声学因素的处理方法.doc

体育馆声学设计的建筑因素（二）---建筑声学处理曹孝振(中国建筑设计研究院 北京 100044)摘摘 要：要： 体育馆建筑特点是容积大，声学处理面积少，主要是在吊顶因此大容积和吊顶的声学特性是解决馆内音质问题------扩声清晰的关键关键词：关键词： 扩声清晰，低频振动，吊顶声学特性1 声处理声处理体育馆内的建筑设计与建声处理一般为：1.1 顶棚的处理顶棚的处理体育比赛、文娱演出等都在比赛场地上进行，它面积大、地面的声反射性 能强、高度大（至少应为 12.5m）、声反射距离长，在地面与顶棚之间具有多 次反射，产生多重回声，干扰运动员的注意力和容易判断错误文娱演出时， 话筒位于此处，接收了反射声，会产生啸叫，影响演出所以比赛场地上方的 顶棚无论是上凸的、下凹的和水平的，都应有宽频带、强吸声的声学处理馆 内顶棚的处理方式有两种，即有吊顶和无吊顶有吊顶的优点是减少馆内的容 积对控制音质和节能有利，在吊顶内可以布置灯光、管道、检修马道以及扩声 设备等馆内具有整齐、美观的效果缺点是吊顶的造价太大，一万平方米面 积的吊顶相当一个练习馆的代价无吊顶的优点，可以接合保温、隔热在屋面 板处加吸声材料，一材多用，节约投资；灯具、扩声设备等布置灵活自由；也 能达到美观、整齐和新颖的效果。

缺点是增加了 20~30%的容积，上凸式的增加 则非常大，甚至到达惊人的地步体育馆是以扩声扬声器为主要声源，所以自声源反射出来的声能的途径一 部分是到达观众席再反射到顶棚，另一部分到达比赛场地，再反射到顶棚，因此顶棚是馆内声反射必经之地，也是吸声有效之地体育馆的顶棚约占馆内总 表面积的 40%，其吸声量约占空场总吸声量的 70%1.2 墙面处理墙面处理体育馆的墙面面积较少，约占馆内总表面积的 12~16%，并且计分牌又占去 很大一部分，有的墙面上还有玻璃，所以可以布置吸声材料的面积不多，然而 在墙面上布置吸声材料或构件是很重要的，以往布置低频吸收的如穿孔板类较 多文娱演出时，往往以布置在比赛场地内流动的扩声系统为主，射向观众席 的各种声音容易被墙所反射，产生长距离的反射而形成回声和由于具有平行表 面产生的颤动回声，还有沿着墙爬行的现象，后座易受干扰所以墙面上宜布 置宽频带的吸声材料和构件，也可以布置扩散体，改善馆内的音质条件2 建声设计中存在的问题建声设计中存在的问题体育馆的容积大，不仅是由于它的容量多，同时比赛功能也要求大的场地 和足够的高度（一般是不低于 12.5m）。

一般小型体育馆的容积为 2~4 万 m3， 中型的为 5~7 万 m3，大型的大致在 8~10 万 m3甚至更多平均每个观众所占容 积为 5-10m3，特殊体型的甚至可达 20~30m3大多数的游泳馆由于高台跳水的 要求，其高度更高，所以每座所占容积往往大于 20m3容积大产生下列的问题2.1 混响时间长混响时间长通过实践和调研，在扩声清晰的前提下，体育馆的容积虽然相差很大 (几 乎相差八倍)大、中和小型的体育馆的混响时间在 1.6~2.0s（中频），游泳 馆为 2~2.5s，频率比（中频与 125Hz 之比）在 1:1.0~1.3，允许噪声为 NR35~40,达到了这些要求一般都能获得较好的效果，甚至“体积为 30 多万 m3， 混响时间长达 3-3.5s 的特大型体育馆中控制扬声系统的中频指向性因素（10 左右），也能较好地解决扩声清晰问题”[1]所以，体育馆内的音质设计宜采 用多种综合办法来解决，也就是在争取减短馆内混响时间的前题下，合理布置 扬声器系统，控制扬声器系统的指向性特性，获得良好的扩声直达声能与混响 声能之比，达到扩声清晰是扩声设计的有效方法作者简介：曹孝振(1932.5-)，男，籍贯上海，教授级高工，苏联莫斯科电影研究所建筑声学研究室研究生毕业2.2 低频振动低频振动体育馆建声设计一般只考虑 125~4000Hz 范围，习惯认为在大容积的空间内， 它的简正方式的分布是无规的，可以忽略低频振动的问题。

实际上，大容积空 间存在着低频振动，并且能量很大，作用的频率范围很宽（20~500Hz），对音 质影响很大，这是不容忽视的[2]（图 1）大多数体育馆对于低频的声学处理 只是在两侧墙面采用穿孔率 P=10%左右的穿孔板，由于该两处的面积有限，仅 占馆内总表面积的 12~16%，所以在吸声量和频率要求上是远远不能满足要求有的扩声系统中设有信号处理器，可以不增加总功率，提高对语言清晰度 有贡献的频段（中、高频）的声能比（或信噪比），改善扩声清晰这对具有 低频振动的情况，因低频混响时间过长有低频掩蔽产生“拖泥带水”的感觉， 导致语言不清晰的改善也可采用这措施2.3 混响时间计算值与实测值的误差大混响时间计算值与实测值的误差大2.3.12.3.1 混响室的容积约为 200m3，其高约为 5m；体育馆的容积至少为 2 万 m3， 甚至可达 15~20 万 m3，其高度至少 12.5m，所以二者的声场是非常不同的，因 此同一材料或构件所表现的吸声性能的差别必然是很不同的，（从表 1 可知试 验值与现场实测的推算值有很大差异）2.3.22.3.2 努特生曾在以他命名的实验室中对吸声材料进行不同高度测量，发现离 材料越近吸声性能越好。

2.3.32.3.3 空间大，声程长，高频声能衰减多，所以会影响材料的高频吸声系数2.3.42.3.4 假如是深空间吊顶，则存在着透射现象，吸收低频声能力强2.3.52.3.5 空间吸声体悬挂位置的不同也表现了其吸声性能有很大差别见表 2 所示）混响时间计算与实测值比较（空场） 表 1 倍频程中心频率（Hz）编号名称125250500100020004000１计算上海馆 实测误差4.501.99126%3.201.9063%2.501.7841%2.401.9821%2.501.9826%2.401.8232%２计算首都馆 实测误差3.202.2046%2.902.4021%2.302.508%1.902.8032%1.602.5036%1.302.0035%３计算江苏馆 实测误差4.011.92109%3.461.9875%2.282.195%2.092.3913%2.102.4916%1.692.2525%４计算山东馆 实测误差5.092.29122%3.111.7776%1.811.926%1.822.4726%1.783.0141%1.652.6039%５计算陕西馆 实测误差3.101.7082%1.701.722%1.902.201.4%1.802.6833%1.902.7030%2.002.2712%空间吸声体不同位置的吸声系数与试验室值结果比较 表 2倍频程中心频率（Hz）编号位置125 250 500 1000 2000 4000 １２３４试验室下弦杆腹处杆上弦杆0.6 0.9 1.4 1.6 1.5 1.51.7 0.94 1.38 1.09 1.09 2.381.17 1.27 1.26 1.09 1.38 2.160.49 0.83 1.03 1.06 0.99 0.983 吊顶的声学特性吊顶的声学特性体育馆吊顶声学处理大概有 下述四种：在精心声学设计下它们 都能达到技术指标要求。

3.1 大后空大后空这类吊顶一般都采用多孔材料， 吊顶后的空间很深（约2~3m） 它 们的吸声系数约为 0.70 左右（中 频）， 125、250Hz 的吸声系数大 约为 0.75~0.80；频率比都能达到 1:1.0~1.3 的要求，能以扩声清晰 表明这类吊顶固具有高大的后空， 具有很强的透射吸收低频的能力 （见表 3）3.2 共振型共振型这类吊顶一般是硬质金属的、化学的、木质的板材，一般都进行穿孔（P<10%）， 至实际中它们的频率比往往大于 1:1.3(125Hz)，有的还超出很多所以达不到 扩声清晰的要求这现象表明轻质材料吊顶的透射吸收低频能力远大于硬质材 料吊顶的共振吸声的能量（图 2）表示穿孔板的吸声性能在后空为 27cm、50cm 时较好，但在中频段有振现象，则不利 3.3 空间吸声体空间吸声体空间吸声体多半是由轻质材料板吊挂在弦杆上组合成，其性能特点：因其 位置而异，差别很大见表 2低频的差异仍为透射吸收的作用，而高频的差异 是空间吸声体在混响室中因绕射作用的关系但是，这类吊顶因忽视大空间的 低频声的处理，虽然中频的指标是达到了，而低频超出 1:1.13 的频率比，扩声 清晰较差，不如大后空的，但比共振型的效果好。

体育馆中不同吊顶的声学性能（混响室和现场实测的比较） 表 3倍频程中心频率（Hz）编号材料处理情况125250500100020004000备注混响 室0.60.80.850.950.950.981超细玻璃棉（厚 2.5cm, 32kg/m3后 空 30cm）现场实测0.60.730.730.720.670.5两者的差别主要是由于材料边缘 效应引起的混响室2钢板网上铺泡沫塑 料（厚 7.5cm）现场实测0.80.780.740.560.580.56混响室3钢板网上铺超细玻璃棉（6-9cm）现场实测0.750.750.750.650.650.65混响室的测试结果序号 2 和 3 可 以参考序号 1 可知低频差别是由 大后空的透射吸收,高频则由边 缘效应引起的混响室0.130.100.180.150.130.204穿孔钢板（孔径 10 p=8%）后铺厚 5cm 超细玻璃棉现场实测0.740.820.300.120.0150.042此表说明现场为后空低频透射效 应很大，而混响室内进行测量的 后空腔为 5cm 共振效应很小混响室0.620.850.620.770.780.765穿孔铝板(孔径 2, p=16%)后铺 5cm 超 细玻璃棉 (32kg/m3)后空 25cm现场实测0.460.520.480.500.470.54穿孔铝板铺至屋面板下，所以现 场与实验室的后空多些都为 25cm 但现场的吸声效果小于实 验室。

混响室0.521.041.000.960.920.806平板穿孔铝板吸声 体（厚 10cm p=25%）平放现场实测0.540.580.620.640.590.64表明平放空间吸声体，没有透射 效应，也没有边缘效应，只有穿 孔的共振效应，把以现场的效果 小于实验室的3.43.4 混合式的混合式的以空间吸声体为主，采用其高吸声系数的优点，同时又具有通透轻盈多变 化的特点在看台上部采用轻质材料为吊顶，具有深的空间，所以产生透射效 应弥补了低频吸收的不足，如天津河西体育馆的处理，其 125Hz 的频率比为 1:1.14，扩声清晰另外，以空间吸声体为吊顶的，在屋面板与吸声体之间的 空间中增加低频吸声结构，这是在广州中山纪念堂采用低频吸声结构之外的又 一例，也取得很好的效果 125Hz 的频率比为 1:1.10，扩声清晰[3]。