體育館聲學設計的建筑因素---建筑聲學處理
摘 要： 體育館建筑特點是容積大，聲學處理面積少，主要是在吊頂。因此大容積和吊頂的聲學特性是解決館內音質問題------擴聲清晰的關鍵。
1 聲處理
體育館內的建筑設計與建聲處理一般為：
1.1 頂棚的處理
體育比賽、文娛演出等都在比賽場地上進行，它面積大、地面的聲反射性能強、高度大（至少應為12.5m）、聲反射距離長，在地面與頂棚之間具有多次反射，產生多重回聲，干擾運動員的注意力和容易判斷錯誤。文娛演出時，話筒位于此處，接收了反射聲，會產生嘯叫，影響演出。所以比賽場地上方的頂棚無論是上凸的、下凹的和水平的，都應有寬頻帶、強吸聲的聲學處理。館內頂棚的處理方式有兩種，即有吊頂和無吊頂。有吊頂的優點是減少館內的容積對控制音質和節能有利，在吊頂內可以布置燈光、管道、檢修馬道以及擴聲設備等。館內具有整齊、美觀的效果。缺點是吊頂的造價太大，一萬平方米面積的吊頂相當一個練習館的代價。無吊頂的優點，可以接合保溫、隔熱在屋面板處加吸聲材料，一材多用，節約投資；燈具、擴聲設備等布置靈活自由；也能達到美觀、整齊和新穎的效果。缺點是增加了20~30%的容積，上凸式的增加則非常大，甚至到達驚人的地步。
體育館是以擴聲揚聲器為主要聲源，所以自聲源反射出來的聲能的途徑一部分是到達觀眾席再反射到頂棚，另一部分到達比賽場地，再反射到頂棚，因此頂棚是館內聲反射必經之地，也是吸聲有效之地。體育館的頂棚約占館內總表面積的40%，其吸聲量約占空場總吸聲量的70%。
1.2 墻面處理
體育館的墻面面積較少，約占館內總表面積的12~16%，并且計分牌又占去很大一部分，有的墻面上還有玻璃，所以可以布置吸聲材料的面積不多，然而在墻面上布置吸聲材料或構件是很重要的，以往布置低頻吸收的如穿孔板類較多。文娛演出時，往往以布置在比賽場地內流動的擴聲系統為主，射向觀眾席的各種聲音容易被墻所反射，產生長距離的反射而形成回聲和由于具有平行表面產生的顫動回聲，還有沿著墻爬行的現象，后座易受干擾。所以墻面上宜布置寬頻帶的吸聲材料和構件，也可以布置擴散體，改善館內的音質條件。
2 建聲設計中存在的問題
體育館的容積大，不僅是由于它的容量多，同時比賽功能也要求大的場地和足夠的高度（一般是不低于12.5m）。一般小型體育館的容積為2~4萬m3，中型的為5~7萬m3，大型的大致在8~10萬m3甚至更多。平均每個觀眾所占容積為5-10m3，特殊體型的甚至可達20~30m3。大多數的游泳館由于高臺跳水的要求，其高度更高，所以每座所占容積往往大于20m3。容積大產生下列的問題。
2.1 混響時間長
通過實踐和調研，在擴聲清晰的前提下，體育館的容積雖然相差很大 (幾乎相差八倍)。大、中和小型的體育館的混響時間在1.6~2.0s（中頻），游泳館為2~2.5s，頻率比（中頻與125Hz之比）在1: 1.0~1.3，允許噪聲為NR35~40,達到了這些要求一般都能獲得較好的效果，甚至“體積為30多萬m3，混響時間長達3-3.5s的特大型體育館中控制揚聲系統的中頻指向性因素（10左右），也能較好地解決擴聲清晰問題”[1]。所以，體育館內的音質設計宜采用多種綜合辦法來解決，也就是在爭取減短館內混響時間的前題下，合理布置揚聲器系統，控制揚聲器系統的指向性特性，獲得良好的擴聲直達聲能與混響聲能之比，達到擴聲清晰是擴聲設計的有效方法。
2.2 低頻振動
體育館建聲設計一般只考慮125~4000Hz范圍，習慣認為在大容積的空間內，它的簡正方式的分布是無規的，可以忽略低頻振動的問題。實際上，大容積空間存在著低頻振動，并且能量很大，作用的頻率范圍很寬（20~500Hz），對音質影響很大，這是不容忽視的[2]（圖1）。大多數體育館對于低頻的聲學處理只是在兩側墻面采用穿孔率P=10%左右的穿孔板，由于該兩處的面積有限，僅占館內總表面積的12~16%，所以在吸聲量和頻率要求上是遠遠不能滿足要求。
有的擴聲系統中設有信號處理器，可以不增加總功率，提高對語言清晰度有貢獻的頻段（中、高頻）的聲能比（或信噪比），改善擴聲清晰。這對具有低頻振動的情況，因低頻混響時間過長有低頻掩蔽產生“拖泥帶水”的感覺，導致語言不清晰的改善也可采用這措施。
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2.3 混響時間計算值與實測值的誤差大
2.3.1混響室的容積約為200m3，其高約為5m；體育館的容積至少為2萬m3，甚至可達15~20萬m3，其高度至少12.5m，所以二者的聲場是非常不同的，因此同一材料或構件所表現的吸聲性能的差別必然是很不同的，（從表1可知試驗值與現場實測的推算值有很大差異）。
2.3.2努特生曾在以他命名的實驗室中對吸聲材料進行不同高度測量，發現離材料越近吸聲性能越好。
2.3.3空間大，聲程長，高頻聲能衰減多，所以會影響材料的高頻吸聲系數。
2.3.4假如是深空間吊頂，則存在著透射現象，吸收低頻聲能力強。
2.3.5空間吸聲體懸掛位置的不同也表現了其吸聲性能有很大差別。（見表2所示）
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表1 混響時間計算與實測值比較（空場）
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表2 空間吸聲體不同位置的吸聲系數與試驗室值結果比較
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3 吊頂的聲學特性
體育館吊頂聲學處理大概有下述四種：在精心聲學設計下它們都能達到技術指標要求。
3.1 大后空
這類吊頂一般都采用多孔材料，吊頂后的空間很深（約2~3m） 它們的吸聲系數約為0.70左右（中頻）， 125、250Hz的吸聲系數大約為0.75~0.80；頻率比都能達到1:1.0~1.3的要求，能以擴聲清晰。表明這類吊頂固具有高大的后空，具有很強的透射吸收低頻的能力（見表3）
3.2 共振型
這類吊頂一般是硬質金屬的、化學的、木質的板材，一般都進行穿孔（P<10%），至實際中它們的頻率比往往大于1:1.3(125Hz)，有的還超出很多。所以達不到擴聲清晰的要求。這現象表明輕質材料吊頂的透射吸收低頻能力遠大于硬質材料吊頂的共振吸聲的能量（圖2）。表示穿孔板的吸聲性能在后空為27cm、50cm時較好，但在中頻段有反 共振現象，則不利。
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3.3 空間吸聲體
空間吸聲體多半是由輕質材料板吊掛在弦桿上組合成，其性能特點：因其位置而異，差別很大見表2。低頻的差異仍為透射吸收的作用，而高頻的差異是空間吸聲體在混響室中因繞射作用的關系。但是，這類吊頂因忽視大空間的低頻聲的處理，雖然中頻的指標是達到了，而低頻超出1:1.13的頻率比，擴聲清晰較差，不如大后空的，但比共振型的效果好。
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表3 體育館中不同吊頂的聲學性能（混響室和現場實測的比較）
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3.4混合式的
以空間吸聲體為主，采用其高吸聲系數的優點，同時又具有通透輕盈多變化的特點。在看臺上部采用輕質材料為吊頂，具有深的空間，所以產生透射效應彌補了低頻吸收的不足，如天津河西體育館的處理，其125Hz的頻率比為1:1.14，擴聲清晰。另外，以空間吸聲體為吊頂的，在屋面板與吸聲體之間的空間中增加低頻吸聲結構，這是在廣州中山紀念堂采用低頻吸聲結構之外的又一例，也取得很好的效果125Hz的頻率比為1:1.10，擴聲清晰。
參考文獻：
[1] 駱學聰：“體育館擴聲聲學問題簡報”電聲技術，12/2002
[2] 曹孝振 周方紅：“廣州中山紀念堂的音質改造”電聲技術，2/2000
[3] 曹孝振 李志良：“廣東韶關大學多功能體育館的音質設計”電聲技術，4/1999
[4] 曹孝振“天津河西體育館的音質設計”電聲技術 2/1997
[5] 曹孝振“天津市河西體育館室內環境設計”室內設計與裝修 2/1997
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