广东科技报:科学艺术相融合 让建筑“更动听”

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  广东科技报5月19日07版整版报道

‍‍  南方都市报7月23日A14-15版讯‍‍1804张红色座椅,“品”字形红舞台,“双手环抱”的3层坐席……7月18日午后,在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室声学实验室里,一座“石盖子”缓缓打开,露出广州大剧院歌剧厅模型,除了几何尺寸是实体建筑的1/20外,其他细节都很逼真。‍‍‍‍

威尼斯官方网站登录,  “我们团队的研究大多是以问题为导向的自主研究,很少是跟踪型,大多都是原创性的前沿研发并引领了潮流。”这是吴硕贤院士对他多年从事建筑技术科学研究最深的体会,无论是城市交通噪声研究还是三维视听一体化技术,无论是开展“中国古典园林声景学”研究还是首倡建筑使用后评价,他的一项项科研成果成功解决了一个个建筑环境声学及建筑理论领域的问题,填补了建筑声学领域的多个空白。

  广州大剧院正式启用前一年多,中国科学院院士吴硕贤领衔的团队就对其进行声学缩尺模型实验和现场测试,“这是为了让广州大剧院‘听起来很完美’,确保每个位置都能听到高保真声效”。吴硕贤团队承担了北京人民大会堂、广州友谊剧院、广州白云国际会议中心等100余项工程的声学研究与设计任务,填补建筑声学多个空白领域。

  “可听化技术”可预先聆听音质效果

  亚热带建筑科学国家重点实验室还首次建立中国人头传输函数HRTF数据库,并在国际上率先实现视听一体的座位选择系统,未来去广州大剧院听歌剧,有可能提前“听音选座”。

  “过去要比较哪个音乐厅好,很麻烦,要找一个乐队,统一一个曲目,统一一个乐团,先到维也纳音乐厅去演,然后再到悉尼歌剧院去演。但是人类的记忆也受到时间的限制,所以总归不是那么靠谱。利用可听化技术,我们可以找一些人在实验室里,戴上高保真的耳机,就可以及时切换,一会儿切换到维也纳音乐厅,一会儿切换到星海音乐厅来进行比较。”吴硕贤说,声音的三维仿真技术,就是可听化技术。应用该技术,在各类建筑空间的规划或设计阶段,便可预先较逼真地聆听其建成后的音质效果。

  搭建迷你大剧院 找缺陷帮助调整方案

  针对观演建筑,吴硕贤院士团队在国际上率先将虚拟可视化与可听化技术相结合,开展三维视听一体化技术研究,实现观演建筑不同座位区的视听三维仿真,开发了基于三维视听一体化的厅堂座位选择系统。“我们主要通过观演建筑的三维建模,利用投影系统实现不同座位区逼真的三维视觉效果;通过计算机三维声场仿真或实测,获得不同座位区的双耳脉冲响应,再与消声室中录制的声源干信号卷积,通过高保真耳机及双扬声器系统重放三维声场,进行视听一体化的计算机仿真建模”。吴硕贤说,人民大会堂的音质改造就首次使用计算机进行声场三维仿真。“我们的技术还出口到了国外。意大利费拉拉歌剧院也采用了我们开发的三维视听一体化技术。”

  作为厅堂最主要的吸声体之一,座椅材质的匹配成为关键。孙海涛找了几十种不同材料,在小混响室内反复测试,最后确定用聚酯纤维,能最接近实际座椅的声学效果。  走进一个新场所,吴硕贤的第一反应,不是“看”,而是“听”。30多年形成的职业习惯,使他有双敏感的耳朵。拍拍手、“吼嘿”两声,基本就能判断所在建筑的声学设计水平如何,“看声音的脉冲响应数据,就像老练的医生看肺部X光片。”  广州大剧院的声学设计由世界建筑声学权威马歇尔·戴声学顾问公司承担,吴硕贤是两位国内声学顾问之一。为保证建成后的音质,按国际惯例,超过1500座的重要厅堂均需进行声学缩尺模型实验,吴硕贤团队承担了这一工作。  华南理工大学的亚热带建筑科学国家重点实验室能实现在1:10及1:20缩尺模型中进行声学实验的成套技术,并能较准确地预测声场参数,该实验室是迄今建筑科学领域唯一的国家重点实验室。  画图纸,搭建1:20的缩尺模型,模型界面用GRG材料制作,一切都很顺利。但作为厅堂最主要的吸声体之一,座椅材质的匹配成为关键。华工建筑学院高级工程师、建筑声学子实验室主任孙海涛找了几十种不同材料,在小混响室内反复测试,最后确定用聚酯纤维,能最接近实际座椅的声学效果。  据此制作了1804个长宽仅2-3厘米的“迷你”座椅,选择不同坐席区典型39个座位作为测点,在座椅处放一个微型麦克风,用脉冲声进行实验,然后用计算机分析声学参数。  声学模型实验的结果,主要用于分析并发现声学缺陷,以便调整建筑设计方案。吴硕贤团队对广州大剧院进行初步测试时就发现,多数测点的声场均满足要求,但有9个测点的脉冲响应存在能量较集中的长延时反射声,这意味着,听众在收听音乐时,可能会听到回声,影响声音音质。  团队提议,在舞台台口两侧墙面、天花的某些部位增加扩散构件。这些扩散构件能够较好地将声能扩散,消除回声隐患,并增强明晰度。他们在缩尺模型内侧贴上一些条形扩散体,重新测试后,各测点的声脉冲响应达到满意状态。下次去歌剧厅,不妨看看舞台台口两侧墙面,那些小三角形状体就是经过艺术美化后的扩散体。  除了声学模型实验,华工建筑学院教授、博士生导师、建筑技术科学实验中心主任、建筑学系副系主任赵越喆教授与孙海涛还在项目施工中期扛着喇叭、功放、麦克风、电脑、声卡、模拟人头等笨重器械,多次到大剧院现场测试,“熬了很多个通宵,因为晚上没有施工噪声影响,测量结果更准确。”2010年,直到广州大剧院歌剧厅首演前一日,赵越喆等人还在做最后的现场声学测试。  衡量歌剧厅的声学条件主要有三个指标:一是有足够的响度感,即哪怕离舞台最远的地方也能享受到声学上的亲近感;二是清晰度,即不管坐在哪个座位上,都能听清楚音符与歌词;三是有混响感,即能感觉声音很丰满,混响感很强。从测试效果来看,广州大剧院达到了国际一流剧院的声学条件。

  创新设计“白捡”了一个音乐厅

采集粤剧好声音 建民族乐器“大数据”

  广州白云国际会议中心的岭南大会堂举办过各类重要会议,但很少有人知道该会堂其实还具备了不亚于星海音乐厅的高标准音乐厅的建筑功能。“其实设计之初它并没有这种考虑。”吴硕贤在观察后认为,从建筑的体量和体型看,岭南大会堂都很适合做音乐厅。因此,他提出了会议厅兼做音乐厅的创新设计理念。“之所以能提出来,是因为我们在建筑声学方面研究得比较透彻。”吴硕贤说,会议厅要保证声音的清晰度,一般规定混响时间为1秒左右,比较短;而音乐厅要将混响时间设计到1.6秒以上,二者存在冲突。

  “咿咿呀呀……”这三个月来,消声室里不时出现广州粤剧团老生、青衣、花旦、武生等行当演员的身影,他们或唱或念,赵越喆带领研究生对声音进行采集并测算。吴硕贤团队正与广州粤剧团合作研究粤剧演员的发声特性,到上月底,粤剧主要角色的声音参数均已测试收集。  采访当天,记者穿过一条狭窄的通道,前往实验室地下一层,进行声学测试的几个神秘“幽室”便藏身其中。通道两侧采用弹性垫层物质隔振,一迈入,声音立刻有种被抽离感。  进到消音室,室内各个表面的暗红多孔材料被做成尖劈状,横竖有序地排列着,围成一个没有反射声和干扰声的自由声场。这是一间精密级消声室,截止频率可低至60H
Z.也就是说,频率在60H
Z以上的声音能量都能被消声室吸走99.99%,吸完后在消声室内只能听到声源的直达声,听不到反射声。  “咿咿呀呀……”这三个月来,消声室里不时出现广州粤剧团老生、青衣、花旦、武生等行当演员的身影,他们或唱或念,赵越喆带领研究生对声音进行采集并测算。吴硕贤团队正与广州粤剧团合作研究粤剧演员的发声特性,到上月底主要角色的声音参数均已测试收集。  “过去我们音乐厅、剧院的设计,照搬西洋音乐厅、歌剧院音质设计导则,但民族音乐戏曲发声的特性与西洋音乐和歌剧是有区别的。有了自己的研究成果,就可以帮助设计师设计完全中国化的音乐厅、剧院了。”  除了人声,吴硕贤与赵越喆首次对国内民族乐器声功率级进行科学系统测定。“民族乐器发明8000多年来,首次系统性地在实验室测算”,在吴硕贤看来,要设计出符合中国民族音乐和戏曲音质的厅堂,就要先了解民族音乐的基础数据。  以拉弦乐器为例,西方音乐中的大小中提琴与中国戏曲的二胡、京胡、板胡、高胡,频谱、音色、发声方式等区别就很大。2004年起,赵越喆作为主力参与这一研究。实验室与星海音乐学院合作,不定期地请来乐师演奏,陆续对30多种中国民族乐器进行声功率测定,包括乐器在不同音域的不同单音、音阶等,每种乐器测定2到3件。  到2008年,经过混响室法和消声室法的对比验证,30余种重要的民族乐器声音频谱、声功率、声能辐射指向特性的系统测量总体完成,形成较系统的民族音乐干信号资料库和民族乐器声功率数据库。这些数据指标,已应用到广州友谊剧院改造以及广东粤剧院等工程设计上,香港正在建设的西九龙演艺中心粤剧院,也将之列为设计的重要参考。  今年底,民族音乐厅堂音质指标专著有望出版,30多种民族乐器的“大数据”准备集结面世。而对更多种类的民族乐器及其声能辐射方向特性的系统测试研究,仍在补充和进行。

  不过,吴硕贤及团队深入研究后发现,语言清晰度主要取决于信噪比,混响时间的影响比较次要。通过理论计算分析,他们采用较长的混响时间来保证厅堂音乐演出时的丰满度,再通过合理设置现代扬声器系统,来实现其会议功能所需要的语言清晰度,达到音乐厅兼作会议厅目的。于是,岭南大会堂不仅可以召开各类重要会议,还能够举办全国最高音乐奖金钟奖,以及广州艺术节等演出活动,且音质不亚于星海音乐厅。“我们打破了音乐厅和会议厅不可兼用的常规。一般来说,音乐厅的造价都要上亿乃至数亿元,这样一来,广州相当于‘白捡’了一个音乐厅。”广州白云国际会议中心也在首届世界建筑节上获得唯一的公共建筑类大奖。

画城市噪声地图 可查区域噪声有多大

  除了白云国际会议中心岭南大会堂,吴硕贤团队也对广州的另一标志建筑——广州大剧院开展了声学缩尺模型实验研究与测试。吴硕贤说,衡量歌剧厅的声学条件主要有三个指标:一是有足够的响度感,即哪怕离舞台最远的地方也能享受到声学上的亲近感;二是清晰度,即不管坐在哪个座位上,都能听清楚音符与歌词;三是有混响感,即能感觉声音很丰满,混响感很强。由此,在对广州大剧院的声学研究中,吴硕贤及团队应用了声学缩尺模型实验技术设计,搭建起“迷你大剧院”,逼真地反映出声波波动特征,预报出客观指标,从而确保大剧院的每个位置都能听到高质量声效。“从测试效果来看,广州大剧院达到了国际一流剧院的声学条件。”广州大剧院也被评为“世界十大歌剧院”,是亚洲国家剧院中唯一入选剧院。

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