从表演者角度论述歌剧院的声学研究和设计.pdf
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1、该文从解决“单个歌手如何超过大型乐队的声能让观众听到”的谜团入手,详细论述了歌剧院乐队演奏和歌剧唱法的声音特点。提出了歌手和乐队之间声平衡的声学设计目的是放大歌手的歌唱声并适当降低乐队的演奏声。重点论述了台口侧墙和吊顶的声喇叭以及乐池的声学设计。然后分别从提高歌手和乐队的相互听闻和提高房间的声反馈的声学设计措施进行了论述。具体声学设计措施包括舞台上设置类似反声罩的布景、合理利用乐池栏板,同时需权衡对乐手听力的保护。其次需要优化设计池座后墙、挑台栏板以及吊顶等部位的形状,以便能够将声音反射到舞台和乐池内。但需要合理控制反射声的大小,避免反射声太强,成为回声。关键词:歌手共振峰;声喇叭;乐池声学;
2、相互听闻;房间声反馈中图法分类号:TU112文献标识码:A文章编号:1000-310X(2023)05-0897-11DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2023.05.001Acoustic research and design of opera houses from performersYANG Zhigang(East China Architectural Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200011,China)Abstract:This paper starts with solving t
3、he mystery of“how can a single singer surpass the sound of alarge band for the audience to hear”,and discusses the sound characteristicis of opera band performance andopera singing in detail.The purpose of the acoustic design of the sound balance between the singer and theband is proposed to amplify
4、 the singers singing voice and appropriately reduce the bands playing sound.Itmainly discusses the acoustic horn of the side wall and ceiling of the fore stage and the acoustic design of theorchestra pit.Then,the acoustic design measures to improve the mutual hearing between singers and bandsand to
5、improve the acoustic feedback of the room are discussed.The specific acoustic design measures includesetting up a backdrop similar to an acoustic encloser on the stage,rational use of the orchestra pit railings,and weighing the protection of the musicians hearing.Secondly,it is necessary to optimize
6、 the design of theback wall of the pool seat,the shape of the balustrade and the ceiling,so that the sound can be reflected tothe stage and the orchestra pit.However,it is necessary to reasonably control the size of the reflected soundto avoid the reflected sound being too strong and becoming an ech
7、o.Keywords:Singer formant;Acoustic horn;Orchestra pit acoustics;Mutual hearing;Room acoustic feedback2022-05-15收稿;2022-08-02定稿作者简介:杨志刚(1972),男,河北邯郸人,本科,教授级高工,研究方向:建筑声学。通信作者 E-mail:8982023 年 9 月0 引言声学设计师对歌剧院进行声学设计时,大多只是分析舞台上的声源在观众厅传输的质量(音质效果),很少从声源本身的角度进行声学研究和设计。歌剧院舞台上的声源主要包括歌手和乐队。如果歌手和乐队的周边声学条件不利于歌手
8、和乐队之间的声能平衡、相互听闻和房间声反馈等,那么歌手和乐队就难以协调演奏出高质量的歌剧。如果声源本身发出的声音质量就不好,那么观众厅的音质效果再好,观众也不会欣赏到一场高水平的演出。因此从表演者角度进行声学研究和设计很有必要。从表演者角度进行声学研究首先从解开一个谜团开始。在大型歌剧演出中,乐队有多达100多名乐手进行合奏,显然单个歌手不可能产生与大型乐队相同的声能。Mackenzie1对5000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。这个谜团就是:单个歌手如何超过大型乐队的声能让观众听到?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
9、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,乐队大多数乐器的主要发声频率低于2500 Hz。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,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乐池内声音在池座观众席的衰减量可以看出,高频声能要比低频衰减大2,这也导致了歌剧院的乐队演奏声缺乏亮度。因此相对于音乐厅乐队的演奏声,歌剧院会缺乏高频声,这在歌剧序曲的演奏中是很容易感受到的。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3,男声的频率在2800 2900 Hz,女声的频率在3200 Hz,花腔女高音
10、无共振峰。他认为喉腔是歌手共振峰的共振源,且这是由歌手在发声时降低喉位而形成的。Sundberg4发现男声歌剧唱法的歌手共振峰频率范围约在2500 3000 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。?3000 Hz4186 Hz3951 Hz3520 Hz3136 Hz2794 Hz2637 Hz2349 Hz2093 Hz1976 Hz1760 Hz1568 Hz1397 Hz1319 Hz1175 Hz1047 Hz988 Hz880 Hz784 Hz698 Hz659 Hz587 Hz523 Hz494 Hz440 Hz392 Hz3
11、49 Hz330 Hz294 Hz262 Hz247 Hz220 Hz196 Hz175 Hz165 Hz147 Hz131 Hz123 Hz110 Hz98 Hz87 Hz82 Hz73 Hz65 Hz62 Hz55 Hz49 Hz44 Hz41 Hz 37 Hz33 Hz31 Hz28 Hz2500 Hz?图1常用乐器和人声的频率范围Fig.1Frequency range of common instrumentsand vocals?10 m 8O8O0O0O0-10-20400020001000500250125?/Hz?/dB图2乐池内发声在池座观众席的衰变2Fig.2 Reduc
12、tion of sound level in the pit rail,fortwo stalls floor rakes2第42卷 第5期杨志刚:从表演者角度论述歌剧院的声学研究和设计899从图3可以看出,管弦乐的声能在1000 Hz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。Meyer5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3000 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。100005000200040003000?/Hz-4
13、0-30-20-100?/dB?图3乐队和男高音歌唱的频谱2Fig.3 Spectra of orchestral sound and the singingvoice21.3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等6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2 kHz和4 kHz倍频程,4 kHz的大部分能量仅在水平和垂直方向上正前方的35范围内,2 kHz的声音传播方向不是在正前方,而是垂直向下20左右,水平方向在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得并不明显。(a)?(b)?90O120O150O-
14、150O-120O-90O-60O-30O30O60O0O180O90O120O150O210O0.-3 dB0.-10 dB25010004000Hz8000 Hz2000500125-30O30O60O0O180O图4男中音歌手的指向性模式6Fig.4 Directivity pattern for a baritone singer6对于声学设计而言,歌唱共振峰的存在意味着增强歌手在2500 3000 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,2000 Hz倍频程最接近2500 3000 Hz频率范围,所以本文就用2000 Hz倍频程的数据代表歌手
15、共振峰进行比较分析。2歌手和乐队之间平衡的声学设计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,使歌手和乐队之间的声音响度听起来比较平衡。2.1放大歌手的歌唱声Marshall等6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)。把男中音歌手2000Hz的
16、声音指向性模式放入某剧院的平剖面图纸中(见图5、图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2500 3000 Hz频率的反射。90O120O150O180O-90O-120O-150O图5男中音歌手(2000 Hz)在剧院平面的声线分析图Fig.5The sound analysis diagram of the baritonesinger(2000 Hz)in the theater plan9002023 年 9 月90O60O120O150O180O-150O图6男中音歌手(2000 Hz)在剧院剖面的声线分析图Fig.6 The sound analysis
17、 diagram of the baritonesinger(2000 Hz)in the theater section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2000 Hz倍频程的声级。例如日本东京新国立剧场歌剧院将台口侧墙和吊顶的形状设计成喇叭形(见图79),称为“声喇叭”。纽约大都会歌剧院(见图10)的台口侧墙和吊顶的形状也采用了“声喇叭”形。与世界著名歌剧院的反射声序列的比较(见图11,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500 Hz差别不大,但是高频2000 Hz(接近歌唱共振峰频率)却有明显的优势,因此东京新国立
18、剧场歌剧院“声喇叭”的优越性是显而易见的78。当然提高歌手歌唱声响度的最简单办法就是图7东京新国立歌剧院的平面图Fig.7 Plan of the opera house of New NationalTheatre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。图8东京新国立歌剧院的剖面图Fig.8 Section of the opera house of New NationalTheatre图9东京新国立歌剧院的台口图片Fig.9Proscenium opening picture of the operahouse of New National
19、 Theatre图10纽约大都会歌剧院的台口Fig.10 Proscenium opening picture of Metropoli-tan Opera第42卷 第5期杨志刚:从表演者角度论述歌剧院的声学研究和设计901(a)?,500 Hz(b)?,2 kHz (c)?,500 Hz(d)?,2 kHz(e)?,500 Hz(f)?,2 kHz (g)?,500 Hz(h)?,2 kHz (i)?,500 Hz(j)?,2 kHz 0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/ms0200?/m
20、s图11东京新国立歌剧院与世界著名歌剧院的反射声序列比较7Fig.11 Comparison of reflectograms between the opera house of New National Theatre and theworld-renowned opera houses72.2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。2.2.1歌剧关于乐队的发展史歌剧一直是一种奢侈的艺术形式,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,歌剧的高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
21、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。Meyer5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9022023 年 9 月手,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。2.2.2乐池的声学要求和设计采用部分出挑的下沉式乐池可以起到降低乐队演奏声的作用,需
22、要说明的是当初设计下沉式乐池并不是为了这个目的。第一个专门建造的公共歌剧院圣卡洛剧院1637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。采用部分出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。二是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出挑。Hidaka等9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,他们对乐池内指挥位置的音质评价见图12。1000200030004000S
23、eat numberOpera houseSeat numberSubj.ratingBANSNMMSTNPSDSPGSFVSLOMBSOBKROBDPBCCASHSTKRating of acoustics as heard at conductors positionFoor1Passable2Good3Very good4One of the best5图1221位歌剧指挥对21座歌剧院乐池内指挥位置的音质评价5Fig.12 Ratings of acoustics as heard at conduc-tors position in the pits of 21 opera hous
24、es by 21opera conductors5统计评价为良好以上的歌剧院乐池尺寸见表1。Barron10推荐了典型歌剧院的乐池尺寸(见图13),出挑V 为1 2 m,深度D为2.5 3.5 m,栏板高度H 为1 m。表111座乐池内音质评价良好的歌剧院乐池尺寸统计Table 1 Statistics on the size of 11 opera orchestras with good sound quality evaluation序号歌剧院乐池面积/m2乐池深度/m乐池平均长度/m乐池最大宽度/m乐池出挑/m1阿根廷科隆大剧院190/633/3.514.87.22.22意大利那不勒斯
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