淺談側墻體型對廳堂混響時間的影響

楊小軍

(同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092)

1 引言

廳堂的音質效果，在工程設計中，需要通過一些室內(nèi)音質參數(shù)來預測和控制建成后廳內(nèi)的音質效果；完工投入使用后，還需要經(jīng)受使用者的主觀評價。音質設計需要考慮多種指標，如混響時間、清晰度指數(shù)、明晰度指數(shù)、側向因子等。這些音質指標分別與不同的主觀評價有一定的對應關系，如混響時間與廳內(nèi)的“豐滿與干澀”“渾濁與清晰”等主觀評價相關[1]。所有音質評價指標中，混響時間是目前廳堂聲學音質評價中最重要的指標之一，同時也是室內(nèi)聲學設計中排在第一位的設計參量[2]。經(jīng)典的建筑聲學理論中，廳堂的混響時間的計算公式是在擴散聲場的假設下推導出來的，混響時間只與室內(nèi)容積、內(nèi)表面積、平均吸聲系數(shù)等因素有關，而與廳堂內(nèi)部具體的體型、吸聲材料的分布無關。在工程設計中會遇到一種情況，同樣數(shù)量的吸聲材料放置在廳內(nèi)的不同位置，根據(jù)經(jīng)典混響時間計算公式得出的混響時間是一樣的，實際上廳內(nèi)的混響時間卻存在一定的差別[3]，這說明吸聲材料的布置位置會影響廳內(nèi)的混響時間。同樣，也存在廳堂的體型影響廳內(nèi)混響時間的情況。因此，有必要研究這些因素對廳內(nèi)混響時間的影響。

本文著重研究廳堂內(nèi)的側墻體型對廳內(nèi)混響時間的影響。在保證混響時間按照公式計算的結果保持不變的前提下，通過改變廳堂部分側墻墻體的體型，觀察廳內(nèi)混響時間的變化情況，研究廳堂體型對廳內(nèi)混響時間的影響。文中主要采用廳堂聲學計算機模擬軟件Odeon，模擬分析廳內(nèi)部分側墻體型變化時廳內(nèi)混響時間的變化情況。

2 目標音質參數(shù)

混響時間的定義為，在擴散聲場中，當聲源停止后，從初始的聲壓級降低60 dB（也就是平均聲能密度衰減到原來的1/106）所需的時間，用符號T60表示。取空氣中聲速C=344 m/s，則可以得到混響時間T60的表達式：

其中，V為房間室內(nèi)容積，單位：m3；S為房間內(nèi)總表面積，單位：㎡；為室內(nèi)平均吸聲系數(shù)；m為空氣的聲強吸收系數(shù)[4]。

從定義上看，混響時間的物理意義在于表征廳堂內(nèi)聲壓級衰變曲線的衰變特性。在實際工程項目中，混響時間包含一組音質指標，除T60以外，根據(jù)不同的計算方法，可分為EDT、T20與T30。其中，EDT為從直達聲開始衰減10 dB所需的時間再乘以6，T20為從直達聲后衰減5 dB至衰減25 dB所需的時間再乘以3，T30為從直達聲后衰減5 dB至衰減35 dB所需的時間再乘以2。這些音質參數(shù)均在表述聲壓級衰變曲線的衰變特性。

圖1 用于模擬分析的廳堂模型

在實際工程，尤其是現(xiàn)場測試中，想要獲得能滿足T60測試的信噪比通常較為困難，采用T30可以較為接近T60。大量研究表明，衰變過程中開始下降的前10 dB的衰變率與混響的主觀感受最密切[1]。因此，實際工程中主要選用EDT與T30作為混響時間的評價量。本文分析中選取的音質參數(shù)為EDT與T30，模擬廳堂不同側墻體型對廳內(nèi)混響時間的影響。

3 體型調整及模擬設置

本次模擬采用的模型較為簡單，其平面為矩形布局，模型中設置起坡的坐席區(qū)。同時，為了能較為明顯地觀測到音質參數(shù)的變化情況，模型選用的尺寸較大，具體為長50 m、寬30 m、高20 m。將側墻中后部的部分設置為可調整區(qū)域，可調整側墻區(qū)域的選擇主要考慮在實際項目設計中具有一定的可實施性。本文用于模擬分析的廳堂模型見圖1，圖中紅色墻體為側墻面的可調整部分。

將模型中側墻可調整部分的墻體分成三塊相同大小的調整塊，每個調整塊的調整動作可分別按照以豎直中心軸的旋轉或以水平中心軸的翻轉。可調整側墻在某種調整動作后，得到廳堂不同的模型?？烧{整側墻旋轉或者翻轉的過程中，廳堂的室內(nèi)容積始終保持不變，室內(nèi)總表面積會略微增加，增加部分為硬反射材質，吸聲系數(shù)很小。因此，在調整過程中，依據(jù)混響時間計算公式得出的廳內(nèi)的混響時間將保持不變。側墻體型調整時，考慮到室內(nèi)裝飾設計中可接受的范圍，旋轉與翻轉的角度均包含5°、10°、15°、20°及25°。圖2與圖3所示為可調整側墻旋轉與翻轉時廳堂模型的狀態(tài)，各顯示三個角度調整后的狀態(tài)。

圖2 可調整側墻旋轉不同角度時的模型

圖3 可調整側墻翻轉不同角度時的模型

圖4 聲源布置

表1 廳堂模型各內(nèi)壁面的吸聲系數(shù)

表2 聲源S1發(fā)聲，不同狀態(tài)下T30模擬結果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

模擬分析中，選擇全指向性點聲源，設置兩處聲源S1與S2，分別置于廳內(nèi)前區(qū)中軸線與廳內(nèi)一側，聲源高于地面1.5 m，聲源布置見圖4。

同時，在整個坐席區(qū)域的正上方且高出坐席區(qū)域地面1.2 m的區(qū)域設置聲學模擬網(wǎng)格面，聲學模擬網(wǎng)格面的精度選擇為1 m×1 m。廳堂模型各內(nèi)壁面的吸聲系數(shù)見表1。

4 模擬結果及分析

對可調整側墻不同狀態(tài)的廳堂模型進行計算機模擬，聲源S1與聲源S2分別發(fā)聲的條件下，T30模擬結果的平均值見表2和表3。

表3 聲源S2發(fā)聲，不同狀態(tài)下T30模擬結果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

圖5 聲源S1，可調整側墻旋轉不同角度時T30均值

圖6 聲源S1，可調整側墻翻轉不同角度時T30均值

根據(jù)表2中T30模擬的數(shù)據(jù)，聲源S1發(fā)聲的條件下，可調整側墻旋轉與翻轉時廳內(nèi)T30均值的變化情況見圖5和圖6。

根據(jù)表3中T30模擬的數(shù)據(jù)，聲源S2發(fā)聲的條件下，可調整側墻旋轉與翻轉時廳內(nèi)T30均值的變化情況見圖7和圖8。

從圖5與圖7可以看出，可調整側墻旋轉時，在聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，T30各頻段均值沒有明顯的變化趨勢。從圖6與圖8可以看出，可調整側墻翻轉時，在聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，T30各頻段均值基本上隨著翻轉角度的逐漸增加而逐漸減小。

聲源S1與聲源S2分別發(fā)聲的條件下，EDT模擬均值見表4和表5。

根據(jù)表4中EDT的模擬結果，聲源S1發(fā)聲的條件下，可調整側墻旋轉與翻轉時廳內(nèi)EDT均值的變化情況見圖9和圖10。

根據(jù)表5中EDT的模擬結果，聲源S2發(fā)聲的條件下，可調整側墻旋轉與翻轉時廳內(nèi)EDT均值的變化情況見圖11和圖12。

從圖9與圖11可看出，可調整側墻旋轉時，聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，EDT各頻段均值沒有明顯的變化趨勢。從圖10與圖12可看出，可調整側墻翻轉時，聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，EDT各頻段均值基本上隨翻轉角度的逐漸增加而逐漸減小。

圖7 聲源S2，可調整側墻旋轉不同角度時T30均值

圖8 聲源S2，可調整側墻翻轉不同角度時T30均值

表4 聲源S1，不同狀態(tài)下EDT模擬結果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

表5 聲源S2，不同狀態(tài)下EDT模擬結果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

圖9 聲源S1，可調整側墻旋轉不同角度時EDT均值

圖10 聲源S1，可調整側墻翻轉不同角度時EDT均值

圖11 聲源S2，可調整側墻旋轉不同角度時EDT均值

圖12 聲源S2，可調整側墻翻轉不同角度時EDT均值

根據(jù)以上不同聲源發(fā)聲以及可調側墻不同狀態(tài)下T30與EDT的模擬數(shù)據(jù)，可以得出以下結論。

（1）無論可調整側墻旋轉還是翻轉，廳內(nèi)的T30與EDT均會發(fā)生一定的變化，表明側墻體型的變化會引起廳內(nèi)T30與EDT的變化。

（2）當可調整側墻旋轉時，T30與EDT均出現(xiàn)一定的變化，且兩者均沒有明顯的隨可調整側墻旋轉角度而變化的趨勢。

（3）當可調整側墻翻轉時，T30與EDT均出現(xiàn)明顯的變化，且基本各頻段均值隨翻轉角度增加而減小。

5 總結和思考

本文在可調整側墻旋轉與翻轉不同角度的條件下，對廳內(nèi)的T30與EDT進行計算機模擬，得到不同側墻體型下廳內(nèi)混響時間的變化情況。結果表明，廳堂側墻體型的變化明顯地影響廳內(nèi)混響時間。同時，可調整側墻翻轉變化時廳內(nèi)混響時間出現(xiàn)一致性的變化規(guī)律，這對廳堂室內(nèi)聲學設計具有一定的指導意義。

經(jīng)典理論中，混響時間的計算公式涉及的吸聲系數(shù)是在混響室的擴散聲場中測試得到的，而實際廳堂中的聲場不是擴散聲場。本文在一定程度上闡明，混響室中獲得的吸聲系數(shù)直接用于實際廳堂混響時間的估算會存在一定偏差。本文只涉及計算機模擬的相關工作，希望后續(xù)將實際測試加入到研究中，得到更多定性甚至定量的規(guī)律，從而更好地指導廳堂室內(nèi)聲學設計。

對影響廳堂混響時間因素的探討還會涉及到吸聲構造在實際廳堂中“吸聲效率”的問題，即在廳堂中吸聲構造的吸聲系數(shù)會與在混響室中的測試結果相差多少，或者吸聲構造設置位置對吸聲系數(shù)的影響，或者更加廣泛的廳堂體型對吸聲構造吸聲系數(shù)的影響，這些都是后續(xù)值得研究的課題。