特殊空间对建筑声学的影响—以新海港为例

罗铠，杨金然

（1.悉地国际设计顾问有限公司，北京 100013；2.北京清源智瑞科技有限公司，北京 100013）

1 项目概况

“十三五”期间，我国海南省以国际旅游岛建设为总抓手，围绕生态立省、经济特区、国际旅游岛建设大局，努力推动海南国际旅游岛建设和经济社会发展再上一个新台阶，打造“21世纪海上丝绸之路”空港、海港贸易物流枢纽，实现优进优出。

海南省海口市新海港滚装码头客运综合枢纽站工程是新海港区的重要组成部分。工程建筑设计的主要挑战在于：超大的设计容量、独特的建筑类型、全新的城市形象。构型意向取自舒展的鳐鱼，修长的鲸鱼，曲线勾勒的形体，富有动感，充满活力。屋顶中脊和檐口两条曲线在陆侧延展，建筑底部架空，供进车辆通行—查验—等候使用。屋面具有600m长的沿海展开面，对于海上乘船旅客将展示出张开双臂迎候的形式，成为海口放眼世界的新大门（见图 1）。

2 项目的声学问题分析

2.1 枢纽站音质特殊性分析

2.1.1 问题分析

图1 项目鸟瞰图

海口新海滚装码头客运枢纽站建筑面积约9.2万m2，总容积约73.6万m3，其中F2与F3两层为音质敏感区域。主要音质设计区域为F2主走廊（见图2）、F2安检区（见图3）、F2候船区（见图4）、F3景观区（见图5）、F3通关区（见图6）这五个区域。音质重点区域不可出现混响时间长、噪声高、回声和颤动回声等声缺陷。

上述几个音质敏感区域均为开放式空间，各空间之间相互耦合，相互影响，且体积巨大，对音质设计提出了更高的要求和挑战。为了提高枢纽站的音质，降低站内的噪声，降低广播系统设计的难度，需降低枢纽站的混响时间，提高站内的语言清晰度。

图2 F2主走廊位置示意图

图3 F2安检区位置示意

图4 F2候船区位置示意

图5 F3景观区位置示意

图6 F3通关区位置示意图

2.1.2 设计目标设定

目前国家尚无标准对交通枢纽站的混响时间提出要求，且枢纽站属于超大型空间，混响时间必然偏长，无法提出“最佳混响时间标准”。因此，枢纽站音质的设计应以语言清晰度（STI）为标准。STI指数≥0.5，可保证人员顺利沟通，广播系统顺利工作，提升旅客的出行体验。

2.2 解决方案

混响时间与室内吸声存在数学关系，即塞宾公式：

式中：

T—混响时间；

V—房间体积；

S—房间墙面的总表面积；

由塞宾公式可看出，房间体积越大，混响时间越长；平均吸声系数越大，混响时间越短。体积巨大的空间如果不进行吸声处理，混响时间就会加长，造成语言清晰度下降。因此，枢纽站内需安装吸声材料，吸声材料的面积及材料的吸声系数要满足空间要求。

由于枢纽站的内部空间较大，且内部空间十分复杂，只有天花位置具备安装声学材料的可能性，因此需在天花位置安装强吸声材料。为了保证外观装饰效果，材料需选用无机物硬质质感材料。

音质重点区域的天花分为两类，一类为枢纽站顶面，一类为二层与三层之间的分层楼板。

2.2.1 枢纽站顶面天花吸声设计

枢纽站的外观设计方案中，枢纽站顶面外表面为木纹铝条板，缝隙率30%，木纹铝条板是非吸声材料，但由于木纹铝条板缝隙率较大，因此可在木纹铝条板上方安装吸声材料，综合考虑后，决定使用生态砂吸音板作为顶面吸声材料。

生态砂吸音板是一种新型的吸声材料，原料选用天然砂，利用特殊工艺，将一种无机硅溶剂，均匀且极薄的施涂于全部砂粒表面，使砂砾外层之间产生一种熔融再固化反应，砂粒就像被焊接一样聚合在一起。因为每颗砂粒的微观形状是不规则且独一无二的，聚合积压在一起时，砂粒之间天然形成了大量的、不规则的、相互连通的微小孔隙。当声波入射到表面时，声波会透入吸声板内部，在细孔中传播，由于空气振动产生的黏滞性和摩擦阻力作用，使得声能逐渐转化为热量而消耗，由此产生吸声作用。生态砂吸音板吸声的高中低频特性与砂粒间细孔的大小、数量、构造等形式密切相关，通过对这些细孔的调控，就实现了吸声频率特性可调节的功能。该工程选用的生态砂吸音板的吸声特性为中高频吸声系数相对高，低频、高频吸声系数相对低，整体NRC=0.75，契合枢纽站的噪声特性。

2.2.2 分层楼板天花吸声设计

二层与三层之间的分层楼板天花外观设计方案中，外观要求全部使用三角形板材，灯具也使用三角形板材包裹，灯具占到整体天花面积的25%。根据外观设计，吊顶材料需使用金属材料，灯具外材料使用薄膜透光材料。

吊顶材料选用说明：金属类吸声材料主要为穿孔金属板，综合考虑成本、耐久性、外观、吸声系数后，决定使用穿孔铝板，穿孔铝板的安装方式为：穿孔铝板厚度3mm，孔径3mm，穿孔率15%～20%，板后安装50mm厚离心玻璃棉外包玻璃丝布。

灯具外材料选用说明：灯具占用的面积为整体天花面积的25%，若灯具外材料使用不吸声的普通塑料薄膜或织物薄膜，将会降低天花整体的平均吸声系数，因此灯具外材料必须使用吸声系数较高的材料。

薄膜类材料由于材料厚度的限制，NRC的实验室测量值通常小于0.1，为此必须选用突破常规材料特性的“超材料”，现在的吸声薄膜中吸声系数最高的材料为声子晶体微孔吸声膜。吸声膜厚度0.2mm，孔径0.05mm，防火等级B1级。

局域共振型声子晶体的概念最早于2000年由刘正猷等在Science上提出，他们使用硅橡胶包裹铅球按照简单立方晶格排列在环氧树脂基体中，进行了相应的实验。理论和实验都证实这一单元特征长度为2cm的结构具有低于400Hz的低频带隙，比同样尺寸的Bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。近十年，由于其优越的低频特性吸引了众多学者的分析和研究，大量文献对局域共振机理和传输特性进行了分析和研究。研究表明，在局域共振结构中，由于中间很软的包覆层的存在，当将较硬的芯球连接在基体上时，组成了具有低频的共振单元。当基体中传播的弹性波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与弹性波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而导致了带隙的产生。

局域共振声子晶体结构的主要特点是：

（1）带隙频率远低于相同晶格尺寸的布拉格（Bragg）带隙，实现了“小尺寸控制大波长”。

（2）带结构中存在平直带，内部波场存在局域化共振现象。

（3）带隙由单个散射体的局域共振特性决定，与其排列方式无关。

（4）带隙宽度随填充率的增加而单调增加[1]。利用声子晶体的原理，可实现“小尺寸控制大波长”。声子晶体微孔吸声膜可在高频有较高的吸声系数α（见下表）。微孔吸声膜构造为双层，夹层空腔50mm，与楼板之间的空腔200mm。

声子晶体微孔吸声膜吸声系数

2.3 计算机模拟验证

该枢纽站属于超大空间建筑，且造型奇特，各区域之间相互耦合，无法使用塞宾公式进行混响时间计算，因此需进行仿真模拟，以验证方案合理性。

采用几何声学软件RAYNOISE对上文中的声学材料设计进行仿真模拟，由于枢纽站为超大型空间，对于超大型空间而言，不存在所谓的“最佳混响时间”。对于枢纽站而言，语言清晰度（STI）是比混响时间更重要的参数，语言清晰度（STI）大于0.5时可认为声学设计较为成功，室内音质较好，可保证枢纽站内人员交谈，进而降低人员交谈的声音，降低枢纽站内部的噪声，广播系统可较为有效的传递信息。

语言清晰度（STI）模拟结果见图7。

图7 语言清晰度（STI）模拟结果

模拟结果分析：RAYNOISE的STI模拟分析方法为，在图7中箭头标注的位置设置一个点声源，点声源发声，通过计算声波的镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等得到语言清晰度（STI），由图7可知，绝大多数位置STI均大于0.5，这表明枢纽站的语言清晰度较好。部分位置STI数值接近0.1的原因是此类位置为封闭空间，不与枢纽站大空间连接，故此位置没有收到预设点声源噪声信号，STI数值较低，此类位置不在音质设计范围之内。

2.4 枢纽站交通噪声分析

由于枢纽站的下方为货车密集的运输公路，因此交通噪声是该项目最为重要的噪声源。枢纽站的客流入口处为电动扶梯，扶梯下方为公路及停车场，扶梯上方为二层候船区，噪声将直接通过扶梯传至候船区，对候船区产生严重的噪声影响。

此噪声如不治理，将会产生“鸡尾酒会效应”：候船区乘客受到噪声影响，无法正常谈话沟通，因此需更大声的交谈，使得谈话的声压级高于交通噪声6～10dB，这样才能使交谈声音大到对交通噪声产生掩蔽（masking）效应，如此方可达到足够的语言清晰度，理解相互之间的交谈内容。这就导致了候船区人流噪声进一步增加，进而影响候船区广播系统的正常工作，广播系统需使用更大功率的扬声器进行广播播报，进而导致广播系统的噪声需高于交通噪声12～20dB，严重影响乘客的出行体验。

降噪的最有效方法为隔声，即使用隔声材料将噪声敏感点与噪声源隔绝开。但由于入口处为开放空间，因此无法使用隔声的方法进行降噪处理，综合考虑，入口处可使用声绕射的原理进行降噪处理。降噪处理的方法为将电梯使用夹胶玻璃、吸隔声复合构造进行隔声维护，顶部位置使用吸声材料。

降噪效果计算：

此构造的主要降噪原理是声绕射，声绕射的降噪量计算如下所示：

式中：

N—菲涅耳数；

λ—为声波波长，m；

d—为声源与受声点间的直线距离，m；

A—为声源与声障顶端的距离，m；

B—为受声点与声屏障顶端的距离，m。

取距离电梯入口处东南、西北各100m处为噪声源（此位置为货车通过的典型位置），进行声线分析，安装隔声构造前后的声线对比见图8。

图8 安装隔声维护构造前后声线对比图

以500Hz为例，500Hz噪声波长0.68m，带入公式中可得：ΔL=23.68dB。通过此计算方法，可得到各频段降噪量，平均降噪量为25.2dB，降噪效果显著。

3 民用建筑提高声学舒适度的必要性分析

随着我国经济发展与人民生活水平的提高，对建筑的声学舒适度要求越来越高，良好的声学环境越来越受到建筑师及建筑使用者的重视。建筑声学的设计主要是降噪控制和音质设计。

3.1 降噪控制的必要性分析

噪声的危害主要有：1）对睡眠、休息的干扰。噪声会影响人的睡眠质量，强烈的噪声甚至使人无法入睡或使人多梦，尤其老年人和病人对噪声的干扰更为敏感。2）对心理的影响。噪声引起的心理影响主要是使人烦恼、易怒，甚至失去理智；噪声也容易使人疲劳，影响精力集中和工作效率，尤其是对一些做非重复性工作的劳动者，影响更为明显。噪声的掩蔽效应，往往掩盖一些危险信号的声响示警，故吵闹的施工区域或生产场所易出现工伤事故。3）噪声对胎儿和儿童的影响。研究表明，噪声会使母亲产生紧张反应，以致影响供给胎儿发育所必需的养料和氧气。4）噪声对女性的健康影响等[3]。

对于民用建筑的噪声控制，住房和城乡建设部与国家质量监督检验检疫总局联合发布了《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118—2010），对住宅建筑、学校建筑、医院建筑、旅馆建筑、办公建筑、商业建筑均规定了相应的噪声级标准、隔声标准、隔声减噪设计要求[4]。国家卫生和计划生育委员会也发布了《工业企业职工听力保护规范》，提出了听力保护的相关的规范[5]。但声学专业长期以来没有得到足够的重视，声学是一门专业性很强的交叉学科，涉及建筑、机电、装饰等多专业的协调配合，若在项目设计阶段未考虑声学部分，待项目建设完成才发现声学问题而进行补救，治理的费用及难度就会大很多，这导致很多建筑的噪声超标，严重影响建筑的整体品质。

3.2 音质设计的必要性分析

室内音质对于对音质有特殊要求的房间（如观演建筑、会议室、多功能厅、交通枢纽等）有重要的意义。室内音质较差，可导致室内产生语言清晰度降低、回声、颤动回声、声染色、声聚焦、驻波等严重的声学问题，严重影响厅堂的品质。

4 结语

交通枢纽站暂时尚未有建筑声学相关的国家标准。交通枢纽站的声学设计涉及混响时间控制、语言清晰度控制、噪声控制等多方面。海口滚装客运站属于超大型、不规则空间，部分常用声学设计方法不适用于此类空间。由于超大型空间混响时间必定较长，因此需使用在满足外观设计前提下，NRC系数最高，吸声曲线最适当的材料。交通枢纽站是开放空间，交通噪声控制的难度会更大，因此需在此条件下使用最适当的降噪措施。