体育馆声学装修设计

体育馆声学装修设计
燕翔
【摘要】随着人们生活水平的提高,体育运动越来越受到重视,体育类建筑也得以大量建设.而在体育建筑,尤其是体育馆建筑装修中,必须进行室内声学设计,进行室内声学装修.从声学装修的目的、声学相关标准与指标、声学处理方法、声学计算等方
面对体育馆的声学装修设计予以阐述.
【期刊名称】《电声技术》
【年(卷),期】2012(036)005
【总页数】8页(P3-10)
【关键词】体育馆;声学装修;清晰度;混响时间;背景噪声;吸声;声学计算
【作者】燕翔
【作者单位】清华大学建筑学院,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】TU112.4
1 引言
体育是增强体质、和平竞争、大众娱乐的重要文化活动，社会发展层次越高，体育运动越受到重视。

作为基础设施的体育馆，越来越多地走入大众生活。

体育馆内，环境优良，不受季节和气候的影响，观众如潮。

另外，还可以在体育馆举行报告会、流行音乐会、展览会、歌舞晚会等大型娱乐活动，是大型群众集会的场所。

体育馆的室内声学环境，是保证语言清晰度、降低人群嘈杂声、防止声缺陷、消除声干扰、保障扩声系统功效，提高演出声音品质的重要基础条件。

体育馆的室内装修，不仅关系到视觉感受的环境氛围，还直接影响了馆内的声学效果，因此被称为声学装修，是建筑声学设计的重要分支之一。

2 体育馆声学装修的目的［1－2］
2．1 保证语言清晰度
语言中的每个字是一个音节，音节又多由一个声母音素和一个韵母音素构成。

例如，“声学”的“声”，即为声母“sh”和韵母“eng”两个音素构成。

声母发音频率高，且短暂，例如“sh”的主频率在2 000 Hz左右，持续时间在10～20 ms范围;韵母发音频率比较低，时间长，例如“eng”的主频率在500 Hz左右，持续时间可达300～500 ms。

如果声母和韵母先后连续发出，人们就清晰地听到了音节，但是，如果声母和韵母同时发出或发出顺序颠倒，人们要么无法分辨、要么会听错。

体育馆内观众众多，为保证解说、报分、演讲，以及紧急状态下有秩序疏散(如遇
火警)，语言清晰度至关重要。

但是体育馆室内容积大，发出的声音会在顶棚、墙面、地面多次反射，声音出现延迟，造成音节之间相互混叠，使人们无法听清语言的内容。

在浴室中讲话很混浊就是这个道理。

提高语言清晰度只有两个方法，一是提高直达声强度，压过反射声的干扰，再有就是降低反射声的强度，弱于直达声。

体育馆中，观众常常与扬声器之间有较大距离，直达声强度有限。

但是，吸声处理可以有效地降低反射声的强度，当反射声不对直达声造成干扰时，声音就清晰可辨了。

对于一连串的语言而言，因为相互间存在逻辑关系，不需要必须听清每一个音素，大约听清其中的40%以上就可以理解整句
的含义了。

2．2 降低人群的嘈杂声
观众一般情况下是安静的，但是，不良的声学环境会诱发和加剧大量人群所产生的
嘈杂声。

人群的走动及相互间的谈话交流形成人为噪声。

人群不断进入室内，人数增多时，嘈杂声的变化将经历四个阶段:(1)安静阶段。

开始时人流稀疏，环境较安静，人群会有意识地小声说话避免被其他人听到，维护安静局面。

(2)舒适阶段。

人群继续进入，声源增多，掩蔽了房间中远处的谈话，人们的交谈变得不再拘束，嘈杂声增大。

(3)膨胀阶段。

人数继续增多，当噪声升高到一定程度时，由于远处
传来的无法了解内容的声音干扰，人们被迫提高嗓音，出现“鸡尾酒会”效应，室内迅速吵闹起来，环境变得喧闹而不舒服。

这一阶段随人数增加的变化非常迅速，因此称为膨胀阶段。

(4)持续阶段。

嘈杂声不再随人数涌入而无限增加，而是持续
在一个稳定水平。

人们在高噪声条件下为了交谈，必须拉近互相的距离，或者放弃某些谈话，下意识地见缝插针地插话。

良好的室内吸声处理可显著降低人群交流噪声。

使人为噪声控制在舒适阶段，并防止出现膨胀阶段。

声源是存在心理因素的人，因此吸声必须达到够量，使人群噪声控制在舒适阶段，防止膨胀形成“鸡尾酒会”效应。

2．3 消除声学缺陷
回声是最常见的声学缺陷，感觉上好像有两个或多个声源在发声，使人听音困难。

其原因是由于“哈斯效应”，当强反射声与直达声的声程差超过50ms后，听觉
就不再连续了，人耳就可以分辨反射声。

这很像电影或电视，当每帧画面时间间隔达到一定程度，就出现一幅一幅的不连续的效果了。

还有一种缺陷是，曲面墙或顶棚会使声音在某个局部区域聚集，类似于曲状镜面对光线的聚焦，在聚焦点附近声音令人极不舒服，必须避免。

吸声或改变反射界面的形状可以大大降低回声或声聚焦的不良影响，当建筑体型确定后，声学装修是消除这些声学缺陷影响的唯一方法。

2．4 降低声干扰
球类比赛时，不良的反射声会对运动员的判断造成干扰。

例如，篮球运动员运球时，
往往根据落击地面的声音做出迅速的判断;激烈的乒乓球对抗时球速极快，眼睛判
断对方击球方向来不及，必须借助击球和落点的声音;羽毛球拍打的砰砰声也对有
经验的运动员起到非常大的判断作用。

体育馆内不良的声音反射，不但会降低运动员敏捷的分辨力，甚至还会造成运动员的错误判断。

声学装修可以消除不利的声干扰，使击球、落点声音清晰、容易分辨，提高运动员水平的发挥。

2.5 保障扩声系统功效
建筑声学效果是体育馆扩声功效的基础，没有良好的建声基础，再高档的扩声系统也无法发挥优越的功效。

如果建筑声学意义上的语言清晰度不能保证，扩声系统再大的音量也无法听清楚。

另外，现场扩声时，若经传声器到扬声器发出的声音，被强烈地反射回到传声器，必然会产生刺耳的啸叫，即造成声反馈，轻者干扰听音，重者还可能烧毁扩声设备。

声学装修保障了建声的基础条件，进而保证了扩声系统的功效。

2．6 多用途使用
多用途使用的体育馆非常普遍。

例如学校体育馆有时还用作教学或开会使用，有的甚至当作排练音乐厅使用。

许多城市的体育馆，还要用作某某节开幕式、群众大会，以及歌舞演出使用。

这些多用途使用方式中，不但要保证语言清晰度，还要保证音乐歌舞、庆典晚会等演出需要。

而且，越来越多的综艺节目或演唱会等选择在体育馆进行，究其原因是体育馆容纳人数多，票房收益好。

这就为体育馆的声学环境提出了更高的要求，目前声学装修设计必须要考虑的重要因素是，既要保证语言清晰度，还要保证演出时的音质。

2．7 美学效果
声学装修另一非常重要的方面是“装修效果”。

体育馆建设往往投资很大，但是观众能够直接看到的只有室外装修和室内装修，因此，作为比赛大厅“门面”的声学
装修在美学价值上与室外装修同等重要。

装修效果能够展现一种环境和氛围，同时也是体育馆档次的直接反映，更是体育馆个性的重要外在表现。

笔者认为，体育馆室内装修应遵循“三大一少不突出”原则，即，大面积、大器、大色调，少用细节装饰，不过分突出声学。

大面积，即大面积应用吸声装饰材料，既有利于吸声，又与大体量协调。

大器，装修设计要大器，要体现出“大型建筑”、“重要建筑”的装修风格来。

大色调，并不是说采用大红大紫等抢眼的色调，而是指通过大面积吸声材料的设计，充分利用材料自身的颜色和整齐排列所形成的色调机理，远远看去有一种“大”的感觉。

少用细节装饰，是因为体育馆尺度大，细节装饰显示不出效果来，而且对声学没有太多帮助，不如不用。

不过分突出声学，是指不能因声学而声学，现在生活水平提高了，人们对艺术的欣赏和向往更加强烈，“穿衣不只为御寒，还要讲求体面”，也就是说，通过声学装修可将声学目的隐蔽起来，体现出优雅的艺术价值的一面。

3 清晰度的标准与指标
3．1 混响时间和背景噪声
实践经验表明，混响时间是评价体育馆清晰度和音质效果最实用的指标，通过对混响时间的计算预估和合理控制，可以有效地对体育馆室内声学效果进行设计。

混响时间的概念是，声源突然停止发声，室内声音并不会立即消失，而是逐渐降低，声压级线性降低60 dB所经历的时间即混响时间。

混响时间代表了声音发出后在室内衰减的速度，混响时间越长，衰减速度越慢。

在体育馆中，室内音质主要受到反射所形成的混响声影响。

就汉语而言，一个字或一个音节持续时间一般在0.5 s左右，根据掩蔽效应，只要之前发出音节的反射声低于正在发出音节声音10 dB，反射声就不会影响语音流的清晰度。

也就是说，反射声在0.5 s内衰减10 dB以上，室内的声音基本上就可以听清，对应的混响时间指标为0.5×6=3 s，即为了保证语言清晰度，混响时间不应高于3 s。

混响时间影响清晰度的另一重要配合因素是背景噪声，高的背景噪声与之前发出音节的反射声叠加后，声压级变大，对正在发出的音节产生的干扰更严重。

人正常讲话约70 dB(A)，为了听清语言，干扰反射声要低10 dB，即60 dB(A)，背景噪声要再低10 dB才不会产生影响，即应低于50 dB(A)为好。

通过提高扩声系统声压级的方法可以压过更大的背景噪声，听清语言，但最多提高10 dB，即80 dB(A)，扩声音量再大的话，人们会感到不舒适。

由此可见，若要保证语言清晰度，体育馆混响时间最低限是3 s，背景噪声最高不超过50 dB(A)。

混响时间指标的实用意义在于可以通过混响计算公式，如赛宾公式、伊林公式或库特鲁夫公式进行预估，指导声学材料的运用和声学装修设计。

3.2 频率特性的平衡
反射声并不全都干扰清晰度，哈斯效应表明，直达声后0.05 s内到来的近次反射
声具有加强直声声能的有利作用，对语言清晰度有一定帮助作用。

这里存在一个频率平衡的问题，最佳的语言清晰度情况应是各个频率混响时间相等，以保证音节中以高频2 000 Hz为主的声母和以中低频500 Hz为主的韵母，两者的能量比例保持原有的平衡。

尤其是声母2 000 Hz频率范围段，如 b，p，m，f等，如果混响时间偏低，在直达声和反射声的混合声中，与韵母所在的中低频相比，声能过小，被掩蔽了，那么也会产生听音困难。

例如，“上海”两个字，若2 000 Hz的混响时间太短了，声母“sh”和“h”感知度不充分，人们听到的声音就变成“昂
矮”(ang、ai)，意思完全改变了。

由于空气吸收主要发生在2 000 Hz以上，而且正比于房间容积，故体育馆高频混响时间比中低频混响时间都要偏短，这对音节中声母(对应英语中的辅音)的清晰听闻是不利的。

当体育馆混响频率特性不佳时，有经验的扩声系统调音师往往会使用均衡器，切掉过多的中低频部分，保证高频声音的平衡度。

但是，这样做会破坏声源原有的自然音色。

3.3 声学设计标准
按照JGJ/T 131—2000《体育馆声学设计及测量规程》［3］要求，体育馆声学设计标准如表1～4所示。

表1 体育馆比赛大厅满场500～1 000 Hz混响时间注:满场的含义为3/4观众在场的情况。

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表2 各频率混响时间相对于500～1 000 Hz混响时间的比值?
表3 游泳馆比赛厅满场500～1 000 Hz的混响时间注:有花样滑冰表演功能的溜冰馆，其比赛厅混响时间可按容积大于8 000 m3的综合比赛大厅的混响时间设计。

冰球馆、速滑馆、网球馆、田径馆等专项体育比赛厅的混响时间设计可按游泳馆比赛厅混响时间设计。

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表4 体育馆比赛大厅等房间的室内背景噪声限值?
以上所列标准比前述混响最低限3.0 s和比赛大厅噪声最低要求50 dB(A)提高了
很多，有的甚至达到了剧场标准的水平。

偏严格的标准有两点好处，一是提高了体育馆的音质水平，二是为计算、施工、材料等的误差提供了较宽裕的设计预备空间。

对于新建体育馆而言，笔者认为，应严格遵照该标准的混响指标进行设计。

而对于声学改造的体育馆来讲，可根据规模、用途、投资等，适当放宽混响时间标准，如一些单位内部或社区等非重要比赛的场馆，为减少投资，声学装修达到可用的清晰度即可。

还有一点特别重要的是，对规范中规定的混响时间频率特性的平衡性，要有足够的重视，高中低频混响特性曲线应尽量平直，即低频混响不宜偏长，高频混响不宜偏短。

很多体育馆由于空气吸收和多孔吸声材料(高频吸收得多)的使用，造成高频混响时间极短，虽然中频混响时间符合标准要求，但辅音损失严重，仍然会造成清晰度不良。

3.4 快速语言传输指数RASTI
实际上，比混响时间更直接、更具体的清晰度评价指标是语言传输指数STI，采用快速测量方法得到的现场STI被称为快速语言传输指数RASTI。

STI的声学意义在于可懂度，其数值范围在0～1，例如广播员说出标准的100个独立不相关的单字，若听众一个字没听懂，STI=0;听懂50%，STI=0.5;全听懂了，STI=1。

RASTI是采用频率载波法测量STI的近似数值，可以认为和STI是一致的。

因为目前扩声系统的电子学器件的保真度已相当完善，在扩声系统调试没有问题的情况下，体育馆的建筑声学环境和扬声器与听众的位置关系决定了快速语言传输指数RASTI的优劣。

因为话音之间的逻辑连贯性，RASTI=0.6可以说是非常好的清
晰度了，RASTI=0.4也可以说达到了较好的效果。

RASTI的下限是0.2，低于0.2基本上无法听懂广播了。

RASTI与混响时间相比属于后验性参数，目前尚没有任何有价值的计算公式在声
学设计时可遵循。

预测RASTI可通过计算机声场模拟的方法，建立三维计算模型，通过模拟运算进行预测。

就体育馆清晰度控制而言，计算机声场模拟的RASTI指
标比混响时间指标更具有实际意义。

甚至在3～4 s的长混响空间内，通过调整扬
声器的位置，使其更靠近观众，提高RASTI的值，并合理避免多扬声器可能的再
生混响问题，也可以获得相当良好的语言清晰度。

这种因声源距离改变而影响清晰度的预测目前最简便、最实用的方法即采用计算机声场模拟计算RASTI。

4 体育馆声学处理
4.1 顶棚吸声
顶棚吸声是最重要的。

不但面积大，可利用的吸声量多，而且是声反射的必经之地，与墙面相比，不存在门窗、暖气、闸门等装修细节处理问题，因此处理好顶棚的吸声，可以说解决了体育馆60%的声学问题。

当前体育馆的设计潮流多采用大跨度
的轻质屋盖，结合屋盖的构造做法，将吸声处理融入其中，可取得事半功倍的效果。

笔者反对体育馆采用吸声吊顶的做法，从装修角度来讲，大跨度裸露的顶棚自然纹
理和规则排列支撑结构本身具有天然的、与体育馆建筑相符合的美感，将其遮蔽起来是不明智的，也是浪费的，完全可以将吸声处理与顶棚结构结合统一。

对于轻质屋盖，在建筑设计阶段可采用穿孔金属板做外饰面层，内夹吸声棉(如玻
璃棉、岩棉等)的做法，穿孔率(即孔占板面积的百分比)应至少大于20%，最好达
到32%，吸声棉应选择厚度大于100 mm，容重不低于24 kg/m3的玻璃棉或不低于60 kg/m3的岩棉，以及平均吸声系数达到0.9以上的高效率吸声材料。

硬质顶棚，如混凝土顶棚，或非穿孔板轻质顶棚，可考虑悬挂吸声体或在屋面底板上进行吸声喷涂，需要注意的是，吸声体要有一定的厚度，目的是提高低频吸声，吸声喷涂最好能够有后面的空腔构造，尺寸宜不低于100 mm，目的也是保证吸
收低频的效果。

如果顶棚具有透明采光功能，除悬挂吸声体以外，可进行吸声处理位置只有支撑杆件的裹缚，但处理起来代价和难度都很大。

如果透明部分占顶棚面积小于10%，
可不予处理。

4.2 侧墙吸声
侧墙吸声与顶吸声相比占次要地位，对于体量小、使用要求不高、档次一般的中小体育馆来讲，只要处理好顶棚，侧墙吸声处理可以不做。

但是，就装修效果来讲，因为距离观众近，侧墙的重要性要比顶棚更大。

就像人穿西装，顶棚声学处理好比内衣和毛衣，虽然主要靠它保暖，然而身份和体面几乎全在外装上。

侧墙可用的吸声材料很多，如穿孔金属板、穿孔石膏板、木槽吸声板、木丝吸声板、狭缝吸声砖、聚脂纤维吸声板、铝纤维吸声板、阻燃布艺吸声板等。

墙面吸声装饰材料的选择，不但应满足混响时间控制的要求，还要与体育馆的档次、内外装修风格相协调。

另外，在比赛场地周围的墙面，如果处于球类碰击或人群挤撞范围内，还要重点考虑抗撞性与耐久性。

需注意，使用穿孔板时，若只采用一种穿孔率的板材，因共振吸收的特点，吸声频
率过于单一，造成混响时间频率特性失衡，尤其2 000 Hz附近声母的频率范围被吸收过多，将对清晰度产生严重的负向影响。

4.3 空间吸声体
悬挂空间吸声体是一种增加室内吸声量的有效方式，对于建成后进行声学改造的体育馆来说，简便易行，也可以较好地保证声学效果。

将吸声材料制成板状、圆柱状、多面体状等几何形体，再或横、或竖、或平、或斜挂在室内上空，就成为空间吸声体了。

因多表面接触声波，空间吸声体具有较高的吸声效率，比起墙面、顶棚上的平面吸声材料来讲，相同用量的情况下，吸声量可提高30% ～80%。

但是，需要注意的一点是，悬挂起来后，由于不存在硬质墙壁的声反射辅助作用(如墙面安装情况)，声波很容易穿透过去，空间吸声体的低频吸声效果会有下降的趋势。

将吸声体更靠近顶棚或增加材料厚度，有利于提高空间吸声体低频吸声性能。

从装饰角度来讲，若放下声学的功用不论，空间吸声体意义并不大，有画蛇添足之感。

无论空间吸声体形体设计多么巧妙、排列队型多么整齐，都会使人感到突兀，有争夺观众视线的干扰感。

笔者的观点是，除非必须，尽量不用空间吸声体，一定要用时，应以隐蔽、含蓄为优选设计原则。

4.4 帘幕吸声
用于遮光的一般帘幕，既轻又薄，吸声系数(被吸收声能占入射声能的比例)往往小于0.1，吸声效率很低。

采用面密度(每平米的材料质量)达到1.5 kg/m3的帘幕，吸声系数才能达到0.5，这时，不但需要厚重的布料，还需要打多层宽大的褶皱。

采用帘幕吸声，必须要用厚重的大褶皱帘幕，而且用量需要很大。

帘幕既可挂于墙上，也可悬铺于空中，对装饰效果和风格是有帮助的，对挡光遮阳也有实用价值。

体育馆中采用的帘幕必须防火，虽然纺织品市场价格并不高，但是，防火处理后成为防火帘幕，价格就不菲了，从经济角度考虑，使用帘幕虽安装方便，但经济上并
不是最划算的。

4.5 技术用房
体育馆的音控室、评论员室、播音室等往往会被声学装修忽略，实际上，这类技术用房的建筑声学环境非常重要。

音控室内，调音师无法直接听到体育馆内的现场声音，只能依靠监听音箱判断场内情况并作出及时反应。

评论员室、播音室需要采录讲解员的声音，再通过扩声系统在体育馆内或媒体上广播。

故这类技术用房中应采取必要的吸声处理，混响时间应控制在0.6 s左右，频率特性应尽可能平直，同时最好在墙面和吊顶上形成一些起伏，或使用扩散体，增加声扩散效果，提高技术用房内的声场均匀度［4］。

5 声学计算
5.1 材料吸声系数测量
材料吸声系数是计算体育馆内混响时间指标的最重要基础数据，理论上讲，准确地掌握体育馆内表面所有材料的吸声系数及其表面积，可以计算得到准确的室内混响时间。

材料吸声系数需要通过实验室测量获得，有两种方法，一种是混响室法，即将10 m2材料放入混响室进行测量，另外一种方法是驻波管法，即将100 mm直径的
材料放到驻波管末端进行测量。

混响室法吸声系数反映了声波多角度入射的吸声情况，与体育馆实际声场有更好的吻合，在体育馆声学计算时应使用混响室法吸声系数。

驻波管法测量值为垂直入射吸声系数，常常比实际值要大，会导致计算结果的偏差，因测量时材料所需面积小、测量简便，主要用于研发吸声材料时的分析比较。

材料吸声系数测量最重要的一个问题是材料的安装构造必须与实际体育馆内安装情况相符，例如穿孔板的后空腔大小、后空腔内是否填有吸声棉类的材料、吸声棉后是否还有空腔等都是影响吸声系数非常关键的构造细节。

由于吸声材料往往被隐蔽在面层装修材料的后面，施工过程属于隐蔽施工，细节非常容易被忽略，造成声学
施工质量严重下降，影响最终声学结果。

声学装修的实施，应选择承担过体育馆或相近声学工程的施工单位，原因之一即在于对隐蔽声学构造细节的控制经验。

因混响实验室的限制，可测量材料后空腔一般不能大于400 mm，若吊顶或墙面
等空腔可能超过400 mm的特殊部位的吸声系数将比实验室400 mm空腔测量值偏大，这一点也值得注意。

5.2 空间吸声体吸声量
计算空间吸声体吸声量，可按每个吸声体的平均吸声量乘以吸声体数量得到总吸声量。

然而，存在的难度是，与平面材料相比较，空间吸声体的声学特性不但与本身材料的吸声性能有关，还与悬吊的方式和悬吊的位置有关，即使相同规格、相同数量的吸声体，不同的排列方式和位置，吸声量差别也是很大的。

还有，在混响室内测量吸声体吸声量，与现场排列、吊挂方式一致，由于实验室和体育馆的声场条件、吸声体数量差异很大，测量结果偏差度可能高达±50%。

更准确的空间吸声体吸声计算是使用计算机模拟，建立体育馆三维模型，按照实际排列方式在计算机模型中放置吸声体。

计算机模拟所采用的声线模拟，能够比较有效地计算得到空间吸声体各个界面接收到声音的概率，对空间吸声体的位置及排列是敏感的，计算结果比采用统计学公式(赛宾公式、伊林公式等)更接近实际情况。

在计算机模型中需要输入吸声体表面的吸声系数，这一吸声系数可以采用吸声体材料自身的吸声系数估算。

吸声体在空中受声后声音可能会穿过材料继续行进，而混响室测量吸声材料时材料背后有刚性反射壁，对于四分之一波长大于吸声体声波穿透厚度的低频吸声系数来讲，混响室测量得到的吸声系数值，因声反射的存在，要比吸声体被悬挂在空中小一倍。

例如，100 mm后的离心玻璃棉包防火布制成的
吸声体(对应四分之一波长的频率约为850 Hz)，在混响室中平铺地面测量得到的125 Hz吸声系数为0.6，若垂吊在空中，输入计算机模型的表面吸声系数则为0.3，(注意:每个吸声体有两个受声面);混响室测得的高频2 000 Hz(大于四分之一波长频。