体育馆声学设计的建筑因素

jessy · 发表于 2005-11-7 12:10

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空间模式 
 
1.1 1.1 看台、比赛场地和高度组成体育馆的空间 
1.1.1 看台布局是以视觉质量为依据： 
 
大型体育馆的座位往往是沿着周边布置的，场地长边两侧的座位是主要的，也有加挑台的。中、小型的也有像大型的那样是周边式的，多数是沿着场地长边布置，或者是一侧为主，另一侧为辅，也有加挑台的。兼顾文艺演出的，则以不对称布置为佳，观众厅的布置方式，有效形状为矩形，最佳形状近于椭圆形。中型体育馆的视距（最后排端部的座位到比赛场地最远的一角），一般在50m以内，大型体育馆则在60m以外，所以，大约有50%~80%的座位的明视性是低于中型馆。 
 
看台高度随规模大小、布置方式而不同，但是大、中、小的平面布置和看台高度模式变化不大。 
 
一般球类馆的高度：大型馆（8000座以上）平均为16.4m，中型馆（5000~6000左右）为11.5m，小型馆（4000座以下）为11m以下。看台最后座位上空的高度一般为3m。所以看台的高度是一个常数。 
 
1.1.2比赛场地的面积有具体规定（不小于22×44m），是一个常数。 
 
比赛场地上面的高度也是一个常数，中、小型馆是按排球要求取12.5~13m，网球则取15m，大型馆可取15m。 
 所以体育馆的空间随着规模大小而变化，并日趋定型化。 
 
 
1.2 看台升起像山坡，倾斜的看台具有很强的向心性和运动感，但是还需要顶棚界面的呼应，才能因视觉空间的“连续”而产生动感。场地好像一片谷地，大片面积的比赛场地，由于它明亮、光滑，像一池春水，起着视觉导向的作用，强调出馆内的视觉环境中心。因此，在其上的顶棚也就成为馆内的兴趣中心。所以体育馆内的顶棚界面的处理，在馆内空间的构图中起着主导作用。屋盖结构的选型和顶棚的处理方式对内部空间的形态和大小的作用是一个关键。 
 
近年来，体育馆的屋盖结构，除了已广泛使用的空间网架外，其它新型结构如悬索、壳体、网壳等结构也被重视起来。利用屋盖结构的特殊形态与内外环境取得协调，表现为多层次的文化形象，在变化中取得和谐的整体效果。这类屋盖结构通常不作吊顶，暴露结构。由于结构构件简洁和谐，轻灵剔透，减轻了高空间的压抑感，又显示了科技美。因此体育馆的屋盖形式会出现上凸、水平和下凹的三种基本模式。 
 
 
2 屋盖模式的声学特性 
根据功能、技术条件利用屋盖、地面和墙面等界面，界定出与人有关联的空间；无论是上凸、水平和下凹的三种基本模式，仅仅是一个初步的、粗糙的雏形空间，但该空间离功能要求、行为特点尚有很大的距离，还需要对此雏形空间进行加工、提练，成为与人的生理、心理、审美有着密切联系的馆内空间环境。因此要求利用空间的体态、界面的形状、构件的特点、材料的质感以及总的组合和色彩、机理效果，在馆内空间环境设计中体现出立意和气氛。并且屋盖结构的模式则是直接决定馆内声场特点，影响将来的听闻。 
 
 
2.1 上凸形 
奈尔维（1891-1978）所设计的罗马小体育馆（1956-1957），是一个直径为60m的圆形平面，屋盖体系是由1620个壁厚为25mm的菱形槽板拼装起来的，在板缝中布筋现浇成肋形而成为波形拱（图1）。整个穹顶像一个反扣过来的荷叶，轻盈灵巧。并用暴露在外的36根Y形斜撑直接支撑在地环上。该建筑无论从外或从内，其力的传递脉络清晰，又不感到在卖弄技术，充分体现简约、对称、和谐的科学美，确具自在美的内涵，所以充分表现了“力量”，显示出体育建筑的特征。该馆由一条条精致的肋所组成的馆内的围合结构，构成了迷人的图案。而Y形斜撑的支撑拱支点很小，并且正好连接着三块菱形槽板，使交织成网的肋都顺势汇合到Y形的斜撑上，并流向地环，正是水银泻地，天衣无缝，无尚的和谐。从内部望去整个穹顶就像悬浮在空中一般，意境似诗如梦。 
 
图1 罗马小体育馆 图2 罗马大体育馆 
 
这样形体的建筑无论从平面、剖面来看都是存在着声学缺陷的，但是由于在菱形槽板内铺设了具有了足够吸声量的吸声材料，可以使如此大的空间中混响时间达到所需要的要求。另外，由于砼的肋与菱形槽板内的吸声材料，交替地组合，这样，软硬交替使整个界面具有非常好的声扩散性能。所以馆内无声学缺陷且声能分布均匀。因此罗马小体育馆具有良好音质，并在建筑史上也是一座名作。罗马大体育馆（1958-1960）也是奈尔维的名作（图2），容纳16000座的大体育馆，平面也是圆的，直径达100m，围合结构是预制装配的钢筋砼三角形空透的波形拱。它截面是V形的，富有节奏感，其一条条拱肋像巨龙腾空而起，非常有力；由于起拱高度变换合理，显示了亲切、灵巧，消除了如此大的跨度所具有的沉重感，呈现出动人的空间形象。同样在预制装配构件的拱肋中布置了吸声材料，并且还在拱肋中还布置了空调管道，其外包吸声保温材料，所以取得了同样良好的音质效果。 
 
 
2.2 下凹形 
悬索结构多数是这类型的，可以减小馆内容量和混响时间以及平均自由程（4V/S,V—容积m3，S—总的表面积m2）因此也减少了吸声材料的用量；同时由于下凹顶界面，能把比赛场上的声音均匀地扩散到馆内各区域，所以这种形体是对声学有利的，建筑内部声学空间形态与结构造型相符。被誉为60年代划时代的体育建筑杰作——丹下健三所设计的国立室内综合竞技场（即代代木体育中心，图3），采用了悬索结构，其屋盖是下凹形的。 
 
图3 代代木体育中心 
 
 
 
2.2.1游泳馆 
15000座席，容积16万m3，混响时间空场为3s，满场为1.9s。其跨度为126m，悬索部分在外立面形成屋脊，屋脊两侧面是采光面；在馆内形成了一条美丽新颖的光带（图4），该光带内部空间（图5）的设计为：以百页窗作为外界面，变直射的自然光为散射光，内部具有人工照明以满足馆内照明的需求；另外，设有排风系统。在光带下面是穿孔铝板内填超细玻璃棉为吸声和散光两用的大隔栅板。 
 
 
图4 代代木游泳馆 
图5代代木游泳馆内部空间 
 
 
 
 
该馆的顶界面完全保持了悬索结构下凹的优美曲线，在屋面板下铺设了穿孔铝板，内填玻璃棉作为吸声和保温两用。自然光沿着顶界面的曲面，渐渐地散开，馆内笼罩在淡淡的光线中，曲面顶棚向上，向中间升起，呈现一种朝气蓬勃的气氛。馆内声学效果较好。 
 
2.2.2体育馆 
图6 代代木体育馆 
 
体育馆为螺旋形悬索结构（图6），圆形平面，4000座席。其支撑结构柱位于一侧的观众席后的通道处，由于支撑柱的顶部是采光口，自然光由此口漫射而入，随着馆内的顶棚自下而上逐渐螺旋般地渐渐地明亮起来，光线柔和而飘逸，加强了螺丝旋形悬索构件所构成旋形线条的顶棚所创造的向上动势，高攀搏击、焕发活力的气氛。比赛场地正处于悬索结构下凹曲面下，馆内的顶棚也是穿孔铝板，其后填玻璃棉，吸声处理同游泳馆，音质效果令人满意。 
 
丹下键三的这个杰作对后来的体育馆建筑影响很大，尤其是自然采光和人工照明组成的光带的形式，更为风靡，其中不乏好例，但也有由于缺乏系统思想指导设计，顾此失彼，整体效果不良。有的屋盖是采用上凸的钢网壳，取得光带，其内凹的曲体面会产生聚焦和回声，有的还产生多重反射，形成多重回声。另外这些自然采光的光带大都是直射式的，直射光很强，产生眩光，影响使用；目前更有甚者，取消了屋面板，采用透明的或透光的屋面，对声、光效果和空调系统的设计更为复杂，有待探索和研究。 
 
2.3 水平 
空间桁架、网架结构多属此类，也是目前我国体育建筑中常见的类型，由于这种拉平取齐的顶界面，容易产生呆滞乏味的感觉，缺乏新意，所以更需要从界面形状，构件特点，材料质地等空间构图上着意，创造空间环境，使其产生多样的变化，生动的意趣。 
 
图7 天津市河西体育馆 
 
天津市河西体育馆是把空间吸声体布置在网架的下弦杆（图7），它们与方筒形的灯具和通风口组成一个空透、变化、立体感很强的吸声顶棚，虽未暴露结构，仍保留了不作吊顶的灵活性和通透感。由于十字形倒锥体的空间吸声体具有视幻的感觉，他们与同面积方筒的灯具和通风口的重复、交替的出现，节奏和流动感受很强。如同乐曲中的主题和变奏，产生了很生动的和活跃的气氛，美的视觉效果就油然而生。十字形的空间吸声体是白色的，其边框是铝合金的，在灯光中产生细条的光浑，闪烁不定，增添了华丽多姿的装饰效果，唤起视觉，起了主导的作用。 
 
体育比赛时，馆内的灯光暗熄。只有顶光集中照射在场地上，此时顶棚成了“灰色”的模糊界面，它与观众席、端墙等界面相衔接、交融，起着过渡、转化和统一的作用，更加突出了明亮、活跃的比赛场的中心地位。文娱演出时，由于场地灯彩的余辉，使空间吸声体的铝合金边框产生闪烁点点的碎光，上下交相辉映，他们含蓄、不确定的光点，使空间的魅力倍增，渲染出一种异常活跃、轻松和华丽的气氛。 
 
北京月坛体育馆内的空间吸声体，在下弦杆悬挂与照明结合的圆形的空间吸声体，隐喻体育馆的馆名，装饰和声学性能都很好。（图8） 
 
图8 北京月坛体育馆 
图9 广州市天河体育中心游泳馆 
 
广州市天河体育中心游泳馆、容积86045m3，平均每座位占有25m3。馆内现有的能敷设吸声材料的表面，即使都布置了能适应于潮湿空气条件的穿孔铝板，还达不到所要求的吸声量。结合空间钢桁架屋盖结构，采取在桁架的下弦杆和腹杆上铺设微穿孔铝板（图9），形成倒四方锥形的空间吸声体，增加了吸声面积，满足了吸声的要求。这种具有雕塑感的多棱形顶棚，统一了结构、声学处理和装饰的需求，颇具时代感，也能与平静如镜或跳跃波动的水面相协调，所以很受各界的赞赏。广州华南师范大学手球馆的处理也是利用空间钢桁架为骨架，做成倒四方锥形的空间吸声体，如同天河体育中心游泳馆的倒四方锥形空间吸声体，间隔地布置悬挂圆筒形吸声体，动感很强（图10），声学特性很好又很经济。 
 图10 广州华南师范大学手球馆 
 
以上四个馆的音质和装饰效果都很好。

jessy · 发表于 2005-11-7 12:12

声处理 
体育馆内的建筑设计与建声处理一般为： 
 
 
1.1 顶棚的处理 
体育比赛、文娱演出等都在比赛场地上进行，它面积大、地面的声反射性能强、高度大（至少应为12.5m）、声反射距离长，在地面与顶棚之间具有多次反射，产生多重回声，干扰运动员的注意力和容易判断错误。文娱演出时，话筒位于此处，接收了反射声，会产生啸叫，影响演出。所以比赛场地上方的顶棚无论是上凸的、下凹的和水平的，都应有宽频带、强吸声的声学处理。馆内顶棚的处理方式有两种，即有吊顶和无吊顶。有吊顶的优点是减少馆内的容积对控制音质和节能有利，在吊顶内可以布置灯光、管道、检修马道以及扩声设备等。馆内具有整齐、美观的效果。缺点是吊顶的造价太大，一万平方米面积的吊顶相当一个练习馆的代价。无吊顶的优点，可以接合保温、隔热在屋面板处加吸声材料，一材多用，节约投资；灯具、扩声设备等布置灵活自由；也能达到美观、整齐和新颖的效果。缺点是增加了20~30%的容积，上凸式的增加则非常大，甚至到达惊人的地步。 
 体育馆是以扩声扬声器为主要声源，所以自声源反射出来的声能的途径一部分是到达观众席再反射到顶棚，另一部分到达比赛场地，再反射到顶棚，因此顶棚是馆内声反射必经之地，也是吸声有效之地。体育馆的顶棚约占馆内总表面积的40%，其吸声量约占空场总吸声量的70%。 
 
 
1.2 墙面处理 
作者简介：曹孝振(1932.5-)，男，籍贯上海，教授级高工，苏联莫斯科电影研究所建筑声学研究室研究生毕业 
 
体育馆的墙面面积较少，约占馆内总表面积的12~16%，并且计分牌又占去很大一部分，有的墙面上还有玻璃，所以可以布置吸声材料的面积不多，然而在墙面上布置吸声材料或构件是很重要的，以往布置低频吸收的如穿孔板类较多。文娱演出时，往往以布置在比赛场地内流动的扩声系统为主，射向观众席的各种声音容易被墙所反射，产生长距离的反射而形成回声和由于具有平行表面产生的颤动回声，还有沿着墙爬行的现象，后座易受干扰。所以墙面上宜布置宽频带的吸声材料和构件，也可以布置扩散体，改善馆内的音质条件。 
 
2 建声设计中存在的问题 
体育馆的容积大，不仅是由于它的容量多，同时比赛功能也要求大的场地和足够的高度（一般是不低于12.5m）。一般小型体育馆的容积为2~4万m3，中型的为5~7万m3，大型的大致在8~10万m3甚至更多。平均每个观众所占容积为5-10m3，特殊体型的甚至可达20~30m3。大多数的游泳馆由于高台跳水的要求，其高度更高，所以每座所占容积往往大于20m3。容积大产生下列的问题。 
 
2.1 混响时间长 
通过实践和调研，在扩声清晰的前提下，体育馆的容积虽然相差很大 (几乎相差八倍)。大、中和小型的体育馆的混响时间在1.6~2.0s（中频），游泳馆为2~2.5s，频率比（中频与125Hz之比）在1:1.0~1.3，允许噪声为NR35~40,达到了这些要求一般都能获得较好的效果，甚至“体积为30多万m3，混响时间长达3-3.5s的特大型体育馆中控制扬声系统的中频指向性因素（10左右），也能较好地解决扩声清晰问题”[1]。所以，体育馆内的音质设计宜采用多种综合办法来解决，也就是在争取减短馆内混响时间的前题下，合理布置扬声器系统，控制扬声器系统的指向性特性，获得良好的扩声直达声能与混响声能之比，达到扩声清晰是扩声设计的有效方法。 
 
 
2.2 低频振动 
体育馆建声设计一般只考虑125~4000Hz范围，习惯认为在大容积的空间内，它的简正方式的分布是无规的，可以忽略低频振动的问题。实际上，大容积空间存在着低频振动，并且能量很大，作用的频率范围很宽（20~500Hz），对音质影响很大，这是不容忽视的[2]（图1）。大多数体育馆对于低频的声学处理只是在两侧墙面采用穿孔率P=10%左右的穿孔板，由于该两处的面积有限，仅占馆内总表面积的12~16%，所以在吸声量和频率要求上是远远不能满足要求。 
 
有的扩声系统中设有信号处理器，可以不增加总功率，提高对语言清晰度有贡献的频段（中、高频）的声能比（或信噪比），改善扩声清晰。这对具有低频振动的情况，因低频混响时间过长有低频掩蔽产生“拖泥带水”的感觉，导致语言不清晰的改善也可采用这措施。 
 
 
 
 
 
2.3 混响时间计算值与实测值的误差大 
2.3.1混响室的容积约为200m3，其高约为5m；体育馆的容积至少为2万m3，甚至可达15~20万m3，其高度至少12.5m，所以二者的声场是非常不同的，因此同一材料或构件所表现的吸声性能的差别必然是很不同的，（从表1可知试验值与现场实测的推算值有很大差异）。 
 
2.3.2努特生曾在以他命名的实验室中对吸声材料进行不同高度测量，发现离材料越近吸声性能越好。 
 
2.3.3空间大，声程长，高频声能衰减多，所以会影响材料的高频吸声系数。 
 
2.3.4假如是深空间吊顶，则存在着透射现象，吸收低频声能力强。 
 
2.3.5空间吸声体悬挂位置的不同也表现了其吸声性能有很大差别。（见表2所示）。 
 
 
混响时间计算与实测值比较（空场）表1 
 
编号 名称 倍频程中心频率（Hz） 
125 250 500 1000 2000 4000 
１ 　　　　　　　计算 
 
上海馆　　　　实测 
 
　　　　　　误差 4.50 
 
1.99 
 
126% 3.20 
 
1.90 
 
63% 2.50 
 
1.78 
 
41% 2.40 
 
1.98 
 
21% 2.50 
 
1.98 
 
26% 
 
 2.40 
 
1.82 
 
32% 
 
２ 计算 
 
首都馆　　　　实测 
 
　　　　　　　误差 3.20 
 
2.20 
 
46% 2.90 
 
2.40 
 
21% 2.30 
 
2.50 
 
8% 1.90 
 
2.80 
 
32% 1.60 
 
2.50 
 
36% 
 
 1.30 
 
2.00 
 
35% 
 
３ 计算 
 
江苏馆　　　　实测 
 
　　　　　　　误差 4.01 
 
1.92 
 
109% 3.46 
 
1.98 
 
75% 2.28 
 
2.19 
 
5% 2.09 
 
2.39 
 
13% 2.10 
 
2.49 
 
16% 
 
 1.69 
 
2.25 
 
25% 
 
４ 计算 
 
山东馆　　　　实测 
 
　　　　　　　误差 5.09 
 
2.29 
 
122% 3.11 
 
1.77 
 
76% 1.81 
 
1.92 
 
6% 1.82 
 
2.47 
 
26% 1.78 
 
3.01 
 
41% 
 
 1.65 
 
2.60 
 
39% 
 
５ 计算 
 
陕西馆　　　　实测 
 
　　　　　　　误差 3.10 
 
1.70 
 
82% 1.70 
 
1.72 
 
2% 1.90 
 
2.20 
 
1.4% 1.80 
 
2.68 
 
33% 1.90 
 
2.70 
 
30% 
 
 2.00 
 
2.27 
 
12% 
 
 
 
空间吸声体不同位置的吸声系数与试验室值结果比较表2 
 
编号 位置 倍频程中心频率（Hz） 
125 250 500 1000 2000 4000 
１ 
 
２ 
 
３ 
 
４ 试验室 
 
下弦杆 
 
腹处杆 
 
上弦杆 0.6 0.9 1.4 1.6 1.5 1.5 
 
1.7 0.94 1.38 1.09 1.09 2.38 
 
1.17 1.27 1.26 1.09 1.38 2.16 
 
0.49 0.83 1.03 1.06 0.99 0.98 
 
 
3 吊顶的声学特性 
体育馆吊顶声学处理大概有下述四种：在精心声学设计下它们都能达到技术指标要求。 
 
3.1 大后空 
这类吊顶一般都采用多孔材料，吊顶后的空间很深（约2~3m）它们的吸声系数约为0.70左右（中频）， 125、250Hz的吸声系数大约为0.75~0.80；频率比都能达到1:1.0~1.3的要求，能以扩声清晰。表明这类吊顶固具有高大的后空，具有很强的透射吸收低频的能力（见表3） 
 
3.2 共振型 
这类吊顶一般是硬质金属的、化学的、木质的板材，一般都进行穿孔（P<10%），至实际中它们的频率比往往大于1:1.3(125Hz)，有的还超出很多。所以达不到扩声清晰的要求。这现象表明轻质材料吊顶的透射吸收低频能力远大于硬质材料吊顶的共振吸声的能量（图2）。表示穿孔板的吸声性能在后空为27cm、50cm时较好，但在中频段有反共振现象，则不利。 
 
 
 
3.3 空间吸声体 
空间吸声体多半是由轻质材料板吊挂在弦杆上组合成，其性能特点：因其位置而异，差别很大见表2。低频的差异仍为透射吸收的作用，而高频的差异是空间吸声体在混响室中因绕射作用的关系。但是，这类吊顶因忽视大空间的低频声的处理，虽然中频的指标是达到了，而低频超出1:1.13的频率比，扩声清晰较差，不如大后空的，但比共振型的效果好。 
 
 
体育馆中不同吊顶的声学性能（混响室和现场实测的比较）表3 
 
编 
 
号 材料处理情况 倍频程中心频率（Hz） 备注 
125 250 500 1000 2000 4000 
1 超细玻璃棉（厚2.5cm, 32kg/m3后空30cm） 混响室 0.6 0.8 0.85 0.95 0.95 0.98 两者的差别主要是由于材料边缘效应引起的 
现场 
 
实测 0.6 0.73 0.73 0.72 0.67 0.5 
2 钢板网上铺泡沫塑料（厚7.5cm） 混响室 混响室的测试结果序号2和3可以参考序号1可知低频差别是由大后空的透射吸收,高频则由边缘效应引起的 
现场 
 
实测 0.8 0.78 0.74 0.56 0.58 0.56 
3 钢板网上铺超细玻璃棉（6-9cm） 混响室 
现场 
 
实测 0.75 0.75 0.75 0.65 0.65 0.65 
4 穿孔钢板（孔径10 p=8%）后铺厚5cm超细玻璃棉 混响室 0.13 0.10 0.18 0.15 0.13 0.20 此表说明现场为后空低频透射效应很大，而混响室内进行测量的后空腔为5cm共振效应很小 
现场 
 
实测 0.74 0.82 0.30 0.12 0.015 0.042 
5 穿孔铝板(孔径2, p=16%)后铺5cm超细玻璃棉(32kg/m3)后空25cm 混响室 0.62 0.85 0.62 0.77 0.78 0.76 穿孔铝板铺至屋面板下，所以现场与实验室的后空多些都为25cm但现场的吸声效果小于实验室。 
现场 
 
实测 0.46 0.52 0.48 0.50 0.47 0.54 
6 平板穿孔铝板吸声体（厚 10cm p=25%）平放 混响室 0.52 1.04 1.00 0.96 0.92 0.80 表明平放空间吸声体，没有透射效应，也没有边缘效应，只有穿孔的共振效应，把以现场的效果小于实验室的。 
现场 
 
实测 0.54 0.58 0.62 0.64 0.59 0.64 
 
 
3.4混合式的 
 
 
以空间吸声体为主，采用其高吸声系数的优点，同时又具有通透轻盈多变化的特点。在看台上部采用轻质材料为吊顶，具有深的空间，所以产生透射效应弥补了低频吸收的不足，如天津河西体育馆的处理，其125Hz的频率比为1:1.14，扩声清晰。另外，以空间吸声体为吊顶的，在屋面板与吸声体之间的空间中增加低频吸声结构，这是在广州中山纪念堂采用低频吸声结构之外的又一例，也取得很好的效果125Hz的频率比为1:1.10，扩声清晰[3]。

whstxiaowu · 发表于 2007-2-12 23:17

非常需要，正在学习中

allen0723 · 发表于 2007-4-6 20:53

学习学习

allen0723 · 发表于 2007-4-6 20:54

好东西啊 
学习学习

smlbs1000 · 发表于 2010-7-19 12:19

希望大家多发这样的

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体育馆声学设计的建筑因素

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