体育建筑音质设计

1、 概述：
1.1 体育建筑作为体育竞技、体育教学、体育娱乐、体育锻炼等活动之用的建筑物，是体育运动的基础设施；
1.2 体育建筑的音质设计，应为运动员创造良好的比赛和训练环境；为观众创造安全和良好的视听环境；为工作人员创造方便有效的工作环境；
1.3 体育建筑有“场”与“馆”之分，“馆”又有“综合”与“单项”之别，赛场在露天的体育建筑称之为“场”，赛场在封闭空间的建筑称之为“馆”，能进行各种体育赛事，同时又能演戏、开会等大型群众性文化娱乐活动的称之为综合馆，仅供举行单项体育比赛与训练的馆称之为单项体育馆，也称专用体育馆。“场”及“专项馆”音质设计要求较为简单，只要保证一定的语言清晰度，不出现音质缺陷及噪声干扰即可，而多功能体育馆（综合馆）音质设计要求较高，设计难度较大，不仅要控制大厅的混响时间和防止可能出现的音质缺陷，并要保证厅内有足够的声压级。
  因此，本章节授课的重点放在多功能体育馆音质设计，继而再按场、馆分类提出音质设计的要点与关键措施。
2、 多功能体育馆音质设计：
2.1 音质设计要求：
2.1.1 体育馆的音质设计应从建筑方案设计阶段开始，建声设计、扩声设计、噪声控制设计应协调同步进行。
2.1.2 体育馆的音质设计应根据等级、规模、用途和使用特点，按其主要使用功能确定其音质设计指标，并在设计中采用实现预定指标的相应措施。
2.1.3 音质设计方案应结合建筑结构形式、观众席和比赛场地的配置、扬声器设置以及防火、耐潮等要求，在处理比赛大厅内吸声、反射和避免音质缺陷等问题时，应把自然声源、扩声扬声器作为主要声源。
2.1.4 场内噪声应控制在所规定的背景噪声限值内。
2.2 体育馆音质设计程序与方法：
2.2.1 确定音质指标：
 混响时间：综合体育馆比赛大厅500HZ~1000HZ时满场的混响时间采用下表规定的指标：
 比赛大厅容积（m³） <40000 40000~80000 >80000
 混响时间（S） 1.2~1.4 1.3~1.6 1.5~1.9
 频率特性：各频率混响时间对应于500HZ~1000HZ混响时间的比值采用下表规定指标：
 频率 125 250 2000 4000
 比值 1.0~1.3 1.0~1.15 0.9~1.0 0.8~1.0
背景噪声限值：比赛大厅和有关用房的噪声控制设计应从总体设计、平面布置以及建筑物的隔声、吸声、消声、隔振等方面采取措施，背景噪声不得超过下表背景噪声限值。

厅、室类别 体育馆不同等级厅、室的噪声限值
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
2.2.2 明确使用功能
前节中我们已介绍过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、杂技等使用功能，在音质设计上无法同时实现各种使用功能的最佳效果，（只有一种，采用可调混响，从投资来说是不现实的），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，但都必须满足下列使用功能条件：
有较高的语言清晰度
使用扩声时，传播音乐要有一定的音乐丰满度
满足规定的声场不均匀度（无扩声时≤±3dB,有扩声时<8dB（一级）、<10dB（二、三级）
 观众席有足够的声压级
2.2.3 剖析建筑方案、提音质设计对建筑造型等技术兼顾方面的建议
建筑与音质设计要求上是同步进行，但客观操作上总是建筑方案先行，其他专业逐步介入，音质设计也是这样。因此：
 音质设计工程师首先要根据建筑师所设计的观众厅空间型体进行声环境先天性条件分析，尽量避免声缺陷的型体，如容易造成声聚焦、多重回声的穹形、弧形顶及容易引起回声或颤动回声的墙面，还有大面积的玻璃幕墙等，为建声深化设计创造一个良好的先天条件，为此向建筑师提出音质设计的合理化建议。
 向结构工程师提出声装修及扩声系统布置位置所预留空间与载荷要求。
2.2.4 概算总吸声量A
    混响时间计算公式：
               T60=          kV
                    -Sln(1- ā)+4mV       
这个公式是我们已知大厅容积、吸声量等因素后计算大厅的混响时间，我们不可能等到声学材料定下来再去计算混响时间，而是根据已知大厅容积，已定下的混响时间指标去确定需要多少吸声量，这就要将公式倒过来使用，通常为简便直观起见，在音质设计方案阶段采用以下公式进行概算：
T60=    kV 
           Sā
         kV
   ā= ST60        A=ΣSā
总吸声量便求出，下一步的工作就是我们如何选择适合的材料布置到适合的位置上去。
2.2.5 混响时间控制及吸声材料的选用
从T60= kV/Sā公式可见，控制混响时间有两个主要因素，混响时间与大厅容积成正比，与总吸声量A成反比，这就要求音质设计工程师协同建筑统筹运作。
 选择最佳容积
体育馆的使用要求已决定了其最低净高，这样就有了一个基本容积，过去我们是设置吊顶天花来调整其容积，现在的体育馆大部份是采用空间网架结构，而且是全暴露型的钢结构网架，即在同样的条件下，要实现原有的混响时间，必须加大吸声材料的使用量，那么音质设计时根据大厅造型，尽量考虑压低空间容积的措施，比如增加局部吊顶，悬吊空间吸声体，隔断不需要的空间等。
 选择合适的吸声材料和吸声结构
吸声材料品种较多，结构形式也是多种多样：
                             纤维状
      多孔吸声材料    颗粒状
                             泡沫状
                             单个共振器
吸声材料                     穿孔板共振吸声结构
（结构）     共振吸声结构    薄膜共振吸声结构
 薄板共振吸声结构
             特殊吸收结构    植物纤维喷覆式吸声涂料
 空间吸声体、尖劈等
a) 选用全频域强吸声结构
因为体育馆空间容积大，而能布置吸声材料的地方相对较少，选择吸声频带宽、系数高的材料可以有效地控制吸声材料的使用量，对于个别频率吸声量不足部分再有针对性地选择相应材料，比如低频混响较长，就增加共振吸声结构；
b) 结合建筑构造，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，比如网架结构就选择在网架上方屋面内板进行吸声处理，至于特殊围护结构，如大面积的玻璃幕墙就选择双折式吸声帘幕或透明薄膜吸声材料与结构处理。
c) 选择最有效的吸声部位布置吸声材料
体育馆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。
比赛场地四周及主席台、裁判席周围墙面采用强吸声处理，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。
3、 专用体育馆音质设计
   专用体育馆也称单项体育馆，在体育馆建设中仅占少数，因为多数项目，如篮球、排球、乒乓球、羽毛球、击剑、拳击和体操等项目均可在综合馆进行，目前建造的单项馆主要有游泳馆、网球馆、田径馆、射击馆等，这些馆一般不作为多功能使用，工艺要求单一，因此，音质要求不高，但在声学处理上各有其特点。
3.1 游泳馆的音质设计：
   游泳馆每座容积大，特别是有跳水池的游泳馆，每座容积都在
25m³以上；
   地面为瓷砖，瓷砖和水面对声波产生强烈的反射；
   馆内相对湿度高，为控制混响时间和抑制音质缺陷，选择的材料与吸声结构除有强吸声性能外，同时必须防潮乃至防水。
3.1.1 游泳馆的音质指标：
   混响时间，在500HZ~1000HZ时满场的混响时间按下表执行：
游泳馆等级 在不同每座容积（m³/座）下的混响时间（S）
特级、甲级 <2.0 <2.5
乙级、丙级 <2.5 <3.0
   频率特性（相对于500HZ~1000HZ混响时间的比值）
频率（HZ） 125 250 2000 4000
比值 1.0~1.2 1.0~1.1 0.9~1.0 0.8~0.9
   声场不均匀度：
   在500HZ~1000HZ时<±3dB
3.1.2 游泳馆音质设计要点与材料的选择：
     游泳馆音质设计有三大特点和难点，也是在工程设计中必须加以解决的问题，游泳馆音质要求不高，通常要求听清简短的致辞，通报运动员比赛成绩和人员名单为目的，也是我们平时所讲的语言可懂度，不允许有回声和颤动回声等声缺陷，但其中几个设计要点与材料选择原则是必须把握的。
 水面几乎是百分之百的声反射面，也叫做镜面反射。因此，与水面所对应的游泳馆顶面必须作强吸声处理。
 侧墙无论有无观众席，两两对应墙面必须有一面作吸声处理。
 顶面材料表面必须具备不结露性能。
 所有吸声材料必须具备防潮乃至防水、防霉变的物理性能。
顶面材料中布置的灯光槽必须与泳道平行。
跳台上方灯光布置必须平衡。
3.2 其他专用馆音质设计特点及其不同点
3.2.1溜冰馆
 音质设计要求与游泳馆相似。
 室内外温差大，屋顶结露滴水影响使用功能，影响材料吸声性能。
 用于冰球和速滑的溜冰馆音质要求不高，主要是控制馆内噪声，但用于花样滑冰表演时，音质要求较高，混响时间过长会影响音乐的力度和节奏感以及解说词的清晰度，而过短会影响音乐的丰满度，这类功能为主的溜冰馆宜采用多功能体育馆进行设计，满场混响时间建议1.5S左右。
3.2.2田径馆
 田径馆通常大于游泳馆，但它的特点是大面积的地面均为土地或草坪，混响时间控制不难，在顶部或容易引起回声的部位配置吸声材料就可以确保馆内必要的语言清晰度。
3.2.3网球馆
 网球馆特点是容积大、观众少、每座容积大，音质设计只要求语言可懂度，混响时间<3.0S即可满足，但应特别注意防止平行墙面间引起回声和颤动回声，因为这一缺陷会使运动员对网球落地声音的方向性判断受误导而造成失误。因此，墙面的回声和颤动回声必须通过吸声与声扩散方式解决。
3.2.4室内靶场
  靶场音质设计主要是控制噪声，这不仅是为了观众和运动员、裁判员听闻的需要，而更重要的是保护运动员的健康和听觉器官。
    靶场声学设计主要包括如下几个方面内容：
 降低混响声
    尽量降低射击声在室内引起的声反射，建议混响时间≤1.0S。
 消除回声
    防止由枪声引起的回声和颤动回声。
 射击时，运动员耳边位置的声压级不应大于105dB（A）
 比赛时，来自毗邻靶位射击声压级应低于105 dB（A）（125HZ~4000HZ平均值）
 设计时把握的关键措施：
为了降低枪口噪声、回声和室内侧墙的颤动回声，除了在枪口附近作强吸声处理外，在靶后墙也要作强吸声处理，但是在室内靶场靶位后墙所选材料又要防止造成滑弹或跳弹，不宜选择金属穿孔材料。
以上重点讲了综合性体育馆音质设计及专业体育馆音质设计，这是从基本理论与措施来介绍的，但在实际具体工程设计中，不断有新的问题出现，需要声学工作者去一一探索解决。下面介绍现代体育建筑的时代特征给音质设计提出的新课题。

4、 现代体育建筑的时代特征给音质设计提出的新课题：
 音质设计主要是服从和适应建筑师的造型设计和装饰格局，声学工程师由过去的顾问型变成配合挑战应对型。
 体育建筑空间愈来愈大，能布置吸声材料的地方愈来愈少，因此，选择材料首选强吸声材料、强吸声结构。
 体育场有混响、没有混响时间，过去局部有顶，现在观众席上空全部有天蓬，过去观众席后面透空，现在被若干会议室、接待室、贵宾室所排满，变成全封闭的围护结构。
5、 设计体会：
 音质设计的基本原理很简单、很明确，要求什么、反对什么都非常清楚，但把这些原理用于具体工程实践，答案则是多种多样，具体的音质设计是丰富多彩、具有高度创造性的工作，因而不能认为我知道基本概念就可以从事音质设计了，因为建筑声学是一门科学，随着研究工作的不断深入和发展，基本原理在细节上和具体认识上也会不断发展，新的问题不断出现，而且就目前而言，多功能体育馆较为普遍，业主与领导们常要求建造多功能厅堂，以为做什么用都可以，可以演戏，可以做报告，可以放电影，其实是办不到的，只能是一个妥协的结果，既能演戏，又能做报告，当然很好，只是演戏也达不到最佳效果，报告也达不到最佳效果，怎么办，声学工程师按主要使用功能设计，然后借助扩声系统适当加以调整与补偿。
        由于近几年体育建筑处于建设高潮，本人有机会参与了体育场馆的声学设计，根据十运会场馆——南京奥林匹克体育中心、江苏省运会场馆——南通体育会展中心，也有高校及中小型企业体育建筑声学设计实践，积累了一些经验，也有不少教训，深有感触的是声学工程的成败，不仅取决于声学工作者的才能，在很大程度上建筑师的良好协作起到了至关重要的作用，而这种协作必须建立在建筑师对声学有更多的了解上，从而有共同语言的基础上。