王鹏，燕翔，张洋洋，李卉

（1.清华大学，北京 100084；2.北京德尚静洁科技发展有限公司，北京 100084）

1 大禅堂概况

大禅堂为真容寺新建的建筑，位于地下一层，为现代技术建造的新空间。大禅堂的建筑面积为990m2，净高4.8m，容积为4750m3。建成后的大禅堂，既有讲经等语言类功能使用需求，又有集中展示美术作品、艺术作品等展览功能需求。大禅堂的平面图见图1。

图1 大禅堂平面图

2 声学问题

大禅堂新建的吊顶为石膏板材质，墙面为硬质石材，地面为硬质地砖，顶棚距离地面4.8m。由于禅堂内缺少吸声，声音在硬质间多次反射形成较长的混响，禅堂内的语言清晰度不佳，且存在回声现象，尤其是使用了普通扩声设备后，现场听闻的条件更差，严重妨碍了正常的语言交流使用。由于混响长，讲课时常会出现“嗡嗡”声，无法听清自己的声音，讲课较容易疲惫，现场的学员也不能完全听清讲授内容。因此大禅堂从语言使用上已无法满足讲课等语言类使用功能需求。

大禅堂同时也作为艺术作品、美术作品展示的空间，当人群进入大禅堂空间时，走动及相互间的交流会形成人为噪声，在看展览时，交流声此起彼伏。大禅堂嘈杂的声环境无法满足展览的使用功能需求。

3 结合混响半径原理的声学分析

混响半径反映了空间中直达声和混响声的比例关系，室内直达声的声能密度随离声源距离的增加而逐渐减小，称为混响半径，其计算公式为（R为房间常数，Q为指向性因数）[1]。

3.1 大禅堂原状态混响半径

大禅堂的建筑空间长度约为35m，宽度约为22m。室内吊顶面积990m2，平均吸声系数取0.08，吸声量约为79.2m2；墙面面积682m2，平均吸声系数取0.08，吸声量约为54.6m2；地面面积990m2，平均吸声系数为0.08，吸声量约为79.2m2。由此计算在点声源Q=1情况下（相当于讲话者），未改造前的混响半径为4.6m。如图2所示，混响半径较小，直达声为主的房间区域较小。

图2 大禅堂原状态混响半径覆盖图

3.2 提升清晰度的设计

一般室内声学设计常以混响时间作为控制指标，越低的混响时间设计，可以得到越高的语言清晰度。但在本项目中，从最少使用吸声材料以及改造安装施工便捷节省成本等角度出发，希望将设计目标锁定为“保证可接受的语言清晰度最低线，实现改造成本最优化”。由此，采用混响半径指标比混响时间更具有分析清晰度极限性的优势。通过对室内尺寸的考量，以及与扩声系统的结合，混响半径扩展到9～10m时，最低限的清晰度可以满足，这是因为此时大禅堂80%以上面积可覆盖在以混响半径为圆的区域内，即大部分区域直达声可超过混响声。由此反推室内需要450～500m2吸声量。结合现有的建筑条件，地面已为硬质石材，墙面高度有限其面积仅为682m2，且有佛像和装饰，无法在装饰面上铺设吸声材料，而大禅堂空间的顶部有990m2，吊顶的材质为普通石膏板，且为平顶造型，可考虑在原有材质的基础上覆设吸声材料（见图3）。

图3 顶部增加吸声面积的范围图

3.3 顶棚吸声处理后的混响半径

如果在大禅堂现有的吊顶上覆盖一层吸声材料，吸声系数设定0.5左右，且满足轻质环保防火的建筑要求，那么990m2的顶棚可提供495m2的吸声量。以此计算混响半径可达到9m以上。

这样直达声可覆盖大禅堂内的大部分面积区域，混响声影响减弱，就可以保证最低听音清晰度（见图4）。

图4 大禅堂增加吸声量后混响半径覆盖图

3.4 扩声系统配合

以上建筑声学讨论的混响半径均是以点声源为考虑的。大禅堂内配有扩声系统，通过提高扩声系统指向性因素Q值，还可进一步扩大电声条件下的混响半径。如果采用Q值等于10的扬声器系统，那么在建筑声学点声源混响半径处，理论上使用电声时的扬声器的直达声将比混响声提高10dB，由此通过提高直达声的占比，进一步提高清晰度。

4 原状态的实测和声学模拟分析

4.1 原状态的现场实测

在大禅堂室内进行现场空场实测，中频500Hz混响时间长达4.2s，讲话时能感受到明显的“嗡嗡”声，语言清晰度差，无法听清讲话的具体内容。大禅堂原状态的混响时间频率特性如图5。

图5 大禅堂原状态的混响时间频率特性图

4.2 声学仿真模拟分析

为验证设计思路和声学效果，对大禅堂进行了声场仿真模拟。先使用现场实测数据对现状建模精度进行了核对，之后再对仿真模型吊顶增加吸声量后状态进行模拟。该仿真实验采用了大型的声场模拟分析软件Raynoise，结合建筑图纸对大禅堂进行了1 :1建模（见图6），并将相关界面声学参数输入计算机模型。通过大型阵列服务器进行运算，从而完成科学客观的模拟分析对比。

图6 大禅堂声学三维模型

计算机模拟显示，大禅堂原状混响时间为4.0～4.3s，与实测吻合。当大禅堂的顶部增加吸声处理后，大禅堂混响时间降至1.5～1.6s，使语言清晰度提高，可满足讲授经文语言使用和艺术作品展示使用的需求。图7、图8分别是原状态和增加吸声量后的混响时间分布图。

图7 原状态混响时间分布图

图8 增加吸声量后的混响时间分布图

5 声学工程方案的特色

为了最大程度地保证原有装修效果不发生改变，在原有装饰方案和荷载允许的范围内，对大禅堂的天花吊顶实施了声学改造。

5.1 材料声学特性

大禅堂声学工程方案中使用了新型的膨化砂岩吸声材料（见图9），其是一种无缝美观、安全环保、高性价比的建筑吸声产品。膨化砂岩吸声板可设计成大型平面无缝装饰面，也可做成波折状、圆形、弧形、跌级、藻井式、阴阳角、双曲面等多种形状的装饰效果。

图9 膨化砂岩吸声板样品图片

5.2 节约性

膨化砂岩吸声板的平均吸声系数可达0.50，厚度18mm，面密度仅为4～5kg/m2，其做法为直接黏贴到吊顶石膏板的底面，辅之以平贴钉装固定，表面再覆盖满铺防皲裂网格布2mm无缝面层。采用环保膨化砂岩吸声板的优势为原吊顶龙骨可以不更换，不用拆除原有的石膏板吊顶，体现施工便捷和节约性。顶部吸声处理外观效果见图10，环保膨化砂岩吸声板声学安装节点见图11。

图10 顶部吸声处理外观效果

图11 环保膨化砂岩吸声板声学安装节点图

5.3 快装化

环保膨化砂岩吸声板可快速安装，在原吊顶底面直接平贴固定，并刮抹砂岩透声涂料，可实现大面积平整无缝隙，恢复和原石膏板吊顶一致的简洁干净的装饰效果。整个实施过程不损坏原有的装饰并与原造型吻合。图12为工人局部切割膨化砂岩吸声板排成原装饰造型。在快速安装中，遇到风口和设备接口及各种音箱口时，膨化砂岩吸声板均可通过切削处理，留出与风口和设备口相吻合的留口（见图13），再通过表面抹砂处理，形成平整无缝的美观造型。

5.4 环保性

环保膨化砂岩吸声板的原材料为天然含水玻璃质的火山熔岩二氧化硅砂粒，经高温膨化处理后，成为类似爆米状的蓬松微粒，再通过硅基聚合物化学作用，将微粒聚合成的膨化砂岩。膨化砂岩主要成分为二氧化硅，是性能稳定、环保无毒的天然无机材料。因此，膨化砂岩吸声板具有不燃、环保、无味等特性，并具有天然石材之感，非常适合建筑室内吸声使用。

图12 工人局部切割膨化砂岩吸声板排成原装饰造型

图13 工人局部切割膨化砂岩吸声板与风口吻合

5.5 装饰性

大禅堂声学工程最终达到的装饰效果与原石膏板顶棚的效果一致，白色的磨砂质感，完成面平整无缝隙，保持了原有吊顶干净整洁的装饰效果（见图14）。

图14 完工现场照片

6 验收实测

大禅堂于2018年8月进行了完工声学测试，测试结果见下表；大禅堂原状态及声学工程后的混响时间统计见图15。

7 结语

真容寺大禅堂经过声学改造工程后，具有较好的语言清晰度和合适的混响时间，可满足语言和展览等多功能使用的要求，达到了预期的声学效果。改造后，真容寺的师傅切身感受到音效清晰，场内学员及听众都可以清晰听闻每一字词，配合高指向扬声器，在最远位置的学员也可清晰听音，真容寺人员对声学工程的改造及声学效果表示满意。

改造前后混响时间测试数据及主观感受表

图15 大禅堂原状态和声学改造工程后的混响时间统计