北京冬奧會冰立方冰壺賽場建筑聲學設計研究

李卉，楊奇勇，王鵬，燕翔，梁艷

1 概述

“冰立方”是冬奧會歷史上體量最大的冰壺場館，是世界唯一由夏季奧運會游泳中心轉換而成的、水上項目和冰上項目均可運行的雙奧場館，也是世界上首座在泳池上架設冰壺賽道的奧運場館，是2022北京冬奧會及冬殘奧會男女冰壺和輪椅冰壺比賽場地。

冰壺運動是以團隊為單位的冰上投擲性競技項目。賽道長約45m，投手投擲冰壺、以及冰壺行進過程中的隊員刷冰，都要在主力隊員的指揮和協調下進行。擲球隊員在力求將冰壺滑向圓心的同時，還需考慮在主力隊員的指揮下用冰壺將對方的冰壺撞出營壘或將場上本方的冰壺撞向營壘圓心。刷冰隊員在主力隊員的指揮下刷冰，以使冰壺增加滑行距離，以及改變曲度進而停向或撞向目標。雙方隊員擲完所有冰壺后，以場地上冰壺距離營壘圓心的遠近決定勝負。冰壺運動不僅考驗參賽者的體能和運動能力，還考驗其決策判斷等腦力和團隊配合能力，尤其投擲冰壺和刷冰所展現出的動靜之美，加之精算取舍的智慧，使得冰壺成為歷屆冬奧會都是觀眾上座率最高、轉播率最高的比賽之一。

冰壺比賽中，主力隊員的呼喊指揮是團隊協作的重要內容，也是高水平競技獲勝的關鍵之一。為了保證運動員在長達45m的賽道上隨處都能清楚地聽到指揮的聲音，冰壺場地的建筑聲環境要求極高，不容出現任何聽音困難問題。因此，世界冰壺聯合會規定，為了保證比賽的順利進行，場地建筑聲學要求中頻（500～1000Hz平均）混響時間應不大于1.4s。混響時間反映了房間內整體聲音反射延遲的狀況，混響時間越長，反射聲延遲越長久，前序講話的聲音與新發出的聲音交混在一起越強烈，語言清晰度越差，致使聽音困難。

圖2 2006年意大利都靈冬奧會皮內羅洛—帕拉吉亞西奧體育館

圖3 2010年溫哥華冬奧會山頂中心

自1998年長野冬奧會起，冰壺正式成為奧運會比賽項目。從1998-2018年各屆冬奧會比賽場館（表1）的部分現場照片中可以看到主力隊員在賽道一端呼喊指揮，隊友在賽道上根據指示在刷冰（圖1-4）。

圖1 1998年長野冬奧會輕井澤公園體育場

表1 歷屆冬奧會冰壺場館

2 難點

歷屆冬奧會冰壺場館都能夠達到奧組委所要求的聲學指標，即混響時間不大于1.4s。但是對于水立方而言，卻成為難點之一。

根據建筑聲學基礎的賽賓理論，混響時間與室內容積成正比，與室內吸聲材料的總吸聲量成反比。國家游泳中心（水立方）當年的建設是依據2008年游泳、跳水等水上項目標準而設計，尚不需如此嚴格的混響時間限值。然而，水立方容積巨大，達到280，000m2，幾乎是往屆冬奧會場館的兩倍以上。而且，頂棚和四周圍護結構使用的ETFT透光薄膜（圖5），吸聲性能也很低，加之水面聲音反射強烈（即便改造成冰面，聲反射會更強烈），由此造成水立方中頻混響時間達到了2.8s，大大超出了冰壺比賽的要求（表2）。

圖5 美侖美幻的冰立方，可以看到優美的ETFT透光薄膜

根據聲學計算，如果要達到1.4s的混響時間要求，需要在水立方除冰面以外的墻、頂、地上加裝40，000m2的吸聲材料，不但材料成本巨大 （至少3000萬元以上）、結構安裝難度也難于承受，特別是ETFT薄膜被吸聲材料遮擋后，晶瑩剔透的水立方就失去了原本驚艷世界的美。

3 破解

經與奧組委和世界冰壺聯合會的聲學專家和官員多次交流研討，了解到其所提出混響時間指標的核心目的是獲得賽道區域的良好的語言清晰度，而清晰度還可以使用另一種參數——語言傳輸指數STI（Speech Transmission Index）進行評價。

STI取值在0～1的范圍，可以簡略地看作是語音聽懂的百分數，如講話者發出100個單詞，完全聽不懂，STI=0；聽懂50%，STI=0.5；一字不差地全聽懂了，STI=1.0（實際中不可能）。實際上語言中存在上下文邏輯關聯，而且句子中也含有詞義之間的冗余度，因此，只需要聽懂部分單詞，那么就能對句子有一定了理解。IEC 60268-16:2011中語言傳輸指數的分級及適用范圍如下（表3）。

表3 IEC語言傳輸質量分類及適用范圍

冰壺比賽隊友之間的語言交流，屬于“復雜信息，上下文熟悉”的信息類型，按IEC標準，STI指標達到0.5將可滿足語音通訊的要求。在北京市重大項目指揮部辦公室、北京市國有資產經營有限責任公司、北京國家游泳中心有限責任公司及清華大學建筑聲學實驗室的聯合研究以及據理力爭之下，奧組委和世界冰壺聯合會經慎重考慮，最終同意可等同使用語言傳輸指數STI不小于0.5作為限值要求。

實際上，混響時間與語言傳輸指數是相關聯的，但是并非一一對應，其趨勢為：混響時間越短，相應語言傳輸指數越大。雖然，混響時間容易計算和測量，但是有一定適用范圍，理論上僅適用于聲場均勻的空間，是評價整個大廳的宏觀性或者說平均性聲學指標。當聲場不很均勻時，混響時間難于反映空間局部的聲學狀況，甚至聲場極不均勻時，混響時間就不再適用了。而語言傳輸指數是空間任意兩點之間可懂度指標，不受聲場均勻度的限制。對于水立方如此大的空間來說，可以利用聲場不均勻性，在賽道的局部創造出更高的語言清晰度，而沒有必要大動干戈將全部空間的混響時間降低下來。這就是我們提出采用語言傳輸指數STI作為評價指標的理論基礎和實際原因。只要保證賽道部分的語言交流清晰了，達到了比賽的要求，那么，其他區域，如高空中語言是否清晰也就無足輕重了。由于語言傳輸指數的計算和測量要比混響時間復雜得多，難度也大很多，所以人們更傾向于采用相對簡單的評價指標——混響時間。

由此，幾乎不可能實現的聲學指標——混響時間不大于1.4s，轉換成語言傳輸指數STI不小于0.5，難題也就破解一半了。

4 計算模擬

語言傳輸指標STI的實現仍具有較大難度，一方面需要精準判斷哪些表面適合鋪設吸聲材料，另一方面因其計算量巨大，還需要采用計算機模擬進行預測。指標的精準計算非常重要，若預估不準最終指標沒有達標，將影響奧組委對場館可否使用的評定，影響奧運比賽。若預估過于謹慎造成最終指標超過了標準要求，將造成成本的浪費，STI指標每提高一個百分點都需要增加幾十甚至幾百平米的吸聲處理，若預估不準，聲學上的浪費將成本不菲。

首先，依據國際標準IEC 60268-16《音響系統設備第16部分：語言傳輸系統的言語可懂度的客觀評比》 （Sound system equipment - Part 16: Objective rating of speech intelligibility by speech transmission index）[1]，并參考國家標準GB/T12060.16-2017，《聲系統設備-第16部分：通過語言傳輸指數客觀評價語言可懂度”》[2]，對水立方語言傳輸指數的現狀進行實測。得到的結果是：賽道區域STI在0.41～0.44之間，現狀尚不能滿足不小于0.5的要求。

提高水立方超大空間賽道區域STI指標的最科學也是最經濟的做法是充分利用空間聲場的不均勻度帶來的局部STI的變化。其聲學處理原則是，在需要提高清晰度的區域就近布置聲學材料，由此可高效率地降低近距離聲音反射，進而提高賽道局部STI。考慮吸聲材料的選用、安裝可行性和視覺效果，鋪設局部區域（表4），各區域用量由根據STI達標條件下經計算機模擬反復迭代尋優確定，計算機模擬建模（圖6），鋪裝的吸聲材料采用了10cm厚超輕質的密胺吸聲棉（約800g/m2，表5）。

表5 聲學材料實測吸聲系數（10cm厚密胺吸聲棉，德國BASF生產，安裝方式：實貼）

圖6 比賽大廳增加吸聲面積的語言語言傳輸指數模擬分析結果

表4 室內界面布置吸聲材料的部位及面積

經過多輪方案的比選擇優，最終所確定吸聲處理方案所得到的語言傳輸指數模擬值達到了RASTI=0.5，由此保證了賽道區域比賽時的語言通訊要求。此時，模擬得到的室內混響時間約為1.90s。

5 竣工結論

水立方向冰立方轉換完成后，聲學處理也同步竣工。冰立方現場聲學實測結果為：賽道區域STI=0.50～0.54，完全滿足冰壺比賽的聲學要求。作為研究，還補測了冰立方大廳的中頻混響時間，為1.95s。

經測試賽驗證，聲學效果完全符合奧組委和世界級冰壺比賽的要求（圖7）。

圖7 冰立方以全新的姿態迎接冬奧

冰立方建筑聲學研究為2022北京冬奧冰壺比賽的順利進行所需的聲環境提供了有力的技術支持，是綠色奧運、科技奧運所推動的成功的科學研究和工程課題之一。