吸聲材料布置對報告廳聲場的影響

謝 輝，周 超，劉 暢

(1.重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045；2.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045；3.中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610000)

0 引言

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

目前，廳堂音質(zhì)的理論研究和工程實踐多關注歌劇院、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設計方法、計算機模擬準確性等進行了探索。徐學軍等[3]闡述了各類計算機聲學模擬方法的發(fā)展趨勢；樂意等[4]提出了若干優(yōu)化廳堂聲場預測準確性的方法。而對于國內(nèi)報告廳這類應用較廣的空間，有研究者結(jié)合工程實踐，提出了具有適用性的報告廳聲學設計策略。謝輝等[5]總結(jié)了6種適用于大中型報告廳聲學改造的工程技術措施；Eldakdoky[6]、Alibaba等[7]各自提出了適用于多功能報告廳聲學改造的分析、設計方法。

國內(nèi)報告廳常需要采用經(jīng)濟、有效的方法進行聲學設計，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驗，發(fā)現(xiàn)吸聲材料安裝在房間轉(zhuǎn)角處時的吸聲效率更低；Sala等[9]認為吸聲材料的最佳位置應分布在至少兩個室內(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，針對報告廳聲學設計的研究，大多集中在設計應用層面，對于吸聲材料布置的研究更多停留在實驗模擬階段，缺乏在工程實踐中的實測，且針對報告廳內(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告廳內(nèi)聲場分布特征及大廳典型聲學參數(shù)的影響，具體從以下幾個方面進行研究分析：(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聲壓級差異的影響；(3)報告廳語言清晰度的主要影響因素。相關研究結(jié)果可應用于未來的新建、改建報告廳的工程設計實踐。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本研究以重慶大學建筑城規(guī)學院建卒廳為研究對象。建卒廳建于1991年，2016年由重慶大學校友捐贈，完成了硬件設施改造，是學院舉行各類講座、會議、學術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。建卒廳聲學改造前的基本信息如表1所示。

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

在建卒廳舉辦學術報告、重要會議的聲學效果不佳，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)場實測結(jié)果可知500～1 000 Hz的中頻混響時間為2.48 s，無法滿足GB/T50356中0.7～1.1 s的要求。

1.2 聲學改造

為解決建卒廳內(nèi)混響時間過長、語言清晰度差等聲學問題，同時不破壞原有裝修風格，聲學改造以不改動其體型、局部替換聲學材料為設計原則，新布置的聲學材料應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個步驟。

圖1 聲學改造中吸聲材料、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 實測步驟

建卒廳聲學改造的5個階段如表2所示。針對聲學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無指向聲源分別進行聲環(huán)境實測，如圖2～3所示。測試時報告廳室內(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個接收點，接收點距地面高度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)等聲學指標。

圖2 實測時的聲源、接收點位置Fig.2 Locations of source and receivers

表2 建卒廳聲學改造的5個測試階段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 計算機仿真模擬

聲學軟件CATT Acoustics 9.1是基于虛聲源法和聲線追蹤法結(jié)合的聲學模擬軟件，用于檢查和發(fā)現(xiàn)廳堂的聲學缺陷，預測建筑聲學參數(shù)。本研究應用CATT對建卒廳5個階段的RT、SPL、STI進行模擬并與實測值進行對比(聲學模型如圖4所示)，并進一步分析吸聲材料的布置方式對報告廳內(nèi)聲場的影響。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 混響時間

聲學改造5個階段的混響時間對比如圖5所示。建卒廳階段1～5的中頻混響時間分別是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，改造后的混響時間處于標準建議范圍內(nèi)[3]。

圖5 聲學改造5個階段的混響時間對比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

為進一步比較相同吸聲材料布置在不同部位時混響時間的差異，在建卒廳內(nèi)進行混響時間的模擬。通過對比5個階段混響時間的CATT模擬值與實測值(如圖6所示)，各階段的模擬與實測的差值均在10%以內(nèi)，可驗證CATT模擬準確度較高。再分別進行墻面組、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，兩組實驗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間差值與改造前混響時間的比值。結(jié)果表明，吸聲材料布置在后墻的混響時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，混響時間下降百分比越低，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 各階段的混響時間(實測與模擬)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，受實際操作情況的限制，墻面吸聲材料構(gòu)造形式均為實貼，未留有空腔，這導致最后混響時間頻率特性呈現(xiàn)低頻偏高、中高頻平直的特點，還需平衡各頻段的吸聲，可適當采用分層吸聲結(jié)構(gòu)[12]。未來報告廳的聲學設計中，可參考本案例的實驗結(jié)果，充分考慮到報告廳原本的體型與吸聲量，尤其在預算有限的情況下，應對原始聲場特征進行深入分析，將聲學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，與混響時間的整體變化趨勢相似。圖8為8個接收點在各階段的實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)。實測與模擬衰減量的平均差值為0.4±0.1 dB(A)，模擬準確度較高。在本案例中，安裝吸聲材料后各測點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 聲學改造5個階段的聲壓級對比Fig7 Comparison of sound pressure levels in five stages of acoustic refurbishment

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

進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，某個接收點的聲壓級大小是由直達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，這兩個測點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；在聲學改造的四個階段，R1點的衰減始終不明顯，這是由于R1最接近測試聲源，其聲壓級大小主要是由直達聲決定。因此，在報告廳的聲學改造過程中，應當考慮吸聲材料的安裝對觀眾區(qū)各位置聲壓級的影響，可通過計算混響半徑確定混響聲能主導的區(qū)域，并結(jié)合尺度適宜的聲學材料布置[13]，以合理控制報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實測與模擬結(jié)果，可以看出在吊頂區(qū)域安裝聲學材料后，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，STI一般高于其他離墻較遠的接收點。在STI仿真模擬中，仿真聲源與實測聲源的等效性是影響模擬準確性的重要因素[14]，本次實驗中實測與模擬的平均差值為0.06，可見CATT對該類報告廳STI的模擬有效性較高。

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

報告廳這類空間的語言清晰度，主要受信噪比、混響時間、聲壓級這3個因素影響，當信噪比大于15 dB時，信噪比對于語言傳輸指數(shù)STI的影響就變得很小，混響時間則是更顯著的影響因素[15]。在建卒廳內(nèi)，混響時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。由于各點接收的聲壓級大小不同，同一階段不同測點STI值也存在差異，最大差異(R2與R6)可達到0.17(階段5)。而爭取早期反射聲是提高接收點聲壓級的重要措施，因此，在考慮吸聲材料布置位置時，應當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建卒廳改造5個階段的聲場進行測試、模擬，分析和總結(jié)了報告廳聲場特征與大廳典型聲學參數(shù)。在本案例中，改造后中頻混響時間降低了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)域中頻混響時間下降百分比相差13.8%；吸聲材料的布置會影響報告廳內(nèi)部的聲場不均勻度，不同測點的最大聲壓級衰減差異達3.2 dBA；為改善報告廳內(nèi)的語言清晰度，需要綜合考慮混響時間與早期反射聲，改造后的語言傳輸指數(shù)提高了0.3。未來報告廳聲學設計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。