建筑處理對特大空間聲場特性的影響

2018-08-09 06:50:42劉培杰趙越喆吳碩賢

中國鐵道科學 2018年4期

劉培杰，趙越喆，吳碩賢

(1.華南理工大學建筑學院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室, 廣東廣州 510640)

由吳碩賢和Kittinger[1]提出的聲學虛邊界原理應用于混響場特征的街道、隧道空間的交通噪聲計算，將室內聲學理論引入到城市的圍蔽、半圍蔽空間，推動了城市中廣場、街道空間的聲學問題研究[2-3]。康健等深入研究了長空間的聲場特性，引發了研究者在這一方向的研究興趣和實踐應用[4-6]。此外，KUTTRUFF對面積較大的工廠車間、敞開式辦公室等建筑空間以及高度相對于長度和寬度小得多的扁平空間，也都進行了相關的研究[7]。近些年，隨著高速鐵路的快速發展，各地在交通樞紐節點建造了大型車站，其高架候車廳的三維空間尺寸都很大，容積通常超過百萬立方米，屬特大空間。

特大空間的聲場特性研究是廳堂聲學新的研究方向之一[8]。劉培杰等對國內8個特大型高鐵車站高架候車廳聲環境質量開展主觀評價調研，實測廣州南站和上海虹橋站2個高鐵站的聲場參數，深入分析主觀評價結果與客觀聲場參數間的關系，初步分析探討了特大空間的聲場問題[9-11]。辜小安等對高速鐵路高架候車廳和線下候車廳聲環境進行了現場測量，并提出聲環境客觀評價指標及其建議值[12]。然而，考慮建筑處理(建筑聲學處理、空間高度)對特大空間聲場影響的研究報道不多，需做更深入、系統的研究。

本文以一種典型空間布局的候車廳為例，通過室內聲場三維計算機仿真探討了建筑處理(建筑聲學處理、空間高度)對特大空間室內聲場參數的影響。

除特別說明外，本文中與頻率有關的參數值一般為倍頻程中心頻率500和1 000 Hz的平均值。

1 候車廳聲場建筑聲學特性的計算機仿真方案

特大型高鐵車站候車廳通常采用高架式候車模式，坐席區布局模式通常分為2種，即中央坐席和兩側坐席的布局模式。中央坐席布局模式從4個方向均可進入候車廳，坐席區主要位于候車廳中部。兩側坐席布局模式從兩端進入候車廳，坐席區位于交通通廊兩側。候車廳的平面形狀有矩形、橢圓形，但主要為矩形。屋頂主要有平屋頂、曲面屋頂等。為減少旅客通過檢票口下到站臺的步行時間，實現快速登車，同線列車有A和B檢票口，就近登車。同時容納超過萬人候車的候車廳為兼顧候車和便捷需要，寬度一般在150～200 m，長度一般在400 m左右，平均高度約為21 m[13]。大多數建成的特大型高鐵車站候車廳的容積通常都超過了100萬m3。

由于建成的特大型高鐵車站以中央坐席布局模式居多，因此本文以此種布局模式為研究對象，比較不同建筑聲學處理、空間高度等對候車廳聲場特性的影響。不考慮復雜房間界面對聲場特性的影響，對候車廳體型進行簡化，各界面均采用平面。候車廳開間400 m，進深160 m，高度21 m，體積134.4萬m3。

圖1為典型中央候車席布局模式候車廳的ODEON模型，左上地面角點為坐標系原點，寬度方向為X軸，長度方向為Y軸，高度方向為Z軸。

聲源坐標為(60，125，1.5)，接收點的X和Z坐標與聲源的相同，第1個接收點的Y坐標為140，即距離聲源15 m，其他接收點依次間隔5 m設置，共設置28個接收點。第28個接收點的Y坐標為275，即距離聲源150 m。

ODEON模型中的計算參數設置：聲線10萬根，脈沖響應最大長度18 s(大于混響時間的2/3)，轉換階次2階。

圖1 ODEON模型內的聲源與測點布置

1.1 不同建筑聲學處理下的聲場仿真方案

候車廳通常采用大面積側窗和天窗進行采光，有可能進行建筑聲學處理的界面主要為側墻和頂棚，可做吸聲的位置布置如圖2和圖3所示。圖中：灰色為吸聲材料布置位置，空白處為采光窗。側墻吸聲面積為12 000 m2，約占側墻面積的50%；頂棚的采光模式主要有中間集中采光和間隔采光，因此可做吸聲的位置分為在頂棚四周布置或在頂棚間隔布置，吸聲面積均為38 800 m2，約占頂棚面積的60%。

圖2 側墻吸聲位置布置示意圖

圖3 頂棚吸聲位置布置示意圖

將不同的吸聲位置加以組合，得到室內建筑聲學處理的6種常見方案，見表1。表中：C1和C2方案下的吸聲量相同，D1和D2方案下的吸聲量相同。吸聲構造為穿孔蜂窩鋁板+玻璃棉(雙面穿孔的蜂窩鋁板+容重32 kg·m-3、厚50 mm的玻璃棉，鋁板厚12 mm，正面穿孔孔徑1.8 mm，穿孔率9.5%，背面穿孔孔徑1.8 mm，穿孔率9.5%)，吸聲位置未做吸聲時的材質見表1。候車廳內各界面材質的吸聲系數頻率特性見表2。

表1 建筑聲學處理方案

1.2 不同空間高度下的聲場仿真方案

表2 各界面材質的吸聲系數頻率特性

高鐵候車廳的建筑界面大都采用玻璃幕墻和采光頂棚，因此可利用做吸聲處理的界面有限。若要進一步縮短混響時間，減小建筑體量是可考慮的措施。候車廳平面面積較大，考慮室內空間尺度，高度不宜太低，從國內建成的特大型高鐵車站的室內高度h看，基本在12.0～30.0 m之間。仿真時，頂棚高度以21.0 m為中間高度，步進為4.5 m，設置5個高度的空間(分別為12.0，16.5，21.0，25.5和30.0 m)，研究高度變化對候車廳室內聲場的影響。進行該研究時，建筑聲學處理采用C2方案，即僅有頂棚間隔吸聲。

2 單一無指向性聲源激勵下的特大空間聲場特性

結合上海虹橋站現場實測結果[13]和典型體型候車廳計算機仿真結果，進一步探討建筑處理對特大空間聲場特性的影響。

2.1 聲衰減

上海虹橋站現場測得的A計權聲壓級Lp(A)隨聲源與接收點距離d的變化如圖4所示。由圖4可以看出：隨著距離的增加，Lp(A)接近線性衰減，線性回歸方程的判定系數R2為0.935 6(概率p<0.001)，說明根據回歸曲線由距離的對數可解釋相對Lp(A)變化的93.56%；距離加倍，聲壓級衰減約4 dBA，小于自由場聲壓級衰減率(距離加倍，聲壓級衰減6 dBA)，表明由實測數據可知自由場的聲理論不適合分析特大空間聲場特性。

圖4 實測Lp(A)隨d變化曲線

由于現場測量時，背景噪聲較高，同時受到測量聲源聲功率的限制，接收點與聲源的距離不可能太大，因此，利用計算機仿真結果分析較遠距離范圍內的聲壓級變化。不同建筑聲學處理方案和空間高度時，Lp(A)隨聲源與接收點距離對數的變化如圖5所示。從圖5可以看出：隨著吸聲量的增加，聲壓級衰減率逐漸增大，吸聲量相同，吸聲位置對聲壓級衰減產生影響(雖C1與C2方案、D1與D2方案的吸聲量相同，但聲壓級衰減率不同)；在相同的建筑聲學處理方案下，隨著空間高度的降低，聲壓級的衰減率逐漸增大。

圖5 仿真Lp(A)隨d變化曲線

各種建筑處理方案下仿真計算得到的Lp(A)與lgd線性回歸方程的判定系數均大于0.98(p<0.001)，表明lgd解釋了98%以上的聲壓級變化程度。隨著吸聲量的增加，聲源與接收點距離加倍時的聲壓級衰減率從2.28 dBA(無吸聲)變化到4.38 dBA(較強的吸聲)。在頂棚做間隔吸聲處理時，隨著空間高度的降低(從30.0 m降低至12.0 m)，聲源與接收點距離加倍時的聲壓級衰減率從3.79 dBA變化到4.98 dBA，聲壓級衰減率均小于自由場時的聲壓級衰減率(6 dB)，由仿真結果可知自由場的聲理論不適合分析特大空間聲場特性。

2.2 混響特性

賽賓(Sabine)公式、依林(Eyring)公式在推導過程中，首先假設室內聲場是完全擴散的，其次假設室內界面吸聲是均勻的，但由于候車廳容積巨大，這種理想的假設條件往往不能滿足。要檢驗賽賓、伊林公式是否適用于特大空間，原則上要采用實際的測量結果與這2個公式的計算結果進行比較，但在操作上有難度，原因在于公式所涉及的吸聲系數在現場的條件下難以確定。若采用以上典型候車廳模型的仿真研究方法，則可以比較公式的計算結果與仿真結果的差異，因二者可以采取完全相同的吸聲系數。采用2個公式計算時，均考慮了空氣吸聲。

圖6 賽賓、伊林公式計算的RT值與仿真的T20的比較

分析結果表明，將Sabine公式、Eyring公式用于特大空間的候車廳混響時間計算時，計算結果存在一定的誤差。

典型候車廳在不同聲場條件下，T20隨聲源與接收點距離d的變化如圖7所示。從圖7可以看出：仿真結果中，平均吸聲系數較小時(A和B方案下)，混響時間的空間變化比較小；平均吸聲系數較大時，T20波動比較大；T20與lgd之間沒有明顯的趨勢關系，這一點在上海虹橋站現場測量結果中也得到驗證，實測T20與lgd線性回歸的判定系數只有0.0646見圖7(c)，二者之間沒有相關性。

圖7 T20隨聲源與接收點距離變化曲線

擴散不充分的聲場，聲衰變曲線常常是彎曲的，即曲線的每一段都有它自己的衰變率。Jordan提出的早期衰變時間(Early Decay Time，EDT)與人的主觀混響感關系密切，并且比混響時間更能反映房間特定位置的聲學特性，因此EDT也是最常用反映室內聲場混響特性的客觀指標。

典型候車廳在不同聲場條件時，EDT隨聲源與接收點距離d的變化如圖8所示。從圖8可以看出：仿真結果中EDT隨距離的增加逐漸增大；上海虹橋站的現場實測結果中EDT與lgd(50 m范圍內)的線性回歸曲線的判定系數R2為0.643 2，相關系數為0.80(p<0.001)，表明在近場時，EDT與距離的對數呈較強的正相關。

圖8 EDT隨聲源與接收點距離變化曲線

從以上分析可以看出：候車廳容積巨大，混響時間很長，如果不做建筑聲學處理，混響時間可能超過15 s，但即使采用較強的吸聲，混響時間也很難降低到常用空間的數值；當平均吸聲系數達到0.36時，混響時間依然有5.67 s；仿真和現場測量的混響時間與Sabine公式、Eyring公式的計算結果存在較顯著的差異；近場時，EDT與距離的對數呈較強的正相關。

根據經典擴散場理論，聲壓級在混響半徑之外即為基本恒定，混響時間在空間中處處相等，衰變曲線呈線性。從以上分析可以看出，候車廳內的聲壓級和混響的分布特性與經典擴散場不同，其聲場特性介于擴散場與自由場之間。

2.3 清晰度

語言傳輸指數(Speech Transmission Index，STI)從室內聲學中引入調制轉移函數( Modulation Transfer Function，MTF) 概念，提出通過測量聲音傳輸系統的調制轉移函數，得到語言傳輸指數STI。STI是評價廳堂語言清晰度較為廣泛的客觀指標。

STI隨聲源與接收點距離的變化如圖9所示。從圖9可以看出：隨距離的增加，STI的總體趨勢均是降低的；僅在C2方案下、空間高度為12.0 m時STI與lgd的線性回歸方程的判定系數R2為0.875，其他建筑處理方案下其均大于0.90(p<0.001)，且SHHQ的現場實測STI與lgd(50 m范圍內)的線性回歸曲線的判定系數R2為0.898 9(p<0.001)，表明lgd對STI的變化有很高的解釋程度；隨著吸聲量的增加和空間高度的降低，STI的線性衰減率逐漸降低，表明增加吸聲量或降低空間高度可以改善語言清晰度的均勻度；近場的清晰度較高，距離超過50 m(lgd=1.7)，STI在大多情況下會低于0.45，距離超過100 m(lgd=2.0)，STI在大多數情況下會低于0.40，因此，從清晰度角度考慮，布置電聲源時，需仔細設計其有效覆蓋范圍。

圖9 STI隨聲源與接收點距離變化曲線

值得注意的是，在中間的接收點位置產生一定的起伏(圖9中虛框范圍內)，且隨著吸聲量的增加起伏變大。產生的原因在于當頂棚高度為21.0 m時，第1～5接收點來自頂棚的1次反射聲超過50 ms。隨著聲程差減小，在第6接收點以后來自頂棚的1次反射聲在50 ms以內，加強了早期聲能，提高了有用聲能，因而STI有一定程度的提高，當頂棚高度變化時，來自頂棚時延超過50 ms的1次反射聲的位置會發生變化，當頂棚離聲源的高度變大時，近場接收點來自頂棚的1次反射聲易變成對語言清晰度有害的聲能，這個現象同樣出現在上海虹橋站的現場實測數據中。因此，降低空間高度可以改善較大距離范圍內的語言清晰度均勻度。

2.4 建筑聲學處理對聲場參數的影響

在界面未做吸聲處理時，EDT和T20長達18 s左右，隨著吸聲量的增加EDT和T20逐漸降低。即使采取較強的吸聲布置方案，EDT和T20也很難降低到傳統空間(聲場接近擴散場的空間)的數值范圍。雖不同的頂棚吸聲方案對EDT和T20的影響不大，但與界面未做吸聲處理(A方案)和僅有側墻吸聲(B方案)相比有較大的降低，頂棚吸聲對混響時間的降低較為有效。

隨著吸聲量的增加，A計權聲壓級逐漸降低，但當吸聲位置布置在頂棚四周時(D1方案)，由于中央頂棚的反射提高了中央坐席接收點的聲壓級。

隨著吸聲量的增加，明晰度C50(廳堂中某點的脈沖響應中直達聲到達后前50 ms內的能量與整個時域范圍的能量比值的對數級)、清晰度D50(廳堂中某點的脈沖響應中前50 ms的能量與整個時域范圍的能量的比值)、STI逐漸提高，分別從-10.44，0.10，0.28 dB提高到-3.44，0.32，0.44 dB，三者的增加趨勢較為一致。

綜合看，界面無吸聲處理時，候車廳內的混響時間相當長，語言傳輸指數STI很低。與僅有側墻吸聲時(B方案)相比，僅頂棚吸聲(C1和C2方案)時，由于頂棚可做的吸聲面積較大，對聲場有較好的改善。C2與C1相比，D2與D1相比，吸聲量相同，區別在于頂棚吸聲的位置不同，當頂棚吸聲間隔布置(C2和D2方案)時，混響時間較短、清晰度較高，STI的提高達到1個聽覺察覺閾值(just noticeable difference, JND)，為0.03[14]。

因此，對于中央坐席布置方式，頂棚的吸聲處理對候車廳混響的改善較為顯著，且頂棚間隔吸聲的效果要優于頂棚四周吸聲。

2.5 空間高度變化對聲場參數的影響

隨著空間高度的降低，容積變小，EDT和T20具有明顯的下降趨勢。即使采取12.0 m的空間高度，EDT和T20也較難降低到4 s以下。近場和遠場相比，T20差別不大，EDT相差較大。

隨著空間高度的降低，相對A計權聲壓級逐漸增加。

空間高度從30.0 m降低到21.0 m，C50，D50，STI沒有明顯變化，混響時間下降了2 s左右，STI的差異在1個JND之內。高度從21.0 m降低到12.0 m，C50，D50，STI逐漸增加，雖然混響時間也下降了2 s左右，但是STI提高了1個JND。近場的STI在不同的高度均可以達到0.45，為“一般”的聽音質量等級，在12.0 m高度時，STI達到0.50。

綜合看，降低空間高度可以有效地降低混響時間，但語言清晰度僅在21 m以下時有一定的提高。

2.6 與實際聲源激勵下的聲場特性的差異

在候車廳內，為了達到聲場均勻，聲源通常采用分區設置。候車廳多聲源激勵下的聲場特性有別于單一聲源激勵下的聲場特性，見表3。多聲源激勵聲場時，候車廳內的聲場較為均勻；由于對于某一接收點而言，如若多個聲源同時發聲，距離較遠的聲源提供的聲能雖然可以提高此接收點的聲壓級，但對于清晰度而言，則變成有害聲能，反而降低了語言清晰度，因此候車廳內設置公共廣播揚聲器時須仔細設計其數量、投射區域、指向性等。