吸声材料布置对报告厅声场的影响
时间：2023-04-17 13:45:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
谢 辉，周 超，刘 畅
(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；
2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；
3.中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610000)
报告厅不同于剧场类建筑，其造价较低、能满足普遍的文化事业需求。但由于建设初期欠缺对声学设计的考虑，许多已建成的报告厅存在背景噪声过大、混响过长等声学缺陷。据统计，我国高校新建教室、报告厅进行声学设计的不到5%，而旧教室、报告厅进行声学改造的不到2%[1]。《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》：GB/T 50356中指出，多功能报告厅的混响时间应控制在0.7～1.1 s范围内，观众厅在设备开启状态下的噪声限值不超过NR30[2]。报告厅的声环境应保证语言清晰，具有合适的混响时间及其频率特性，并避免噪声干扰，具有合适的相对强感和均匀度。目前国内许多报告厅都难以满足规范要求与使用者需求，将面临着声学改造。
目前，厅堂音质的理论研究和工程实践多关注歌剧院、音乐厅等对音质要求较高的观演空间，许多研究者对这类厅堂的声学设计方法、计算机模拟准确性等进行了探索。徐学军等[3]阐述了各类计算机声学模拟方法的发展趋势；
乐意等[4]提出了若干优化厅堂声场预测准确性的方法。而对于国内报告厅这类应用较广的空间，有研究者结合工程实践，提出了具有适用性的报告厅声学设计策略。谢辉等[5]总结了6种适用于大中型报告厅声学改造的工程技术措施；
Eldakdoky[6]、Alibaba等[7]各自提出了适用于多功能报告厅声学改造的分析、设计方法。
国内报告厅常需要采用经济、有效的方法进行声学设计，因此室内吸声材料的布置对声场的影响研究尤为重要。Cucharero等[8]通过在混响室与缩尺模型中的实验，发现吸声材料安装在房间转角处时的吸声效率更低；
Sala等[9]认为吸声材料的最佳位置应分布在至少两个室内界面上；
Saksela等[10]用最小二乘法优化教室内吸声材料的布置方式。总的来说，针对报告厅声学设计的研究，大多集中在设计应用层面，对于吸声材料布置的研究更多停留在实验模拟阶段，缺乏在工程实践中的实测，且针对报告厅内的吸声材料的布置方式对声场分布特征及大厅典型声学参数影响等问题的研究相对欠缺。
因此，本研究的主要目的是探讨吸声材料的布置方式对报告厅内声场分布特征及大厅典型声学参数的影响，具体从以下几个方面进行研究分析：(1)吸声材料的布放位置对材料吸声效率的影响；
(2)吸声材料的布放位置对接收点声压级差异的影响；
(3)报告厅语言清晰度的主要影响因素。相关研究结果可应用于未来的新建、改建报告厅的工程设计实践。
1.1 研究对象
本研究以重庆大学建筑城规学院建卒厅为研究对象。建卒厅建于1991年，2016年由重庆大学校友捐赠，完成了硬件设施改造，是学院举行各类讲座、会议、学术交流活动的重要场所。其主体部分长为20 m，宽为16 m，高为6 m，室内有效容积为1 100 m³，属于中型报告厅[11]。平面形态为六边形，座位数为280座，最多可容纳300人。讲台面积为21 m2，台高为0.3 m。建卒厅声学改造前的基本信息如表1所示。
表1 建卒厅声学改造前的基本信息Table 1 Basic information of Jianzu Hall before acoustic refurbishment
在建卒厅举办学术报告、重要会议的声学效果不佳，存在听音不清的问题。墙面装饰材料为美岩板与岩板，顶棚为深灰色混凝土抹灰，地面为水磨石，桌椅为铁质构架与硬质木面板组合，均为吸声系数较低的建筑材料。根据现场实测结果可知500～1 000 Hz的中频混响时间为2.48 s，无法满足GB/T50356中0.7～1.1 s的要求。
1.2 声学改造
为解决建卒厅内混响时间过长、语言清晰度差等声学问题，同时不破坏原有装修风格，声学改造以不改动其体型、局部替换声学材料为设计原则，新布置的声学材料应尽量与原材料的颜色、质感相似，并尽可能控制改动范围。具体改造方案包括在改造区域墙面的原美岩板上实贴25 mm厚玻纤吸音声板（玻璃纤维吸声板），并用金属龙骨压边，后墙与侧墙的改造面积分别为8.3、47.4 m2；
在每个井字梁内，用金属龙骨悬吊12块50 mm厚的垂片式玻纤吸声板，墙面吸声材料及吊顶吸声结构的构造大样如图1所示，图中单位为mm。所有的吸声材料表面为浅灰色布艺饰面。声学改造施工分为改造后墙、侧墙、前半部分吊顶、后半部分吊顶4个步骤。
图1 声学改造中吸声材料、结构的构造大样图Fig.1 Details of sound absorbing materials and structures in acoustic refurbishment
1.3 实测步骤
建卒厅声学改造的5个阶段如表2所示。针对声学改造施工的原始状态、安装后墙、侧墙、前半部分吊顶、后半部分吊顶吸声材料的5个阶段(下文称为阶段1～5)，采用丹麦B＆K多通道数据采集系统和Omni4292-L无指向声源分别进行声环境实测，如图2～3所示。测试时报告厅室内温度为13℃～16℃，相对湿度为60%～66%。测试过程中，将无指向声源放置于讲台中心，声源距地面高度为1.5 m；
在座椅区对称的一侧布置8个接收点，接收点距地面高度1.5 m，且与最近墙面保持1.2 m以上的距离。测试了混响时间(Reverberation time,RT)、声压级(Sound pressure level,SPL)、语言传输指数(Speech transmission index,STI)等声学指标。
图2 实测时的声源、接收点位置Fig.2 Locations of source and receivers
表2 建卒厅声学改造的5个测试阶段Table 2 Five test stages of Jianzu Hall
图3 建卒厅现场测试Fig.3 Field tests in Jianzu Hall
1.4 计算机仿真模拟
声学软件CATT Acoustics 9.1是基于虚声源法和声线追踪法结合的声学模拟软件，用于检查和发现厅堂的声学缺陷，预测建筑声学参数。本研究应用CATT对建卒厅5个阶段的RT、SPL、STI进行模拟并与实测值进行对比(声学模型如图4所示)，并进一步分析吸声材料的布置方式对报告厅内声场的影响。
图4 CATT Acoustic软件建立的建卒厅声学模型Fig.4 Acoustic model of Jianzu Hall established by CATT Acoustic software
2.1 混响时间
声学改造5个阶段的混响时间对比如图5所示。建卒厅阶段1～5的中频混响时间分别是2.48、2.29、1.68、0.98、0.69 s。各改造阶段吸声材料的使用面积、吸声系数如表3所示，改造后的混响时间处于标准建议范围内[3]。
图5 声学改造5个阶段的混响时间对比Fig.5 Comparison of reverberation times in five stages of acoustic refurbishment
表3 不同改造区域吸声材料的使用面积及吸声系数Table 3 Utilization areas and sound absorption coefficients in four different refurbishment regions
为进一步比较相同吸声材料布置在不同部位时混响时间的差异，在建卒厅内进行混响时间的模拟。通过对比5个阶段混响时间的CATT模拟值与实测值(如图6所示)，各阶段的模拟与实测的差值均在10%以内，可验证CATT模拟准确度较高。再分别进行墙面组、吊顶组的模拟，墙面组是先后将相同面积的吸声材料实贴在侧墙、后墙；
吊顶组是先后将相同面积垂片式空间吸声体悬吊在前半吊顶、后半吊顶，两组实验分别的总吸声面积及吸声量均保持不变，模拟结果如表4所示。其中下降百分比是本阶段和改造前混响时间差值与改造前混响时间的比值。结果表明，吸声材料布置在后墙的混响时间下降百分比略低于侧墙，布置在后半部分吊顶的混响时间下降百分比低于前半部分吊顶，差异显著。建卒厅中，同种吸声材料与声源的距离越远，混响时间下降百分比越低，吸声材料布置在后半部分吊顶的混响时间下降百分比比前半部分吊顶低13.8%。
图6 各阶段的混响时间(实测与模拟)Fig.6 The measured and simulated reverberation times in each refurbishment stage
表4 吸声材料布置在墙面、吊顶不同区域的混响时间模拟结果Table 4 Simulation results of reverberation time when sound absorbing materials are arranged in different areas of wall and ceiling
分析吸声材料的布置对吸声性能的影响，由于报告厅的声场存在一定程度的不均匀性，同种吸声材料布置在不同位置具有不同的吸声效果，吸声材料周边的声场亦受到吸声材料的影响。另一方面，受实际操作情况的限制，墙面吸声材料构造形式均为实贴，未留有空腔，这导致最后混响时间频率特性呈现低频偏高、中高频平直的特点，还需平衡各频段的吸声，可适当采用分层吸声结构[12]。未来报告厅的声学设计中，可参考本案例的实验结果，充分考虑到报告厅原本的体型与吸声量，尤其在预算有限的情况下，应对原始声场特征进行深入分析，将声学材料布置在吸声效率相对更高的界面。
2.2 声压级
图7为5个阶段的声压级对比，阶段2～5分别降低了 0.3 dB(A)、0.8 dB(A)、2.8 dB(A)、2.0 dB(A)，共降低5.8 dB(A)，且声压级衰减多集中在中高频，低频衰减不显著，与混响时间的整体变化趋势相似。图8为8个接收点在各阶段的实测与模拟声压级衰减量(声压级衰减量为本阶段与上阶段的声压级差值)。实测与模拟衰减量的平均差值为0.4±0.1 dB(A)，模拟准确度较高。在本案例中，安装吸声材料后各测点声压级衰减量的最大差值为3.2dB(A)，这会对声场不均匀度产生较大影响。
图7 声学改造5个阶段的声压级对比Fig7 Comparison of sound pressure levels in five stages of acoustic refurbishment
图8 各改造阶段8个接收点的声压级(实测与模拟)Fig.8 The measured and simulated sound pressure levels at 8 receiving points in each refurbishment stage
进一步分析吸声材料的布置位置对声场不均匀度的影响，对于室内声场，某个接收点的声压级大小是由直达声与反射声共同作用，而吸声材料的安装位置会对不同接收点的混响声能造成影响。如图8所示，在阶段4(安装前半部分吊顶)，R3与R5的声压级降低较多，这两个测点都处于前半部分吊顶的区域内，安装的吊顶会吸收部分原本的混响声能；
在声学改造的四个阶段，R1点的衰减始终不明显，这是由于R1最接近测试声源，其声压级大小主要是由直达声决定。因此，在报告厅的声学改造过程中，应当考虑吸声材料的安装对观众区各位置声压级的影响，可通过计算混响半径确定混响声能主导的区域，并结合尺度适宜的声学材料布置[13]，以合理控制报告厅的声场不均匀度。
2.3 语言传输指数
图9为阶段1(原始状态)与阶段4、5(安装前、后两部分吊顶)的STI实测与模拟结果，可以看出在吊顶区域安装声学材料后，STI的改善显著，增加了0.3。在原始状态下，离侧墙较近的接收点，STI一般高于其他离墙较远的接收点。在STI仿真模拟中，仿真声源与实测声源的等效性是影响模拟准确性的重要因素[14]，本次实验中实测与模拟的平均差值为0.06，可见CATT对该类报告厅STI的模拟有效性较高。
图9 声学改造不同阶段的STI值对比Fig.9 Comparison of STIs in different stages of acoustic refurbishment
报告厅这类空间的语言清晰度，主要受信噪比、混响时间、声压级这3个因素影响，当信噪比大于15 dB时，信噪比对于语言传输指数STI的影响就变得很小，混响时间则是更显著的影响因素[15]。在建卒厅内，混响时间是语言清晰度的主要影响因素。安装前后两部分吊顶后，混响时间分别降低了0.70 s、0.29 s，STI分别提高了0.18、0.11。由于各点接收的声压级大小不同，同一阶段不同测点STI值也存在差异，最大差异(R2与R6)可达到0.17(阶段5)。而争取早期反射声是提高接收点声压级的重要措施，因此，在考虑吸声材料布置位置时，应当考虑早期反射声的分布，充分利用早期反射声能，以提高语言清晰度。
本文通过对重庆大学建卒厅改造5个阶段的声场进行测试、模拟，分析和总结了报告厅声场特征与大厅典型声学参数。在本案例中，改造后中频混响时间降低了1.79 s，模拟结果表明，相同吸声材料安装在不同界面会有不同的吸声性能，安装在吊顶不同区域中频混响时间下降百分比相差13.8%；
吸声材料的布置会影响报告厅内部的声场不均匀度，不同测点的最大声压级衰减差异达3.2 dBA；
为改善报告厅内的语言清晰度，需要综合考虑混响时间与早期反射声，改造后的语言传输指数提高了0.3。未来报告厅声学设计可参考本案例的研究结果，充分考虑原有体型与吸声量，优化吸声材料的位置，以得到更适宜的吸声性能，合理控制声场不均匀度。
