建筑处理对特大空间声场特性的影响

刘培杰，赵越喆，吴硕贤

(1.华南理工大学 建筑学院， 广东 广州 510640；2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广东 广州 510640)

由吴硕贤和Kittinger[1]提出的声学虚边界原理应用于混响场特征的街道、隧道空间的交通噪声计算，将室内声学理论引入到城市的围蔽、半围蔽空间，推动了城市中广场、街道空间的声学问题研究[2-3]。康健等深入研究了长空间的声场特性，引发了研究者在这一方向的研究兴趣和实践应用[4-6]。此外，KUTTRUFF对面积较大的工厂车间、敞开式办公室等建筑空间以及高度相对于长度和宽度小得多的扁平空间，也都进行了相关的研究[7]。近些年，随着高速铁路的快速发展，各地在交通枢纽节点建造了大型车站，其高架候车厅的三维空间尺寸都很大，容积通常超过百万立方米，属特大空间。

特大空间的声场特性研究是厅堂声学新的研究方向之一[8]。刘培杰等对国内8个特大型高铁车站高架候车厅声环境质量开展主观评价调研，实测广州南站和上海虹桥站2个高铁站的声场参数，深入分析主观评价结果与客观声场参数间的关系，初步分析探讨了特大空间的声场问题[9-11]。辜小安等对高速铁路高架候车厅和线下候车厅声环境进行了现场测量，并提出声环境客观评价指标及其建议值[12]。然而，考虑建筑处理(建筑声学处理、空间高度)对特大空间声场影响的研究报道不多，需做更深入、系统的研究。

本文以一种典型空间布局的候车厅为例，通过室内声场三维计算机仿真探讨了建筑处理(建筑声学处理、空间高度)对特大空间室内声场参数的影响。

除特别说明外，本文中与频率有关的参数值一般为倍频程中心频率500和1 000 Hz的平均值。

1 候车厅声场建筑声学特性的计算机仿真方案

特大型高铁车站候车厅通常采用高架式候车模式，坐席区布局模式通常分为2种，即中央坐席和两侧坐席的布局模式。中央坐席布局模式从4个方向均可进入候车厅，坐席区主要位于候车厅中部。两侧坐席布局模式从两端进入候车厅，坐席区位于交通通廊两侧。候车厅的平面形状有矩形、椭圆形，但主要为矩形。屋顶主要有平屋顶、曲面屋顶等。为减少旅客通过检票口下到站台的步行时间，实现快速登车，同线列车有A和B检票口，就近登车。同时容纳超过万人候车的候车厅为兼顾候车和便捷需要，宽度一般在150～200 m，长度一般在400 m左右，平均高度约为21 m[13]。大多数建成的特大型高铁车站候车厅的容积通常都超过了100万m3。

由于建成的特大型高铁车站以中央坐席布局模式居多，因此本文以此种布局模式为研究对象，比较不同建筑声学处理、空间高度等对候车厅声场特性的影响。不考虑复杂房间界面对声场特性的影响，对候车厅体型进行简化，各界面均采用平面。候车厅开间400 m，进深160 m，高度21 m，体积134.4万m3。

图1为典型中央候车席布局模式候车厅的ODEON模型，左上地面角点为坐标系原点，宽度方向为X轴，长度方向为Y轴，高度方向为Z轴。

声源坐标为(60，125，1.5)，接收点的X和Z坐标与声源的相同，第1个接收点的Y坐标为140，即距离声源15 m，其他接收点依次间隔5 m设置，共设置28个接收点。第28个接收点的Y坐标为275，即距离声源150 m。

ODEON模型中的计算参数设置：声线10万根，脉冲响应最大长度18 s(大于混响时间的2/3)，转换阶次2阶。

图1 ODEON模型内的声源与测点布置

1.1 不同建筑声学处理下的声场仿真方案

候车厅通常采用大面积侧窗和天窗进行采光，有可能进行建筑声学处理的界面主要为侧墙和顶棚，可做吸声的位置布置如图2和图3所示。图中：灰色为吸声材料布置位置，空白处为采光窗。侧墙吸声面积为12 000 m2，约占侧墙面积的50%；顶棚的采光模式主要有中间集中采光和间隔采光，因此可做吸声的位置分为在顶棚四周布置或在顶棚间隔布置，吸声面积均为38 800 m2，约占顶棚面积的60%。

图2 侧墙吸声位置布置示意图

图3 顶棚吸声位置布置示意图

将不同的吸声位置加以组合，得到室内建筑声学处理的6种常见方案，见表1。表中：C1和C2方案下的吸声量相同，D1和D2方案下的吸声量相同。吸声构造为穿孔蜂窝铝板+玻璃棉(双面穿孔的蜂窝铝板+容重32 kg·m-3、厚50 mm的玻璃棉，铝板厚12 mm，正面穿孔孔径1.8 mm，穿孔率9.5%，背面穿孔孔径1.8 mm，穿孔率9.5%)，吸声位置未做吸声时的材质见表1。候车厅内各界面材质的吸声系数频率特性见表2。

表1 建筑声学处理方案

1.2 不同空间高度下的声场仿真方案

表2 各界面材质的吸声系数频率特性

高铁候车厅的建筑界面大都采用玻璃幕墙和采光顶棚，因此可利用做吸声处理的界面有限。若要进一步缩短混响时间，减小建筑体量是可考虑的措施。候车厅平面面积较大，考虑室内空间尺度，高度不宜太低，从国内建成的特大型高铁车站的室内高度h看，基本在12.0～30.0 m之间。仿真时，顶棚高度以21.0 m为中间高度，步进为4.5 m，设置5个高度的空间(分别为12.0，16.5，21.0，25.5和30.0 m)，研究高度变化对候车厅室内声场的影响。进行该研究时，建筑声学处理采用C2方案，即仅有顶棚间隔吸声。

2 单一无指向性声源激励下的特大空间声场特性

结合上海虹桥站现场实测结果[13]和典型体型候车厅计算机仿真结果，进一步探讨建筑处理对特大空间声场特性的影响。

2.1 声衰减

上海虹桥站现场测得的A计权声压级Lp(A)随声源与接收点距离d的变化如图4所示。由图4可以看出：随着距离的增加，Lp(A)接近线性衰减，线性回归方程的判定系数R2为0.935 6(概率p<0.001)，说明根据回归曲线由距离的对数可解释相对Lp(A)变化的93.56%；距离加倍，声压级衰减约4 dBA，小于自由场声压级衰减率(距离加倍，声压级衰减6 dBA)，表明由实测数据可知自由场的声理论不适合分析特大空间声场特性。

图4 实测Lp(A)随d变化曲线

由于现场测量时，背景噪声较高，同时受到测量声源声功率的限制，接收点与声源的距离不可能太大，因此，利用计算机仿真结果分析较远距离范围内的声压级变化。不同建筑声学处理方案和空间高度时，Lp(A)随声源与接收点距离对数的变化如图5所示。从图5可以看出：随着吸声量的增加，声压级衰减率逐渐增大，吸声量相同，吸声位置对声压级衰减产生影响(虽C1与C2方案、D1与D2方案的吸声量相同，但声压级衰减率不同)；在相同的建筑声学处理方案下，随着空间高度的降低，声压级的衰减率逐渐增大。

图5 仿真Lp(A)随d变化曲线

各种建筑处理方案下仿真计算得到的Lp(A)与lgd线性回归方程的判定系数均大于0.98(p<0.001)，表明lgd解释了98%以上的声压级变化程度。随着吸声量的增加，声源与接收点距离加倍时的声压级衰减率从2.28 dBA(无吸声)变化到4.38 dBA(较强的吸声)。在顶棚做间隔吸声处理时，随着空间高度的降低(从30.0 m降低至12.0 m)，声源与接收点距离加倍时的声压级衰减率从3.79 dBA变化到4.98 dBA，声压级衰减率均小于自由场时的声压级衰减率(6 dB)，由仿真结果可知自由场的声理论不适合分析特大空间声场特性。

2.2 混响特性

赛宾(Sabine)公式、依林(Eyring)公式在推导过程中，首先假设室内声场是完全扩散的，其次假设室内界面吸声是均匀的，但由于候车厅容积巨大，这种理想的假设条件往往不能满足。要检验赛宾、伊林公式是否适用于特大空间，原则上要采用实际的测量结果与这2个公式的计算结果进行比较，但在操作上有难度，原因在于公式所涉及的吸声系数在现场的条件下难以确定。若采用以上典型候车厅模型的仿真研究方法，则可以比较公式的计算结果与仿真结果的差异，因二者可以采取完全相同的吸声系数。采用2个公式计算时，均考虑了空气吸声。

图6 赛宾、伊林公式计算的RT值与仿真的T20的比较

分析结果表明，将Sabine公式、Eyring公式用于特大空间的候车厅混响时间计算时，计算结果存在一定的误差。

典型候车厅在不同声场条件下，T20随声源与接收点距离d的变化如图7所示。从图7可以看出：仿真结果中，平均吸声系数较小时(A和B方案下)，混响时间的空间变化比较小；平均吸声系数较大时，T20波动比较大；T20与lgd之间没有明显的趋势关系，这一点在上海虹桥站现场测量结果中也得到验证，实测T20与lgd线性回归的判定系数只有0.0646见图7(c)，二者之间没有相关性。

图7 T20随声源与接收点距离变化曲线

扩散不充分的声场，声衰变曲线常常是弯曲的，即曲线的每一段都有它自己的衰变率。Jordan提出的早期衰变时间(Early Decay Time，EDT)与人的主观混响感关系密切，并且比混响时间更能反映房间特定位置的声学特性，因此EDT也是最常用反映室内声场混响特性的客观指标。

典型候车厅在不同声场条件时，EDT随声源与接收点距离d的变化如图8所示。从图8可以看出：仿真结果中EDT随距离的增加逐渐增大；上海虹桥站的现场实测结果中EDT与lgd(50 m范围内)的线性回归曲线的判定系数R2为0.643 2，相关系数为0.80(p<0.001)，表明在近场时，EDT与距离的对数呈较强的正相关。

图8 EDT随声源与接收点距离变化曲线

从以上分析可以看出：候车厅容积巨大，混响时间很长，如果不做建筑声学处理，混响时间可能超过15 s，但即使采用较强的吸声，混响时间也很难降低到常用空间的数值；当平均吸声系数达到0.36时，混响时间依然有5.67 s；仿真和现场测量的混响时间与Sabine公式、Eyring公式的计算结果存在较显著的差异；近场时，EDT与距离的对数呈较强的正相关。

根据经典扩散场理论，声压级在混响半径之外即为基本恒定，混响时间在空间中处处相等，衰变曲线呈线性。从以上分析可以看出，候车厅内的声压级和混响的分布特性与经典扩散场不同，其声场特性介于扩散场与自由场之间。

2.3 清晰度

语言传输指数(Speech Transmission Index，STI)从室内声学中引入调制转移函数( Modulation Transfer Function，MTF) 概念，提出通过测量声音传输系统的调制转移函数，得到语言传输指数STI。STI是评价厅堂语言清晰度较为广泛的客观指标。

STI随声源与接收点距离的变化如图9所示。从图9可以看出：随距离的增加，STI的总体趋势均是降低的；仅在C2方案下、空间高度为12.0 m时STI与lgd的线性回归方程的判定系数R2为0.875，其他建筑处理方案下其均大于0.90(p<0.001)，且SHHQ的现场实测STI与lgd(50 m范围内)的线性回归曲线的判定系数R2为0.898 9(p<0.001)，表明lgd对STI的变化有很高的解释程度；随着吸声量的增加和空间高度的降低，STI的线性衰减率逐渐降低，表明增加吸声量或降低空间高度可以改善语言清晰度的均匀度；近场的清晰度较高，距离超过50 m(lgd=1.7)，STI在大多情况下会低于0.45，距离超过100 m(lgd=2.0)，STI在大多数情况下会低于0.40，因此，从清晰度角度考虑，布置电声源时，需仔细设计其有效覆盖范围。

图9 STI随声源与接收点距离变化曲线

值得注意的是，在中间的接收点位置产生一定的起伏(图9中虚框范围内)，且随着吸声量的增加起伏变大。产生的原因在于当顶棚高度为21.0 m时，第1～5接收点来自顶棚的1次反射声超过50 ms。随着声程差减小，在第6接收点以后来自顶棚的1次反射声在50 ms以内，加强了早期声能，提高了有用声能，因而STI有一定程度的提高，当顶棚高度变化时，来自顶棚时延超过50 ms的1次反射声的位置会发生变化，当顶棚离声源的高度变大时，近场接收点来自顶棚的1次反射声易变成对语言清晰度有害的声能，这个现象同样出现在上海虹桥站的现场实测数据中。因此，降低空间高度可以改善较大距离范围内的语言清晰度均匀度。

2.4 建筑声学处理对声场参数的影响

在界面未做吸声处理时，EDT和T20长达18 s左右，随着吸声量的增加EDT和T20逐渐降低。即使采取较强的吸声布置方案，EDT和T20也很难降低到传统空间(声场接近扩散场的空间)的数值范围。虽不同的顶棚吸声方案对EDT和T20的影响不大，但与界面未做吸声处理(A方案)和仅有侧墙吸声(B方案)相比有较大的降低，顶棚吸声对混响时间的降低较为有效。

随着吸声量的增加，A计权声压级逐渐降低，但当吸声位置布置在顶棚四周时(D1方案)，由于中央顶棚的反射提高了中央坐席接收点的声压级。

随着吸声量的增加，明晰度C50(厅堂中某点的脉冲响应中直达声到达后前50 ms内的能量与整个时域范围的能量比值的对数级)、清晰度D50(厅堂中某点的脉冲响应中前50 ms的能量与整个时域范围的能量的比值)、STI逐渐提高，分别从-10.44，0.10，0.28 dB提高到-3.44，0.32，0.44 dB，三者的增加趋势较为一致。

综合看，界面无吸声处理时，候车厅内的混响时间相当长，语言传输指数STI很低。与仅有侧墙吸声时(B方案)相比，仅顶棚吸声(C1和C2方案)时，由于顶棚可做的吸声面积较大，对声场有较好的改善。C2与C1相比，D2与D1相比，吸声量相同，区别在于顶棚吸声的位置不同，当顶棚吸声间隔布置(C2和D2方案)时，混响时间较短、清晰度较高，STI的提高达到1个听觉察觉阈值(just noticeable difference, JND)，为0.03[14]。

因此，对于中央坐席布置方式，顶棚的吸声处理对候车厅混响的改善较为显著，且顶棚间隔吸声的效果要优于顶棚四周吸声。

2.5 空间高度变化对声场参数的影响

随着空间高度的降低，容积变小，EDT和T20具有明显的下降趋势。即使采取12.0 m的空间高度，EDT和T20也较难降低到4 s以下。近场和远场相比，T20差别不大，EDT相差较大。

随着空间高度的降低，相对A计权声压级逐渐增加。

空间高度从30.0 m降低到21.0 m，C50，D50，STI没有明显变化，混响时间下降了2 s左右，STI的差异在1个JND之内。高度从21.0 m降低到12.0 m，C50，D50，STI逐渐增加，虽然混响时间也下降了2 s左右，但是STI提高了1个JND。近场的STI在不同的高度均可以达到0.45，为“一般”的听音质量等级，在12.0 m高度时，STI达到0.50。

综合看，降低空间高度可以有效地降低混响时间，但语言清晰度仅在21 m以下时有一定的提高。

2.6 与实际声源激励下的声场特性的差异

在候车厅内，为了达到声场均匀，声源通常采用分区设置。候车厅多声源激励下的声场特性有别于单一声源激励下的声场特性，见表3。多声源激励声场时，候车厅内的声场较为均匀；由于对于某一接收点而言，如若多个声源同时发声，距离较远的声源提供的声能虽然可以提高此接收点的声压级，但对于清晰度而言，则变成有害声能，反而降低了语言清晰度，因此候车厅内设置公共广播扬声器时须仔细设计其数量、投射区域、指向性等。

表3 不同声源激励下的声场特性比较

3 结 论

(1)声压级随声源与接收点的距离有不同程度的衰减，其衰减率受到界面声学处理和空间高度的影响。应用Sabine公式、Eyring公式计算具有特大容积候车厅的混响时间时会产生较大的误差。候车厅的声场特性不同于经典扩散场，而是介于扩散场与自由场之间。

(2)STI随距离也有不同程度的衰减，其衰减率受到声学处理和空间高度的影响。

(3)候车厅内混响时间很长，即使采用较强吸声处理，混响时间也很难降低到常用空间的数值。随着吸声量的增加，混响时间有较大的降低，语言清晰度有一定的改善。当平均吸声系数达到0.36时，混响时间依然达到5.67 s。对于中央的坐席位置，顶棚的吸声处理对语言清晰度的改善较为显著。

(4)在顶棚作相同的吸声处理，降低空间高度可以有效地降低混响时间，但语言清晰度仅在空间高度降低到21 m以下时有一定的提高。

(5)研究成果为特大空间声场特性的研究提供了基础数据，可为高铁车站特大型候车厅的声学设计和相关标准的制定提供参考。