多功能廳仿真與分析

嚴(yán)飛，吳沁儀

(安徽建筑大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，全國各地都興建了大量的觀演建筑以滿足人們在精神文化方面的需求。從20世紀(jì)50年代起，人們就開啟了廳堂可變音質(zhì)研究。最早期的廳堂可變音質(zhì)方案主要依賴于賽賓室內(nèi)聲場理論，通過改變室內(nèi)廳堂的體型或吸聲量來達(dá)到改變音質(zhì)的目的。到20世紀(jì)70年代至80年代，人們主要通過調(diào)節(jié)舞臺或觀眾席區(qū)域頂棚的高度和角度來改變廳堂的混響時間。與此同時，多功能廳在中國迅速發(fā)展起來，所謂多功能廳堂，即達(dá)到一個廳堂多種用途的目的，不僅可以上演歌舞劇、話劇，而且可以用來作為會議室、音樂廳、影院等用途[1]。

聲學(xué)設(shè)計軟件在當(dāng)代建筑聲學(xué)設(shè)計中的作用越來越重要，仿真模擬計算使聲學(xué)設(shè)計的調(diào)試和修改更加快捷方便[2]。而音質(zhì)可調(diào)已經(jīng)成為當(dāng)前室內(nèi)聲學(xué)發(fā)展的趨勢[3-7]，本文以自行設(shè)計的模型為對象進行仿真研究，通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)吸聲體和耦合空間的應(yīng)用來調(diào)節(jié)廳堂內(nèi)的混響，從而實現(xiàn)音質(zhì)可變的目標(biāo)。

1 模型構(gòu)建及結(jié)果分析

1.1 模型構(gòu)建

模型最初設(shè)計為語言類禮堂，其空間體積為19 395.84 m3，總表面積為 5 669.66 m2，可容納觀眾數(shù)6 000人，舞臺兩邊耳室總體積為272.48m3，開口面積為203.39 m2(兩側(cè)各101.695 m2)。其形狀如鋼琴狀，如圖1所示。模型構(gòu)建的具體步驟：

(1)建立坐標(biāo)系，根據(jù)廳堂的實際尺寸進行坐標(biāo)定位，如果廳堂是對稱的，在坐標(biāo)系的兩側(cè)設(shè)置對稱的坐標(biāo)點可以更加方便定位；

(2)根據(jù)房間的各個頂點進行表面的創(chuàng)建，并要將房間封閉起來。為更符合實際，在觀眾區(qū)設(shè)置觀眾聽聲面；

(3)根據(jù)廳堂設(shè)計時的中頻混響時間參考值，選擇合適的各頻率參考混響時間；

(4)方案中設(shè)計的禮堂主要以木質(zhì)表面材料為主。對房間內(nèi)的各個表面進行材料的布置，從EASE4.4的表面材料庫中選擇合適的材料，并結(jié)合實際經(jīng)驗，對墻面、地面、座椅、門窗等進行設(shè)計，選擇時可根據(jù)系統(tǒng)中的材料各頻率吸聲曲線獲得；

(5)設(shè)置揚聲器聲源，設(shè)置時不斷查看-3 dB聲線覆蓋情況，調(diào)整揚聲器的空間位置和朝向角度，盡量均勻覆蓋觀眾席聽聲區(qū)域；

(6)通過與標(biāo)準(zhǔn)混響時間的比較，對內(nèi)表面材料進行修正，最終得到廳堂模型，如圖1所示。圖2(a)說明所建立的模型模擬出的基礎(chǔ)混響時間在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

1.2 仿真結(jié)果與分析

為了實現(xiàn)音質(zhì)的可變性，在原有的模型吊頂與側(cè)面位置處設(shè)計六個空間旋轉(zhuǎn)吸聲體，并且利用耳室作為耦合空間，使用帷幔作為耦合空間的開閉機關(guān)。旋轉(zhuǎn)吸聲體一半為反射面一半為吸聲面，反射面材料采用的是35/15 mm木格柵后空2 cm模塊，即軟件中的WOODGRID1，吸聲面采用的是C-40型MTG吸聲結(jié)構(gòu)后空1.5 cm吸聲模塊，即軟件中的TECTUM15C4，帷幔采用的是吸聲系數(shù)0.2左右的幔帳掛簾，即軟件中的PILLOWBAFL，其它表面的材料與原來相同。為方便定義旋轉(zhuǎn)體反射面朝觀眾區(qū)且耦合空間開放時為A狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)體吸聲面朝觀眾區(qū)且耦合空間關(guān)閉時為B狀態(tài)。根據(jù)賽賓公式可知A和B狀態(tài)為兩極限狀態(tài)，混響時間對應(yīng)最長和最短。如圖3和4所示。

圖3 耦合空間開放和旋轉(zhuǎn)體

圖4 耦合空間關(guān)閉和旋轉(zhuǎn)體

通過軟件分析可得A和B兩狀態(tài)的混響時間分別如圖2(b)和圖2(c)所示。通過對比發(fā)現(xiàn)各個頻段的混響時間都發(fā)生了變化，如500 Hz混響時間從1.22 s變化到1.01 s。符合多用途禮堂的最佳混響時間范圍，與原模型混響時間1.24 s相比，下降了0.02 s，得到了0.21 s的可調(diào)混響時間，從而實現(xiàn)了音質(zhì)可調(diào)的目的。同理可分析比較A和B兩狀態(tài)下500Hz所對應(yīng)的聲學(xué)參量，如DSPL、TSPL、C7、C50、ALCON 和 STI等，如圖 5、圖 6 所示。

對比500 Hz下A、B狀態(tài)的直達(dá)聲聲壓級(DSPL)柱狀圖可以看出二者幾乎沒有任何變化，如圖5和圖6所示。這是因為揚聲器距離觀眾席的位置沒有變化，而耦合空間附近沒有安裝揚聲器，所以直達(dá)聲聲壓級并無變化。這也說明旋轉(zhuǎn)體的安放位置并不構(gòu)成障礙。

對比圖 7和圖 8，最大總聲壓級(TSPL)從88.35 dB變化到了87.8 9dB，平均總聲壓級則從87.24 dB變化到了86.64 dB，這說明裝置改變了廳堂內(nèi)的混響聲環(huán)境，根據(jù)《廳堂擴聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)》GYJ25-86，這個范圍是符合語言擴聲系統(tǒng)二級等級指標(biāo)要求。

圖5 A狀態(tài)DSPL柱狀圖

圖6 B狀態(tài)DSPL柱狀圖

圖7 A狀態(tài)TSPL柱狀圖

圖8 B狀態(tài)TSPL柱狀圖

A和B狀態(tài)下柱狀圖中的平均聲能比(C7)從-6.73 dB變化到-5.97 dB，說明了在-15 dB至0 dB的合理范圍內(nèi)實現(xiàn)了音質(zhì)的可變性，如圖9和圖10所示。

通過比較語言可懂度(C50)結(jié)果，即圖11和圖12?？梢钥吹椒重悢?shù)從-1.06 dB升到了0.06 dB，說明語言可懂度上升了，因此該廳堂可以作為會議室、學(xué)術(shù)報告廳和多用途禮堂及電影放映等多用途。

圖9 A狀態(tài)C7柱狀圖

圖10 B狀態(tài)C7柱狀圖

圖11 A狀態(tài)C50柱狀圖

圖12 B狀態(tài)C50柱狀圖

圖13和圖14所示的為兩種狀態(tài)下的ALCON即輔音清晰度損失率百分比，可以看出ALCON在兩種狀態(tài)下的分布都較均勻，這意味著在觀眾席各個方位中語言清晰度較為一致。A狀態(tài)下ALCON在4.82%，B狀態(tài)下為3.39%，說明語言清晰程度升高，達(dá)到了可變音質(zhì)效果。

STI即快速語言傳遞指數(shù)，它主要與擴散聲場的聲壓有關(guān)系，其值在0.6至1.0范圍內(nèi)表示廳堂的語言清晰度為優(yōu)秀，且值越高語言環(huán)境越好，通過比較A和B狀態(tài)STI可知：觀眾席的STI指向性并沒有因可變音質(zhì)裝置而產(chǎn)生不均勻，其平均值從0.663變化為0.728，說明符合優(yōu)秀語言類廳堂的要求，并且有一定范圍的變化，實現(xiàn)了可變音質(zhì)的合理有效控制，如圖15和圖16所示。

圖13 A狀態(tài)ALCON柱狀圖

圖14 B狀態(tài)ALCON柱狀圖

圖15 A狀態(tài)STI柱狀圖

圖16 B狀態(tài)STI柱狀圖

2 結(jié)論

仿真結(jié)果表明模型基礎(chǔ)混響時間為1.24 s，通過在模型中添加六個旋轉(zhuǎn)吸聲體，利用耳室作為耦合空間，可實現(xiàn)混響時間在1.01 s至1.22 s范圍內(nèi)變化，即廳堂內(nèi)的可變音質(zhì)調(diào)節(jié)裝置可使混響時間達(dá)到0.21 s的變化，從而實現(xiàn)了混響可變功能。對比其它聲學(xué)參數(shù)在兩種狀態(tài)下的不同可知語言清晰度得到了可以控制的改變，并且處于優(yōu)秀的廳堂范圍內(nèi)，既實現(xiàn)了可變音質(zhì)控制，又優(yōu)化了廳堂音質(zhì)環(huán)境。所構(gòu)建廳堂同樣適用于會議廳、學(xué)術(shù)報告廳、多用途禮堂、電影放映等。