船載游樂園建筑室內(nèi)聲環(huán)境設(shè)計(jì)

張九紅,呂翔宇,張曉倩,馬欣怡

(1.東北大學(xué)江河建筑學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;3.謝菲爾德大學(xué)建筑學(xué)院，英國(guó) 謝菲爾德，S10 27N)

室內(nèi)主題游樂園是一種新興的休閑娛樂產(chǎn)業(yè)[1]。游樂園內(nèi)一般根據(jù)主題內(nèi)容劃分為不同場(chǎng)景區(qū)域,各場(chǎng)景體量巨大并形成封閉的空間。目前很多大空間建筑只注重新奇的概念與造型,對(duì)建筑的功能性考慮相對(duì)欠缺[2]。部分主題游樂園的場(chǎng)景室內(nèi)聲環(huán)境不盡人意,不能保障游玩質(zhì)量[3]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)沒有針對(duì)主題游樂園聲學(xué)設(shè)計(jì)的權(quán)威評(píng)價(jià),行業(yè)亟待制定全面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[4]。筆者以國(guó)內(nèi)某主題游樂園內(nèi)船載主題場(chǎng)景的室內(nèi)空間為研究對(duì)象,根據(jù)施工方原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè),提出包含聲學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)與吸聲材料選擇的聲環(huán)境設(shè)計(jì)方案,并使用軟件模擬的方式進(jìn)行驗(yàn)證,達(dá)到提升音質(zhì)、控制噪聲的目的,使游覽空間滿足正常的游覽需求。

1 原設(shè)計(jì)方案分析

1.1 空間聲環(huán)境概況

設(shè)計(jì)對(duì)象為游樂園中“與金尼交戰(zhàn)”的場(chǎng)景空間,稱游覽空間(見圖1)?？臻g內(nèi)效果如圖1(a)所示,當(dāng)游客乘船到達(dá)該空間時(shí),投影設(shè)備與音響同時(shí)運(yùn)行,營(yíng)造真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)效果?？臻g內(nèi)聲源主要由游客人聲、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)聲以及影片音樂聲構(gòu)成。電聲源位置如圖1(b)標(biāo)注所示,音響位于標(biāo)注點(diǎn)地面及天棚位置共14個(gè)。該空間內(nèi)表面積約2 580 m2,體積約5 200 m3,界面材料分布如圖1(c)所示。場(chǎng)景中天棚、墻壁及地面以水泥塑石材料為主,墻面上鑲嵌有約325 m2的金屬投影幕,地面上約有200 m2鋪滿玻璃鋼板裝飾,軌道中有深600～800 mm的水,水表面積約為200 m2,耦合洞口[5]面積約為60 m2,各界面材料吸聲系數(shù)如表1所示。

圖1 設(shè)計(jì)對(duì)象整體概況示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall overview of design object

表1 原設(shè)計(jì)方案界面材料吸聲系數(shù)Table 1 Sound absorption coefficient of interface material in original design scheme

1.2 原設(shè)計(jì)聲環(huán)境參數(shù)計(jì)算

根據(jù)該建筑的功能需求,將音質(zhì)提升與噪聲控制作為室內(nèi)聲環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(1)混響時(shí)間

由于該空間容積較大,并存在大量水,應(yīng)考慮空氣對(duì)聲音傳播的吸收。故選用依林-努特生公式[6]進(jìn)行混響時(shí)間計(jì)算,假定相對(duì)濕度為60%,空氣吸收系數(shù)參考2 000 Hz為0.009,4 000 Hz為0.022,混響時(shí)間計(jì)算式為

(1)

(2)吸聲量

吸聲量又稱等效吸聲面積,是用以表征某個(gè)具體吸聲材料的實(shí)際吸聲效果的量。

125～1 000 Hz吸聲量計(jì)算式為

(2)

2 000 Hz、4 000 Hz吸聲量計(jì)算式為

(3)

式中:A為吸聲量,m2。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算原設(shè)計(jì)室內(nèi)空間混響時(shí)間與吸聲量(見表2)。從表可知,該空間內(nèi)各頻段混響時(shí)間均較高,尤其在125 Hz達(dá)到7.07 s。各頻帶的吸聲量也普遍較低,無(wú)法達(dá)到保障電聲音質(zhì)和室內(nèi)吸聲降噪的基本室內(nèi)聲學(xué)要求。

表2 原設(shè)計(jì)方案混響時(shí)間與吸聲量計(jì)算值Table 2 Reverberation time and sound absorption quantity in the original scheme

原設(shè)計(jì)方案場(chǎng)景內(nèi)界面大多為吸聲系數(shù)較低的硬質(zhì)材料,房間吸聲性能薄弱,并且該場(chǎng)景體積較大,導(dǎo)致室內(nèi)混響時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[7]。此外,場(chǎng)景中采用的影片電聲已完成所有的混響音效處理,因此需要短混響、強(qiáng)吸聲的建聲基礎(chǔ),高質(zhì)量還原場(chǎng)景音效[8]。

2 聲學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 音質(zhì)設(shè)計(jì)

目前沒有針對(duì)此類公共建筑的聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn),需要依照其功能特性類比相關(guān)的公共建筑規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。該空間是一個(gè)錄制音頻放聲系統(tǒng),可將其類比為全新類型的多功能影院。筆者參考《劇場(chǎng)、電影院和多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50356—2005)中對(duì)容積為5 000 m3的電影院觀眾廳混響時(shí)間的要求,得到設(shè)計(jì)方案(見表3)。

表3 電影院觀眾廳各頻率混響時(shí)間設(shè)計(jì)值Table 3 Design value of reverberation time of each frequency in cinema auditorium

原方案中125 Hz混響時(shí)間為7.07 s,與表3中數(shù)值相差較大。對(duì)于低頻吸聲來(lái)說(shuō),吸聲體體積較大、不易安裝。過(guò)分降低低頻混響,會(huì)對(duì)其他頻率混響時(shí)間、室內(nèi)裝修風(fēng)格,以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等造成嚴(yán)重影響。針對(duì)空間聲源分析,制作內(nèi)容中低頻聲所占的比重較低。適當(dāng)?shù)牡皖l混響時(shí)間能夠彌補(bǔ)人耳對(duì)低頻的不敏感,有助于增加音樂的豐滿程度[9]。因此將125 Hz混響時(shí)間設(shè)計(jì)目標(biāo)放寬至2.0 s。最終確定該游覽空間各頻率混響時(shí)間設(shè)計(jì)目標(biāo)值如表4所示。

表4 游覽空間混響時(shí)間與吸聲量設(shè)計(jì)目標(biāo)值Table 4 Design target value of reverberation time and sound absorption

2.2 噪聲控制

空間中的背景噪聲是指游客產(chǎn)生的人群噪聲、室內(nèi)空調(diào)以及觀影設(shè)備等產(chǎn)生的噪聲,噪聲的計(jì)權(quán)總和不能超過(guò)聲限值。由于該空間處于設(shè)計(jì)階段，無(wú)法驗(yàn)證其背景噪聲是否滿足要求。則在聲環(huán)境設(shè)計(jì)中以音質(zhì)設(shè)計(jì)為主,在保障音質(zhì)的同時(shí)最大限度提升空間內(nèi)吸聲降噪能力,將以提升空間內(nèi)降噪量為噪聲控制目標(biāo)。降噪量計(jì)算式為

(4)

式中:ΔLP為降噪量;T1為吸聲降噪前房間內(nèi)混響時(shí)間,s;T2為吸聲降噪后房間內(nèi)混響時(shí)間,s。

3 吸聲材料選擇方案

吸聲材料的選擇,除滿足聲學(xué)需求外,還應(yīng)保證與該船載游覽空間的適宜性。因?yàn)閳?chǎng)景內(nèi)設(shè)置水系景觀,選用的吸聲材料應(yīng)具有防潮、防水、防火特性[10]。該場(chǎng)景形態(tài)復(fù)雜多變,不宜在頂棚或墻面采用大面積規(guī)整吸聲體,應(yīng)利用空間中形狀特點(diǎn)采取不同的設(shè)計(jì)方案,保證裝修效果實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。

3.1 無(wú)機(jī)纖維噴涂材料

場(chǎng)景內(nèi)頂棚、地面、墻壁等處均應(yīng)用水泥塑石,面積較大且表面不規(guī)整,水泥塑石吸聲性能較差,在方案中選用無(wú)機(jī)纖維噴涂材料進(jìn)行噴涂。無(wú)機(jī)纖維噴涂材料在混凝土、加氣混凝土、磚砌體上均有很好的附著力，具有優(yōu)異的防火、耐水、耐潮、防結(jié)露、防腐蝕以及良好的吸聲性能[11],在聲學(xué)工程中應(yīng)用廣泛,其各頻率吸聲系數(shù)如表5所示[11]。

表5 無(wú)機(jī)纖維噴涂材料吸聲系數(shù)Table 5 Sound absorption coefficient of inorganic fiber sprayed materials

根據(jù)表5可知,無(wú)機(jī)纖維噴涂材料在500～4 000 Hz頻率的吸聲系數(shù)較高均達(dá)到0.9以上。在125 Hz與250Hz頻段吸聲系數(shù)較小。則方案將采用噴涂該類材料以增加空間內(nèi)中高頻500～4 000 Hz吸聲量。經(jīng)計(jì)算噴涂該材料800 m2后,場(chǎng)景中高頻500～1 000 Hz吸聲量可滿足目標(biāo)要求,噴涂后空間吸聲量如圖2所示。

圖2 噴涂無(wú)機(jī)纖維材料后吸聲量對(duì)比Fig.2 Comparison of sound absorption before and after using spraying inorganic fiber materials

經(jīng)過(guò)噴涂該材料面積800 m2后,空間中高頻500、1 000、2 000、4 000 Hz吸聲量滿足目標(biāo)要求。125 Hz及250 Hz的吸聲量達(dá)到245.61、629.93距目標(biāo)吸聲量還存在一定的差距。

3.2 微穿孔鋁板

原方案墻面上鑲嵌有約325 m2的金屬投影幕,面積較大且形狀規(guī)整可進(jìn)行整體替換。筆者設(shè)計(jì)方案選取0.8 mm厚的鋁制微穿孔板替換原投影幕,板后留150 mm空腔。穿孔率為1%,孔徑為0.8 mm。可以保證投影的視覺效果,微穿孔鋁板吸聲系數(shù)如表6所示[12]。

表6 微穿孔鋁板吸聲系數(shù)Table 6 Sound absorption coefficient of aluminum microperforated panel

從表6可知,微穿孔鋁板在250 Hz與500 Hz的吸聲系數(shù)較高達(dá)到0.85,其余頻段吸聲系數(shù)較低。因此可作為增加空間內(nèi)250 Hz吸聲量的吸聲材料。將微穿孔鋁板替換原投影幕后空間吸聲量如圖3所示。替換325 m2微穿孔鋁板后,空間內(nèi)250 Hz吸聲量達(dá)到867.88,滿足目標(biāo)吸聲量。

圖3 替換微穿孔鋁板后吸聲量對(duì)比Fig.3 Pairs of sound absorption at each frequency before and after using replacing micro-perforated aluminum plate

3.3 硅鈣板式共振吸聲體

考慮到場(chǎng)景中高頻吸聲量已經(jīng)足夠,如若再增加中高頻吸聲量會(huì)導(dǎo)致中高頻混響時(shí)間過(guò)短,使游客接收到的聲音不夠飽滿。則采用板式共振吸聲體[13],針對(duì)低頻做進(jìn)一步的改造。選用的板式共振吸聲體參數(shù)為6 mm厚硅鈣板,板后空腔為150 mm,龍骨間距500×500 mm,板式共振吸聲系數(shù)如表7所示。

表7 板式共振吸聲體吸聲系數(shù)Table 7 Sound absorption coefficient of plate resonance absorber

從表7可知,板式共振吸聲體的125 Hz吸聲系數(shù)為0.6,其他各頻率吸聲系數(shù)均較低?？稍诘皖l范圍起到優(yōu)異的吸聲作用,中高頻吸聲作用較低。在場(chǎng)景中增設(shè)約300 m2硅鈣板共振吸聲體可使空間內(nèi)125 Hz混響時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。增設(shè)硅鈣板共振吸聲體后空間吸聲量如圖4所示。選擇空間內(nèi)規(guī)則的垂直墻面增設(shè)300 m2硅鈣板共振吸聲體后,空間內(nèi)125 Hz的吸聲量達(dá)到500.36滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 增設(shè)硅鈣板式共振吸聲體吸聲量對(duì)比圖Fig.4 Comparison of sound absorption before and after using adding silicon-calcium plate resonance absorber

3.4 聲環(huán)境方案

將選擇的3種吸聲材料布置于場(chǎng)景空間后,空間內(nèi)各頻率吸聲量均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)式(1)計(jì)算得到設(shè)計(jì)后混響時(shí)間計(jì)算值(見圖5)。原設(shè)計(jì)與筆者設(shè)計(jì)后的混響時(shí)間計(jì)算值代入算式(4)得到空間內(nèi)降噪量為3 dB。

圖5 聲學(xué)設(shè)計(jì)后混響時(shí)間曲線圖Fig.5 Reverberation time graph in the design scheme

經(jīng)過(guò)吸聲材料方案設(shè)計(jì)后游覽空間的全頻率混響時(shí)間達(dá)到目標(biāo)限值以下,與原設(shè)計(jì)相比空間內(nèi)降噪量達(dá)到3 dB。游樂園中“與金尼交戰(zhàn)”的場(chǎng)景空間吸聲材料布置如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)方案位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of design scheme location

4 方案驗(yàn)證

4.1 ODEON可行性驗(yàn)證

ODEON是基于幾何聲學(xué)原理的虛聲源法與聲線跟蹤相結(jié)合的聲學(xué)設(shè)計(jì)軟件[14]。筆者選用ODEON聲學(xué)分析軟件,對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬,與原設(shè)計(jì)混響時(shí)間計(jì)算值進(jìn)行對(duì)照分析。

以保障模擬準(zhǔn)確性前提,對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化建模[15]。根據(jù)地面及天棚音響位置,在模型中設(shè)置點(diǎn)聲源14個(gè)。根據(jù)游客實(shí)際游覽路線在模型內(nèi)設(shè)置4個(gè)接收點(diǎn),高度設(shè)1.2 m。場(chǎng)景ODEON建模如圖7所示。

圖7 場(chǎng)景ODEON建模圖Fig.7 ODEON model of scene

按照原設(shè)計(jì)方案的材料參數(shù)對(duì)模型內(nèi)各個(gè)界面進(jìn)行設(shè)置。得到的該空間原設(shè)計(jì)方案各倍頻帶中心頻率的混響時(shí)間模擬值(見表8)。計(jì)算值與模擬值的最大誤差為0.33,最小誤差為0.08,誤差值較小,驗(yàn)證了ODEON軟件模擬該場(chǎng)景聲環(huán)境的可行性。

表8 原設(shè)計(jì)混響時(shí)間模擬值Table 8 Simulation value of reverberation time in the original design

4.2 整體聲環(huán)境驗(yàn)證

按照吸聲材料設(shè)計(jì)方案對(duì)該模型內(nèi)材料參數(shù)進(jìn)行修改。得到的游覽空間聲學(xué)設(shè)計(jì)后混響時(shí)間如表9所示。經(jīng)過(guò)聲學(xué)設(shè)計(jì)后的各頻帶混響時(shí)間模擬值均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求(見表4)。該空間聲環(huán)境整體上可滿足正常的游樂活動(dòng)。

表9 設(shè)計(jì)后混響時(shí)間模擬值Table 9 Simulation value of reverberation time after design

4.3 游覽路線聲環(huán)境驗(yàn)證

由于游樂園游覽觀賞的功能特性,該空間聲學(xué)設(shè)計(jì)還應(yīng)保證游客在該空間內(nèi)游覽進(jìn)程中的游玩質(zhì)量。因此,筆者在聲學(xué)模擬中針對(duì)游覽路線上的聲壓級(jí)分布以及混響時(shí)間進(jìn)行模擬,并對(duì)其中4個(gè)接收點(diǎn)進(jìn)行分析。圖8為游覽路線聲壓級(jí)分布,在游覽經(jīng)過(guò)區(qū)域內(nèi),入口處聲壓級(jí)在70 dB以下,進(jìn)入到觀演區(qū)域后,聲壓級(jí)基本控制在72～75 dB,從整體來(lái)看,聲場(chǎng)均勻度較好,避免了出現(xiàn)聽覺效果不佳的情況。

圖8 游覽路線聲壓級(jí)分布Fig.8 Sound pressure level distribution of tour route

模擬游覽路線中接收點(diǎn)的混響時(shí)間如圖9所示。從圖中可以看出,各收點(diǎn)各頻段混響時(shí)間均在目標(biāo)范圍內(nèi),符合要求。因此,設(shè)計(jì)方案對(duì)船載類游樂園建筑的聲環(huán)境質(zhì)量提升具有有效性,能夠提供良好的建筑聲學(xué)條件,保障實(shí)際觀演中播放的電聲效果,提升游客游玩質(zhì)量。

圖9 各測(cè)點(diǎn)不同頻率模擬混響時(shí)間Fig.9 The simulated reverberation time of different frequency band in each measurement location

5 結(jié) 論

(1)對(duì)船載游樂園建筑室內(nèi)空間的聲學(xué)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析,參考《劇場(chǎng)、電影院和多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50356—2005)提出了混響時(shí)間設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

(2)通過(guò)計(jì)算各頻段原設(shè)計(jì)吸聲量與目標(biāo)吸聲量,設(shè)計(jì)了以無(wú)機(jī)纖維噴涂材料,微穿孔鋁板和板式共振吸聲體的聲環(huán)境方案,達(dá)到了目標(biāo)吸聲量和混響時(shí)間的要求,設(shè)計(jì)后降噪量達(dá)到3 dB。

(3)通過(guò)ODEON軟件模擬驗(yàn)證了該方案的有效性,3類聲學(xué)措施結(jié)合的方案,可以按各頻段吸聲量需求調(diào)整使用面積,具有施工方便、調(diào)整靈活的優(yōu)點(diǎn),該模式可以廣泛應(yīng)用于新建游樂園類建筑聲環(huán)境設(shè)計(jì)中。