（信号与信息处理专业论文）现代体育馆大型网架空间音质控制设计研究.pdf

现代体育馆大型网架空间音质控制设计研究 捅要 现代体育馆因规模宏大、形式新颖、技术先进等建筑特点，逐渐成为城市的 标志性建筑。规模宏大的体育馆一般为大跨度网壳结构，这就导致了体育馆内部 空间大、不规则等特点，造成室内混响时间长，易产生声聚焦、回声等音质缺陷， 故体育馆音质控制设计研究是体育馆建设中急需解决的课题。 本文以第十一届全运会承办场馆之一中国海洋大学体育馆为例，对体 育馆大型网架空间进行音质控制设计研究。本文首次在计算机声场模拟软件中建 立体育馆大跨度网架的精确模型，在此基础上分析大型网架在声场中的扩散特 性，即清晰度d 5 0 、侧向反射因子l f 8 0 等参数的网格分布图。同时在原始场馆 测试条件具备条件下，结合现场实测与计算机模拟数据分析，证实模拟技术的准 确与可行性。继而对体育馆各建筑单元各自不同的声学处理下对声场音质控制贡 献进行模拟分析，最终提出该体育馆大型网架空间音质控制设计方案。 本文对体育馆音质控制方案的提出所做的主要工作包括：运用v c 编程解决 网架的各杆件在三维空间角度问题，为网架在声学模拟软件o d e o n 中的精确建 模提供准确数据。并针对体育馆内各表面材料声学特性，利用v c 通过a d 0 接 口连接a c c e s s 数据库，建立吸声材料查询系统，便于方案制定中吸声装饰材料 的选择。首先通过原始场馆o d e o n 模拟分析与现场p u l s e 多通道分析系统实 测对比，选用最为准确的混响时间计算方法，为体育馆音质控制工作提供了可靠 的依据与保证。继而对体育馆内建筑单元结构进行逐一模拟分析。并针对馆内低 频混响时间难以控制的难题，采用空间低频吸声体解决，馆内音质最终得到优化 控制。 最后对体育馆内音质改造后的扩散反射声场进行了模拟分析，针对主要音质 参数声压级s p l 、清晰度d 5 0 、侧向反射因子l f 8 0 进行网格模拟分析，发 现馆内声场分布不均，声压级不足等问题，采用e a s e 模拟设计电声系统解决。 综上所述，本文所采用的音质控制设计方案，对体育馆大型网架空间音质优 化有很好的指导意义，为实际工程中体育馆声学设计指引了方向。 关键词：网架建模：计算机声学模拟；扩声系统；音质优化 t h ea c o u s t i c a lq u a l i t yc o n t r o l l i n gs t u d yo fl a r g e s p a c eg r i d 1 l nu v m n a s l u m a b s t r a c t t h em o d e mg y m n a s i u m sg r a d u a l l yb e c o m et h ec i t y sl a l l d m a r k sb e c a u s eo fl a 玛e s c a l e ，r l o v e l t yf o m la n da d m c e dt e c h n i q u e t h er o o fs t r u c t u r eo fl a 玛es c a l e g y m n a s i u m sc o m m o m yi sl i k el a 唱e s p a ns p a t i a lg r i d ，a f l dt h a tl e a d st os o m ed e f e c t s s u c ha si o n gr e v e r b e r a t i o nt i m e ，e c h o ，a n ds o 吼df o c u s i n ga n ds oo n t h e r e f o r et h e a c o u s t i c a lq u a l i t yc o n t r o l l i n gs t u d yi st h et o p i cu 玛e n t l yn e e d e dt ob es o l v e d n l eg ”i m a s i u mi i lo c e a nu 1 1 i v e r s i t yo fc t l i n a ，o n eo fc o n t r a c t o rl o c a t i o n so ft h e e l e v e n t hn a t i o 蹦g 锄e s ，i ss t u d i e df o ri t sa c o u s t i c a lq 砌i t yc o n t r o l l i n go ft h el a r g e s p a c e 鲥di n t h j sp a p er m o d e l i n gt h el o n g s p a ns p a t i a lg r i dt oa 1 1i n c hb yt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o ns o r w a r ei sd o n ef o rt h ef i r s tt i m e o nt h i sb a s i s ，d i 觚s i o n p r o p e r t yo ft h es p a t i a jg r i d i s a u l a l y z e da n d ，g i v et h e 咖wd i a g r a m o fs o m e p a m m e t e r s ，s u c ha ss o u n dp r e s s u r el e v e l ( s p l ) ，d e f i n i t i o n ( d 5 0 ) a n de a r l yl a t e r a l e n e r g y 行a c t i o n ( l f 8 0 ) w h e nt e s tc o n d i t i o ni sp o s s e s s e di nt h er a wg y m n a s i u m ，t h e s i m u l a t i o nt e c l l l l i q u ei sc o n f i 肿e dt ob ea c c u r a t ea j l df e a s i b l eb yc o m p 撕n gt h ed a t a g a i n e df b mi n - s i t ew i t ht h ea n a l o g u er e s u l t a n dt h e np r i m a r ys t r u c t u r e so ft h e b u i l d i n ga r ea n a l y z e dt op r o p o s ea c o u s t i c a lc o n t r o l l i n gd e s i g np r o p o s a lo fi a 唱es p a c e g r i di ng y m n 峪i u m t h em a i nm e t h o dt h a ti sa d o p t e dt or e s e a r c ht h es o u n dq u a l i t yc o n t r o la n d e x p l o r et h eb e s ta c o u s t i c sp a r 锄e t e ri nt h i st h e s i si sa sf o l l o w s t h ea i l g l ei n3ds p a c e i sc a l c u l a t e db yt h ev cp r o g r 锄m i n gt os o l v et h ep r o b l e mo fb u i l d i n gt h ea c c u r a t e m o d e lo fs p a t i a lg r i di nt 1 1 ea c o u s t i c a ls i m u l a t i o ns o r w a r e0 d e o n b a s e do nt h e a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i co fs u r f a c em a t e r i a li nt h ei n t e r i o ro fg y m n a s i u m ，t h eq u e r ) r s y s t e mo fa b s o 印t i o nm a t e r i a l i sb u i l tc o m b i n i n gv cw i t ha c c e s sb ya d oi n t e r f a c e i t i sf a c i l i t a t et oc h o o s et h em a t e r i a l i nt h es o l u t i o nf o m l u l a t i o n s e l e c tt h em o s ta c c u r a t e e s t i m a t i o nm e t h o do fr e v e r b e r a t i o nt i m e b yc o m p a r i n gt h ea n a l o g u e r e s u l t b y c o m p u t e rs i m u l a t i o ns o r w a r eo d e o nw i t ht h ed a t ag a i n e df 如mi n s i t eb yt h e p u l s ed a t aa c q u i s i t i o n t h em o s ta c c u r a t er e v e r b e r a t i o nt i m ee s t i m a t i o nm e t h o dc a i l i i p r 0 v i d er e l i a b l eb a s i sf o rt h ew o r ko fs o u n dq 吼l i t yc o m r o l l i n g a n dt h e np r i m a 叮 s t m c t u r e so ft h eb u i l d i n g ，e s p e c i a l l yt h e l b s o r b e ra p p l i e dt os o l v et h ep i - 0 b i e mo f l o w 一肫q u e n c yr e v e r b e r a t i o n ，a r ea i l a l y z e d t h ea c o u s t i c a lq u a l i t yi so p t i m i z e di nm e g y m n a s i u mu l t i m a t e l y f i n a l l y ，d i f m s er e n e c t i o no fs o u n df i e l di ng y m n a s i 啪i ss i m u l a t e da n di t sm a i n s o u n dp a r a m e t e r ss u c ha ss o u n dp r e s s u r el e v e l ( s p l ) ，d e f i n i t i o n ( d 5 0 ) ，e a r l yl a t e r a j e n e r g ) r 仔a c t i o n ( l f 8 0 ) a r ea l s oa n a l y z e d ，b ya p p l y i n gt h ee l e c t r o - a c o u s t i cs y s t e mt o m a k eu pf o ru 1 1 e v e nd i s t r i b “o no fs o l l i l df i e l di ng y m n a s i u m t h es i m u l a t e de 艉c ti s a c t e di ne a s e ，w h i c hi sas o w l ds o f 、v a r eu s e di ne l e c t r oa c o u s t i cs y s t e md e s i g n g i v e na l lt h a t ，t h ed e s i g na p p r o a c ht h a tt h i sp 印e rh a sa d o p t e dc a i ls e ea sa g u i d e l i n ef o ra c o u s t i c a lo p t i m i z a t i o ni ns p a c eu n d e rs p a t i a lg n da u l dg i v ed i r e c t i o n st o t h ea c t u a la c o u s t i c a ld e s i g np r o j e c ti nm o d e mg y m n a s i u mc o n s t m c t i o n k e y w o r d s ：s p a t i a lg r i dm o d e l i n g ； a c o u s t i c c o n l p u t e rs i n l u i a t i o n ； s o u n d r e i n f o r c e m e n ts y s t e m ；q u a l i 够o p t i m i z a t i o n i i i 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 ( 洼! 麴邀查基丝益蔓挂剔童盟的：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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 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) 学位论文作者虢骗田 翩嫁 答字r 期：砷年月日 签字嗍：年月日 现代体育馆大型网架守问音质控制设计研究 1 绪论 1 1引言 随着体育和文化事业的发展，全国各地综合性体育馆f 卜2 1 不断兴建。综合性 体育馆除了进行体育比赛外，已经扩展到举办大型文艺演出、会议、时装表演、 电影放映等活动。同时现代体育馆越来越多的追求外观造型的新颖夺目与城市特 色，但是其造型主要依靠大型网架结构作为支架，这就造成了现代体育馆馆内上 下空间大、每座容积大等特点，同时由于现代体育馆在用途功能上的不断多样化， 对声音质量要求更高，馆内大空间声学设计是体育馆建筑设计中不可缺少的部 分。 现代体育馆除了要求有足够的响度和清晰度外，还要求在赛后场馆使用上， 如文艺演出时，声场中高音丰满、亮丽，低音浑厚、有力。但是由于体育馆大型 网架的空间下音质难以控制，声线在馆内平均自由程较大，混响时间也较长，极 易产生声音模糊、声聚焦、回声、多重回声等音质缺陷，且馆内可以用作吸声处 理的部位和面积极为有限，从而增加了现代体育馆建筑声学设计的难度。 多功能体育馆的音质控制是体育馆建设工作的重点，并且随着计算机技术快 速发展，声场计算机模拟技术逐渐也被应用于体育馆室内声学研究中，由于模拟 技术中各种理论模型和模拟算法的不断改进，模拟结果的准确性得到了很大的提 高。而计算机模拟技术的关键是建筑三维模型的建立，由于体育馆建筑不同于一 般的厅堂，建筑结构上有大型网架、曲面屋面等一系列建筑特点，这就增加了体 育馆建模工作的难度和工作量。同时为保证模型室内环境的封闭性，对模型建立 提出了更高的要求。建模工作是声场计算机模拟的前提，也是体育馆内声场分析 的重点工作。 计算机声场模拟技术不仅仅是可以对建造好后建筑室内环境进行模拟分析， 同时对未建成的封闭空间也能够模拟分析。计算机模拟技术的优点不仅局限于计 算机模拟易于修改、节省时间和费用，而且可以通过计算机模拟更好地将声场环 境视觉化，并且还能够对室内客观声学参数模拟结果做迸一步的分析，为室内音 质控制研究指明研究方向。 m 托件育馆 型架守何音厩拄制啦计研究 12现代体育馆设计理念 近年来，随着经济、文化的发展和城市经营建设的需要，各地兴建的体育馆 不断地追求城市品牌、场馆文化咀及奥运精神，“人文、生态和科技”逐渐成为现 代体育馆建筑设计理念的主流。现代体育场馆设计应具备实用性、建筑美观性、 造价高效性和环境敏感性，同时需要考虑体育馆在赛后利用等一系列问题。 2 0 0 9 年第十一届全运会将在山东举行，青岛承办了其中的9 项体育比赛， 青岛市游泳跳水馆、国信体育馆、中国海洋大学体育馆是青岛承办全运会比赛项 目的三座主要场馆( 如图卜1 ) ，三座体育馆外形分别以“贝壳”，“钻石”，“贝壳 与风帆”等元素作为外形设计思想，已成为青岛市这座海滨城市一道亮丽风景线。 ( a 】青岛市游泳跳水馆0 ) 吉岛市国信体育馆 ( c 】中国嘲羊大学体育馆 图l l 三座体育馆外观圈 咀上述青岛三座体育馆在建筑风格上的特点可| 三【看出，现代体育馆造型上的 美观，主要依靠大型网架( 如图1 1 ) 柬支撑起体育馆空间的美，但是大型网架 的使用造成了体育馆内部空间大，跨度太，每座容积大等特点，馆内出现平均自 现代体育馆大型m 架空问音质控制设计研究 由程较大，这样会使混响时间过长、声场不均匀甚至是声聚焦等声音模糊的音质 缺陷；另一方面体育馆越来越多的作为会议、文艺演出、音乐会的场所，故场馆 的多功能性对音质提出了较高的要求。而随着计算机技术的发展，计算机声场模 拟技术可以解决音质上要求的难题，因此这项工作有着非常重要的现实意义。 1 3 体育馆声场模拟面临的难题 早期的室内声场模拟主要是依靠缩尺模型f 3 | ( s c a l em o d e l ) ，但由于经济成本 高等一系列问题，并没有被广泛应用。而计算机模拟是种数字式方法f 4 l ，能弥补 缩尺模型技术上的不足，所以在现代体育馆声场分析主要应用了室内声场模拟技 术。室内声场模拟技术主要分为三个发展阶段： ( 1 ) 发展初期：2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代末 2 0 世纪5 0 年代末，对室内声学研究仍以缩尺模型为主，但随着计算机强大 能力在科研领域的显现，对声场计算机模拟理论的发展起到推动作用p 蚓，挪威 的a 心o k s t a d 在1 9 6 8 年提出了第一个完整的声线跟踪算法【5 l ( r a y - t r a c i n g m e t h o d ，i 汀m ) ，使得计算机应用于实际室内声场成为可能。声线跟踪法与后来 出现的虚声源法f 7 - 8 ( i m a g es o u r c em e t h o d ，i s m ) ，都是以几何声学为基础的经典 方法。但是均没有运用到实际工程中。 ( 2 ) 快速发展：2 0 世纪8 0 年代9 0 年代前期 2 0 世纪8 0 年代前后，a k m k s t a df q | ，a k u l o w s k ii l ( j 1 ，b o r i s h1 1 1 | ，h l e e 1 2 l 等 人从算法设计和程序实现方面对r t m 和i s m 方法进行研究，基于几何声学的适 用于三维封闭声场的模拟，但是仅适用于中、高频或大尺度结构情况。该方法主 要应用于大型建筑( 音乐厅、地铁站、大型厂房等) 的声学设计、预测与评价。 随后出现了另一种以波动声学理论为基础的方法，包括有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，边界元法1 1 4 l ( b o 蛐d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) ，时域有 限差分法( f i n i t ed i 仃e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o d ，f d t d m ) 等。并对客观声学 参数进行了研究。8 0 年代末e a r s 软件和9 0 年代的计算机模拟软件e a s e 使用， 标志着声场计算机模拟研究开始向应用阶段迈进。 ( 3 ) 面向应用：2 0 世纪9 0 年代中期至今 该时期声场计算机模拟方法呈现多样化趋势，提出了如声束跟踪法l j 卅( b e 锄 现代体育馆人型网架窄间鲁质控制设计研究 1 h c i n gm e t h o d ，b t m ) 和声学辐射度法( a c o u s t i cr a d i o s 时m e t h o d ) 等改良方法， 并在不同的算法中得到了应用f 一9 1 。随着研究不断深入，关于室内复杂声学现象 的模拟方法得到了持续发展，例如室内扩散、表面散射、边缘衍射等颇受重视， 特别是对散射声的处理出现了多种可行的方法阻22 l 。 目前，计算机模拟软件主要分为两种，一种以建筑声学模拟为主，有代表性 的是丹麦技术大学的0 d e o n 软件、比利时声学公司的r a y n o i s e ；一种是以电 声模拟为主，有代表性的有德国a d a 声学设计公司的e a s e 和e a r s 软件等。 二者在计算方法和原理上没有本质的区别，仅是侧重面不同。 由于体育馆内部存在大型网架，馆内空间大等一系列特点，馆内音质是体育 馆建设急待分析解决的问题。体育馆主要需要针对建筑声学和扩声系统两方面进 行研究。而随着计算机模拟声场技术的不断发展并应用到实际工程中，以及体育 馆音质控制不断被重视，计算机声学模拟软件在体育馆声学设计中得以广泛应 用，其中以丹麦的o d e o n 和德国的e a s e 的应用最广泛。由于体育馆平面设计 上追求新颖独特，馆内纵向高度差大，容易产生声聚焦等音质缺陷，故对体育馆 内建筑声学模拟分析成为了馆内音质控制的首要工作。 在计算机声场模拟工作中必须保证研究对象模型的封闭性与精确性，故对体 育馆声场模拟研究首要解决的问题就是要建立正确的体育馆模型。但是在体育馆 内由于追求场馆造型美观等一系列因素并且广泛采用大型网架结构，且网架的杆 件在空间角度各异，这就增加了对体育馆的声场模拟中建模工作中的难度。目前， 解决这一难题广泛采用了简化建模的方法，将网架结构等效简化建模。而在体育 馆内，网架在声场中起到声散射作用，对馆内音质参数有着重要的影响，大型网 架的简化建模处理将降低模拟数据的准确性。故精确的建立体育馆网架模型对体 育馆内声场模拟是非常重要的，是急待解决的难题。 1 4本文研究课题的意义及内容安排 继2 0 0 8 年第2 9 届奥运会在北京成功举行，体育馆建筑不断兴建，成为了各 大城市的标志性建筑，体现了城市体育文化精神。现代体育馆为追求造型美观一 般采用了大跨度网架，在大型网架空间的体育馆出现了空间大的馆内特点，使得 馆内声场出现了混响时间长、语言清晰度差等一系列音质缺陷。 4 现代体育馆人型网架空间音质控制设计研究 本文主要是利用计算机模拟软件o d e o n 对多功能体育馆进行建模分析，本 文首次应用计算机声场模拟软件对大型网架进行了精确的建模工作，为馆内音质 分析的准确性奠定了基础。随后利用o d e o n 软件中的三种混响时间的模拟估算 方法来计算体育馆的混响时间，对体育馆内建筑结构单元逐一处理分析，分析馆 内混响时间，并针对馆内低频较难控制的问题，设计了空间吸声结构解决，最终 确定体育馆声学设计方案。最后分析体育馆模拟装修后体育馆内部的音质情况， 对馆内声场不均匀的缺陷应用e a s e 软件模拟体育馆内电声系统，设计最佳扩声 系统实现对馆内音质优化，实现对大型网架空间体育馆音质进行控制实验研究。 全文主要由六部分组成： 第一章绪论，简单综述与本课题相关的背景及研究领域中主要的难题。 第二章以中国海洋大学体育馆为例，详细介绍了如何利用计算机仿真软件 建立o d e o n 下体育馆大型网架和主要的建筑结构，并在模型中设定声源与接收 点进行封闭性检测，最后利用v c 与a c c e s s 混合编程，通用a d 0 接口技术建 立吸声材料数据库，实现实时添加、删除、修改吸声材料信息的可操作界面。并 在网架精确建模的基础上首次分析网架对体育馆扩散反射影响的主要参数。 第三章首先对体育馆大面积吸声屋面进行声学分析，并对原始建筑下声场 环境分别使用o d e o n 的三种混响时间估算方法进行模拟分析。在原始场馆建筑 工程完成之后进行现场测试工作。将模拟混响时间结果与现场实测混响时间结果 比较，选用最准确的混响时间估算方法，为馆内声场模拟计算的准确性提供保证。 第四章分析体育馆座椅、观众对缩短馆内混响时间的影响。同时针对馆内 四周大面积玻璃幕墙，采用吸声帘幕进行吸声处理，同时，针对体育馆内部建筑 结构，如塔楼、栏杆下，对馆内主要建筑结构进行逐个声学模拟分析，提出初步 馆内音质控制的设计方案。 第五章针对馆内低频难控制的特点，设计空间吸声体并在o d e o n 软件下 模拟分析，最终经过一系列声学装修混响时间达到了该体育馆混响时间标准，但 是分析其他声学参数，发现馆内声场音质存在声场不均匀的问题，采用扩声系统 进行弥补缺陷，主要是通过e a s e 软件模拟分析，得出模拟音质控制方案。 第六章总结与展望。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。 代体育馆人型月辈空问奇赝控制设* 研究 2o d e o n 下体育馆建模关键技术分析 利用o d e o n 声学软件对体育馆馆内声场进行分析研究，首要工作是在 o d n 软件环境下建立体育馆的三维立体模型。精确建立体育馆封闭模型是 o d e o n 室内声场模拟分析的关键。 本文以中国海洋大学多功能体育馆为例，对体育馆进行建模分析。如图2 - l 为体育馆主剖图。该体育馆主要的建模结构包括及大面积屋面、空间网壳结构、 柱子、阶梯式坐席、南北塔楼。下面主要介绍体育馆主要建筑结构在o d e o n 下 建模的关键技术与工作。 图2 1 体育馆主剖面 2 1大型网架0 d e o n 下精确建模 在现代体育馆建模工作中主要的难点是大型网壳( 或网架) 结构的建立，网 壳结构是指由许多杆件按照一定规律布置，通过节点连接而成的外形呈曲面状的 一种空问杆系结构。该体育馆使用的是双层网壳，包括高网壳和低网壳，它们通 过腹杆连接。如图2 2 为双层网壳细节图，体育馆内大型网壳结构是建模中的难 点及重点。 现代体育馆大型网架空间音质控制设汁研究 圉2 0 体育馆同架节点圉 该体育馆两壳共由6 6 8 3 根圆柱型杆件组成，通过三角椎体式连接上下网壳， 即椎底三条边为网壳上弦杆，棱边为网壳的腹杆，连接椎顶的杆件为网壳的下弦 杆它们通过钢制小球连接而成。每个钢球节点约连接8 根圆柱状杆件，每根杆 件在空间上的角度各异，这就增加了在0 d e o n 下建立网壳模型的难度。因此， 计算出每根杆件在空间相对旋转角度是正确建立体育馆的双层网壳的前提要求。 到目前为止，还未见任何文献指明o d e o n 下网壳或网架的准确建模，前人均以 等效法进行近似模拟。本文将就该删壳在0 d e o n 建模工作做详细介绍，首先对 0 d e o n 进行简要的介绍。 ( 1 ) o d e o n 软件简介 o d e o n 是丹麦技术大学自1 9 8 4 年开始研究开发，并已商业化的建筑声学 设计软件，主要应用于建筑声学方面的设计、咨询和研究等。1 9 9 3 1 9 9 5 年， 德国声学学会建筑声学技术委员会发起并组织了一次欧2 l | 7 个国家的1 2 个单位 的室内声场模拟软件评比活动p 川。在1 6 个被测试的软件中o d e o n 的早期 版本0 d e o n 2 5 被认为是准确度最高的三个软件之一例，其编号为8 。而且文献l “】 已通过实验证明以o d e o n 软件作为研究工具对建筑进行仿真与实测的结果基 本上是一致的，故o d e o n 软件有很高的准确度和可靠度。 0 d e o n 目前最高版本是91 版本。根据使用的不同侧重面，该软件有 i n d u s t 乱、a u 击协d 咖和c o m b l n e d 三个版本，前两者分别用于工业及环境声学 现代体育馆大型网架窄问皆质控制设计研究 和室内声学；而c o m b i n e d 版本综合了前两者的所有功能。 本文主要是基于a u d i t o r i 眦版本对体育馆大空间内的声场进行研究。 o d e o n 软件2 7 侧可在w i n d o w s 9 5 、9 8 、n t 及w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下运行， 程序基于m d i 方式，运行于多窗口环境下，具有友好的用户界面和较强的图形 编辑功能。 o d e o n 软件主要采用了声线跟踪法，是以几何声学为基础，即声波的传播 和能量的衰减过程用声源发出的大量声线来描述。对于各壁面为平面的声学环 境，某时刻一定位置的声源向四周均匀释放大量声粒子，它们在与壁面碰撞之前 是沿直线运动的，把声粒子与壁面的碰撞点逐次相连形成了声线。 假定每根声线开始时携带的能量相同，大小取决于声源辐射的总能量和声线 的根数。求出声线与所有壁面的交点，选择在其传播方向最近的交点作为声粒子 与壁面的碰撞点。声线在该点一部分做镜面反射，其方向由反射定律决定；一部 分做扩散反射，其方向由概率论知识来选取。声线沿着新方向继续前进，每次碰 撞后能量减少为原来的( 1 口) 倍( 口为壁面的吸声系数) ，直到其能量低于事 先设定的阈值时，计算机停止对该声线跟踪，继而跟踪下一声线。直至所有粒子 被跟踪完毕。在声线穿过预先设定的计数面积或计数体积时，计算机计算并记录 下它到达的时间、能量和新的传播方向1 2 q 1 ，便于声学参数的计算分析。声线跟 踪刚流程框图如下图2 3 所示。 图2 3 声线跟踪法框图 现代体育馆大型网架空间音质控制设汁研究 ( 2 ) 网架建模原理 在o d e o n 软件下，由于生成圆柱杆件的方向仅仅是z 轴方向，故需要针对 每根杆件旋转坐标轴，使得杆件在新坐标系下与z 轴重合。作法主要是：将坐标 移位至杆件两端的一个小球中心，再通过旋转坐标平面得到。由于杆件在空间是 三维的，因此需要旋转两次坐标平面。本程序中选择了旋转了x o y 、y o z 轴。 原始球与杆件的位置关系图如图2 4 ( a ) 所示，首先固定z 轴，旋转x o y 平面， 按照y 轴逆时针旋至0 m 位置，即可得到图2 4 ( b ) 的位置关系。固定x 轴， 旋转y o z 平面，按照z 轴逆时针旋至o n 位置，即可获得o 节点连接的一根杆 件的三维空间下正确角度与位置，进而完成整个双层网架在o d e o n 中的模型。 x x ( a ) 节点小球相对位置关系 ( b ) 旋转z 轴后节点小球位置关系 图2 4 网架钢杆位置关系 而由于体育馆网壳的杆件数量很大，需要计算量很大，考虑该原因，利用基 于v c 对话框来直观计算每根杆件的空间旋转角度和杆件的长度。设计思想是在 v c 6 0 软件环境下，基于对话框界面，输入两点三维坐标值，点击f i g u r eo u t 按 钮得到x 轴、z 轴的旋转角度和杆件的长度，结果用于o d e o n 代码编辑建模中 使用。v c 下基于对话框计算旋转角度和长度的界面如图2 5 ，最终双层网壳模 型准确建立模型( 如图2 6 ) ，为体育馆内声场分析模拟准确性提供了基础保证。 9 现代体育馆大型时架空间音质控制设计研究 图2 - 5v c 编程计算网架杆角度与长度界面 图2 石o d e o n 软件下网架模型 2 2主要建筑结构模型的建立 在o d e o n 建模中没有“曲面”的概念，而该体育馆的屋面是由正曲率的“贝 壳”和负曲率的“风帆”的曲面组成，故在该结构建模中用多个三点平面近似表达 ( 如图2 7 所示) 。 现代体育馆大型月架空间音质控制设计研究 圉2 1 屋面模型表达 另外t 由于体育馆内大部分为观众席区域，且观众区域从零平面到1l l m 垂 直距离上的跨度，馆内观众席座椅也是声场环境中主要考虑的因素，观众区模型 的准确建立也是必须的。在观众区台阶及座椅主要采用了e x t n l s i o nm o d c l e r 与 o d e o n 本身自带代码程序编辑混合方式建模。建模结果如图2 _ 8 所示。 图2 - 8 体育馆内观众分布图 同理，针对体育馆内其他建筑结构，如塔楼、柱子也是声场研究的主要因素， 同样使用e x 仇i s i o nm o d e i e r 与代码编辑混合方式建模，准确表达了建筑结构保 证模拟的准确性。 2 3 模型检测与三维视图 通过e 述一系列建筑结构模型的建市以及馆内细节建模t 作的完成，体育馆 飘 现代体育馆大型月架空间音质控制设计日究 整体室内模型基本完成，该建模工作所建模型共有约1 3 4 ，6 0 7 个面，程序代码 约计9 2 ，9 4 9 行。体育馆建模工作量巨大，精确模型在o d e o n 下生成大约需要 1 小时，对于室内表面的准确描述，是体育馆内声场模拟分析的重要保证。 由于o d e o n 对建筑声学的研究是在封闭空间声场的基础上进行的，所以对 已经建立好的3 d 模型需要进一步检验模型是否有声线泄漏或者扭曲面等问题， 进而保证o d e o n 模拟工作前提的正确性。 在体育馆中心( 0 ，38 3 ，1 0 ) 设置声源点，通过声源发射声线或声粒子检 测建立的模型是否完全封闭。如图2 9 所示，分别为进行了声线泄漏检测与声粒 子分布检测。 m ) ，粒 绷目 图2 9 模型封闭性检测 经过以上建模与模型封闭性检测工作，体育馆o d e o n 三维立体模型基本建 成，如图2 - l o 为o d e o n 下3 d 立体模型。图2 - l l 为该模型在。呻l g l 下的显 示图。 现代体育馆太型同架空问音质控制设计研究 图2 - 1 0 体育馆三维立体模型 a ) 体育馆侧视角巨 鬣圣銎 ( b ) 体曹慵正税囱 图2 一o d e n g l 显示图 现代体育馆大型h 架问音质挣制设计研究 2 4模型吸声材料的选择 2 4 1 吸声材料数据库的建立 体阿馆声场模拟需要真实的反映场馆内部状况，分析音质参数主要与馆内表 面材料吸声系数与结构形态等一系列因素相关，故给模型中的各个面附上正确的 吸声材料是体育馆模拟工作的重要前提条件之一。由于o d e o n 软件材料数据库 的有限，故本人利用v c 与a c c e s s 混合编程m 对所有不同类型材料的吸声 系数进行汇总建立数据库，便于对吸声材料添加、修改、删除及对文件属性设定 eu日 m n d 立奉嚷声 树 _ j 熬孚1 2 5 h z l f l z i数4 z ( b 】参数信旦表 图 1 2a 数据库设计图 图2 1 3 材料吸声系数土界面及修改添加界面 现代体育馆大型同架空间音质控制设* 研究 瞄盆蔷幽 z * z * * iv ! r g 蝴1 g - 匡巫习 图2 - 1 4 记录文件属性 该工作是在w m d o w sx p 下使用v c 60 开发，采用了a c o s 桌面数据库， 基于v c 对话框程序，混合使用了w 洒d o w s a p i 函数和m f c 类。同时设计了材 科信息表和文件参数表如图2 1 2 ，设计界面( 如图2 1 3 ) 动态显示了不同类型 吸声结构或吸声材科吸声系数，及参数设定界面( 如图2 1 4 ) 对数据库进行操作 管理。 编写的系统主要描述了用户操作、过程和数据存储之间的数据交换关系。为 了清楚地描述过程和类之间的数据流向关系，借助图2 1 5 进行阐述。系统中共 实现了4 个类：主对话框类、参数编辑对话框类、用户信息编辑对话框类、数据 库操作类。对数据库操作类是在v 町s i o n 20 中对系统进行重构，对重复代码进行 抽象，使得代码具有更小的耦合。具有更好的表现力。 以“更新材料信息”为例，说明数据流程图描述方式。用户选择了更新操作， 将数据输入到材料信息编辑对话框中，即传递给该对话框类该类产生“更新材 料信息”过程该过程需要与数据库操作类进行交互。该过程将所有这些新信息 传递给数据库操作类，后者处理后返回更新后的记录集，同时该过程将该记录集 返回到材料信息编辑对话框显示。 现代体育馆大型阔架窄间占质挡制设计研究 图2 1 5 系统设计数据流程图 用户使用该系统时，将如图2 1 6 所示，先选择数据源，成功后，将可以读 取文件参数和材料记录，可以在此基础上进行一系列操作。当需要对另外一个数 据源进行读取时，先关闭当前数据源的连接，重新选择新数据源，进入循环。 图2 1 6 用户使用流程 该数据库创建后，用户操作使用简单方便，可以根据不同情况对各频率的吸 声系数数据进行排序，便于在音质优化过程中，吸声材料的选取与性能对比。为 下述的音质优化分析研究工作提供了方便。 2 4 2 馆内材料吸声系数 体育馆内建筑表面材料的吸声性能即材料吸声，由于体育馆容积达到 1 0 2 ，0 0 0 m 3 ，内部空间大，空气吸声比较显著不容忽视。馆内主要用吸声系数与 1 6 现代体育馆太型月架守问音质控制设汁研究 吸声量来表述馆内表面材料l 吸声性能。计算机声场模拟是针对建立的模型进行分 析的，在对模型进行研究时，需要对模型内各面进行吸声系数的定义各面分别 组成了相同或是不同的结构单元，从而表征不同建筑结构单元的吸声性能。 吸声系数是指声波入射到材料表面时，其能量被吸收的百分数，即被吸收的 声能与入射的声能之比，以口表示，即 口；至芷旦：l - 堡式( 2 1 ) e 。e 口 式中：晶一入射声能：e 吸收声能：e 一透射声能；e ， 反射声能。 吸卢系数是评定材料吸声作用的丰要指标，吸声系数越大材料的吸声性能 越好；反之，吸声系数越小，材料的吸声性能越差。 某一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。根据吸声系数测 量规范规定的测试频率范围l 倍程是从6 3 8 0 0 0 h z ，共有8 个测试吸声系数，能 够比较真实的反映材料的吸声性能。 在体育馆的o d e o n 声场模拟工作中，正确建立体育馆模型之后，首先需要 对体育馆内所有表面输入准确的吸声系数，通过己计算得到的表面面积，可间接 获得每种材料表面的吸声量，从而反映出体育馆馆内真实的吸声情况，从而对各 个频率的混晌时间进行分析，为馆内音质拧制方向提供方向与准确性的保证。对 该体育馆原始建筑内部表面材料在各频率的吸声系数见图2 1 7 。 1 j o * j o l 罔2 17 原始建筑吸卢材料的吸卢系数分布幽 一 一 一m 现代体育馆大型嗣槊空间音质控制设计研究 吸声系数反映了吸声声能所占入射声能的百分比，它可以用来比较在相同尺 寸下不同材料和不同结构的吸声能力，却不能反映不同尺寸的材料和构件的实际 吸声效果。用以表征某个具体吸声构件的实际吸声效果的量是吸声量，它和构件 的尺寸、大小有关，对于建筑空间的围蔽结构，吸声量a ( m 2 ) 是： = 岱式( 2 - 2 ) 式中：* 围蔽结构的面积：口吸声系数。 j “j l 1 6 0 0 0 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 吸1 0 0 0 0 声8 0 0 0 量6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 6 31 2 52 5 05 0 0i k2 k4 k8 k 频率( h z 口空气 吸声屋顶 记分牌 口砖墙抹灰 幕墙上方吸声板 口钢结构 栏杆 口玻璃幕墙 口夫理石 混凝十 口篮球术质地板 图 1 8 馆内主要建筑结构的吸声量 由图2 1 8 可见，在原始建筑中，由于馆内空间大，空气吸声是不容忽视的， 而空气对高频吸声好，故在高频吸声起到了不容忽视的作用。而吸声屋面的吸声 效果也是明显的，由于屋面的吸声结构的设计，该结构扩展了吸声棉对中高频吸 声的频率范围，在整体的频率带吸声效果都有显著的效果，对室内吸声作用明显。 而其它结构表面材料对馆内混响也均有一定影响。 2 5声源与接收点的设定 在完成体育馆o d e o n 三维模型工作之后，对其内部声场环境进行研究之 前，需要对馆内声源等一系列参数进行设定。在体育馆比赛大厅的环境中主要是 使用了电声设备，所以需要安装多个音箱，相当于多个声源点，所以对于室内声 场模拟而言需要设定多个声源。声源位置及个数对研究体育馆混响时间影响如 何，对该问题进行模拟研究。在相同的体育馆建筑环境中，模拟四种情况声源状 况如下表2 - l ，体育馆中心点坐标为( o ，38 3 ，0 ) 。 现代体育馆太型目架空问音质控制设计研究 表2 1 声源模拟位置坐标表 卢源位置坐标声源1声源2声源3 模拟1 2 0 ，38 3 ，1 0仉4 ，7 90 ，36 ，79 模拟20 ，2 0 ，l o仉4 ，79o ，36 ，79 模拟3无无 模拟4o ，38 3 ，i o无无 针对以上四种声源设定在相同的条件下进行模拟，利用o d e o n 中旌罗德后 向积分法混响时间估算法进行模拟估算，估算结果如图2 1 9 。 图2 】9 卢源不同情况模 f f 结果 由上述四种不同声源情况的模拟结果可以看出，声源位置设定及个数的模 拟对混响时间的影响不大，由于单个声源点应用施罗德估算使用4 核c p u ， 内存4 g 的电脑，设定1 0 0 ，0 0 0 根声线进行一次模拟计算需要大约3 个小时， 而若两个声源同时设定，模拟时间相对单点声源模拟的两倍，