（信号与信息处理专业论文）基于odeon的高校游泳馆音质控制仿真研究.pdf

| | i i ii ii ii if il li i ii iii| y 18 2 816 6 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 学位论文完成同期：丝里：矽 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；翅遗直墓丝盂要挂别直盟的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：断弛将字日期：加p 年t 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 奔动，耔 签字日期：加扣年，月芎7 臼 肛 、碗 弦球 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 摘要 随着我国对教育事业的加大投入，各高校游泳馆的建设项目在逐年增加。由 于高校游泳馆主要用于课堂教学，因此对馆内的语言清晰度有较高的要求，语言 清晰度跟馆内混响时间t 6 0 、清晰度d 5 0 和声压级s p l 有密切的关系。游泳馆顶 棚是大型钢结构网架，地面和墙面又铺防水瓷砖，课堂教学的形式是学生在水中 活动，上述条件均使游泳馆混响时间过长、语言清晰度差严重影响课堂教学效果， 所以高校游泳馆的音质控制是一个亟待解决的难题。 本文以中国海洋大学游泳馆建设为研究对象，采用基于o d e o n 的计算机声场 仿真方法。根据高校游泳馆特殊的潮湿环境，文章给出了三种防潮吸声结构：无 机纤维与覆面层防潮吸声结构、金属纤维防潮吸声结构和有机纤维防潮吸声结构 的吸声、防潮、抗老化、造价等主要性能。对三种吸声结构的主要性能进行了对 比，最终选取了无机纤维与覆面层防潮吸声结构即p v f 膜覆面玻璃棉板吸声结构 作为游泳馆围墙和顶棚的防潮吸声结构。 在o d e o n 软件中对游泳馆进行了三维空间建模。游泳馆的大型钢网架由球形 接点和钢杆组成，结构复杂，我们采用旋转坐标轴的办法成功地进行了网架建模， 克服了这一难点。 提出了影响馆内音质的三种设计方案：游泳馆项部大型网架对馆内音质的影 响、游泳馆四周围墙吸声结构有、无空腔对馆内音质的影响和不同声源发射点对 馆内音质的影响。对三种设计方案的混响时间t 6 0 、清晰度d 5 0 和声压级s p l 进 行了分析研究，提出了音质优化方案，并按此方案进行了馆内声学设计和施工。 对声学装修后的游泳馆利用p u l s e 测量系统进行了实际的测量工作，结果表 明游泳馆的各项音质参数达到了预期的模拟指标。经过实际的课堂教学检验，获 得了师生的好评。 关键词：大型网架；o d e o n 软件：混响时间；清晰度；声压级； o d e o n - b a s e d q u ai t yo o n t r o ia n dsi m uia t io ns t u d yo f m e ritie s s w g y m n a s 。u m s acoustcsun iv e rse swim min gu y m n a siu m sin c o u sic s iti a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e i n c r e a s e di n v e s t m e n ti ne d u c a t i o na n dc o l l e g ee 1 1 r o l l m e n t s i g n i f i c a n t l yi no u rc o u n t r y , t h ec o n s t r u c t i o np r o j e c t so fu n i v e r s i t i e s g y m n a s i u m sa r e o nt h er i s e u n i v e r s i t i e s s w i m m i n gg y m n a s i u m sa l em a i n l yu s e df o rc l a s s r o o m t e a c h i n g ，s ot h es p e e c ho fs w i m m i n gg y m n a s i u m sh a sh i g hr e q u i r e m e n t sf o rc l a r i t y w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt or e v e r b e r a t i o nt i m et 6 0 、c l a r i t yd 5 0a n ds o u n dp r e s s u r e l e v e ls p lo fs w i m m i n gg y m n a s i u m s t h ec e i l i n go ft h es w i m m i n gg y m n a s i u mi s m a d eo ft h el a r g e s c a l es t e e lg r i d ，t h ef l o o ra n de n c l o s u r ea r ec o v e r e db yw a t e r p r o o f b r i c k , a n dt h et e a c h i n ga c t i v e t i e so fs t u d e n t sa r ei nw a t e r , t h e s es i t u a t i o n sm e n t i o n e d a b o v em a k et h er e v e r b e r a t i o nt i m eo fs w i m m i n gg y m n a s i u mt o ol o n ga n dt h es p e e c h c l a r i t yp o o r , w h i c ha f f e c tt h ee f f e c to fc l a s s r o o mt e a c h i n g ，s oc o n t r o l l i n gt h ea c o u s t i c s o fs w i m m i n gg y m n a s i u mi sad i f f i c u l t yt ob er e s o l v e du r g e n t l y i nt h i sp a p e r , w ec o n s i d e rt h es w i m m i n gg y m n a s i u mo ft h eo c e a nu n i v e r s i t yo f c h i n aa sr e s e a r c ho b j e c t , u s i n gc o m p m e ra p p r o a c hb a s e d o no d e o nt os i m u l a t e s o u n df i e l d a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lh u m i de n v i r o n m e n to fu n i v e r s i t i e s s w i m m i n g g y m n a s i u m s ，t h ep a p e rg i v e s t h r e ek i n d so fm o i s t u r e p r o o fa n ds o u n d a b s o r p t i o n s t r u c t u r e s ：i n o r g a n i cf i b e r sw i t hc l a d d i n gl a y e r , m o i s t u r e p r o o fa n ds o u n d a b s o r p t i o n s t r u c t u r e ；m e t a lf i b e r sm o i s t u r e p r o o fa n ds o u n d - a b s o r p t i o ns t r u c t u r e ；a n do r g a n i c f i b e r sm o i s t u r e p r o o fa n ds o u n d - a b s o r p t i o ns t r u c t u r e ，a n dt h ep a p e rm e n t i o n st h r e e s t r u c t u r e s m a i np r o p e r t i e ss u c ha st h es o u n d a b s o r p t i o n , t h em o i s t u r e p r o o f , t h ea n t i a g i n ga n dc o s t w i t ht h ec o m p a r i n gt h e s em a i np r o p e r t i e so ft h r e es t r u c t u r e s ，w e f i n a l l ys e l e c ti n o r g a n i cf i b e r sw i t hc l a d d i n gl a y e r , m o i s t u r e p r o o fa n ds o u n d - a b s o r p t i o n s t r u c t u r ew h i c hi sp v ff i l mc l a d d i n gg l a s sb o a r du s e da st h em o i s t u r e p r o o f ，s o u n d - a b s o r p t i o ns t r u c t u r eo ft h e w a l l sa n dc e i l i n go fs w i m m i n gg y m n a s i u m w eh a v ee s t a b l i s h e dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h es w i m m i n gg y m n a s i u m b a s e d o no d e o ns o f t w a r e t h el a r g e s c a l es t e e lg r i do ft h es w i m m i n gg y m n a s i u mi s m a d eo fs p h e r i c a lj o i n t sa n ds t e e lp o l e s ，a n dt h es t e e l 鲥d ss t r u c t u r ei sv e r yc o m p l e x i nf a c eo ft h i sd i f f i c u l t y , w eh a v es u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dt h em o d e l i n gw o r ko fl a r g e s c a l es t e e l 酣db yr o t a t i n gt h ec o o r d i n a t e s w ep u tf o r w a r dt h e r ed e s i g n sw h i c ha f f e c tt h ea c o u s t i c so ft h es w i m m i n g g y m n a s i u m ：h o wd o e st h e l a r g e s c a l es t e e l 酊da t t h e t o p o ft h es w i m m i n g g y m n a s i u ma f f e c tt h ea c o u s t i c s ；h o wd ot h ee n c l o s u r eo ft h es w i m m i n gg y m n a s i u m 、析t 1 1a n dw i t h o u tc a v i t ya f f e c tt h ea c o u s t i c s ；h o wd od i f f e r e n ts o u n ds o u r c ee m i s s i o n p o i n t sa f f e c tt h ea c o u s t i c s w er e s p e c t i v e l ya n a l y s et h er e v e r b e r a t i o nt i m et 6 0 ，c l a r i t y d 5 0a n ds o u n dp r e s s u r el e v e ls p lo ft h r e ed e s i g n s ，a n dp r o p o s es o u n dq u a l i t y o p t i m i z a t i o ns c h e m e ，w h i c hi su s e dt od e s i g na n dc o n s t r u c tt h es w i m m i n g g y m n a s i u m a c c o u s t i c s t h i sp a p e rp r o v i d e st h ea c t u a lm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r so ft h es w i m m i n g g y m n a s i u m , w h i c ha r eg a i n e db yt h ep u l s em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h es o u n dq u a l i t yp a r a m e t e r so ft h es w i m m i n gg y m n a s i u mk e e pc o n s i s t e n t 晰t he x p e c t e da n a l o go n e s a tl a s t ，t e a c h e r sa n ds t u d e n t sp r o p o s et h ep r a i s et ot h e s w i m m i n gg y m n a s i u m sa c o u s t i c s ，a f t e rt h ea c t u a lc l a s s r o o mt e a c h i n gt e s t k e y w o r d s ：l a r g e - s c a l eg r i d ；o d e o ns o f t w a r e ；r e v e r b e r a t i o nt i m e ；c l a r i t y ；s o u n d p r e s s u r el e v e l ； i i i 目录 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究的背景2 1 3 课题研究的技术路线3 1 4 课题研究的意义及内容安排4 2 游泳馆防潮吸声结构的设计6 2 1 声吸收原理简介6 2 2 防潮吸声结构的主要性能7 2 2 1 无机纤维与覆面层防潮吸声结构7 2 2 2 金属纤维防潮吸声结构l o 2 2 3 有机纤维防潮吸声结构1 2 3 基于o d e o n 的游泳馆建模、音质控制1 5 3 1o d e o n 软件及研究对象简介1 5 3 2o d e o n 建模原理1 9 3 2 1o d e o n 模拟流程简介2 0 3 2 2 游泳馆顶部大型网架的o d e o n 建模2 3 3 3 基于o d e o n 的游泳馆音质控制方案的分析2 6 3 3 1 室内音质参数介绍2 6 3 3 2 游泳馆顶部大型网架对馆内音质的影响2 8 3 3 3 游泳馆围墙吸声材料后有无空腔对馆内音质的影响3 3 3 3 4 不同声源点对游泳馆音质的影响3 6 3 3 5 游泳馆音质控制设计方案的重要结论3 7 4 游泳馆声场现场实测4 0 4 1 游泳馆声场现场实测p u l s e 系统简介4 0 4 2 现场接收点选区的方法和多次实测结果及分析4 l 5 总结与展望4 3 参考文献4 5 致谢4 8 个人简历4 9 发表的学术论文4 9 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 1 绪论 1 1 引言 随着我国对教育事业的加大投入和高校的大幅扩招，各大高校纷纷进行科教 文体设施的建设。高校的扩招给高校游泳场馆的建设带来了新的契机，促使了大 量现代化的游泳馆频频出现在高校校园，尤其是北方的高校。这一时期建成的高 校游泳馆有：齐齐哈尔大学游泳馆( 图卜1 ) 、东北大学游泳馆( 图1 - 2 ) 、清华 大学游泳馆( 图1 - 3 ) 、中国海洋大学游泳馆( 图1 - 4 ) 、兰州大学游泳馆、厦门 大学游泳馆等等。 图1 - 1 齐齐哈尔大学游泳馆图1 - 2 东北大学游泳馆 图1 - 3 清华大学游泳馆图1 - 4 中国海洋大学游泳馆 现代化的高校游泳馆具有鲜明的文化特色，大多采取大跨度网架结构。大型 网架下大跨度空间，网架不承重需要暴露布置，增大了游泳馆的体积v ，使得游 泳馆混响时间t 6 0 过长，清晰度d 5 0 降低。混响时间【l 】过长、清晰度差使得馆内 语言清晰度差、声音模糊、容易产生声聚焦、回声等一系列的音质缺陷。上述音 质缺陷给游泳馆课堂教学带来了诸多的不方便如学生听不清楚老师的指令、学生 不能及时领会老师的动作要领，严重的甚至会危害同学们的生命安全。高校游泳 馆主要用于课堂教学，对馆内音质效果具有较高的要求。而场馆存在的混响时间 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 过长、清晰度差等诸多音质缺陷跟课堂教学形成了显明的矛盾。另一方面游泳馆 特殊的潮湿环境要求馆内吸声结构具有良好的防潮性，目前防潮吸声结构造价昂 贵，而高校扩建资金有限，两者之间的矛盾给游泳馆音质控制带来了一定的困难。 在有限的建设资金下，确保高校游泳馆课堂教学的良好音质，控制游泳馆混响时 间过长、清晰度差的现象是一个亟待解决的问题，也是当前的热点研究课题之一。 本文以中国海洋大学游泳馆建设为研究对象，采用计算机声场仿真的办法， 在有限建设资金的情况下力求解决高校游泳馆音质差影响课堂教学的矛盾。 1 2 课题研究的背景 高校游泳馆作为课堂教学的主要场所，对声音音质要求较高。然而游泳馆有 其自身特点：采用大跨度网架，空间体积大、场馆内存在一个巨大的水体、地面 采用磁砖铺面等。场馆空间体积大不利于馆内混响时间的控制；巨大水体造成了 馆内特殊的潮湿环境，潮湿环境不利于吸声结构的设计和吸声材料的选取，同时 不利于吸声结构的馆内吸声，给场馆音质控制带来了困难；游泳馆铺地面的磁砖 对声音的吸收也是微乎其微，加大了馆内音质控制的难度。高校游泳馆上述特点 给场馆内音质的控制尤其是解决混响时间过长、清晰度差影响课堂教学的矛盾带 来了一定的困难和挑战。基于游泳馆存在混响时间过长、清晰度差的音质缺陷， 我们采用计算机声场模拟的方法对游泳馆声场进行了模拟，并提出了整套控制馆 内音质的方案，以达到课堂教学音质的要求。 声场模拟是用物理和数学的方法建立声场的模型，以电子测量、计算机和信 号处理等技术作为工具，对声场内的声学行为、现象和特征进行模拟的一种研究 方法。声场模拟大体走过了三个阶段： 一、2 0 世纪3 0 - - - 5 0 年代声学缩尺模型技术诞生1 2 3 】，2 0 世纪初期缩尺模型技 术获得应用，3 0 年代初德国的s p i n d o c k 论证了声学缩尺模型方法的可能性和可 行性，为声场模拟提供了新思路。 二、2 0 世纪6 0 8 0 年代缩尺技术日趋成熟，计算机模拟方法诞生：1 9 6 8 年 挪威的a k r o k s m d 正式提出了第一个声线跟踪的算法，以及他与a k u l o w s k i 和h l e e 等人的研究使得声线跟踪1 4 j 和虚声源法1 5 4 1 直接用于三维封闭声场的模 拟。 三、2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代中期数字式声场模拟技术【7 1 0 1 蓬勃发展，2 0 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 世纪8 0 年代后半段数字式声场模拟技术有了新的发展，出现了许多新的计算机 模型【”1 3 如圆锥束跟踪模型、三棱锥跟踪模型、自适应声束跟踪模型等，其中又 以声线跟踪法、声束跟踪法l ，t j 和两者的混合法最受关注。现有的代表性的商品化 软件r a y n o i s e 、o d e o n 、e a s e 、c a t t 等都是以这些方法作为理论【l5 - 1 8 】基础。 本文采用基于o d e o n 的声场模拟方法对高校游泳馆音质进行控制和研究。 1 3 课题研究的技术路线 为解决游泳馆语言清晰度差影响游泳课堂教学的矛盾，我们采用计算机声场 模拟的方法对游泳馆音质进行了控制和设计，音质设计流程如图1 - 5 所示： 未做声学处理的原始游泳馆 土 基于o d e o n 的场馆三维空间建模 上 影响场馆模型音质的三种分析方案 、 l 有无人型网架 围墙吸声材料有无空腔 选取不同声源点i 一 优化设计方案得到模拟声场音质参数 1r 确定声学设计方案 土 已做声学装修的场馆声场实际测量 1 l 声场模拟、实测结果对比分析 图卜5 游泳馆音质设计流程图 按照游泳馆音质设计流程，以中国海洋大学综合体育馆的游泳馆建设为对象 3 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 进行了研究工作。首先用p u l s e 系统对未作任何声学处理的原始游泳馆进行测 量，发现其混响时间过长，甚至接收点的某些频率达到了6 s 。接下来对中国海 洋大学游泳馆进行o d e o n 三维建模，其中涉及到大跨度网架的模拟。在建好模型 的基础上提出了对场馆音质影响的三种分析方案：顶部有无网架，围墙吸声结构 有、无空腔，选取不同声源点对场馆音质的影响。优化三种设计方案得到场馆模 拟声场的混响时间t 6 0 、清晰度d 5 0 、声压级s p l 至此声场模拟完毕。优化馆内 音质设计方案，确定声学装修施工方案。接着再次用p u l s e 系统对按照优化的 设计方案进行声学装修后的游泳馆进行了现场测量。把实测和模拟声场的混响时 间t 6 0 进行对比，对比较结果作了相应的分析。 1 4 课题研究的意义及内容安排 本文针对高校游泳馆混响时间过长、清晰度差影响正常游泳课堂教学的现 象，采用计算机声场仿真的方法对原始场馆进行精确的建模。在模型基础上提出 了解决高校游泳馆混响过长、清晰度差的音质设计方案。音质设计方案为高校游 泳课堂教学顺利进行奠定了基础，提高了高校有限资源的利用率，使学生的切身 利益得到保障。文章给出了三种基于o d e o n 的高校游泳馆音质设计方案，通过优 化音质设计方案最后确定了游泳馆装修方案。通过o d e o n 中优化的音质设计方 案，我们把游泳馆的混响时间成功控制在游泳馆用于比赛的国家标准规定的范围 内，接近于多用途厅堂的国家标准，使得场馆语言清晰度有了很大程度的提高和 改善。 文章主要由五部分组成： 第一章绪论，简单综述本课题相关的背景、研究的技术路线及意义。 第二章游泳馆防潮吸声结构的设计，游泳馆内湿度比较大对吸声结构除了 吸声性能的要求外，还要求吸声结构具有良好的防潮性能。本章首先阐述了纤维 材料的吸声原理，接着讲述了三种防潮吸声结构无机纤维与覆面层防潮吸声 结构、金属纤维防潮吸声结构和有机纤维防潮吸声结构的主要性能。 第三章基于o d e o n 的游泳馆建模、音质控制，本章对o d e o n 软件及模拟对 象、建模原理作了简单的介绍、对o d e o n 下游泳馆音质控制方案进行了分析，方 案包括：游泳馆顶部有、大型网架对馆内音质的影响，馆内围墙吸声材料后有无 空腔对场馆音质的影响，不同声源点对馆内音质的影响，最后对游泳馆的音质控 4 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 制方案进行了优化、总结。 第四章游泳馆声场现场实测，对游泳馆声场现场实测p u l s e 系统及现场接 收点选取方法作了简要介绍，最后对实测的馆内混响时间和第三章模拟的结果及 游泳馆用于比赛的国家标准、多用途厅堂国家标准规定的混响时间进行了对比分 析。实测结果与模拟结果保持一致的变化趋势，优于游泳馆用于比赛的国家标准 规定的混响时间，接近多用途厅堂国家标准规定的混响时间，从而证实了我们基 于0 d e o n 的游泳馆音质设计方案的可行性。 第五章总结与展望，总结本文完成的理论及实践实验工作，提出了还需要 完善的方面，以待以后解决。 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 2 游泳馆防潮吸声结构的设计 2 1 声吸收原理简介 所谓吸声材料，是指具有较好的吸收声能、降低噪声的材料。吸声材料主 要用于调整和控制室内的混响时间、提高室内的清晰度、消除声聚焦、回声 等现象以改善室内的听闻条件；用于降低日常场所的噪声，以改善生活环境 和劳动条件。 吸声材料的形式虽然有很多种，但是按照其吸声的特性分类，大体上可 以分为多孔性纤维吸声材料、共振吸声材料和特殊吸声材料三大类。其中最 传统、应用最广的吸声材料是多孔性纤维吸声材料。多孔性纤维吸声材料的 吸声原理是入射到多孔性材料表面的声波激发其微孔内部的空气振动，使空 气与纤维材料筋络间产生相对运动，空气在微孔中产生粘滞阻力，使得振动 空气的动能不断转化为热能散失掉；另外声能衰减的一个主要原因是小孔中 的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损耗。 吸声系数f 1 9 】常用来表示吸声材料的吸声性能。吸声系数是当声波入射到 材料表面时，其能量被材料吸收的百分比，也就是被吸收的声能与入射声能的比 值，用口表示： 口：盟：l 一生( 2 1 ) e oe o 其中：邑一入射声能，e 一吸收声能，e 一透射声能，e ，一反射声能。 当a = 0 ，表示材料不具有吸声作用；当a = l ，表示材料对入射声能是全吸收的。 实际上不存在全反射和全吸收的材料，材料的吸声系数一般在肚l 之间。材料的 吸声系数越大，说明吸声性能越好，吸声系数越小，说明吸声性能越差。 不管是噪声控制还是室内音质设计，都需要使用吸声材料。合理地选取吸声 材料是室内声学设计中的重要环节。多孔性纤维吸声材料总体可分为无机纤维吸 声材料、有机纤维吸声材料和金属纤维吸声材料。无机纤维吸声材料有岩棉、离 心玻璃棉等，有机纤维吸声材料有棉絮、海草、浒苔等，金属纤维吸声材料有铝 纤维吸声材料。选取吸声材料，首先应从吸声特性着手，同时还要结合施工 难易度、防潮性、抗老化性、造价、建筑内部装修要求等综合考虑进行选择。 6 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 2 2 防潮吸声结构的主要性能 游泳馆特殊的潮湿环境要求馆内吸声结构具有良好的防潮性。防潮性吸声结 构主要有无机纤维与覆面层防潮吸声结构、金属纤维防潮吸声结构和有机纤维防 潮吸声结构三种形式。本节对三种防潮吸声结构的主要性能给出了定性的研究与 分析。 2 2 1 无机纤维与覆面层防潮吸声结构 无机纤维与覆面层防潮吸声结构是无机纤维吸声材料外表面覆加防潮膜。玻 璃棉除了是良好的吸声材料外，还是标准的隔热材料，有利于游泳馆的保温尤其 是冬天场馆的保温。游泳馆防潮吸声结构一般选取玻璃棉作为吸声材料，关键是 对防潮膜的选取。常见的防潮膜有吸声无纺布、p v f 膜、铝箔等。这里无机纤维 与覆面层防潮吸声结构指玻璃棉外覆吸声无纺布、p v f 膜、铝箔防潮膜的吸声结 构。按照国家标准g b j 4 7 8 3 混响室法吸声系数测量规范f o 】对吸声无纺布、p v f 膜、铝箔三种不同防潮覆面层对吸声结构声学性能的影响进行了分析研究。 吸声无纺布防潮覆面层吸声结构f ：l j ：吸声无纺布质量较轻，单位面积的重量 约为6 0 一7 0 9 m 2 ，厚度一般为0 2 m m ，被认为是“无厚度”的吸声材料。给出了 穿孔板、穿孔板后贴普通无纺布和穿孔板后贴吸声无纺布覆面玻璃棉板结构的声 学特性。吸声结构为穿孔板后留1 0 0 r a m 空腔，内填容重3 2 k g m 3 ，厚度5 0 m m 的 玻璃棉板，吸声结构示意图如图2 1 所示： ； 垒 ；i 垒 ： ； 坌 。一| 垒艘深度垒黢滚魔 空艘瀑度 图2 - 1 吸声无纺布防潮覆面层吸声结构示意图 穿孔板由尺寸6 0 0 r a m x6 0 0 m m x5 m m 的f c 板构成，孔径为1 0 4 m m ，穿孔率为 1 8 5 。三种不同覆面吸声结构的吸声特性如图2 2 所示： 7 雄萨馨盛雷艮 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 图2 2 三种不同覆面吸声结构吸卢特性 由图2 2 知：1 2 5 h z 以下频带穿孔板贴吸声无纺布填充玻璃棉板结构的吸声性能比 穿孔板和穿孔板贴普通无纺布填充玻璃棉板结构的吸声性能有较高的提升，在 1 2 5 h z 的吸声系数提升了0 3 2 ，中高频吸声性能没有明显的变化。总体来说三种 吸声结构的吸声特性相差甚少，说明穿孔板贴吸声无纺布填充玻璃棉板结构的吸 声特性较另外两种吸声结构没有明显的改善。 p v f 膜防潮覆面层吸声结构【：2 4 1 ：p v f 膜即聚氟乙烯，最早由美国杜邦公司 生产，是一种新型的吸声玻璃棉等覆面材料。p v f 膜的防紫外线、防静电、防尘、 防水强度和耐久性明显优于普通塑料薄膜，这种覆面材料使吸声玻璃棉等吸声材 料既可以在室内使用，又能在户外和潮湿的环境下使用，是游泳馆等室内潮湿环 境音质控制防潮膜的理想选择。给出了p v f 膜作为覆面层吸声结构的构造：选 取p v f 膜作为防潮覆面层，吸声材料为容重3 2 k g m 3 ，厚度5 0 m m 的离心玻璃 棉板。p v f 膜作为防潮覆面层，离心玻璃棉板作为吸声材料的吸声结构( 无空腔) 的吸声特性如图2 3 所示： 图2 - 3 有、无p v f 膜覆面玻璃棉板的吸声特性 8 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 结果表明：p v f 膜覆面对玻璃棉板2 k h z 以下的中低频吸声系数有所提高，2 k h z 以上高频的吸声系数有所下降。在厅堂音质设计中存在吸声材料和空气对高频吸 收过甚的现象，而p v f 膜覆面2 k h z 以上具有高频吸声系数降低的特性，起到提 升高频混响时间的作用。 铝箔防潮覆面层吸声结构：铝箔防潮覆面层吸声结构指穿孔铝箔作为覆面 层，容重3 2k 咖3 、厚度1 5 r a m 的玻璃棉板为吸声材料。给出了用混晌室法对 无覆面离心玻璃棉板、铝箔覆面离心玻璃棉板的吸声特性测量结果，如图2 4 所示： 图2 4 无覆面、铝箔覆面离心玻璃棉板的吸声特性 由图2 4 知：铝箔覆面和无覆面离心玻璃棉板1 2 5 1 kh z 中、低频范围的平均吸 声系数分别为0 6 9 、0 5 0 ，铝箔覆面比无覆面结构的平均吸声系数提高了3 8 ； 铝箔覆面使得离心玻璃棉板2 - 8 k h z 的高频部分平均吸声系数降低了6 1 ；铝箔 覆面结构可用来提升厅堂过短的高频混响时间，达到保持良好音质的目的。铝箔 覆面防潮吸声结构的不足之处在于铝箔覆面层的造价昂贵。 小结：就吸声无纺布、p v f 膜、铝箔作为防潮膜与离心玻璃棉板组成的三种 防潮吸声结构的性能进行了对比、总结。吸声无纺布作为覆面层防潮吸声结构的 声学特性跟无吸声无纺布覆面的防潮吸声结构相比没有明显的变化。p v f 膜作为 覆面层防潮吸声结构的声学特性跟无覆面的吸声结构相比，2 k h z 以下的中低频 吸声系数有所提高，2 kh z 以上高频的吸声系数有所下降，在厅堂音质的设计中， 可以用来弥补材料和空气对高频的吸收过甚，起到提升高频混响时间的作用，以 便保持厅堂的良好音质。铝箔覆面防潮吸声结构的声学特性跟p v f 膜作为覆面 层防潮吸声结构非常相似，但是前者价格昂贵不适合高校游泳馆内的声学装修。 9 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 p v f 膜作为覆面层防潮吸声结构在声学特性方面明显优于吸声无纺布作为覆面 层防潮吸声结构。高校游泳馆主要用来进行课堂教学，可以把它作为一个厅堂来 对待。高校游泳馆既要具有良好的音质，还要声学装修造价合理，就其防潮吸声 结构的设计来说p v f 膜作为覆面层防潮吸声结构更合适。 2 2 2 金属纤维防潮吸声结构 早期使用的吸声材料主要为植物纤维及其制品，如棉麻纤维板、稻草板等。 这些材料的中、高频吸声特性良好，但是防火、防潮性能差。随后无机纤维材料 出现，如玻璃棉、岩棉等。无机纤维材料不仅具有优良的吸声性能，而且质轻、 不燃、不腐，从而替代了天然纤维吸声材料，在声学工程中得到广泛应用。无机 纤维吸声材料的缺点是纤维性脆，在施工安装过程容易折断形成粉尘污染环境。 无机纤维吸声材料不适宜直接用于潮湿环境，还需要另加防潮覆面层。为了满足 不同环境条件的使用，材料和声学专家不断推出新型吸声材料和吸声结构如吸声 泡沫塑料、吸声泡沫玻璃、陶瓷吸声板、喷涂吸声粉刷、微穿孔吸声板以及泡沫 金属吸声材料f 2 5 1 等，铝纤维吸声板f 2 6 】就是在这种情况下提出的。 铝纤维吸声板是由铝网板中间放置一层铝纤维毡，经滚压机压成厚度1 0 2 5 m m 的薄板，如图2 - 5 所示： 图2 5 铝纤维吸声板构造 铝纤维吸声板具有质轻、厚度小、强度高、弯折不易破裂、防潮、耐热、耐腐蚀 等特性。铝纤维吸声板具有与玻璃棉板类似的吸声特性，即对低频吸收的比较少， 对高频吸收的比较多。铝纤维吸声板对低频的吸收跟板的厚度、面密度和板后留 出的空腔深度有密切的联系。为了研究铝纤维吸声板的吸声特性，给出了由面密 度为5 5 0 9 m 2 和8 5 0g m 2 铝纤维毡做成的不同厚度、板重的实验样本，并且给出 i o 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 了实验样本在不同空腔深度下的吸声特性。铝纤维毡面密度为5 5 0 9 1 2 、板重为 1 6 7 0 9 m 2 、厚度为1 0 m m 的铝纤维板和铝纤维毡面密度为5 5 0 9 i i l 2 、板重为 1 8 5 0 9 m 2 、厚度为1 3 m m 的铝纤维板后留不同空腔的吸声特性如图2 6 、图2 7 所示： 图2 _ 6p o a l 5 5 0 - 1 0 ，板重1 6 7 0 9 m 2 铝纤维板后留不同空腔吸声特性 图2 7p o a l 5 5 0 - 1 3 ，板重1 8 5 0 9 m 2 铝纤维板后留不同空腔吸声特性 铝纤维毡面密度为8 5 0 9 m 2 、板重为1 9 7 0 9 m 2 、厚度为1 2 m m 的铝纤维板和铝 纤维毡面密度为8 5 0 9 m 2 、板重为2 1 5 0 9 m 2 、厚度为1 6 m m 的铝纤维板后留不 同空腔的吸声特性如图2 - 8 、图2 - 9 所示： 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 图2 8p o a l 8 5 0 - 1 2 ，板重1 9 7 0 9 m 2 铝纤维板后留不同空腔吸声特性 图2 - 9p o a l 8 5 0 - 1 6 ，板重2 1 5 0 9 m 2 铝纤维板后留不同空腔吸声特性 由图2 6 、图2 - 7 、图2 - 8 、图2 - 9 知：铝纤维板在5 0 0 h z 以下频率随着板后空 腔厚度的增加其吸声系数明显变大，5 0 0 h z 以上频率的吸声系数随板后板后空腔 厚度的增加没有明显的变化。特别指出的是铝纤维板后无空腔时的吸声作用是很 小的，在使用铝纤维板时其后要留二定空腔才能获得良好的吸声效果；面密度为 5 5 0 9 m 2 铝纤维板的厚度增加3 0 ；降噪系数提升了1 0 左右，而面密度为 8 5 0 9 m 2 铝纤维板的厚度增加3 3 ，降噪系数基本没有变化，可见铝纤维板的厚 ： 度对降噪系数变化影响不大。铝纤维板除具有稳定的吸声特性外，还具有良好的 防潮性能，但是其价格昂贵，给实际施工带来了一定的难度。 2 2 3 有机纤维防潮吸声结构 海草和浒苔具有大量的微管结构，由此想到它们具有良好的吸声特性。海草 和浒苔如图2 1 0 、图2 - 1 l 所示： 1 2 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 图2 1 0 海草图2 一儿浒苔 根据我们的设想对浒苔吸声性能1 2 7 l 进行了研究，把捞上来的浒苔在清水中洗干 净，梳理整齐，然后平铺在木板上。将木板和浒苔放在空调房中，温度置于一1 0 、除湿状态，进行了低温干燥。把干燥好的浒苔做成厚度为5 c m 、密度为6 蝇 m 3 的样本，采用驻波管法对浒苔的吸声性能进行了测量。将测得的浒苔吸声系 数与同厚度、同密度的海草和棉絮进行了比较，如图2 一1 2 所示： 1 0 9 o 8 0 7 0 6 o 5 0 4 0 3 o 2 0 1 o 1 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 0 4 0 0 0 图2 - 1 2 浒苔与棉絮、海草吸声系数对比图 其中海草、棉絮的吸声系数摘自国际权威的e a s e 4 0 吸声材料数据库。由图2 一1 2 知：浒苔和海草的吸声特性在整个频段基本相同，明显优于棉絮的吸声性能。既 然证实了浒苔和海草具有优良的吸声性能，并且它们是绿色原料，资源丰富，可 以考虑把它们做成纤维吸声板用于游泳馆等潮湿环境中的音质控制。海草具有良 好的防腐性，棉絮和浒苔的防腐性能比较差，所以海草更适合游泳馆等潮湿环境 的音质控制。由于目前尚无海草吸声板的定型产品，若选用它需专门定做，这增 加了施工周期，难以达到本项目的工期要求。 对高校游泳馆的三种防潮吸声结构从吸声性能、施工难易程度、防潮性、抗 老化性和造价等综合进行了对比分析，如表2 1 所示： 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 表2 一l 三种防潮吸声结构性能对比表 结构名称吸声性能施工难易防潮性抗老化造价 无机纤维优 良优优 良 防潮吸声 金属纤维优良优优 差 防潮吸声 有机纤维良差优优优 防潮吸声 综合考虑三种防潮吸声结构的性能，最后我们选取无机纤维防潮吸声结构即p v f 膜作为覆面层防潮吸声结构解决游泳馆馆内声学装修防潮吸声的难题。同时为 o d e o n 计算机仿真、游泳馆内各建筑单元吸声系数的设定提供了科学的依据。 1 4 基于o d e o n 的高校游泳馆音质控制仿真研究 3 基于0 d e o n 的游泳馆建模、音质控制 3 10 d e o n 软件及研究对象简介 本文使用o d e o n 软件来进行游泳馆课堂教学音质研究，o d e o n 软件是丹 麦技术大学声学技术系研究开发的声学模拟软件，在室内声场模拟软件评比 2 8 - 2 9 】 活动中获得好评，至今仍在不断的完善发展。根据不同的场合，该软件有 i n d u s t r i a l 、a u d i t o r i u m 和c o m b i n e d 三个版本。前面两个版本分别适用于工业及 环境声学和室内声学，c o m b i n e d 版本则综合了i n d u s t r i a l 、a u d i t o r i u m 的所有功 能。本文使用的是o d e o n9 0 的a u d i t o r i u m 版本，软件运行环境为w i n d o w sx p ， 支持多文件界面。 软件基本特点1 3 0 3 u 一、软件本身自带有o d e o nt e x te d i t o r 和o d e o ne x t r u s i o nm o d e l e r 编程工具， 能够根据建筑实物的图纸结合以上文本和图形开发工具创建建筑物的三维空间 模型。 二、软件自身提供吸声材料库，库中给出了常见吸声