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膜结构顶棚以其轻质、高强度、造型可塑性强等优点在高大空间建筑设计中被广泛应用，然而该结构由于其自身材质的特殊性又对室内音质设计提出了更高的要求。传统的大空间音质设计以控制全频混响时间和避免声缺陷为重点，较低的混响时间及平直的频率特性有利于扩声系统的使用。常见的处理方式即在顶面结合金属屋面做声学处理或者大面积悬挂吸声体，而在膜结构的高大空间中这些方法将受到较大的限制，一方面是基于膜自身的吸声特性，由于自振频率较低且面积较大，膜结构低频吸声性能较好，同时较大的平均自由程使得空气吸声量在总吸声量中的比例增大，频率特性在高频段斜率急剧减小，从而在中低频段某处出现拐点（“起包”现象）；另一方面，吸声界面受到限制，在已有膜结构的表面难以悬挂较大的荷载且难以进行声学处理，若顶棚较高，则平整的膜表面与地面之间容易产生颤动回声的音质缺陷。由此可见，分析已有的膜结构声学设计案例并探索其音质设计策略具有重要的理论和现实意义。
高大空间建筑声学设计是当代建筑声学工程技术的重要研究方向，文献[12345]中阐述了体育馆、主题乐园、展厅等不同功能的高大空间声学设计方案，这些方案具有一定共性，即顶面往往能够作为重要的吸声面且限制较小；而关于膜结构声学性能的研究较少，仅有的文献则更多关注膜结构的空气声隔声性能[67]。本文以某膜结构体育馆的声学改造工程为例，通过分析改造前室内声场的音质缺陷，提出合理的建声和电声解决方案，采用声学模拟软件仿真计算室内声场，并通过现场测量验证方案的可行性。
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体育馆吸音改造
目前，从国内到国外，不论是新建馆还是旧馆改造普遍都设计成" 多功能"的模式。不仅具备体育训练和比赛的功能，还承担集会、展览、庆典、文艺演出甚至放电影等多样功能。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。
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、通常在场地一侧设置固定的舞台，用作会议的讲台及文艺演出活动的表演场地。
2、除在比赛场地安装体育比赛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灯光和文艺演出(语言与音乐兼用)的扩声系统。
3、对建声设计的要求应高于"纯"体育功能的场馆。这是本文讨论的主题。
二、 体育馆建筑声学设计的有关标准
建设部近年先后颁发了JGJ/T131-2012 《体育场馆声学设计及测量规程》和JGJ31-2003《体育建筑设计规范》两个文件，其中有关建声设计的指标及要求有以下几点：
〔1〕体育馆建筑声学条件应以保证语言清晰为主。
〔2〕不得产生明显的声聚焦、回声、颤动回声等音质缺陷。
〔3〕中小型体育馆混响时间在500-1000Hz范围内宜设置:1.3-1.5s。
各频率混响时间相对于500-1000Hz混响时间的比值：
频率〔Hz〕 125 250 2000 4000
比值 1.0-1.3 1.0-1.1 0.9-1.0 0.8-0.9
〔4〕大厅上空应设置吸声材料或吸声构造。
〔5〕大厅四周的玻璃窗应设有吸声效果的窗帘。
〔6〕大面积墙面应做吸声处理。
〔7〕比赛场地周围的矮墙、看台栏板宜设置吸声构造，或控制倾斜角度和造型。
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，这都容易造成较严重的声学缺陷。而且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，解决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。
建筑结构造成的常见声学缺陷如：
1、声聚焦
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，导致声场分布很不均匀，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。
2、颤动回声
在室内的一对平行墙之间，一个声音在两墙壁间来回反射产生多个重复的声音，称为颤动回声。这在体育馆的大面积墙面以及比赛场地周围的矮墙和看台栏板等处容易产生。
3、混响时间偏长
体育馆吸音改造
体育馆声学缺陷分析
2.1 改造项目概况
该体育馆为矩形平面，长约87m，宽约52m，屋面中部为凹曲面穹顶，屋面两侧均为膜结构，室内总体积约54700m3， 容座2333座。该体育中心主要功能是用于学生平时体育锻炼，但需兼顾会议及文艺活动的功能需要（图1）。
应使用方要求，我方对该体育中心室内音质进行现场主观试听与测试，室内墙面虽采用了较大面积的吸声材料，但由于未根据体型特点及膜结构特性进行针对性设计，导致室内声场分布不均匀，音质效果较差。扩声系统布局不合理，不仅未能减弱音质缺陷的不利影响，反而进一步加剧了声缺陷的程度。
2.2 声学改造目标
根据现场测量数据并结合主观感受可知改造方案应重点解决下列几个问题。
(1)改善混响时间频率特性，解决“起包”现象。根据混响时间测量结果可知，改造前该体育馆空场混响时间f=1000Hz时为4.1s，且在此频率位置曲线出现峰值。空场各频段混响时间实测值详见表1。
(2)凹曲面穹形顶棚存在声聚焦现象[1415]。由于原有凹曲面顶棚未考虑吸声和扩散处理，声线聚焦位置恰在人耳高度附近。根据实测结果可知，在无指向性声源作用下，聚焦点位置的平均声压级（线性计权）比其他位置高2.5d B。
体育馆吸音改造
近年来，随着经济社会的快速发展，人民的生活水平也不断提高，对幸福生活的追求已不仅仅局限于物质生活水平的改善。走在街头、小区、广场等地，随处都能看到运动的身影。可以看出，身心的理念已深入人心。
建筑声学与建筑造型的协调体育馆的容积及体型往往根据使用功能及艺术造型确定，而他们对音质影响极大。就容积而言，容积与混响时间成正比，容积越大，一方面使混响时间延长，另一方面加大了室内反射声传播的平均路程，导致长延时反射声出现。体育馆是否设置吊顶，对容积影响很大。采用空间网架结构的体育馆，网架部分的体积约占总容积的1/3。目前大多数体育馆都采用暴露的网架结构，通过在顶下做吊装吸声板来进行吸声处理，并在比赛池墙面需要做大面积的吸声处理，观众席墙面也要做适当的处理，从而有效控制管内混响时间，回声、多重回声和比赛场地颤动回声等声学问题，管内声音清晰度。混响时间决定体育馆声场 体育馆容积很大，而且每座容积也较大，很多情况下会有部分观众缺席。因此，观众吸声所占比例较小。为控制混响时间必须用较多的吸声材料和结构。对于大多数体育馆，由于作为升起，大厅墙面面积相对不多。为保证大厅总吸声量，必须充分利用可做吸声的墙面，通常是全频吸声结构。主席台、裁判席附近的墙面应作强吸声，虽然这部分面积不大，但可以减少进入话筒的反射声，有益于提高扩声系统的传声增益。由于体育馆顶部面积较大，容易在场内形成回声，故而需要通过吊顶选择合适的吸声材料和结构，一般不难达到所要求的混响时间。对于不设置吊顶的体育馆，则可通过吧空间牺牲提安置在网架内部，然后在顶部空间悬吊吸声体来来增加吸声量，从而达到一定的吸音效果。
声学环境是体育馆重要指标之一，并不是仅针对建筑造型和混响时间锁确定，还需要对其他方面进行声学设计处理：1、比赛大厅需要利用休息廊等隔绝外界噪声干扰，休息廊做吸声降噪处理。2、电视评论室之间的隔墙应有足够的计权声量Rw值；评论员室的混响时间在频率125~4000Hz的频率范围内不应大于0.5秒，因而室内必须做吸声处理。3、通往比赛大厅、贵宾休息室、扩声控制室等房间的送、回风管道采取消声、降噪和减振措施。封口处不宜有引起再生噪声的阻挡物。4、空调机房等各种设备用房应远离比赛大厅等有安静要求的用房。
通过对不同厅室噪音的控制，结合建筑造型方能打造出优质的混响环境，营造良好的比健身运动氛围。
