穹頂建筑聲聚焦現(xiàn)象及其解決方案
陳盛玉1,2, 郎宇福2, 張學(xué)勇1
（1.) 安徽建筑大學(xué)數(shù)理學(xué)院聲學(xué)研究所，合肥，230601；2. 北京維也納聲學(xué)技術(shù)有限公司，北京，102299）
摘 要：針對(duì)長(zhǎng)春一穹頂建筑聲聚焦缺陷，本文利用聲學(xué)軟件CATT-Acoustics首先進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)模擬研究，分別采用不同降噪系數(shù)的吸聲材料和不同擴(kuò)散面積的擴(kuò)散面對(duì)其聲聚焦現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析，然后給出具體的工程改造措施及施工方案。項(xiàng)目竣工后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得參數(shù)：混響時(shí)間為1.2 s（500 -1000 Hz），語(yǔ)言清晰度D50（1000 Hz）為0.75，語(yǔ)言傳輸指數(shù)是0.79，背景噪聲為41.8 dB。改造后的穹頂建筑室內(nèi)空間語(yǔ)言清晰度良好，無(wú)明顯的聲聚焦、回聲等聲學(xué)缺陷，聲環(huán)境得到了有效改善。論文工作可為各類穹頂式建筑可能存在的聲聚焦現(xiàn)象的解決，提供一定的實(shí)際工程參考。
關(guān)鍵詞：穹頂建筑；聲聚焦；聲學(xué)設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TU201.4; TU-022 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Research on sound focusing of dome building and its renovation measures
CHEN Sheng-yu 1, 2, LANG Yu-fu 2, ZHANG Xue-yong 1(1. Institute of Acoustics, School of Mathematics and Physics, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China;
2. Beijing Vienna Acoustics Technology Co. Ltd., Beijing 102299, China)
Abstract：To solve the problem of sound focusing of the dome building in Changchun, acoustic software CATT-Acoustics is first employed to analyze the indoor acoustics quality. The effect of sound focusing on the indoor acoustic environment is compared using the absorption acoustic materials with different noise reduction coefficients and the acoustic diffusers with different areas, on the upper apex of the dome building, respectively. Detailed engineering renovation measures and programs are then presented. After the completion of the renovation project, the field measurements are as follows. The reverberation time is 1.2 s (500 -1000 Hz), the speech definition D50 (1000 Hz) is 0.75, the speech transmission index is 0.79, and the background noise level is 41.8 dB. The results show that the indoor acoustics quality is effectively improved with good speech intelligibility and without acoustic defects, such as sound focusing, echo. The work can provide some practical engineering references for the solution of the sound focusing which may exist in all kinds of dome-shaped buildings.
Key words：dome building; sound focusing; acoustic design
0 引 言
穹頂又稱圓頂，是一種屋頂建筑形式。其外形一般為球形或多邊形，室內(nèi)頂部則呈半圓形。伊斯蘭教清真寺中的天房,羅馬大角斗場(chǎng)，北京天壇祈年殿，蒙古族民居蒙古包，哈爾濱市的圣索菲亞大教堂等都是典型的穹頂類建筑[1]。穹頂建筑的美學(xué)價(jià)值在于其象征著凝聚、團(tuán)圓和飽滿，古往今來(lái)，一直深受建筑師的青睞。在現(xiàn)代，球形圍合結(jié)構(gòu)或球形圍合空間普遍存在于許多大型的公共空間，如北京野生動(dòng)物園金絲猴館，以及禮堂、多功能廳、會(huì)議廳、展廳和體育館等一般性廳堂建筑設(shè)計(jì)中，為人們提供了豐富多彩的室內(nèi)外視覺(jué)效果。然而，由于其固有的球面體型特征可能會(huì)伴隨聲聚焦現(xiàn)象，從而影響人們的室內(nèi)聽(tīng)聞條件[2,3]。聲聚焦現(xiàn)象是指聲波在傳播過(guò)程中遇到凹曲面時(shí)，凹面會(huì)對(duì)聲波形成集中反射，造成反射聲波的聲能密度比入射聲波的聲能密度要大，這樣會(huì)使反射聲聚集于某個(gè)區(qū)域，聲音在該區(qū)域內(nèi)將被放大，而另一區(qū)域聲音則較小，造成聲場(chǎng)極不均勻的現(xiàn)象。開(kāi)展聲聚焦現(xiàn)象的研究在一定程度上可克服甚至避免建筑設(shè)計(jì)中可能存在的音質(zhì)缺陷，從而完善建筑的功能，提供給人們以視聽(tīng)結(jié)合的美感。當(dāng)建筑還在土建階段，建筑體型尚未確定時(shí)，通常情況下，可以通過(guò)改變體型及其圍合方式來(lái)改變球形結(jié)構(gòu)形成的聲聚焦點(diǎn)的位置。而對(duì)于土建已經(jīng)完成，體型確定的建筑來(lái)說(shuō)，改善聲聚焦缺陷的措施，更多的則是通過(guò)科學(xué)合理選擇和使用建筑聲學(xué)材料或局部改變凹面結(jié)構(gòu)來(lái)改善室內(nèi)聲能密度的均勻性。比如采取吸聲處理、擴(kuò)散處理以及斷開(kāi)聚集表面等措施。
收稿日期：
基金項(xiàng)目：安徽省振興計(jì)劃項(xiàng)目（2015zytz039）
作者簡(jiǎn)介：陳盛玉(1994-), 女, 安徽合肥人, 漢, 本科, 技術(shù)員, 研究方
向?yàn)榻ㄖ晫W(xué)。
通訊作者：張學(xué)勇, Email: xyzhang@ahjzu.edu.cn.
本文利用聲學(xué)軟件CATT-Acoustics，針對(duì)長(zhǎng)春一穹頂建筑展廳室內(nèi)音質(zhì)聲聚焦缺陷，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，給出一種具體的改造措施及施工方案。項(xiàng)目竣工后，現(xiàn)場(chǎng)音質(zhì)測(cè)試結(jié)果表明該方案較好地解決了建筑內(nèi)部聲聚焦現(xiàn)象，有效提升了其內(nèi)部聲環(huán)境質(zhì)量。
1 長(zhǎng)春一穹頂建筑簡(jiǎn)介
1.1工程概況
主要功能是用作新品展示。為了凸顯品牌形象，力求給人們留下深刻印象,建筑初始設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)上著重追求新、奇和特的建筑形象，大量運(yùn)用了凹凸的曲面造型和流線造型,如圖1所示。建筑外表看上去似一個(gè)拋物面形的“大鍋”反扣在地面上，直徑為29.2 m，高度為12 m，平面看上去則為一圓形。此展廳四周墻面采用球形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，輕鋼龍骨扣件連接，表面采用普通吸聲板整體處理。在設(shè)計(jì)之初沒(méi)有綜合考慮聲學(xué)因素，施工完成后，存在聲聚焦、聽(tīng)音不清等嚴(yán)重聲學(xué)缺陷，導(dǎo)致無(wú)法正常投入使用，需要進(jìn)行工程改造。
圖 1 長(zhǎng)春一穹頂建筑外貌
Fig.1 Photograph of the dome building in Changchun
1.2存在主要聲學(xué)問(wèn)題
穹頂建筑展廳存在的聲學(xué)問(wèn)題,主要有:
1) 聲聚焦聲學(xué)缺陷 整體造型是一個(gè)穹頂式建筑，活潑、飽滿、富有曲線感，但是由于穹頂?shù)恼麄€(gè)凹面會(huì)對(duì)聲波形成集中反射，使反射聲聚焦于某個(gè)區(qū)域，造成聲音在該區(qū)域特別強(qiáng)，聲能過(guò)分集中,而其它區(qū)域聲音則特別弱，甚至存在死點(diǎn)，室內(nèi)聲場(chǎng)極度不均勻。
2) 語(yǔ)言清晰度較差 早期聲能比D50（1000 Hz）為0.38，語(yǔ)言傳輸指數(shù)（STI）是0.48，背景噪聲為45.1 dB （SPL，dB（A））。聽(tīng)音要求不達(dá)標(biāo)，在展廳內(nèi)部舉辦活動(dòng)時(shí)，近距離語(yǔ)言交流就需要提高音量才能聽(tīng)清楚，增大了空間內(nèi)部整體環(huán)境的嘈雜性，進(jìn)而進(jìn)一步導(dǎo)致展廳內(nèi)部的背景噪聲偏大。
3) 混響時(shí)間較長(zhǎng) 混響時(shí)間改造前實(shí)地測(cè)量
基金項(xiàng)目：安徽省振興計(jì)劃項(xiàng)目（2015zytz039）
作者簡(jiǎn)介：陳盛玉(1994-), 女, 安徽合肥人, 漢, 本科, 技術(shù)員, 研究方
向?yàn)榻ㄖ晫W(xué)。
通訊作者：張學(xué)勇, Email: xyzhang@ahjzu.edu.cn.
本文利用聲學(xué)軟件CATT-Acoustics，針對(duì)長(zhǎng)春一穹頂建筑展廳室內(nèi)音質(zhì)聲聚焦缺陷，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，給出一種具體的改造措施及施工方案。項(xiàng)目竣工后，現(xiàn)場(chǎng)音質(zhì)測(cè)試結(jié)果表明該方案較好地解決了建筑內(nèi)部聲聚焦現(xiàn)象，有效提升了其內(nèi)部聲環(huán)境質(zhì)量。
1 長(zhǎng)春一穹頂建筑簡(jiǎn)介
1.1工程概況
主要功能是用作新品展示。為了凸顯品牌形象，力求給人們留下深刻印象,建筑初始設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)上著重追求新、奇和特的建筑形象，大量運(yùn)用了凹凸的曲面造型和流線造型,如圖1所示。建筑外表看上去似一個(gè)拋物面形的“大鍋”反扣在地面上，直徑為29.2 m，高度為12 m，平面看上去則為一圓形。此展廳四周墻面采用球形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，輕鋼龍骨扣件連接，表面采用普通吸聲板整體處理。在設(shè)計(jì)之初沒(méi)有綜合考慮聲學(xué)因素，施工完成后，存在聲聚焦、聽(tīng)音不清等嚴(yán)重聲學(xué)缺陷，導(dǎo)致無(wú)法正常投入使用，需要進(jìn)行工程改造。
圖 1 長(zhǎng)春一穹頂建筑外貌
Fig.1 Photograph of the dome building in Changchun
1.2存在主要聲學(xué)問(wèn)題
穹頂建筑展廳存在的聲學(xué)問(wèn)題,主要有:
1) 聲聚焦聲學(xué)缺陷 整體造型是一個(gè)穹頂式建筑，活潑、飽滿、富有曲線感，但是由于穹頂?shù)恼麄€(gè)凹面會(huì)對(duì)聲波形成集中反射，使反射聲聚焦于某個(gè)區(qū)域，造成聲音在該區(qū)域特別強(qiáng)，聲能過(guò)分集中,而其它區(qū)域聲音則特別弱，甚至存在死點(diǎn)，室內(nèi)聲場(chǎng)極度不均勻。
2) 語(yǔ)言清晰度較差 早期聲能比D50（1000 Hz）為0.38，語(yǔ)言傳輸指數(shù)（STI）是0.48，背景噪聲為45.1 dB （SPL，dB（A））。聽(tīng)音要求不達(dá)標(biāo)，在展廳內(nèi)部舉辦活動(dòng)時(shí)，近距離語(yǔ)言交流就需要提高音量才能聽(tīng)清楚，增大了空間內(nèi)部整體環(huán)境的嘈雜性，進(jìn)而進(jìn)一步導(dǎo)致展廳內(nèi)部的背景噪聲偏大。
3) 混響時(shí)間較長(zhǎng) 混響時(shí)間改造前實(shí)地測(cè)量
2 工程改造設(shè)計(jì)依據(jù)及目標(biāo)
2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)[4-8]
《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096-2008）、《室內(nèi)混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范》（GB/T50076-2013）、《建筑隔聲與吸聲構(gòu)造》（08J931）、《劇場(chǎng)、電影院和多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50356-2005）和《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50118-2010）。
2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)
1）改善聲聚焦缺陷； 2）展廳內(nèi)部具有良好的語(yǔ)言清晰度，滿足聽(tīng)聞要求；3）降低室內(nèi)背景噪聲；4）通過(guò)聲學(xué)設(shè)計(jì)改造措施滿足室內(nèi)裝飾要求。
3 計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)
3.1模型構(gòu)建
依據(jù)施工圖紙，CATT-Acoustics構(gòu)建的穹頂建筑展廳三維聲場(chǎng)計(jì)算模型圖，如圖2所示。
圖 2 3D計(jì)算模型圖
Fig.2 3D computational models
圖3給出的是穹頂建筑展廳平面和剖面的聲線分析圖。從圖3中可以直觀的看到該建筑存在明顯的聲聚焦現(xiàn)象。
圖 3 長(zhǎng)春一穹頂建筑室內(nèi)聲線分析圖
Fig.1 Schematic of the ray-tracing for sound focusing in the dome
building in Changchun
考慮展廳在進(jìn)行展覽時(shí)，存在的聲源點(diǎn)較多，因而形成的聚焦點(diǎn)區(qū)域也比較廣。圖4給出的是聲源頻率為500 Hz，采用四個(gè)不同聲源點(diǎn)位置仿真，所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)聚焦點(diǎn)模擬結(jié)果。
圖 4 不同聲源點(diǎn)時(shí)的聚焦點(diǎn)
Fig. 4 Sound focusing corresponding to the four different sound source
positions
從圖4可知，選擇不同聲源點(diǎn)時(shí)，所對(duì)應(yīng)形成的聚焦點(diǎn)都是相對(duì)于其中一條直徑對(duì)稱。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文選擇其中的一點(diǎn)進(jìn)行模擬。
3.2三維聲場(chǎng)模擬分析
3.2.1頂部采用不同降噪系數(shù)材料對(duì)室內(nèi)聲聚焦的影響
定量選取的地面和門的吸聲系數(shù)列于表1中。
圖5給出的是頂部未使用吸聲材料處理以及分別采用降噪系數(shù)NRC為0.50、0.70和0.90吸聲材料處理后，頻率為500 Hz時(shí)的典型聲壓級(jí)圖。
表1. 地面、門及穹頂壁面吸聲系數(shù)
Table. 1 Sound absorption coefficients of floor, door and wall under different frequency levels
從圖5中我們可以看出，材料降噪系數(shù)NRC為0.50時(shí)存在較明顯的聲聚焦現(xiàn)象。當(dāng)材料降噪系數(shù)NRC增加到0.70時(shí)，聲聚焦程度稍微減弱，但依然存在。而采用降噪系數(shù)NRC為0.90時(shí)，聲聚焦現(xiàn)象得到有效改善。
圖 5 頻率為500 Hz時(shí)采用不同降噪系數(shù)材料后的聲壓級(jí)圖
Fig. 5 Sound pressure levels corresponding to materials with different
noise reduction coefficients at a frequency of 500 Hz
3.2.2頂部采用不同面積擴(kuò)散體對(duì)室內(nèi)聲聚焦的影響
地面、門以及穹頂壁面的定量聲學(xué)特性參數(shù)選取如表1所示。為直觀觀察不同面積擴(kuò)散體對(duì)聲聚焦的影響，這里設(shè)定頂部擴(kuò)散體材料降噪系數(shù)NRC為0.65，穹頂壁面降噪系數(shù)NRC為0.50。
圖6給出的頂部擴(kuò)散區(qū)域面積直徑分別為8 m、10 m和12 m，頻率為500 Hz時(shí)的典型聲壓級(jí)圖。
圖 6 頻率為500 Hz時(shí)采用不同擴(kuò)散面積處理后的聲壓級(jí)圖
Fig. 6 Sound pressure levels corresponding to materials with
different acoustic diffuser areas at a frequency of 500 Hz
從圖6中我們可以看出，頂部擴(kuò)散區(qū)域面積直徑為8 m時(shí)存在較嚴(yán)重的聲聚焦現(xiàn)象。當(dāng)擴(kuò)散區(qū)域直徑為10 m和12 m時(shí)，聲聚焦現(xiàn)象得到改善，但是仍有微弱的聚焦?？紤]到成本造價(jià)，最后設(shè)計(jì)擴(kuò)散區(qū)域直徑為10 m。
4 工程改造方案及具體措施
4.1設(shè)計(jì)方案
穹頂建筑展廳原有裝飾表面采用的是吸聲性能較強(qiáng), 降噪系數(shù)NRC為0.70的無(wú)縫吸聲材料，這樣除了體型的特殊性，約有30%的聲能又會(huì)通過(guò)精度較高的內(nèi)圓弧反射到地面的中央?yún)^(qū)域形成聲聚焦。根據(jù)三維聲場(chǎng)模擬結(jié)果分析,提出的方案如下:
1） 使用降噪系數(shù)NRC為0.90的AGG無(wú)縫強(qiáng)吸聲材料替代原裝飾表面材料,提高整體吸聲性能，減少反射聲能，縮短混響時(shí)間。
2） 頂部懸掛兼具吸聲功能的反弧形反射板，進(jìn)行聲波擴(kuò)散。聲能在吸收的同時(shí)，剩余的聲能可有效進(jìn)行擴(kuò)散，改善室內(nèi)聲聚焦現(xiàn)象。根據(jù)上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,我們選擇擴(kuò)散區(qū)域直徑為10 m的反射板,一方面不會(huì)因使用面積太大造成浪費(fèi)，另一方面也不會(huì)由于面積太小而導(dǎo)致反射量不足。反弧形反射板由12 mm厚單層紙面石膏板制作而成，其表面沖壓10 mm*10 mm孔徑方孔，開(kāi)孔率為16%，后空腔內(nèi)填入32 kg/m³，50 mm厚玻璃棉，吸聲系數(shù)NRC為0.65。
3）地面鋪設(shè)地毯。
4.2設(shè)計(jì)方案可行性計(jì)算機(jī)聲學(xué)效果量化評(píng)估
1）在自然聲源的條件下，廳內(nèi)聲場(chǎng)不均勻度應(yīng)≤±4 dB，最大與最小聲壓級(jí)差值≤8 dB，各頻帶(125 - 4000 Hz)模擬結(jié)果顯示室內(nèi)聲場(chǎng)滿足設(shè)計(jì)要求。圖7（a）給出的是500 Hz的典型聲壓級(jí)圖.
圖 7 聲壓級(jí)、語(yǔ)言清晰度、混響時(shí)間和強(qiáng)度指數(shù)圖 (500 Hz)
Fig. 7 Sound pressure level, speech definition, reverberation time and
strength factor at a frequency of 500 Hz
2) 語(yǔ)言清晰度（D50）對(duì)于語(yǔ)言類使用廳堂聽(tīng)音區(qū)音質(zhì)明亮、清晰要求語(yǔ)言清晰度達(dá)到70%以上, 各頻帶(125 - 4000 Hz)模擬結(jié)果顯示D50滿足最佳值范圍。圖7(b) 給出的是500 Hz時(shí)的典型語(yǔ)言清晰度D50圖。
3) 混響時(shí)間 根據(jù)穹頂建筑作為展廳使用的功能要求，混響時(shí)間確定為RT=1.2 s。保證空間內(nèi)活動(dòng)的人員能夠聽(tīng)清楚發(fā)出的全部信息。各頻帶(125 - 4000 Hz)模擬結(jié)果顯示混響時(shí)間（RT）滿足最佳值范圍，滿足混響時(shí)間設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖7(c) 是500 Hz的典型混響時(shí)間（RT）圖。
4) 強(qiáng)度指數(shù)（G） 用于排除聲源聲功率對(duì)空間內(nèi)部響度的影響，最佳值要求大于0 dB。各頻帶模擬結(jié)果顯示強(qiáng)度指數(shù)（G）滿足最佳值范圍。圖7(d) 是500 Hz的典型強(qiáng)度指數(shù)（G）圖。
5) 快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)（RASTI） 用于表示空間內(nèi)部語(yǔ)言使用時(shí)的清晰程度大小，大于0.4時(shí)表示能夠滿足語(yǔ)言類使用，大于0.5時(shí)表示語(yǔ)言清晰度優(yōu)良。模擬結(jié)果顯示RASTI滿足要求。
4.3工程改造后音質(zhì)測(cè)試結(jié)果
改造后穹頂建筑展廳內(nèi)部的中頻混響時(shí)間實(shí)地測(cè)量為1.2 s（500 -1000 Hz）, 早期聲能比D50（1000 Hz）為0.75，語(yǔ)言傳輸指數(shù)（STI）是0.79，背景噪聲41.8 dB。
5 結(jié) 論
本文對(duì)長(zhǎng)春一穹頂建筑展廳室內(nèi)音質(zhì)聲聚焦缺陷,利用CATT-Acoustics聲學(xué)軟件分別進(jìn)行吸聲與擴(kuò)散處理輔助設(shè)計(jì),結(jié)果表明穹頂部采用降噪系數(shù)NRC為0.90的吸聲材料和頂部擴(kuò)散區(qū)域采用直徑為10 m的反射板, 聲聚焦現(xiàn)象可得到有效消除。工程對(duì)展廳裝飾表面(頂部和壁面)具體采用降噪系數(shù)NRC為0.90的AGG無(wú)縫強(qiáng)吸聲材料, 頂部懸掛兼具吸聲功能的反弧形反射板(直徑10 m, 開(kāi)孔率為16%), 計(jì)算機(jī)聲學(xué)效果量化結(jié)果表明自然聲源條件下,其聲場(chǎng)不均勻度(≤±4 dB)、語(yǔ)言清晰度(＞70%)、混響時(shí)間（1.2 s，500 -1000 Hz）、快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)(＞0.5)等指標(biāo)滿足室內(nèi)聲場(chǎng)設(shè)計(jì)要求。工程改造完工后，各項(xiàng)聲學(xué)指標(biāo)符合預(yù)先改造方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)音質(zhì)測(cè)試結(jié)果：混響時(shí)間1.2 s（500 -1000 Hz）, 語(yǔ)言清晰度D50（1000 Hz）為0.75，語(yǔ)言傳輸指數(shù)（STI）是0.79，背景噪聲41.8 dB（SPL，dB（A））。改造后的穹頂建筑展廳室內(nèi)語(yǔ)言清晰度良好,無(wú)明顯的聲聚焦、回聲等聲學(xué)缺陷，達(dá)到了實(shí)用性、美觀性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。
參 考 文 獻(xiàn)
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