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体育馆吸音改造 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[1,2,3,4,5]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。
体育馆吸音改造 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（“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10 0 m m，平面投影尺寸为112 5m m×620 m m。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[8,9,10,11,12,13]，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%。
