国家大剧院建筑声学的创新应用

liyao_vip

转自清华大学建筑学院，作者燕翔
摘要：本文主要介绍了国家大剧院建筑声学设计中的一些创新应用，包括“蛋壳”底层喷涂纤维素防止雨噪声、戏剧场的MLS声扩散墙面、音乐厅GRG声扩散装饰板、歌剧院金属透声装饰网、歌剧院木装饰板顶棚的混凝土覆层、舒适的观众厅声学软座椅、座椅下送风静音均流风口、录音室“房中房” 弹簧减振隔声结构、Z型轻钢减振龙骨轻质隔声墙、音乐厅的单侧透明隔声玻璃等。

1 前言
国家大剧院位于北京人民大会堂西侧，总建筑面积15万平方米。主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部2416座的歌剧院、2017座的音乐厅、1040个座的戏剧院、公共大厅及配套用房组成。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，东西长210米，南北长140米，高46米，地下部分深-32.5米。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，入口和通道设在水面下。
国家大剧院举世瞩目，她是我国科技实力和综合国力的充分体现，也是我国文化艺术事业受到高度重视和飞速发展的标志。国家大剧院不但建筑形式、建筑结构、建筑设备等方面新颖独特，在建筑声学上也有很多创新应用。

图1.1
剖视国家大剧院


国家大剧院的建筑声学主设计为法国CSTB研究所，清华大学建筑学院作为国内声学配合单位，协助CSTB完成深化设计、理论计算、实验研究等工作，就工作中所涉及的相关建筑声学新方法、新手段介绍如下。

2 “蛋壳”底层喷涂纤维素防止雨噪声

国家大剧院的4万m2“蛋壳”屋盖非常巨大，为减轻结构荷载，采用了钛金属为装饰面的轻型屋盖。存在的一个问题是：降雨时，室内会受到雨点撞击金属屋面所产生的雨噪声干扰。在清华大学建筑物理实验室进行了该屋盖结构的空气声隔声和雨噪声隔绝实验研究，在进行大量实验数据分析的基础上，创造性地提出在屋盖底层采用纤维素喷涂防止雨噪声的方案，并最终得到了应用实施。即在屋盖板下，喷涂一层25mm厚的K-13纤维素喷涂吸声材料。
实验显示，未喷涂纤维素前，屋盖空气声隔声量最高只能达到Rw=37dB。喷涂后，屋盖的空气声隔声性能可提高到Rw=47dB。在雨强1mm/min的大雨下，雨击隔声量可达到Lpn,w=40dB，估算大厅室内噪声小于25dB(A)。
纤维素喷涂能够大大提高屋盖隔声性能的主要原因是：一、纤维素均匀喷涂附着在屋盖底的2mm厚钢板上起到了一定的声阻尼作用，改善了钢板本身的振动模式，较大提高了中低频的隔声性能。二、纤维素为密实颗粒状粘稠材料，喷涂后起到了良好密封作用。
另外，纤维素喷涂材料具有良好的吸声性能，据检测，25mm厚纤维素喷涂层降噪系数NRC达到0.75。国家大剧院的屋盖经纤维素喷涂后,大厅内混响明显降低,语言清晰度明显提高。另外,纤维素喷涂还具有良好的保温隔热作用,建筑节能效果明显。纤维喷涂吸声材料在国外已有20多年的使用历史，但在国内，国家大剧院工程首次大规模应用。因其良好的声学、环保、防火、粘着力强、易于施工等特性，必将广泛地被体育、文化等大型建筑场所采用。

2.1
国家大剧院的钛屋面板

2.2 屋盖雨噪声的实验室测试系统示意图

3 戏剧场的MLS声扩散墙面

戏剧场观众厅墙面采用了MLS设计的声扩散墙面，看上去象凸凹起伏的、不规则排列的竖条，目的是扩散、反射声音，可保证室内声场的均匀性，使声音更美妙动听。MLS称为最大长度序列，是一种数论算法，其扩散声音的原理是，声波到达墙面的某个凹凸槽后，一部分入射到深槽内产生反射，另一部在槽表面产生反射，两者接触界面的时间有先后，反射声会出现相位不同，叠加在一起成为局部非定向反射，大量不规则排列的凹凸槽整体上形成了声音的扩散反射。MLS扩散墙面的设计需要进行数学计算，并在声学实验室中测量设计方案的效果。

图3.1 MLS 扩散体示意图

戏剧场MLS墙面的凹槽深度15cm,每个凸起或凹陷的单元宽度约20cm，面层为约4cm厚的木板外贴粉红色装饰布，凸起单元内部填充高密度岩棉。其热烈夺目的视觉氛围和神秘十足的声学造型，为戏剧场增添了令人遐想的艺术效果。

3.2 戏剧场MLS声扩散墙面

3.3在清华大学建筑物理实验室声扩散测试

4 音乐厅GRG声扩散装饰板

一个世纪以来，大量的音乐厅设计实践，使声学家们认识到声扩散的重要性。研究显示，众多被世界公认音乐厅的音质效果，如维也纳金色大厅，均得益于墙面上的浮雕和顶面上的藻井造型所形成的扩散反射。音乐厅的顶棚和墙面采用了平均厚度达到4cm的GRG（增强纤维石膏成型板）。顶棚上的GRG装饰有看似凌乱的沟槽，侧墙GRG为起伏的表面，目的在于扩散反射声音。平面反射的声音类似于镜子，会因局部声音强烈反射影响音质，扩散反射类似于被磨毛的乌玻璃，声音反射更加均匀、柔和。另外，厚重的GRG板能够有效地防止低频吸收，增强厅内的低频混响时间，使低音效果（如管风琴、大管、大提琴等）更加具有震撼力和感染力。舞台侧墙上采用了类似于歌剧院墙面的栅状间隔的MLS扩散墙面，能扩散反射来自演奏台的声音，保障演出者之间具有良好的自我听闻和相互听闻，有利于乐队更好地发挥表演水平。

图4.1 国家大剧院音乐厅内景1

图4.2 国家大剧院音乐厅内景2

图4.3音乐厅舞台的MLS声扩散墙面


5
歌剧院金属透声装饰网

长久以来，剧院的体型问题使设计师苦恼。长方的体型有利于反射声音，音质最好，但视觉效果太古板；而椭圆的体型会使声音聚焦，音质难于控制，但有曲线的优美视觉效果。国家大剧院的歌剧院墙面上使用了一种透声装饰网，完美地解决室内视觉效果和听觉效果之间的矛盾问题。这是一种金色网子，看上去象优美的墙，但可以透过声音。网是弧形的，声音透过去后的墙是长方形的，这样就使视觉为弧形，而听觉为长方形，一举两得。这种网的设计在世界上是第一次。
为了保证金属透声网透声的效果，并防止与大音量的剧场扬声器发生共振出现“哗啦啦”的颤响，网面大面积施工前先安装了20m2左右的实验墙面，并经过了严格的声学测试。

图5.1 金碧辉煌的歌剧院、与法国声学专家对网面进行测试

6 歌剧院木装饰板顶棚的混凝土覆层

歌剧院的顶棚是实木板拼接装饰顶棚，配合大型的椭圆形灯带，在侧墙金色网的辉映下，显得金碧辉煌，古典而别致。为了防止顶棚因木板产生的不良低频吸收，以顶棚为模板，在其上密质地浇灌了一层4cm厚度的混凝土，增加了重量，提高了低频反射效果。

7 舒适的观众厅声学软座椅

国家大剧院的软座椅，采用了人体工程学设计，外形优美，安坐舒适。而且，软座椅还具有重要的吸声作用。观众厅内大量的观众所形成的吸声量是不容忽视的，为了控制室内吸声，座椅吸声系数必须符合设计要求，
座椅的聚氨酯内填料、织物面料、软垫的面积、软垫的厚度等都经过了严格的设计，一方面达到了观众厅吸声的设计要求，另一方面坐人时和不坐人时具有相同的吸声系数，保证观众厅的室内，在空场、满场、部分上座率等不同观众人数时，具有基本一致的室内声学效果。座椅批量生产前，预先制作了18把样椅，在清华大学建筑物理实验室进行了坐人和空椅的吸声实验，根据实验结果，再进行座椅的调整和改进，直到实验数据满足了声学要求后，正式的座椅生产才开始进行。

图7.1
座椅空椅、坐人的实验室吸声测试


8 座椅下送风静音均流风口

国家大剧院观众厅每个座椅下有一个送风口，采用了座椅下送风，属于“下送上回”的置换送风方式。与常规的“上送下回”的顶棚送风方式相比，置换送风的优点在于，一方面每个风口有针对性地向人体周围送风，使得送风均匀、风量平衡，另一方面。重点保障人体周围的舒适温度，避免了能量在巨大空间中的耗散，对节能非常有利。
但是，由于风口距离人体很近，必须消除风口噪声对观众听闻的影响，而且，人脚踝处是全身对风最敏感之处，还要防止“冷风吹腿”之感。
清华大学建筑物理实验室为此专门建造了“极低背景噪声通风实验室”，通过实验研制了一种静音均流风口。风口内有均流和静音结构，不但气流场均匀，而且噪声极低。风口在常规50m3/h的风量下，垂直流场风速低于0.2m/s，噪声声功率小于5dB(A)。
如图8.1为普通设计的座椅下送风风口，由于气流垂直向上，撞击到顶板后，气流集中在顶板周围区域散出，造成局部风速过大，过大的风速同时也产生了气流噪声，而底部周围因无气流经过又出现无风的状态。实验显示，顶板周围局部风速达0.9m/s，吹腿感严重（应小于0.2m/s），噪声也很高，达到15dB（应小于10dB）。如图8.2为改进后的风口，在原风口内加入了一个“小雨伞”形的阻风装置，一部分中心轴周围的风被“小雨伞”阻挡，主要散流到风口靠近地面的区域，周边不受“小雨伞”阻挡的气流直接撞击到顶板上，散流到风口上部区域，根据实验调节“小雨伞”的直径和垂直高度，从而可以控制风口气流的分布。气流流速降低了，噪声同时变小了。
观众厅内，数千个风口在人们的座位下，不引起人们任何的注意，默默地、静悄悄地输送着新鲜的气流。

9 录音室“房中房” 弹簧减振隔声结构

国家大剧院的录音室为“房中房”全浮筑结构，隔振的关键技术在于“房中房”的支撑弹簧。为了研究和验证所选弹簧的减振效果，在清华大学建筑物理实验室进行了弹簧减振实验。实验显示，弹簧采用子母簧、阻尼浆、防高频失效橡胶垫等多项技术，在单个弹簧支撑10吨的条件下，该“房中房”浮筑结构的撞击声声压级达到Lpn,w=32dB，与刚性支撑的撞击声声压级Lpn,w=78dB相比，可降低振动噪声46dB，是目前已知隔振效果最好的浮筑系统。

10 录音室QRD声扩散单元


录音室因录音的需要，要求更高的声场均匀度，因此需要更良好的墙面声扩散。国家大剧院录音室墙面大面积地采用了QRD(二次剩余扩散体)扩散单元。QRD与MLS不同，它的槽更窄，每个槽的深度是不一样的，槽深是通过对自然数列二次平方后对周期数取余数，得到的数值序列，QRD的扩散原理主要是因不同槽深的声阻存在差异，利用其反射声波动之间的衍射效应。QRD具有更强烈的扩散效果和扩散频率范围，非常适用于录音室等小房间应用。

11 Z型轻钢减振龙骨轻质隔声墙 为了保证国家大剧院的录音室、演播室、琴房等轻质隔墙的隔声性能，采用了一种特殊结构的Z型轻钢减振龙骨,用于安装石膏板隔墙。Z型轻钢减振龙骨比常规的C型轻钢龙骨更有弹性，隔声性能更好，尤其在难于隔绝的低频部分隔声优势更大。Z型轻钢减振龙骨构造安装与C型轻钢龙骨完全一致，是高隔声量要求条件下C型轻钢龙骨最佳替代产品。经检测，双排Z的型轻钢减振龙骨、六层纸面石膏板的30cm厚轻质隔墙的空气声计权隔声量可达Rw=65dB，理论上与1m厚的混凝土墙隔声量相当。 12 音乐厅的单侧透明隔声玻璃 国家大剧院音乐厅西侧二层墙面上有一巨大的参观窗，人们在走廊经过时，可以透过玻璃看到室内音乐演出的盛况。这是一块特殊的玻璃，特殊之处在于隔声性和电控单反性。参观窗由两层隔声玻璃组成，每层玻璃都是厚重的夹胶玻璃，窗的隔声量达到Rw=55dB，相当于20cm厚的钢筋混凝土墙的隔声效果，目的是防止观众厅外参观人员的噪声干扰。另外，其中一层玻璃上覆有电子反光薄膜，演出时，在电子控制下，玻璃为单面透光，走廊里的人可以看到演出，而观众厅内的人看到的是一块黑玻璃。可以想见，当人们以参观的身份经过音乐厅走廊时，在巨型蛋壳围合的庞大空间里，透过参观窗静静地欣赏无声的音乐，不也别有一番风味吗？

ivan

好资料，要学习国家大剧院，学习好的方式方法，思考所存在的问题

珐琅质

好呀，又学到了有用的知识，好东西，大家快来顶呀。

liyanhao333

分析的好详细啊~又学习了

杨炎晓

好文章 谢谢李遥

毛林

好是好，不过这几个扩散体的数学计算我找不到，那个有的贡献一下，最好有公式说明

毛林

好是好，不过这几个扩散体的数学计算我找不到，那个有的贡献一下，最好有公式说明

山東男孩

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