荣 琪, 王春苑, 欧阳金龙

(四川大学 建筑与环境学院, 四川 成都 610065)

利用可变混响时间空间开展建筑声学实验教学改革

荣 琪, 王春苑, 欧阳金龙

(四川大学 建筑与环境学院, 四川 成都 610065)

为了提高建筑声学实验教学质量,将一间普通实验室房间改造为可变混响时间空间。通过增加或减少这个空间内的吸声结构,可控制混响时间在0.4～2.4 s范围内变化,还可控制与之相关的反射声强度、听闻环境等的变化。结合建筑声学理论知识内容,充分利用这个空间,对建筑声学实验教学进行了改革,完善了已有实验项目,并开发了新的实验项目。实验教学实践证明,这种空间有助于提高建筑声学实验教学质量。

建筑声学; 实验教学; 可变混响时间; 吸声

随着社会的发展和人民生活水平的提高,对建筑声环境的要求也越来越高。各类建筑厅堂的音质设计、室内外的噪声控制等建筑声学问题成为当前建筑实践中经常遇到的问题。然而,建筑声学理论性强、涉及的公式多,加之声环境的设计很难通过图纸去表达,声环境的好坏难以用视觉去评判[1]。建筑学专业学生只有学懂并运用好建筑声学知识,才能创建出舒适、健康的建筑声环境[2-3]。

实验是建筑声学教学中一个重要环节,可以巩固和加深学生对抽象理论知识的理解,培养学生的实践动手能力,并促进学生自觉将建筑声学知识运用到建筑设计的创作之中[4]。开展声学实验教学的最佳场所是专业声学实验室,即混响室、消声室等[5-7]。目前,我国只有少数院校(如清华大学、同济大学、华南理工大学等)建有这样的实验室。

1 可变混响时间空间的介绍

我校原有的建筑声学实验室就是由2间普通房间组成,如图1所示,标志为房间Ⅰ和Ⅱ,层高均为4.2 m。在这2间房间内,每年为65人以上建筑学专业学生开设室内混响时间测试、驻波管法吸声系数测量、建筑隔墙空气声隔声测量等实验项目。这2间房间与系馆楼上的专业教室、办公室等并无区别,只是多了一些实验设备及存放设施。

将房间Ⅱ改造为可变混响时间空间,采用了阻燃织物面内包50 mm厚玻璃棉的吸声结构。为了便于安装或拆卸,这种吸声结构做成了50个1 160 mm×1 160 mm×50 mm的活动式模块,并通过框架、吊杆等衍生出多种吸声结构。模块或实贴在墙(地)面,或留一定厚度的空气腔(如50 mm厚),或直接作为空间

吸声体。另外,还可通过开启门窗增加室内吸声。吸声结构安装前、后照片如图2所示。

图1 四川大学建筑声学实验室

图2 房间Ⅱ内吸声结构安装前、后照片

通过增加或减少房间Ⅱ内的吸声结构,可以控制混响时间在0.4～2.4 s范围内变化,还可以控制与之相关的反射声强度、听闻环境等的变化。学生在同一空间内不仅可以利用设备进行定量化的实验测试,还可以利用自己的听觉系统亲身感受到这些变化,这就便于他们将声音物理量的变化和人的生理感觉联系起来。

在可变混响时间空间内进行实验教学,就可以让学生建立起这种联系,便于他们感受和理解建筑声学中的各个公式、厅堂音质设计和声环境设计中所用各种材料及构造的意义,同时提高动手操作的能力[1]。基于此,充分利用这个空间,并结合建筑声学理论知识内容,完善了已有实验项目(如室内混响时间测试、吸声材料或结构吸声系数测试、建筑隔墙空气声或楼板撞击声隔声测试),并开发了新的实验项目(如室内混响时间设计、吸声降噪效果测试)。

2 建筑声学实验内容的改革

2.1 室内混响时间测量实验

先前这个实验项目在房间Ⅰ进行。房间Ⅰ内已有一些吸声,混响时间约0.7 s,学生在房间Ⅰ内只能简单地测试混响时间。现在,这个项目改在房间Ⅱ进行。

首先,让学生感受室内完全无吸声结构(即空场)时的听闻状况,再进行混响时间测试,然后,将所有吸声结构安装在房间Ⅱ内,同样学生先感受室内听闻状况,再进行混响时间测试。最后,要求学生结合定量化的测试结果(见表1),分析吸声对混响时间和室内听闻环境的影响等。

表1 房间Ⅱ内空场和吸声结构安装后混响时间的测试结果 s

在这个空间内,完善这个实验项目,学生除了掌握基本的混响时间测试原理外,还可清晰地感知和对比混响时间和室内听闻环境的显著变化,加深了他们对吸声、室内混响时间和听闻环境及它们之间关系的认识和理解。

2.2 混响室法吸声结构吸声系数测试

先前这个实验项目也是在房间Ⅱ内进行,但采用的是驻波管法[8]。驻波管法需要投入的场地小、经费少,而且设备操作简单,但理论性太强,不适合学生对吸声与混响时间关系的感性认识,且与吸声材料或结构在实际工程中吸声状况不一致,导致测试结果无法直接利用到工程设计中。现在,这个项目改用混响室法在房间Ⅱ内进行。

按照混响法吸声系数测试方法[9]的要求,让学生依次安装各种吸声结构,感受室内听闻状况,测量混响时间,并利用式(1)[10]计算出各种吸声结构的吸声系数(见表2)。

(1)

从表2知,这些吸声结构的吸声系数测试结果基本上符合其应有的吸声特性。

表2 房间Ⅱ各种吸声结构安装前、后混响时间测试结果和吸声系数计算结果

在这个空间内,完善这个实验项目,学生不仅很容易理解不同吸声结构与混响时间的关系,而且还会认识到吸声结构不同安装方式对吸声性能的影响。

2.3 建筑隔墙空气声隔声测量实验

先前这个实验项目只是在房间Ⅰ和Ⅱ内简单地测试隔墙的空气隔声量。现在,这2个房间的角色进行了互换,即房间Ⅰ改为声源室,房间Ⅱ改为受声室。要求学生在进行隔声测量时,房间Ⅰ声压级达到要求后保持稳定不变,而在房间Ⅱ内变化吸声量来测量同一隔墙试件不同吸声情况下的隔声量[11]。

如表3所示,2种情况下声源室内各频率声压级基本一样,受声室内声压级因吸声量增加而降低,但同一隔墙试件的空气隔声量理论上应是一样的。

表3 同一隔墙试件不同情况下隔声量测试结果 dB

根据房间Ⅰ与Ⅱ声压级测试结果,并结合房间Ⅱ内混响时间,按照式(2)[10]计算隔墙空气隔声量R′。

(2)

(3)

从表3知,2种情况下的空气隔声量实验结果基本上一样,单一计权隔声量都为47dB。

在这个空间内,通过这个实验项目,学生不仅能了解建筑隔墙空气声隔声测试方法和原理,还将进一步认识到吸声或混响时间对隔墙声压级的影响。

2.4 吸声降噪效果测试实验

在房间Ⅱ内利用其可变混响时间的特点,开拓了吸声降噪效果测量实验,即定量测试同一噪声源在同一空间内不同吸声量或混响时间情况下的声压级及变化,并感受室内噪声环境的变化,分析吸声对噪声级的影响。

首先,要求学生测试房间Ⅱ空场时混响时间,再开启一高声压级的稳态噪声源,测试室内各点声压级,并感受室内噪声环境。

然后,要求学生在房间Ⅱ内安装大量吸声结构,再测试混响时间。开启稳定噪声源并保证声功率不变,要求学生再次测试室内各点声压级,并感受室内噪声环境。

最后,根据室内混响时间变化,利用式(4)[10]计算理论吸声降噪量,并与测试结果比较。

(4)

式中,ΔLp为理论吸声降噪量(dB),T1和T2分别为吸声结构安装前、后的混响时间(s)。

表4内的测试结果和理论计算结果基本一致,证明了吸声对降噪作用。

表4 房间Ⅱ内吸声降噪量测试结果及理论降噪量的比较

在这个空间内,开展这个实验项目,有利于学生通过感性认知、定量化测试和理论分析,理解吸声对室内降噪的作用和局限性。

2.5 室内混响时间设计实验

以房间Ⅱ为测试和设计对象,开发了一个集验证性实验、认知性实验和设计性实验为一体的综合性实验项目,即室内混响时间设计实验。在“室内音质设计”理论授课完成后,按照厅堂音质设计要求和过程,教师预先给出房间Ⅱ的混响时间及频率特性要求,要求学生对该房间进行声学设计。

首先,学生需要熟悉实验测试设备的性能和操作方法,测量出房间尺寸、不同情况下的混响时间、各种吸声结构的吸声系数,计算出吸声需求量,确定各种吸声结构的需求量,绘制出布置图。前期准备工作要求以实验方案的形式表达。

然后,学生需要按照自己的实验方案进行实施,安装各种吸声结构,并测试出实际混响时间,分析其与计算值的差别及原因,直至通过实验测试确保混响时间设计符合要求。

最后,要求学生根据实验过程、结果等,编制出实验报告或设计施工报告。

假定,要求房间Ⅱ内中频混响时间为1s,低频稍长,高频稍短。理论上,3个空间吸声体模块+9个模块实贴墙(地)面,或者4个空间吸声体模块+8个模块实贴墙(地)面等组合,均可满足要求。不同实验分组学生采用了不同的组合,这里以3个空间吸声体模块+9个模块实贴墙(地)面的例。9个模块实贴墙(地)面分别布置在A、C、D墙面,3个模块悬挂于顶棚。学生以此为依据,编写实验方案、安装吸声结构、进行测试,如表5所示,测试结果与理论值基本相符,检验了实验或设计方案的正确性。

表5 房间Ⅱ内声学设计的混响时间设计值与测试值比较

这个实验项目有利于学生熟悉厅堂音质设计过程和掌握基本的设计方法,并得以通过实验检验设计的正确性。

3 结论

建筑声学理论抽象、公式较多,可变混响时间空间为学生创设了一个理论联系实际的平台。在实验教学活动之中,学生可以真切而形象地感受到不同的声学设计可能产生的不同环境效果。由于学生在实验过程中掌握了主动权,既有针对性,又有具体内容,从而充分发挥了其积极性和创造性[12-13]。可变混响时间空间也可被认为是一项厅堂音质设计工程。当前,多功能厅堂(如剧场、音乐厅、报告厅等)因其功能多而广受欢迎,其缘由正是其可变吸声结构可适应多种用途需求的可变混响时间[14-15]。我校建筑声学实验室的改造实践和实验教学,有助于激发学生的建筑声学设计创作灵感，也能为我国其他院校的声学实验教学改革提供借鉴。

References)

[1] 庄金迅,高明涛.建筑物理声环境实验性教学改革探讨[J].教育与职业,2011(23):125-126.

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[3] 杨春宇,陈仲林,唐鸣放,等.建筑物理课程教学改革研究[J].高等建筑教育,2009,18(2):57-59.

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[5] 张海亮,燕翔,苏宏兵.河北工程大学建筑声学实验室设计[J].实验技术与管理,2008,25(7):157-160.

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[15] 顾丁.实现多功能剧场观众厅可变混响时间的建声方法与电声方法[J].音响技术,2013(3):22-25.

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

四川大学新世纪教改工程项目(六期)“实验环节对建筑本科教学的支撑研究”

荣琪(1990—),女,四川邻水,硕士研究生,从事建筑物理与节能的设计与研究工作

E-mail：m13488939781@163.com

欧阳金龙(1976—),男,湖北当阳,博士,副教授,从事建筑物理与节能的教学与研究工作.

E-mail：ow761202@scu.edu.cn

TU112

A

1002-4956(2015)6- 0200- 04