多功能体育馆建筑声学设计实践

pengjiangui

［摘要］多功能体育馆与一般"纯"体育功能的体育馆对比，它不仅具备体育训练和比赛的功能，还具备集会、展览、庆典、文艺演出等多种功能。它不仅应保证语言清晰，还应兼顾文艺演出功能的音乐丰满和园润。做好多功能体育馆建筑声学设计，不仅要运用声学原理，更重要的是要从实际出发，合理兼顾、科学设计。
［关键词］  多功能体育馆建筑声学设计  主要特点  建声指标及要求  主要问题  实践与声学测试

近年来随着社会发展经济条件的改善、文化体育生活质素的提高，特别是申奥(2008)和申亚 (2010)的成功，在全国先后兴建了一大批体育场馆。而且这些场馆有一个新的特点是，从国内到国外，不论是新建馆还是旧馆改造,逐步向" 多功能"的模式方向发展。使它不仅具备体育训练和比赛的功能，还具备集会、展览、庆典、文艺演出等多种功能。据资料介绍，美国旧金山某体育设施的使用比率中, 体育比赛占51.7%, 音乐会占19.4%, 马戏、冰上舞蹈占7.1%, 展览及其它活动占21.8%。澳大利亚墨尔本某体育馆，音乐演出占50%左右。这是体育产业化、社会化带来的发展动向。本文将通过本人对湖北荆门文体中心体育馆的建筑声学设计实践为例，简述多功能体育馆建筑声学设计的有关问题。
　　一、多功能体育馆的主要特点
　　与一般"纯"体育功能的体育馆对比，多功能体育馆主要有以下一些特点：
　　1、在体育比赛主看台的对面一侧设置活动舞台，用作会议的讲台及文艺演出活动的表演场地。
2、在体育比赛区安置一批活动座椅，以供文艺演出和会议时使用。
3、除在比赛场地安装体育比赛专用照明系统和语言广播扩声系统外，还要参照剧场的模式增加设置舞台机械、舞台灯光和文艺演出的扩声系统。并且应在争取较短混响时间的前题下，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，以达到较好的声音清晰度和丰满度。

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二、多功能体育馆建筑声学设计的有关标准

　　多功能体育馆建筑声学设计执行的技术标准，除国家建设部颁发的JGJ/T131-2000《体育馆声学设计及测量规程》和JGJ/31-2003《体育建筑设计规范》两个文件外，还应参照国家建设部颁发的JGJ57-2000《剧场建筑设计规范》和GB/T50356-2005《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》其中有关建声设计的指标及要求。主要有以下几点：

　　1、多功能体育馆建筑声学条件应以保证语言清晰为主，兼顾文艺演出功能的音乐丰满和园润。且应有足够的响度，声场均匀。

2、合适的混响时间和混响频率特性，使声音清晰。多功能体育馆不仅要满足体育赛事及训练的功能，还要满足文艺演出、大型集会等使用功能，在音质设计上无法同时实现各种使用功能的最佳效果，（只有采用可调混响结构，但从投资来说是不现实的），所以混响时间只能是在不同功能状态下，尽可能分别满足或接近各类功能时国家标准所要求的技术指标。在实际设计中，我们只要求业主明确主要使用功能，从而按照主要使用功能确定音质设计指标，并尽可能地去满足或接近其它使用功能条件。为此，在一般情况下多功能体育馆的中频混响时间，500Hz宜在1.3-1.5s。

3、结合建筑构造，选择最有效的吸声部位布置吸声材料，选择相辅相成的材料与结构，既不影响装潢的观瞻效果，又起到吸收作用。其中顶部的处理必须兼顾屋面隔声与馆内吸声要求，且顶部既是主要布置吸声材料的地方，也是吸声效率较高的位置，又是比赛场地上方最容易产生多重回声的部位。比赛场地四周及主席台、裁判席周围墙面应采用强吸声处理，可以有效地减少进入话筒的反射声，有益于提高扩声系统的传声增益。

4、大容积空间的混响时间计算值与实测值的误差较大。混响室的容积约为200m3，其高约为5m；多功能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不同的。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。空间大，声程长，高频声能衰减多，所以也会影响材料的高频吸声效果。另外在深空间吊顶中，则存在着透射现象，吸收低频声能力也增强。

5、较低的干扰噪声，使声场有较高的可闻动态范围。各种房间要求具体见下表，屋面应作隔声设计其隔声量应大于45dB。
类别

体育馆不同等级的噪声限值


特级、甲级

乙级、丙级


比赛大厅

NR-35

NR-40


贵宾休息室

NR-30

NR-35


扩声控制室

NR-35

NR-40


评论员室

NR-30

NR-30


扩声播音室

NR-30

NR-30



6、不得产生明显的声聚焦、回声、颤动回声等音质缺陷。近年体育馆的建筑造型和结构大量采用暴露网架、不设吊顶甚至采用透光的屋顶材料，并流行弧形拱顶、圆形墙体和大面积玻璃窗或玻璃幕墙等形式，这都极易造成较严重的声学缺陷。声音在遇到凹的墙面或天花棚顶时将会产生声聚焦，使某些点或某些区域的声压级远远大于其它位置，导致声场分布极不均匀，出现"声染色"和"声反馈啸叫"等音质缺陷。体育馆的弧形拱顶和圆形墙体，是典型的容易产生声聚焦的结构。建筑声学的设计项目往往是在建筑土建设计、装饰设计甚至施工的后期才介入，由于基本的建筑造型方面已难以改变，唯一办法是从声学装修结构方面进行调整和改造，这就大大增加了设计和施工的难度，为此多功能体育馆在作建筑声学设计时应认真把关，不得产生明显的声聚焦、回声、颤动回声等音质缺陷

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三、湖北荆门文体中心体育馆建筑概况

湖北荆门文体中心体育馆是中国第八届艺术节的场馆建设项目，既要满足体育比赛功能，又要满足中国第八届艺术节的大型文艺演出功能。体育比赛状态，本馆容积为137800立方米，共计座位3680座，每座容积37.4M3/N，总表面积为19140平方米。中国第八届艺术节演出状态，容积为136820立方米，共计座位1540座。中国第八届艺术节文艺演出时增加舞台围护及台口上方反射板，总表面积为19820平方米。

四、建筑声学设计指标

本馆按甲级体育馆、大型文艺演出功能定位，依据标准具体建筑声学指标如下：

1、混响时间与混响频率特性

本馆容积137800M3。根据JGJ/T131-2000 《体育馆声学设计及测量规程》标准的有关条款，如下表：

综合体育馆满场500~1000Hz混响时间


比赛大厅容积（m3）

<4000

4000-8000

>8000


  混 响 时 间（S）

1.2~1.4

1.3~1.6

1.5~1.9



容积在13~15万立方米多用途场馆为1.1~1.5秒，为此本馆中频500Hz的混响时间确定设计值为：体育比赛时为1.5秒，中国第八届艺术节文艺演出时为1.4秒（满场）。为使本馆声音有一定的语言清晰度，其混响频率特性尽可能达到国家本标准要求。





混响频率特性（相对于500HZ~1000HZ混响时间的比值）


频率（Hz）

125

250

500

1000

2000

4000


比      率

1.0~1.5

1.0~1.15

1.0

1.0

0.9~1.0

0.8~1.0





2、声场分布

最大最小值相差不大于6dB，最大值与平均值相差不大于3dB，使本馆能获取足够的响度的均匀声场。

3、隔声量

隔声量不小于40dB，使本馆听音不受外界噪声干扰。

4、背景噪声

不高于NR-35，使本馆听音基本上不受室内噪声干扰，能获得一个安静的听音环境。

5、馆内无回声和声能聚焦等现象。

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五、建筑声学设计

1、形体设计

为了使厅内声场均匀、无回声、声聚集等声学缺陷，结合本厅的建筑结构，运用几何声学原理和计算机辅助设计，确定厅各界面的空间定位和声学表面性质。本馆室内装修应属声学装修，故体型设计的主要任务是利用声学原理作好扩散设计，使观众席有足够强和覆盖面大的早期反射声，使这些声程差控制在30ms以内的早期反射声分布均匀。利用各界面扩散与反射错列分布的方式，既提高了扩散均匀度，又使得观众厅形体丰富、美观实用。

2、音质设计

混响设计计算时，严格控制并利用各类不同材料与构造进行组合，使混响频率特性均衡、平滑，尽可能满足设计规范要求。

本设计混响时间计算公式（Eyring公式）为：

               T60=         0.161V

                     -Sln(1- ā)+4mV      

其中: V----室内容积

ā=ΣSiαi/ΣSi----平均吸音系数

S=ΣSi ----室内表面积

4mV----1000Hz以上高频空气吸声量



吸声材料的选择:

（1）要合理搭配使馆内的混响时间有一个良好的频率特性；

（2）要具有防火、防水、耐腐蚀的物理与化学性能；

（3）要采用环保型，不产生有毒气体，不产生微小颗料与粉尘，易于清洗；

（4）要产品化，吸音系数不带有较大的随遇性，便于控制质量。遵从以上原则，本馆的主要部位声学构件、吸声材料设计、

选择与布置如下：

（1）观众厅座椅

观众厅内设体育座椅3440座为体育场馆专用椅，240座布面软椅，在中国第八届艺术节文艺演出时，将比赛区塔成台阶式观众席，布置1540座简软椅，具体详见座椅分布图。

（2）顶层

     顶部是主要布置吸声材料的地方，尤其比赛场地上方最容易产生多重回声，从而也是吸声效率较高的位置。同时为考虑屋面隔声要求，采用5.08kg/m2厚25的K-13植物纤维素涂层，其吸声性能如下

天棚结构吸声性能（α）


频率（Hz）

125

250

500

1000

2000

4000


吸声系数

0.55

0.99

1.13

1.06

1.05

1.10



（3）上部墙面

     比赛场地四周及主席台、裁判席周围墙面采用扩散处理，可以有效地减少进入话筒的反射声，有益于提高扩声系统的传声增益。同时加强对观众席的早期反射声的组织。

采用组合吸声方式，即三夹板空腔结构（后空100、龙骨四周填塞2kg/m2矿棉条）、FC穿孔空腔结构（厚6、P6.5％+48kg/m3-50玻棉毡/后空200）与聚脂吸声软包（后空10cm内填32K-50玻棉毡）组合，其吸声性能分别如下：

吸声系数


频率（Hz）

125

250

500

1000

2000

4000


三夹板空腔

0.75

0.34

0.25

0.14

0.08

0.09


FC穿孔板

0.65

0.99

0.91

0.80

0.70

0.47


聚脂吸音软包

0.40

0.45

0.48

0.50

0.85

0.85



（4）下部墙面

即墙裙：采用帕特板吸声结构（13/3MФ10-13+32K-50/后空200内填32K-50玻棉毡）做成。以对低频的声吸收。其吸声构造的吸声性能如下：

吸声系数


频率（Hz）

125

250

500

1000

2000

4000


帕特板

0.95

0.97

0.90

1.03

0.90

0.92



具体作法详见建筑声学设计立面图、节点图与两种状态各类吸声结构分布表、混响时间设计计算表。

3、隔声与噪声控制设计                                

（1）室外噪声主要采取隔声措施，为了防止馆外周围环境的噪声干扰，除屋面采用5.08kg/m2厚25的K-13植物纤维素涂层外，本厅外墙、屋面等应具有足够的隔声量。

（2）外木门均采用国标J649隔声门，玻璃门应在施工中应加强对门缝隙的处理。

（3）室内噪声主要来源于空调风口、舞台机械噪声等，需责成有关专业设计人员按允许噪声指标合理地选用设备，在安装时做好隔声减振处理，保证观众厅的静态背景噪声满足NR-35标准。具体措施：一是在风机、空调机和电机下做减振处理，即在风机、空调机和电机的混凝土基础或安装架下设减振器和橡胶垫，二是机房部侧墙做强吸声处理，以减小机房内部的噪声；三是所有悬挂风管的吊钩均做减振吊钩，管道接口采用软性连接；四是风机的送风端和回风端加有足够消声量的消声器，所有风道弯头尽可能做吸声弯头。

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六、建筑声学测试

本工程竣工后，在中国第八届艺术节文艺演出状态进行了空场建筑声学测试，主要技术指标如下：

  
技术

指标

频 率（Hz）


125

250

500

1000

2000

4000


背景噪声（dB）

50.9

47.4

44.5

40.6

37.6

35.6


混响时间（s）

1.59

1.55

1.50

1.49

1.56

1.48



七、结束语

   多功能体育馆建筑声学设计，在功能定位后依据国家相关技术标准，结合本馆实际达到多功能要求，通过本馆实践进一步证明是可行的，且验收测试技术指标（空场）与设计指标（混响时间设计计算表附后）的误差小于10％，达到了较好效果。值得说明的是由于屋面隔声业主未按本设计采用隔声和吸声于一体的方案施工，而是改用单一吸声功能的空间吸声体，所以本馆遇下雨时其噪声干扰较大，馆内下雨噪声高达60-70dB，这将待以后来改造完善。

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