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声学/剧院/专项/设计

声学设计师对歌剧院进行声学设计时，大多只是分析观众厅的音质效果，很少从表演者（声源）本身的角度进行声学分析和研究。就好像在家里欣赏音乐，如果只是房间的音质效果好，而碟片或播放设备比较差，是不可能欣赏到音效 的音乐的。因此从某种意义上讲，从表演者本身的角度对歌剧院进行声学分析和研究比观众厅音质设计更重要。

进行声学分析和研究首先从解开一个谜团开始。歌剧演出的表演者主要包括歌手和乐队，单个歌手如何穿过前面乐队的“声障”使自己的声音被观众听到呢？在大型歌剧演出中，乐队有多达多名乐手进行合奏，显然歌手不可能产生与大型乐队相同的声能。解开这个谜团需要从乐队演奏和歌剧唱法的声音特点分析开始：

1.乐队演奏和歌剧唱法的声音特点

1.1乐池内乐队的声音特点

从《无线电》杂志制作的图1可以看出，乐队大多数乐器的发声频率低于Hz，只有小提琴、竖琴、钢琴和短笛等四种乐器可以在Hz以上辐射声能。歌剧演出时乐队放在舞台前面的下沉式乐池内，大多数观众是看不到乐队的，因此观众和乐队没有了直接的传播路径。乐队的演奏声大多数是通过绕射和反射传播到观众席。从图2可以看出，高频声能的衰减量要比低频大，这也导致了歌剧院的乐队演奏声缺乏亮度。当然可以通过反射声来增大乐队的声能，相应地提高高频声。但是相对于音乐厅乐队的演奏声还是相对缺乏高频声，这在歌剧序曲的演奏中是很容易感受到的。

图1乐器和人声的频率范围图

图2乐池内声音在池座观众席的绕射衰变图[2]

1.2歌手共振峰

Bartholomew()发现在歌剧唱法的发声频谱上有一个异常突出的共振峰，男声的频率在~Hz、女声的频率在Hz，花腔女高音无共振峰。他认为喉腔是歌手共振峰的共振源，且这是由于歌手在发声时降低喉位而形成的。Sundberg()发现男声歌剧唱法的歌手共振峰频率范围约在~Hz之间，给声音以明亮的音色，是男声专业嗓音的典型声学特征。他认为女高音的声音没有歌唱共振峰。[1][2]

图3乐队和男高音歌唱的频谱（Sundberg，）[2]

从图3可以看出管弦乐的声能在0Hz以上会迅速下降，歌唱共振峰的频率出现在管弦乐的声能相对较弱的地方。Meyer()[3]总结道：在歌手与管弦乐队的平衡方面，歌手的强音与历史上弦乐组的声能大致相当，而管乐组的强音与歌手的声能峰值大致相当。在Hz时，歌手的共振峰明显高于管弦乐队的声能，如果没有这个共振峰，歌手的声音将很难超过管弦乐队让观众听到。

1.3声音的指向性模式

应该考虑的另一个方面是歌手声音的指向性模式。Marshall和Meyer()[4]测量的男中音水平和垂直方向的指向性模式如图4所示。歌手共振峰主要落在2k和4kHz倍频程，4kHz的大部分能量仅在水平和垂直方向上正前方的±35范围内，2kHz的声音传播方向不是在正前方，而是垂直向下20左右，水平方向约为左右30~60。对女性声音的有限测量显示这种定向峰值在她们身上体现的并不明显。

图4男中音歌手的指向性模式(MarshallandMeyer,)[4]

对于声学设计而言，歌唱共振峰的存在意味着增强歌手在~Hz频率的反射可以起到事半功倍的效果。在声学设计中，声音的频率特性多以倍频程表示，Hz倍频程最接近~Hz频率范围，所以本文就用Hz倍频程的数据代表歌手共振峰进行比较分析。

2.歌手和乐队之间平衡的声学设计

Mackenzie()[5]对名歌剧观众的问卷调查发现，观众普遍认为乐队的声音相对于歌手来说太大。歌手和乐队之间平衡的声学设计目的就是放大歌手的歌唱声并适当降低乐队的演奏声，观众听起来歌手和乐队之间的声音保持平衡。

2.1放大歌手的歌唱声

Marshall和Meyer()[4]根据歌手声音的指向性模式，总结出以下4点建议：

1)歌手转角超过40会出现明显的音色差异，超过80会变得不利。应该使用反射（特别是舞台一侧的反射）以尽量减少这些影响。

2)歌手面前的舞台反射特别有价值，应尽可能加以利用。

3)侧面反射可能比顶部反射更有价值，并且应尽可能在歌手视线方向的60范围内。

4)合唱团应安排在陡峭倾斜的台阶上，坡度至少为1:1(=45)。

把歌手声音的指向性模式放入某剧院的平剖面图纸中（见图5、6），可以更好地理解上述4点建议，在歌剧院设计体形设计时要重点加强~Hz频率的反射。

图5男中音歌手在剧院平面示意图

图6男中音歌手在剧院剖面示意图

合理控制台口侧墙和吊顶的形状，可以起到放大歌手歌唱声的效果（特别是Hz倍频程的声级）,使歌唱者能最有力地盖过乐队的演奏声。例如日本东京新国立歌剧院将台口侧墙和吊顶的形状设计成喇叭形（见图7~9），称为“声喇叭”。与世界 歌剧院的反射声序列的比较（见图10，用置于舞台上同一个无指向声源、池座中部一侧后若干位置的测点）可以看出，虽然中频Hz差别不大，但是高频Hz（接近歌唱共振峰频率）却有明显的优势，因此日本新国立歌剧院“声喇叭”的优越性是显而易见的[6][7]。纽约大都会歌剧院（见图11）和上海大剧院（见图12）的台口侧墙和吊顶的形状也采用了“声喇叭”形。

图7日本新国立歌剧院的平面图

图8日本新国立歌剧院的剖面图

图9日本新国立歌剧院的台口照片

图10日本新国立歌剧院与世界 歌剧院的反射声序列的比较

图11上海大剧院的台口照片

图12美国纽约大都会歌剧院的台口照片

当然提高歌手歌唱声响度的最简单办法就是电声辅助，即以自然声歌唱为主，电声为辅。本文以自然声作为分析对象，电声辅助不展开论述。

2.2降低乐队的演奏声

降低乐队的演奏声，最简单的办法减小乐队的规模。但是这个办法行不通，这要从歌剧的历史说起。

1）歌剧关于乐队的发展史

歌剧一直是一种 的艺术形式，不仅要花钱请乐队，而且要有完备的舞台设施，歌剧演唱家的薪水也很高，歌剧的花费使得早期的表演被限制在宫廷环境中，规模也比较小。后来逐渐发展为公共歌剧院，由于商业运作需要，歌剧院规模和座位容量扩大，歌剧院乐队规模也相应扩大。Meyer()[8]研究了莫扎特时代和现代的歌手和乐队之间平衡是如何变化的。研究表明，要在早期的维也纳剧院（规模比较小）中达到威尔第要求的声级需要20个弦乐手，而现代大型歌剧院则需要多达70个弦乐手。木管乐器演奏者的数量则变化不大，因此他们目前的贡献比莫扎特时代要相对弱一些。歌手的输出声功率总体也可认为保持不变。因此不能简单地减小乐队的规模，否则难以达到歌剧作曲家所要的演奏声级，体会不到高潮时的激情和震撼。

2）世界上乐池内音质评价良好歌剧院的乐池基本尺寸统计

采用部分悬挑的下沉式乐池可以降低乐队演奏声的作用，需要说明的是当初设计下沉式乐池并不是为了这个目的。 个专门建造的歌剧院TeatroSanCassiano年开放时就采用了下沉式乐池，当时还没有科学的声学理论。采用部分悬挑的下沉式乐池主要出于视觉方面的考虑：一是避免乐队及乐谱灯光对观众观看演出的遮挡和干扰。其次为了演唱者和乐手都能方便地看到指挥，因此乐池就只能放在舞台和观众席之间，而不可能像中国戏剧那样把伴奏乐队放在舞台的两侧。三是为了避免舞台和观众距离较大，面积较大的下沉式乐池采用了部分悬挑。

Hidaka和Beranek()曾对欧美和日本的21个歌剧院进行了调查研究，收到21位歌剧指挥的主观评价，21位歌剧指挥对21座歌剧院乐池内指挥位置的音质评价见图13[9]。统计评价为良好以上的歌剧院乐池尺寸见表1。

图位歌剧指挥对21座歌剧院乐池内指挥位置的音质评价[9]

表座乐池内音质评价良好的歌剧院乐池尺寸统计表

Barron()[10]推荐了典型歌剧院的乐池尺寸（见图14），悬挑V为1～2m、深度D为2.5～3.5m、栏板高度H为1m。

图14典型歌剧院的乐池尺寸[10]

乐池的悬挑尺寸：乐池有少许悬挑（相对于乐池舞台下的后墙）对声学有利。拉近歌手和观众之间的距离，歌手表演前移，可以提高歌手的直达声。二战以后，在德国建造的许多歌剧院和美国纽约大都会歌剧院大多有约1~2m的出挑。

乐池的长度和深度：欧美歌剧院的乐池，平均长度一般不超过18m。乐池的深度为2.5~3.5m，不宜小于2.5m[10]、悬挑下部的乐池深度需要大一些。乐池 分成几块可以升降，深度可以调整，主要原因为：一是这一部分的梁尺寸比较大，会减小净高；二是深度较小，后排乐手可能看不到指挥的面部表情。(Gade等人，)[11]一项调查显示：斯德哥尔摩皇家歌剧院向世界各地的其他剧院发送了问卷调查（收到了46份回复），75%的歌剧院乐池深度可以调节，其中85%使用了该功能，说明乐池分块升降是很有必要的。调查还表明：乐池内每位乐手所占的平均面积为1.7m， 为2.1m，三分之二的乐池因空间不足和声级过高而受到批评，只有位乐手所占面积为2.1m2的乐池被认为具有可接受的声级和易于合奏。

乐池的面积及开口宽度：设计乐池的面积大小通常是根据要容纳乐队的数量来计算。Naylor及其同事建议为每位乐手分配1.5m的空间（显著高于早期音乐厅每位乐手占地1.1m的值）。但是从上述Gade等人的调查表明这个标准可能依旧偏小。

虽然较大面积的乐池对演奏的乐队比较有利，但它们往往会在观众和舞台之间留下巨大的鸿沟。一是加大了歌手和观众之间的距离，降低了直达声；二是拉近了乐队和观众之间的距离，提高了乐队的演奏声。相当于加大了歌手的歌唱声和乐队之间的不平衡。如何调和这些冲突是新歌剧院的一项重大挑战。

一般歌剧院乐队的配置多为80~人。纽约大都会歌剧院的乐池最多可容纳95人乐队。日本新国立歌剧院的乐池，舞台下的后墙可向后移动至9m，可容纳人乐队[6]。安置80人的乐队，每位乐手占地面积按1.5m计算，乐池的面积约需要m（接近于 歌剧院的乐池平均面积m），可以计算出乐池的宽度（近似于中轴线上从台口至观众席一侧栏板之间的距离）为6.7m（略大于 歌剧院的乐池宽度平均值6.2m）。

但是必须要考虑乐队的感受，因此建议乐池按容纳80人乐队和每位乐手占地面积为1.7m（但不必达到2.1m，否则乐池的宽度太大，成为一个巨大鸿沟）进行建筑设计。可以计算出乐池的面积为m，乐池的宽度为7.6m。如果要容纳人的乐队，乐池的后墙可以向后移动2.8m，面积增至m。中国国家大剧院的乐池设置比较符合上述要求。

结尾

本文篇幅较长，分为(一)、(二)两篇，后续部分敬请阅读第(二)部分。

作者杨志刚

编辑林忆宁

参考文献：

[1]王士谦.关于歌手共振峰概念的由来及一些讨论[J].声学学报，第6卷第4期，.

[2]Sundberg,J.()Theacousticsofthesingingvoice.ScientificAmerican,82–91.

[3]Meyer,J.()Someproblemsofoperahouseacoustics.ProceedingsoftheVancouverSymposiumonAcousticsandTheatrePlanningforthePerformingArts,August,pp.13–18.

[4]Marshall,A.H.andMeyer,J.()Thedirectivityandauditoryimpressionsofsingers.Acustica58,–.

[5]Mackenzie,R.K.()Theacousticdesignofpartiallyenclosedorchestrapits.ProceedingsoftheInstituteofAcoustics,ReproducedSound,AutumnConference,pp.–.

[6]LeoBeranek.ConcertHallsandOperaHouses[M].ASA,.中译本王季卿、戴根华等译，同济大学出版社，.pp.~.

[7]戴根华.东京新国家歌剧院的声学设计将[J].声学学报，第25卷第9期，.

[8]Meyer,J.()Someproblemsofoperahouseacoustics.ProceedingsoftheVancouverSymposiumonAcousticsandTheatrePlanningforthePerformingArts,August,pp.13–18.

[9]TakayukiHidakaandLeoL.Beranek()Objectiveandsubjectiveevaluationsoftwenty-threeoperahousesinEurope,Japan,andtheAmericas,TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,February,pp.[10]MichaelBarron.AuditoriumAcousticsandArchitecturalDesign(SecondEdition),SponPress,,pp..

[11]Gade,A.C.,Kapenekas,J.,Gustafsson,J.I.andAndersson,B.T.()Acousticalproblemsinorchestrapits;causesandpossiblesolutions.Proceedingsofthe17thInternationalCongressonAcoustics,Rome,Vol.III,10–11.

[12]Marshall,A.H.andMeyer,J.()Thedirectivityandauditoryimpressionsofsingers.Acustica58,–.

[13]杨志刚.音乐厅的舞台音质研究与设计，演艺科技，年第8、9期.

[14]A.H.Marshall,D.GottlobandH.Alrutz()“Acousticalconditionspreferredforensemble,”J.Acoust.Soc.Am.64,-.

[15]Harkness,E.L.()Performertuningofstageacoustics.AppliedAcoustics17,85–97.

[16]Blair,C.N.()Listeninginthepit.Proceedingsofthe16thInternationalCongressonAcoustics,Seattle,Vol.I,–.

[17]DammerudJS.Stageacousticsforsymphonyorchestrasinconcerthalls[D].Ph.DThesis,U.ofBath,.

[18]I.Nakayama(),“Preferreddelayconditionsofearlyreflectionsforperformers”,12thICA,Proc.VancouverSymposium,27-32.

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