大唐真容寺大禪堂的室內(nèi)建筑聲學(xué)工程

王鵬，燕翔，張洋洋，李卉

（1.清華大學(xué)，北京 100084；2.北京德尚靜潔科技發(fā)展有限公司，北京 100084）

1 大禪堂概況

大禪堂為真容寺新建的建筑，位于地下一層，為現(xiàn)代技術(shù)建造的新空間。大禪堂的建筑面積為990m2，凈高4.8m，容積為4750m3。建成后的大禪堂，既有講經(jīng)等語(yǔ)言類(lèi)功能使用需求，又有集中展示美術(shù)作品、藝術(shù)作品等展覽功能需求。大禪堂的平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 大禪堂平面圖

2 聲學(xué)問(wèn)題

大禪堂新建的吊頂為石膏板材質(zhì)，墻面為硬質(zhì)石材，地面為硬質(zhì)地磚，頂棚距離地面4.8m。由于禪堂內(nèi)缺少吸聲，聲音在硬質(zhì)間多次反射形成較長(zhǎng)的混響，禪堂內(nèi)的語(yǔ)言清晰度不佳，且存在回聲現(xiàn)象，尤其是使用了普通擴(kuò)聲設(shè)備后，現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)聞的條件更差，嚴(yán)重妨礙了正常的語(yǔ)言交流使用。由于混響長(zhǎng)，講課時(shí)常會(huì)出現(xiàn)“嗡嗡”聲，無(wú)法聽(tīng)清自己的聲音，講課較容易疲憊，現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)員也不能完全聽(tīng)清講授內(nèi)容。因此大禪堂從語(yǔ)言使用上已無(wú)法滿足講課等語(yǔ)言類(lèi)使用功能需求。

大禪堂同時(shí)也作為藝術(shù)作品、美術(shù)作品展示的空間，當(dāng)人群進(jìn)入大禪堂空間時(shí)，走動(dòng)及相互間的交流會(huì)形成人為噪聲，在看展覽時(shí)，交流聲此起彼伏。大禪堂嘈雜的聲環(huán)境無(wú)法滿足展覽的使用功能需求。

3 結(jié)合混響半徑原理的聲學(xué)分析

混響半徑反映了空間中直達(dá)聲和混響聲的比例關(guān)系，室內(nèi)直達(dá)聲的聲能密度隨離聲源距離的增加而逐漸減小，稱為混響半徑，其計(jì)算公式為（R為房間常數(shù)，Q為指向性因數(shù)）[1]。

3.1 大禪堂原狀態(tài)混響半徑

大禪堂的建筑空間長(zhǎng)度約為35m，寬度約為22m。室內(nèi)吊頂面積990m2，平均吸聲系數(shù)取0.08，吸聲量約為79.2m2；墻面面積682m2，平均吸聲系數(shù)取0.08，吸聲量約為54.6m2；地面面積990m2，平均吸聲系數(shù)為0.08，吸聲量約為79.2m2。由此計(jì)算在點(diǎn)聲源Q=1情況下（相當(dāng)于講話者），未改造前的混響半徑為4.6m。如圖2所示，混響半徑較小，直達(dá)聲為主的房間區(qū)域較小。

圖2 大禪堂原狀態(tài)混響半徑覆蓋圖

3.2 提升清晰度的設(shè)計(jì)

一般室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)常以混響時(shí)間作為控制指標(biāo)，越低的混響時(shí)間設(shè)計(jì)，可以得到越高的語(yǔ)言清晰度。但在本項(xiàng)目中，從最少使用吸聲材料以及改造安裝施工便捷節(jié)省成本等角度出發(fā)，希望將設(shè)計(jì)目標(biāo)鎖定為“保證可接受的語(yǔ)言清晰度最低線，實(shí)現(xiàn)改造成本最優(yōu)化”。由此，采用混響半徑指標(biāo)比混響時(shí)間更具有分析清晰度極限性的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)室內(nèi)尺寸的考量，以及與擴(kuò)聲系統(tǒng)的結(jié)合，混響半徑擴(kuò)展到9～10m時(shí)，最低限的清晰度可以滿足，這是因?yàn)榇藭r(shí)大禪堂80%以上面積可覆蓋在以混響半徑為圓的區(qū)域內(nèi)，即大部分區(qū)域直達(dá)聲可超過(guò)混響聲。由此反推室內(nèi)需要450～500m2吸聲量。結(jié)合現(xiàn)有的建筑條件，地面已為硬質(zhì)石材，墻面高度有限其面積僅為682m2，且有佛像和裝飾，無(wú)法在裝飾面上鋪設(shè)吸聲材料，而大禪堂空間的頂部有990m2，吊頂?shù)牟馁|(zhì)為普通石膏板，且為平頂造型，可考慮在原有材質(zhì)的基礎(chǔ)上覆設(shè)吸聲材料（見(jiàn)圖3）。

圖3 頂部增加吸聲面積的范圍圖

3.3 頂棚吸聲處理后的混響半徑

如果在大禪堂現(xiàn)有的吊頂上覆蓋一層吸聲材料，吸聲系數(shù)設(shè)定0.5左右，且滿足輕質(zhì)環(huán)保防火的建筑要求，那么990m2的頂棚可提供495m2的吸聲量。以此計(jì)算混響半徑可達(dá)到9m以上。

這樣直達(dá)聲可覆蓋大禪堂內(nèi)的大部分面積區(qū)域，混響聲影響減弱，就可以保證最低聽(tīng)音清晰度（見(jiàn)圖4）。

圖4 大禪堂增加吸聲量后混響半徑覆蓋圖

3.4 擴(kuò)聲系統(tǒng)配合

以上建筑聲學(xué)討論的混響半徑均是以點(diǎn)聲源為考慮的。大禪堂內(nèi)配有擴(kuò)聲系統(tǒng)，通過(guò)提高擴(kuò)聲系統(tǒng)指向性因素Q值，還可進(jìn)一步擴(kuò)大電聲條件下的混響半徑。如果采用Q值等于10的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，那么在建筑聲學(xué)點(diǎn)聲源混響半徑處，理論上使用電聲時(shí)的揚(yáng)聲器的直達(dá)聲將比混響聲提高10dB，由此通過(guò)提高直達(dá)聲的占比，進(jìn)一步提高清晰度。

4 原狀態(tài)的實(shí)測(cè)和聲學(xué)模擬分析

4.1 原狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在大禪堂室內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)空?qǐng)鰧?shí)測(cè)，中頻500Hz混響時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4.2s，講話時(shí)能感受到明顯的“嗡嗡”聲，語(yǔ)言清晰度差，無(wú)法聽(tīng)清講話的具體內(nèi)容。大禪堂原狀態(tài)的混響時(shí)間頻率特性如圖5。

圖5 大禪堂原狀態(tài)的混響時(shí)間頻率特性圖

4.2 聲學(xué)仿真模擬分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路和聲學(xué)效果，對(duì)大禪堂進(jìn)行了聲場(chǎng)仿真模擬。先使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)狀建模精度進(jìn)行了核對(duì)，之后再對(duì)仿真模型吊頂增加吸聲量后狀態(tài)進(jìn)行模擬。該仿真實(shí)驗(yàn)采用了大型的聲場(chǎng)模擬分析軟件Raynoise，結(jié)合建筑圖紙對(duì)大禪堂進(jìn)行了1 :1建模（見(jiàn)圖6），并將相關(guān)界面聲學(xué)參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)模型。通過(guò)大型陣列服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)算，從而完成科學(xué)客觀的模擬分析對(duì)比。

圖6 大禪堂聲學(xué)三維模型

計(jì)算機(jī)模擬顯示，大禪堂原狀混響時(shí)間為4.0～4.3s，與實(shí)測(cè)吻合。當(dāng)大禪堂的頂部增加吸聲處理后，大禪堂混響時(shí)間降至1.5～1.6s，使語(yǔ)言清晰度提高，可滿足講授經(jīng)文語(yǔ)言使用和藝術(shù)作品展示使用的需求。圖7、圖8分別是原狀態(tài)和增加吸聲量后的混響時(shí)間分布圖。

圖7 原狀態(tài)混響時(shí)間分布圖

圖8 增加吸聲量后的混響時(shí)間分布圖

5 聲學(xué)工程方案的特色

為了最大程度地保證原有裝修效果不發(fā)生改變，在原有裝飾方案和荷載允許的范圍內(nèi)，對(duì)大禪堂的天花吊頂實(shí)施了聲學(xué)改造。

5.1 材料聲學(xué)特性

大禪堂聲學(xué)工程方案中使用了新型的膨化砂巖吸聲材料（見(jiàn)圖9），其是一種無(wú)縫美觀、安全環(huán)保、高性價(jià)比的建筑吸聲產(chǎn)品。膨化砂巖吸聲板可設(shè)計(jì)成大型平面無(wú)縫裝飾面，也可做成波折狀、圓形、弧形、跌級(jí)、藻井式、陰陽(yáng)角、雙曲面等多種形狀的裝飾效果。

圖9 膨化砂巖吸聲板樣品圖片

5.2 節(jié)約性

膨化砂巖吸聲板的平均吸聲系數(shù)可達(dá)0.50，厚度18mm，面密度僅為4～5kg/m2，其做法為直接黏貼到吊頂石膏板的底面，輔之以平貼釘裝固定，表面再覆蓋滿鋪防皸裂網(wǎng)格布2mm無(wú)縫面層。采用環(huán)保膨化砂巖吸聲板的優(yōu)勢(shì)為原吊頂龍骨可以不更換，不用拆除原有的石膏板吊頂，體現(xiàn)施工便捷和節(jié)約性。頂部吸聲處理外觀效果見(jiàn)圖10，環(huán)保膨化砂巖吸聲板聲學(xué)安裝節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖11。

圖10 頂部吸聲處理外觀效果

圖11 環(huán)保膨化砂巖吸聲板聲學(xué)安裝節(jié)點(diǎn)圖

5.3 快裝化

環(huán)保膨化砂巖吸聲板可快速安裝，在原吊頂?shù)酌嬷苯悠劫N固定，并刮抹砂巖透聲涂料，可實(shí)現(xiàn)大面積平整無(wú)縫隙，恢復(fù)和原石膏板吊頂一致的簡(jiǎn)潔干凈的裝飾效果。整個(gè)實(shí)施過(guò)程不損壞原有的裝飾并與原造型吻合。圖12為工人局部切割膨化砂巖吸聲板排成原裝飾造型。在快速安裝中，遇到風(fēng)口和設(shè)備接口及各種音箱口時(shí)，膨化砂巖吸聲板均可通過(guò)切削處理，留出與風(fēng)口和設(shè)備口相吻合的留口（見(jiàn)圖13），再通過(guò)表面抹砂處理，形成平整無(wú)縫的美觀造型。

5.4 環(huán)保性

環(huán)保膨化砂巖吸聲板的原材料為天然含水玻璃質(zhì)的火山熔巖二氧化硅砂粒，經(jīng)高溫膨化處理后，成為類(lèi)似爆米狀的蓬松微粒，再通過(guò)硅基聚合物化學(xué)作用，將微粒聚合成的膨化砂巖。膨化砂巖主要成分為二氧化硅，是性能穩(wěn)定、環(huán)保無(wú)毒的天然無(wú)機(jī)材料。因此，膨化砂巖吸聲板具有不燃、環(huán)保、無(wú)味等特性，并具有天然石材之感，非常適合建筑室內(nèi)吸聲使用。

圖12 工人局部切割膨化砂巖吸聲板排成原裝飾造型

圖13 工人局部切割膨化砂巖吸聲板與風(fēng)口吻合

5.5 裝飾性

大禪堂聲學(xué)工程最終達(dá)到的裝飾效果與原石膏板頂棚的效果一致，白色的磨砂質(zhì)感，完成面平整無(wú)縫隙，保持了原有吊頂干凈整潔的裝飾效果（見(jiàn)圖14）。

圖14 完工現(xiàn)場(chǎng)照片

6 驗(yàn)收實(shí)測(cè)

大禪堂于2018年8月進(jìn)行了完工聲學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表；大禪堂原狀態(tài)及聲學(xué)工程后的混響時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖15。

7 結(jié)語(yǔ)

真容寺大禪堂經(jīng)過(guò)聲學(xué)改造工程后，具有較好的語(yǔ)言清晰度和合適的混響時(shí)間，可滿足語(yǔ)言和展覽等多功能使用的要求，達(dá)到了預(yù)期的聲學(xué)效果。改造后，真容寺的師傅切身感受到音效清晰，場(chǎng)內(nèi)學(xué)員及聽(tīng)眾都可以清晰聽(tīng)聞每一字詞，配合高指向揚(yáng)聲器，在最遠(yuǎn)位置的學(xué)員也可清晰聽(tīng)音，真容寺人員對(duì)聲學(xué)工程的改造及聲學(xué)效果表示滿意。

改造前后混響時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)及主觀感受表

圖15 大禪堂原狀態(tài)和聲學(xué)改造工程后的混響時(shí)間統(tǒng)計(jì)