膜結構高大空間音質設計淺析
——以西亞斯國際學院體育館聲學改造為例

張 龍

王 凡

饒紫云

1 背景介紹

膜結構頂棚以其輕質、高強度、造型可塑性強等優點在高大空間建筑設計中被廣泛應用，然而該結構由于其自身材質的特殊性又對室內音質設計提出了更高的要求。傳統的大空間音質設計以控制全頻混響時間和避免聲缺陷為重點，較低的混響時間及平直的頻率特性有利于擴聲系統的使用。常見的處理方式即在頂面結合金屬屋面做聲學處理或者大面積懸掛吸聲體，而在膜結構的高大空間中這些方法將受到較大的限制，一方面是基于膜自身的吸聲特性，由于自振頻率較低且面積較大，膜結構低頻吸聲性能較好，同時較大的平均自由程使得空氣吸聲量在總吸聲量中的比例增大，頻率特性在高頻段斜率急劇減小，從而在中低頻段某處出現拐點（“起包”現象）；另一方面，吸聲界面受到限制，在已有膜結構的表面難以懸掛較大的荷載且難以進行聲學處理，若頂棚較高，則平整的膜表面與地面之間容易產生顫動回聲的音質缺陷。由此可見，分析已有的膜結構聲學設計案例并探索其音質設計策略具有重要的理論和現實意義。

高大空間建筑聲學設計是當代建筑聲學工程技術的重要研究方向，文獻[1-5]中闡述了體育館、主題樂園、展廳等不同功能的高大空間聲學設計方案，這些方案具有一定共性，即頂面往往能夠作為重要的吸聲面且限制較小；而關于膜結構聲學性能的研究較少，僅有的文獻則更多關注膜結構的空氣聲隔聲性能[6-7]。本文以某膜結構體育館的聲學改造工程為例，通過分析改造前室內聲場的音質缺陷，提出合理的建聲和電聲解決方案，采用聲學模擬軟件仿真計算室內聲場，并通過現場測量驗證方案的可行性。

圖1 膜結構體育館改造前實景

圖2 頂棚吸聲體安裝節點

圖3 頂棚吸聲體吸聲系數混響室測量

圖4 揚聲器定位指向性平面示意圖

圖5 改造前RT30（f=1000Hz）聽音面模擬云圖

圖6 改造后RT30（f=1000Hz）聽音面模擬云圖

圖7 改造前D50（f=1000Hz）聽音面模擬云圖

圖8 改造后D50（f=1000Hz）聽音面模擬云圖

2 膜結構體育館聲學缺陷分析

2.1 改造項目概況

該體育館為矩形平面，長約87m，寬約52m，屋面中部為凹曲面穹頂，屋面兩側均為膜結構，室內總體積約54700m3，最大容座2333座。該體育中心主要功能是用于學生平時體育鍛煉，但需兼顧會議及文藝活動的功能需要（圖1）。

應使用方要求，我方對該體育中心室內音質進行現場主觀試聽與測試，室內墻面雖采用了較大面積的吸聲材料，但由于未根據體型特點及膜結構特性進行針對性設計，導致室內聲場分布不均勻，音質效果較差。擴聲系統布局不合理，不僅未能減弱音質缺陷的不利影響，反而進一步加劇了聲缺陷的程度。

2.2 聲學改造目標

根據現場測量數據并結合主觀感受可知改造方案應重點解決下列幾個問題。

① 改善混響時間頻率特性，解決“起包”現象。根據混響時間測量結果可知，改造前該體育館空場混響時間f=1000Hz時為4.1s，且在此頻率位置曲線出現峰值。空場各頻段混響時間實測值詳見表1。

②凹曲面穹形頂棚存在聲聚焦現象[14-15]。由于原有凹曲面頂棚未考慮吸聲和擴散處理，聲線聚焦位置恰在人耳高度附近。根據實測結果可知，在無指向性聲源作用下，聚焦點位置的平均聲壓級（線性計權）比其他位置高2.5dB。

表1 改造前體育館空場混響時間實測結果

表2 吸聲體吸聲系數混響室測量結果

表3 改造后聚焦點和非聚焦點聲壓級測量結果

圖9 改造前后混響時間實測結果對比

圖10 竣工測試現場測試用傳聲器

③室內光滑平行界面較多，存在顫動回聲的缺陷[16-17]。如大面積的玻璃墻面之間，膜結構與地面之間均將導致聲能往復反射，從而導致令人不適的“嗡嗡”聲。

④擴聲系統定位及投射方向、覆蓋角等參數不合理，將直達聲能在中部匯聚，進一步加劇了聲學缺陷造成的不利影響。

3 膜結構體育館聲學改造策略

由上述分析可知，該體育館改造的難點在于頂面膜結構面積較大，常見的大空間聲學處理方式難以適用，同時在不破壞原有結構的條件下，需精準而又針對性地解決存在的若干聲學問題。對此，在保證聲學效果同時兼顧裝飾、經濟性的前提下，我們針對性地提出了相應的解決方案（圖2）。

改善頻率特性（消除“起包”）可結合聲聚焦問題一并考慮。由于需選擇性地降低某些頻率的混響時間。同時盡可能消除中低頻聚焦產生的不良影響，因此我們對于材料吸聲特性的選擇及吊掛形式提出了相應的要求。具體措施如下：在保持原有膜結構的情況下將局部凹曲面吊頂拆除，并按階梯狀懸掛平板空間吸聲體，空間吸聲體單元厚100mm，平面投影尺寸為1125mm×620mm。單元之間采用30×30×2.5鍍鋅角鋼固定，并采用φ6鍍鋅鋼絲繩固定于網架下弦桿上（圖3）。

空間吸聲體中棉的特性及整體制作工藝對于其聲學性能具有關鍵性作用，為了保證吸聲體能夠針對性地解決該體育館的問題，在確定材料各項參數后由專業的檢測機構在混響室中測量吸聲體單元的吸聲系數，并以此修正計算結果。吸聲體混響室各頻段吸聲系數實測值參看表2。由此可知，500Hz吸聲系數高達2.08，1000Hz吸聲系數高達1.71，低頻和高頻吸聲系數相對較低，可見該吸聲體吸聲頻率特性可選擇性大幅度降低某些頻率的混響時間，完全適合該體育館的聲學要求。

對于體育館內其他可能造成顫動回聲的平行界面則做了針對性處理，如將原有貴賓包廂玻璃窗拆除同時后墻面作吸聲處理。為了和其他界面裝飾效果保持統一，改造的后墻面采用槽木吸聲板，正面開槽，槽寬4mm，條面寬28mm；背面開孔，孔徑10mm，孔距沿長邊方向16mm，沿短邊方向32mm；板后空腔100mm，內填50mm厚32kg/m3玻璃棉；原有窗簾拆除，采用200%打折密度較高吸聲性能較好的天鵝絨窗簾，同時將玻璃墻面上方的玻璃擋板拆除，進一步降低顫動回聲的不利影響。

重新調整擴聲揚聲器的定位及輻射角度。利用原有燈光吊桿吊掛9只箱式點聲源揚聲器，合理選擇揚聲器的指向性[8-13]，避免直達聲能在凹曲面頂棚下方匯聚，確保直達聲可均勻覆蓋比賽場地和觀眾席，揚聲器定位及指向性參看圖4。

4 計算機聲學仿真計算

為了驗證和預測該改造方案的實際效果，采用Raynoise 聲場模擬軟件對音質客觀參量進行仿真計算。將原體育館室內空間做簡化處理，建立三維仿真模型，根據混響時間計算結果定義室內各界面吸聲系數和散射系數。仿真聲源為距地1.5m高無指向性點聲源，聽音面包含比賽區域和觀眾區域，距地1.2m高。

圖5和圖6分別為改造前和改造后聽音面中頻1000Hz混響時間模擬云圖。圖7和圖8分別為改造前和改造后聽音面中頻1000Hz清晰度D50模擬云圖。對比圖5和圖6可知，經過聲學改造后，原本“起包”頻率混響時間明顯降低，1000Hz模擬混響時間平均值小于2.4s；對比圖7和圖8可知，在改造前較大面積區域1000Hz語言清晰度D50均小于30%，在改造后1000Hz語言清晰度得到顯著改善，聽音面D50平均值＞45%。

5 項目竣工后的現場實測

為了進一步評價聲學改造效果，在項目竣工后我方至該體育館進行建筑聲學測試。由于現場擴聲設備已安裝完畢，故采用安裝完畢的揚聲器作為聲源輸出聲信號。

聲聚焦的測量則是在聲源穩定發聲的情況下，采用手持式信號分析儀記錄聚焦點和非聚焦點一定時間內各頻段的平均聲壓級，并計算線性計權等效聲壓級來判斷聚焦的程度（圖9，表3）。

對比改造前后的混響時間測試值可以看出，250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz混響時間均有明顯降低，混響時間頻率特性改善效果顯著。改造后混響時間測試值與計算值在中高頻段吻合較好。由聲壓級測量結果可知，聚焦點和非聚焦點線性計權等效聲壓級相差約2dB。聲壓級差異是由于聚焦點靠近指向性揚聲器聲軸，揚聲器直達聲對測量結果產生影響（圖10）。

由竣工后現場實測結果可知，該體育館聲學改造有效克服了膜結構所固有的聲場不利因素，通過試聽、模擬、現場實測等多個手段綜合考慮聲學改造措施，最終取得了令人滿意的效果。由此可見，對于膜結構的高大空間聲學設計，合理的聲學設計策略應建立在對室內聲場準確的分析之上，對癥下藥方能達到預期的設計目標。

資料來源：

文中圖表均為作者自制自攝。