多功能厅仿真与分析

严飞，吴沁仪

(安徽建筑大学 数理学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着我国经济的快速发展，全国各地都兴建了大量的观演建筑以满足人们在精神文化方面的需求。从20世纪50年代起，人们就开启了厅堂可变音质研究。最早期的厅堂可变音质方案主要依赖于赛宾室内声场理论，通过改变室内厅堂的体型或吸声量来达到改变音质的目的。到20世纪70年代至80年代，人们主要通过调节舞台或观众席区域顶棚的高度和角度来改变厅堂的混响时间。与此同时，多功能厅在中国迅速发展起来，所谓多功能厅堂，即达到一个厅堂多种用途的目的，不仅可以上演歌舞剧、话剧，而且可以用来作为会议室、音乐厅、影院等用途[1]。

声学设计软件在当代建筑声学设计中的作用越来越重要，仿真模拟计算使声学设计的调试和修改更加快捷方便[2]。而音质可调已经成为当前室内声学发展的趋势[3-7]，本文以自行设计的模型为对象进行仿真研究，通过设置旋转吸声体和耦合空间的应用来调节厅堂内的混响，从而实现音质可变的目标。

1 模型构建及结果分析

1.1 模型构建

模型最初设计为语言类礼堂，其空间体积为19 395.84 m³，总表面积为 5 669.66 m2，可容纳观众数6 000人，舞台两边耳室总体积为272.48m³，开口面积为203.39 m2(两侧各101.695 m2)。其形状如钢琴状，如图1所示。模型构建的具体步骤：

(1)建立坐标系，根据厅堂的实际尺寸进行坐标定位，如果厅堂是对称的，在坐标系的两侧设置对称的坐标点可以更加方便定位；

(2)根据房间的各个顶点进行表面的创建，并要将房间封闭起来。为更符合实际，在观众区设置观众听声面；

(3)根据厅堂设计时的中频混响时间参考值，选择合适的各频率参考混响时间；

(4)方案中设计的礼堂主要以木质表面材料为主。对房间内的各个表面进行材料的布置，从EASE4.4的表面材料库中选择合适的材料，并结合实际经验，对墙面、地面、座椅、门窗等进行设计，选择时可根据系统中的材料各频率吸声曲线获得；

(5)设置扬声器声源，设置时不断查看-3 dB声线覆盖情况，调整扬声器的空间位置和朝向角度，尽量均匀覆盖观众席听声区域；

(6)通过与标准混响时间的比较，对内表面材料进行修正，最终得到厅堂模型，如图1所示。图2(a)说明所建立的模型模拟出的基础混响时间在标准值范围内。

1.2 仿真结果与分析

为了实现音质的可变性，在原有的模型吊顶与侧面位置处设计六个空间旋转吸声体，并且利用耳室作为耦合空间，使用帷幔作为耦合空间的开闭机关。旋转吸声体一半为反射面一半为吸声面，反射面材料采用的是35/15 mm木格栅后空2 cm模块，即软件中的WOODGRID1，吸声面采用的是C-40型MTG吸声结构后空1.5 cm吸声模块，即软件中的TECTUM15C4，帷幔采用的是吸声系数0.2左右的幔帐挂帘，即软件中的PILLOWBAFL，其它表面的材料与原来相同。为方便定义旋转体反射面朝观众区且耦合空间开放时为A状态，旋转体吸声面朝观众区且耦合空间关闭时为B状态。根据赛宾公式可知A和B状态为两极限状态，混响时间对应最长和最短。如图3和4所示。

图3 耦合空间开放和旋转体

图4 耦合空间关闭和旋转体

通过软件分析可得A和B两状态的混响时间分别如图2(b)和图2(c)所示。通过对比发现各个频段的混响时间都发生了变化，如500 Hz混响时间从1.22 s变化到1.01 s。符合多用途礼堂的最佳混响时间范围，与原模型混响时间1.24 s相比，下降了0.02 s，得到了0.21 s的可调混响时间，从而实现了音质可调的目的。同理可分析比较A和B两状态下500Hz所对应的声学参量，如DSPL、TSPL、C7、C50、ALCON 和 STI等，如图 5、图 6 所示。

对比500 Hz下A、B状态的直达声声压级(DSPL)柱状图可以看出二者几乎没有任何变化，如图5和图6所示。这是因为扬声器距离观众席的位置没有变化，而耦合空间附近没有安装扬声器，所以直达声声压级并无变化。这也说明旋转体的安放位置并不构成障碍。

对比图 7和图 8，最大总声压级(TSPL)从88.35 dB变化到了87.8 9dB，平均总声压级则从87.24 dB变化到了86.64 dB，这说明装置改变了厅堂内的混响声环境，根据《厅堂扩声系统声学特性指标》GYJ25-86，这个范围是符合语言扩声系统二级等级指标要求。

图5 A状态DSPL柱状图

图6 B状态DSPL柱状图

图7 A状态TSPL柱状图

图8 B状态TSPL柱状图

A和B状态下柱状图中的平均声能比(C7)从-6.73 dB变化到-5.97 dB，说明了在-15 dB至0 dB的合理范围内实现了音质的可变性，如图9和图10所示。

通过比较语言可懂度(C50)结果，即图11和图12。可以看到分贝数从-1.06 dB升到了0.06 dB，说明语言可懂度上升了，因此该厅堂可以作为会议室、学术报告厅和多用途礼堂及电影放映等多用途。

图9 A状态C7柱状图

图10 B状态C7柱状图

图11 A状态C50柱状图

图12 B状态C50柱状图

图13和图14所示的为两种状态下的ALCON即辅音清晰度损失率百分比，可以看出ALCON在两种状态下的分布都较均匀，这意味着在观众席各个方位中语言清晰度较为一致。A状态下ALCON在4.82%，B状态下为3.39%，说明语言清晰程度升高，达到了可变音质效果。

STI即快速语言传递指数，它主要与扩散声场的声压有关系，其值在0.6至1.0范围内表示厅堂的语言清晰度为优秀，且值越高语言环境越好，通过比较A和B状态STI可知：观众席的STI指向性并没有因可变音质装置而产生不均匀，其平均值从0.663变化为0.728，说明符合优秀语言类厅堂的要求，并且有一定范围的变化，实现了可变音质的合理有效控制，如图15和图16所示。

图13 A状态ALCON柱状图

图14 B状态ALCON柱状图

图15 A状态STI柱状图

图16 B状态STI柱状图

2 结论

仿真结果表明模型基础混响时间为1.24 s，通过在模型中添加六个旋转吸声体，利用耳室作为耦合空间，可实现混响时间在1.01 s至1.22 s范围内变化，即厅堂内的可变音质调节装置可使混响时间达到0.21 s的变化，从而实现了混响可变功能。对比其它声学参数在两种状态下的不同可知语言清晰度得到了可以控制的改变，并且处于优秀的厅堂范围内，既实现了可变音质控制，又优化了厅堂音质环境。所构建厅堂同样适用于会议厅、学术报告厅、多用途礼堂、电影放映等。