謝 輝，周 超，劉 暢

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；3.中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610000)

0 引言

報(bào)告廳不同于劇場類建筑，其造價(jià)較低、能滿足普遍的文化事業(yè)需求。但由于建設(shè)初期欠缺對聲學(xué)設(shè)計(jì)的考慮，許多已建成的報(bào)告廳存在背景噪聲過大、混響過長等聲學(xué)缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高校新建教室、報(bào)告廳進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)的不到5%，而舊教室、報(bào)告廳進(jìn)行聲學(xué)改造的不到2%[1]。《劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》：GB/T 50356中指出，多功能報(bào)告廳的混響時(shí)間應(yīng)控制在0.7～1.1 s范圍內(nèi)，觀眾廳在設(shè)備開啟狀態(tài)下的噪聲限值不超過NR30[2]。報(bào)告廳的聲環(huán)境應(yīng)保證語言清晰，具有合適的混響時(shí)間及其頻率特性，并避免噪聲干擾，具有合適的相對強(qiáng)感和均勻度。目前國內(nèi)許多報(bào)告廳都難以滿足規(guī)范要求與使用者需求，將面臨著聲學(xué)改造。

目前，廳堂音質(zhì)的理論研究和工程實(shí)踐多關(guān)注歌劇院、音樂廳等對音質(zhì)要求較高的觀演空間，許多研究者對這類廳堂的聲學(xué)設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)模擬準(zhǔn)確性等進(jìn)行了探索。徐學(xué)軍等[3]闡述了各類計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬方法的發(fā)展趨勢；樂意等[4]提出了若干優(yōu)化廳堂聲場預(yù)測準(zhǔn)確性的方法。而對于國內(nèi)報(bào)告廳這類應(yīng)用較廣的空間，有研究者結(jié)合工程實(shí)踐，提出了具有適用性的報(bào)告廳聲學(xué)設(shè)計(jì)策略。謝輝等[5]總結(jié)了6種適用于大中型報(bào)告廳聲學(xué)改造的工程技術(shù)措施；Eldakdoky[6]、Alibaba等[7]各自提出了適用于多功能報(bào)告廳聲學(xué)改造的分析、設(shè)計(jì)方法。

國內(nèi)報(bào)告廳常需要采用經(jīng)濟(jì)、有效的方法進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)，因此室內(nèi)吸聲材料的布置對聲場的影響研究尤為重要。Cucharero等[8]通過在混響室與縮尺模型中的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)吸聲材料安裝在房間轉(zhuǎn)角處時(shí)的吸聲效率更低；Sala等[9]認(rèn)為吸聲材料的最佳位置應(yīng)分布在至少兩個(gè)室內(nèi)界面上；Saksela等[10]用最小二乘法優(yōu)化教室內(nèi)吸聲材料的布置方式?？偟膩碚f，針對報(bào)告廳聲學(xué)設(shè)計(jì)的研究，大多集中在設(shè)計(jì)應(yīng)用層面，對于吸聲材料布置的研究更多停留在實(shí)驗(yàn)?zāi)M階段，缺乏在工程實(shí)踐中的實(shí)測，且針對報(bào)告廳內(nèi)的吸聲材料的布置方式對聲場分布特征及大廳典型聲學(xué)參數(shù)影響等問題的研究相對欠缺。

因此，本研究的主要目的是探討吸聲材料的布置方式對報(bào)告廳內(nèi)聲場分布特征及大廳典型聲學(xué)參數(shù)的影響，具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究分析：(1)吸聲材料的布放位置對材料吸聲效率的影響；(2)吸聲材料的布放位置對接收點(diǎn)聲壓級差異的影響；(3)報(bào)告廳語言清晰度的主要影響因素。相關(guān)研究結(jié)果可應(yīng)用于未來的新建、改建報(bào)告廳的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本研究以重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院建卒廳為研究對象。建卒廳建于1991年，2016年由重慶大學(xué)校友捐贈，完成了硬件設(shè)施改造，是學(xué)院舉行各類講座、會議、學(xué)術(shù)交流活動的重要場所。其主體部分長為20 m，寬為16 m，高為6 m，室內(nèi)有效容積為1 100 m3，屬于中型報(bào)告廳[11]。平面形態(tài)為六邊形，座位數(shù)為280座，最多可容納300人。講臺面積為21 m2，臺高為0.3 m。建卒廳聲學(xué)改造前的基本信息如表1所示。

表1 建卒廳聲學(xué)改造前的基本信息Table 1 Basic information of Jianzu Hall before acoustic refurbishment

在建卒廳舉辦學(xué)術(shù)報(bào)告、重要會議的聲學(xué)效果不佳，存在聽音不清的問題。墻面裝飾材料為美巖板與巖板，頂棚為深灰色混凝土抹灰，地面為水磨石，桌椅為鐵質(zhì)構(gòu)架與硬質(zhì)木面板組合，均為吸聲系數(shù)較低的建筑材料。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可知500～1 000 Hz的中頻混響時(shí)間為2.48 s，無法滿足GB/T50356中0.7～1.1 s的要求。

1.2 聲學(xué)改造

為解決建卒廳內(nèi)混響時(shí)間過長、語言清晰度差等聲學(xué)問題，同時(shí)不破壞原有裝修風(fēng)格，聲學(xué)改造以不改動其體型、局部替換聲學(xué)材料為設(shè)計(jì)原則，新布置的聲學(xué)材料應(yīng)盡量與原材料的顏色、質(zhì)感相似，并盡可能控制改動范圍。具體改造方案包括在改造區(qū)域墻面的原美巖板上實(shí)貼25 mm厚玻纖吸音聲板（玻璃纖維吸聲板），并用金屬龍骨壓邊，后墻與側(cè)墻的改造面積分別為8.3、47.4 m2；在每個(gè)井字梁內(nèi)，用金屬龍骨懸吊12塊50 mm厚的垂片式玻纖吸聲板，墻面吸聲材料及吊頂吸聲結(jié)構(gòu)的構(gòu)造大樣如圖1所示，圖中單位為mm。所有的吸聲材料表面為淺灰色布藝飾面。聲學(xué)改造施工分為改造后墻、側(cè)墻、前半部分吊頂、后半部分吊頂4個(gè)步驟。

圖1 聲學(xué)改造中吸聲材料、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造大樣圖Fig.1 Details of sound absorbing materials and structures in acoustic refurbishment

1.3 實(shí)測步驟

建卒廳聲學(xué)改造的5個(gè)階段如表2所示。針對聲學(xué)改造施工的原始狀態(tài)、安裝后墻、側(cè)墻、前半部分吊頂、后半部分吊頂吸聲材料的5個(gè)階段(下文稱為階段1～5)，采用丹麥B＆K多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和Omni4292-L無指向聲源分別進(jìn)行聲環(huán)境實(shí)測，如圖2～3所示。測試時(shí)報(bào)告廳室內(nèi)溫度為13℃～16℃，相對濕度為60%～66%。測試過程中，將無指向聲源放置于講臺中心，聲源距地面高度為1.5 m；在座椅區(qū)對稱的一側(cè)布置8個(gè)接收點(diǎn)，接收點(diǎn)距地面高度1.5 m，且與最近墻面保持1.2 m以上的距離。測試了混響時(shí)間(Reverberation time,RT)、聲壓級(Sound pressure level,SPL)、語言傳輸指數(shù)(Speech transmission index,STI)等聲學(xué)指標(biāo)。

圖2 實(shí)測時(shí)的聲源、接收點(diǎn)位置Fig.2 Locations of source and receivers

表2 建卒廳聲學(xué)改造的5個(gè)測試階段Table 2 Five test stages of Jianzu Hall

圖3 建卒廳現(xiàn)場測試Fig.3 Field tests in Jianzu Hall

1.4 計(jì)算機(jī)仿真模擬

聲學(xué)軟件CATT Acoustics 9.1是基于虛聲源法和聲線追蹤法結(jié)合的聲學(xué)模擬軟件，用于檢查和發(fā)現(xiàn)廳堂的聲學(xué)缺陷，預(yù)測建筑聲學(xué)參數(shù)。本研究應(yīng)用CATT對建卒廳5個(gè)階段的RT、SPL、STI進(jìn)行模擬并與實(shí)測值進(jìn)行對比(聲學(xué)模型如圖4所示)，并進(jìn)一步分析吸聲材料的布置方式對報(bào)告廳內(nèi)聲場的影響。

圖4 CATT Acoustic軟件建立的建卒廳聲學(xué)模型Fig.4 Acoustic model of Jianzu Hall established by CATT Acoustic software

2 結(jié)果與分析

2.1 混響時(shí)間

聲學(xué)改造5個(gè)階段的混響時(shí)間對比如圖5所示。建卒廳階段1～5的中頻混響時(shí)間分別是2.48、2.29、1.68、0.98、0.69 s。各改造階段吸聲材料的使用面積、吸聲系數(shù)如表3所示，改造后的混響時(shí)間處于標(biāo)準(zhǔn)建議范圍內(nèi)[3]。

圖5 聲學(xué)改造5個(gè)階段的混響時(shí)間對比Fig.5 Comparison of reverberation times in five stages of acoustic refurbishment

表3 不同改造區(qū)域吸聲材料的使用面積及吸聲系數(shù)Table 3 Utilization areas and sound absorption coefficients in four different refurbishment regions

為進(jìn)一步比較相同吸聲材料布置在不同部位時(shí)混響時(shí)間的差異，在建卒廳內(nèi)進(jìn)行混響時(shí)間的模擬。通過對比5個(gè)階段混響時(shí)間的CATT模擬值與實(shí)測值(如圖6所示)，各階段的模擬與實(shí)測的差值均在10%以內(nèi)，可驗(yàn)證CATT模擬準(zhǔn)確度較高。再分別進(jìn)行墻面組、吊頂組的模擬，墻面組是先后將相同面積的吸聲材料實(shí)貼在側(cè)墻、后墻；吊頂組是先后將相同面積垂片式空間吸聲體懸吊在前半吊頂、后半吊頂，兩組實(shí)驗(yàn)分別的總吸聲面積及吸聲量均保持不變，模擬結(jié)果如表4所示。其中下降百分比是本階段和改造前混響時(shí)間差值與改造前混響時(shí)間的比值。結(jié)果表明，吸聲材料布置在后墻的混響時(shí)間下降百分比略低于側(cè)墻，布置在后半部分吊頂?shù)幕祉憰r(shí)間下降百分比低于前半部分吊頂，差異顯著。建卒廳中，同種吸聲材料與聲源的距離越遠(yuǎn)，混響時(shí)間下降百分比越低，吸聲材料布置在后半部分吊頂?shù)幕祉憰r(shí)間下降百分比比前半部分吊頂?shù)?3.8%。

圖6 各階段的混響時(shí)間(實(shí)測與模擬)Fig.6 The measured and simulated reverberation times in each refurbishment stage

表4 吸聲材料布置在墻面、吊頂不同區(qū)域的混響時(shí)間模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of reverberation time when sound absorbing materials are arranged in different areas of wall and ceiling

分析吸聲材料的布置對吸聲性能的影響，由于報(bào)告廳的聲場存在一定程度的不均勻性，同種吸聲材料布置在不同位置具有不同的吸聲效果，吸聲材料周邊的聲場亦受到吸聲材料的影響。另一方面，受實(shí)際操作情況的限制，墻面吸聲材料構(gòu)造形式均為實(shí)貼，未留有空腔，這導(dǎo)致最后混響時(shí)間頻率特性呈現(xiàn)低頻偏高、中高頻平直的特點(diǎn)，還需平衡各頻段的吸聲，可適當(dāng)采用分層吸聲結(jié)構(gòu)[12]。未來報(bào)告廳的聲學(xué)設(shè)計(jì)中，可參考本案例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分考慮到報(bào)告廳原本的體型與吸聲量，尤其在預(yù)算有限的情況下，應(yīng)對原始聲場特征進(jìn)行深入分析，將聲學(xué)材料布置在吸聲效率相對更高的界面。

2.2 聲壓級

圖7為5個(gè)階段的聲壓級對比，階段2～5分別降低了 0.3 dB(A)、0.8 dB(A)、2.8 dB(A)、2.0 dB(A)，共降低5.8 dB(A)，且聲壓級衰減多集中在中高頻，低頻衰減不顯著，與混響時(shí)間的整體變化趨勢相似。圖8為8個(gè)接收點(diǎn)在各階段的實(shí)測與模擬聲壓級衰減量(聲壓級衰減量為本階段與上階段的聲壓級差值)。實(shí)測與模擬衰減量的平均差值為0.4±0.1 dB(A)，模擬準(zhǔn)確度較高。在本案例中，安裝吸聲材料后各測點(diǎn)聲壓級衰減量的最大差值為3.2dB(A)，這會對聲場不均勻度產(chǎn)生較大影響。

圖7 聲學(xué)改造5個(gè)階段的聲壓級對比Fig7 Comparison of sound pressure levels in five stages of acoustic refurbishment

圖8 各改造階段8個(gè)接收點(diǎn)的聲壓級(實(shí)測與模擬)Fig.8 The measured and simulated sound pressure levels at 8 receiving points in each refurbishment stage

進(jìn)一步分析吸聲材料的布置位置對聲場不均勻度的影響，對于室內(nèi)聲場，某個(gè)接收點(diǎn)的聲壓級大小是由直達(dá)聲與反射聲共同作用，而吸聲材料的安裝位置會對不同接收點(diǎn)的混響聲能造成影響。如圖8所示，在階段4(安裝前半部分吊頂)，R3與R5的聲壓級降低較多，這兩個(gè)測點(diǎn)都處于前半部分吊頂?shù)膮^(qū)域內(nèi)，安裝的吊頂會吸收部分原本的混響聲能；在聲學(xué)改造的四個(gè)階段，R1點(diǎn)的衰減始終不明顯，這是由于R1最接近測試聲源，其聲壓級大小主要是由直達(dá)聲決定。因此，在報(bào)告廳的聲學(xué)改造過程中，應(yīng)當(dāng)考慮吸聲材料的安裝對觀眾區(qū)各位置聲壓級的影響，可通過計(jì)算混響半徑確定混響聲能主導(dǎo)的區(qū)域，并結(jié)合尺度適宜的聲學(xué)材料布置[13]，以合理控制報(bào)告廳的聲場不均勻度。

2.3 語言傳輸指數(shù)

圖9為階段1(原始狀態(tài))與階段4、5(安裝前、后兩部分吊頂)的STI實(shí)測與模擬結(jié)果，可以看出在吊頂區(qū)域安裝聲學(xué)材料后，STI的改善顯著，增加了0.3。在原始狀態(tài)下，離側(cè)墻較近的接收點(diǎn)，STI一般高于其他離墻較遠(yuǎn)的接收點(diǎn)。在STI仿真模擬中，仿真聲源與實(shí)測聲源的等效性是影響模擬準(zhǔn)確性的重要因素[14]，本次實(shí)驗(yàn)中實(shí)測與模擬的平均差值為0.06，可見CATT對該類報(bào)告廳STI的模擬有效性較高。

圖9 聲學(xué)改造不同階段的STI值對比Fig.9 Comparison of STIs in different stages of acoustic refurbishment

報(bào)告廳這類空間的語言清晰度，主要受信噪比、混響時(shí)間、聲壓級這3個(gè)因素影響，當(dāng)信噪比大于15 dB時(shí)，信噪比對于語言傳輸指數(shù)STI的影響就變得很小，混響時(shí)間則是更顯著的影響因素[15]。在建卒廳內(nèi)，混響時(shí)間是語言清晰度的主要影響因素。安裝前后兩部分吊頂后，混響時(shí)間分別降低了0.70 s、0.29 s，STI分別提高了0.18、0.11。由于各點(diǎn)接收的聲壓級大小不同，同一階段不同測點(diǎn)STI值也存在差異，最大差異(R2與R6)可達(dá)到0.17(階段5)。而爭取早期反射聲是提高接收點(diǎn)聲壓級的重要措施，因此，在考慮吸聲材料布置位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮早期反射聲的分布，充分利用早期反射聲能，以提高語言清晰度。

3 結(jié)論

本文通過對重慶大學(xué)建卒廳改造5個(gè)階段的聲場進(jìn)行測試、模擬，分析和總結(jié)了報(bào)告廳聲場特征與大廳典型聲學(xué)參數(shù)。在本案例中，改造后中頻混響時(shí)間降低了1.79 s，模擬結(jié)果表明，相同吸聲材料安裝在不同界面會有不同的吸聲性能，安裝在吊頂不同區(qū)域中頻混響時(shí)間下降百分比相差13.8%；吸聲材料的布置會影響報(bào)告廳內(nèi)部的聲場不均勻度，不同測點(diǎn)的最大聲壓級衰減差異達(dá)3.2 dBA；為改善報(bào)告廳內(nèi)的語言清晰度，需要綜合考慮混響時(shí)間與早期反射聲，改造后的語言傳輸指數(shù)提高了0.3。未來報(bào)告廳聲學(xué)設(shè)計(jì)可參考本案例的研究結(jié)果，充分考慮原有體型與吸聲量，優(yōu)化吸聲材料的位置，以得到更適宜的吸聲性能，合理控制聲場不均勻度。