声学设计的质量保障

声学设计的质量保障

1保证超声设计质量的保障措施大型宫殿是文化建筑的重要组成部分。进入21世纪后，特别是近年来，剧院、广州海珠区厅、东方音乐中心、东莞玉兰大剧院等大型宫殿建筑在中国各地都取得了演出，促进了中国文艺业的发展和精神文明水平的提高。笔者所提到的大型观演建筑是指可以进行大型音乐文艺演出,并有观众在现场欣赏的建筑,包括歌剧院、音乐厅、话剧院和多功能剧场等。在这些建筑中,看和听是其最重要的两个功能,如果不能满足这两个功能的要求,则整个建筑失败。而声学设计的目的就是在这些建筑中建立良好的听闻条件,保障“听”的功能,因此具有至关重要的作用,而如何提高和保障大型观演建筑的声学设计质量,是一个值得研究和探讨的问题。声学设计质量的保障措施主要体现在以下3个方面。(1)声学设计正确性的保障观演建筑的声学设计是否正确,主要是看建筑完成后各项声学参量是否能够达到合理的设计指标。影响厅堂音质的声学参量有很多,如混响时间、反射声分布、强度因子G、明晰度指标(ClarityIndex)C80,侧向声能百分比LF、声场分布等,但到目前为止,可以通过简单公式计算的声学参量,只有混响时间,而其他声学参量则很难在设计阶段通过一般的计算得出。而如果在工程完工后通过测量发现这些声学参量不满足声学设计的要求,则为时已晚。因此,能够在观演建筑建成之前的设计阶段对这些声学指标有具体的了解,是保障声学设计正确性的重要措施。(2)声学设计合理性的保障在一个观演建筑中,声学设计是整个建筑设计中的一个有机组成部分,必须服从建筑整体的要求与风格。如果声学设计给建筑中的其他专业造成很大的不利影响和困难,则说明声学设计不具备合理性,很难在工程中实施。声学设计只有和其他专业有机的融合,才具有合理性。所以能够在设计过程中与各专业设计人员互相配合,让声学设计和谐地融入整个建筑设计之中,是保证声学设计合理性的重要措施。(3)声学设计实施性的保障与建筑中其他设计专业不同,声学设计并不能简单地通过图纸来体现全部的设计内容,而许多声学设计的内容是通过建筑中其他专业的图纸和成果体现出来的,所以,声学设计人员就必须向各专业设计人员提出声学设计的要求和成果,以便能够使其他专业的设计人员理解声学设计的意图并体现在其设计图纸中,从而使声学设计思想得以实施。在大型观演建筑中,声学设计贯串于整个设计之中,而在不同的设计阶段,声学设计有不同的内容和重点。因此,能够在设计中的各阶段向不同的专业提出合理的声学设计要求和成果,是保证声学设计实施性的重要措施。通过笔者对实际工程声学设计中积累的经验和教训,并通过工程实例,从上述三个方面对如何保证和提高大型观演建筑声学设计质量的问题进行了探讨。2从主客观参量的测量看声学设计是否正确,主要是看厅堂建成之后各种声学参量是否能够达到声学设计的指标,但自从赛宾提出著名的混响公式后,建筑声学,尤其是室内音质设计在很长的一段时间内在理论上都处于相对停滞的状态,声学设计师在对厅堂进行音质设计时主要可以计算和控制的音质指标只有混响时间。在20世纪60年代后,国外许多声学家对室内音质进行了深入的研究,尤其是客观参量和主观感觉之间的关系。发现了一些对厅堂音质主观感觉有重要作用的客观音质参量,如反射声分布、强度因子G、明晰度指标C80,侧向声能百分比LF、初始时延间隙t1、双耳听觉互相关系数IACC等。但这些音质参量都是通过测量得到的,而不能通过简单的数学公式进行计算。如果通过测量得到这些音质参量,则必须等工程竣工后,而此时,即便是音质参量不满足设计要求,也为时已晚,很难进行改正。因此,如何在设计阶段就对这些有所了解,并加以控制,对保证声学设计正确性有很重要的作用。目前解决这个问题的主要方法是计算机声学模拟技术和声学缩尺模型测试技术。2.1我国次使用工程中工程应用的历史计算机声学模拟技术始于1965年Schroeder的工作,1968年Krokstad等人首次使用实际工程中的应用,迄今已有40年历史。自1968年Krokstad等发表有关室内声场计算机模拟的著名论文以来,室内音质的计算机模拟技术一直是建筑声学领域的研究热点。近20年来一些商品化模拟软件纷纷推出,其使用功能不断进步,给设计者带来极大方便,也提高了音质设计水平。2.1.1合成噪声反射序列室内声场模拟技术是以几何声学为基础,声波的传播和能量的衰减过程用声源发出的大量声线或声源对反射界面所成的各次声像来描述,由此而产生了两种经典的模拟方法:声线法和声像法。声线法是假定从一个声源辐射出的能量成为许多离散的声线,每根声线的能量为声源的总能量除以声线的根数,声线都是以声速传播,当遇到墙面、天花和地板等界面时按镜像反射原理反射。声线的声能一方面随距离按反平方定律衰减,另一方面在遇到界面反射时根据界面的吸声系数衰减。声线法在模拟室内总体声学效果方面更具优势。声像法基于镜像反射的原理,即某一反射面的镜像反射路径可由该反射面的镜像声源和接收点的位置确定。对于一个矩形房间可很直观地确定任何反射阶次的所有镜像声源。接收点的声能量为各镜像声源产生的声能量之和,各个镜像声源与接收点的距离决定了反射声到达接收点的时间延迟,这样通过接收点与声像空间中的各镜像声源位置即可得到反射声序列。声像法在计算时必须先确定好声源点和接收点,其模拟对象是声场中的一个点,所以在模拟声场中具体位置的详细声学特性方面更具优势。2.1.2本中国学习了两种不同的学习类型的混响模式从机械分析计算机模拟技术使用的方法是首先根据图纸在计算机中建立厅堂的三维立体模型,并赋予模型中的每个界面一定的声学特性,然后根据具体情况设置一些计算参量,如反射次数、声线根数、反射时间等,最后由计算机声学模拟软件进行模拟计算,并得出相应的模拟结果。一般计算机模拟软件都可以模拟大部分音质参量。以由比利时LMS公司的Raynoise声学模拟软件为例,模拟的音质参量根据形式和用途的不同分成5组:(1)声压(Pressure)组:本组包括的声学参量有声压和线性声压级SPL(dBLin);(2)声压级(SPL)组:本组包括的声学参量声压级(SPL)、噪声评价标准(NC)、噪声评价等级(NR)、直达声能量(Directenergy)和总声能与直达声能比(Total-to-Directenergy);(3)语言(Speech)组:本组的各项指标主要用来评价以语言为主的厅堂的音质,包括语言传输指数(STI)、清晰度(Definition)、用于语言的回声评价标准(EC)、早期反射声比(ERR);(4)音乐(Music)组:本组的各项指标主要用来评价以音乐为主的厅堂的音质,包括明晰度(Clarity)、侧向因子(LE)、中心重力时间(TCG)和用于音乐的回声评价标准(EC);(5)混响(Reverberation)组:Raynoise软件可以计算两种混响时间:一种是总体混响时间,用Eyring,Sabin等混响公式算出,它代表厅堂本身的性质,不依位置的变化而改变;另一种是Schroeder混响时间,它是根据反射声用Schroeder积分公式计算得出的,随着场点的不同而变化,本组的各项混响指标均是Schroeder混响时间。Schroeder积分公式为另外,通过计算机模拟,还可以显示出室内反射声序列图谱和路径,如图1～2所示。2.1.3模拟方法的局限性计算机模拟技术主要存在如下局限性:(1)由于无论是声线法还是声像法,都是基于几何声学原理,而实际上声音的传播有几何声学的特性,尤其是在低频段,波动声学的成分更大,这会影响模拟的精度。(2)声像法和声线法在发生界面反射时,都根据镜像反射原理处理。而声音在遇到界面时,会出现散射的情况,这主要依据界面的特性和声音的频率。在大多数模拟软件中考虑了这个问题,在使用声线法时入射声能可以按一定的比例进行散射,主要依据输入界面扩散系数。但一般实际的材料很少有提供扩散系数,所以所输入的扩散系数基本上没有测试依据,可靠性不高,因此也影响了模拟计算的精度。(3)几乎所有的计算机声学模拟软件都只接收由平面搭建的空间模型,而无法对具有弧面的空间模型进行模拟,弧形界面在建立计算机空间模型时只能用平面来逼近,会产生较大的误差。(4)在搭建计算机模型时,有许多细节很难处理,所以往往需要进行很大程度的简化,尤其是一些计算机模拟软件要求模型是封闭的,这就更增加了复杂模型搭建的难度,因此,计算机模型与实际厅堂的差别往往很大,对模拟的精度也有较大影响。根据上述的局限,计算机声学模拟技术比较适合于在方案阶段对体形和界面形式的总体把握。而更精细的模拟工作,如在初步设计和装修设计阶段对界面具体形式,如扩散形式、材料选择等,则更理想的方法是借助于声学缩尺模型测量技术。2.2实体力学缩尺模型实验实体声学缩尺模型实验始于1934年德国的F.Spondock所进行的研究,其基本理论形成于20世纪50年代初,而于六七十年代大量应用于实际音质设计工程中。在中国,1957年,在著名声学家马大猷先生领导下进行了天津友谊俱乐部礼堂的1/10声学缩尺模型实验。从20世纪80年代开始,笔者所在的北京市建筑设计研究院声学工作室在实体声学缩尺模型措施方面进行了大量的工作。在1989年,广东星海音乐厅的声学设计过程中,先后建造了2个缩尺模型。在20世纪90年代,又进行了科特迪瓦共和国剧场和北京保利剧院的1/10缩尺声学试验。在21世纪的最近几年,完成了国家大剧院音乐厅、广东东莞玉兰大剧院大剧场、上海东方艺术中心音乐厅、歌剧院和小剧场、武汉琴台艺术中心大剧院和深圳保利文化中心大剧院等项目的声学缩尺模型的制作和测试。2.2.1实际厅面质模型厅堂音质模型,是指在厅堂音质设计阶段,为预测所设计的厅堂建成后的音质状况而制作的三维缩尺模型。模型的内部形状及内表面材料的吸声系数与所设计的实际厅堂一一对应,模型内声传播介质仍为空气。模型制作的一个主要参量就是缩尺比,其定义为所设计的实际厅堂线性长度与厅堂模型的线性长度之比,以整数表示。例如,实际厅堂的长度为30m,厅堂模型的长度为3m,则缩尺比为10。厅堂音质模型的内表面各个部分,包括观众席的吸声系数,在所测量的频率范围内应尽可能与相对应的实际厅堂内表面各部分及观众席的吸声系数相一致。在厅堂音质模型中,其测试频率和混响时间应根据模型的缩尺比进行相应的变化。其变化关系为频率:f′=nf(2)时间:t′=(3)在实际厅堂中一般声学参数的测试频率通常为125～4000Hz,所以根据式(2),在缩尺比为n的声学缩尺模型中的测试频率应提高n倍,例如,比较常用的1/10缩尺模型,缩尺比为10,所以模型中的测试频率为1250～4000Hz。如果在实际厅堂的界面上使用了某一种吸声材料,其吸声系数在500Hz时为0.8,则在声学模型中就需要找一种吸声系数在5000Hz时为0.8的材料来模拟。从原理上讲,厅堂音质模型可采用任何达到声学界面模拟要求的材料制作。模型材料的吸声系数应该在混响室的缩尺模型中测量。2.2.2吸声性能的修正在实体声学缩尺模型中主要可以进行混响时间、声场分布和脉冲响应等项目的测量,并通过对脉冲响应中发射声序列数据的分析,计算出重要的声学指标,如明晰度指标C80和C50,强度因子G等。但为了提高模型中声学测试数据的可靠性,必须对一些测量数据进行一定的修正。(1)空气吸收修正对于缩尺比为n的声学缩尺模型,测试频率提高了n倍,而空气的吸收随着频率的增高而增加,所以在模型中测试的数据,尤其是混响时间测试数据,应该按式(4)进行空气吸收的修正其中,T为修正后的厅堂混响时间(s);K为常数项,数值为55.26/c;c为声速(m/s),c=331.5+0.61t(t:空气温度,单位为℃);Tm为模型中测得的混响时间(s);4mm为模型试验时的温度湿度条件下,各中心频率的空气吸声系数;4m为设计厅堂在正常温湿度条件(一般取温度20℃,相对湿度60%)下的各中心频率的空气吸声系数。(2)材料吸声系数的修正在制作模型时,很难保障模型制作材料在模型中测试频率的吸声性能与实际材料在实际厅堂中测试频率的吸声特性在所有的频带都相同。所以对模型中测量的混响时间应按式(5)进行修正其中,TR为实际厅堂混响时间;Tm为在模型中实测的混响时间乘缩尺比;αR为实际厅堂平均吸声系数;αm为在模型中平均吸声系数。2.2.3模型精度分析实体声学缩尺模型中模拟数据是通过测量得到的,因此其所得到的数据包括声学的几何特性和波动特性。另一方面,在制作模型时,可以对实际厅堂进行比较精细的模拟,其精度远大于计算机的三维立体模型。图3和图4分别为国家大剧院音乐厅的实际厅堂内景(装修中)和1/10声学缩尺模型内景,可以看出模型的模拟精度很高。实体声学缩尺模型主要用于初步设计阶段,在这个阶段,厅堂的基本形状和界面的形式已经基本确定,可以为模型的制作提供比较详细的图纸,以提高模型制作的精度。通过对模型中的测量数据的分析,近一步对声学设计的正确性进行验证,如果出现声学缺陷,则可以通过在模型中进行局部修改和反复测量,找出问题所在和解决的方法。3建筑设计专业观演建筑中声学设计的完成,是与其他设计专业反复协调磨合的过程,声学设计几乎要和建筑中的所有设计专业进行配合,如建筑设计专业(体形设计、总平面设计)、结构设计专业(隔声设计)、设备设计专业(空调通风系统的消声设计)、装修设计专业(音质设计)等。因此,如何和各专业进行配合,是十分重要的。3.1装修方案的确定(1)根据建筑设计方案,对厅堂进行声学计算和分析,通过计算机声学模拟计算,对厅堂的音质效果进行预测,并根据预测结果提出改善和解决方案,与建筑专业设计人员共同协商确定既满足建筑风格要求,又满足声学效果要求的最终建筑设计方案。(2)在装修方案设计开始之前,根据厅堂的声学设计指标提出对装修界面的几何特性和装修材料声学特性的基本要求,提供给装修设计单位,以保证装修设计方案能基本满足声学的要求。(3)装修方案确定后,与装修设计人员协商确定既满足装修视觉效果,又满足音质听觉效果的具体装修材料、装修构造、扩散结构、反射构件等,并提供与声学有关的各种声学装修构造的详细图纸。(4)提出对座椅的声学要求,协助建筑专业进行座椅招标工作。3.2独立噪声分析(1)进行环境噪声分析,根据环境噪声分析结果确定外围护结构的隔声量,与建筑和结构设计专业协商确定围护结构的具体构造。(2)进行各独立区域噪声状况的分析、确定各独立区域本底噪声指标,并根据二者提出分隔构件,如墙体、门、窗等的隔声性能指标。(3)根据分隔构件的隔声性能指标,与建筑和结构设计专业协商,确定既满足建筑和结构要求,又满足隔声和隔振要求的分隔构件的材料和构造,并给出具体的隔声和隔振构造图。3.3消声设备的编制(1)与建筑设计人员协商确定空调机房等高噪声设备用房的位置,保证空调通风系统噪声控制较好的基础。(2)与空调通风系统专业设计人员协商确定系统风速、送回风比值等基本参数,保证空调通风系统气流噪声的控制。(3)提出空调机、通风机及水泵等设备的噪声指标,配合设备的招标。(4)根据空调通风系统图和管道图,确定消声设备的种类、型号、构造、尺寸及位置,并绘制详细消声设备布置图、消声设备构造图,编制消声设备一览表。(5)根据空调机组、通风机及水泵等设备的具体尺寸、重量、转速和安装方式等,进行设备及管道的隔振设计,并绘制详细的隔振构造图。4对办学设计的要求和成果的应用为了使声学设计能够顺利地实施,声学设计人员应该在不同的设计阶段提出必要的声学要求和成果,以便能够使其他专业的设计人员理解声学设计的意图并体现在其设计图纸中,从而使声学设计思想得以实施。在大型观演建筑中,声学设计贯串于整个设计之中,而在不同的设计阶段,声学设计有不同的内容和重点。4.1本底噪声指标(1)建筑声学设计声学设计大纲、音质指标说明,计算机(初步)声学模拟报告,方案修改建议书。(2)隔声隔振设计环境噪声分析报告、各独立区域噪声分析报告、各独立区域本底噪声指标分布图,各分隔构件的隔声指标分布图。(3)噪声控制及空调消声设计设备机房布置要求说明书、空调通风系统风速要求说明书、通风空调系统送回风比要求说明书。4.2装修材料导湿自动识别(1)建筑声学设计计算机声学模拟报告(修改方案)、装修界面几何特性要求说明书、装修材料声学特性要求说明书。(2)隔声隔振设计不同隔声性能墙体、声闸、隔声门、隔声窗的初步构造图、不同隔振要求的隔振构造的初步构造图。(3)噪声控制及空调消声设计空调通风系统消声设备的占位图、空调通风及其他设备的隔振措施的初步构造图。4.3隔声隔振构造设计方案与声学有关的各种构造的施工图纸,装修施工招标文件(声学部分)。(2)隔声隔振设计隔声墙、声闸、隔声门、隔声窗等分隔构件的隔声构造施工图。(3)噪声控制及空调消声设计空调通风系统消声设计施工图、空调通风系统消声计算书、空调通风及其他设备的隔振设计施工图。4.4施工阶段施工交底、中期测试报告、施工更改洽商。4.5隔声性能利用测试报告(1)建筑声学设计厅堂音质指标的竣工测试报告。(2)隔声隔振设计分隔构件隔声性能竣工测试报告。(3)噪声控制及空调消声设计厅堂通风空调系统噪声竣工测试报告。5评估区的选择东莞玉兰大剧院是一座以自然声音乐演出为主的多用途剧院,主要为演出歌剧、交响乐、戏曲、话剧、室内乐及小型古典乐等。观众厅的体积为15465m3,总内表面积为5521m2,平均自由程为11.8m,观众厅容量约为1470座,每座容积为10.5m3/人。在进行本剧院声学设计时,在方案阶段进行了计算机声学模拟、初步设计阶段进行了1/10声学缩尺模型试验、在施工中期进行了中期测试,在竣工后进行了调试测试。用一整套规范化的声学设计步骤和手段保证了声学设计和施工的质量,使本剧院获得了较好的声学效果,经过半年多的演出和使用,演出项目涵盖了交响乐、芭蕾舞、歌剧、京剧、大型文艺节目等各种不同形式,其音质效果得到了各方好评。5.1池座的扩散性和侧向反射声在进行方案设计时,应用了计算机声学模拟技术协助建筑设计专业确定了观众厅的体形和主要界面形式。该剧院采用了非对称的体形,凸弧形的墙面和分成三个阶梯的楼座栏板具有良好的扩散性,池座后区两侧抬起部分的栏板,为池座中前区提供了有效的侧向反射声。图5和图6为计算机声学模拟结果中明晰度C80和侧向反射系数LE的分布图。5.2设计指标验证在初步设计阶段,进行了1/10实体声学缩尺模型的测量,对各项声学设计指标进行了验证。在模型中对混响时间、脉冲响应、明晰度C80、声场分布等音质进行了测量,图7和图8分别为模型内景和在模型中测量的反射声序列。5.3叶式可调混响装置东莞玉兰大剧院观众厅墙面基本采用木制装修材料,吊顶采用了GRG加强石膏板材料。观众厅采用了可调混响的设计,在两个侧墙各设置3组百叶式可调混响装