聲學設計的質量保障

1保證超聲設計質量的保障措施大型宮殿是文化建筑的重要組成部分。進入21世紀后，特別是近年來，劇院、廣州海珠區廳、東方音樂中心、東莞玉蘭大劇院等大型宮殿建筑在中國各地都取得了演出，促進了中國文藝業的發展和精神文明水平的提高。筆者所提到的大型觀演建筑是指可以進行大型音樂文藝演出,并有觀眾在現場欣賞的建筑,包括歌劇院、音樂廳、話劇院和多功能劇場等。在這些建筑中,看和聽是其最重要的兩個功能,如果不能滿足這兩個功能的要求,則整個建筑失敗。而聲學設計的目的就是在這些建筑中建立良好的聽聞條件,保障“聽”的功能,因此具有至關重要的作用,而如何提高和保障大型觀演建筑的聲學設計質量,是一個值得研究和探討的問題。聲學設計質量的保障措施主要體現在以下3個方面。(1)聲學設計正確性的保障觀演建筑的聲學設計是否正確,主要是看建筑完成后各項聲學參量是否能夠達到合理的設計指標。影響廳堂音質的聲學參量有很多,如混響時間、反射聲分布、強度因子G、明晰度指標(ClarityIndex)C80,側向聲能百分比LF、聲場分布等,但到目前為止,可以通過簡單公式計算的聲學參量,只有混響時間,而其他聲學參量則很難在設計階段通過一般的計算得出。而如果在工程完工后通過測量發現這些聲學參量不滿足聲學設計的要求,則為時已晚。因此,能夠在觀演建筑建成之前的設計階段對這些聲學指標有具體的了解,是保障聲學設計正確性的重要措施。(2)聲學設計合理性的保障在一個觀演建筑中,聲學設計是整個建筑設計中的一個有機組成部分,必須服從建筑整體的要求與風格。如果聲學設計給建筑中的其他專業造成很大的不利影響和困難,則說明聲學設計不具備合理性,很難在工程中實施。聲學設計只有和其他專業有機的融合,才具有合理性。所以能夠在設計過程中與各專業設計人員互相配合,讓聲學設計和諧地融入整個建筑設計之中,是保證聲學設計合理性的重要措施。(3)聲學設計實施性的保障與建筑中其他設計專業不同,聲學設計并不能簡單地通過圖紙來體現全部的設計內容,而許多聲學設計的內容是通過建筑中其他專業的圖紙和成果體現出來的,所以,聲學設計人員就必須向各專業設計人員提出聲學設計的要求和成果,以便能夠使其他專業的設計人員理解聲學設計的意圖并體現在其設計圖紙中,從而使聲學設計思想得以實施。在大型觀演建筑中,聲學設計貫串于整個設計之中,而在不同的設計階段,聲學設計有不同的內容和重點。因此,能夠在設計中的各階段向不同的專業提出合理的聲學設計要求和成果,是保證聲學設計實施性的重要措施。通過筆者對實際工程聲學設計中積累的經驗和教訓,并通過工程實例,從上述三個方面對如何保證和提高大型觀演建筑聲學設計質量的問題進行了探討。2從主客觀參量的測量看聲學設計是否正確,主要是看廳堂建成之后各種聲學參量是否能夠達到聲學設計的指標,但自從賽賓提出著名的混響公式后,建筑聲學,尤其是室內音質設計在很長的一段時間內在理論上都處于相對停滯的狀態,聲學設計師在對廳堂進行音質設計時主要可以計算和控制的音質指標只有混響時間。在20世紀60年代后,國外許多聲學家對室內音質進行了深入的研究,尤其是客觀參量和主觀感覺之間的關系。發現了一些對廳堂音質主觀感覺有重要作用的客觀音質參量,如反射聲分布、強度因子G、明晰度指標C80,側向聲能百分比LF、初始時延間隙t1、雙耳聽覺互相關系數IACC等。但這些音質參量都是通過測量得到的,而不能通過簡單的數學公式進行計算。如果通過測量得到這些音質參量,則必須等工程竣工后,而此時,即便是音質參量不滿足設計要求,也為時已晚,很難進行改正。因此,如何在設計階段就對這些有所了解,并加以控制,對保證聲學設計正確性有很重要的作用。目前解決這個問題的主要方法是計算機聲學模擬技術和聲學縮尺模型測試技術。2.1我國次使用工程中工程應用的歷史計算機聲學模擬技術始于1965年Schroeder的工作,1968年Krokstad等人首次使用實際工程中的應用,迄今已有40年歷史。自1968年Krokstad等發表有關室內聲場計算機模擬的著名論文以來,室內音質的計算機模擬技術一直是建筑聲學領域的研究熱點。近20年來一些商品化模擬軟件紛紛推出,其使用功能不斷進步,給設計者帶來極大方便,也提高了音質設計水平。2.1.1合成噪聲反射序列室內聲場模擬技術是以幾何聲學為基礎,聲波的傳播和能量的衰減過程用聲源發出的大量聲線或聲源對反射界面所成的各次聲像來描述,由此而產生了兩種經典的模擬方法:聲線法和聲像法。聲線法是假定從一個聲源輻射出的能量成為許多離散的聲線,每根聲線的能量為聲源的總能量除以聲線的根數,聲線都是以聲速傳播,當遇到墻面、天花和地板等界面時按鏡像反射原理反射。聲線的聲能一方面隨距離按反平方定律衰減,另一方面在遇到界面反射時根據界面的吸聲系數衰減。聲線法在模擬室內總體聲學效果方面更具優勢。聲像法基于鏡像反射的原理,即某一反射面的鏡像反射路徑可由該反射面的鏡像聲源和接收點的位置確定。對于一個矩形房間可很直觀地確定任何反射階次的所有鏡像聲源。接收點的聲能量為各鏡像聲源產生的聲能量之和,各個鏡像聲源與接收點的距離決定了反射聲到達接收點的時間延遲,這樣通過接收點與聲像空間中的各鏡像聲源位置即可得到反射聲序列。聲像法在計算時必須先確定好聲源點和接收點,其模擬對象是聲場中的一個點,所以在模擬聲場中具體位置的詳細聲學特性方面更具優勢。2.1.2本中國學習了兩種不同的學習類型的混響模式從機械分析計算機模擬技術使用的方法是首先根據圖紙在計算機中建立廳堂的三維立體模型,并賦予模型中的每個界面一定的聲學特性,然后根據具體情況設置一些計算參量,如反射次數、聲線根數、反射時間等,最后由計算機聲學模擬軟件進行模擬計算,并得出相應的模擬結果。一般計算機模擬軟件都可以模擬大部分音質參量。以由比利時LMS公司的Raynoise聲學模擬軟件為例,模擬的音質參量根據形式和用途的不同分成5組:(1)聲壓(Pressure)組:本組包括的聲學參量有聲壓和線性聲壓級SPL(dBLin);(2)聲壓級(SPL)組:本組包括的聲學參量聲壓級(SPL)、噪聲評價標準(NC)、噪聲評價等級(NR)、直達聲能量(Directenergy)和總聲能與直達聲能比(Total-to-Directenergy);(3)語言(Speech)組:本組的各項指標主要用來評價以語言為主的廳堂的音質,包括語言傳輸指數(STI)、清晰度(Definition)、用于語言的回聲評價標準(EC)、早期反射聲比(ERR);(4)音樂(Music)組:本組的各項指標主要用來評價以音樂為主的廳堂的音質,包括明晰度(Clarity)、側向因子(LE)、中心重力時間(TCG)和用于音樂的回聲評價標準(EC);(5)混響(Reverberation)組:Raynoise軟件可以計算兩種混響時間:一種是總體混響時間,用Eyring,Sabin等混響公式算出,它代表廳堂本身的性質,不依位置的變化而改變;另一種是Schroeder混響時間,它是根據反射聲用Schroeder積分公式計算得出的,隨著場點的不同而變化,本組的各項混響指標均是Schroeder混響時間。Schroeder積分公式為另外,通過計算機模擬,還可以顯示出室內反射聲序列圖譜和路徑,如圖1～2所示。2.1.3模擬方法的局限性計算機模擬技術主要存在如下局限性:(1)由于無論是聲線法還是聲像法,都是基于幾何聲學原理,而實際上聲音的傳播有幾何聲學的特性,尤其是在低頻段,波動聲學的成分更大,這會影響模擬的精度。(2)聲像法和聲線法在發生界面反射時,都根據鏡像反射原理處理。而聲音在遇到界面時,會出現散射的情況,這主要依據界面的特性和聲音的頻率。在大多數模擬軟件中考慮了這個問題,在使用聲線法時入射聲能可以按一定的比例進行散射,主要依據輸入界面擴散系數。但一般實際的材料很少有提供擴散系數,所以所輸入的擴散系數基本上沒有測試依據,可靠性不高,因此也影響了模擬計算的精度。(3)幾乎所有的計算機聲學模擬軟件都只接收由平面搭建的空間模型,而無法對具有弧面的空間模型進行模擬,弧形界面在建立計算機空間模型時只能用平面來逼近,會產生較大的誤差。(4)在搭建計算機模型時,有許多細節很難處理,所以往往需要進行很大程度的簡化,尤其是一些計算機模擬軟件要求模型是封閉的,這就更增加了復雜模型搭建的難度,因此,計算機模型與實際廳堂的差別往往很大,對模擬的精度也有較大影響。根據上述的局限,計算機聲學模擬技術比較適合于在方案階段對體形和界面形式的總體把握。而更精細的模擬工作,如在初步設計和裝修設計階段對界面具體形式,如擴散形式、材料選擇等,則更理想的方法是借助于聲學縮尺模型測量技術。2.2實體力學縮尺模型實驗實體聲學縮尺模型實驗始于1934年德國的F.Spondock所進行的研究,其基本理論形成于20世紀50年代初,而于六七十年代大量應用于實際音質設計工程中。在中國,1957年,在著名聲學家馬大猷先生領導下進行了天津友誼俱樂部禮堂的1/10聲學縮尺模型實驗。從20世紀80年代開始,筆者所在的北京市建筑設計研究院聲學工作室在實體聲學縮尺模型措施方面進行了大量的工作。在1989年,廣東星海音樂廳的聲學設計過程中,先后建造了2個縮尺模型。在20世紀90年代,又進行了科特迪瓦共和國劇場和北京保利劇院的1/10縮尺聲學試驗。在21世紀的最近幾年,完成了國家大劇院音樂廳、廣東東莞玉蘭大劇院大劇場、上海東方藝術中心音樂廳、歌劇院和小劇場、武漢琴臺藝術中心大劇院和深圳保利文化中心大劇院等項目的聲學縮尺模型的制作和測試。2.2.1實際廳面質模型廳堂音質模型,是指在廳堂音質設計階段,為預測所設計的廳堂建成后的音質狀況而制作的三維縮尺模型。模型的內部形狀及內表面材料的吸聲系數與所設計的實際廳堂一一對應,模型內聲傳播介質仍為空氣。模型制作的一個主要參量就是縮尺比,其定義為所設計的實際廳堂線性長度與廳堂模型的線性長度之比,以整數表示。例如,實際廳堂的長度為30m,廳堂模型的長度為3m,則縮尺比為10。廳堂音質模型的內表面各個部分,包括觀眾席的吸聲系數,在所測量的頻率范圍內應盡可能與相對應的實際廳堂內表面各部分及觀眾席的吸聲系數相一致。在廳堂音質模型中,其測試頻率和混響時間應根據模型的縮尺比進行相應的變化。其變化關系為頻率:f′=nf(2)時間:t′=(3)在實際廳堂中一般聲學參數的測試頻率通常為125～4000Hz,所以根據式(2),在縮尺比為n的聲學縮尺模型中的測試頻率應提高n倍,例如,比較常用的1/10縮尺模型,縮尺比為10,所以模型中的測試頻率為1250～4000Hz。如果在實際廳堂的界面上使用了某一種吸聲材料,其吸聲系數在500Hz時為0.8,則在聲學模型中就需要找一種吸聲系數在5000Hz時為0.8的材料來模擬。從原理上講,廳堂音質模型可采用任何達到聲學界面模擬要求的材料制作。模型材料的吸聲系數應該在混響室的縮尺模型中測量。2.2.2吸聲性能的修正在實體聲學縮尺模型中主要可以進行混響時間、聲場分布和脈沖響應等項目的測量,并通過對脈沖響應中發射聲序列數據的分析,計算出重要的聲學指標,如明晰度指標C80和C50,強度因子G等。但為了提高模型中聲學測試數據的可靠性,必須對一些測量數據進行一定的修正。(1)空氣吸收修正對于縮尺比為n的聲學縮尺模型,測試頻率提高了n倍,而空氣的吸收隨著頻率的增高而增加,所以在模型中測試的數據,尤其是混響時間測試數據,應該按式(4)進行空氣吸收的修正其中,T為修正后的廳堂混響時間(s);K為常數項,數值為55.26/c;c為聲速(m/s),c=331.5+0.61t(t:空氣溫度,單位為℃);Tm為模型中測得的混響時間(s);4mm為模型試驗時的溫度濕度條件下,各中心頻率的空氣吸聲系數;4m為設計廳堂在正常溫濕度條件(一般取溫度20℃,相對濕度60%)下的各中心頻率的空氣吸聲系數。(2)材料吸聲系數的修正在制作模型時,很難保障模型制作材料在模型中測試頻率的吸聲性能與實際材料在實際廳堂中測試頻率的吸聲特性在所有的頻帶都相同。所以對模型中測量的混響時間應按式(5)進行修正其中,TR為實際廳堂混響時間;Tm為在模型中實測的混響時間乘縮尺比;αR為實際廳堂平均吸聲系數;αm為在模型中平均吸聲系數。2.2.3模型精度分析實體聲學縮尺模型中模擬數據是通過測量得到的,因此其所得到的數據包括聲學的幾何特性和波動特性。另一方面,在制作模型時,可以對實際廳堂進行比較精細的模擬,其精度遠大于計算機的三維立體模型。圖3和圖4分別為國家大劇院音樂廳的實際廳堂內景(裝修中)和1/10聲學縮尺模型內景,可以看出模型的模擬精度很高。實體聲學縮尺模型主要用于初步設計階段,在這個階段,廳堂的基本形狀和界面的形式已經基本確定,可以為模型的制作提供比較詳細的圖紙,以提高模型制作的精度。通過對模型中的測量數據的分析,近一步對聲學設計的正確性進行驗證,如果出現聲學缺陷,則可以通過在模型中進行局部修改和反復測量,找出問題所在和解決的方法。3建筑設計專業觀演建筑中聲學設計的完成,是與其他設計專業反復協調磨合的過程,聲學設計幾乎要和建筑中的所有設計專業進行配合,如建筑設計專業(體形設計、總平面設計)、結構設計專業(隔聲設計)、設備設計專業(空調通風系統的消聲設計)、裝修設計專業(音質設計)等。因此,如何和各專業進行配合,是十分重要的。3.1裝修方案的確定(1)根據建筑設計方案,對廳堂進行聲學計算和分析,通過計算機聲學模擬計算,對廳堂的音質效果進行預測,并根據預測結果提出改善和解決方案,與建筑專業設計人員共同協商確定既滿足建筑風格要求,又滿足聲學效果要求的最終建筑設計方案。(2)在裝修方案設計開始之前,根據廳堂的聲學設計指標提出對裝修界面的幾何特性和裝修材料聲學特性的基本要求,提供給裝修設計單位,以保證裝修設計方案能基本滿足聲學的要求。(3)裝修方案確定后,與裝修設計人員協商確定既滿足裝修視覺效果,又滿足音質聽覺效果的具體裝修材料、裝修構造、擴散結構、反射構件等,并提供與聲學有關的各種聲學裝修構造的詳細圖紙。(4)提出對座椅的聲學要求,協助建筑專業進行座椅招標工作。3.2獨立噪聲分析(1)進行環境噪聲分析,根據環境噪聲分析結果確定外圍護結構的隔聲量,與建筑和結構設計專業協商確定圍護結構的具體構造。(2)進行各獨立區域噪聲狀況的分析、確定各獨立區域本底噪聲指標,并根據二者提出分隔構件,如墻體、門、窗等的隔聲性能指標。(3)根據分隔構件的隔聲性能指標,與建筑和結構設計專業協商,確定既滿足建筑和結構要求,又滿足隔聲和隔振要求的分隔構件的材料和構造,并給出具體的隔聲和隔振構造圖。3.3消聲設備的編制(1)與建筑設計人員協商確定空調機房等高噪聲設備用房的位置,保證空調通風系統噪聲控制較好的基礎。(2)與空調通風系統專業設計人員協商確定系統風速、送回風比值等基本參數,保證空調通風系統氣流噪聲的控制。(3)提出空調機、通風機及水泵等設備的噪聲指標,配合設備的招標。(4)根據空調通風系統圖和管道圖,確定消聲設備的種類、型號、構造、尺寸及位置,并繪制詳細消聲設備布置圖、消聲設備構造圖,編制消聲設備一覽表。(5)根據空調機組、通風機及水泵等設備的具體尺寸、重量、轉速和安裝方式等,進行設備及管道的隔振設計,并繪制詳細的隔振構造圖。4對辦學設計的要求和成果的應用為了使聲學設計能夠順利地實施,聲學設計人員應該在不同的設計階段提出必要的聲學要求和成果,以便能夠使其他專業的設計人員理解聲學設計的意圖并體現在其設計圖紙中,從而使聲學設計思想得以實施。在大型觀演建筑中,聲學設計貫串于整個設計之中,而在不同的設計階段,聲學設計有不同的內容和重點。4.1本底噪聲指標(1)建筑聲學設計聲學設計大綱、音質指標說明,計算機(初步)聲學模擬報告,方案修改建議書。(2)隔聲隔振設計環境噪聲分析報告、各獨立區域噪聲分析報告、各獨立區域本底噪聲指標分布圖,各分隔構件的隔聲指標分布圖。(3)噪聲控制及空調消聲設計設備機房布置要求說明書、空調通風系統風速要求說明書、通風空調系統送回風比要求說明書。4.2裝修材料導濕自動識別(1)建筑聲學設計計算機聲學模擬報告(修改方案)、裝修界面幾何特性要求說明書、裝修材料聲學特性要求說明書。(2)隔聲隔振設計不同隔聲性能墻體、聲閘、隔聲門、隔聲窗的初步構造圖、不同隔振要求的隔振構造的初步構造圖。(3)噪聲控制及空調消聲設計空調通風系統消聲設備的占位圖、空調通風及其他設備的隔振措施的初步構造圖。4.3隔聲隔振構造設計方案與聲學有關的各種構造的施工圖紙,裝修施工招標文件(聲學部分)。(2)隔聲隔振設計隔聲墻、聲閘、隔聲門、隔聲窗等分隔構件的隔聲構造施工圖。(3)噪聲控制及空調消聲設計空調通風系統消聲設計施工圖、空調通風系統消聲計算書、空調通風及其他設備的隔振設計施工圖。4.4施工階段施工交底、中期測試報告、施工更改洽商。4.5隔聲性能利用測試報告(1)建筑聲學設計廳堂音質指標的竣工測試報告。(2)隔聲隔振設計分隔構件隔聲性能竣工測試報告。(3)噪聲控制及空調消聲設計廳堂通風空調系統噪聲竣工測試報告。5評估區的選擇東莞玉蘭大劇院是一座以自然聲音樂演出為主的多用途劇院,主要為演出歌劇、交響樂、戲曲、話劇、室內樂及小型古典樂等。觀眾廳的體積為15465m3,總內表面積為5521m2,平均自由程為11.8m,觀眾廳容量約為1470座,每座容積為10.5m3/人。在進行本劇院聲學設計時,在方案階段進行了計算機聲學模擬、初步設計階段進行了1/10聲學縮尺模型試驗、在施工中期進行了中期測試,在竣工后進行了調試測試。用一整套規范化的聲學設計步驟和手段保證了聲學設計和施工的質量,使本劇院獲得了較好的聲學效果,經過半年多的演出和使用,演出項目涵蓋了交響樂、芭蕾舞、歌劇、京劇、大型文藝節目等各種不同形式,其音質效果得到了各方好評。5.1池座的擴散性和側向反射聲在進行方案設計時,應用了計算機聲學模擬技術協助建筑設計專業確定了觀眾廳的體形和主要界面形式。該劇院采用了非對稱的體形,凸弧形的墻面和分成三個階梯的樓座欄板具有良好的擴散性,池座后區兩側抬起部分的欄板,為池座中前區提供了有效的側向反射聲。圖5和圖6為計算機聲學模擬結果中明晰度C80和側向反射系數LE的分布圖。5.2設計指標驗證在初步設計階段,進行了1/10實體聲學縮尺模型的測量,對各項聲學設計指標進行了驗證。在模型中對混響時間、脈沖響應、明晰度C80、聲場分布等音質進行了測量,圖7和圖8分別為模型內景和在模型中測量的反射聲序列。5.3葉式可調混響裝置東莞玉蘭大劇院觀眾廳墻面基本采用木制裝修材料,吊頂采用了GRG加強石膏板材料。觀眾廳采用了可調混響的設計,在兩個側墻各設置3組百葉式可調混響裝