膜結(jié)構(gòu)高大空間音質(zhì)設(shè)計(jì)淺析
——以西亞斯國(guó)際學(xué)院體育館聲學(xué)改造為例

張 龍

王 凡

饒紫云

1 背景介紹

膜結(jié)構(gòu)頂棚以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、造型可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在高大空間建筑設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，然而該結(jié)構(gòu)由于其自身材質(zhì)的特殊性又對(duì)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的大空間音質(zhì)設(shè)計(jì)以控制全頻混響時(shí)間和避免聲缺陷為重點(diǎn)，較低的混響時(shí)間及平直的頻率特性有利于擴(kuò)聲系統(tǒng)的使用。常見(jiàn)的處理方式即在頂面結(jié)合金屬屋面做聲學(xué)處理或者大面積懸掛吸聲體，而在膜結(jié)構(gòu)的高大空間中這些方法將受到較大的限制，一方面是基于膜自身的吸聲特性，由于自振頻率較低且面積較大，膜結(jié)構(gòu)低頻吸聲性能較好，同時(shí)較大的平均自由程使得空氣吸聲量在總吸聲量中的比例增大，頻率特性在高頻段斜率急劇減小，從而在中低頻段某處出現(xiàn)拐點(diǎn)（“起包”現(xiàn)象）；另一方面，吸聲界面受到限制，在已有膜結(jié)構(gòu)的表面難以懸掛較大的荷載且難以進(jìn)行聲學(xué)處理，若頂棚較高，則平整的膜表面與地面之間容易產(chǎn)生顫動(dòng)回聲的音質(zhì)缺陷。由此可見(jiàn)，分析已有的膜結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)案例并探索其音質(zhì)設(shè)計(jì)策略具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

高大空間建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)是當(dāng)代建筑聲學(xué)工程技術(shù)的重要研究方向，文獻(xiàn)[1-5]中闡述了體育館、主題樂(lè)園、展廳等不同功能的高大空間聲學(xué)設(shè)計(jì)方案，這些方案具有一定共性，即頂面往往能夠作為重要的吸聲面且限制較小；而關(guān)于膜結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的研究較少，僅有的文獻(xiàn)則更多關(guān)注膜結(jié)構(gòu)的空氣聲隔聲性能[6-7]。本文以某膜結(jié)構(gòu)體育館的聲學(xué)改造工程為例，通過(guò)分析改造前室內(nèi)聲場(chǎng)的音質(zhì)缺陷，提出合理的建聲和電聲解決方案，采用聲學(xué)模擬軟件仿真計(jì)算室內(nèi)聲場(chǎng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證方案的可行性。

圖1 膜結(jié)構(gòu)體育館改造前實(shí)景

圖2 頂棚吸聲體安裝節(jié)點(diǎn)

圖3 頂棚吸聲體吸聲系數(shù)混響室測(cè)量

圖4 揚(yáng)聲器定位指向性平面示意圖

圖5 改造前RT30（f=1000Hz）聽(tīng)音面模擬云圖

圖6 改造后RT30（f=1000Hz）聽(tīng)音面模擬云圖

圖7 改造前D50（f=1000Hz）聽(tīng)音面模擬云圖

圖8 改造后D50（f=1000Hz）聽(tīng)音面模擬云圖

2 膜結(jié)構(gòu)體育館聲學(xué)缺陷分析

2.1 改造項(xiàng)目概況

該體育館為矩形平面，長(zhǎng)約87m，寬約52m，屋面中部為凹曲面穹頂，屋面兩側(cè)均為膜結(jié)構(gòu)，室內(nèi)總體積約54700m3，最大容座2333座。該體育中心主要功能是用于學(xué)生平時(shí)體育鍛煉，但需兼顧會(huì)議及文藝活動(dòng)的功能需要（圖1）。

應(yīng)使用方要求，我方對(duì)該體育中心室內(nèi)音質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)主觀試聽(tīng)與測(cè)試，室內(nèi)墻面雖采用了較大面積的吸聲材料，但由于未根據(jù)體型特點(diǎn)及膜結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致室內(nèi)聲場(chǎng)分布不均勻，音質(zhì)效果較差。擴(kuò)聲系統(tǒng)布局不合理，不僅未能減弱音質(zhì)缺陷的不利影響，反而進(jìn)一步加劇了聲缺陷的程度。

2.2 聲學(xué)改造目標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)并結(jié)合主觀感受可知改造方案應(yīng)重點(diǎn)解決下列幾個(gè)問(wèn)題。

① 改善混響時(shí)間頻率特性，解決“起包”現(xiàn)象。根據(jù)混響時(shí)間測(cè)量結(jié)果可知，改造前該體育館空?qǐng)龌祉憰r(shí)間f=1000Hz時(shí)為4.1s，且在此頻率位置曲線出現(xiàn)峰值。空?qǐng)龈黝l段混響時(shí)間實(shí)測(cè)值詳見(jiàn)表1。

②凹曲面穹形頂棚存在聲聚焦現(xiàn)象[14-15]。由于原有凹曲面頂棚未考慮吸聲和擴(kuò)散處理，聲線聚焦位置恰在人耳高度附近。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，在無(wú)指向性聲源作用下，聚焦點(diǎn)位置的平均聲壓級(jí)（線性計(jì)權(quán)）比其他位置高2.5dB。

表1 改造前體育館空?qǐng)龌祉憰r(shí)間實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 吸聲體吸聲系數(shù)混響室測(cè)量結(jié)果

表3 改造后聚焦點(diǎn)和非聚焦點(diǎn)聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果

圖9 改造前后混響時(shí)間實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖10 竣工測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用傳聲器

③室內(nèi)光滑平行界面較多，存在顫動(dòng)回聲的缺陷[16-17]。如大面積的玻璃墻面之間，膜結(jié)構(gòu)與地面之間均將導(dǎo)致聲能往復(fù)反射，從而導(dǎo)致令人不適的“嗡嗡”聲。

④擴(kuò)聲系統(tǒng)定位及投射方向、覆蓋角等參數(shù)不合理，將直達(dá)聲能在中部匯聚，進(jìn)一步加劇了聲學(xué)缺陷造成的不利影響。

3 膜結(jié)構(gòu)體育館聲學(xué)改造策略

由上述分析可知，該體育館改造的難點(diǎn)在于頂面膜結(jié)構(gòu)面積較大，常見(jiàn)的大空間聲學(xué)處理方式難以適用，同時(shí)在不破壞原有結(jié)構(gòu)的條件下，需精準(zhǔn)而又針對(duì)性地解決存在的若干聲學(xué)問(wèn)題。對(duì)此，在保證聲學(xué)效果同時(shí)兼顧裝飾、經(jīng)濟(jì)性的前提下，我們針對(duì)性地提出了相應(yīng)的解決方案（圖2）。

改善頻率特性（消除“起包”）可結(jié)合聲聚焦問(wèn)題一并考慮。由于需選擇性地降低某些頻率的混響時(shí)間。同時(shí)盡可能消除中低頻聚焦產(chǎn)生的不良影響，因此我們對(duì)于材料吸聲特性的選擇及吊掛形式提出了相應(yīng)的要求。具體措施如下：在保持原有膜結(jié)構(gòu)的情況下將局部凹曲面吊頂拆除，并按階梯狀懸掛平板空間吸聲體，空間吸聲體單元厚100mm，平面投影尺寸為1125mm×620mm。單元之間采用30×30×2.5鍍鋅角鋼固定，并采用φ6鍍鋅鋼絲繩固定于網(wǎng)架下弦桿上（圖3）。

空間吸聲體中棉的特性及整體制作工藝對(duì)于其聲學(xué)性能具有關(guān)鍵性作用，為了保證吸聲體能夠針對(duì)性地解決該體育館的問(wèn)題，在確定材料各項(xiàng)參數(shù)后由專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)在混響室中測(cè)量吸聲體單元的吸聲系數(shù)，并以此修正計(jì)算結(jié)果。吸聲體混響室各頻段吸聲系數(shù)實(shí)測(cè)值參看表2。由此可知，500Hz吸聲系數(shù)高達(dá)2.08，1000Hz吸聲系數(shù)高達(dá)1.71，低頻和高頻吸聲系數(shù)相對(duì)較低，可見(jiàn)該吸聲體吸聲頻率特性可選擇性大幅度降低某些頻率的混響時(shí)間，完全適合該體育館的聲學(xué)要求。

對(duì)于體育館內(nèi)其他可能造成顫動(dòng)回聲的平行界面則做了針對(duì)性處理，如將原有貴賓包廂玻璃窗拆除同時(shí)后墻面作吸聲處理。為了和其他界面裝飾效果保持統(tǒng)一，改造的后墻面采用槽木吸聲板，正面開(kāi)槽，槽寬4mm，條面寬28mm；背面開(kāi)孔，孔徑10mm，孔距沿長(zhǎng)邊方向16mm，沿短邊方向32mm；板后空腔100mm，內(nèi)填50mm厚32kg/m3玻璃棉；原有窗簾拆除，采用200%打折密度較高吸聲性能較好的天鵝絨窗簾，同時(shí)將玻璃墻面上方的玻璃擋板拆除，進(jìn)一步降低顫動(dòng)回聲的不利影響。

重新調(diào)整擴(kuò)聲揚(yáng)聲器的定位及輻射角度。利用原有燈光吊桿吊掛9只箱式點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器，合理選擇揚(yáng)聲器的指向性[8-13]，避免直達(dá)聲能在凹曲面頂棚下方匯聚，確保直達(dá)聲可均勻覆蓋比賽場(chǎng)地和觀眾席，揚(yáng)聲器定位及指向性參看圖4。

4 計(jì)算機(jī)聲學(xué)仿真計(jì)算

為了驗(yàn)證和預(yù)測(cè)該改造方案的實(shí)際效果，采用Raynoise 聲場(chǎng)模擬軟件對(duì)音質(zhì)客觀參量進(jìn)行仿真計(jì)算。將原體育館室內(nèi)空間做簡(jiǎn)化處理，建立三維仿真模型，根據(jù)混響時(shí)間計(jì)算結(jié)果定義室內(nèi)各界面吸聲系數(shù)和散射系數(shù)。仿真聲源為距地1.5m高無(wú)指向性點(diǎn)聲源，聽(tīng)音面包含比賽區(qū)域和觀眾區(qū)域，距地1.2m高。

圖5和圖6分別為改造前和改造后聽(tīng)音面中頻1000Hz混響時(shí)間模擬云圖。圖7和圖8分別為改造前和改造后聽(tīng)音面中頻1000Hz清晰度D50模擬云圖。對(duì)比圖5和圖6可知，經(jīng)過(guò)聲學(xué)改造后，原本“起包”頻率混響時(shí)間明顯降低，1000Hz模擬混響時(shí)間平均值小于2.4s；對(duì)比圖7和圖8可知，在改造前較大面積區(qū)域1000Hz語(yǔ)言清晰度D50均小于30%，在改造后1000Hz語(yǔ)言清晰度得到顯著改善，聽(tīng)音面D50平均值＞45%。

5 項(xiàng)目竣工后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)聲學(xué)改造效果，在項(xiàng)目竣工后我方至該體育館進(jìn)行建筑聲學(xué)測(cè)試。由于現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲設(shè)備已安裝完畢，故采用安裝完畢的揚(yáng)聲器作為聲源輸出聲信號(hào)。

聲聚焦的測(cè)量則是在聲源穩(wěn)定發(fā)聲的情況下，采用手持式信號(hào)分析儀記錄聚焦點(diǎn)和非聚焦點(diǎn)一定時(shí)間內(nèi)各頻段的平均聲壓級(jí)，并計(jì)算線性計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)來(lái)判斷聚焦的程度（圖9，表3）。

對(duì)比改造前后的混響時(shí)間測(cè)試值可以看出，250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz混響時(shí)間均有明顯降低，混響時(shí)間頻率特性改善效果顯著。改造后混響時(shí)間測(cè)試值與計(jì)算值在中高頻段吻合較好。由聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果可知，聚焦點(diǎn)和非聚焦點(diǎn)線性計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)相差約2dB。聲壓級(jí)差異是由于聚焦點(diǎn)靠近指向性揚(yáng)聲器聲軸，揚(yáng)聲器直達(dá)聲對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響（圖10）。

由竣工后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，該體育館聲學(xué)改造有效克服了膜結(jié)構(gòu)所固有的聲場(chǎng)不利因素，通過(guò)試聽(tīng)、模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等多個(gè)手段綜合考慮聲學(xué)改造措施，最終取得了令人滿意的效果。由此可見(jiàn)，對(duì)于膜結(jié)構(gòu)的高大空間聲學(xué)設(shè)計(jì)，合理的聲學(xué)設(shè)計(jì)策略應(yīng)建立在對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)準(zhǔn)確的分析之上，對(duì)癥下藥方能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

資料來(lái)源：

文中圖表均為作者自制自攝。