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0 引 言[1]
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，室內頂部則呈半圓形。伊斯蘭教清真寺中的天房,羅馬大角斗場，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]。穹頂建筑的美學價值在于其象征著凝聚、團圓和飽滿，古往今來，一直深受建筑師的青睞。在現代，球形圍合結構或球形圍合空間普遍存在于許多大型的公共空間，如北京野生動物園金絲猴館，以及禮堂、多功能廳、會議廳、展廳和體育館等一般性廳堂建筑設計中，為人們提供了豐富多彩的室內外視覺效果。然而，由于其固有的球面體型特征可能會伴隨聲聚焦現象，從而影響人們的室內聽聞條件^[2,3]。聲聚焦現象是指聲波在傳播過程中遇到凹曲面時，凹面會對聲波形成集中反射，造成反射聲波的聲能密度比入射聲波的聲能密度要大，這樣會使反射聲聚集于某個區域，聲音在該區域內將被放大，而另一區域聲音則較小，造成聲場極不均勻的現象。開展聲聚焦現象的研究在一定程度上可克服甚至避免建筑設計中可能存在的音質缺陷，從而完善建筑的功能，提供給人們以視聽結合的美感。當建筑還在土建階段，建筑體型尚未確定時，通常情況下，可以通過改變體型及其圍合方式來改變球形結構形成的聲聚焦點的位置。而對于土建已經完成，體型確定的建筑來說，改善聲聚焦缺陷的措施，更多的則是通過科學合理選擇和使用建筑聲學材料或局部改變凹面結構來改善室內聲能密度的均勻性。比如采取吸聲處理、擴散處理以及斷開聚集表面等措施。
本文利用聲學軟件CATT-Acoustics，針對長春一穹頂建筑展廳室內音質聲聚焦缺陷，進行計算機輔助設計計算，給出一種具體的改造措施及施工方案。項目竣工后，現場音質測試結果表明該方案較好地解決了建筑內部聲聚焦現象，有效提升了其內部聲環境質量。
1  長春一穹頂建筑簡介
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,建筑初始設計時,設計師在設計上著重追求新、奇和特的建筑形象，大量運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架結構，輕鋼龍骨扣件連接，表面采用普通吸聲板整體處理。在設計之初沒有綜合考慮聲學因素，施工完成后，存在聲聚焦、聽音不清等嚴重聲學缺陷，導致無法正常投入使用，需要進行工程改造。


圖 1  長春一穹頂建筑外貌
Fig.1  Photograph of the dome building in Changchun
1.2存在主要聲學問題
穹頂建筑展廳存在的聲學問題,主要有:
1) 聲聚焦聲學缺陷  整體造型是一個穹頂式建筑，活潑、飽滿、富有曲線感，但是由于穹頂的整個凹面會對聲波形成集中反射，使反射聲聚焦于某個區域，造成聲音在該區域特別強，聲能過分集中,而其它區域聲音則特別弱，甚至存在死點，室內聲場極度不均勻。
2) 語言清晰度較差  早期聲能比D₅₀（1000 Hz）為0.38，語言傳輸指數（STI）是0.48，背景噪聲為45.1 dB （SPL，dB（A））。聽音要求不達標，在展廳內部舉辦活動時，近距離語言交流就需要提高音量才能聽清楚，增大了空間內部整體環境的嘈雜性，進而進一步導致展廳內部的背景噪聲偏大。
3) 混響時間較長  混響時間改造前實地測量為2.0 s（500 -1000 Hz），遠遠超出會議室、多功能廳和電影院等多用途房間的混響時間，不滿足其功能定位。
2  工程改造設計依據及目標
2.1 設計依據^[4-8]
《聲環境質量標準》（GB3096-2008）、《室內混響時間測量規范》（GB/T50076-2013）、《建筑隔聲與吸聲構造》（08J931）、《劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范》（GB/T50356-2005）和《民用建筑隔聲設計規范》（GB50118-2010）。
2.2設計目標
1）改善聲聚焦缺陷； 2）展廳內部具有良好的語言清晰度，滿足聽聞要求；3）降低室內背景噪聲；4）通過聲學設計改造措施滿足室內裝飾要求。
3  計算機仿真設計
3.1模型構建
依據施工圖紙，CATT-Acoustics構建的穹頂建筑展廳三維聲場計算模型圖，如圖2所示。



圖 2  3D計算模型圖
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象。




考慮展廳在進行展覽時，存在的聲源點較多，因而形成的聚焦點區域也比較廣。圖4給出的是聲源頻率為500 Hz，采用四個不同聲源點位置仿真，所產生的對應聚焦點模擬結果。


圖 4  不同聲源點時的聚焦點
Fig. 4  Sound focusing corresponding to the four different sound source
       positions
    從圖4可知，選擇不同聲源點時，所對應形成的聚焦點都是相對于其中一條直徑對稱。為簡化計算，本文選擇其中的一點進行模擬。
3.2三維聲場模擬分析
3.2.1頂部采用不同降噪系數材料對室內聲聚焦的影響
定量選取的地面和門的吸聲系數列于表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NRC為0.50、0.70和0.90吸聲材料處理后，頻率為500 Hz時的典型聲壓級圖。
         表1. 地面、門及穹頂壁面吸聲系數
              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NRC
為0.50時存在較明顯的聲聚焦現象。當材料降噪系數NRC增加到0.70時，聲聚焦程度稍微減弱，但依然存在。而采用降噪系數NRC為0.90時，聲聚焦現象得到有效改善。


圖 5  頻率為500 Hz時采用不同降噪系數材料后的聲壓級圖
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散體對室內聲聚焦的影響
地面、門以及穹頂壁面的定量聲學特性參數選取如表1所示。為直觀觀察不同面積擴散體對聲聚焦的影響，這里設定頂部擴散體材料降噪系數NRC為0.65，穹頂壁面降噪系數NRC為0.50。
圖6給出的頂部擴散區域面積直徑分別為8 m、10 m和12 m，頻率為500 Hz時的典型聲壓級圖。



圖 6  頻率為500 Hz時采用不同擴散面積處理后的聲壓級圖
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，頂部擴散區域面積直徑為8 m時存在較嚴重的聲聚焦現象。當擴散區域直徑為10 m和12 m時，聲聚焦現象得到改善，但是仍有微弱的聚焦?？紤]到成本造價，最后設計擴散區域直徑為10 m。
4 工程改造方案及具體措施
4.1設計方案
穹頂建筑展廳原有裝飾表面采用的是吸聲性能較強, 降噪系數NRC為0.70的無縫吸聲材料，這樣除了體型的特殊性，約有30%的聲能又會通過精度較高的內圓弧反射到地面的中央區域形成聲聚焦。根據三維聲場模擬結果分析,提出的方案如下:
1） 使用降噪系數NRC為0.90的AGG無縫強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，縮短混響時間。
2） 頂部懸掛兼具吸聲功能的反弧形反射板，進行聲波擴散。聲能在吸收的同時，剩余的聲能可有效進行擴散，改善室內聲聚焦現象。根據上述數值模擬計算結果,我們選擇擴散區域直徑為10 m的反射板,一方面不會因使用面積太大造成浪費，另一方面也不會由于面積太小而導致反射量不足。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，開孔率為16%，后空腔內填入32 kg/m³，50 mm厚玻璃棉，吸聲系數NRC為0.65。
3）地面鋪設地毯。
4.2設計方案可行性計算機聲學效果量化評估
     1）在自然聲源的條件下，廳內聲場不均勻度應≤±4 dB，最大與最小聲壓級差值≤8 dB，各頻帶(125 - 4000 Hz)模擬結果顯示室內聲場滿足設計要求。圖7（a）給出的是500 Hz的典型聲壓級圖。



圖 7  聲壓級、語言清晰度、混響時間和強度指數圖 (500 Hz)
Fig. 7   Sound pressure level, speech definition, reverberation time and
        strength factor at a frequency of 500 Hz
 2) 語言清晰度（D₅₀）對于語言類使用廳堂聽音區音質明亮、清晰要求語言清晰度達到70%以上, 各頻帶(125 - 4000 Hz)模擬結果顯示D₅₀滿足最佳值范圍。圖7(b) 給出的是500 Hz時的典型語言清晰度D₅₀圖。
3) 混響時間 根據穹頂建筑作為展廳使用的功能要求，混響時間確定為RT=1.2 s。保證空間內活動的人員能夠聽清楚發出的全部信息。各頻帶(125 - 4000 Hz)模擬結果顯示混響時間（RT）滿足最佳值范圍，滿足混響時間設計指標。圖7(c) 是500 Hz的典型混響時間（RT）圖。
4) 強度指數（G） 用于排除聲源聲功率對空間內部響度的影響，最佳值要求大于0 dB。各頻帶模擬結果顯示強度指數（G）滿足最佳值范圍。圖7(d) 是500 Hz的典型強度指數（G）圖。
5) 快速語言傳輸指數（RASTI） 用于表示空間內部語言使用時的清晰程度大小，大于0.4時表示能夠滿足語言類使用，大于0.5時表示語言清晰度優良。模擬結果顯示RASTI滿足要求。
4.3工程改造后音質測試結果
改造后穹頂建筑展廳內部的中頻混響時間實地測量為1.2 s（500 -1000 Hz）, 早期聲能比D₅₀（1000 Hz）為0.75，語言傳輸指數（STI）是0.79，背景噪聲41.8 dB。
5  結 論
本文對長春一穹頂建筑展廳室內音質聲聚焦缺陷,利用CATT-Acoustics聲學軟件分別進行吸聲與擴散處理輔助設計,結果表明穹頂部采用降噪系數NRC為0.90的吸聲材料和頂部擴散區域采用直徑為10 m的反射板, 聲聚焦現象可得到有效消除。工程對展廳裝飾表面(頂部和壁面)具體采用降噪系數NRC為0.90的AGG無縫強吸聲材料, 頂部懸掛兼具吸聲功能的反弧形反射板(直徑10 m, 開孔率為16%), 計算機聲學效果量化結果表明自然聲源條件下,其聲場不均勻度(≤±4 dB)、語言清晰度(＞70%)、混響時間（1.2 s，500 -1000 Hz）、快速語言傳輸指數(＞0.5)等指標滿足室內聲場設計要求。工程改造完工后，各項聲學指標符合預先改造方案的設計目標?，F場音質測試結果：混響時間1.2 s（500 -1000 Hz）, 語言清晰度D₅₀（1000 Hz）為0.75，語言傳輸指數（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語言清晰度良好,無明顯的聲聚焦、回聲等聲學缺陷，達到了實用性、美觀性和經濟性的統一。
 
參 考 文 獻
[1]       汪霞, 李躍文. 千年穹頂——穹頂的過去·現在·未來[J]. 華中建筑, 2002; 20(4): 41-44.
Wang X, Li Y W. Thousands years of vault——the past, now and future [J]. Huazhong Architecture, 2002; 20(4): 41-44.
[2]       Wulfrank T, Orlowski R J. Acoustic analysis of Wigmore Hall, London, in the context of the 2004 refurbishment [C]. Proceedings of the Institute of Acoustic, 2006; 28(2).
[3]       Iannace G, Di Gabriele M, Sicurella F. Sound focusing effects in horseshoe plan theatre[J].Acoustics Australia, 2016;44(2):359-368.
[4]       GB3096-2008, 聲環境質量標準[s].
GB3096-2008,Environmental quality standard for noise[s].
[5]       GB/T50076-2013, 室內混響時間測量規范[s].
GB/T50076-2013, Code for measurement of the reverberation time in rooms[s].
[6]       08J931, 建筑隔聲與吸聲構造[s].
08J931, Building sound insulation and sound absorption structure[s].
[7]       GB/T50356-2005, 劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范[s]
GB/T50356-2005, Code for architectural acoustical design of theater cinema and multi-use auditorium.
[8]       GB50118-2010,民用建筑隔聲設計規范[s]. GB50118-2010, Code for design of sound insulation of civil buildings [s]
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