穹顶建筑声聚焦现象及其解决方案
陈盛玉1,2, 郎宇福2, 张学勇1
（1.) 安徽建筑大学数理学院声学研究所，合肥，230601；2. 北京维也纳声学技术有限公司，北京，102299）
摘 要：针对长春一穹顶建筑声聚焦缺陷，本文利用声学软件CATT-Acoustics首先进行室内音质模拟研究，分别采用不同降噪系数的吸声材料和不同扩散面积的扩散面对其声聚焦现象进行对比分析，然后给出具体的工程改造措施及施工方案。项目竣工后现场测得参数：混响时间为1.2 s（500 -1000 Hz），语言清晰度D50（1000 Hz）为0.75，语言传输指数是0.79，背景噪声为41.8 dB。改造后的穹顶建筑室内空间语言清晰度良好，无明显的声聚焦、回声等声学缺陷，声环境得到了有效改善。论文工作可为各类穹顶式建筑可能存在的声聚焦现象的解决，提供一定的实际工程参考。
关键词：穹顶建筑；声聚焦；声学设计
中图分类号：TU201.4; TU-022 文献标识码：A
Research on sound focusing of dome building and its renovation measures
CHEN Sheng-yu 1, 2, LANG Yu-fu 2, ZHANG Xue-yong 1(1. Institute of Acoustics, School of Mathematics and Physics, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China;
2. Beijing Vienna Acoustics Technology Co. Ltd., Beijing 102299, China)
Abstract：To solve the problem of sound focusing of the dome building in Changchun, acoustic software CATT-Acoustics is first employed to analyze the indoor acoustics quality. The effect of sound focusing on the indoor acoustic environment is compared using the absorption acoustic materials with different noise reduction coefficients and the acoustic diffusers with different areas, on the upper apex of the dome building, respectively. Detailed engineering renovation measures and programs are then presented. After the completion of the renovation project, the field measurements are as follows. The reverberation time is 1.2 s (500 -1000 Hz), the speech definition D50 (1000 Hz) is 0.75, the speech transmission index is 0.79, and the background noise level is 41.8 dB. The results show that the indoor acoustics quality is effectively improved with good speech intelligibility and without acoustic defects, such as sound focusing, echo. The work can provide some practical engineering references for the solution of the sound focusing which may exist in all kinds of dome-shaped buildings.
Key words：dome building; sound focusing; acoustic design
0 引 言
穹顶又称圆顶，是一种屋顶建筑形式。其外形一般为球形或多边形，室内顶部则呈半圆形。伊斯兰教清真寺中的天房,罗马大角斗场，北京天坛祈年殿，蒙古族民居蒙古包，哈尔滨市的圣索菲亚大教堂等都是典型的穹顶类建筑[1]。穹顶建筑的美学价值在于其象征着凝聚、团圆和饱满，古往今来，一直深受建筑师的青睐。在现代，球形围合结构或球形围合空间普遍存在于许多大型的公共空间，如北京野生动物园金丝猴馆，以及礼堂、多功能厅、会议厅、展厅和体育馆等一般性厅堂建筑设计中，为人们提供了丰富多彩的室内外视觉效果。然而，由于其固有的球面体型特征可能会伴随声聚焦现象，从而影响人们的室内听闻条件[2,3]。声聚焦现象是指声波在传播过程中遇到凹曲面时，凹面会对声波形成集中反射，造成反射声波的声能密度比入射声波的声能密度要大，这样会使反射声聚集于某个区域，声音在该区域内将被放大，而另一区域声音则较小，造成声场极不均匀的现象。开展声聚焦现象的研究在一定程度上可克服甚至避免建筑设计中可能存在的音质缺陷，从而完善建筑的功能，提供给人们以视听结合的美感。当建筑还在土建阶段，建筑体型尚未确定时，通常情况下，可以通过改变体型及其围合方式来改变球形结构形成的声聚焦点的位置。而对于土建已经完成，体型确定的建筑来说，改善声聚焦缺陷的措施，更多的则是通过科学合理选择和使用建筑声学材料或局部改变凹面结构来改善室内声能密度的均匀性。比如采取吸声处理、扩散处理以及断开聚集表面等措施。
收稿日期：
基金项目：安徽省振兴计划项目（2015zytz039）
作者简介：陈盛玉(1994-), 女, 安徽合肥人, 汉, 本科, 技术员, 研究方
向为建筑声学。
通讯作者：张学勇, Email: xyzhang@ahjzu.edu.cn.
本文利用声学软件CATT-Acoustics，针对长春一穹顶建筑展厅室内音质声聚焦缺陷，进行计算机辅助设计计算，给出一种具体的改造措施及施工方案。项目竣工后，现场音质测试结果表明该方案较好地解决了建筑内部声聚焦现象，有效提升了其内部声环境质量。
1 长春一穹顶建筑简介
1.1工程概况
主要功能是用作新品展示。为了凸显品牌形象，力求给人们留下深刻印象,建筑初始设计时,设计师在设计上着重追求新、奇和特的建筑形象，大量运用了凹凸的曲面造型和流线造型,如图1所示。建筑外表看上去似一个抛物面形的“大锅”反扣在地面上，直径为29.2 m，高度为12 m，平面看上去则为一圆形。此展厅四周墙面采用球形网架结构，轻钢龙骨扣件连接，表面采用普通吸声板整体处理。在设计之初没有综合考虑声学因素，施工完成后，存在声聚焦、听音不清等严重声学缺陷，导致无法正常投入使用，需要进行工程改造。
图 1 长春一穹顶建筑外貌
Fig.1 Photograph of the dome building in Changchun
1.2存在主要声学问题
穹顶建筑展厅存在的声学问题,主要有:
1) 声聚焦声学缺陷 整体造型是一个穹顶式建筑，活泼、饱满、富有曲线感，但是由于穹顶的整个凹面会对声波形成集中反射，使反射声聚焦于某个区域，造成声音在该区域特别强，声能过分集中,而其它区域声音则特别弱，甚至存在死点，室内声场极度不均匀。
2) 语言清晰度较差 早期声能比D50（1000 Hz）为0.38，语言传输指数（STI）是0.48，背景噪声为45.1 dB （SPL，dB（A））。听音要求不达标，在展厅内部举办活动时，近距离语言交流就需要提高音量才能听清楚，增大了空间内部整体环境的嘈杂性，进而进一步导致展厅内部的背景噪声偏大。
3) 混响时间较长 混响时间改造前实地测量
基金项目：安徽省振兴计划项目（2015zytz039）
作者简介：陈盛玉(1994-), 女, 安徽合肥人, 汉, 本科, 技术员, 研究方
向为建筑声学。
通讯作者：张学勇, Email: xyzhang@ahjzu.edu.cn.
本文利用声学软件CATT-Acoustics，针对长春一穹顶建筑展厅室内音质声聚焦缺陷，进行计算机辅助设计计算，给出一种具体的改造措施及施工方案。项目竣工后，现场音质测试结果表明该方案较好地解决了建筑内部声聚焦现象，有效提升了其内部声环境质量。
1 长春一穹顶建筑简介
1.1工程概况
主要功能是用作新品展示。为了凸显品牌形象，力求给人们留下深刻印象,建筑初始设计时,设计师在设计上着重追求新、奇和特的建筑形象，大量运用了凹凸的曲面造型和流线造型,如图1所示。建筑外表看上去似一个抛物面形的“大锅”反扣在地面上，直径为29.2 m，高度为12 m，平面看上去则为一圆形。此展厅四周墙面采用球形网架结构，轻钢龙骨扣件连接，表面采用普通吸声板整体处理。在设计之初没有综合考虑声学因素，施工完成后，存在声聚焦、听音不清等严重声学缺陷，导致无法正常投入使用，需要进行工程改造。
图 1 长春一穹顶建筑外貌
Fig.1 Photograph of the dome building in Changchun
1.2存在主要声学问题
穹顶建筑展厅存在的声学问题,主要有:
1) 声聚焦声学缺陷 整体造型是一个穹顶式建筑，活泼、饱满、富有曲线感，但是由于穹顶的整个凹面会对声波形成集中反射，使反射声聚焦于某个区域，造成声音在该区域特别强，声能过分集中,而其它区域声音则特别弱，甚至存在死点，室内声场极度不均匀。
2) 语言清晰度较差 早期声能比D50（1000 Hz）为0.38，语言传输指数（STI）是0.48，背景噪声为45.1 dB （SPL，dB（A））。听音要求不达标，在展厅内部举办活动时，近距离语言交流就需要提高音量才能听清楚，增大了空间内部整体环境的嘈杂性，进而进一步导致展厅内部的背景噪声偏大。
3) 混响时间较长 混响时间改造前实地测量
2 工程改造设计依据及目标
2.1 设计依据[4-8]
《声环境质量标准》（GB3096-2008）、《室内混响时间测量规范》（GB/T50076-2013）、《建筑隔声与吸声构造》（08J931）、《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》（GB/T50356-2005）和《民用建筑隔声设计规范》（GB50118-2010）。
2.2设计目标
1）改善声聚焦缺陷； 2）展厅内部具有良好的语言清晰度，满足听闻要求；3）降低室内背景噪声；4）通过声学设计改造措施满足室内装饰要求。
3 计算机仿真设计
3.1模型构建
依据施工图纸，CATT-Acoustics构建的穹顶建筑展厅三维声场计算模型图，如图2所示。
图 2 3D计算模型图
Fig.2 3D computational models
图3给出的是穹顶建筑展厅平面和剖面的声线分析图。从图3中可以直观的看到该建筑存在明显的声聚焦现象。
图 3 长春一穹顶建筑室内声线分析图
Fig.1 Schematic of the ray-tracing for sound focusing in the dome
building in Changchun
考虑展厅在进行展览时，存在的声源点较多，因而形成的聚焦点区域也比较广。图4给出的是声源频率为500 Hz，采用四个不同声源点位置仿真，所产生的对应聚焦点模拟结果。
图 4 不同声源点时的聚焦点
Fig. 4 Sound focusing corresponding to the four different sound source
positions
从图4可知，选择不同声源点时，所对应形成的聚焦点都是相对于其中一条直径对称。为简化计算，本文选择其中的一点进行模拟。
3.2三维声场模拟分析
3.2.1顶部采用不同降噪系数材料对室内声聚焦的影响
定量选取的地面和门的吸声系数列于表1中。
图5给出的是顶部未使用吸声材料处理以及分别采用降噪系数NRC为0.50、0.70和0.90吸声材料处理后，频率为500 Hz时的典型声压级图。
表1. 地面、门及穹顶壁面吸声系数
Table. 1 Sound absorption coefficients of floor, door and wall under different frequency levels
从图5中我们可以看出，材料降噪系数NRC为0.50时存在较明显的声聚焦现象。当材料降噪系数NRC增加到0.70时，声聚焦程度稍微减弱，但依然存在。而采用降噪系数NRC为0.90时，声聚焦现象得到有效改善。
图 5 频率为500 Hz时采用不同降噪系数材料后的声压级图
Fig. 5 Sound pressure levels corresponding to materials with different
noise reduction coefficients at a frequency of 500 Hz
3.2.2顶部采用不同面积扩散体对室内声聚焦的影响
地面、门以及穹顶壁面的定量声学特性参数选取如表1所示。为直观观察不同面积扩散体对声聚焦的影响，这里设定顶部扩散体材料降噪系数NRC为0.65，穹顶壁面降噪系数NRC为0.50。
图6给出的顶部扩散区域面积直径分别为8 m、10 m和12 m，频率为500 Hz时的典型声压级图。
图 6 频率为500 Hz时采用不同扩散面积处理后的声压级图
Fig. 6 Sound pressure levels corresponding to materials with
different acoustic diffuser areas at a frequency of 500 Hz
从图6中我们可以看出，顶部扩散区域面积直径为8 m时存在较严重的声聚焦现象。当扩散区域直径为10 m和12 m时，声聚焦现象得到改善，但是仍有微弱的聚焦。考虑到成本造价，最后设计扩散区域直径为10 m。
4 工程改造方案及具体措施
4.1设计方案
穹顶建筑展厅原有装饰表面采用的是吸声性能较强, 降噪系数NRC为0.70的无缝吸声材料，这样除了体型的特殊性，约有30%的声能又会通过精度较高的内圆弧反射到地面的中央区域形成声聚焦。根据三维声场模拟结果分析,提出的方案如下:
1） 使用降噪系数NRC为0.90的AGG无缝强吸声材料替代原装饰表面材料,提高整体吸声性能，减少反射声能，缩短混响时间。
2） 顶部悬挂兼具吸声功能的反弧形反射板，进行声波扩散。声能在吸收的同时，剩余的声能可有效进行扩散，改善室内声聚焦现象。根据上述数值模拟计算结果,我们选择扩散区域直径为10 m的反射板,一方面不会因使用面积太大造成浪费，另一方面也不会由于面积太小而导致反射量不足。反弧形反射板由12 mm厚单层纸面石膏板制作而成，其表面冲压10 mm*10 mm孔径方孔，开孔率为16%，后空腔内填入32 kg/m³，50 mm厚玻璃棉，吸声系数NRC为0.65。
3）地面铺设地毯。
4.2设计方案可行性计算机声学效果量化评估
1）在自然声源的条件下，厅内声场不均匀度应≤±4 dB，最大与最小声压级差值≤8 dB，各频带(125 - 4000 Hz)模拟结果显示室内声场满足设计要求。图7（a）给出的是500 Hz的典型声压级图.
图 7 声压级、语言清晰度、混响时间和强度指数图 (500 Hz)
Fig. 7 Sound pressure level, speech definition, reverberation time and
strength factor at a frequency of 500 Hz
2) 语言清晰度（D50）对于语言类使用厅堂听音区音质明亮、清晰要求语言清晰度达到70%以上, 各频带(125 - 4000 Hz)模拟结果显示D50满足最佳值范围。图7(b) 给出的是500 Hz时的典型语言清晰度D50图。
3) 混响时间 根据穹顶建筑作为展厅使用的功能要求，混响时间确定为RT=1.2 s。保证空间内活动的人员能够听清楚发出的全部信息。各频带(125 - 4000 Hz)模拟结果显示混响时间（RT）满足最佳值范围，满足混响时间设计指标。图7(c) 是500 Hz的典型混响时间（RT）图。
4) 强度指数（G） 用于排除声源声功率对空间内部响度的影响，最佳值要求大于0 dB。各频带模拟结果显示强度指数（G）满足最佳值范围。图7(d) 是500 Hz的典型强度指数（G）图。
5) 快速语言传输指数（RASTI） 用于表示空间内部语言使用时的清晰程度大小，大于0.4时表示能够满足语言类使用，大于0.5时表示语言清晰度优良。模拟结果显示RASTI满足要求。
4.3工程改造后音质测试结果
改造后穹顶建筑展厅内部的中频混响时间实地测量为1.2 s（500 -1000 Hz）, 早期声能比D50（1000 Hz）为0.75，语言传输指数（STI）是0.79，背景噪声41.8 dB。
5 结 论
本文对长春一穹顶建筑展厅室内音质声聚焦缺陷,利用CATT-Acoustics声学软件分别进行吸声与扩散处理辅助设计,结果表明穹顶部采用降噪系数NRC为0.90的吸声材料和顶部扩散区域采用直径为10 m的反射板, 声聚焦现象可得到有效消除。工程对展厅装饰表面(顶部和壁面)具体采用降噪系数NRC为0.90的AGG无缝强吸声材料, 顶部悬挂兼具吸声功能的反弧形反射板(直径10 m, 开孔率为16%), 计算机声学效果量化结果表明自然声源条件下,其声场不均匀度(≤±4 dB)、语言清晰度(＞70%)、混响时间（1.2 s，500 -1000 Hz）、快速语言传输指数(＞0.5)等指标满足室内声场设计要求。工程改造完工后，各项声学指标符合预先改造方案的设计目标。现场音质测试结果：混响时间1.2 s（500 -1000 Hz）, 语言清晰度D50（1000 Hz）为0.75，语言传输指数（STI）是0.79，背景噪声41.8 dB（SPL，dB（A））。改造后的穹顶建筑展厅室内语言清晰度良好,无明显的声聚焦、回声等声学缺陷，达到了实用性、美观性和经济性的统一。
参 考 文 献
[1] 汪霞, 李跃文. 千年穹顶——穹顶的过去·现在·未来[J]. 华中建筑, 2002; 20(4): 41-44.
Wang X, Li Y W. Thousands years of vault——the past, now and future [J]. Huazhong Architecture, 2002; 20(4): 41-44.
[2] Wulfrank T, Orlowski R J. Acoustic analysis of Wigmore Hall, London, in the context of the 2004 refurbishment [C]. Proceedings of the Institute of Acoustic, 2006; 28(2).
[3] Iannace G, Di Gabriele M, Sicurella F. Sound focusing effects in horseshoe plan theatre[J].Acoustics Australia, 2016;44(2):359-368.
[4] GB3096-2008, 声环境质量标准[s].
GB3096-2008,Environmental quality standard for noise[s].
[5] GB/T50076-2013, 室内混响时间测量规范[s].
GB/T50076-2013, Code for measurement of the reverberation time in rooms[s].
[6] 08J931, 建筑隔声与吸声构造[s].
08J931, Building sound insulation and sound absorption structure[s].
[7] GB/T50356-2005, 剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范[s]
GB/T50356-2005, Code for architectural acoustical design of theater cinema and multi-use auditorium.
[8] GB50118-2010,民用建筑隔声设计规范[s]. GB50118-2010, Code for design of sound insulation of civil buildings [s]
.
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