流线型多功能厅室内音质设计研究_张燕.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023398流线型多功能厅室内音质设计研究张 燕（福建省建筑科学研究院有限责任公司/福建省绿色建筑技术重点实验室，350108，福州）摘要：随着流线型多功能厅的体量增加，其室内音质效果越来越受到关注。以具体项目为例，在建筑体形流线已经固定的情况下，通过对多功能厅内装饰界面进行二维声线分析及界面优化设计，分析建筑的声学缺陷来源，提出改善措施，并通过声学仿真模拟验证装饰界面优化设计的效果。通过研究，可为流线型多功能厅的室内音质设计提供方法。关键词：流线型厅堂；多功能厅；二维声线分析；体形优化；音质设计；计算机模拟中图分类号：TU 242.2 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0398-04rEsEArcH oN iNDoor souND QuAliTy DEsiGN oF sTrEAMliNED MulTi-FuNcTioN HAllZHAnG Yan(Fujian Academy of Building Research Co.,Ltd.,Fujian Key Laboratory of Green Building Technology,350108,Fuzhou,China)Abstract:With the increase of the volume of the multi-function hall,its indoor sound quality has attracted more and more attention.Taking the specific project as an example,under the condition that the shape and streamline of the building have been fixed,through two-dimensional sound ray analysis and interface optimization design of the interior decoration interface of the multi-function hall,the sources of the acoustic defects of the building are analyzed,the improvement measures are proposed,and the effect of the optimization design of the decorative interface is verified by acoustic simulation.The research can provide a method for the design of the indoor sound quality of the streamline multi-function hall.Keywords:streamlined hall;multi-purpose hall;two-dimensional sound ray analysis;shape optimization;sound quality design;computer simulation20 世纪前，世界各地出现过室内音质非常出色的厅堂建筑，如维也纳音乐厅、荷兰阿姆斯特丹皇家音乐厅等，但这些建筑的室内音质大多依靠建筑师的经验和直觉判断，存在主观性及不确定性；自 20 世纪初，赛宾、依林提出混响时间公式以来，建筑声学设计得以发展起来；20 世纪 50 年代后，随着哈斯效应的发现、侧向声能比例关系的研究开展以及厅堂缩尺模型的使用，建筑声学进入了蓬勃发展时期，全世界各种类型的音乐厅、剧场越来越多；20 世纪 70 年代以来，声学数字仿真技术快速发展起来，在设计阶段可以直观地预演厅堂的音质效果，人们对于影响厅堂音质的若干因素也有了更清楚的认识1。1 厅堂体形的发展随着历史的发展，观演建筑也在发生变化。最初观演建筑主要为剧场、音乐厅等单一功能的专用厅堂，到 20 世纪末，多功能厅因具有“一厅多用”功能，实现了经济效益及社会效益的最大化，进入了高速发展阶段，建筑体量逐年增加。建筑厅堂体形与室内音质效果息息相关，随着信息技术的发展及国内外交流的增多，我国厅堂建筑体形发展经历了由单纯的模仿到独立创新阶段，现今已经发展成熟的基本体形包括矩形、钟形、扇形，六边形、马蹄形等，而千篇一律的传统厅堂体形已经引起了人们的审美疲劳。随着建筑外形的大胆创新，厅堂体形不再拘泥于传统设计的框条，采用流线体形表现自然、科技、文化、想象的建筑越来越受人们欢迎，室内装饰设计可谓是天马行空，流线型在厅堂中得到了广泛的应用，而科技的发展、材料加工技术及生产工艺水平的提高，为流线造型艺术的实现提供了有力保障，越来越多的规则几何体形厅堂建筑被高科技感的流线体形替代2。2 流线型多功能厅设计面临的挑战经过近一个世纪的发展，传统体形厅堂的建筑声收稿日期：20230123基金名称：厦门市建设局建设科技项目“多用途厅堂建筑声环境改善措施的研究及应用示范”（XJK2021127）作者简介：张燕（1987），女，黑龙江绥化人，高级工程师，硕士，e-mail:.2023 年 2 月399张燕：流线型多功能厅室内音质设计研究学设计已经被声学设计师掌握，与传统建筑体形相比较，流线型厅堂的声学设计还处于起步阶段，大量流线型厅堂在声学设计上，盲目模仿声学效果较好的剧院体形设计方法常造成顾此失彼，使得厅堂出现声音环绕感差、声聚焦、声音干涩等问题。究其原因，流线型厅堂音质效果在工程上存在着一定的偶然性，同时国内外标准及声学规范对体形设计并未提出明确的定义及要求2。因多功能厅的功能较多，规模通常较小，功能和规模等因素导致其未受到足够的重视，可借鉴的声学设计经验较少，建筑声学设计常在装饰设计阶段由装饰设计人员进行简单考虑。综上，面对新的建筑环境，如何使流线型多功能厅达到较好的视听效果，为建筑声学设计提出新的挑战。3 案例分析3.1 项目概况某多功能厅建筑以展厅和报告厅功能为主，可作为企业展览、开展大型活动、现场发布会等多种功能，以语言功能为主。多功能厅的平面大致为三叶形，叶片顶点连接可形成边长约 72 m 的正三角形，外围护结构为钢架铝合金结构，三侧面设置玻璃幕墙，建筑面积2 009.5 m2，声学有效房间容积约为 26 569.1 m3，室内总表面积 10 389.46 m2，满座时大约 300 个座位。3.2 问题分析多功能厅在已经确定功能的前提下，其建筑室内音质的好坏与建筑的体形、装饰界面的造型、材料的选择有关3。建筑的体形设计，首先要充分利用直达声，厅堂内的直达声应均匀分布，同时应保证直达声的强度；其次，早期反射声对厅堂内音质效果的影响也较大，早期反射声也应合理均匀地分布于整个大厅，这样听众才能收到来自各个方向的均匀声压；再次，应避免厅内任何位置出现回声、多重回声、颤动回声、声聚焦和共振等声学缺陷。本项目体形为三叶形平面，建筑主体已经建设完成，如何在原始建筑体形不变的情况下，进行室内装饰设计，使厅堂内具有较好的声学效果是设计的主要目标。通过室内装饰体形设计及界面设计，改善声线路径，确保声线分布均匀；通过室内装饰界面材料设计，保证厅内具有较好的听觉效果。3.3 主出入口签到墙体形优化建筑声学设计中进行体形设计时较常用的方法是声线法4。对本多功能厅 1.5 m 高平面进行二维声线分析，声源点距建筑中心 8 m 处，在主出入口设有签到墙，原设计签到墙较为平直，弧度较小，声音从声源发出后的声线经签到墙反射情况如图 1 所示，从图 1 可知，声音经签到墙反射后，一次反射声扩散范围较小，均向中间聚拢，而三叶形平面端头方向的早期反射声较少（见圆形标示区），因此应对该签到墙进行体形优化，可将签到墙弧度增加并展开，使早期反射声覆盖的范围增加，优化后声线经签到墙反射情况如图 2 所示，从图中可以看出，向三叶形平面端头方向反射的声线增加。优化后的签到墙与原始签到墙相比，声音反射角度更好，早期反射声声线覆盖范围更广，分布更合理。优化后的签到墙与主出入口距离3 900 mm，角度为 50 ，弧长 13 274 mm。图 1 原设计签到墙时 1.5m 图 2 签到墙优化后 1.5 m 接收平面声线示意 平面声线示意3.4 端头设备间外立面声学设计当多功能厅分为多个小区域使用时，声源位于端头设备间外侧，此时的声线如图 3 所示，从图中可知，在观众席前部两侧出现了声聚焦现象，而前部中间位置声强较弱（图中椭圆形标示），主要原因是声源发出的声音经设备间内凹外墙反射引起的，因此本设计应将设备间外表面设置为吸声材料，吸收不利反射声，或设备间外表面设置扩散体，使声线均匀散射，而本项目内凹外墙表面设有 LED 显示屏，为不影响视觉美学效果，仅在该表面设置吸声材料。图 3 声源点位于设备间外侧的 1.5 m 接收平面声线示意3.5 声学材料设计室内装饰界面的声学材料对室内声学效果具有重要的影响，为使本项目具有良好的声学效果，声学材料设计见表 1。建 筑 技 术第 54 卷第 4 期400表 1 多功能厅吸声材料与吸声系数部位材料及做法吸声系数/Hz1252505001 000 2 000 4 000天花、墙体玻璃幕墙0.350.250.18 0.120.070.04天花、墙体混凝土框架表面涂漆 0.010.010.020.020.020.02天花、墙体2 mm 厚 20%穿孔率，穿孔铝板后贴法国奥斯龙吸声毡（面密度 62 g/m2），后贴 50 mm 厚混合吸声棉，400 mm 空腔0.500.870.850.740.720.62出入口、室内过道两侧玻璃0.350.250.180.12 0.070.04设备间外立面超微孔蜂窝铝板，穿孔率 1.2%，100 mm空腔0.350.701.001.001.000.79玻璃0.350.250.180.120.070.04地面岗石0.010.010.010.020.020.02观众0.180.330.440.420.460.374 仿真模拟建筑声学仿真模拟可以在厅堂建成之前预测室内音质效果，对室内音质设计具有重要的意义，并广泛应用在厅堂音质设计中5。ODEON 采用声线跟踪法与虚声源法相结合的方法，通过对物理声学指标的模拟来揭示室内声场设计与主观音质感受。对厅堂内混响时间、早期衰减时间、清晰度指数等的仿真来进行声场效果设计6。为使 ODEON 软件获得准确的计算结果，需要建立一个合适的模型，模型内应不存在漏洞、重叠、扭曲等问题。ODEON 模型中面的数量越少，计算的速度越快。因此，在不影响计算结果的前提下，本三维模型对多功能厅作了适当简化。将混凝土网架与墙面作同一平面处理、厅内未设置观众席，厅内设备间、入口挡板仅体现外立面。模型示意如图 4 所示。（a）（b）图 4 多功能厅模型（a）模型一；（b）模型二仿真模拟采用无指向性理想声源 OMNI.SO8，声源声压增益设为 65 dB，分别计算两种声源布置情况下的室内声场效果，一种情况是声源设置在建筑中心附近，距地面 1.5 m 高，另一种情况是声源设置在内凹端头设备间外立面后，距地面 1.5 m 高。模型中受声点为厅堂中部和端头位置，由于本三维模型具有对称性，因此本次模拟在厅堂左侧至端头区域布置 22个测点，高度距离地面 1.2 m，相当于人坐下时耳朵的高度。图 5 为声源及受声点位置分布图。受声点图 5 声源和受声点分布示意通过对厅堂空间进行网格划分，研究每个网格的声场特性，以便了解整个厅堂的声学特性。本次模拟将厅堂平面划分为多个 1.5 m1.5 m 的单元，高度距离地面 1.2 m；以网格图形式展示，图 6 为厅堂内网格分布示意。图 6 厅堂内网格分布示意 在主出入口签到墙及端头设备间外立面已经进行声学设计优化的情况下，对多功能厅进行满场条件下声学仿真模拟，分析对比模拟结果，查看装饰体形及材料优化后的混响时间 T30等声学参数，图 7、图8 分别为声源位于建筑中心附近和端头设备间外立面后两种情况 500 Hz、1 000 Hz 多功能厅满场混响时间T30分布图；图 9、图 10 为声源位于建筑中心附近和端头设备间外立面后两种情况 500 Hz、1 000 Hz 多功能厅满场清晰度 D50分布图；图 11、图 12 为声源位于建筑中心附近和端头设备间外立面后两种情况不同频率下多个测点的满场混响时间T30统计分布曲线图。表 2、表 3 为声源位于建筑中心附近和端头设备间外立面后两种情况多个测点满场混响时间 T30模拟计算统计值。T30/s at 500 Hz 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20（a）T30/s at 500 Hz 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20（b）图 7 声源位于建筑中心附近多功能厅满场混响时间 T30分布（a）500 Hz；（b）1 000 Hz2023 年 2 月401张燕：流线型多功能厅室内音质设计研究T30/s at 500 Hz 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20T30/s at 500 Hz 2.202.001.801.601.40 1.20（a）（b）图 8 声源位于端头设备间外立面后多功能厅满场混响时间 T30分布（a）500 Hz；（b）1 000 HzD50 at 500 Hz 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40D50 at 500 Hz 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40（a）（b）图 9 声源位于建筑中心附近多功能厅满场清晰度 D50分布（a）500 Hz；（b）1 000 HzD50 at 500 Hz 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40D50 at 500 Hz 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40（a）（b）图 10 声源位于端头设备间外立面后多功能厅满场清晰度 D50分布（a）500 Hz；（b）1 000 Hz21.81.61.41.210.80.60.40.20T30/s63 125 250 500 1 000 2 000 4 000 8 000频率/Hz平均值最小值最大值标准差图 11 声源位于建筑中心附近多功能厅满场混响时间T30多测点统计21.81.61.41.210.80.60.40.20T30/s63 125 250 500 1 000 2 000 4 000 8 000频率/Hz平均值最小值最大值标准差图 12 声源位于端头设备间外立面后多功能厅满场混响时间 T30多测点统计根 据 GB/T 503562005 剧 场、电 影 院 和多用途礼堂声学设计规范，本多功能厅的容积为 26 569.1 m3，室 内 总 表 面 积 S=10 519.46 m2，故 5001 000 Hz满场情况下厅堂内混响时间T30=1.11.6 s表 2 声源位于建筑中心附近多个测点满场混 响时间 T30模拟计算统计值 s倍频带中心频率/Hz1252505001 0002 0004 000最小值2.101.191.291.571.611.54最大值2.131.261.371.621.671.57平均值2.111.221.331.591.641.56表3 声源位于端头设备间外立面后多个测点 满场混响时间T30模拟计算统计值 s倍频带中心频率/Hz1252505001 0002 0004 000最小值1.941.111.191.471.511.41最大值2.121.261.391.641.691.58平均值2.061.191.301.561.601.51较合适，从图9、图12、表2表3多功能厅混响时间统计分布情况可知，当声源设置在建筑中心附近时，中频混响时间均值（500 Hz和1 000 Hz）为1.46 s，当声源设置在内凹端头设备间外立面后，中频混响时间均值（500 Hz和1 000 Hz）为1.43 s，满足规范要求7。5 结论（1）通过对多功能厅进行二维声线分析，针对出现声聚焦、声场分布不均问题提出改善措施。可知在建筑体形已定情况下，可在装饰设计阶段，对厅堂内的装饰界面进行声学设计，也可改善室内声环境，如对签到墙的体形优化、对端头设备间外立面的界面材料优化。（2）对体形简单流线型厅堂，可采用二维声线分析法对厅堂进行装饰界面优化设计，检查厅堂内反射声线是否均匀，是否存在声学缺陷，该方法简便、易操作。（3）声学材料设计对室内音质效果影响较大，合理设置吸声材料不仅可以使厅堂内混响时间达到适用范围，也可有效改善室内的声学缺陷。在厅堂内建筑声学设计时应对吸声材料重点关注。（4）采用 ODEON 软件对厅堂进行仿真分析可直观了解室内混响时间、语言清晰度，是判断厅堂音质效果的有效手段。项目初期可对厅堂采用该方案进行模拟，分析方案可行性。参考文献1 吴硕贤.建筑声学设计原理 M.(第二版).北京:中国建筑工业出版社,2019.2 刘叮当.流线型剧场观众厅早期侧向反射声研究 以青岛凤凰之声大剧院为例 D.青岛:青岛理工大学,2019.3 宋洋.多功能剧场声学设计研究 以闽清科技馆剧场为例 J.福建建筑,2020(264):2427.4 余斌.声线法在剧院建筑声学设计中的应用 J.演艺科技,2018(144):2729.5 彭健新,吴硕贤,赵越喆.建筑声学设计软件 ODEON 及其在工程上的应用 J.电声技术,2003(203):1417.6 万宇鹏,周远波,谢荣基.一个基于 ODEON 设计的视听室室内声场研究 J.声学技术,2011,4(30):187190.7 剧场、电影院和多功能厅建筑声学设计规范:GB/T503562005S.