礼堂建筑声学设计说明

一、概述

　　该礼堂位于某部大院内，礼堂总平面面积（观众区及舞台区）约950㎡，礼堂观众区规划总座位约600个。
　　该项目为改造项目，目前拆除工作已基本完成。目前现场总体音质感受不佳，存在混响时间过长、有回声、颤动回声等较明显的音质缺陷。
　　我方将依据相应的标准，从实际使用功能出发，结合理论推算和实际工程经验，从优化体型、控制容积、实现最优听音环境等几个方面入手，完成礼堂改造的建筑声学设计。

二、设计依据

　　业主提供的建筑、结构设计图纸；
　　剧场实际使用功能；
　　《剧场建筑设计规范》JGJ57-2016；
　　《剧场、电影院及多用途厅堂建筑声学设计规范》GB/T50356-2005；
　　中华人民共和国国家标准《厅堂扩声系统设计规范》GB50371-2006
　　中华人民共和国国家标准《建筑内部装饰设计防火规范》GB50222-2017
　　中华人民共和国国家标准《城市区域环境噪声标准》GB3096-2008
　　《民用建筑工程室内环境污染控制规定》 GB50325-2010
　　建筑声学材料声学性能参考书目（《声学手册》等）。

三、功能要求

　　礼堂主要作为大型会议、集会、报告，兼顾小型文艺演出。具体建筑声环境要求包括：
　　满足观众席有良好的听闻条件。使用扩声系统时，传送语音清晰可懂，播放音乐丰满明亮。
　　观众厅不得出现回声、颤动回声及声聚焦等音质缺陷。
　　背景噪声必须控制在规范限值之内。
　　大厅内部扩散良好，自然声场均匀。

声学指标

　　主要声学指标
　　根据国家标准要求，衡量厅堂建筑声环境是否合格的主要指标包括：

混响时间（RT）

　　混响时间是房间音质最重要的客观参量之一。它的定义是，声源停止发声后，声能衰减60dB所需的时间。参考《剧场、电影院及多用途厅堂建筑声学设计规范》GB/T50356-2005中对于声学设计的要求，根据礼堂使用的要求及观众厅容积，中频（500~1000Hz）满场混响时间宜控制在：1.0±0.1s。混响时间频率特性：相对于500Hz~1000Hz时的比值

频率（Hz）	125	250	2000	4000
比值	1.0~1.3	1.0~1.15	0.9~1.0	0.8~1.0

背景噪声

　　满足噪声评价曲线NR-35

其它声学指标

早期衰减时间（EDT）

　　早期衰减时间定义为声源停止后声音最初10dB衰变所需的时间。EDT也是评价厅堂音质的重要参数之一。
　　EDT与RT相比，它与上座率关系不大，至少在大型厅堂（1500座以上）中是这样。大型厅堂与小型厅堂相比，在最初的10dB衰变时间（约200ms）内，声波很少经受观众区反射。

明晰度（声能比，C80）

　　用于评价音乐的明晰程度，它的定义是：早期声能（0～80ms）与后到（混响）声能（80ms～∞）之比，即：


　　C80反映了早期声和混响声比值的情况。如果C80是一个较大的正值，则音乐会听起来很清晰，但房间会比较沉寂；相反，如果C80是一个较大的负值，则混响会较长，音乐听起来圆润，但不清晰。在不同的场所希望有不同的C80值，鉴于上文对礼堂的功能定位，观众区应有较好的清晰度，C80值宜大于3dB。

语言传输指数（STI）

　　语言传输指数（STI）方法的提出是基于在实验中发现，语言信号的波动携带着语言清晰度相关的信息。词、句子的声学特征会导致语言信号的波动起伏。这些起伏也是语言的基本组成部分，称之为调制，可以用调制频率来表达。为与语言的语速对应，典型的调制频率从 0.5～16 Hz，通过计算调制频率对应于语言频谱各频带上的振幅降低程度，就可以得到调制转移值，最后根据调制转移值即可得到STI。
　　简单来说，语言传输指数是衡量语音传输质量的一个指标，该参数可以较为全面的反映混响时间信噪比和回声等对语言清晰度的影响，并且考虑了系统失真，心理声学效果（掩蔽效应）等因素。它的值范围为0-1，值越大说明清晰度越好。

四、声学设计方案

1. 体型调整

　　礼堂为镜框式矩形剧场。为了使池座大部分区域获得较为丰富的侧向前期反射声，宜在舞台口两侧向观众区方向设置八字墙。丰富的侧向前期反射声对听众的临场感、空间感等均有极大的好处。
　　八字墙的平面造型如下图，具体的节点尺寸由装修设计确定。


　　观众厅两侧墙面采用折线扩散式设计，避免平行墙面造成的声音的多次来回反射，保证观众区声场均匀。观众区侧墙的平面造型如下图，具体的节点尺寸由装修设计确定。


　　观众厅天花采用层叠式扩散结构。结合面光布置，总体分为三个扩散面。扩散面后端向上倾斜，保证观众区前后排均有较好的听闻环境。结合吊顶天花上方的合理设备管道空间，以及吊顶需要满足的声场扩散要求，吊顶完成后，观众区的平均高度控制在7m左右。观众区天花的大致造型如下图，具体的节点尺寸由装修设计确定。


　　通过整体体型的调整和优化，保证整个礼堂的声场扩散良好，有较好的声场均匀度，避免严重声缺陷的产生。

2. 隔声降噪设计

　　为满足中背景噪声的NR-35的要求，礼堂的围护结构的总的隔声量应不小于55dB。
　　礼堂的墙体结构均为实心墙体，建议双面抹灰为2公分，墙面不直接开槽，所有线管、消防通过装饰隐藏的方式隐藏，加上两面装饰面，隔声量基本满足55dB。根据组合隔声量的原理，需要在隔声量较为薄弱的出入口等位置进行加强。主要有以下几点：
　　礼堂的所有进出通道需采用“声闸”结构，即采用防火隔声门，隔声量不低于Rw-35，且门间过道墙面采用吸声结构。注意每道门的密封。
　　若礼堂改造方案中涉及空调，应在空调通风口（出风口和回风口）设置消声器，消声器消声量需大于45dB，且控制出风口风速不大于2m/s。空调外机若靠近礼堂，应在外机底座设置隔振器。空调风机出风口和管道连接处用帆布接口连接，防止风机振动通过管道振动传递。若管道振动较大，安装时应考虑采用可调式弹簧吊钩。

3. 音质设计

　　为了剧场内部有良好的听音感受，我们要严格控制剧场内的混响时间，，确保会议所需的听音清晰度。

混响设计

　　礼堂观众厅容积约4900m³，根据其多功能使用的要求，各个频率点的混响时间的设计目标值约为

频率(Hz)	125	250	500	250	2000	4000
混响时间(s)	1.3	1.1	1.0	1.0	0.9	0.8

　　为实现整个频率段的混响时间满足设计目标，需合理规划各个壁面材料的吸声性能。同时考虑到使用环境，选材时，在材料的防火、抗撞击、防潮、防霉和环保性能方面按照最高标准挑选。

舞台区

　　为避免会议、集会使用扩声系统时产生话筒啸叫，且确保舞台区清晰的演出声环境，舞台区所有侧墙墙面应采用强吸声处理。
　　采用50mm厚成品铝条缝吸声板，采用100mm后空腔模块化安装。
　　舞台区地面采用舞台专用木地板。

观众区

　　观众厅两侧墙及后墙面材主要采用50mm厚成品铝条缝吸声板和全频反射板。模块化安装，环保等级不低于E1，防火等级：不燃A级。
　　其中台口八字墙采用30mm木饰面GRG全频反射板.
　　观众厅区侧墙面的采用50mm厚成品铝条缝吸声板，采用100mm后空腔模块化安装，观众区后墙面的采用50mm厚成品铝条缝吸声板，板后50mm厚全频吸声板，采用100mm后空腔模块化安装。
　　观众区天花采用GRG按照既定高度和扩散造型吊顶，详细造型节点装修设计定，注意面光桥位置已经面光检修通道的规划。
　　观众区地面建议采用塑胶地板满铺。
　　为保证礼堂观众厅的混响时间在空场（无人）和满场（80%以上上座率）情况下有近似的值，观众厅座椅宜采用有软织物靠背以及翻转后座椅底部穿孔结构的座椅，保证坐人和空座两种状态下有近似的吸声量。

控制室区域

　　在观众区最前排左侧区域设置控制室，控制室建议采用石膏板隔墙搭建，采用双层双结构隔墙。面向舞台一侧采用观察玻璃。
　　控制室区域同样应保证良好的听音环境，尤其是带返听设备的声控室。
　　建议控制室顶部采用50mm厚成品铝条缝吸声吊顶，100mm后空腔模块化安装。
　　控制室底板宜采用防静电架空地板。架空高度建议300mm。
　　控制室通道门采用实心重木门或钢制隔声门。
　　控制室玻璃窗采用双层隔声玻璃，且成夹角不平行布置。

计算机仿真软件模拟

　　该礼堂主要作为大型会议、集会、报告，兼顾小型文艺演出使用。设计观众人数约600人。
　　在声学设计明确该厅堂的音质技术指标的前提下，进行必要的计算机音质模拟，模拟该厅装修完成后的混响时间，确保礼堂能达到预期的设计指标。目前该厅的中频混响时间设计目标已确定为1.0±0.1s。

1） 声学模型的建立

　　在建立该礼堂三维声学模型时，按照以下原则确定其三维直角坐标系。坐标原点取在舞台大幕一侧，为与舞台地面的交点，。从原点面向观众区为X轴的正方向，从原点面向观众席，左侧为Y轴的正方向；从原点的上方为Z轴的正方向。


2） 模型中声源及声学分析网格面

　　在舞台台口中心位置布置声源点，声源离地面高度1.5m，以模拟自然声发声的位置。声学分析网格选取为平行于地面且高出地面1.2米的平面，模拟人耳的高度。网格精度为每1.5m*1.5m区域划分一个网格。声学分析网格位置示意图如图2所示。


3） 模型三维声线追踪与声波反射图

　　可以从三维声线追踪与声波反射图中直观观察声线或者声波真实的传播过程，同时能对三维模型进行水密性检测，确保模型是密闭空间以保证计算机模拟的准确性。



4）模型中声学材料布置

　　在用Odeon软件进行模拟计算时，需要给各表面的声学材料赋一散射系数，散射系数是表示材料对声波散射的一种能力。声波入射到材料表面时，将在材料表面发生声吸收、声透射和声反射作用，一部分声能被材料吸收，一部分声能透过材料到达另一媒介的表面，最后一部分声能被反射。而被反射的声能可以按照镜面反射和散射（或称漫反射）将其分成两部分，镜面反射遵循三线共面、两角相等的法则，而散射则遵循Lambert（朗伯余弦）定律。室内音质计算机模拟中各表面选用的材料及其声学特性如表2-1所示。

表2-1 礼堂内表面主要材料的声学特性
部位	材料说明	吸声系数（倍频带）
		125	250	500	1000	2000	4000
舞台区墙面	50mm厚成品铝条缝吸声板	0.42	0.84	0.87	0.88	0.81	0.58
舞台区地面	舞台专用木地板	0.15	0.11	0.10	0.08	0.07	0.08
舞台区天花	喷覆式防火喷涂	0.12	0.10	0.09	0.07	0.05	0.07
观众区侧墙面	50mm厚成品铝条缝吸声板	0.42	0.84	0.87	0.88	0.81	0.58
观众区侧墙面	30mm全频反射板	0.10	0.12	0.10	0.10	0.15	0.10
观众区后墙	50mm厚成品铝条缝吸声板	0.42	0.84	0.87	0.88	0.81	0.58
观众区天花	造型板面GRG	0.12	0.10	0.09	0.07	0.09	0.05
观众区地面	Pvc地胶板	0.10	0.09	0.08	0.07	0.08	0.07
观众区座椅	剧院专用座椅	0.46	0.68	0.74	0.66	0.68	0.62
面光口	按照耦合空间计算	0.16	0.20	0.25	0.30	0.28	0.28

声学模型内视图如图5、图6所示：



5） 声学模拟结果

　　对模型进行室内音质计算机模拟，将整个声学分析网格按照1.5m×1.5m的网格进行分割，每个单元网格内布置一个测点，以测点的声学参量值代表整个网格内的所有接收点的声学参量，如此，可以获得整个网格内各声学参量的分布情况。计算机模拟结果如图7至图24所示。

A）早期衰减时间EDT

B）混响时间T20

C）明晰度C80

表2-2 礼堂音质参数平均值
频率/Hz	125	250	500	1000	2000	4000
早期衰减时间/s	1.41	1.31	0.81	0.78	0.77	0.82
混响时间/s	1.30	1.05	0.99	0.93	0.95	0.93
C80	4.2	8.2	8.6	8.8	8.7	8.8
STI	大于0.70

6）模拟结果分析

　　通过对礼堂声学模型的模拟，对模拟所得的声学参数进行分析可以得到一些结论，现简要概述如下：
　　礼堂中频混响时间约0.93~0.99秒，全频率点对比中频混响时间的比值在标准规范限制内，整个频率段混响时间数值良好。中频早期衰减时间的数值在0.8s左右，明晰度C80中频数值为8.1，语言传输指数STI大于0.70，这四个数值都表明该剧场在自然声（舞台台口中心放置无指向性声源）时，有较高的语言清晰度。实际使用中，采用有指向性扩声系统（线阵列）时，语言清晰度还会有所提升。
　　若考虑音乐演出，可适当电子混响技术增加人工混响，以保证音乐使用需要的音乐丰满度。
　　从网格分布的情况可以看出，除了极个别边角位置外，全场的分布是比较均匀的。
　　厅内布置的吸声构造是控制混响时间重要的途径，对混响时间等音质参量有直接的影响。因此大面积材料（如座椅、吸声板等）和关键部位（如隔声门、消声器等）进场前需提供专业声学测量报告并送样检测确保其声学性能后，方可进场。
　　装修设计阶段和装修施工的准备阶段，应安排装修专业和声学专业的交底工作，确保装修专业理解相关声学原理，了解声学设计的相关工艺，以确保礼堂的声学音质达到预期效果。