声学专家如何打造一个音乐厅？

布里斯托尔老维克剧院（Bristol Old Vic）的新门厅和咖啡馆(左)采用的声学设计让小群体可以享受亲密的交谈。在门厅的后面(右)，剧院的墙壁具有声学特性，允许这个区域被用作表演空间。

在英国历史悠久的布里斯托尔（Bristol）市中心，沿着一条铺满鹅卵石的街道，两旁是错落有别的建筑，是英语国家最古老的剧院：布里斯托尔老维克剧院。

这座剧院建于1766年，最初被称为皇家剧院。为了纪念它的250周年纪念日，它进行了耗资数百万英镑的整修。这项工作需要仔细的设计，以确保建于乔治王时代的剧院（在项目的第一阶段进行了翻新）能够满足各种现场戏剧、音乐和舞蹈的声学需求。

同样复杂的是建筑其余部分（在第二阶段进行了翻新）的声学要求。第二阶段包括额外的表演空间和办公室，以及容纳咖啡馆、酒吧的门厅和进一步潜在的表演空间。所有这些不同的功能都有特定的、往往是截然不同的声学要求，并可能与许多其他技术、文化和美学要求不一致。

Bob Essert帮助我们克服了这些障碍，以实现理想声学效果。在学习了工程学和音乐学之后，他在2002年成立了声音空间视觉公司(Sound Space Vision，SSV)，这是一家总部位于伦敦的公司，由声学家和建筑顾问组成。

SSV目前的一个项目是对另一个布里斯托尔音乐厅进行改造，耗资4880万英镑。这个音乐厅就是位于布里斯托尔老维克街以南的科尔斯顿音乐厅（Colston Hall），将于2021年重新开放。自1867年首次开放以来，作为一个可容纳1800人的音乐厅，科尔斯顿音乐厅一直为艺术家们（从交响乐团到甲壳虫乐队）提供了舞台。它通常被描述为一个“鞋盒”几何形状：长而高的天花板一方面提供了充足的空间让音乐家丰富的声音被观众所听到，另一方面压缩了表演者背后的空间以让那个区域的声音迅速消失。“鞋盒”设计是一种经典的形式，有人说它能产生最好的音响效果，世界十大音乐厅中有九个都采用了这种形状。

科尔斯顿音乐厅

Essert认为，声学最大的决定因素是规模，几何学在他的因素列表中排名第二，其次是使用的材料。他说:“这三个因素都发挥了作用。”然而，对于一些表演空间来说，巨大的长度和高度并不总是可取的。以英国萨里（Surrey）的Yehundi Menuhin学校的音乐厅为例，SSV的目标是更紧凑的空间，可以将300人容纳在一个专门为独奏和室内乐表演设计的空间。

简单地说，你可以认为声波在穿过房间的时候会衰减或减弱。正如Essert所强调的，表演声音的响亮程度是让观众沉浸在体验中的关键因素，因此，专门为独唱者设计意味着一个更小的空间。那么，在一个为完整交响乐团设计的空间中如何让独奏者的声音被听到？另一方面，如何让坐在1800个座位大厅的观众对表演者有亲密的感觉？

声音的反射

尽管，一个作品对观众的影响最终是由舞台上表演者的艺术性决定的；然而，即使在一个巨大的大厅里，也有一种效果可以帮助演出听起来更加亲密，那就是声音的反射。由于声音的传播速度是有限的（在20℃干燥的空气中传播速度为343米/秒），因此，相比于直接从表演者那里传来的声音，任何来自房间边界的反射在到达观众席中的某个人的时候都将延迟几毫秒。你可能没有意识到这种延迟，当大脑汇集音频输入时，这种延迟（最重要的是，到达的幅度和方向）会影响体验。

1895年，美国物理学家Wallace Clement Sabine就证明了这一点。Sabine被公认为建筑声学的创始人。在对哈佛大学福格讲堂（Fogg Lecture Hall）进行声学改善的时候,他使用一架风琴和秒表开始了一系列实验,以确定房间中缓冲垫的数量如何影响观众听到声音的延迟时间。Sabine很快发现，缓冲垫(或任何吸收材料)的面积与混响时间是线性相关的。

20世纪60年代示波器的出现推动了声学技术的发展，使得将声音图像化和分析反射延迟成为可能。研究人员开始发现更多关于声音方向的作用。例如，通过声音的环绕，从侧面的反射可以让观众更加沉浸在体验中。

对反射作用的认识使人们注意到声音总是从一个表面传到另一个表面，并影响了表演空间的设计。基本的鞋盒几何结构仍然很受建筑师的欢迎，这种结构延续自中世纪的教堂（实际上就是他们那个时代的音乐厅）。但是，经历了20世纪60、70年代英国的Michael Barron和Harold Marshall以及哥廷根和柏林的研究小组的工作之后，20世纪80年代早期，Essert和其他声学家开始塑造不同的几何形状来引导声音。通过改变声音反射的方向，从而获得更多从侧面反射而来的声音。这种建筑的例子包括新西兰的基督城市政厅（Christchurch Town Hall）、英国诺丁汉的皇家音乐厅（Royal Concert Hall）和美国达拉斯的梅尔森交响中心（Meyerson Symphony Center）。

声音的品质

科尔斯顿音乐厅已经经历了几次翻修和重建，最近一次是在1951年，由Philip Hope Bagenal领导，他是当时英国最多产的音乐厅声学家。1936年的改造将重点放在放映厅上，因为播放电影是当时这类音乐厅最主要的市场，改造中强调了视线、观众容量和电影音效。虽然在闪击战中幸存下来，但是，音乐厅在1945年一场由香烟引起的火灾中被烧毁，直到1951年才被重建。最值得注意的是，当时英国的Bagenal和其他声学家认为英国音乐厅缺乏清晰度。英国的音乐生活和品味已经被全国各地音乐厅的声效所影响，高而平的地板空间往往产生一种浑浊的声音。

布里斯托尔的科尔斯顿音乐厅经过多次翻新，包括1936年(左上)和1951年(右上)。在当前的项目中，声音空间视觉公司对空间进行测量(左下)，并创建一个声学计算机模型(右下)。

Bagenal在科尔斯顿音乐厅的改造上采用了一项阶梯式矩形（stepped rectangular）计划，并引入了吸收低音的材料，以“避免嗡嗡声”。他特别在舞台上方加了一个遮盖，以突出弦乐器的清晰度。虽然示波器在1951年还没有被发明，所以还不能用于辅助设计，但人们已经意识到，遮盖可以将声音反射给音乐家，这样他们就可以听到自己的声音。

SSV在科尔斯顿音乐厅的翻新所解决的问题之一就是这个顶棚的缺陷。随着舞台的扩建以容纳更大的管弦乐队，顶棚不再覆盖坐在舞台前面的弦乐部分。此外，它还出现在前缘，引导声音向观众反射，让弦乐演奏者更难听到自己的声音。在改造中，SSV将实施一个扩展并重塑过的顶棚，上面被添加更多的索具，以满足更广泛的技术要求。

也不是所有的反射都是有帮助的。科尔斯顿音乐厅之前有14行座位被露台所覆盖,创建一个数以百计席位的“死区”：受到露台底部多次反射的声音会被极大的减弱,当他们到达露台下方深处的听众时变得了脆弱。SSV的改造项目包括将阳台从一个较深的结构划分为两个较浅的结构，这样在一个较低的天花板下就没有那么“深藏”的座位。

共生的解决方案

回到布里斯托尔老维克剧院，反射再次派上用场，以满足新门厅的多功能需求。它的设计非常巧妙，人们可以一边喝咖啡一边享受安静的交谈，而不会被其他人的喋喋不休所打扰。然而，在收入最大化的压力下，同样的空间也需要提供一个更活跃的氛围，甚至要在举办演唱会时让观众沉浸在声音中。Vangelis Koufoudakis是来自Charcoalblue设计公司的声学专家，曾参与过布里斯托尔老维克的翻新工程。他表示：“你最终可能会得到一张沙发床，它既不是一张很棒的沙发，也不是一张很棒的床。”幸运的是,建筑师和声学家能够找出250年来的一个最优解。

在门厅的情况下,建筑师们热衷于提供一个开放的空间,把剧院和街道连接起来。咖啡吧台区域的大部分墙壁都使用了吸音材料。墙壁则采用了不规则的角度,而不是平行的方式,以避免奇怪的共振。房间中也大量使用了回收的木材和羊毛,以吸收声音并将其转化为热量。门厅的天花板是由胶合板做成的对角网格结构，对角线形成不规则的角。这些图案受到的启发可能来自于建筑历史时期所保留下来的几何图形。“在声学的世界里,我们喜欢不规则的形状,因为它们阻止了声音的聚焦或其他不受欢迎的声学品质,”Koufoudakis说。由于这些声学技巧,巨大的开放性设计，为一个安静的咖啡厅提供了完美的声学。

那么在不同的时间,如何允许在同一空间有更充满活力的氛围呢？项目团队将这座乔治王时代建筑最初的石墙挖了出来。这座墙位于咖啡吧台的远端，将作为反射声音的屏障，为演出空间创造需要的声学效果。墙体随着时间的流逝而“满目苍夷”,从而不会产生奇怪的高频共振。“这是一个令人惊叹的建筑表面,揭示了剧院的历史痕迹,” Tom Gibson如此说，他来自于Haworth Tompkins，是第二阶段修葺工程的建筑师。坚固砌体表面也有助于调节咖啡厅的温度。

冷静的设计

门厅也从建筑的另一个怪异结构中获益，而这后来被证明是因祸得福。自剧院最初建造以来的几个世纪里，各种扩建和翻新遗留下了不同的地层。项目团队不想破坏20世纪70年代的地下室地基，因为这样做需要昂贵的资金，而且可能有考古风险。“基本上，老城墙曾经穿过门厅，我们担心可能会发现一些历史遗迹。”因此，设计的挑战之一是如何解决不同历史时期地层（20世纪70年代的地层和新建地层）之间的差异。解决方案是在剧院旧墙前方的老地层上面修建了一个舞台，并通过一个斜坡连接门厅和外面的街道，这是剧院历史上属于首次修建连接街道的出入口。

这些3D模型展示了布里斯托尔老维克在2016-2018年的重建前(a)和后(b)的对比。最初的剧院建筑故意远离街道，在其254年的历史中，有许多不同的入口。在20世纪70年代，一个叫做库珀大厅（Coopers' Hall）的建筑就被用于这个目的。新建造的门厅使库珀大厅被翻新为一个活动空间和一个小的工作室剧场。

建筑师还能够利用整个场地的各个地面为工作室剧院通风。这个相对较小的房间（工作室剧场）从礼堂前的地下室移到了库珀大厅的地下室。库珀大厅是一栋与门厅相邻的建筑物，在1970年代的设计中用作剧院的入口。这一举动导致紧邻街道的门厅下方地下室的头部高度不合规，并造成了空间限制，使传统机械通风机的安装变得困难，因为传统通风机需要大量空间。“无论如何，项目团队都有意为新的工作室剧院实现自然通风以节省能源和相关成本，” Gibson补充道。但是地下室空间却提供了构建新的自然通风“迷宫”的机会。它通过砌体从门厅的屋顶吸入空气，该迷宫使寒冷的外界空气安静下来。结果是，冷空气进入了工作室剧院，并且产生了最小的声音干扰。

合适的造型

但是，并不是所有的体系结构都和实用技术要求幸运地统一。德国的柏林爱乐音乐厅（Berliner Philharmonie）被普遍认为是音乐厅设计史上的一个里程碑，并且不同与长期以来占据主导地位的“鞋盒”形状。它建于1960年至1963年之间，以取代柏林爱乐音乐厅的旧址，后者在第二次世界大战中被炸毁。建筑师Hans Scharoun说：“人们在非正式地听音乐时总是围成一圈。”这促使他将音乐厅设计成观众坐在乐团周围的“大碗”上，就像葡萄园。这种大胆的设计激发了许多建筑师的灵感，他们也想制作“特色建筑”，而葡萄园的几何形状在过去的15年中被广泛采用。

柏林爱乐音乐厅建于1960年至1963年，其设计类似于碗或葡萄园，其宽度是典型鞋盒设计的两倍。

但是，葡萄园的几何形状在声学家中并不那么受欢迎。当观众分散到如此宽的房间中时，音乐的声音强度和主观强度都会降低。因此，将环绕声形式扩展到没有露台的2000个座位的大厅可能降低音乐创作者所期望的强度，并弱化听众沉浸在声音中的感觉。而且由于观众环绕着舞台，所以坐在管弦乐队后面的人们听到的声音与前面的声音有所不同，长号之类的乐器在轴向上听起来可能很明亮，但在其他地方则更安静。

这就是Essert感到鞋盒式几何正在复兴的原因。心理声学也对这个问题产生了兴趣：狭窄、高大的音乐厅是如何让听众没有被装在盒里的感觉？例如，科尔斯顿音乐厅的新天花板的侧面将略微倾斜，从而减轻了以前凹入式天花板的负面聚焦效果。凸曲线以一种有用的方式传播声音，并偏离纯正的长方体，使您感觉不到周围的“四方形”。

多任务

在诸如科尔斯顿音乐厅之类的场所中，另一个挑战是要在同一空间放大一部分音乐而不放大另外的音乐。为管弦乐队优化的声学效果可以理想地丰富声音，而放大音乐的设计旨在保持声音的清晰，以及几乎没有回响，从而使听众听到的声音几乎完全来自于扬声器。数字工程可以将某个放大性能的水平调整到理想程度，但是它不能完全替代具有更丰富声学效果的房间对现场表演的影响。在建筑预算的限制下，可以使用玻璃纤维板甚至窗帘制成的可伸缩面板来吸收混响，以放大音乐并引入更多的声学功能。

香港的戏曲中心是SSV将这些多功能要求提高到一个新水平的项目。这里的空间不仅要满足西方音乐放大和非放大的需要，而且还要迎合北京，上海，广东和各种中国戏曲传统。优化音乐会场地意味着要提供一种手段来平衡歌手与管弦乐队的声音。

在香港戏曲中心有不同寻常的声学需求。它演出了各种各样的音乐风格，因此音乐厅的设计具有复杂的形状，间隙和绝缘材料，可以吸收或散射声音，包括可以根据需要调整的电动窗帘。

然而，情况变得更加复杂，因为声学家不再满足那些期待现场交响乐演奏的观众的需求。如今，音乐会的参加者希望听到的声音像他们在家中的音响系统上听到的一样。问题在于，这些录音是由工程师生成的，他们将麦克风放置在大厅或录音室周围经过仔细识别的位置，然后以电子方式混合各个电平并添加通道，以便你可以欣赏到独奏的清晰度并在房间内产生共鸣。“你实际上无法获得那种声音，” Essert说，“但是我们的耳朵已经适应了它。”

一种同时提供清晰度，共鸣和包围感的方法是在一个房间内建造一个房间。这个想法是在Essert与纽约Artec顾问公司的Russell Johnson进行合作的时候提出的。在那个项目中，他发现自己反复面临多用途方案的问题。在1980年代，Artec在某些音乐厅引入了“混响室”，例如美国达拉斯的梅尔森交响乐中心（Meyerson Symphony Center）和英国伯明翰的交响大厅。观众在这里看到音乐厅与内部次要空间耦合在一起，两者通过沉重的枢轴上混凝土门相连。该次要空间通常有几千立方米的空间，并且根据分割材料的使用可以是“硬”或“软”空间。这使其可以充当吸收器或混响发生器，但是房间的初始的衰减是由内部房间的几何形状产生的。此创意由Artec在新加坡，洛杉矶，雷克雅未克和布达佩斯进一步发展，也影响了巴黎爱乐音乐厅（Paris Philharmonie）的设计。Essert在英国的Sage Gateshead上使用了相同的原理，将主要空间与可移动天花板上方的另一个空间部分耦合。

虽然声学设计基于声音的物理原理，但它取决于众多其他结构和技术方面的考虑，随着场所为了增加收入来源而承担额外的功能，这些考虑会倍增。在翻新历史遗迹时，工程解决方案不仅必须对应对建筑物的历史，而且必须遵守规划限制并满足观众的广泛期望。实现这一棘手的组合绝非易事。但是，通过确保所有因素（房间的几何形状，视线，舒适度等）结合在一起，建筑师和声学家可以提供一种体验，无论是说唱还是狂想曲，咖啡或歌舞表演，都会使每位来访的艺术家和观众所满意。