利用可變混響時(shí)間空間開展建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

榮 琪, 王春苑, 歐陽金龍

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院, 四川 成都 610065)

利用可變混響時(shí)間空間開展建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

榮 琪, 王春苑, 歐陽金龍

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院, 四川 成都 610065)

為了提高建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,將一間普通實(shí)驗(yàn)室房間改造為可變混響時(shí)間空間。通過增加或減少這個(gè)空間內(nèi)的吸聲結(jié)構(gòu),可控制混響時(shí)間在0.4～2.4 s范圍內(nèi)變化,還可控制與之相關(guān)的反射聲強(qiáng)度、聽聞環(huán)境等的變化。結(jié)合建筑聲學(xué)理論知識內(nèi)容,充分利用這個(gè)空間,對建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革,完善了已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并開發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐證明,這種空間有助于提高建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

建筑聲學(xué); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 可變混響時(shí)間; 吸聲

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,對建筑聲環(huán)境的要求也越來越高。各類建筑廳堂的音質(zhì)設(shè)計(jì)、室內(nèi)外的噪聲控制等建筑聲學(xué)問題成為當(dāng)前建筑實(shí)踐中經(jīng)常遇到的問題。然而,建筑聲學(xué)理論性強(qiáng)、涉及的公式多,加之聲環(huán)境的設(shè)計(jì)很難通過圖紙去表達(dá),聲環(huán)境的好壞難以用視覺去評判[1]。建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生只有學(xué)懂并運(yùn)用好建筑聲學(xué)知識,才能創(chuàng)建出舒適、健康的建筑聲環(huán)境[2-3]。

實(shí)驗(yàn)是建筑聲學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要環(huán)節(jié),可以鞏固和加深學(xué)生對抽象理論知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,并促進(jìn)學(xué)生自覺將建筑聲學(xué)知識運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)作之中[4]。開展聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最佳場所是專業(yè)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室,即混響室、消聲室等[5-7]。目前,我國只有少數(shù)院校(如清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華南理工大學(xué)等)建有這樣的實(shí)驗(yàn)室。

1 可變混響時(shí)間空間的介紹

我校原有的建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室就是由2間普通房間組成,如圖1所示,標(biāo)志為房間Ⅰ和Ⅱ,層高均為4.2 m。在這2間房間內(nèi),每年為65人以上建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)室內(nèi)混響時(shí)間測試、駐波管法吸聲系數(shù)測量、建筑隔墻空氣聲隔聲測量等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這2間房間與系館樓上的專業(yè)教室、辦公室等并無區(qū)別,只是多了一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備及存放設(shè)施。

將房間Ⅱ改造為可變混響時(shí)間空間,采用了阻燃織物面內(nèi)包50 mm厚玻璃棉的吸聲結(jié)構(gòu)。為了便于安裝或拆卸,這種吸聲結(jié)構(gòu)做成了50個(gè)1 160 mm×1 160 mm×50 mm的活動(dòng)式模塊,并通過框架、吊桿等衍生出多種吸聲結(jié)構(gòu)。模塊或?qū)嵸N在墻(地)面,或留一定厚度的空氣腔(如50 mm厚),或直接作為空間

吸聲體。另外,還可通過開啟門窗增加室內(nèi)吸聲。吸聲結(jié)構(gòu)安裝前、后照片如圖2所示。

圖1 四川大學(xué)建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室

圖2 房間Ⅱ內(nèi)吸聲結(jié)構(gòu)安裝前、后照片

通過增加或減少房間Ⅱ內(nèi)的吸聲結(jié)構(gòu),可以控制混響時(shí)間在0.4～2.4 s范圍內(nèi)變化,還可以控制與之相關(guān)的反射聲強(qiáng)度、聽聞環(huán)境等的變化。學(xué)生在同一空間內(nèi)不僅可以利用設(shè)備進(jìn)行定量化的實(shí)驗(yàn)測試,還可以利用自己的聽覺系統(tǒng)親身感受到這些變化,這就便于他們將聲音物理量的變化和人的生理感覺聯(lián)系起來。

在可變混響時(shí)間空間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),就可以讓學(xué)生建立起這種聯(lián)系,便于他們感受和理解建筑聲學(xué)中的各個(gè)公式、廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)和聲環(huán)境設(shè)計(jì)中所用各種材料及構(gòu)造的意義,同時(shí)提高動(dòng)手操作的能力[1]?；诖?充分利用這個(gè)空間,并結(jié)合建筑聲學(xué)理論知識內(nèi)容,完善了已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如室內(nèi)混響時(shí)間測試、吸聲材料或結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)測試、建筑隔墻空氣聲或樓板撞擊聲隔聲測試),并開發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如室內(nèi)混響時(shí)間設(shè)計(jì)、吸聲降噪效果測試)。

2 建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

2.1 室內(nèi)混響時(shí)間測量實(shí)驗(yàn)

先前這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在房間Ⅰ進(jìn)行。房間Ⅰ內(nèi)已有一些吸聲,混響時(shí)間約0.7 s,學(xué)生在房間Ⅰ內(nèi)只能簡單地測試混響時(shí)間。現(xiàn)在,這個(gè)項(xiàng)目改在房間Ⅱ進(jìn)行。

首先,讓學(xué)生感受室內(nèi)完全無吸聲結(jié)構(gòu)(即空場)時(shí)的聽聞狀況,再進(jìn)行混響時(shí)間測試,然后,將所有吸聲結(jié)構(gòu)安裝在房間Ⅱ內(nèi),同樣學(xué)生先感受室內(nèi)聽聞狀況,再進(jìn)行混響時(shí)間測試。最后,要求學(xué)生結(jié)合定量化的測試結(jié)果(見表1),分析吸聲對混響時(shí)間和室內(nèi)聽聞環(huán)境的影響等。

表1 房間Ⅱ內(nèi)空場和吸聲結(jié)構(gòu)安裝后混響時(shí)間的測試結(jié)果 s

在這個(gè)空間內(nèi),完善這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生除了掌握基本的混響時(shí)間測試原理外,還可清晰地感知和對比混響時(shí)間和室內(nèi)聽聞環(huán)境的顯著變化,加深了他們對吸聲、室內(nèi)混響時(shí)間和聽聞環(huán)境及它們之間關(guān)系的認(rèn)識和理解。

2.2 混響室法吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)測試

先前這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也是在房間Ⅱ內(nèi)進(jìn)行,但采用的是駐波管法[8]。駐波管法需要投入的場地小、經(jīng)費(fèi)少,而且設(shè)備操作簡單,但理論性太強(qiáng),不適合學(xué)生對吸聲與混響時(shí)間關(guān)系的感性認(rèn)識,且與吸聲材料或結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中吸聲狀況不一致,導(dǎo)致測試結(jié)果無法直接利用到工程設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)在,這個(gè)項(xiàng)目改用混響室法在房間Ⅱ內(nèi)進(jìn)行。

按照混響法吸聲系數(shù)測試方法[9]的要求,讓學(xué)生依次安裝各種吸聲結(jié)構(gòu),感受室內(nèi)聽聞狀況,測量混響時(shí)間,并利用式(1)[10]計(jì)算出各種吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)(見表2)。

(1)

從表2知,這些吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)測試結(jié)果基本上符合其應(yīng)有的吸聲特性。

表2 房間Ⅱ各種吸聲結(jié)構(gòu)安裝前、后混響時(shí)間測試結(jié)果和吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果

在這個(gè)空間內(nèi),完善這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生不僅很容易理解不同吸聲結(jié)構(gòu)與混響時(shí)間的關(guān)系,而且還會(huì)認(rèn)識到吸聲結(jié)構(gòu)不同安裝方式對吸聲性能的影響。

2.3 建筑隔墻空氣聲隔聲測量實(shí)驗(yàn)

先前這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只是在房間Ⅰ和Ⅱ內(nèi)簡單地測試隔墻的空氣隔聲量。現(xiàn)在,這2個(gè)房間的角色進(jìn)行了互換,即房間Ⅰ改為聲源室,房間Ⅱ改為受聲室。要求學(xué)生在進(jìn)行隔聲測量時(shí),房間Ⅰ聲壓級達(dá)到要求后保持穩(wěn)定不變,而在房間Ⅱ內(nèi)變化吸聲量來測量同一隔墻試件不同吸聲情況下的隔聲量[11]。

如表3所示,2種情況下聲源室內(nèi)各頻率聲壓級基本一樣,受聲室內(nèi)聲壓級因吸聲量增加而降低,但同一隔墻試件的空氣隔聲量理論上應(yīng)是一樣的。

表3 同一隔墻試件不同情況下隔聲量測試結(jié)果 dB

根據(jù)房間Ⅰ與Ⅱ聲壓級測試結(jié)果,并結(jié)合房間Ⅱ內(nèi)混響時(shí)間,按照式(2)[10]計(jì)算隔墻空氣隔聲量R′。

(2)

(3)

從表3知,2種情況下的空氣隔聲量實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上一樣,單一計(jì)權(quán)隔聲量都為47dB。

在這個(gè)空間內(nèi),通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生不僅能了解建筑隔墻空氣聲隔聲測試方法和原理,還將進(jìn)一步認(rèn)識到吸聲或混響時(shí)間對隔墻聲壓級的影響。

2.4 吸聲降噪效果測試實(shí)驗(yàn)

在房間Ⅱ內(nèi)利用其可變混響時(shí)間的特點(diǎn),開拓了吸聲降噪效果測量實(shí)驗(yàn),即定量測試同一噪聲源在同一空間內(nèi)不同吸聲量或混響時(shí)間情況下的聲壓級及變化,并感受室內(nèi)噪聲環(huán)境的變化,分析吸聲對噪聲級的影響。

首先,要求學(xué)生測試房間Ⅱ空場時(shí)混響時(shí)間,再開啟一高聲壓級的穩(wěn)態(tài)噪聲源,測試室內(nèi)各點(diǎn)聲壓級,并感受室內(nèi)噪聲環(huán)境。

然后,要求學(xué)生在房間Ⅱ內(nèi)安裝大量吸聲結(jié)構(gòu),再測試混響時(shí)間。開啟穩(wěn)定噪聲源并保證聲功率不變,要求學(xué)生再次測試室內(nèi)各點(diǎn)聲壓級,并感受室內(nèi)噪聲環(huán)境。

最后,根據(jù)室內(nèi)混響時(shí)間變化,利用式(4)[10]計(jì)算理論吸聲降噪量,并與測試結(jié)果比較。

(4)

式中,ΔLp為理論吸聲降噪量(dB),T1和T2分別為吸聲結(jié)構(gòu)安裝前、后的混響時(shí)間(s)。

表4內(nèi)的測試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本一致,證明了吸聲對降噪作用。

表4 房間Ⅱ內(nèi)吸聲降噪量測試結(jié)果及理論降噪量的比較

在這個(gè)空間內(nèi),開展這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,有利于學(xué)生通過感性認(rèn)知、定量化測試和理論分析,理解吸聲對室內(nèi)降噪的作用和局限性。

2.5 室內(nèi)混響時(shí)間設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

以房間Ⅱ?yàn)闇y試和設(shè)計(jì)對象,開發(fā)了一個(gè)集驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,即室內(nèi)混響時(shí)間設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在“室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)”理論授課完成后,按照廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)要求和過程,教師預(yù)先給出房間Ⅱ的混響時(shí)間及頻率特性要求,要求學(xué)生對該房間進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)。

首先,學(xué)生需要熟悉實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備的性能和操作方法,測量出房間尺寸、不同情況下的混響時(shí)間、各種吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),計(jì)算出吸聲需求量,確定各種吸聲結(jié)構(gòu)的需求量,繪制出布置圖。前期準(zhǔn)備工作要求以實(shí)驗(yàn)方案的形式表達(dá)。

然后,學(xué)生需要按照自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)施,安裝各種吸聲結(jié)構(gòu),并測試出實(shí)際混響時(shí)間,分析其與計(jì)算值的差別及原因,直至通過實(shí)驗(yàn)測試確保混響時(shí)間設(shè)計(jì)符合要求。

最后,要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果等,編制出實(shí)驗(yàn)報(bào)告或設(shè)計(jì)施工報(bào)告。

假定,要求房間Ⅱ內(nèi)中頻混響時(shí)間為1s,低頻稍長,高頻稍短。理論上,3個(gè)空間吸聲體模塊+9個(gè)模塊實(shí)貼墻(地)面,或者4個(gè)空間吸聲體模塊+8個(gè)模塊實(shí)貼墻(地)面等組合,均可滿足要求。不同實(shí)驗(yàn)分組學(xué)生采用了不同的組合,這里以3個(gè)空間吸聲體模塊+9個(gè)模塊實(shí)貼墻(地)面的例。9個(gè)模塊實(shí)貼墻(地)面分別布置在A、C、D墻面,3個(gè)模塊懸掛于頂棚。學(xué)生以此為依據(jù),編寫實(shí)驗(yàn)方案、安裝吸聲結(jié)構(gòu)、進(jìn)行測試,如表5所示,測試結(jié)果與理論值基本相符,檢驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)方案的正確性。

表5 房間Ⅱ內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)的混響時(shí)間設(shè)計(jì)值與測試值比較

這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有利于學(xué)生熟悉廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)過程和掌握基本的設(shè)計(jì)方法,并得以通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié)論

建筑聲學(xué)理論抽象、公式較多,可變混響時(shí)間空間為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)理論聯(lián)系實(shí)際的平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)之中,學(xué)生可以真切而形象地感受到不同的聲學(xué)設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生的不同環(huán)境效果。由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中掌握了主動(dòng)權(quán),既有針對性,又有具體內(nèi)容,從而充分發(fā)揮了其積極性和創(chuàng)造性[12-13]?？勺兓祉憰r(shí)間空間也可被認(rèn)為是一項(xiàng)廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)工程。當(dāng)前,多功能廳堂(如劇場、音樂廳、報(bào)告廳等)因其功能多而廣受歡迎,其緣由正是其可變吸聲結(jié)構(gòu)可適應(yīng)多種用途需求的可變混響時(shí)間[14-15]。我校建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的改造實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué),有助于激發(fā)學(xué)生的建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)作靈感，也能為我國其他院校的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供借鑒。

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Carrying out experimental teaching reform in architectural acoustics by applying a space with adjustable reverberation times

Rong Qi, Wang Chunyuan, Ouyang Jinlong

(College of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

By moving sound insulation configurations into or out of this space,the reverberation time could be controlled to change in the range of 0.4～1.6s, and the reflections’ intensity and auditory environment could be controlled as well. According to the theories of architectural acoustics and the characteristics of the space,the experimental teaching in architectural acoustics is reformed.The original experiments are improved,namely the test of indoor reverberation time,the test of sound absorption coefficients of configurations,and the test of air-bone sound insulation of building partition or impact sound insulation of floor.Two new experiments are established,namely the test of noise reduction effect by sound absorption and the design of indoor reverberation time.The experimental teaching practices prove that the space with adjustable reverberation times is beneficial to the experimental teaching quality of architectural acoustics.

architectural acoustics; experimental teaching; adjustable reverberation time; sound absorption

2014- 10- 12 修改日期：2014- 12- 10

四川大學(xué)新世紀(jì)教改工程項(xiàng)目(六期)“實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對建筑本科教學(xué)的支撐研究”

榮琪(1990—),女,四川鄰水,碩士研究生,從事建筑物理與節(jié)能的設(shè)計(jì)與研究工作

E-mail：m13488939781@163.com

歐陽金龍(1976—),男,湖北當(dāng)陽,博士,副教授,從事建筑物理與節(jié)能的教學(xué)與研究工作.

E-mail：ow761202@scu.edu.cn

TU112

A

1002-4956(2015)6- 0200- 04