體育訓練館聲學特性分析

王曉東 閔一建 夏澤虎

(陜西師范大學,西安 710062)

近年來新建的體育館通常超越了固有的功能,且有很大的擴展,綜合性體育館尤為突出.在體育館內舉行各種會議、各種大型文娛表演以及演奏交響樂和流行音樂,已經不是偶然或額外的事,而是把它作為一項提高社會效益和經濟效益的內容列入設計任務書中.因此,目前的體育館實質上成為多功能大廳,因而在聲學設計上有較高的要求.由于體育館的容量(容積和容座)大,混響時間長,平均自由程遠超出一般會堂,容易引起各種音質缺陷,而可以用作吸聲處理的部位和面積極為有限,從而增加了聲學設計的難度.自然聲演出僅限于在小型體育館內的交響樂和鋼管樂演奏,機會甚少,因此在聲學設計中要考慮用擴聲系統的演出方式.但優質的擴聲效果必須通過合理的建聲設計才能得以實現,兩者是相輔相成的,只有相互密切配合,才有可能用最低的投資獲得良好的音質和視聽效果.體育館的聲學設計與館的類別、規模(容量)和使用功能有關.因此,根據設計規范和建設要求選擇合理的聲學設計指標是聲學設計的首要任務.

體育訓練館在體育館中又是特殊的一種,由于沒有座位,它的自然混響時間比同容積的有座位的體育館長.體育訓練館也可作為多功能體育館使用,除了滿足正常的體育訓練、比賽外,還要作為文藝演出場地,所以體育訓練館還應考慮滿足文藝演出的混響時間.

本文以陜西師范大學新建的體育訓練館為例,它是一座多功能的體育館.為了滿足使用要求,在館內做了必要的布置和聲學處理.館內可同時設兩個籃球場,而西側籃球場在演出時作為舞臺區.南、北、東方向設有二層和三層走廊.室內平面如圖1所示.

圖1 體育訓練館平面圖

1 室內聲學設計

陜西師范大學訓練館是用于訓練、比賽兼顧小型演出、會議的場館,體積約22814 m3.在該場館的設計中建筑聲學和電聲學是影響室內聲學效果的兩大組成部分,建筑聲學是訓練館建設的基礎,而電聲學具有進一步美化完善室內聽音效果的功能.因此該廳堂的聲音的聽聞條件、視覺效果是由建筑聲學、擴聲系統以及大廳空間建筑設計等要求所組成的一個系統.為了保證室內聲學音質的質量,訓練館內的裝修材料要結合良好聲學擴散和均勻吸聲效果,同時要考慮到墻裙的材料對運動員的保護與耐撞功能,另外考慮整個室內的裝飾風格與色調的搭配,既滿足使用的要求又讓人的視覺感覺和諧統一.

由于采用擴聲系統,必須充分發揮電聲設備性能,使其具有明顯的方向感、人工混響等效應,同時要保證語言清晰度、音樂的頻響及動態范圍等指標.建筑聲學參照《體育建筑設計規范》(JGJ 31-2003),按體育功能設計.電聲擴聲系統參照《體育館聲學設計及測量規程》(JGJ/T131-2000),按擴聲系統二級設計,主要技術指標如下:

建筑聲學特性指標:根據規范按丙級體育館設計,選擇合適的混響時間,做好吸聲與擴散處理,建立良好的混響聲場,降低背景噪聲,以保證語言清晰度和豐滿度.平均混響時間(滿場):1.5±0.15s;背景噪聲:NR40dB;擴聲系統特性指標:聲場不均勻度＜10 db(1～4kHz);傳輸頻率特性:+4～-6db(0.25～4 kHz);傳聲增益＞-12 db(0.25～4 kHz);最大聲壓級:98db(0.25～4kHz).

2 室內聲學裝飾與擴聲

該訓練館頂部處理:頂部采用網架結構,為做到自然采光和節能需求,屋面近2/3的面積采用雙層鋼化加膠中空玻璃,其余的屋面采用彩鋼板屋面.玻璃屋面、二層和三層的南北側有大量的玻璃窗,地面采用運動體育木地板,這些都會對聲音產生強反射作用,出現顫動回聲和長混響.為解決這些難點,我們從吊頂、墻面兩大部分進行聲學處理.

本館采用頂部吸聲以低、中頻為主,從三方面解決吸音問題:

(1)為解決玻璃屋面下與地面之間因硬反射而引起的顫動回聲,通過均布30個懸掛空間吸聲體,加強空間吸聲與聲擴散,有效地解決了顫動回聲.

(2)在屋面彩鋼板下,增加一層穿孔鋁塑板,在彩鋼板下與穿孔鋁塑板之間留0.30m空隙,用0.05m吸聲棉填充,以增加頂部吸聲效果.

(3)一、二、三層周邊圍繞訓練館走廊頂部采用鋁格柵吊頂,在鋁格柵吊頂上部用防火布上鋪0.05m吸音棉,后空腔大于0.50m,既起到了裝飾作用又增強吸音.

側墻吸聲重點在西側的舞臺背后和東側墻面.南北墻只考慮墻裙部分的吸聲處理.由于訓練館西面的籃球場也是多功能使用時的舞臺區,因此在西面墻面布置了柚木色木質穿孔板和淡黃色木絲板,在控制混響時間的同時,以獲得較好的音質環境.

在舞臺區的后面布置了可升降的幕布,方便了文藝演出的需要,在舞臺區的正上方布置了一對線陣列音響系統和舞臺燈光,通過中控室可以調節音響系統、燈光的顏色和強度,以滿足在多功能使用時的音質和燈光要求.在大廳上空均布了8只高保真音箱,保證比賽時的擴聲.如圖2所示.

圖2 大廳屋面下舞臺音響、燈光與空間吸聲體布置

3 聲學測量與方法

采用SZTS自動測量混響時間系統,建筑聲學測量儀自帶的粉紅噪聲源,輸給M1000功率放大器,經過十二面體的SZSY無指向性聲源把噪聲擴散到整個館中.無指向性傳聲器將接受到的聲信號傳輸給SZTS建筑聲學測量儀,把接收到的模擬信號轉換為數字信號,經1/3窄帶濾波器濾波,進行混響時間自動測量.測試系統如圖3所示.

圖3 訓練館測量系統示意圖

測量用的無指向性聲源置于大幕線中心舞臺區.測量混響時間選擇12個測點,測點1、2、3位于館內西面籃球場,也是多功能使用時的舞臺區.測點4位于整個訓練場地中央,測點5、6、7位于館東面籃球場.測點8、9、10位于一層場地北邊的走廊.11、12測點分別在二層、三層北側.接受傳聲器離地面高度為1.60m.

根據《廳堂擴聲特性測量方法》(GB/T 4959-1995),對訓練館的擴聲系統進行聲學測試,測點分布為1～34號.測點選取如圖4所示.

圖4 各層平面測點示意圖

4 測量數據及分析

混響時間測量:對訓練館12個測點逐一測量,系統會自動記錄下每個測點的各個頻率段的混響時間值,并自動計算出平均值.給出4號測點自動測量全頻段的混響時間頻率特性圖,如圖5所示.

圖5 4號測點混響時間頻率特性圖

將大廳各測點6個頻率段的混響時間進行統計,計算得出各頻率下的總平均混響時間頻率特性,見表1.

表1 大廳各頻率下的總平均混響時間和背景噪聲

根據以上數據,得出該館空場混響時間頻率特性曲線圖,如圖6所示.

圖6 總平均混響時間頻率特性曲線(空場)

通過對空場實測混響時間頻率特性曲線圖分析,可以發現,125～500Hz在標準值范圍內,500～4000 Hz頻段的混響時間高于滿場時的標準值,但是這樣的變化有益于提高訓練館的語言清晰度.由于平時訓練時館內人數較少,只有運動員與教練員,使用過程中發現他們之間進行語言交流時,聽音清晰,能清楚地明白對方的意思.當訓練館進行文藝演出時,人數超過1/2滿場時,由于人們衣服在1000～4000Hz有一個吸聲峰,此時中高頻段的混響時間將會降低,使得館內的混響時間頻響變得比較平滑.

擴聲系統特性測試:測試結果見表2.

表2 擴聲系統測試參數

聲場缺陷分析:采用猝發聲信號,頻率從125～8000Hz,觀察大廳內有無顫動回聲現象,通過分析發現,接受到的猝發聲很快衰減下來,沒有出現明顯顫動回聲現象.圖7是接收到的800 Hz猝發聲信號時域譜圖.

圖7 訓練館大廳800Hz猝發聲接收信號

5 結 論

作為多功能的訓練館,根據現場情況,合理地利用了頂棚空間,設計了中低頻吸聲結構,獲得較大的吸聲量.并在玻璃頂棚下均布了空間吸聲體,解決了該區域的吸聲和顫動回聲問題,獲得較合理的混響時間.通過猝發聲實驗,沒有發現顫動回聲現象.在擴聲系統中主聲場區采用線陣列音響,四周均布高保真音箱,獲得了均勻的聲場及良好的音質效果.經嚴格測試,其空場平均混響時間1.69s,聲場不均勻度6.5 dB,背景噪聲達到NR33 dB.各項擴聲指標除了最大聲壓級略小外,均達到設計要求,主觀試聽滿意.當館內的人數達到滿場或者1/2滿場時,由于人們衣服高頻吸聲的原因,在2000 Hz附近的混響時間將會降低,使得館內的混響時間頻響變得比較平滑,滿足該廳堂建筑聲學設計的要求.在文藝演出時,采用電子混響器調節館內的混響時間,可以滿足文娛演出的需求.2008年12月的陜西省排球聯賽在該館舉辦,經受使用的考驗,受到人們好評,是一座較優秀的多功能體育館.如圖8所示.

圖8 訓練館現場比賽

通過對體育訓練館的建筑聲學設計,聲學裝飾材料選擇,擴聲系統設計,到聲場測試、分析整個研究過程,進一步明確了聲學設計在建筑工程中的重要意義.建聲處理對能否達到合理的混響時間,來滿足室內聽音要求,起著決定性作用.

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