学术报告厅建筑声学环境的细部设计——以湖南省博物馆学术报告厅为例

张晟熙

(湖南建工集团装饰工程有限公司，湖南 长沙 410001)

学术报告厅要求具备良好的声学环境。随着建筑声学仿真设计技术的出现，建筑隔声与吸声研究取得了很多成果[1-4]。但声学环境与装修构造细部设计存在衔接不顺的问题，致使施工后达不到建筑声学设计效果[5-6]，影响厅堂正常使用。为此，本研究结合工程经验，参照文献[7]～[8]的要点重新梳理设计过程，将声学环境设计与装饰构造细部设计相统一，以湖南省博物馆学术报告厅项目的建筑声学环境细部设计为例，分析报告厅的声学环境细部设计要求与方法，探讨声学环境施工细节问题。

图1 学术报告厅

1 工程概况

湖南省博物馆位于湖南省长沙市烈士公园西北角，学术报告厅(见图1)位于博物馆建筑的大屋顶内，属多用途厅堂。观众厅面积280 m2，舞台面积150 m2。共有247个座位(含活动座位)，有效容积为3 010 m3，平均每座占7.9 m3。其声学设计与施工要求保证语言清晰度，厅内各处需有合适的相对强感和均匀度；观众厅内任何位置上不能出现回声、多重回声、颤动回声、声聚焦和共振等缺陷，且不能受设备噪声、机房噪声及外界环境噪声的干扰。

2 位置选择

为避免噪声干扰，学术报告厅需远离入口大厅、交通走廊、展厅、设备机房、车库等处所。为此，将学术报告厅布置在博物馆顶层的钢结构“大屋顶”内。其在建筑平面中的位置如图2所示。

图2 学术报告厅在建筑平面中的位置

3 音质设计

音质设计需贯穿项目设计、施工和验收全过程[9]。音质设计包括体型设计、响度和混响时间计算。依据GB/T 50356-2005《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》，观众厅和舞台内无人占用时，在通风、空调设备和放映设备等正常运转条件下，学术报告厅的噪声限值为：自然声时不宜超过NR-30，采用扩声系统时不宜超过NR-35；自然声状态下，厅内早期反射声声场应均匀分布，观众席的早期反射声相对于直达声的延迟时间应≤50 ms(相当于声程差17 m)[10]。

3.1 体型设计

图3 学术报告厅室内体型

体型设计要充分利用空间和各个装修面，使听众获得较多的有效声能(包括直达声及直达声后35 ms以内的前几次反射声，它能增加响度和清晰度)，减少直达声的损失，尽量缩短声音的行程，避免声能被遮挡或吸收。

该学术报告厅的室内体型如图3所示。它采用“类扇形”平面，宽19.5 m，舞台上檐(无实体舞台与台口)至后排距离为12 m，上檐两侧的墙和顶部均为倾斜面。

体型设计要做到不用电声扩声时，报告厅内各点的音质条件接近，声场分布均匀，最大程度地避免因体型缺陷而造成有害声。有害声主要包括：(1)因声场不均匀所造成的声聚焦，它在音质上主要表现为声音轰鸣而模糊；(2)由于某一墙面的反射所引起的回声，它取决于反射声与直达声延迟时间之差；(3)颤动回声，它常产生在一对有高度反射性能的平行墙之间或壳顶；(4)沿边反射，它常发生在圆形或大的凹面体型中；(5)声影区，即由于阻挡而形成的声音不足的区域。

3.2 响度设计

学术报告厅应有足够的响度和均匀的声场分布，一般演讲者声音比环境噪声大5～10 dB响度为满意。采用EASE软件计算该学术报告厅声场分布和混响声最大声压级，结果如图4～5所示。

图4 声场分布图

图5 125～4 000 Hz总声压级图

由图5可得声场均匀度分析表,具体如表1所示。

表1 声场均匀度分析表

可见，该学术报告厅125～4 000 Hz全频带模式总声压级最小为137.28 dB，不均匀度≤8 dB，优于多用途类扩声系统声学特性指标的国家一级标准——在额定通带内最大声压级SPL大于或等于103 dB，1 000、4 000 Hz时稳定声场的不均匀度分别为≤6 dB、≤8 dB[11]。

3.3 混响时间的计算

该学术报告厅的室内基本吸声量和混响时间的计算结果如表2所示。

表2 室内基本吸声量和混响时间计算结果

3.4 RASTI语言清晰度分析

EASE的语言清晰度计算是采用RASTI法计算得出期望值指数(基于建声上接近混响时间频响曲线和电声上选用的所有扬声器都处在正常的工作状态下)。RASTI法是客观评价厅堂语言可懂度的快速语言传输指数,它的计算应用需满足以下几项要求：(1)基本上是线性语言传输(无削波等)；(2)采用宽带语言传输(典型值为200～6 000 Hz)，因为此方法是以假定基本上是无限制的语言谱为基础的；(3)背景噪声中不包含纯音，在倍频带频谱中，无明显的峰或谷；(4)背景噪声无脉冲特征；(5)混响时间随频率变化不太大时。语言清晰度指数(STI)的评定标准为：0.40≤STI<0.45为可以，0.45≤STI<0.50为好，0.50≤STI<0.55为良好，0.55≤STI<0.60优良，0.60≤STI<0.90为优秀。从图6可知，学术报告厅RASTI指数的平均值为0.645，即声音质量的等级为优秀。

图6 学术报告厅RASTI语言清晰度计算分析图

4 噪声控制

4.1 设计建议

1)隔声减噪设计。可将吸声材料装置在报告厅的墙面、顶棚和地面等部位，使噪声碰到这些材料时被部分吸收，从而达到降低噪声的目的。学术报告厅应防止各项噪声源对观众厅的干扰，这些噪声源包括建筑物内设备噪声、外界穿入观众厅的噪声和与本建筑相关设施的其他噪声源。

2)隔震措施。为控制振动环境，学术报告厅的地面采用复合木地板，基层钢骨架的连接支座与建筑楼板间采用隔震橡胶垫。

3)通风空调系统的噪声控制。为控制通风空调系统的噪声，学术报告厅周边的采暖、通风和空调调节系统须安装消声装置，机房内应进行噪声源的控制，以隔声隔震为主，吸声为辅。管道穿过围护结构时，管道周围缝隙应填充弹性材料。

4.2 设计内容

1)天花吊顶。台口前面的天花吊顶建议采用反射结构，以使反射声音到达前排，形成对前排听众的前次反射声，改善听众席位置的音质；后排的天花吊顶，建议辅以吸声材料，以减少回声干扰。

2)舞台后墙。在主席台后墙采用强吸声结构，以消除主席台后墙形成的声聚焦和回声，提高传声增益，减少话筒啸叫。

3)大厅后墙。大厅后墙建议采用强吸声结构，以控制由后墙引起的回声，并减少混响时间。

4)大厅两侧。侧墙的前次反射声，对提高声音的丰满度及温感大有帮助，能极大地改善音质，所以建议侧墙采用吸声及扩散相结合的结构，对声音形成吸声和扩散反射，改善音质。同时，墙体上辅以吸声处理结构，以控制大厅的混响时间。

4.3 构造细部设计

1)墙面构造。学术报告厅的外围隔墙采用75系列轻钢龙骨双面双层12 mm厚纸面石膏板，内填50 mm厚100 kg·m-3岩棉，隔声量可达50 dB，其构造细部设计见图7。装饰面层材料采用3 mm厚铝合金条形板，呈凹凸形式排列，其构造细部设计见图8。

图7 外围隔墙构造细部设计图

图8 装饰面构造细部设计图

2)天花构造。天花钢骨架转换结构上满铺50 mm厚100 kg·m-3岩棉，装饰面层材料为3 mm厚微孔铝合金条板，条板之间留有15 mm宽的净缝，以使吸声系数满足声学要求。其细部设计如图9所示。

图9 天花构造细部设计图

3)地面构造。木地板地面设计中，镀锌方管与楼地面的支撑脚采用20 mm厚160 mm×160 mm方形隔震橡胶垫，并满铺岩棉，以有效保证地面的隔声减震要求。其细部设计见图10。

图10 地面构造细部设计图

5 结语

学术报告厅建筑声学环境细部设计一般分为建筑声学环境设计和细部设计2个环节，通常由2个单位分别进行，给两者的综合与成型造成不便。本研究将声学环境设计与装饰构造细部设计相统一，从位置选择、音质设计、噪声控制3个方面展开，通过声场场分布的模拟，混响声最大声压级数据和混响时间的计算，语言清晰度的分析等过程，确定学术报告厅建筑声学细部设计指标，确保了学术报告厅良好的音质：125～4 000 Hz全频带模式总声压级最小为137.2 dB，稳定声场的不均匀度≤8 dB，中频(500～1 000 Hz)混响时间范围是0.9～1.1 s，RASTI指数的平均值为0.645。这种将建筑声学环境设计和细部设计两个环节一体化，并同步介入施工构造细部设计的做法，简化了建筑声学环境细部设计流程，也实现了设计施工的一体化。