体育馆声学设计的建筑因素---建筑声学处理
摘 要： 体育馆建筑特点是容积大，声学处理面积少，主要是在吊顶。因此大容积和吊顶的声学特性是解决馆内音质问题------扩声清晰的关键。
1 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
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。
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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）
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表1 混响时间计算与实测值比较（空场）
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表2 空间吸声体不同位置的吸声系数与试验室值结果比较
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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。
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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。
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表3 体育馆中不同吊顶的声学性能（混响室和现场实测的比较）
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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。
参考文献：
[1] 骆学聪：“体育馆扩声声学问题简报”电声技术，12/2002
[2] 曹孝振 周方红：“广州中山纪念堂的音质改造”电声技术，2/2000
[3] 曹孝振 李志良：“广东韶关大学多功能体育馆的音质设计”电声技术，4/1999
[4] 曹孝振“天津河西体育馆的音质设计”电声技术 2/1997
[5] 曹孝振“天津市河西体育馆室内环境设计”室内设计与装修 2/1997
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