体育训练馆声学特性分析

王晓东 闵一建 夏泽虎

(陕西师范大学,西安 710062)

近年来新建的体育馆通常超越了固有的功能,且有很大的扩展,综合性体育馆尤为突出.在体育馆内举行各种会议、各种大型文娱表演以及演奏交响乐和流行音乐,已经不是偶然或额外的事,而是把它作为一项提高社会效益和经济效益的内容列入设计任务书中.因此,目前的体育馆实质上成为多功能大厅,因而在声学设计上有较高的要求.由于体育馆的容量(容积和容座)大,混响时间长,平均自由程远超出一般会堂,容易引起各种音质缺陷,而可以用作吸声处理的部位和面积极为有限,从而增加了声学设计的难度.自然声演出仅限于在小型体育馆内的交响乐和钢管乐演奏,机会甚少,因此在声学设计中要考虑用扩声系统的演出方式.但优质的扩声效果必须通过合理的建声设计才能得以实现,两者是相辅相成的,只有相互密切配合,才有可能用最低的投资获得良好的音质和视听效果.体育馆的声学设计与馆的类别、规模(容量)和使用功能有关.因此,根据设计规范和建设要求选择合理的声学设计指标是声学设计的首要任务.

体育训练馆在体育馆中又是特殊的一种,由于没有座位,它的自然混响时间比同容积的有座位的体育馆长.体育训练馆也可作为多功能体育馆使用,除了满足正常的体育训练、比赛外,还要作为文艺演出场地,所以体育训练馆还应考虑满足文艺演出的混响时间.

本文以陕西师范大学新建的体育训练馆为例,它是一座多功能的体育馆.为了满足使用要求,在馆内做了必要的布置和声学处理.馆内可同时设两个篮球场,而西侧篮球场在演出时作为舞台区.南、北、东方向设有二层和三层走廊.室内平面如图1所示.

图1 体育训练馆平面图

1 室内声学设计

陕西师范大学训练馆是用于训练、比赛兼顾小型演出、会议的场馆,体积约22814 m3.在该场馆的设计中建筑声学和电声学是影响室内声学效果的两大组成部分,建筑声学是训练馆建设的基础,而电声学具有进一步美化完善室内听音效果的功能.因此该厅堂的声音的听闻条件、视觉效果是由建筑声学、扩声系统以及大厅空间建筑设计等要求所组成的一个系统.为了保证室内声学音质的质量,训练馆内的装修材料要结合良好声学扩散和均匀吸声效果,同时要考虑到墙裙的材料对运动员的保护与耐撞功能,另外考虑整个室内的装饰风格与色调的搭配,既满足使用的要求又让人的视觉感觉和谐统一.

由于采用扩声系统,必须充分发挥电声设备性能,使其具有明显的方向感、人工混响等效应,同时要保证语言清晰度、音乐的频响及动态范围等指标.建筑声学参照《体育建筑设计规范》(JGJ 31-2003),按体育功能设计.电声扩声系统参照《体育馆声学设计及测量规程》(JGJ/T131-2000),按扩声系统二级设计,主要技术指标如下:

建筑声学特性指标:根据规范按丙级体育馆设计,选择合适的混响时间,做好吸声与扩散处理,建立良好的混响声场,降低背景噪声,以保证语言清晰度和丰满度.平均混响时间(满场):1.5±0.15s;背景噪声:NR40dB;扩声系统特性指标:声场不均匀度＜10 db(1～4kHz);传输频率特性:+4～-6db(0.25～4 kHz);传声增益＞-12 db(0.25～4 kHz);最大声压级:98db(0.25～4kHz).

2 室内声学装饰与扩声

该训练馆顶部处理:顶部采用网架结构,为做到自然采光和节能需求,屋面近2/3的面积采用双层钢化加胶中空玻璃,其余的屋面采用彩钢板屋面.玻璃屋面、二层和三层的南北侧有大量的玻璃窗,地面采用运动体育木地板,这些都会对声音产生强反射作用,出现颤动回声和长混响.为解决这些难点,我们从吊顶、墙面两大部分进行声学处理.

本馆采用顶部吸声以低、中频为主,从三方面解决吸音问题:

(1)为解决玻璃屋面下与地面之间因硬反射而引起的颤动回声,通过均布30个悬挂空间吸声体,加强空间吸声与声扩散,有效地解决了颤动回声.

(2)在屋面彩钢板下,增加一层穿孔铝塑板,在彩钢板下与穿孔铝塑板之间留0.30m空隙,用0.05m吸声棉填充,以增加顶部吸声效果.

(3)一、二、三层周边围绕训练馆走廊顶部采用铝格栅吊顶,在铝格栅吊顶上部用防火布上铺0.05m吸音棉,后空腔大于0.50m,既起到了装饰作用又增强吸音.

侧墙吸声重点在西侧的舞台背后和东侧墙面.南北墙只考虑墙裙部分的吸声处理.由于训练馆西面的篮球场也是多功能使用时的舞台区,因此在西面墙面布置了柚木色木质穿孔板和淡黄色木丝板,在控制混响时间的同时,以获得较好的音质环境.

在舞台区的后面布置了可升降的幕布,方便了文艺演出的需要,在舞台区的正上方布置了一对线阵列音响系统和舞台灯光,通过中控室可以调节音响系统、灯光的颜色和强度,以满足在多功能使用时的音质和灯光要求.在大厅上空均布了8只高保真音箱,保证比赛时的扩声.如图2所示.

图2 大厅屋面下舞台音响、灯光与空间吸声体布置

3 声学测量与方法

采用SZTS自动测量混响时间系统,建筑声学测量仪自带的粉红噪声源,输给M1000功率放大器,经过十二面体的SZSY无指向性声源把噪声扩散到整个馆中.无指向性传声器将接受到的声信号传输给SZTS建筑声学测量仪,把接收到的模拟信号转换为数字信号,经1/3窄带滤波器滤波,进行混响时间自动测量.测试系统如图3所示.

图3 训练馆测量系统示意图

测量用的无指向性声源置于大幕线中心舞台区.测量混响时间选择12个测点,测点1、2、3位于馆内西面篮球场,也是多功能使用时的舞台区.测点4位于整个训练场地中央,测点5、6、7位于馆东面篮球场.测点8、9、10位于一层场地北边的走廊.11、12测点分别在二层、三层北侧.接受传声器离地面高度为1.60m.

根据《厅堂扩声特性测量方法》(GB/T 4959-1995),对训练馆的扩声系统进行声学测试,测点分布为1～34号.测点选取如图4所示.

图4 各层平面测点示意图

4 测量数据及分析

混响时间测量:对训练馆12个测点逐一测量,系统会自动记录下每个测点的各个频率段的混响时间值,并自动计算出平均值.给出4号测点自动测量全频段的混响时间频率特性图,如图5所示.

图5 4号测点混响时间频率特性图

将大厅各测点6个频率段的混响时间进行统计,计算得出各频率下的总平均混响时间频率特性,见表1.

表1 大厅各频率下的总平均混响时间和背景噪声

根据以上数据,得出该馆空场混响时间频率特性曲线图,如图6所示.

图6 总平均混响时间频率特性曲线(空场)

通过对空场实测混响时间频率特性曲线图分析,可以发现,125～500Hz在标准值范围内,500～4000 Hz频段的混响时间高于满场时的标准值,但是这样的变化有益于提高训练馆的语言清晰度.由于平时训练时馆内人数较少,只有运动员与教练员,使用过程中发现他们之间进行语言交流时,听音清晰,能清楚地明白对方的意思.当训练馆进行文艺演出时,人数超过1/2满场时,由于人们衣服在1000～4000Hz有一个吸声峰,此时中高频段的混响时间将会降低,使得馆内的混响时间频响变得比较平滑.

扩声系统特性测试:测试结果见表2.

表2 扩声系统测试参数

声场缺陷分析:采用猝发声信号,频率从125～8000Hz,观察大厅内有无颤动回声现象,通过分析发现,接受到的猝发声很快衰减下来,没有出现明显颤动回声现象.图7是接收到的800 Hz猝发声信号时域谱图.

图7 训练馆大厅800Hz猝发声接收信号

5 结 论

作为多功能的训练馆,根据现场情况,合理地利用了顶棚空间,设计了中低频吸声结构,获得较大的吸声量.并在玻璃顶棚下均布了空间吸声体,解决了该区域的吸声和颤动回声问题,获得较合理的混响时间.通过猝发声实验,没有发现颤动回声现象.在扩声系统中主声场区采用线阵列音响,四周均布高保真音箱,获得了均匀的声场及良好的音质效果.经严格测试,其空场平均混响时间1.69s,声场不均匀度6.5 dB,背景噪声达到NR33 dB.各项扩声指标除了最大声压级略小外,均达到设计要求,主观试听满意.当馆内的人数达到满场或者1/2满场时,由于人们衣服高频吸声的原因,在2000 Hz附近的混响时间将会降低,使得馆内的混响时间频响变得比较平滑,满足该厅堂建筑声学设计的要求.在文艺演出时,采用电子混响器调节馆内的混响时间,可以满足文娱演出的需求.2008年12月的陕西省排球联赛在该馆举办,经受使用的考验,受到人们好评,是一座较优秀的多功能体育馆.如图8所示.

图8 训练馆现场比赛

通过对体育训练馆的建筑声学设计,声学装饰材料选择,扩声系统设计,到声场测试、分析整个研究过程,进一步明确了声学设计在建筑工程中的重要意义.建声处理对能否达到合理的混响时间,来满足室内听音要求,起着决定性作用.

[1］陈先明,赵志雄,张 欣.国家游泳中心ETFE膜结构技术在水立方中的应用[J].建筑技术,2008(3):195-198.

[2］中国建筑科学研究院,体育馆声学设计及测量规程[S].JGJ/T 131-2000 J42-2000.

[3］《建筑声学设计手册》编写组,建筑声学设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1987.

[4］石慧斌,李晋奎,金迪锋.＂水立方＂比赛大厅室内声学设计[J].建筑学报,2009(3):71-73.

[5］梁鼎森,林泰勇,曾旭东.重庆市人民大礼堂内部改建设计[J].建筑学报,2006,11:74-76.

[6］孙海涛.华南理工大学艺术学院录音室声学设计[J].三峡大学学报:自然科学版,2010,32(4):68-70.

[7］中国建科院建筑院物理研究所.建筑声学设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1987.