膜结构高大空间音质设计浅析——以西亚斯国际学院体育馆声学改造为例

张 龙

王 凡

饶紫云

1 背景介绍

膜结构顶棚以其轻质、高强度、造型可塑性强等优点在高大空间建筑设计中被广泛应用，然而该结构由于其自身材质的特殊性又对室内音质设计提出了更高的要求。传统的大空间音质设计以控制全频混响时间和避免声缺陷为重点，较低的混响时间及平直的频率特性有利于扩声系统的使用。常见的处理方式即在顶面结合金属屋面做声学处理或者大面积悬挂吸声体，而在膜结构的高大空间中这些方法将受到较大的限制，一方面是基于膜自身的吸声特性，由于自振频率较低且面积较大，膜结构低频吸声性能较好，同时较大的平均自由程使得空气吸声量在总吸声量中的比例增大，频率特性在高频段斜率急剧减小，从而在中低频段某处出现拐点（“起包”现象）；另一方面，吸声界面受到限制，在已有膜结构的表面难以悬挂较大的荷载且难以进行声学处理，若顶棚较高，则平整的膜表面与地面之间容易产生颤动回声的音质缺陷。由此可见，分析已有的膜结构声学设计案例并探索其音质设计策略具有重要的理论和现实意义。

高大空间建筑声学设计是当代建筑声学工程技术的重要研究方向，文献[1-5]中阐述了体育馆、主题乐园、展厅等不同功能的高大空间声学设计方案，这些方案具有一定共性，即顶面往往能够作为重要的吸声面且限制较小；而关于膜结构声学性能的研究较少，仅有的文献则更多关注膜结构的空气声隔声性能[6-7]。本文以某膜结构体育馆的声学改造工程为例，通过分析改造前室内声场的音质缺陷，提出合理的建声和电声解决方案，采用声学模拟软件仿真计算室内声场，并通过现场测量验证方案的可行性。

图1 膜结构体育馆改造前实景

图2 顶棚吸声体安装节点

图3 顶棚吸声体吸声系数混响室测量

图4 扬声器定位指向性平面示意图

图5 改造前RT30（f=1000Hz）听音面模拟云图

图6 改造后RT30（f=1000Hz）听音面模拟云图

图7 改造前D50（f=1000Hz）听音面模拟云图

图8 改造后D50（f=1000Hz）听音面模拟云图

2 膜结构体育馆声学缺陷分析

2.1 改造项目概况

该体育馆为矩形平面，长约87m，宽约52m，屋面中部为凹曲面穹顶，屋面两侧均为膜结构，室内总体积约54700m3，最大容座2333座。该体育中心主要功能是用于学生平时体育锻炼，但需兼顾会议及文艺活动的功能需要（图1）。

应使用方要求，我方对该体育中心室内音质进行现场主观试听与测试，室内墙面虽采用了较大面积的吸声材料，但由于未根据体型特点及膜结构特性进行针对性设计，导致室内声场分布不均匀，音质效果较差。扩声系统布局不合理，不仅未能减弱音质缺陷的不利影响，反而进一步加剧了声缺陷的程度。

2.2 声学改造目标

根据现场测量数据并结合主观感受可知改造方案应重点解决下列几个问题。

① 改善混响时间频率特性，解决“起包”现象。根据混响时间测量结果可知，改造前该体育馆空场混响时间f=1000Hz时为4.1s，且在此频率位置曲线出现峰值。空场各频段混响时间实测值详见表1。

②凹曲面穹形顶棚存在声聚焦现象[14-15]。由于原有凹曲面顶棚未考虑吸声和扩散处理，声线聚焦位置恰在人耳高度附近。根据实测结果可知，在无指向性声源作用下，聚焦点位置的平均声压级（线性计权）比其他位置高2.5dB。

表1 改造前体育馆空场混响时间实测结果

表2 吸声体吸声系数混响室测量结果

表3 改造后聚焦点和非聚焦点声压级测量结果

图9 改造前后混响时间实测结果对比

图10 竣工测试现场测试用传声器

③室内光滑平行界面较多，存在颤动回声的缺陷[16-17]。如大面积的玻璃墙面之间，膜结构与地面之间均将导致声能往复反射，从而导致令人不适的“嗡嗡”声。

④扩声系统定位及投射方向、覆盖角等参数不合理，将直达声能在中部汇聚，进一步加剧了声学缺陷造成的不利影响。

3 膜结构体育馆声学改造策略

由上述分析可知，该体育馆改造的难点在于顶面膜结构面积较大，常见的大空间声学处理方式难以适用，同时在不破坏原有结构的条件下，需精准而又针对性地解决存在的若干声学问题。对此，在保证声学效果同时兼顾装饰、经济性的前提下，我们针对性地提出了相应的解决方案（图2）。

改善频率特性（消除“起包”）可结合声聚焦问题一并考虑。由于需选择性地降低某些频率的混响时间。同时尽可能消除中低频聚焦产生的不良影响，因此我们对于材料吸声特性的选择及吊挂形式提出了相应的要求。具体措施如下：在保持原有膜结构的情况下将局部凹曲面吊顶拆除，并按阶梯状悬挂平板空间吸声体，空间吸声体单元厚100mm，平面投影尺寸为1125mm×620mm。单元之间采用30×30×2.5镀锌角钢固定，并采用φ6镀锌钢丝绳固定于网架下弦杆上（图3）。

空间吸声体中棉的特性及整体制作工艺对于其声学性能具有关键性作用，为了保证吸声体能够针对性地解决该体育馆的问题，在确定材料各项参数后由专业的检测机构在混响室中测量吸声体单元的吸声系数，并以此修正计算结果。吸声体混响室各频段吸声系数实测值参看表2。由此可知，500Hz吸声系数高达2.08，1000Hz吸声系数高达1.71，低频和高频吸声系数相对较低，可见该吸声体吸声频率特性可选择性大幅度降低某些频率的混响时间，完全适合该体育馆的声学要求。

对于体育馆内其他可能造成颤动回声的平行界面则做了针对性处理，如将原有贵宾包厢玻璃窗拆除同时后墙面作吸声处理。为了和其他界面装饰效果保持统一，改造的后墙面采用槽木吸声板，正面开槽，槽宽4mm，条面宽28mm；背面开孔，孔径10mm，孔距沿长边方向16mm，沿短边方向32mm；板后空腔100mm，内填50mm厚32kg/m3玻璃棉；原有窗帘拆除，采用200%打折密度较高吸声性能较好的天鹅绒窗帘，同时将玻璃墙面上方的玻璃挡板拆除，进一步降低颤动回声的不利影响。

重新调整扩声扬声器的定位及辐射角度。利用原有灯光吊杆吊挂9只箱式点声源扬声器，合理选择扬声器的指向性[8-13]，避免直达声能在凹曲面顶棚下方汇聚，确保直达声可均匀覆盖比赛场地和观众席，扬声器定位及指向性参看图4。

4 计算机声学仿真计算

为了验证和预测该改造方案的实际效果，采用Raynoise 声场模拟软件对音质客观参量进行仿真计算。将原体育馆室内空间做简化处理，建立三维仿真模型，根据混响时间计算结果定义室内各界面吸声系数和散射系数。仿真声源为距地1.5m高无指向性点声源，听音面包含比赛区域和观众区域，距地1.2m高。

图5和图6分别为改造前和改造后听音面中频1000Hz混响时间模拟云图。图7和图8分别为改造前和改造后听音面中频1000Hz清晰度D50模拟云图。对比图5和图6可知，经过声学改造后，原本“起包”频率混响时间明显降低，1000Hz模拟混响时间平均值小于2.4s；对比图7和图8可知，在改造前较大面积区域1000Hz语言清晰度D50均小于30%，在改造后1000Hz语言清晰度得到显著改善，听音面D50平均值＞45%。

5 项目竣工后的现场实测

为了进一步评价声学改造效果，在项目竣工后我方至该体育馆进行建筑声学测试。由于现场扩声设备已安装完毕，故采用安装完毕的扬声器作为声源输出声信号。

声聚焦的测量则是在声源稳定发声的情况下，采用手持式信号分析仪记录聚焦点和非聚焦点一定时间内各频段的平均声压级，并计算线性计权等效声压级来判断聚焦的程度（图9，表3）。

对比改造前后的混响时间测试值可以看出，250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz混响时间均有明显降低，混响时间频率特性改善效果显著。改造后混响时间测试值与计算值在中高频段吻合较好。由声压级测量结果可知，聚焦点和非聚焦点线性计权等效声压级相差约2dB。声压级差异是由于聚焦点靠近指向性扬声器声轴，扬声器直达声对测量结果产生影响（图10）。

由竣工后现场实测结果可知，该体育馆声学改造有效克服了膜结构所固有的声场不利因素，通过试听、模拟、现场实测等多个手段综合考虑声学改造措施，最终取得了令人满意的效果。由此可见，对于膜结构的高大空间声学设计，合理的声学设计策略应建立在对室内声场准确的分析之上，对症下药方能达到预期的设计目标。

资料来源：

文中图表均为作者自制自摄。