，所以，通常只能对比较常规的剧院进行分析。如今，异形曲面在剧院建筑中的应用越来越多，如广州歌剧院和哈尔冰大剧院等，简单的平面和剖面图甚至都不能表达清楚剧院观众厅的形状，只能借助建筑三维模型。所以，二维声线法有其局限性，为了完成设计工作只能进行三维声线分析。哈尔滨大剧院的三维声线，声学设计师在此基础上提出了多项改进意见，以确保最终的体型调整到满足声学要求。三维声线分析比二维声线分析更直观，且能够分析的范围更大，分析结果更真实，特别是对于侧墙的分析，能看清楚声线是否真正投射到观众席区域。笔者在做株洲神农大剧院声学设计，以及正在设计的张家口冰雪会堂2500人剧场和黎巴嫩国家音乐厅的时候也应用到了三维声线分析，对体型优化调整起到了积极的作用。
四、剧院建筑声学设计中声线追踪法分析
通常情况下，声线追踪法为模拟计算软件的重要组成部分。声线追踪法觉着：声源在向四周发射的过程中，会产生大量的声线，在整个空间中，会以声线的形式去对声能进行传播，同时，每根声线所携带的能量是相同的；声场各壁面普遍是平面，但是很多个平面会代替曲面，每次声线和空间界面碰撞的过程中，能量也会随之减弱；当预设阈值高于声线携带的能量时，相关程序会自主的追踪下一条声线，直至声线追踪完毕。
除此之外，由于接收点的设定有着一定的要求，一旦声线越过预定的要求，那么计算机会随着声线的能量、方向以及时间等进行记录。以此来得到接收点处的声脉冲相应。在对相关界面散射进行处理的过程中，应将声线追踪法科学合理的应用在界面散射系数d。当声线碰撞到壁面时，程序会主动形成一个随机数r。一旦界面散射系数d高于随机数r，声线则会进行有效的扩散反射处理。但是如果随机数r大于界面散射系数d，相关人员则应按照镜面反射的方式进行处理。声线追踪法不仅计算速度快，而且计算效率也很高，其不仅适用在各种模拟复杂的封闭空间声场，而且也能对空间有声屏障、布置以及界面呼吸声布置不均匀的现象进行深入的分析。在进行模拟计算之后所得出的反射声系列，可以准确判断出其音质是否出现问题，比如声聚焦、声共振等。同时也能准确判断出初始时间间隙是否和设计要求相符合。音质参量网格图，不仅能够准确判断出其是否能够满足设计要求，而且也能在很大程度上检测出声线在观众席区域内是否分布的较为均匀、最大值差异和最小值差异是否符合相关要求以及声线的变化是否连续等。
五、应用声线分析法开展剧院建筑设计的原则
5.1构建精准的计算机算法
准确记录声线在运动和反射过程当中所消耗的声能，追踪这一运动直至声线的强度条件不再符合预先设定的参数。在声线运动的全过程当中，计算机系统都需要对其所携带的声能和运动轨迹的详细空间参数信息进行精准地记录，并将这些参数记录组合构建成最终的声线运动轨迹模型图，促使建筑设计师能够依据这一图形来对声线的运动情况和最终音效的呈现情况有良好的判断。计算机的强大运算能力和充足的储存空间能够使得声音传播过程当中的每一条声线都被精准地追踪和记录，并通过空间内部大量的声线运动数据信息汇总出最终的传递函数，以此来帮助各类声学参数的确定。大量的建筑设计实践证明采用声线追踪法来确定最终声音效果的实验方法是十分有效的，所获得的最终声音效果和预期的实验结果十分吻合。
5.2确定吸声系数
声音在传播过程当中容易受到建筑材料的吸声影响，因此主案设计师在选取建筑材料的过程当中需要考虑其吸声系数。建筑师需要合理地配置剧院空间内部的吸声结构，并计算出整体结构的吸声系数。这一系数的明确是构建后续的声线追踪模型的基础，因此设计人员需要对前期吸声系数的确定做大量的检测工作。在实际的工程设计开展过程当中，吸声系数的确定往往依据经验数据，设计师可以从建筑材料的相关说明手册或材料提供商的现有资料当中获取，但这一些经验数据往往和现实数据存在一定的误差，因此设计师在得到这些数据之后还需要做后续的实验检测。同一类型的吸声结构可能由于不同的生产工艺和不同的使用环境而产生吸声性能上的差异，因此主案设计师在确定建筑空间内部的吸声系数时需要进行更加精准地实际测量，在现场开展相应的吸声系数测量实验，用实验获取的精准数据来为后续的声线追踪计算机模型的构建打下坚实的基础。
5.3做好剧院内部演出的声效模拟演排
许多剧院内部的演出在实际开展过程当中可能由于现场的突发状况而调整影响设备，建筑设计师需要将这些突发因素考虑进整体的声学设计当中，使得内部空间的声学构造能够应对这些突发状况。在利用计算机模型开展声线追踪分析的过程中，需要对几类不同的演出情形进行模拟测量，了解已有的建筑空间设计方案和声学结构是否能在几类不同演出方案的情形之下都产生良好的音质效果。建筑设计师需要联系剧院内部的演出团体在声学设计开展阶段多次在剧院空间内部开展节目的排演，使得设计师能够获取足够的声音传播参数，利用这些实地演出的声音参数来对整体的空间声学设计进行进一步地考察和优化，这也可以使得最终的设计成果能够符合实际演出的声音质量要求。
六、结束语
声线分析法是剧院建筑设计过程当中十分常见的一种设计手法，对空间体型的声线分析和模拟计算将会反映出观众厅内部的音效质量是否达到了设计的标准。对二维声线分析法和三维声线分析法的结合使用将会使得最终的音质模拟效果更加精准，然后通过声音追踪法来构建相关的计算机模拟系统，使得更加丰富全面的音质参数能够被融合进来，以此来预测剧院建筑建造完成之后在听众区域所产生的实际声音质量，能够对建筑声学设计工作的质量和效果进行更好地检验。
参考文献
[1]吴晗.高校小型音乐厅室内音质设计研究[D].湖南大学,2018.
[2]张黎.基于ODEON仿真技术的音乐厅音质优化设计研究[D].长安大学,2019.
[3]窦梦溪.胶东半岛高校冗余空间建筑声环境研究[D].青岛理工大学,2018.