榮 琪, 王春苑, 歐陽金龍

(四川大學 建筑與環(huán)境學院, 四川 成都 610065)

利用可變混響時間空間開展建筑聲學實驗教學改革

榮 琪, 王春苑, 歐陽金龍

(四川大學 建筑與環(huán)境學院, 四川 成都 610065)

為了提高建筑聲學實驗教學質量,將一間普通實驗室房間改造為可變混響時間空間。通過增加或減少這個空間內的吸聲結構,可控制混響時間在0.4～2.4 s范圍內變化,還可控制與之相關的反射聲強度、聽聞環(huán)境等的變化。結合建筑聲學理論知識內容,充分利用這個空間,對建筑聲學實驗教學進行了改革,完善了已有實驗項目,并開發(fā)了新的實驗項目。實驗教學實踐證明,這種空間有助于提高建筑聲學實驗教學質量。

建筑聲學; 實驗教學; 可變混響時間; 吸聲

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高,對建筑聲環(huán)境的要求也越來越高。各類建筑廳堂的音質設計、室內外的噪聲控制等建筑聲學問題成為當前建筑實踐中經(jīng)常遇到的問題。然而,建筑聲學理論性強、涉及的公式多,加之聲環(huán)境的設計很難通過圖紙去表達,聲環(huán)境的好壞難以用視覺去評判[1]。建筑學專業(yè)學生只有學懂并運用好建筑聲學知識,才能創(chuàng)建出舒適、健康的建筑聲環(huán)境[2-3]。

實驗是建筑聲學教學中一個重要環(huán)節(jié),可以鞏固和加深學生對抽象理論知識的理解,培養(yǎng)學生的實踐動手能力,并促進學生自覺將建筑聲學知識運用到建筑設計的創(chuàng)作之中[4]。開展聲學實驗教學的最佳場所是專業(yè)聲學實驗室,即混響室、消聲室等[5-7]。目前,我國只有少數(shù)院校(如清華大學、同濟大學、華南理工大學等)建有這樣的實驗室。

1 可變混響時間空間的介紹

我校原有的建筑聲學實驗室就是由2間普通房間組成,如圖1所示,標志為房間Ⅰ和Ⅱ,層高均為4.2 m。在這2間房間內,每年為65人以上建筑學專業(yè)學生開設室內混響時間測試、駐波管法吸聲系數(shù)測量、建筑隔墻空氣聲隔聲測量等實驗項目。這2間房間與系館樓上的專業(yè)教室、辦公室等并無區(qū)別,只是多了一些實驗設備及存放設施。

將房間Ⅱ改造為可變混響時間空間,采用了阻燃織物面內包50 mm厚玻璃棉的吸聲結構。為了便于安裝或拆卸,這種吸聲結構做成了50個1 160 mm×1 160 mm×50 mm的活動式模塊,并通過框架、吊桿等衍生出多種吸聲結構。模塊或實貼在墻(地)面,或留一定厚度的空氣腔(如50 mm厚),或直接作為空間

吸聲體。另外,還可通過開啟門窗增加室內吸聲。吸聲結構安裝前、后照片如圖2所示。

圖1 四川大學建筑聲學實驗室

圖2 房間Ⅱ內吸聲結構安裝前、后照片

通過增加或減少房間Ⅱ內的吸聲結構,可以控制混響時間在0.4～2.4 s范圍內變化,還可以控制與之相關的反射聲強度、聽聞環(huán)境等的變化。學生在同一空間內不僅可以利用設備進行定量化的實驗測試,還可以利用自己的聽覺系統(tǒng)親身感受到這些變化,這就便于他們將聲音物理量的變化和人的生理感覺聯(lián)系起來。

在可變混響時間空間內進行實驗教學,就可以讓學生建立起這種聯(lián)系,便于他們感受和理解建筑聲學中的各個公式、廳堂音質設計和聲環(huán)境設計中所用各種材料及構造的意義,同時提高動手操作的能力[1]?；诖?充分利用這個空間,并結合建筑聲學理論知識內容,完善了已有實驗項目(如室內混響時間測試、吸聲材料或結構吸聲系數(shù)測試、建筑隔墻空氣聲或樓板撞擊聲隔聲測試),并開發(fā)了新的實驗項目(如室內混響時間設計、吸聲降噪效果測試)。

2 建筑聲學實驗內容的改革

2.1 室內混響時間測量實驗

先前這個實驗項目在房間Ⅰ進行。房間Ⅰ內已有一些吸聲,混響時間約0.7 s,學生在房間Ⅰ內只能簡單地測試混響時間?，F(xiàn)在,這個項目改在房間Ⅱ進行。

首先,讓學生感受室內完全無吸聲結構(即空場)時的聽聞狀況,再進行混響時間測試,然后,將所有吸聲結構安裝在房間Ⅱ內,同樣學生先感受室內聽聞狀況,再進行混響時間測試。最后,要求學生結合定量化的測試結果(見表1),分析吸聲對混響時間和室內聽聞環(huán)境的影響等。

表1 房間Ⅱ內空場和吸聲結構安裝后混響時間的測試結果 s

在這個空間內,完善這個實驗項目,學生除了掌握基本的混響時間測試原理外,還可清晰地感知和對比混響時間和室內聽聞環(huán)境的顯著變化,加深了他們對吸聲、室內混響時間和聽聞環(huán)境及它們之間關系的認識和理解。

2.2 混響室法吸聲結構吸聲系數(shù)測試

先前這個實驗項目也是在房間Ⅱ內進行,但采用的是駐波管法[8]。駐波管法需要投入的場地小、經(jīng)費少,而且設備操作簡單,但理論性太強,不適合學生對吸聲與混響時間關系的感性認識,且與吸聲材料或結構在實際工程中吸聲狀況不一致,導致測試結果無法直接利用到工程設計中?，F(xiàn)在,這個項目改用混響室法在房間Ⅱ內進行。

按照混響法吸聲系數(shù)測試方法[9]的要求,讓學生依次安裝各種吸聲結構,感受室內聽聞狀況,測量混響時間,并利用式(1)[10]計算出各種吸聲結構的吸聲系數(shù)(見表2)。

(1)

從表2知,這些吸聲結構的吸聲系數(shù)測試結果基本上符合其應有的吸聲特性。

表2 房間Ⅱ各種吸聲結構安裝前、后混響時間測試結果和吸聲系數(shù)計算結果

在這個空間內,完善這個實驗項目,學生不僅很容易理解不同吸聲結構與混響時間的關系,而且還會認識到吸聲結構不同安裝方式對吸聲性能的影響。

2.3 建筑隔墻空氣聲隔聲測量實驗

先前這個實驗項目只是在房間Ⅰ和Ⅱ內簡單地測試隔墻的空氣隔聲量?，F(xiàn)在,這2個房間的角色進行了互換,即房間Ⅰ改為聲源室,房間Ⅱ改為受聲室。要求學生在進行隔聲測量時,房間Ⅰ聲壓級達到要求后保持穩(wěn)定不變,而在房間Ⅱ內變化吸聲量來測量同一隔墻試件不同吸聲情況下的隔聲量[11]。

如表3所示,2種情況下聲源室內各頻率聲壓級基本一樣,受聲室內聲壓級因吸聲量增加而降低,但同一隔墻試件的空氣隔聲量理論上應是一樣的。

表3 同一隔墻試件不同情況下隔聲量測試結果 dB

根據(jù)房間Ⅰ與Ⅱ聲壓級測試結果,并結合房間Ⅱ內混響時間,按照式(2)[10]計算隔墻空氣隔聲量R′。

(2)

(3)

從表3知,2種情況下的空氣隔聲量實驗結果基本上一樣,單一計權隔聲量都為47dB。

在這個空間內,通過這個實驗項目,學生不僅能了解建筑隔墻空氣聲隔聲測試方法和原理,還將進一步認識到吸聲或混響時間對隔墻聲壓級的影響。

2.4 吸聲降噪效果測試實驗

在房間Ⅱ內利用其可變混響時間的特點,開拓了吸聲降噪效果測量實驗,即定量測試同一噪聲源在同一空間內不同吸聲量或混響時間情況下的聲壓級及變化,并感受室內噪聲環(huán)境的變化,分析吸聲對噪聲級的影響。

首先,要求學生測試房間Ⅱ空場時混響時間,再開啟一高聲壓級的穩(wěn)態(tài)噪聲源,測試室內各點聲壓級,并感受室內噪聲環(huán)境。

然后,要求學生在房間Ⅱ內安裝大量吸聲結構,再測試混響時間。開啟穩(wěn)定噪聲源并保證聲功率不變,要求學生再次測試室內各點聲壓級,并感受室內噪聲環(huán)境。

最后,根據(jù)室內混響時間變化,利用式(4)[10]計算理論吸聲降噪量,并與測試結果比較。

(4)

式中,ΔLp為理論吸聲降噪量(dB),T1和T2分別為吸聲結構安裝前、后的混響時間(s)。

表4內的測試結果和理論計算結果基本一致,證明了吸聲對降噪作用。

表4 房間Ⅱ內吸聲降噪量測試結果及理論降噪量的比較

在這個空間內,開展這個實驗項目,有利于學生通過感性認知、定量化測試和理論分析,理解吸聲對室內降噪的作用和局限性。

2.5 室內混響時間設計實驗

以房間Ⅱ為測試和設計對象,開發(fā)了一個集驗證性實驗、認知性實驗和設計性實驗為一體的綜合性實驗項目,即室內混響時間設計實驗。在“室內音質設計”理論授課完成后,按照廳堂音質設計要求和過程,教師預先給出房間Ⅱ的混響時間及頻率特性要求,要求學生對該房間進行聲學設計。

首先,學生需要熟悉實驗測試設備的性能和操作方法,測量出房間尺寸、不同情況下的混響時間、各種吸聲結構的吸聲系數(shù),計算出吸聲需求量,確定各種吸聲結構的需求量,繪制出布置圖。前期準備工作要求以實驗方案的形式表達。

然后,學生需要按照自己的實驗方案進行實施,安裝各種吸聲結構,并測試出實際混響時間,分析其與計算值的差別及原因,直至通過實驗測試確保混響時間設計符合要求。

最后,要求學生根據(jù)實驗過程、結果等,編制出實驗報告或設計施工報告。

假定,要求房間Ⅱ內中頻混響時間為1s,低頻稍長,高頻稍短。理論上,3個空間吸聲體模塊+9個模塊實貼墻(地)面,或者4個空間吸聲體模塊+8個模塊實貼墻(地)面等組合,均可滿足要求。不同實驗分組學生采用了不同的組合,這里以3個空間吸聲體模塊+9個模塊實貼墻(地)面的例。9個模塊實貼墻(地)面分別布置在A、C、D墻面,3個模塊懸掛于頂棚。學生以此為依據(jù),編寫實驗方案、安裝吸聲結構、進行測試,如表5所示,測試結果與理論值基本相符,檢驗了實驗或設計方案的正確性。

表5 房間Ⅱ內聲學設計的混響時間設計值與測試值比較

這個實驗項目有利于學生熟悉廳堂音質設計過程和掌握基本的設計方法,并得以通過實驗檢驗設計的正確性。

3 結論

建筑聲學理論抽象、公式較多,可變混響時間空間為學生創(chuàng)設了一個理論聯(lián)系實際的平臺。在實驗教學活動之中,學生可以真切而形象地感受到不同的聲學設計可能產(chǎn)生的不同環(huán)境效果。由于學生在實驗過程中掌握了主動權,既有針對性,又有具體內容,從而充分發(fā)揮了其積極性和創(chuàng)造性[12-13]?？勺兓祉憰r間空間也可被認為是一項廳堂音質設計工程。當前,多功能廳堂(如劇場、音樂廳、報告廳等)因其功能多而廣受歡迎,其緣由正是其可變吸聲結構可適應多種用途需求的可變混響時間[14-15]。我校建筑聲學實驗室的改造實踐和實驗教學,有助于激發(fā)學生的建筑聲學設計創(chuàng)作靈感，也能為我國其他院校的聲學實驗教學改革提供借鑒。

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Carrying out experimental teaching reform in architectural acoustics by applying a space with adjustable reverberation times

Rong Qi, Wang Chunyuan, Ouyang Jinlong

(College of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

By moving sound insulation configurations into or out of this space,the reverberation time could be controlled to change in the range of 0.4～1.6s, and the reflections’ intensity and auditory environment could be controlled as well. According to the theories of architectural acoustics and the characteristics of the space,the experimental teaching in architectural acoustics is reformed.The original experiments are improved,namely the test of indoor reverberation time,the test of sound absorption coefficients of configurations,and the test of air-bone sound insulation of building partition or impact sound insulation of floor.Two new experiments are established,namely the test of noise reduction effect by sound absorption and the design of indoor reverberation time.The experimental teaching practices prove that the space with adjustable reverberation times is beneficial to the experimental teaching quality of architectural acoustics.

architectural acoustics; experimental teaching; adjustable reverberation time; sound absorption

2014- 10- 12 修改日期：2014- 12- 10

四川大學新世紀教改工程項目(六期)“實驗環(huán)節(jié)對建筑本科教學的支撐研究”

榮琪(1990—),女,四川鄰水,碩士研究生,從事建筑物理與節(jié)能的設計與研究工作

E-mail：m13488939781@163.com

歐陽金龍(1976—),男,湖北當陽,博士,副教授,從事建筑物理與節(jié)能的教學與研究工作.

E-mail：ow761202@scu.edu.cn

TU112

A

1002-4956(2015)6- 0200- 04