Ecotect 软件在音乐厅改造中的模拟声学设计研究1

Ecotect 软件在音乐厅改造中的模拟声学设计研究
随着社会的发展, 人们对于精神方面的欣赏需求愈发提高。

音乐厅建筑, 作为专业的音乐欣赏场所, 为提高国民欣赏层次发挥着巨大作。

决定音乐厅设计成败的因素有很多, 其中声学设计是极其重要的一个方面。

当前音乐厅建设往往耗资巨大, 资金的投入既包含后期实体的声学装修, 还包括设计之初各类声学模型的搭建和模拟实验。

本文以音乐厅声学设计为主题, 应用计算
机模拟仿真软件Ecotect, 对音乐厅进行模拟
声学改造设计。

与传统声学设计需搭建等比例模
型相比, 计算机模拟模型搭及声学设计方面的
调试和修改更为快捷。

若模型搭建正确, 便可模
拟出音乐厅声音的反射状况, 声波覆盖状况,
并可快速计算模型的混响时间。

本文力图通过
Ecotect 软件的模拟技术, 使改造后的音乐厅,
满足功能转换后的日后音乐欣赏需求, 并可用
于小型交响乐的演出。

图1 原建筑
1 原建筑概况及声学缺陷
1.1 原建筑概况
本案为一个音乐厅的改造工程, 原来是位于某综合楼顶层的室内篮球场( 图1) , 由于业主要求的变化, 现在要将其改造为一个室内音乐厅。

原篮球馆的平面为一个东西向41m, 南北向34m 的矩形平面, 三层通高, 东面一侧是视线升高值为344cm 的观看台, 西面一侧为一个标准篮球场, 建筑的屋顶部分是一个曲线形的采光玻璃顶, 但由于后期使用问题,
又在玻璃顶下加了一个轻质吊顶。

1.2 声学缺陷分析
由于原有建筑为体育建筑, 对于声学方面的要求在设计之初并没有得到重视, 而随功
能改变之后, 其本身的声学缺陷便暴露无疑。

经过实地调研及分析, 笔者认为原建筑声学缺陷共有以下几点:
(1) 玻璃顶在声学上存在严重缺陷
原有玻璃对室外的噪声, 隔声效果不理想。

虽后来加设轻质吊顶, 但仍不能满足音乐厅对于噪声控制的要求。

且由于其安装问题, 吊顶不仅不能很好得消除无用的后期多次反射声, 其玻璃自身也会产生不利的颤动回声。

(2) 原建筑本身形体造成的声学体缺陷。

篮球馆平面为矩形, 原建筑南北两侧有开敞式走廊, 但其自身并不成一个完全的封闭
空间。

这类建筑空间容易形成声学上的耦合空间, 导致声波被不必要接受的空间吸收, 造成声能的浪费, 而却还会导致回声的不均匀, 不满足音乐厅的声学要求。

其对称的平面形式, 也不是最佳的音乐厅平面形式。

(3) 篮球场的室内体积过大, 室内材料吸声系数偏小, 导致混响时间过长。

音乐厅要求音乐演奏时, 应具有: 亲切感、温暖感、活跃感和丰满度。

适度的混响时间, 可使音乐丰满, 语声宏亮、饱满; 过短的混响使声音干涩无力; 混响时间过长会使语言的清晰度降低, 音乐缺乏节奏感和力度。

查阅资料, 可知音乐厅的混响时间一般在1.7s~ 2.2s 之间。

而现有篮球场, 由于体积偏大, 室内装饰材料大多为砖墙抹灰涂料, 大面积的观众座位为塑料座椅, 导致室内混响时间过长, 不能满足音乐演出要求。

由于原建筑存在以上多种声学缺陷, 为能使改造后的音乐厅音质效果达到演出要求,
笔者对其进行了相应的改造设计, 并通过Ecotect 软件搭建不同的声学模拟模型, 进行调整, 力求达到音乐厅的声学要求。

2 通过Ecotect 件软对音乐厅改造模型的计算分析及对比调整
2.1 声学改造设计的途径和
目标
2.1.1 土建方面的改造
本案土建方面的改造, 主要包
括平面形式和内部空间重新设计。

目标是使改造后其自成一个封闭空
间, 满足室内音乐演出要求。

为了
获得良好的声扩散效果, 能有效利
用直达声及有效组织早期反射, 改
造时平面采取不规则形式。

几面反
凹墙体和反凹栏板矮墙, 共同形成
了声音的扩散面, 使声音在界面上
无规则地向各方向扩散, 消除原有
规则平面在声学上的缺陷。

玻璃顶
棚和轻质吊顶将拆除, 改建为满足
音乐厅声扩散效果的吊顶。

该步骤
主要通过Ecotect 软件的模型搭
建过程(图2) 来完成这部分的改
造调整。

2.1.2 声学装修方面的改造
(1) 加强直达声, 改善观众厅
中反射声的强度和音色。

这点主要通过舞台加设音乐罩
来达到预设效果。

在Ecotect 软件
的模型中搭建音乐罩模型, 通过观察动态声波线, 对比软件中生成的声波覆盖面, 动态粒子分布图来进行调整设计。

(2) 减少混响时间。

混响时间的控制主要通过通过增加场内材料吸声量, 不断调整地板、座椅、吊顶等大面积装修材料, 来达到音乐厅所应满足的混响时间。

通过Ecotect 软件中调整模型材质, 由软件自动计算混响时间来完成。

(3) 消除噪音, 避免声缺陷。

图2 Ecot ect 中模型搭建情况
主要是防止在建筑本身产生的颤动回声和
多次反射导致无用回声的产生。

在Ecotect 软件
中的设计主要通过模型建筑形式的搭建和装修
材质的赋予来共同完成。

2.2 软件模型搭建及模拟计算
2.2.1 反射声的设计( 预设声源条为: 声
源点为距离台口1.5m 远, 1.5m 高的地方, 声音
强度为250Hz, 生成声波是球面分部均匀。

)
(1) 音乐厅吊顶、内墙体、矮墙的设计
根据音乐厅声学设计的原则, 临近台口部分的吊顶、内墙对于有效组织声音早期反射是极其重要的。

改造中通过吊顶、内墙体、台座矮墙的设计共同来达到这个效果。

图中箭头绿
色部分为一次反射, 黄色部分为二次反射。

由图3 可见, 临近台口的顶板所构成的反射面针对楼座中区; 而由图4 可见, 由于音乐厅不规则平面的设计, 台口前侧墙所构成的声音反射面使观众区的楼池座钱中区。

设计中台座部分矮墙的设置也同样有效组织了早期反射声, 在图5 中得到了图3 吊顶部分为反射体时的动态声波线示意图证实。

(2) 音乐罩的加设
在本案中舞台占有巨大的空间, 因此舞台部分的声学处理也显得相当重要。

音乐罩的设置可使罩内空间成为观众厅的延伸部分, 从而消除由于舞台所形成的耦合空间所带来的音质缺陷; 也可使演奏( 唱) 者之间有及时的相互听闻, 使演奏协调。

设计时通过Ecotect 软件分析两组不同角度的音乐罩的反射声状况, 为后期的设置提供技术依据。

由图6 对调整前后的模型进行比较可见, 本案中音乐罩的设置可以充分利用有限的自然声能, 防止声能在巨大的舞台与观众席上逸散和吸收; 能防止声能在巨大的舞台的逸散和吸收, 提高观众厅的声场均匀度, 增大了厅内前、中座的早期反射声, 增加直达声的强度。

2.2.2 混响设计
本案在Ecotect 软件的混响时间计算中, 主要通过观察伊林公式计算的混响时间来进行调整。

音乐厅中占室内大部分面积的是主要是内墙、座椅和吊顶。

因此在模型材质的赋予时, 主要通过对这三个方面材质的修改, 进行混响时间的调整。

1) 混响时间的初次调整
在Ecotect 软件所提供的材质中, 由于音乐厅的早期反射声要充分利用, 而后期多次无用反射声要尽量被吸收, 因此吊顶靠近台口部分也选择了吸声系数较小的材质, 在靠后部分选择了吸声系数较大的材质。

座位设置为1000 座软垫坐席, 上座率为100%。

内墙初次选择了吸声系数较小的BrikT imber Frame 材质, 进过计算, 混响时间的计算结果表格如下所示:
图6 无音乐罩(左) 和有音乐罩(右)情况下反射覆盖面比较
表1 混响时间初次调整
声音
125H z 250H z 500H z 1kH z 2kHz 4kHz 频率
混响
3. 40 2. 12 2. 17 2. 09 1. 82 1. 78 时间
由表1 中看出, 伊林公式计算的混响时间各频率段都显得偏高。

Ecotect 软件所分析出的混响时间频率特性曲线中( 图7) , 红色部分为伊林公式计算结果, 中、高频较为平直, 低频陡然上升。

而用于音乐演出的厅堂, 混响时间频率特性曲线应是中、高频平直, 而低频高于中频( 约15% ~ 20%) , 这样可使演唱和音乐富有低音感, 起到美化音色的作用。

本次调整低频混响显然过高, 结果并不理想。

图7 初次调整混响时间频率特性曲线
2) 混响时间的再次调整
在本次调整中, 笔者主要
针对墙体的材质进行调整。

此次
选择了穿孔吸声板, 并在软件
中输入它的吸声系数。

较前次
Brik Timber Frame 材质而言,
它的吸声系数稍大, 特别是在
中低频的吸声效果更为理想。

表2 混响时间再次调整125H z 250H z 500H z 1kH z 2kHz 4kHz 声音
频率
2. 36 1. 86 1. 95 1. 93 1. 77 1. 70
混响
时间
由表看出, 材质调整后, 音乐厅混响时间有所降低, 基本满足了音乐厅需要11 7s ~ 21 2s 之间的混响时间要求, 混响时间频率特定曲线也更接近理想状态( 图8) 。

因此本次调整基本达到本案预期的改造设计效果。

图8 再次调整后混响时间频率特性曲线
2.3 成果分析
经过Ecotect 软件对
本案进行的模型搭建, 反
射声设计, 混响时间设计,
在短时间内, 得到了符合
音乐演出要求的建筑形式
及室内声学设计方式, 为
音乐厅建筑的改造设计提
供了一个有效、快速准确的
平台。

也为原建筑的改造提供一定的理论和技术依据。

3 结语
现如今, 计算机辅助设计在建筑设计、改造等方面已起到了突出的作用, 而本文所应的Ecotect 软件的模拟技术, 可以说是利用建筑设计新技术对建筑声学设计领域的一次初步
探索, 展示了一种新型的设计方式。

在现代的建筑设计中, 我们的工程设计人员不仅要具备较扎实的理论功底, 丰富的现场施工经验, 同时还要有现代化的技术手段相配合, 这节约
成本, 提高效率, 更为建造出高质量建筑作好充分准备。