船载游乐园建筑室内声环境设计

张九红,吕翔宇,张晓倩,马欣怡

(1.东北大学江河建筑学院,辽宁 沈阳 110819;2.沈阳建筑大学建筑与规划学院,辽宁 沈阳 110168;3.谢菲尔德大学建筑学院，英国 谢菲尔德，S10 27N)

室内主题游乐园是一种新兴的休闲娱乐产业[1]。游乐园内一般根据主题内容划分为不同场景区域,各场景体量巨大并形成封闭的空间。目前很多大空间建筑只注重新奇的概念与造型,对建筑的功能性考虑相对欠缺[2]。部分主题游乐园的场景室内声环境不尽人意,不能保障游玩质量[3]。当前国内没有针对主题游乐园声学设计的权威评价,行业亟待制定全面的设计标准和规范[4]。笔者以国内某主题游乐园内船载主题场景的室内空间为研究对象,根据施工方原设计方案进行计算预测,提出包含声学设计目标与吸声材料选择的声环境设计方案,并使用软件模拟的方式进行验证,达到提升音质、控制噪声的目的,使游览空间满足正常的游览需求。

1 原设计方案分析

1.1 空间声环境概况

设计对象为游乐园中“与金尼交战”的场景空间,称游览空间(见图1)。空间内效果如图1(a)所示,当游客乘船到达该空间时,投影设备与音响同时运行,营造真实的战场效果。空间内声源主要由游客人声、设备运转声以及影片音乐声构成。电声源位置如图1(b)标注所示,音响位于标注点地面及天棚位置共14个。该空间内表面积约2 580 m2,体积约5 200 m3,界面材料分布如图1(c)所示。场景中天棚、墙壁及地面以水泥塑石材料为主,墙面上镶嵌有约325 m2的金属投影幕,地面上约有200 m2铺满玻璃钢板装饰,轨道中有深600～800 mm的水,水表面积约为200 m2,耦合洞口[5]面积约为60 m2,各界面材料吸声系数如表1所示。

图1 设计对象整体概况示意图Fig.1 Schematic diagram of overall overview of design object

表1 原设计方案界面材料吸声系数Table 1 Sound absorption coefficient of interface material in original design scheme

1.2 原设计声环境参数计算

根据该建筑的功能需求,将音质提升与噪声控制作为室内声环境的设计目标。

(1)混响时间

由于该空间容积较大,并存在大量水,应考虑空气对声音传播的吸收。故选用依林-努特生公式[6]进行混响时间计算,假定相对湿度为60%,空气吸收系数参考2 000 Hz为0.009,4 000 Hz为0.022,混响时间计算式为

(1)

(2)吸声量

吸声量又称等效吸声面积,是用以表征某个具体吸声材料的实际吸声效果的量。

125～1 000 Hz吸声量计算式为

(2)

2 000 Hz、4 000 Hz吸声量计算式为

(3)

式中:A为吸声量,m2。

根据式(1)、式(2)、式(3)计算原设计室内空间混响时间与吸声量(见表2)。从表可知,该空间内各频段混响时间均较高,尤其在125 Hz达到7.07 s。各频带的吸声量也普遍较低,无法达到保障电声音质和室内吸声降噪的基本室内声学要求。

表2 原设计方案混响时间与吸声量计算值Table 2 Reverberation time and sound absorption quantity in the original scheme

原设计方案场景内界面大多为吸声系数较低的硬质材料,房间吸声性能薄弱,并且该场景体积较大,导致室内混响时间过长[7]。此外,场景中采用的影片电声已完成所有的混响音效处理,因此需要短混响、强吸声的建声基础,高质量还原场景音效[8]。

2 声学设计目标

2.1 音质设计

目前没有针对此类公共建筑的声学标准,需要依照其功能特性类比相关的公共建筑规范进行设计。该空间是一个录制音频放声系统,可将其类比为全新类型的多功能影院。笔者参考《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》(GB/T50356—2005)中对容积为5 000 m3的电影院观众厅混响时间的要求,得到设计方案(见表3)。

表3 电影院观众厅各频率混响时间设计值Table 3 Design value of reverberation time of each frequency in cinema auditorium

原方案中125 Hz混响时间为7.07 s,与表3中数值相差较大。对于低频吸声来说,吸声体体积较大、不易安装。过分降低低频混响,会对其他频率混响时间、室内装修风格,以及经济指标等造成严重影响。针对空间声源分析,制作内容中低频声所占的比重较低。适当的低频混响时间能够弥补人耳对低频的不敏感,有助于增加音乐的丰满程度[9]。因此将125 Hz混响时间设计目标放宽至2.0 s。最终确定该游览空间各频率混响时间设计目标值如表4所示。

表4 游览空间混响时间与吸声量设计目标值Table 4 Design target value of reverberation time and sound absorption

2.2 噪声控制

空间中的背景噪声是指游客产生的人群噪声、室内空调以及观影设备等产生的噪声,噪声的计权总和不能超过声限值。由于该空间处于设计阶段，无法验证其背景噪声是否满足要求。则在声环境设计中以音质设计为主,在保障音质的同时最大限度提升空间内吸声降噪能力,将以提升空间内降噪量为噪声控制目标。降噪量计算式为

(4)

式中:ΔLP为降噪量;T1为吸声降噪前房间内混响时间,s;T2为吸声降噪后房间内混响时间,s。

3 吸声材料选择方案

吸声材料的选择,除满足声学需求外,还应保证与该船载游览空间的适宜性。因为场景内设置水系景观,选用的吸声材料应具有防潮、防水、防火特性[10]。该场景形态复杂多变,不宜在顶棚或墙面采用大面积规整吸声体,应利用空间中形状特点采取不同的设计方案,保证装修效果实现最佳性价比。

3.1 无机纤维喷涂材料

场景内顶棚、地面、墙壁等处均应用水泥塑石,面积较大且表面不规整,水泥塑石吸声性能较差,在方案中选用无机纤维喷涂材料进行喷涂。无机纤维喷涂材料在混凝土、加气混凝土、砖砌体上均有很好的附着力，具有优异的防火、耐水、耐潮、防结露、防腐蚀以及良好的吸声性能[11],在声学工程中应用广泛,其各频率吸声系数如表5所示[11]。

表5 无机纤维喷涂材料吸声系数Table 5 Sound absorption coefficient of inorganic fiber sprayed materials

根据表5可知,无机纤维喷涂材料在500～4 000 Hz频率的吸声系数较高均达到0.9以上。在125 Hz与250Hz频段吸声系数较小。则方案将采用喷涂该类材料以增加空间内中高频500～4 000 Hz吸声量。经计算喷涂该材料800 m2后,场景中高频500～1 000 Hz吸声量可满足目标要求,喷涂后空间吸声量如图2所示。

图2 喷涂无机纤维材料后吸声量对比Fig.2 Comparison of sound absorption before and after using spraying inorganic fiber materials

经过喷涂该材料面积800 m2后,空间中高频500、1 000、2 000、4 000 Hz吸声量满足目标要求。125 Hz及250 Hz的吸声量达到245.61、629.93距目标吸声量还存在一定的差距。

3.2 微穿孔铝板

原方案墙面上镶嵌有约325 m2的金属投影幕,面积较大且形状规整可进行整体替换。笔者设计方案选取0.8 mm厚的铝制微穿孔板替换原投影幕,板后留150 mm空腔。穿孔率为1%,孔径为0.8 mm。可以保证投影的视觉效果,微穿孔铝板吸声系数如表6所示[12]。

表6 微穿孔铝板吸声系数Table 6 Sound absorption coefficient of aluminum microperforated panel

从表6可知,微穿孔铝板在250 Hz与500 Hz的吸声系数较高达到0.85,其余频段吸声系数较低。因此可作为增加空间内250 Hz吸声量的吸声材料。将微穿孔铝板替换原投影幕后空间吸声量如图3所示。替换325 m2微穿孔铝板后,空间内250 Hz吸声量达到867.88,满足目标吸声量。

图3 替换微穿孔铝板后吸声量对比Fig.3 Pairs of sound absorption at each frequency before and after using replacing micro-perforated aluminum plate

3.3 硅钙板式共振吸声体

考虑到场景中高频吸声量已经足够,如若再增加中高频吸声量会导致中高频混响时间过短,使游客接收到的声音不够饱满。则采用板式共振吸声体[13],针对低频做进一步的改造。选用的板式共振吸声体参数为6 mm厚硅钙板,板后空腔为150 mm,龙骨间距500×500 mm,板式共振吸声系数如表7所示。

表7 板式共振吸声体吸声系数Table 7 Sound absorption coefficient of plate resonance absorber

从表7可知,板式共振吸声体的125 Hz吸声系数为0.6,其他各频率吸声系数均较低。可在低频范围起到优异的吸声作用,中高频吸声作用较低。在场景中增设约300 m2硅钙板共振吸声体可使空间内125 Hz混响时间达到设计目标。增设硅钙板共振吸声体后空间吸声量如图4所示。选择空间内规则的垂直墙面增设300 m2硅钙板共振吸声体后,空间内125 Hz的吸声量达到500.36满足设计目标。

图4 增设硅钙板式共振吸声体吸声量对比图Fig.4 Comparison of sound absorption before and after using adding silicon-calcium plate resonance absorber

3.4 声环境方案

将选择的3种吸声材料布置于场景空间后,空间内各频率吸声量均达到设计目标。通过式(1)计算得到设计后混响时间计算值(见图5)。原设计与笔者设计后的混响时间计算值代入算式(4)得到空间内降噪量为3 dB。

图5 声学设计后混响时间曲线图Fig.5 Reverberation time graph in the design scheme

经过吸声材料方案设计后游览空间的全频率混响时间达到目标限值以下,与原设计相比空间内降噪量达到3 dB。游乐园中“与金尼交战”的场景空间吸声材料布置如图6所示。

图6 设计方案位置示意图Fig.6 Schematic diagram of design scheme location

4 方案验证

4.1 ODEON可行性验证

ODEON是基于几何声学原理的虚声源法与声线跟踪相结合的声学设计软件[14]。笔者选用ODEON声学分析软件,对原设计进行模拟,与原设计混响时间计算值进行对照分析。

以保障模拟准确性前提,对该场景进行适当简化建模[15]。根据地面及天棚音响位置,在模型中设置点声源14个。根据游客实际游览路线在模型内设置4个接收点,高度设1.2 m。场景ODEON建模如图7所示。

图7 场景ODEON建模图Fig.7 ODEON model of scene

按照原设计方案的材料参数对模型内各个界面进行设置。得到的该空间原设计方案各倍频带中心频率的混响时间模拟值(见表8)。计算值与模拟值的最大误差为0.33,最小误差为0.08,误差值较小,验证了ODEON软件模拟该场景声环境的可行性。

表8 原设计混响时间模拟值Table 8 Simulation value of reverberation time in the original design

4.2 整体声环境验证

按照吸声材料设计方案对该模型内材料参数进行修改。得到的游览空间声学设计后混响时间如表9所示。经过声学设计后的各频带混响时间模拟值均达到了设计目标要求(见表4)。该空间声环境整体上可满足正常的游乐活动。

表9 设计后混响时间模拟值Table 9 Simulation value of reverberation time after design

4.3 游览路线声环境验证

由于游乐园游览观赏的功能特性,该空间声学设计还应保证游客在该空间内游览进程中的游玩质量。因此,笔者在声学模拟中针对游览路线上的声压级分布以及混响时间进行模拟,并对其中4个接收点进行分析。图8为游览路线声压级分布,在游览经过区域内,入口处声压级在70 dB以下,进入到观演区域后,声压级基本控制在72～75 dB,从整体来看,声场均匀度较好,避免了出现听觉效果不佳的情况。

图8 游览路线声压级分布Fig.8 Sound pressure level distribution of tour route

模拟游览路线中接收点的混响时间如图9所示。从图中可以看出,各收点各频段混响时间均在目标范围内,符合要求。因此,设计方案对船载类游乐园建筑的声环境质量提升具有有效性,能够提供良好的建筑声学条件,保障实际观演中播放的电声效果,提升游客游玩质量。

图9 各测点不同频率模拟混响时间Fig.9 The simulated reverberation time of different frequency band in each measurement location

5 结 论

(1)对船载游乐园建筑室内空间的声学设计要点进行分析,参考《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》(GB/T50356—2005)提出了混响时间设计目标值。

(2)通过计算各频段原设计吸声量与目标吸声量,设计了以无机纤维喷涂材料,微穿孔铝板和板式共振吸声体的声环境方案,达到了目标吸声量和混响时间的要求,设计后降噪量达到3 dB。

(3)通过ODEON软件模拟验证了该方案的有效性,3类声学措施结合的方案,可以按各频段吸声量需求调整使用面积,具有施工方便、调整灵活的优点,该模式可以广泛应用于新建游乐园类建筑声环境设计中。