時間：2022-07-26 13:20:52
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇聲學(xué)設(shè)計，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關(guān)鍵詞：音質(zhì)設(shè)計；藝術(shù)性表現(xiàn)；主觀評價
Abstract: the ultimate goal of timbre design is subjective assessment of the audience. And subjective evaluation of the uncertainty of the decision to the sound design is not only the product of reason, also is the combination of the perceptual and the rational. Both the superiority of timbre design is to meet the functional requirements of acoustics, under the precondition of the visual effect can get on the biggest audience identity.
Keywords: timbre design; Artistic performance; Subjective evaluation
中圖分類號： TU112.2+8 文獻標識碼：A文章編號：
1建聲設(shè)計藝術(shù)性表現(xiàn)中材料的媒介性
綜合性體育館是以視、聽為主要使用功能的大型公共建筑。體育館比賽大廳空間形式設(shè)計應(yīng)與音質(zhì)設(shè)計相配合，音質(zhì)設(shè)計對觀眾廳空間的影響除在空間大小、平面形式等宏觀的選擇上，還影響和決定了大廳空間界面的形態(tài)。
建筑聲學(xué)設(shè)計中聲學(xué)材料（或結(jié)構(gòu)）應(yīng)用與表現(xiàn)是音質(zhì)設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是空間界面的物質(zhì)存在。聲學(xué)材料與結(jié)構(gòu)除了具有聲學(xué)性能外，通過本身具有的肌理、質(zhì)地和色彩等視覺屬性，也是實現(xiàn)大廳空間細部特征的有效工具。材料對設(shè)計意圖的表達，來自于設(shè)計師對材料特性準確把握的基礎(chǔ)上，賦予材料以理念，促進建筑視覺形象的表達。聲學(xué)材料（或結(jié)構(gòu)）通過不同的組合與加工方式，能夠形成不同的審美體驗。例如木材沉靜、親切的自然信息對空間溫暖感的表達，體現(xiàn)了建筑與環(huán)境融合的心理需求；金屬材料的多樣化形態(tài)體現(xiàn)了當(dāng)代建筑表皮注重人心理感受與高技術(shù)相平衡的思想等。
2聲效空間中聲學(xué)材料的表現(xiàn)方式
聲效空間指的是用于觀演活動的室內(nèi)封閉空間，是具備建筑基本范疇（實用、堅固、美觀）并兼有室內(nèi)聲場屬性的空間。聲效空間的空間界面形態(tài)傳達出了音質(zhì)設(shè)計的目的，這種目的決定了聲效空間與其它空間的差異性，既有某種秩序的存在。聲效空間的秩序來自于對空間形式的需求和良好音質(zhì)的功能制約，是一種實用空間的物質(zhì)性表達。
材料作為空間界面表現(xiàn)的載體，影響著空間的劃分強度和品質(zhì)的塑造。在空間界面的設(shè)計中，聲學(xué)材料與構(gòu)造是可以直接作用于受眾的物質(zhì)手段，具有其自身的媒介表現(xiàn)性。聲學(xué)材料與構(gòu)造的組合方式或表達方式?jīng)Q定了界面信息的傳達方式，直接影響信息的傳遞效果。聲效空間是由聲效界面通過對功能、形式和材料的選擇與回應(yīng)來完成自身屬性的。因此，從聲學(xué)設(shè)計的角度理解，聲效空間的藝術(shù)性表達關(guān)注于構(gòu)成空間體量的聲學(xué)材料與構(gòu)造的表現(xiàn)方式，以及這種表現(xiàn)方式帶給空間中人們的建筑體驗；從建構(gòu)的角度理解，空間的形式與音質(zhì)要求相契合，是聲效空間的藝術(shù)性由內(nèi)而外的體現(xiàn)，是形式與功能的統(tǒng)一，也是聲學(xué)發(fā)展的必需。
3聲學(xué)材料的運用與藝術(shù)表現(xiàn)
當(dāng)今的大型公共建筑設(shè)計體現(xiàn)出更多理性的設(shè)計觀念，重視和關(guān)注于建筑的細部和表皮，這些正是通過對材料表現(xiàn)的運用所表達的。
通過感受聲學(xué)材料的構(gòu)造方式和材料在細部中的體現(xiàn)，可以進一步理解界面在控制聲音的過程中所擔(dān)負的作用。聲學(xué)設(shè)計中，聲學(xué)材料同時展現(xiàn)自己的肌理、色彩、質(zhì)地以及光環(huán)境等，空間形式的美感與這些相關(guān)元素的組合是否適當(dāng)直接相關(guān)。聲學(xué)材料的運用是多種材料和構(gòu)造的綜合運用，而不是通過單一材料的選擇來進行的。根據(jù)材料的不同性質(zhì)，采用可折疊或可彎曲的建筑表皮形態(tài)對原有界面進行替換，使界面根據(jù)使用的不同需求進行形狀的變化。
對于建筑內(nèi)部使用空間來講，進入建筑中的每個人都扮演著傳播受眾的角色，他們在直覺感知、行為體驗的過程中，與建筑表皮所承載的信息發(fā)生相互作用，并作出反饋。在聲學(xué)材料（或結(jié)構(gòu)）的運用中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到材料表現(xiàn)與受眾認知途徑的搭接、以及受眾解讀的附著因素。聲學(xué)設(shè)計作為體育館設(shè)計的組成內(nèi)容，聲學(xué)材料（或結(jié)構(gòu)）的選擇與應(yīng)用對設(shè)計意圖的表達與受眾心里的契合至關(guān)重要。
4分立與趨同――建聲技術(shù)與藝術(shù)表現(xiàn)的完美結(jié)合
在體育建筑快速發(fā)展的今天，特別是室內(nèi)綜合性體育館，其建筑外部形象與內(nèi)部空間都面臨著更高、更綜合的要求。室內(nèi)環(huán)境的重要因素，聽覺和音質(zhì)感受與非聲學(xué)參量（包括視覺、熱舒適度）的相互影響逐漸成為建筑聲學(xué)研究的前沿課題[1]。
基于近年來國內(nèi)建筑（室內(nèi)）設(shè)計與建筑聲學(xué)設(shè)計的脫節(jié)，引發(fā)了本文對兩者研究范疇的思考。從設(shè)計實踐中不難看出，建筑師與聲學(xué)工程師相互之間問題上的爭執(zhí)與矛盾，多是由于所持的技術(shù)價值觀不同而造成的。事實上，設(shè)計的脫節(jié)不僅影響了功能的正常使用或缺乏美感的形式，同時也造成了設(shè)計上的遺憾和不必要的浪費。綜合性體育館聲效空間的室內(nèi)設(shè)計一定程度上依賴于感性的構(gòu)思，然而實現(xiàn)的過程卻依賴理性的技術(shù)，這是一種分立，主要體現(xiàn)在藝術(shù)表現(xiàn)與聲學(xué)功能需求的關(guān)系之中。聲學(xué)技術(shù)與美學(xué)的結(jié)合是具有觀演功能建筑空間所特有的課題。建立在理性的技術(shù)基礎(chǔ)之上并注入了感性的建筑思維的聲學(xué)設(shè)計，在室內(nèi)設(shè)計中有著不可忽視的作用，體現(xiàn)出現(xiàn)代空間造型設(shè)計對音質(zhì)設(shè)計的認同。
結(jié)論
技術(shù)與藝術(shù)是一對矛盾的統(tǒng)一體[2]。在綜合性體育館建筑空間中，聲學(xué)材料（或結(jié)構(gòu)）以界面的形式及其自身質(zhì)感、色彩等視覺屬性來影響空間的性質(zhì)。在聲學(xué)材料（或結(jié)構(gòu)）的應(yīng)用方面，各種新型聲學(xué)材料與復(fù)合材料的使用是體育館比賽大廳音質(zhì)改善和空間美感營造的基石。
音質(zhì)設(shè)計在于使聲學(xué)材料的聲學(xué)理性在視覺上得以充分的表達，將自身的材料質(zhì)感展示出來，體現(xiàn)表里一致的真實效果。良好的大廳聲環(huán)境是建筑形式、音質(zhì)設(shè)計的結(jié)合，也是材料特性與結(jié)構(gòu)的形態(tài)表達。在追求聲學(xué)邏輯合理性的同時也實現(xiàn)材料的美學(xué)價值。建筑聲學(xué)材料與結(jié)構(gòu)具有聲學(xué)功能與視覺需求的雙重屬性，音質(zhì)設(shè)計的藝術(shù)性表現(xiàn)能通過視覺傳達信息，但其藝術(shù)性表現(xiàn)的意義不僅在于視覺形式本身，更重要的還包括了其所傳達的情感。這是音質(zhì)設(shè)計在達成聲學(xué)功能之后，體現(xiàn)在形式之上的意義。
參考文獻
普遍來說，房間的聲源常常經(jīng)過六個途徑傳到我們的耳中：音箱發(fā)出的直達聲；地板的反射聲；天花板的反射聲；音箱后墻的反射聲；側(cè)墻的反射聲以及聆聽者背后墻壁的反射聲。改變聲波的任一反射條件，聲音都會隨之發(fā)生變化。所以，聽音環(huán)境在很大程度上決定了重放聲的音質(zhì)好壞，假使你設(shè)備最好，環(huán)境不當(dāng)也難有好效果，只是這點常常被大家忽略。因為常常房間聲學(xué)的造價也是不便宜的。房間的聲學(xué)特性，很大程度上與室內(nèi)裝潢及房間布置有關(guān)。
一、長方形
理想的聽音房間最好的是長方形，按黃金分割比例，長、寬、高不成整數(shù)倍的關(guān)系，因為這樣的房間能更好的產(chǎn)生聲音效果，不易出現(xiàn)駐波折疊，從而提高聽感。
二、隔聲與吸音
其次是隔聲，房間內(nèi)外不致干擾并使聲音擴散。適當(dāng)?shù)奈暱擅獬暡ㄍ鶑?fù)反射激發(fā)出某些固有頻率的聲音干擾，造成聲染色。原則上室內(nèi)聲波的處理擴散應(yīng)多于吸收，目的是使共振強度降低。但也要注意，不能過度使用吸音材料，過度的吸音會使得房間的混響時間太短，聲音變得干澀不圓潤。重點在于側(cè)墻和天花板。在側(cè)墻均勻地設(shè)置一些吸聲和擴散物，要厚重扎實，例如厚重的羊毛毯就是極好的全頻吸聲物體，薄的地毯、掛簾、壁毯只對中、高頻有吸收作用，過多使用會導(dǎo)致聲音缺乏色彩和明亮度。同時，一些家具（書柜、桌椅、沙發(fā)）都是很好的聲音擴散物，能對聲音的傳播起調(diào)整作用，調(diào)整低頻有很好效果。最理想的方法是在側(cè)墻上貼以適當(dāng)?shù)臄U散板，但這種方法費用較昂貴且影響美觀。
為使聲音的擴散度更廣，不致來回往復(fù)聚為一起成為有害駐波，就要改變該頻率聲音的行進路線，我們可以請專業(yè)設(shè)計師商量，但最實際的方法是移動音箱或聆聽位置。架空的木地板對低頻也有吸收作用，當(dāng)房間較小時，可以防止低頻量感的過度。如果房間聲音的低頻發(fā)出轟鳴聲，可在地板的近反射聲的反射點附近，鋪設(shè)厚重的羊毛地毯。當(dāng)聲音刺耳、低頻量感不夠時，就應(yīng)在兩側(cè)墻的近反射聲的反射點設(shè)置吸聲物覆蓋處理。如果出現(xiàn)聲音太干，應(yīng)優(yōu)先取掉地毯，在房間角落放置玻璃纖維作成的吸聲塊或布坐墊，可作混響時間的最后調(diào)整。
三、房間完好封閉性
房間的隔聲還跟房間的封閉性有關(guān)。聽音房間的理想隔聲對一般家庭而言其實是很難辦到的，因為門、窗、墻、地板和天花板，任何一個與外面相通的小細處都會將室外的聲音傳進來，并將室內(nèi)的聲音傳出去，特別是將低頻傳得更遠，而影響到聲音的最佳效果。門窗是隔聲的薄弱環(huán)節(jié)，良好的隔音可將窗作成雙層，在已有的窗上再加一層，當(dāng)然這時的窗要有好的密封性，這是花費最少且效果不錯的方法。對于門，可以采取帶空腔的中空雙層門，面板使用膠合板制作，中間鋪敷吸聲棉。如果覺得這樣繁瑣，便要聽從專業(yè)影音設(shè)計師的見解，從實際環(huán)境出發(fā)，探究最合適的隔音辦法。其他包括插座，門把手這樣的細微之處，也應(yīng)盡可能的做處理，讓聲音無法外漏。如果是在客廳，由于通道關(guān)系而影響室內(nèi)聲場的平衡，可在不對稱的墻面與角落加上吸聲材料，盡量讓兩側(cè)的反射聲均衡。
接下來，我們說說聽音室器材的位置擺放。
現(xiàn)在聽音室大致可以分為以下三種：1.專業(yè)聽音室（如視聽室）；2.與起居兼用的家庭聽音室；3.以影像為主的AV視聽室。三者的聲道系統(tǒng)不一樣，因而器材擺放上也是各有講究，但三者之間也存在著相通之處。我們最常接觸的莫過于2.0、2.1、4.1、5.1和7.1的多聲道系統(tǒng)（任何x.1音箱中的，1指代的是獨立的超重低音音箱，俗稱低音炮）。
2.0聲道
對于2.0系統(tǒng)來說，有一個
“三角形法”原則。只需將兩只音箱放在聽音者的正前方（兩音箱之間距離為1.5-2m左右），聆聽者處于與兩只音箱組成的三角形頂點。音箱與人耳的角度在45到60度以內(nèi)。這個角度是有講究的，它很好的把握了聆聽者與音箱的距離，如果音箱離聽者太近，音域定位便不夠精準，且高低音單元存在相位差，聲音便不能同步。如果距離太遠，聲場則會變窄，失去空間感和臨場感。
其次，音箱要與后墻、側(cè)墻相隔一定的距離（20-50厘米以上）。因為一般的2.0音箱的倒相孔都是后置的，如果音箱緊靠后墻，倒相孔中的聲波便不能完全放出，聲場的效果就會大打折扣，有些音箱更是必須借助墻壁的反射、疊加、混音才會有較好的低音效果。音箱不要離側(cè)墻太近，以防側(cè)墻體的反射作用改變了聲波的傳播方向與強度而影響音質(zhì)。再次，音箱與人耳最好處于同一平面，如果音箱高度不夠，我們可以使用音箱支架以獲得好的聆聽效果，得到所謂的“皇帝位”。
“三角形法”又俗稱為半自由近音場聽法。它的好處是可以減少四面墻反射音對音箱直接音的過度干擾，可得到很好的定位感以及寬深的音場，是能夠聽到最多、最直接、最清楚細節(jié)的一種擺法。除角度不變外，這個三角形根據(jù)房間大小、后級功率不同可大可小，自由調(diào)節(jié)。
2.1聲道
2.1相比于2.0，多了一個低音炮。音箱的擺放跟2.0大同小異。超重低音喇叭效果入耳聽到是有限的，反而是人的其它感官會感受到。超重低音只是在特定的節(jié)目源存在并需要還原。比如，在電影院或現(xiàn)實中，我們能夠感受到飛機起飛時那種力量與能量的震撼，但是如果我們的家庭影院沒有配置超重低音喇叭音箱或者配置不合理，就無法感受到這種震撼。擺放低音炮，注意到以下幾點就好。
通常把超低音音箱放在前方墻角附近，最好離墻角1m以上；避免擺放在和墻壁等距離的地方，例如，房間寬為4米，則不要擺放在離兩邊墻為2米的地方；其三，與墻壁之間應(yīng)為不等距關(guān)系，不要把音箱擺放在靠近墻角處及側(cè)墻和后墻等距離的地方（如離側(cè)墻或后墻距離分別為1/3、1/5的距離）。這是因為這樣的擺法能增強低頻的交錯疊織，低音更渾厚圓潤。
4.1聲道
4.1跟2.1比較，是在原基礎(chǔ)上增加了兩個后置環(huán)繞音箱，用來強化聲音的定位和環(huán)繞效果。兩個前置音箱和低音炮的位置擺放就無需再多說了，遵循著“三角形”法則，形成等腰或等邊三角形。而對于這兩個新增的環(huán)繞音箱，我們一般將其擺放在“皇帝位”的左右兩側(cè)，音箱面對面的架設(shè)，直接面對聽音區(qū)域。環(huán)繞音響位置太前，我們無法獲得足夠的向后效果，位置太后，包圍感和環(huán)繞感就會減弱。就高度來說，大約比聆聽者的坐姿高70-90厘米左右。除此之外，還有一種參照杜比實驗室規(guī)定的擺放法，將后置環(huán)繞懸掛于后墻之上，距離聽音者1.5米為宜。安裝時，兩個環(huán)繞要以聽音者為中軸線對稱。倘若房間設(shè)計不允許，你也可以把它們吊掛在后方墻上。
5.1聲道
5.1聲道在4.1的基礎(chǔ)上多了一個中置的衛(wèi)星箱，也就是我們所稱的中央聲道。它的主要作用是用來播放電影中的人聲和對白。也就是說5.1聲道由前置的左、中、右三個音箱和兩個環(huán)繞以及低音炮組成。
前置左右音箱和低音炮與前面講的相同，兩個前置放在屏幕左右兩側(cè)，與用戶形成45到60度的夾角。如果在小房間使用大、中型屏幕，則左右音箱可緊靠在屏幕兩側(cè)。如果屏幕較小，可使它們距離屏幕稍遠以獲得較寬闊的立體聲場。中置音箱，正對用戶，距離用戶2-4m。左、中、右三個聲道的輻射角度朝向用戶，以此減少來自天花板、墻壁和屋頂?shù)姆瓷?，保證聲像定位的清晰度。
目前來說，環(huán)繞音箱有兩種類型，一種是普通的單極型小音箱，它們通常被放在音箱架上或高掛于墻上。另一種環(huán)繞音箱則是偶極型音箱，每只音箱內(nèi)均有兩只背靠背安裝的揚聲器，均接成反相方式。偶極型音箱只能對前后方發(fā)出高頻聲音而無法發(fā)出低頻聲音（即使給它輸入低頻信號也因抵消而發(fā)不出低音）。它只同時向前和向后發(fā)聲而不會向聆聽者的側(cè)面發(fā)聲，并且使聲音到達聆聽者前先充滿聽音室。
擺放時，左環(huán)繞與右環(huán)繞這兩聲道的音箱，其聲音的擴散性應(yīng)重于方向性，這樣有利營造濃郁的環(huán)繞氣氛。偶極型音箱擺放時，要著重考慮兩個因素：諧振（強迫振蕩頻率非常接近自由振蕩頻率系統(tǒng)中出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象）和自我衰削。抗諧振的最佳位是離頂棚（或地面）20%的室內(nèi)空間高度處（如室內(nèi)高度為2.5m，則最佳位置為上、下50cm處）。通常，家庭使用偶極型音箱的是絕少數(shù)。
直接輻射式環(huán)繞音箱，則跟前面提到的相差無異。布置方案很多，例如：固定在兩側(cè)墻壁上；或固定在后方墻壁上，使它們向外和向上張開呈倒八字形并朝向邊墻與天花板結(jié)合處。與用戶成100到120度的夾角，后置環(huán)繞應(yīng)盡量與前置音箱保持在一個平面上。這點要值得注意，環(huán)繞箱太高會感覺人聲從空中傳來，而太低對白又會被矮化?？傊犉饋砺曇魪那胺匠鰜?，聽來順耳自然。
尋找低音炮的最佳位置，我們可以接好它的喇叭線并反復(fù)播放一段具有強低音效果的音樂，再繞房間四周仔細去聽。聽時，要將耳朵貼于地面，大致處于超低音音箱高度的位置。然后，找出低音最平穩(wěn)、最深沉、最清晰的點，即為超低音音箱的最佳擺放位置。
7.1聲道
關(guān)鍵詞：室內(nèi)聲學(xué)、計算機模擬、RAYNOISE
中圖分類號： U467.1+2 文獻標識碼： A 文章編號：
引言
隨著計算機技術(shù)的日益發(fā)展，軟件模擬成為室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計的主要分析手段之一。相對于傳統(tǒng)的計算方法和聲學(xué)模型，軟件模擬計算速度快、精度高、易于修改、成本小，具有不可比擬的優(yōu)勢。目前國際上比較著名的聲學(xué)軟件有比利時LMS公司開發(fā)的RAYNOISE，德國ADA公司的EASE以及丹麥技術(shù)大學(xué)的ORDENS等。本文以RAYNOISE軟件為例，討論了軟件模擬在室內(nèi)聲學(xué)分析中的具體應(yīng)用。
RAYNOISE軟件簡介
RAYNOISE軟件是針對聲學(xué)開發(fā)的一種大型聲場模擬軟件系統(tǒng)，主要功能是對封閉空間、半封閉空間或開敞空間的各種聲學(xué)現(xiàn)象進行模擬。RAYNOISE軟件模擬主要以幾何聲學(xué)為理論基礎(chǔ)，模型采用圓錐束法（CBM）和三棱錐束法（TBM）作為聲場脈沖響應(yīng)的計算方法，這兩種方法綜合了傳統(tǒng)的虛聲源法（MISM）和聲線跟蹤法（RTM）的優(yōu)勢，能夠較準確地模擬聲傳播的物理過程，包括鏡面反射、擴散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等現(xiàn)象，尤其在中高頻范圍，并且能夠模擬接收點的聽音效果，可以廣泛用于噪聲預(yù)測和控制、環(huán)境聲學(xué)、室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計等多種領(lǐng)域。
室內(nèi)聲學(xué)模擬過程
RAYNOISE軟件模擬的主要過程包括建模、計算和后處理三部分。建模時需要輸入以下模型信息：1）三維空間模型；2）傳播介質(zhì)的特性；3）各圍合面的聲學(xué)特性（如吸聲系數(shù)、散射系數(shù)等）；4）聲源特性及位置；5）接收點的位置；6）座位接收面的位置。
在計算過程中，影響計算結(jié)果的主要參數(shù)包括聲線數(shù)量、反射方法、反射階次、截止時間、動態(tài)范圍等。其中，聲線數(shù)和反射階次是兩個重要的影響因素，通常需要通過試算確定取值，當(dāng)計算結(jié)果趨于穩(wěn)定時，表示為最佳取值。計算結(jié)果經(jīng)過后處理可以生成圖形或動畫。
室內(nèi)聲學(xué)模擬分析實例
本文用RAYNOISE軟件對某多功能廳進行了室內(nèi)聲學(xué)模擬分析。如圖4.1和4.2所示，多功能廳位于某三層建筑的第二、三層，主要用于會議和小型演出，廳內(nèi)容積約1.5萬m³，可容納800人，平面呈矩形，長度約33m，寬度約25m。舞臺位于矩形的西側(cè)短邊，南側(cè)為玻璃幕墻，北側(cè)及東側(cè)為柱子，直接與二、三層走廊相通。多功能廳內(nèi)無吊頂，屋頂沿短邊方向傾斜，南側(cè)高約15m，北側(cè)高約13m，采用高度800mm的井字梁。
圖4.1 多功能廳平面圖
由于項目中的多功能廳原本是一個用于集會和展示的大堂，后期改為具有會議和演出功能的多功能廳。因此，多功能廳的‘先天’條件很差：總體積較大，與走廊連通，內(nèi)表面形狀復(fù)雜，而且可利用的吸聲面積較小，這些問題都可能對廳內(nèi)的音質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
為了控制多功能廳的音質(zhì)效果，多功能廳的兩側(cè)墻和后墻的梁、柱、三層欄桿全部采用木絲板吸聲構(gòu)造，并適當(dāng)加寬梁、柱的寬度；屋頂井字梁的梁格內(nèi)填木絲板；舞臺墻面采用穿孔金屬板（內(nèi)填玻璃棉）；化妝間、側(cè)臺、走廊設(shè)礦棉吸聲吊頂。
本次模擬為獨唱者使用時的情況，聲源為點聲源，位于舞臺中心，距地面1.5m高，接收面位于觀眾席區(qū)，距地面1.2m。圖4.3~4.5為500Hz時多功能廳的聲場分布SPL、混響時間RT60、清晰度D50的分布圖。
圖4.3 聲壓級SPL分布圖（500Hz）
圖4.4 混響時間RT60分布圖（500Hz）
圖4.5 清晰度D50分布圖（500Hz）
從模擬結(jié)果可知，多功能廳中頻滿場混響時間為1.4s；聲場不均勻度約為7dB；清晰度D50＞40%；各項聲學(xué)指標數(shù)值比較合理，聲學(xué)性能良好，因此按照現(xiàn)有的聲學(xué)設(shè)計可以滿足多功能廳的使用要求。
結(jié)論
與傳統(tǒng)的方法相比，計算機模擬技術(shù)不僅效率高，而且結(jié)果更加詳細，為聲學(xué)設(shè)計的定量化提供了有效的手段。通過RAYNOSIE軟件模擬分析，直觀的獲得了室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計所需的多種指標，從而在早期設(shè)計方案階段就開始為設(shè)計者提供指導(dǎo)，對合理分析、優(yōu)化室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計方案起到巨大的作用。
參考文獻：
[1] 建筑物理(第三版). 柳孝圖，中國建筑工程出版社，2010
[2] 建筑聲學(xué)設(shè)計手冊. 項端祈，中國建筑工程出版社，1987
[3] 聲音·人·建筑[M].L.H.肖丁尼斯基（林達悃 李崇理 譯），中國建筑工程出版社，1985
(一)頂棚頂棚的設(shè)計要注意吸聲效果的實施，在裝修時注意隔聲、吸聲材料的運用，另外還要注意室內(nèi)燈光架、燈光固定件的防震處理。使演播室的頂棚技能和好的吸收室內(nèi)的雜音，又能隔絕室外的雜音，保證演播質(zhì)量。
(二)墻體墻面設(shè)計演播室的墻體墻面設(shè)計是聲學(xué)裝修的一個重要組成部分，再設(shè)計裝修時墻體要使用具有良好吸音作用的材料，比如加氣混凝土或者在雙墻中間填堵吸聲棉，提高吸音效果；墻體的厚度與結(jié)構(gòu)要根據(jù)具體的用房環(huán)境來決定；另外墻體的材料要選擇使用清潔、衛(wèi)生、環(huán)保、美觀而且即防火又耐用的材料。
(三)門窗設(shè)計要點演播室的門窗也應(yīng)該具有一定的隔音作用，門的隔聲量主要取決于它的質(zhì)量、剛性以及氣密性，所以門的材質(zhì)一般選用質(zhì)量較大的材料，因為質(zhì)量大的材料隔音量也比較大。大師這種門比較笨重，現(xiàn)在播音室門的設(shè)計一般采用輕質(zhì)材料制作，在三層13mm厚的木板中夾兩層11mm厚的玻璃棉，兩面再各加一層五合板和一層櫸木飾面板，門框及門的邊緣敷上毛氈對門縫進行密封，也能起到很好的隔音效果。播音室的窗可以設(shè)計也可以不設(shè)計，如果設(shè)計，主要考慮玻璃的材質(zhì)，一般會選用較厚的玻璃，能提高隔音效果。
(四)地面的設(shè)計播音室室內(nèi)地面的設(shè)計除了要有一定的吸聲作用外，還要考慮美觀、清潔等方面的因素。一般采用干式浮筑地面、木地板或者鋪吸聲地毯等，有利于降低室內(nèi)的頻混響時間。
(五)其它設(shè)施設(shè)備設(shè)計演播室重點設(shè)備是空調(diào)，因為如果空調(diào)排風(fēng)扇的安裝不當(dāng)，演播室內(nèi)其他所有的部分的隔聲、吸聲作用做的再好也是無濟于事的。所以要注重演播室內(nèi)空調(diào)的裝修設(shè)計，一般選擇中央空調(diào)時，需注意送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，風(fēng)口需要做消聲處理，但是龐大的風(fēng)管系統(tǒng)，會給溫度調(diào)節(jié)和控制帶來很大的困難，而且整個系統(tǒng)不停地運轉(zhuǎn)，會造成很大的浪費，運行成本很高。為了減少這些問題，可以采用令熱泵送風(fēng)系統(tǒng)的中央空調(diào)，這種運行方式可以調(diào)節(jié)空調(diào)運行時間，使用比較靈活。如果要最大限度的減弱空調(diào)的噪音，就要選購質(zhì)量比較好的低噪音空調(diào)，將空調(diào)的內(nèi)機安裝與室外，然后再用短風(fēng)管接入室內(nèi)，最后對進、回風(fēng)口做消聲處理。
二、其他設(shè)計技巧
(一)聲場均勻度控制從室內(nèi)聲學(xué)來看，如果反射聲波擴散良好，為了取得良好的聲場擴散，在設(shè)計室內(nèi)吸聲墻體時，需要把中高頻的犧牲結(jié)構(gòu)與中低頻的犧牲結(jié)構(gòu)區(qū)分交錯布置，同時再設(shè)計一系列的形狀不規(guī)則的鋁制板擴散板，提高整個室內(nèi)的聲場均勻度。
(二)聲學(xué)缺陷的預(yù)防演播室房間的設(shè)計要注意避免“聲染色”問題的出現(xiàn)，如果出現(xiàn)“聲染色”現(xiàn)象，室內(nèi)一些地方的的頻率可能會加強會減弱，導(dǎo)致聲音失真，這是聲學(xué)設(shè)計的一大缺陷，必須采用一些措施避免這些缺陷。一種方式是可以再播音室的各個角落做45度的切角，切腳墻面墻面要經(jīng)過強吸音處理，以便消除聲染色現(xiàn)象；另一種方式是在原來播音室吸音墻的基礎(chǔ)之上大部分強做成強吸聲墻，特別是墻角與天花板的夾角處，可以采用多層強吸音材質(zhì)，提高吸音效果。一般情況下，播音室會選擇第二種方法消除聲染色，因為第一種方式在室內(nèi)做聲學(xué)切角占用室內(nèi)空間，會影響本來就不大的室內(nèi)空間。而第二種方法不僅節(jié)省空間，而且不會使聲音出現(xiàn)任何失音的情況。
(三)切斷固體傳聲的措施從物理學(xué)上來說，聲音在股體內(nèi)傳播的衰減程度不強，而要想切斷演播室墻體、門窗、空調(diào)等的固體傳聲，要在施工環(huán)節(jié)就加強控制，做好施工縫內(nèi)落灰、落磚管理，積極改進各個節(jié)點的構(gòu)造。如果施工縫間有雜物存在，容易形成剛性連接，減弱消音效果。施工過程中可以在非播音室的墻根處預(yù)留清掃口，這樣可以做到一邊施工一邊清掃，施工完畢后再堵住清掃口，這樣就避免了縫隙雜物。另外安裝空調(diào)時需要挖掘管道，，這些管道穿進大小播音室時，需要做柔性連接，風(fēng)管與墻體的連接處用瀝青、干硬性砂漿塞實，以此來達到消音的效果。
(四)聲學(xué)裝修施工現(xiàn)在的演播室墻體一般采用超細玻璃棉寬頻犧牲構(gòu)造，而頂棚一般采用腔內(nèi)填棉的方式來控制混響時間，以免發(fā)生聲學(xué)聚焦或者長延時反射聲現(xiàn)象，破壞使內(nèi)消音效果。所以在裝修時對演播室的非聲學(xué)墻體的普通見白作法用彈涂法來代替，這種方法能夠很好的降低長延時反射聲現(xiàn)象的出現(xiàn)。
三、結(jié)語
關(guān)鍵詞：廳堂建筑；聲學(xué)；設(shè)計
作為聽音場所。廳堂建筑的聽音質(zhì)量是第一重要的，因此必須認真做好建筑聲學(xué)設(shè)計，確保其音質(zhì)。只有明確建筑聲學(xué)設(shè)計的要點和手段，才能保證廳堂建筑具有良好的音質(zhì)。
一、建筑聲學(xué)設(shè)計的要點
一般而言，建筑聲學(xué)設(shè)計的要點主要包括噪聲控制和音質(zhì)設(shè)計兩大部分。
(一)噪聲控制
通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內(nèi)背景噪聲，因此，這些廳堂的選址很重要，應(yīng)盡可能遠離戶外的噪聲與振動源。另外，還要進行場地環(huán)境噪聲與振動調(diào)查、測量與仿真預(yù)測，目的是為進行廳堂建筑圍護結(jié)構(gòu)的隔聲設(shè)計提供依據(jù)。保證廳堂建成后能達到預(yù)定的室內(nèi)噪聲標準。此外，建筑聲學(xué)設(shè)計的另一個重要任務(wù)就是進行室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計。
(二)音質(zhì)設(shè)計
音質(zhì)設(shè)計通常包括下述工作內(nèi)容：
1.確定廳堂體型及體量。
2.確定音質(zhì)設(shè)計指標及其優(yōu)選值。根據(jù)廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數(shù)、側(cè)向能量因子、雙耳互相關(guān)系數(shù)等音質(zhì)評價指標，并確定各指標的優(yōu)選值，是音質(zhì)設(shè)計的重要任務(wù)。
3.對樂池、樂臺、包廂、樓座及廳堂各界面進行聲學(xué)設(shè)計。
4.計算廳堂音質(zhì)參量。當(dāng)廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂臺等設(shè)計方案擬定以后，就可開始計算廳堂音質(zhì)參量。
5.進行聲學(xué)構(gòu)造設(shè)計。廳堂音質(zhì)除了受前述建筑因素影響之外，還與室內(nèi)裝修材料與構(gòu)造密切相關(guān)。聲學(xué)裝修構(gòu)造設(shè)計通常包括各界面材料的選擇和繪制構(gòu)造設(shè)計圖，需詳細規(guī)定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及龍骨的間距等技術(shù)參數(shù)。
6.聲場計算機仿真。對廳堂建筑進行仔細的聲場分析和音質(zhì)參量計算，有賴于聲場三維計算機仿真。
7.縮尺模型試驗。對于重要的廳堂，除了計算機仿真外，通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型，進行縮尺模型聲學(xué)試驗。
8.可聽化主觀評價。可聽化技術(shù)是通過仿真計算?；蛘咄ㄟ^模型試驗測量獲得雙耳脈沖響應(yīng)，將之與在消聲室中錄制的音樂或語言“干信號”卷積，輸出已加入廳堂影響的聲音信號，供受試者預(yù)先聆聽建成后的廳堂音質(zhì)效果。這是近年發(fā)展起來的建筑聲學(xué)領(lǐng)域一項高新技術(shù)。
9.建筑聲學(xué)測量。建筑聲學(xué)測量包括噪聲與振動測量，圍護構(gòu)造隔聲測量，重要材料與構(gòu)造的吸聲量測量以及廳堂音質(zhì)參量的測量等。
10.對電聲系統(tǒng)設(shè)計提供咨詢意見。對于需要安裝電聲系統(tǒng)的廳堂，建筑聲學(xué)專家尚需與音響工程師配合，對電聲系統(tǒng)的設(shè)備選型、設(shè)計與安裝提供咨詢意見。
11.組織主觀評價。對于重要廳堂，在工程落成后，組織專門的演出和主觀評價，來檢驗建成后廳堂的音質(zhì)效果，是建筑聲學(xué)設(shè)計最后一個重要環(huán)節(jié)。
二、聲學(xué)設(shè)計的手段
準確地預(yù)測房間的音質(zhì)效果一直是建筑聲學(xué)研究者追求的理想。廳堂音質(zhì)模型測定是建筑聲學(xué)設(shè)計的重要手段。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現(xiàn)實。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動特性，在低頻模擬上獲得了一些進展。
廳堂中短延時反射聲的分布，是決定音質(zhì)的重要因素。在縮尺模型中，用電火花作為脈沖聲源測得的短延時反射聲分布，與實際大廳的短延時反射聲分布有良好的對應(yīng)，對在設(shè)計階段確定廳堂的大小、體型等有重要參考意義?；祉憰r間是公認的一個可定量的音質(zhì)參數(shù)，通過模型試驗可以預(yù)測所要興建廳堂的混響時間。聲場不均勻度也是一個重要的音質(zhì)參數(shù)。
模型試驗的測量系統(tǒng)、測量方法和結(jié)果的表達與實際廳堂相同，但需要根據(jù)廳堂模型的縮尺比s，在混響時間測量和聲場不均勻度測量時對測量頻率作相應(yīng)改變。不同頻率的聲波，在空氣介質(zhì)中傳播，特別是高頻聲波，它的由空氣吸收引起的衰減在不同溫、濕度條件下差別很大，對混響時間測量結(jié)果，需采取對空氣吸收的影響作相應(yīng)的修正，且有足夠的精度。
對于短延時反射聲分布測量，廳堂音質(zhì)模型的縮尺比s一般采用1／5或1／10，也有采用1／20的，但因受試驗設(shè)備和頻率過高的限制，精度受到一定影響。對混響時間的測量，縮尺比s為1／20時只能對應(yīng)實際廳堂1000Hz或2 000Hz以下的頻率。推薦縮尺比s不小于1／10，對混響時間和聲場不均勻度的測量可擴展至實際廳堂中的4000Hz。短延時反射聲分布測量的精度也較高。
模型的內(nèi)表面形狀，有些起伏尺寸比較小，對聲波的反射和擴散沒有多大影響，在制作模型時可適當(dāng)簡化。但必須保留等于或大于實際廳堂中聲波為2000Hz的波長的起伏，不能省略。因為這些部分會對聲場的不均勻度有較大影響。要使廳堂音質(zhì)模型的內(nèi)表面各個部分，包括觀眾席的吸聲系數(shù)在所測量的頻率范圍內(nèi)與相對應(yīng)的實際廳堂內(nèi)表面各部分及觀眾席的吸聲系數(shù)完全相符，實際上有很大難度，因此允許有±10％的誤差。
為了避免在模型中的背景噪聲過高導(dǎo)至動態(tài)范圍達不到要求而影響精度，廳堂音質(zhì)模型的外殼必須有足夠的隔聲量。舞臺空間大小、形狀及吸聲狀況，對觀眾廳的短延時反射聲分布、混響時間及聲壓級分布有很大影響。在模型試驗時，這部分宜包括在內(nèi)。舞臺空間部分的吸聲狀況也應(yīng)進行相應(yīng)的模擬。
奧運建筑大型綜合體育館建筑設(shè)計特點
奧運體育建筑大型綜合體育館在建筑上主要有以下幾個特點：
(1)容納觀眾數(shù)量多，根據(jù)《體育建筑設(shè)計規(guī)范》(JGJ31－2003)，特大型體育館的定義為容量大于1萬座，而本文介紹的兩個體育館的容量均在1.8萬，比上述規(guī)定高出近1倍。
(2)體積巨大：在上述規(guī)范中，混響時間指標根據(jù)體育館的體積分為三檔，大于80000m3，400003－80000m3，小于40000m3，而國家體育館的容積為510900m3，北京奧林匹克籃球館的容積347400m3，比規(guī)范中最高檔的體積高4－6倍。
(3)采用桁架的形式早期的體育館，如首都體育館，多在屋頂結(jié)構(gòu)下設(shè)置裝修吊頂，而在北京亞運會時代建造的體育館基本上就取消了裝修吊頂，屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式多采用網(wǎng)架，而此次為北京奧運會建造的體育館屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式采用了桁架，而且由于跨度很大，屋頂系統(tǒng)的承載力有限。
(4)輕質(zhì)屋面：屋面均采用輕質(zhì)金屬屋面材料。
(5)連通空間形式：以前的體育館的比賽大廳多為單獨的封閉空間，與休息廳分隔，而近期建造的體育館多采用連通空間形式，即將比賽大廳與休息大廳連通為一個空間。
(6)用途多樣：奧運會的體育館不僅要考慮奧運會其間的體育比賽，還要考慮賽后的使用，包括文藝演出和大型集會等用途。
國家體育館聲學(xué)設(shè)計
1.概況及特點
國家體育館位于奧林匹克公園中心區(qū)的南部，與“鳥巢”、“水立方”毗鄰而居，是奧林匹克中心區(qū)標志性建筑之一。體育館屋頂曲面近似扇形，如行云流水般飄逸又富于動感，四周豎立的鋼骨架與大面積晶瑩剔透的玻璃幕墻相映襯，猶如一把張開的中國扇，彰顯出中國文化的內(nèi)涵這是奧林匹克中心區(qū)三大體育建筑中唯一的完全由我國自己設(shè)計的體育建筑。
國家體育館平面呈矩形，觀眾席長約140m，寬約110m比賽場地長約74m，寬約43m，屋頂為單向波浪弧形，比賽場距屋頂最高處的高度約為40m。比賽大廳與觀眾休息大廳連為一體，有效容積(包括觀眾休息大廳)為510900m3，容納約1.8萬名觀眾(賽時)，每座容積為28.4m3。
2.聲學(xué)設(shè)計指標的確定
根據(jù)《體育建筑設(shè)計規(guī)范》(JGJ31－2003)，大干80000m3的體育館特級和甲級的混響時間指標(滿場 中頻)為1.7s，由于本體育館的體積遠大于80000m3，而混響時間是與體積成正比的，所以，要使該體育館達到這個指標是非常困難的，也是不現(xiàn)實的。對于體育館來說，由于不存在使用自然聲的可能性，所以建筑聲學(xué)設(shè)計的主要目的就是保證體育館內(nèi)電聲系統(tǒng)能夠達到良好的效果，而隨著電聲技術(shù)的發(fā)展和電聲設(shè)備的更新，電聲系統(tǒng)對建聲條件的要求也有所降低。根據(jù)《體育建筑設(shè)計規(guī)范》，上述混響時間指標可以有0.15s的變動范圍，所以我們制定了如下建筑聲學(xué)設(shè)計指標，
(1)混響時間(80％滿場，s)；
中頻(500Hz)：1.85s；
頻率特性：低頻(125Hz)提升1.2倍(相對于中頻)，高頻為0.9倍。
(2)噪聲限值(dBA)：
背景噪聲應(yīng)低于35dBA，噪聲評價曲線NR－30：
空調(diào)運行并達到使用工況時，低于40dBA，噪聲評價曲線NR－35。
(3)無音質(zhì)缺陷：
大廳內(nèi)不得出現(xiàn)明顯的音質(zhì)缺陷(回聲、顫動回聲和聲聚焦等)。
3.聲學(xué)設(shè)計措施
(1)建聲設(shè)計的主要問題
從聲學(xué)角度，國家體育館主要存在以下問題：比賽大廳內(nèi)的屋頂呈凹弧形，容易產(chǎn)生聲聚焦和回聲等聲學(xué)缺陷比賽大廳和休息大廳連為一體，一方面增大了容積，從而增大控制混響時間的難度，另一方面易產(chǎn)生耦合效應(yīng)；比賽大廳四周無墻面，而與之連通的休息廳的護結(jié)構(gòu)是大面積的玻璃，可以用來布置吸聲材料的面積十分有限
(2)屋面系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計
由于該體育館的墻面很少，所以可以進行吸聲處理的重要部位就是屋頂。由于屋頂呈凹弧形，所以在進行吸聲處理時除了要考慮增加吸聲量，控制混響時間外，還必須考慮消除可能出現(xiàn)的聲聚焦和聲反射等聲學(xué)缺陷。為此我們選擇了如下措施：
在屋架內(nèi)懸吊垂片式吸聲體：由于本體育館體積巨大，體積超過50萬m3，每座容積高達到了28m3／座，而可供布置吸聲材料的界面又相對較少，總內(nèi)表面積約96000m3僅靠在體育館本身的界面上布置吸聲材料不能滿足控制混響時間的要求，必須增加相當(dāng)大數(shù)量的吸聲量，而最有效的方法就是懸掛空間吸聲體。
空間吸聲體由于各表面都暴露在聲場中，所以吸聲效率最高。吸聲體的形式和材料除了必須滿足聲學(xué)要求外，還必須滿足建筑裝修風(fēng)格和結(jié)構(gòu)承載的要求。
形式的選擇 國家體育館外形象一把展開的折扇，顯示了濃郁的中國特色，而在內(nèi)部裝修時，神似折扇關(guān)閉時扇骨形式的垂片，就成為一個不斷重復(fù)的主題，如休息廳的吊頂墻面的百葉等。為了使聲學(xué)設(shè)計不破壞體育館總體的建筑風(fēng)格，使聲學(xué)構(gòu)件統(tǒng)一于裝修的主題之下，經(jīng)過與建筑師協(xié)商，在體育館中采用了垂片式空間吸聲體，將休息廳垂片式的吊頂延伸到比賽大廳內(nèi)，強化了建筑風(fēng)格。吸聲體呈矩形，高度為500mm，厚度為100mm，片間距為400mm，懸吊在桁架下弦上面的位置，從圖中可見垂片式空間吸聲體實際效果。
材料的選擇 由于國家體育館跨度很大，屋頂系統(tǒng)的承載能力有限，所以空間吸聲體采用了無骨架空間吸聲體，其芯材為用阻燃環(huán)保纖維織物氈進行封閉處理的80K離心玻璃板，面材為阻燃吸聲布，板的邊框是通過固化工藝將玻璃棉板的周邊固化形成的，板和框為一體。該吸聲體由于沒有金屬或木制的龍骨，所以重量很輕。另外，其吸聲
性能良好，而且由于飾面材料與芯材復(fù)合良好，不易脫離；另外，由于該產(chǎn)品的芯材用環(huán)保阻燃織物氈進行了封閉處理，所以不會出現(xiàn)玻璃棉纖維逸散的情況，環(huán)保性能良好，安裝比較簡便。
屋面板下進行纖維噴涂處理：但由于體育館的屋面為凹弧形，容易產(chǎn)生回聲和聲聚焦的聲學(xué)缺陷，根據(jù)以往的經(jīng)驗，垂片式空間吸聲體由于在兩片之間有一定的距離，有時可能遮擋不住來自屋頂?shù)姆瓷渎?，所以不能完全消除聲缺陷。為了解決這個問題，我們在屋面板下層做了25mm厚纖維噴涂。纖維噴涂技術(shù)是將經(jīng)過預(yù)先特殊工藝處理的無機超細纖維、纖維素、抗火化合物以及粘接劑等原料，通過專用配套的噴涂設(shè)備混合，在施工現(xiàn)場噴涂于混凝土、鋼板、石膏板等各種基體表面上，形成具有一定厚度噴涂層。纖維噴涂材料除具有一定的吸聲能力外，還具有保溫、絕熱等功能，在以鋼板作為基體時，還具有較好的阻尼作用，可以較明顯的提高其隔聲性能。
所以采用此措施除了可以改變屋面的吸聲性能，消除聲聚焦和回聲等聲學(xué)缺陷外，還可以提高輕屋面的防雨噪聲性能，提高輕屋面的空氣隔聲性能，并具有一定保溫作用。
(3)其他部位聲學(xué)設(shè)計措施
由于頂部的空間吸聲體和纖維噴涂的吸聲頻率主要在中高頻，而低頻的吸聲能力稍弱，為了控制體育館的低頻混響時間，我們在體育館護墻上部內(nèi)側(cè)百葉內(nèi)設(shè)置了穿孔FC板低頻共振吸聲構(gòu)造，具體構(gòu)造是在金屬百葉后安裝6mm厚穿孔FC板，孔徑5mm，孔距25mm，板后貼一層無紡吸聲紙，板后空腔400mm，共振頻率為125Hz。
在觀眾席三層贊助商包廂外墻面，除玻璃窗外其他部分采用木質(zhì)吸聲板吸聲構(gòu)造，具體構(gòu)造為：18mm厚木質(zhì)吸聲板，28／4M，穿孔率7.5％，板后貼無紡吸聲紙，板后空腔150mm，空腔內(nèi)填50mm厚40K離心玻璃棉板。
比賽場地周圍有固定墻面的部分，采用木質(zhì)吸聲板吸聲構(gòu)造，具體構(gòu)造同上。
主席臺和貴賓包廂采用吸聲量較大的全軟包座椅，普通觀眾席采用硬椅。
(4)休息廳的聲學(xué)處理
由于比賽大廳和休息廳是連通的，所以如果休息廳內(nèi)的混響時間過長，可能會與比賽大廳產(chǎn)生聲耦合效應(yīng)，出現(xiàn)聲學(xué)缺陷，影響語言的清晰度，所以必須在休息廳內(nèi)也進行一定的聲學(xué)處理。結(jié)合休息廳的裝修設(shè)計，在休息廳采取了以下聲學(xué)處理措施。
觀眾休息廳內(nèi)坐席下斜板吊頂內(nèi)采用玻璃棉吸聲構(gòu)造具體構(gòu)造為：50mm厚40K玻璃棉板外包玻璃絲布，放于斜板吊頂上。
觀眾休息廳內(nèi)16m板下垂片吊頂內(nèi)采用玻璃棉吸聲構(gòu)造，具體構(gòu)造為雙層輕鋼龍骨，50mm厚40K離心玻璃棉板外包黑色玻璃絲布，與樓板之間留50mm的空腔，下罩鋼板網(wǎng)刷防銹漆。
籃球館聲學(xué)設(shè)計
1.概況及特點
北京奧林匹克籃球館是五棵松文化體育中心重要的組成部分，比鄰北京奧運會棒球比賽的場地。作為2008年奧運會籃球預(yù)賽和決賽用館，該場館是一座設(shè)計先進，功能齊全的現(xiàn)代化綜合體育館，總占地面積16.8萬m2，總建筑面積6.3萬m2，可以容納觀眾1.8萬人。
北京奧林匹克籃球館平面呈方形，觀眾席邊長為110m比賽場地活動座椅收起時長約65m，寬約52m，籃球比賽時長約38m，寬約25m，屋頂為平面，比賽場距屋頂最高處約為35m。比賽大廳與觀眾休息大廳連為一體，有效容積(包括觀眾休息大廳)為347400m3，容納約1.8萬名觀眾(賽時)，每座容積為19.2m3／座。
2.聲學(xué)設(shè)計指標的確定
雖然該體育館稱為籃球館，但其用途除在奧運會之間進行籃球比賽外，在賽后還會進行其他各種大型比賽，并且要求可以進行大型文藝節(jié)目和群眾集會，所以屬于綜合體育館對建筑聲學(xué)條件有較高的要求，為此，制定如下聲學(xué)設(shè)計指標：
(1)混響時間(80％滿場，s)，
中頻(500Hz)：1.85s；
頻率特性：低頻(125Hz)提升1.2倍(相對于中頻)，高頻為0.9倍。
(2)噪聲限值(dBA)，
背景噪聲應(yīng)低于35dBA，噪聲評價曲線NR－30；
空調(diào)運行并達到使用工況時，低于40dBA，噪聲評價曲線NR－35。
(3)無音質(zhì)缺陷：大廳內(nèi)不得出現(xiàn)明顯的音質(zhì)缺陷(回聲、顫動回聲和聲聚焦等。
3.聲學(xué)設(shè)計措施
(1)建聲設(shè)計的主要問題
北京奧林匹克體育館雖然也可以容納1.8萬名觀眾，屬于特大型體育館，但從聲學(xué)角度，與國家體育館相比有如下的優(yōu)勢：
體育館的體積小與國家體育館，每座容積為19.2m3／座，混響時間的控制相對較容易：體育館的屋頂形式為平頂，不易產(chǎn)生聲聚焦等聲學(xué)缺陷；體育館的座椅為軟椅(國家體育館的座椅為硬椅)，為大廳提供了較大的吸聲量。
但與國家體育館相同，本體育館也存在比賽大廳四周無墻面，而與之連通的休息廳的護結(jié)構(gòu)是大面積的玻璃，可以用來布置吸聲材料的面積十分有限等問題。
(2)屋面系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計
由于該體育館建筑設(shè)計師為了保證整體的風(fēng)格 不希望采用空間吸聲體，為了盡量滿足建筑風(fēng)格的要求我們進行了詳細的計算。根據(jù)該體育館每座容積相對較小而且所有座椅均為軟椅的特點，我們在聲學(xué)設(shè)計時就沒有采用空間吸聲體。而采取了以下吸聲措施：
由于其他可以布置吸聲材料的界面十分有限，所以體育館頂部就成為最重要的吸聲部位。我們將整個頂部都設(shè)計成寬頻強吸聲構(gòu)造。另外由于屋面為輕質(zhì)金屬屋面，所以增強其隔聲性能也可解決問題。為此，在桁架上弦與屋面之間設(shè)置隔聲和吸聲雙重功能的構(gòu)造：一方面提高輕屋面的隔聲性能，另一方面起到保溫和吸聲作用，因此它是集吸聲、保溫、隔聲三項功能的復(fù)合結(jié)構(gòu)其中緊貼輕質(zhì)屋面板下的50mm厚80K玻璃棉板和9mm厚PC板(高強纖維水泥板)組成隔聲層，可以有效地提高屋面的隔聲量，同時也具有良好的保溫性能，對建筑的節(jié)能也具有重要的作用，在下面的空腔、100mm厚40K玻璃棉板、無紡吸聲紙和穿孔鋁板組成了高效寬頻吸聲層，除控制混響時間外，還可以有效的消除可能產(chǎn)生的回聲等聲學(xué)缺陷?？偯娣e約15100m2。
(3)比賽大廳內(nèi)其他部位的吸聲處理
在其他部位，還進行了如下吸聲處理，在觀眾席三層貴賓包廂以下墻面，采用木制吸聲板吸聲構(gòu)造，該構(gòu)造表面為有一定透空率的木飾面復(fù)合板材，具有良好的裝飾性，同時便于清潔，而且具有較高的防火等級，對低頻有較好的吸聲效果。
觀眾席采用有一定吸聲量的局部軟包座椅
玻璃幕墻在與比賽大廳相通的部位(從比賽大廳可以看到的部位)采用吸聲遮光百葉。
(4)休息廳的聲學(xué)處理
吊頂：在樓板下粘貼一層吸聲材料(如100mm厚玻璃
棉板)，然后在下層結(jié)合裝修設(shè)計設(shè)置透聲的吊頂。
觀眾休息廳內(nèi)部分墻面采用了木絲吸聲板吸聲構(gòu)造。
北京奧林匹克籃球館按美國NBA的規(guī)格要求進行了裝修，并安裝了世界最先進的全彩高清LED顯示系統(tǒng)，包括吊掛在比賽大廳中間的一個凈高9.042m，最大直徑約為11m的“漏斗屏”，以及位于觀眾席攔板處的兩圈條形LED屏營造了非常熱烈的氣氛?？⒐ず笈e行了多次大型文藝演出，如周杰倫、周華健演唱會等，各方面反映效果很好。
結(jié)論
經(jīng)過這兩個為奧運會新建的最大的綜合體育館的建筑聲學(xué)設(shè)計實踐，并通過體育館竣工后的測量結(jié)果和使用效果的綜合比較作者有如下經(jīng)驗。
1.聲學(xué)設(shè)計與建筑和裝修設(shè)計的結(jié)合
每個建筑都有其獨特的建筑風(fēng)格和主題，而建筑中的各專業(yè)設(shè)計均應(yīng)在服從總體風(fēng)格的前提下各自發(fā)揮，聲學(xué)設(shè)計也不例外。所以聲學(xué)設(shè)計人員必須與建筑師和裝修設(shè)計師有良好的溝通，必須使自己的設(shè)計滿足總體建筑風(fēng)格的要求，在達到良好聲學(xué)效果的同時，起到美化環(huán)境，強化主題的作用。
2.混響時間設(shè)計指標的制定
對于體育館來說，建筑設(shè)計的目的就是滿足電聲系統(tǒng)的要求 隨著現(xiàn)代電聲技術(shù)和器材的進步，對混響時間的要求也有所放寬。另外由于現(xiàn)代特大型體育館，體積巨大，而可以布置吸聲材料的界面十分有限，所以將混響時間設(shè)計指標定的過低，是不現(xiàn)實也是不必要的，而且需要大量的投資，對于體積大于30萬m3的特大型體育館，中頻滿場混響時間在1.9s－2.0s之間，就基本可以滿足現(xiàn)代擴聲系統(tǒng)的各種要求。從北京奧林匹克籃球館的實際測量數(shù)據(jù)和舉行文藝演出的實際效果可以證明上述結(jié)論。
3.空間吸聲體的使用
空間吸聲體是體育館中控制混響時間的常用措施，但是否使用也應(yīng)根據(jù)實際需要來確定。另外空間吸聲體的選擇必須考慮體育館的總體風(fēng)格，結(jié)構(gòu)的承載等因素，應(yīng)在和建筑設(shè)計師和結(jié)構(gòu)設(shè)計師充分協(xié)商后確定。
4.綜合屋面系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計
對于特大型綜合體育館，屋面系統(tǒng)是可以進行吸聲處理的最大界面，是建筑聲學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵在進行屋面系統(tǒng)設(shè)計時，除了控制混響時間外，還必須考慮聲學(xué)缺陷的消除和隔聲性能的增強。
DH：請為我們的讀者簡單介紹一下你自己。
華劉勇：我本來是醫(yī)學(xué)、法律專業(yè)的，搞聲學(xué)算是半路出家。1994年，我從醫(yī)院院長轉(zhuǎn)任裝潢公司經(jīng)理，業(yè)務(wù)主要涉及室內(nèi)設(shè)計、裝潢施工，這段經(jīng)歷為我提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。2000年起，我開始接觸家庭影院聲學(xué)產(chǎn)品，其后一直從事高端聲學(xué)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，目前已申領(lǐng)了十多項國家專利，專利涵蓋了70多款聲學(xué)產(chǎn)品。在此期間對整體影院進行了潛心的摸索、研究，總結(jié)出一整套設(shè)計、施工管理、施工流程方案，并編寫了很多整體影院的施工工藝。目前主要和一些做設(shè)備的公司合作，開展整體影院的設(shè)計、施工。本人的強項是影院的整體施工管理。我做人崇尚助人為樂、無私奉獻，經(jīng)常會對新入行的同仁熱情傳授技術(shù)，因此被業(yè)內(nèi)不少同行親切地稱一聲“師傅”。
DH：介紹一下目前中國聲學(xué)材料這塊市場的現(xiàn)狀。
華劉勇：家庭影音定制安裝產(chǎn)業(yè)在中國大陸的發(fā)展很快，從2008年開始到現(xiàn)在的短短五年間，無數(shù)定制安裝公司如雨后春筍般涌現(xiàn)。很多傳統(tǒng)零售型影音公司，正在向定制安裝公司轉(zhuǎn)型，聲學(xué)設(shè)計與聲學(xué)材料的使用是他們的突破口。就我看來，目前大多數(shù)家庭影院定制安裝公司還是非常重視這一塊的，都能明白在不經(jīng)過聲學(xué)處理的影音室里安裝任何品牌設(shè)備，設(shè)備的優(yōu)點都不能發(fā)揮到極致，所以現(xiàn)在無論公司大小，在給客戶設(shè)計的方案中，多多少少都會使用聲學(xué)材料。目前市場上的聲學(xué)材料良莠不齊，標準也不統(tǒng)一，有的定制安裝公司甚至拿一些用于商業(yè)用途的聲學(xué)材料使用在客戶家里，導(dǎo)致不良的音質(zhì)效果。聲學(xué)材料的環(huán)保問題，知識產(chǎn)權(quán)保護問題，還沒引起足夠的重視，一方面有人在粗制濫造，假冒偽劣，另一方面有人在盲目施用。
DH：本次HAA上，你所提供的聲學(xué)材料有什么特點
華劉勇：由于HAA總監(jiān)Gerry先生非常重視授課質(zhì)量，所以他要求課堂上所使用的聲學(xué)材料不僅要聲學(xué)效果出色，其外觀也必須非常考究，以免給上課的學(xué)員留下不好的印象。所以，本次為HAA level II培訓(xùn)所提供的聲學(xué)材料都是按美國標準在工廠用手工定制生產(chǎn)的，采用了優(yōu)質(zhì)、環(huán)保玻璃纖維棉和木板型材、配件，無論是外觀還是聲學(xué)效果在課后都得到了美方講師和中文講師的肯定與好評。
DH：談下你對HAA的感受
華劉勇：HAA培訓(xùn)是全世界最頂級的小房間聲學(xué)培訓(xùn)，本次培訓(xùn)也是我們公司第三次贊助HAA培訓(xùn)，我們非常高興，同時也非常自豪能為推動家庭影音聲學(xué)技術(shù)在中國的發(fā)展盡到自己一份綿薄之力。我自己也到課堂現(xiàn)場旁聽過，授課老師能把以前大家認為很玄乎的聲學(xué)問題用科學(xué)、客觀的方式展示給學(xué)員，老師的授課淺顯易懂，學(xué)員們收獲很大，我覺得HAA的培訓(xùn)很了不起。在本人看來，小房間聲學(xué)設(shè)計類課程的普及將是未來幾年推動行業(yè)發(fā)展的重點之一。
DH：你如何看定制安裝在中國的發(fā)展，你準備做些什么？
華劉勇：我個人感覺，定制安裝產(chǎn)業(yè)在中國的發(fā)展前景廣闊，同行們都清楚定制安裝是大勢所趨。但是目前很多定制安裝公司各方面的水平還需要提升，不僅僅是技術(shù)，在公司管理，項目管理和市場推廣、宣傳方面都需要加強。我們公司會不遺余力地支持整個行業(yè)的發(fā)展與進步，會在今年開始提供更加定制化的產(chǎn)品與服務(wù)以滿足定制安裝公司愈來愈苛刻的設(shè)計要求。本人愿意和同仁們互相切磋、交流，共同把中國的定制安裝技術(shù)推向更新、更高、更強。
關(guān)鍵詞：動車組；滾動軸承；軸承故障；檢測機理；聲學(xué)診斷；狀態(tài)監(jiān)控
0引言
我國動車組具有運行速度高、連續(xù)高速運行里程長的特點，滾動軸承承受的動態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障。當(dāng)前對動車組和客車車輛滾動軸承的檢測主要依靠車載軸溫報警裝置進行在線監(jiān)控和定期進行人工檢查。車載軸溫報警裝置主要監(jiān)控軸承晚期故障，一旦出現(xiàn)軸溫報警必須立即停車檢查，嚴重影響行車秩序，造成巨大社會影響[1]。定期人工檢查無法及時監(jiān)測軸承故障，而且受個人主觀因素影響，容易出現(xiàn)故障漏檢、漏判。迫切需要采用先進技術(shù)及設(shè)備開展動車組和客車車輛滾動軸承早期故障檢測和診斷，有效預(yù)防滾動軸承事故的發(fā)生。目前，國內(nèi)外在列車滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷領(lǐng)域做的比較成熟的有美國TTCI和澳大利亞TrackIQ公司，其研制開發(fā)的滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)在全世界均有70多套應(yīng)用。2003年開始，我國與TrackIQ等國外公司合作，引進了滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)，為適應(yīng)我國的鐵路狀況，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。試驗過程中對TADS的硬件進行了全面消化吸收，對軟件進行聯(lián)合開發(fā)，對系統(tǒng)的組網(wǎng)方式進行了改進，取得了良好效果[2]。我國動車領(lǐng)域運用的LM滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（即LM系統(tǒng)），通過引進先進的動車組TADS系統(tǒng)并將其國產(chǎn)化，采用先進的軌邊聲學(xué)指向跟蹤技術(shù)、聲音頻譜分析技術(shù)和計算機智能識別技術(shù)對動車組和客車車輛滾動軸承外、內(nèi)圈滾道和滾動體裂紋、剝離、磨損及腐蝕等故障進行早期診斷及分級報警，適用于各型CRH系列動車組及客車車輛滾動軸承故障的在線動態(tài)檢測。
1滾動軸承故障及檢測機理
1.1滾動軸承故障
客車車輛滾動軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架四部分組成。
（1）內(nèi)圈與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)。
（2）外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用，一般情況下內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)，外圈不動。
（3）滾動體是滾動軸承中的核心元件，借助于保持架均勻分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響滾動軸承的使用性能和壽命，它使相對運動表面間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，我國動車組滾動軸承的滾動體形狀為圓柱形和圓錐形。滾動軸承內(nèi)外圈上都有凹槽滾道，起著降低接觸應(yīng)力和限制滾動體軸向移動的作用。
（4）保持架使?jié)L動體均勻分布并引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)起作用，如果沒有保持架，相鄰滾動體將直接接觸，發(fā)熱和磨損都會增大[3]。CRH2型動車組滾動軸承見圖1。由于滾動軸承材料缺陷、加工或裝配不當(dāng)、不良、水分和異物侵入、腐蝕剝落及過載等原因都可能導(dǎo)致早期損壞。另外，即使在安裝、和使用維護都正常的情況下，經(jīng)過一段時間的運轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損等現(xiàn)象，影響軸承正常工作。概括起來滾動軸承的主要故障形式有：裂損、剝離、麻點、劃傷、凹痕和擦傷等（見圖2）[4]。
1.2滾動軸承故障檢測機理
當(dāng)滾動體和滾道接觸處有局部缺陷時，軸承在運動過程中就會產(chǎn)生一個沖擊信號，缺陷在不同元件上接觸點經(jīng)過缺陷的頻率也不同，這個頻率就成為沖擊的間隔頻率或特征頻率。引起滾動軸承振動和噪聲的原因，除了外部激勵因素外，還有內(nèi)、外圈和滾動體接觸面缺陷引起的振動的特征頻率（見表1）。軸承在線軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)主要采用聲音（噪聲）方法。
（1）軸承無故障或缺陷時，軸承在旋轉(zhuǎn)時表現(xiàn)出來的振動主要由轉(zhuǎn)動面的光潔度和波紋度引起的，因此運轉(zhuǎn)時發(fā)出的聲音應(yīng)該是正常聲音。
（2）軸承滾動面出現(xiàn)缺陷時，滾動體碾壓到缺陷部位，產(chǎn)生沖擊振動，從而產(chǎn)生異常聲音。振動作用時間短，時域能量不大，但頻率豐富且具有周期性。
（3）軸承不同部位由于轉(zhuǎn)速不同，所發(fā)出的異常聲音頻率也不同，計算機可以根據(jù)聲學(xué)頻率特征識別出發(fā)生故障的部位。故障越嚴重，異常聲音的振幅相應(yīng)越大，即異常聲音的振幅大小反映了故障的嚴重程度[5]。
2軌邊聲學(xué)診斷原理軌邊聲學(xué)探測
主要是要根據(jù)滾動軸承運行機理及軸承尺寸，準確全面采集軸承任何部位發(fā)生故障、缺陷時所產(chǎn)生的振動聲音。LM系統(tǒng)是利用聲學(xué)傳感器獲取運行中的滾動軸承發(fā)生的聲學(xué)信號。LM系統(tǒng)檢測原理如下：
（1）利用聲學(xué)傳感器陣列，采用現(xiàn)代聲學(xué)診斷技術(shù)，對高速運行列車的車輛滾動軸承故障信號進行實時拾取、濾波、采集、處理。
（2）采用聲學(xué)傳感器陣列技術(shù)和多傳感器信號合成及定位技術(shù)保證系統(tǒng)對故障軸承診斷的可靠性和準確性。
（3）利用故障軸承信號拾取技術(shù)、系統(tǒng)降噪技術(shù)及頻譜分析和小波形分析技術(shù)，使得系統(tǒng)對故障軸承缺陷程度具有極高的預(yù)報精度。
（4）與車號自動識別系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)故障軸承車號和軸位的自動定位。
（5）計算機根據(jù)不同軸承故障信號的頻率、能量、幅值和相關(guān)的車速、載荷等因素，判別出各種不同軸承故障類型和故障缺陷程度，實現(xiàn)對滾動軸承早期故障進行預(yù)警、防范，保證行車安全。列車報警頻譜圖見圖3，是列車在TADS上經(jīng)過6次采集檢測到的軸承有缺陷時的列車報警頻譜圖。橫坐標代表報警次數(shù)，縱坐標代表聲音強度。當(dāng)有缺陷時，軸承在運轉(zhuǎn)過程中就會產(chǎn)生一個沖擊信號（綠色波形），隨著轉(zhuǎn)動圈數(shù)的增加，聲音強度會逐漸降低。列車多次經(jīng)過時，由波形圖可知，聲音信號有規(guī)律的出現(xiàn)，且振動頻次一致。由此可以判斷軸承發(fā)生故障。而當(dāng)無缺陷時，列車報警頻譜圖上不會出現(xiàn)如此有規(guī)律的報警信號。
3軌邊聲學(xué)診斷關(guān)鍵技術(shù)
3.1聲學(xué)傳感器陣列跟蹤式檢測技術(shù)
單獨聲學(xué)傳感器的有效區(qū)域僅為1.1m左右，若采用單獨聲學(xué)傳感器，在這么大的指向區(qū)域內(nèi)保持接收信號靈敏度的一致性是不可能的，難以對軸承故障進行準確判斷。為此，LM系統(tǒng)采用單側(cè)16個傳感器陣列（見圖4），采用跟蹤式檢測方式，保證某一軸承在探測區(qū)內(nèi)傳感器接收的軸承振動信號是連續(xù)的，保證檢測效果。
3.2聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計技術(shù)
LM系統(tǒng)單側(cè)采用16個聲學(xué)傳感器陣列，其中2個為安全冗余設(shè)計，出現(xiàn)異常狀況時，剩余聲學(xué)傳感器同時工作即可保證滾動軸承聲音信號采集的連續(xù)性。聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計極大提高了系統(tǒng)工作的可靠性，有效保證了系統(tǒng)的檢測效果。
3.3動車組和客車車輛自動兼容檢測技術(shù)
在充分調(diào)研各型動車組和客車車輛滾動軸承的基礎(chǔ)上，準確計算和模擬出各型動車組和客車車輛軸承不同部位故障頻率，建立了各型動車組和客車車輛軸承故障模型，并在后期數(shù)據(jù)處理上做了精確修正，使得LM系統(tǒng)完全滿足自動兼容檢測各型動車組和客車車輛滾動軸承的需求，并在實際運用中得到驗證。
3.4聲學(xué)采集單元集成式設(shè)計技術(shù)
LM系統(tǒng)聲學(xué)傳感器主機柜和副機柜均采用集成化設(shè)計，將單側(cè)16個聲學(xué)傳感器集成在一個機柜內(nèi)，機柜內(nèi)創(chuàng)新性的設(shè)計了一體成型的拋物線型反射腔（見圖5），聲學(xué)傳感器直接朝向拋物線型腔，減小了設(shè)備裝調(diào)難度，保證了傳感器間的安裝精度，最大限度采集了軸承運轉(zhuǎn)聲音，保證了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。
3.5標準化數(shù)據(jù)處理技術(shù)
LM系統(tǒng)在疑似故障報警頻譜圖上采用了標準化數(shù)據(jù)處理技術(shù)（見圖6），將軸承元件故障頻率轉(zhuǎn)變成無量綱形式呈現(xiàn)，最終結(jié)果與車速等無關(guān)，只與軸承本身參數(shù)有關(guān)，缺陷判別比較直觀，大大減輕了數(shù)據(jù)分析人員的工作量，有效減少了漏判和誤判。
4軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)組成
LM系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元和遠程控制單元組成?，F(xiàn)場檢測單元主要實現(xiàn)滾動軸承聲音信號的采集、車號信息采集、測速及計軸計輛等功能；數(shù)據(jù)處理單元主要實現(xiàn)聲音信號處理、故障模式識別及車號識別等功能；遠程控制單元主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程分析、運行狀態(tài)監(jiān)控等功能，設(shè)備日常數(shù)據(jù)分析及監(jiān)控等工作在遠程調(diào)度室即可正常進行。檢測數(shù)據(jù)傳輸流程示意見圖7。
（1）現(xiàn)場檢測單元?，F(xiàn)場檢測單元安裝在軌道兩側(cè)，主要部件包括：開機傳感器、聲學(xué)采集單元、測速傳感器、輔助測速傳感器和圖像車號識別裝置。
（2）數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元包括：不間斷電源箱、保護門控制箱、遠程電源控制箱、信號調(diào)理前置機、信號采集處理計算機、集線器、HDSL調(diào)制解調(diào)器、車號識別設(shè)備主機等。數(shù)據(jù)處理單元在主計算機軟件統(tǒng)一調(diào)度下，完成聲音信號采集、故障軸承模式識別、計軸計輛、車號識別、數(shù)據(jù)上傳、自檢和遠程維護等工作。
（3）遠程控制單元。遠程控制單元獨立于設(shè)備檢測控制現(xiàn)場，通過光纖與數(shù)據(jù)處理單元進行通信連接，主要由控制主機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程分析、運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。
5系統(tǒng)運用
動車組TADS設(shè)備已在武漢、南昌和上海鐵路局現(xiàn)場配置應(yīng)用，運用至今能自動檢測各型動車組軸承故障，運行穩(wěn)定，檢測情況良好。截至2015年6月，動車組TADS設(shè)備共檢測動車組列車80000余列次，報警動車組軸承故障40例，其中19例經(jīng)分解確認存在剝離故障，21例落輪返廠處理（落輪后人工轉(zhuǎn)動軸承能聽到明顯異音），有效防止了因軸承故障引起的行車事故。
參考文獻
[1]任尊松，孫守光，李強．高速動車組軸箱彈簧載荷動態(tài)特性[J]．機械工程學(xué)報，2010，46(10)：109-115．
[2]崔濤．鐵路TADS監(jiān)控及聯(lián)網(wǎng)跟蹤預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009．
[3]廉振紅，王增勝．滾動軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的問題[J]．中國科技信息，2010(20)：152-153．
2月16日，從羅馬傳出一個消息：由英國著名建筑師佛斯特爵士領(lǐng)導(dǎo)的評審團宣布，?？松乘竞托靵営⒌热颂岢龅姆桨斧@得羅馬會議宮國際設(shè)計競賽的第一名。
按照?？松乘竞托靵営⒌热颂岢龅姆桨福@座由玻璃和金屬建成的會議宮首層大廳空無一柱，堪稱“懸浮建筑”。法國《建筑學(xué)導(dǎo)報》刊出了這座會議宮的相關(guān)文字資料和圖片，標題是《浮起來的會議廳》。1995年6月20日，法國建筑科學(xué)院在向徐亞英頒發(fā)“銀質(zhì)獎?wù)?rdquo;時作出這樣的評價：“徐亞英是當(dāng)前國際建筑聲學(xué)界最有名望的專家之一。”“銀質(zhì)獎?wù)?rdquo;是建筑聲學(xué)家的最高獎項。
融合技術(shù)與藝術(shù)的魔術(shù)師徐亞英說，建筑聲學(xué)主要包括建筑、物理和音樂三方耗資13億法郎的巴黎音樂城是當(dāng)今世界最大的音樂建筑群，設(shè)計師是國際最高建筑獎普利茨科獎得主、法國人波桑帕克。按照城市規(guī)劃的需要，音樂城的外殼呈橢圓形，稍有建筑常識的人都知道，橢圓形建筑很容易造成聲聚焦效果。因此，波桑帕克的橢圓形大頂方案一出，立即招徠種種批評，大有被封殺的危險。
波桑帕克知道徐亞英善於化難為易，便來征求他的意見，得到的日答是法國式的幽默：“為什么不？”徐亞英認為，凡事都要具體分析。橢圓空間固然會產(chǎn)生聲聚焦效果。但是，交響樂隊的位置總會有一個高度，只要把音樂廳的下面部分處理成一個鞋盒子形，上面部分可以是加了工的橢圓形，看似無法協(xié)調(diào)的矛盾總是可以化解的
徐亞英和波桑帕克反覆研究，決定把巴黎音樂城設(shè)計成上方橢圓形下方鞋盒形的建筑。徐亞英還在天花板上采用“平方剩余系列”擴散體，破除聲聚焦和顫動日聲。他把四分之一的天花板改成活動式，墻上亦裝設(shè)大幕布。這樣，包括韓德爾、巴哈以及布列茲等不同風(fēng)格的音樂演出，因天花板和大幕布的不同位置，便有不同的聲學(xué)效果。
將有限的精力集中發(fā)揮
我問他：“法國有26000名建筑工程師，為什么在聲學(xué)方面沒有的高手？而你從中國來到法國，短短幾年就已經(jīng)在建筑聲學(xué)界成績可觀，秘訣何在？”
徐亞英的回答看似平常，沒有驚人之處。
他說：“做人不可以沒有雄心壯志，但又不可以什么都要，只能把自己有限的精力集中在一個著力點上選擇這個看力點則是一輩子的事，最好能把自己的興趣、愛好與專業(yè)結(jié)合起來，這樣就會不知疲倦地奮斗下去。”
徐亞英說：“我很幸運，能把我的著力點選在建筑聲學(xué)這一行，令我四十多年從未真正舍棄它。不論當(dāng)年下放在江西鄱陽湖農(nóng)場勞動，還是今天在歐洲的豪華酒店抽雪茄，只要一聽到交響樂的幾聲合弦，或是幾句西皮二黃，還是蘇州評彈，我的整個神經(jīng)部會繃起來，馬—想到演奏廳，想到天花板和隔音板，想到各種建筑材料，想到樂隊的位置，想到用不用擴音器：我就會浮想聯(lián)翩，怎樣使音質(zhì)更清澈、更渾厚。”
談到徐亞英在國際上的成就，大家都離不開他和建筑大師貝聿銘的合作，他倆都是蘇州人，都在巴黎相識。當(dāng)時，徐亞英正在蓬皮杜中心的音樂研究所作磬學(xué)研究，貝聿銘則因達拉斯音樂廳的聲學(xué)設(shè)計而與美國聲學(xué)顧問約翰遜爭執(zhí)不下，很想聽聽你亞英的意見。在徐亞英對達拉斯音樂廳的分析與判斷中，貝聿銘慧眼識英雄！終於在巴黎羅浮宮的擴建工程中請徐亞英擔(dān)任聲學(xué)顧問。
貝聿銘力排眾議，在羅浮宮上加蓋玻璃金字塔的工程已在現(xiàn)代建筑史上留下輝煌的一頁。作為聲學(xué)顧問！徐亞英亦功不可沒。金字塔的構(gòu)想出自貝聿銘的大手筆，而金字塔下的中央廉堂要設(shè)立大支柱、螺旋樓梯和懸挑平臺則是采納了徐亞英的建議，化解了回聲之害不應(yīng)給自己的腦袋設(shè)限制
1986年，徐亞英承接了把梅茨軍火庫改建為可容納1500人的大音樂廳的工程，與之合作的設(shè)計師是被譽為新古典主義大師的西班牙人伯菲爾。徐亞英利用他在中國時就提出的“雙耳效應(yīng)”理論，努力造成側(cè)向擴散空
轉(zhuǎn)貼于
間聲效！消除了顫動回聲，場內(nèi)1500個不同位置的觀眾均能得到渾厚明澈的樂音。當(dāng)今最有影響的指揮家、大提琴大師羅斯托波維奇在新建成的梅茨音樂廳舉行獨奏音樂會之後，稱之為“歐洲最好的音樂廳之一”?！睹反娜請蟆钒研靵営①潛P為"聲學(xué)大師"，認為他最為靈敏地搭起了“聲音七巧板”。徐亞英愛說：“變化是絕對、永恒的，唯有在動中追求暫時的平衡人們不應(yīng)給自己的腦袋設(shè)限制，自己束縛了創(chuàng)造性。”
【關(guān)鍵詞】劇場；建筑聲學(xué)；問題
中圖分類號：TU112文獻標識碼： A
一、前言
經(jīng)濟的發(fā)展促進了科學(xué)的進步，也使建筑聲學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用，與其是在音樂廳及劇場的建設(shè)中，吸音及混響的應(yīng)用及處理，使其演出效果達到了理想的狀態(tài)。
二、劇場建設(shè)的前期準備
1、重視劇場的功能定位
劇場建設(shè)方必須重視、合理確定劇場的功能定位，不宜過分追求多功能要求。具體來說：劇場屬功能性建筑，其使用功能應(yīng)科學(xué)合理確定；多功能劇場應(yīng)確定主次功能，不宜并列全能高標準；要根據(jù)實際需要、技術(shù)可行、投資經(jīng)濟合理三原則平衡確定。對于劇場的功能定位，有以下建議：
（一）歌劇院。以歌劇、音樂劇為主，可兼用于戲劇、芭蕾和音樂會（設(shè)舞臺音樂罩）演出。
（二）劇場。以戲劇為主，可兼用會議。
（三）專業(yè)音樂廳。僅用于交響音樂會等各類音樂演出，不宜兼其他功能。
（四）大型會堂。以大型會議為主，可兼綜藝演出。
（五）中小會議廳。以會議為主，可兼電影放映。
（六）大型體育館。以體育比賽為主，可兼大型綜藝演出等。
2、選擇好的建聲設(shè)計單位和設(shè)計師
要注意選擇好劇場建聲專業(yè)的設(shè)計單位和設(shè)計師，要正確對待中方與外方的設(shè)計單位和設(shè)計師（包括建筑設(shè)計和建聲設(shè)計）。清華大學(xué)建筑學(xué)院的燕翔老師曾將聲學(xué)設(shè)計單位、工程業(yè)主單位、施工單位比作為醫(yī)、患、藥三個方面，這個比喻還是比較形象的。一名患者患病了，一定要找好的醫(yī)生，吃好的藥，才能將病治好；在劇場建設(shè)中這個道理同樣適用。現(xiàn)在建聲設(shè)計市場上存在這種情況，有的是正規(guī)的專業(yè)單位，有的則是設(shè)備廠商和材料供應(yīng)商兼做建聲設(shè)計，這就要求業(yè)主單位做出正確的判斷和選擇，一定要選擇正規(guī)的專業(yè)單位進行聲學(xué)設(shè)計，才能保證好的聲學(xué)效果。
三、主聲源的變化、各墻面與聲源的關(guān)系的處理
如前所述，我國近代建設(shè)的劇場與西方的歌劇院有著很大差別。西方的歌劇院觀眾席為立體式，樓層多、包廂多，底層觀眾席并不多，僅占總數(shù)的1/3～1/4，有的更少。觀眾離聲源近，一般都靠自然聲。而我國的劇場大多為扁平式，一般僅二層，底層的觀眾席占絕大多數(shù)。場地較長，前后排之間的距離大多超過 30m，觀眾與演員之間的距離變化大。為防止回聲，后墻通常都做吸聲處理，導(dǎo)致后排的聲能嚴重不足，必須借助于電擴聲。在正常情況下，主揚聲器應(yīng)安放在臺口的上方。此時，聲源已不在舞臺面，各反射面應(yīng)該如何處理？
1993 年國家大劇院籌備辦和清華大學(xué)建筑系共同對十多個劇場做了測試，通過數(shù)據(jù)分析，尋找在劇場中聲壓級的實際分布情況。當(dāng)時的實驗是在舞臺上設(shè)置一個12面體作為聲源，得到的觀眾廳聲壓級的分布情況與賽賓公式基本相符。但由于舞臺空間和挑臺的影響也帶來了一些差異，在電擴聲為主的情況下，聲源將是舞臺口上方的揚聲器，那將會得到怎樣的結(jié)果？目前在許多設(shè)計中，天棚的反射面仍以舞臺的聲源為主來設(shè)計，這些情況應(yīng)該做些研究和探討。
四、關(guān)于降噪
1、空調(diào)機房、風(fēng)機房等應(yīng)遠離觀眾廳上述設(shè)備房如確需與觀眾廳隔墻設(shè)置時,應(yīng)增加該部分墻體的隔聲措施,并在空調(diào)機房、風(fēng)機房內(nèi)部做吸聲降噪處理,以及為機器做良好的隔振減振措施。個別有一定噪聲的空調(diào)通風(fēng)設(shè)備、設(shè)施如需安置(或吊裝)在放映機房或辦公、大堂等區(qū)域時,除應(yīng)有良好的減振措施外,還應(yīng)為上述設(shè)施制作隔聲罩,但絕對不允許安裝在觀眾廳空間范圍內(nèi)。
2、通風(fēng)管道的降噪措施
空調(diào)通風(fēng)管道、消防排煙管道等不能串廳布設(shè)；要控制管道和進、出口的風(fēng)速不能過高；通風(fēng)主管道應(yīng)增加多節(jié)必要的消聲設(shè)施,以衰減借助通風(fēng)管道傳入觀眾廳的主機噪聲。觀眾廳內(nèi)部,建議使用高分子材料的空調(diào)通風(fēng)管道。
3、其它管道的噪聲控制
像雨水管、落水管等經(jīng)常有水流流動的管道,應(yīng)盡量避免在觀眾廳內(nèi)部空間布設(shè)。如果房屋結(jié)構(gòu)中已布設(shè)了雨水管、落水管等,而且無法移動,就要求將上述水管(尤其立管部分)做旋流處理以及必要的隔聲處理。
4、要注意處理好樓板撞擊噪聲
如果觀眾廳樓板上方是營業(yè)用的舞廳、歌城等能發(fā)出很強撞擊噪聲的場所,要考慮增加一定的減振隔聲措施。除在樓板敷貼減振材料以及吊頂增加吸聲材料以外,必要時還可增加彈簧隔聲吊頂?shù)取５槍Ψ浅娏业淖矒粼肼?還要考慮到圍護隔墻的固體噪聲傳遞影響。因為沒有任何隔振措施的磚混結(jié)構(gòu),其撞擊聲的理論值衰減量只有0、02~0、20dB/m。
5、注意孔洞與隙縫產(chǎn)生的透聲
由于聲波的衍射作用,圍護結(jié)構(gòu)的空洞和隙縫對隔聲效果影響很大。有數(shù)據(jù)表明,孔洞面積占整片圍護結(jié)構(gòu)面積1%時,結(jié)構(gòu)隔聲量不會超過20dB。而且孔洞與隙縫的面積越大,透聲頻率越低。所以,施工中要特別注意觀眾廳分隔墻的孔洞與隙縫的封堵問題。
五、劇場建筑聲學(xué)中應(yīng)注意的問題
白瑞耐克教授認為:一個音樂廳的聲學(xué)特性取決于音樂廳的室內(nèi)容積、內(nèi)部體形、室內(nèi)表面材料的密度、座椅的類型和材料、地毯及觀眾席的面積。劇場的聲學(xué)特性也是如此，為實現(xiàn)劇場的基本功能要求,下述幾個問題必須注意:
劇場的內(nèi)部平面形狀或稱體形,是劇場設(shè)計首先遇到的一個基本問題,也是決定音劇場聲學(xué)效果的一個重大問題。體形選擇得當(dāng),事半功倍。體形選擇不當(dāng),劇場就有先天缺陷,很難彌補。音樂廳的內(nèi)部平面形狀,有長方形、扇形、六角形、圓形、橢圓形、多邊形、梯田山谷形、馬蹄形等。在這幾種體形中,有些形狀是不宜用于劇場的建設(shè),如扇形。從現(xiàn)在已建成的音樂廳來看,至今沒有發(fā)現(xiàn)扇形音樂廳的聲學(xué)性能是令人滿意的。此外如橢圓形、圓形,在音樂廳聲學(xué)設(shè)計上,也忌諱采用這種形式。從聲學(xué)性能上來說,體形最佳的是長方形。
根據(jù)混響時間的賽賓公式,混響時間與二個因素相關(guān):室內(nèi)容積和室內(nèi)總吸聲系數(shù)。據(jù)世界上8個最佳的音樂廳統(tǒng)計:平均座位數(shù)為1950個,平均室內(nèi)容積為17,400立方米,平均滿座混響時間為1.9秒。À照此計算,平均每座的室內(nèi)容積為8.923立方米。因此,每座室內(nèi)容積取8-10立方米是合適的。這個指標,目前修建的音樂廳,多數(shù)是可以達到的。
現(xiàn)在修建劇場中,最易發(fā)生問題的是室內(nèi)墻面材料,天花板材料的使用,即白瑞耐克教授所說的室內(nèi)表面材料的密度。為什么他用“密度”這個詞呢?因為對室內(nèi)表面材料來說,關(guān)鍵是它的吸聲系數(shù)。通常,密度越小的材料越吸聲,吸聲系數(shù)越大；而密度越大的材料越不吸聲,吸聲系數(shù)較小?，F(xiàn)在許多人認為劇場的內(nèi)裝修材料應(yīng)該用木材,甚至認為,木材用得越多,聲音越好。這種說法,至今沒有找到充分的理論依據(jù)。與此相反的是,最好的劇場,維也納金色大廳墻和天花板都是鋼絲網(wǎng)泥灰,僅舞臺四周是用中等厚木板；波士頓交響樂大廳則除舞臺罩是2厘米厚的木板外,墻和天花板均為鋼絲網(wǎng)泥灰；阿姆斯特丹音樂廳則全部墻和天花板均用鋼絲網(wǎng)泥灰。bk現(xiàn)在的許多木質(zhì)內(nèi)裝修,主要是用背后做龍骨,上面裝木工裝飾板的做法。這種背后有空隙的薄木板,是一種低頻吸聲器,是許多現(xiàn)代劇場混響時間偏短,特別是缺乏低頻反射的重要原因。
六、結(jié)束語
總之，在劇場的建設(shè)中，建筑聲學(xué)的應(yīng)用使其效果達到了最佳的效果。在設(shè)計及其整體規(guī)劃時，就應(yīng)對其聲學(xué)效果進行規(guī)劃，保證其建成后的聲學(xué)效果達到最佳。
參考文獻：
[1]華天.劇場建設(shè)中的建筑聲學(xué)問題.音樂藝術(shù)(上海音樂學(xué)院學(xué)報).2013年3月，第2期，16-18.
聲波是聲音的傳播形式。物體振動在空氣中或在其他介質(zhì)中的傳播叫做聲波。聲波借助各種介質(zhì)可以向四面八方傳播。聲波是一種縱波，它是彈性介質(zhì)中傳播著的壓力振動。但是在固體中傳播時，它也可以同時有縱波和橫波。
聲波可以理解為介質(zhì)在偏離平衡態(tài)時的小擾動的傳播。在這個傳播過程中只有能量的傳遞，而不會發(fā)生質(zhì)量的傳遞。如果擾動量比較小，那么聲波的傳遞過程滿足經(jīng)典的波動方程，是線性波。如果擾動很大，那么聲波的傳遞就不再滿足線性的聲波方程，會出現(xiàn)波的色散和激波。在本課題中，我們的研究對象是小擾動的傳播，即滿足經(jīng)典波動方程的線性波。
2 聲學(xué)傳感器
聲學(xué)傳感器是一個可以接收聲波并且能夠把聲信號轉(zhuǎn)換成電測儀器能夠識別的電信號的裝置，從而使得不易被測量的聲學(xué)量能夠很容易被測出，也使得聲波被人們更為廣泛的研究和利用。
聲學(xué)傳感器的原理就是聲電轉(zhuǎn)換，即把不易測量的聲音信號轉(zhuǎn)換成為容易被電測儀器測出的電信號。目前應(yīng)用最多的聲學(xué)傳感器主要有動圈式、壓電陶瓷式和電容式三大類，其他類型的，如果細分的話，也都屬于這三大類之中。下面一節(jié)中，會具體介紹這三種聲學(xué)傳感器的原理，在此不再贅述。
3 聲學(xué)傳感器的前置放大電路
聲學(xué)傳感器的前置放大電路，是一種專門為聲學(xué)傳感器的輸出信號而設(shè)計的放大設(shè)備。通常，人們習(xí)慣將聲學(xué)傳感器的前置放大電路直接簡稱為“前置放大器”，專門用來處理電平較低、音質(zhì)比較脆弱的聲學(xué)傳感器的輸出信號。
由于聲學(xué)傳感器可以分為動圈式、壓電陶瓷式、電容式等多種不同類型，且其輸出的信號在電平和阻抗水平上也有很大的差別，因此，前置放大器在設(shè)計上也有很多種不同的造型和尺寸。我們在選擇前置放大器時，除了要鑒別音質(zhì)水平之外，還應(yīng)該特別注意其在多種不同的應(yīng)用條件下對信號一致性的保持能力。
市場上可以見到的前置放大器有很多，它們大致可以分為兩類，一類是電子管前置放大器，另一類是晶體管前置放大器。由于數(shù)字音頻信號是離散的信號，與連續(xù)的模擬音頻信號相比，聲音聽起來有一些硬，電子管的特性就是可以呈現(xiàn)出溫暖的音色，所以近年來選用電子管前置放大器的用戶逐漸多起來，電子管前置放大器會使原來聽起來比較生硬的數(shù)字聲音變得溫暖許多。當(dāng)然，電子管前置放大器呈現(xiàn)的溫暖音色特性不一定適合對所有聲音的加工，要根據(jù)聲音特點的不同或者個人的喜好來選擇是否用電子管前置放大器。
4 三種聲學(xué)傳感器的原理
4.1 動圈式聲學(xué)傳感器的原理
電磁感應(yīng)現(xiàn)象：閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，我們把這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流就叫做感應(yīng)電流。
動圈式聲學(xué)傳感器就是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的。如圖1所示，當(dāng)聲波使最右邊的膜片振動時，連接在膜片上面的線圈會隨著膜片一起振動，而音圈的振動又是發(fā)生在永久磁鐵的磁場里，其中就產(chǎn)生了感應(yīng)電流，也就把聲音信號轉(zhuǎn)換成了電信號。其中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小和方向都在變化，變化的頻率由聲波振動的頻率決定，變化的振幅由聲波的振幅決定。
4.2 壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器的原理
壓電效應(yīng)是指一些電解質(zhì)在受到某一個方向的外力作用發(fā)生形變時，由于內(nèi)部電荷有極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生出電荷的現(xiàn)象。
由于有壓電效應(yīng)，壓電陶瓷能夠直接將非電量轉(zhuǎn)換為電量，同時，壓電陶瓷的壓電常數(shù)可以通過調(diào)整配方組成或者改變陶瓷片組合的方式而得到大幅度的提高，從而可有效的提高它的靈敏度。
壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器就是利用壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，把應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電壓輸出的裝置，如圖2所示。壓電陶瓷片是其中關(guān)鍵的部件，從信號變換角度看，這里壓電陶瓷片相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器。
壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器是由把外力傳遞給壓電陶瓷的力學(xué)系統(tǒng)、壓電陶瓷片以及將電荷傳遞給測量儀表的測量電路三個部分組成。其中，力學(xué)系統(tǒng)是用來安裝和固定壓電陶瓷的支架部分，由該部分直接和外界接觸，當(dāng)受到外力的作用時，支架和壓電陶瓷一起發(fā)生形變。壓電陶瓷由形變產(chǎn)生電荷輸出，然后測量線路會把電荷變換為電壓輸出。
壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、功耗小、壽命長，尤其是它具有很好的動態(tài)特性，因此非常適合有很寬頻帶的周期性作用力以及高速變化的沖擊力。
4.3 電容式聲學(xué)傳感器的原理
電容式聲學(xué)傳感器是將被測的非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。
電容式傳感器是把被測量的機械量，例如位移、壓力等轉(zhuǎn)化為電容量變化的傳感器。它的敏感部分是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行的電極組成、極板間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略電容器的邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為εS/d，式中的ε是極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S是兩個極板互相覆蓋的有效面積，d是兩個極板之間的距離。d、S、ε三個參數(shù)中任意一個發(fā)生變化都會引起電容量的變化。因此電容式傳感器可以分為極距變化型、介質(zhì)變化型和面積變化型三類。其中，極距變化型電容式傳感器通常用于測量微小的線位移或者由于力、壓力、振動等引起的極距變化。介質(zhì)變化型一般用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測量。面積變化型電容式傳感器常用于測定角位移或者比較大的線位移。
關(guān)鍵詞： 管線探測； 參量陣淺剖儀； 信號預(yù)處理方法； 差頻轉(zhuǎn)換效率
中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0047?04
Abstract： Nonlinear principle of acoustic wave propagation is applied to the nonlinear acoustic parametric array， and the high directivity low frequency sound wave is obtained by a small size transducer. Low frequency sound wave is great significance for shallow stratum information detection. A parametric array sub?bottom profiler is designed with Berktay nonlinear self?demodulation parametric array principle， and the signal preprocessing method is studied to improve the disadvantage of low parametric array difference frequency conversion efficiency. The Matlab simulation experiments prove that the performance of difference frequency conversion is improved by the signal preprocessing method.
Keywords： pipeline detection； parametric array sub?bottom profiler； signal preprocessing method； difference frequency conversion efficiency
0 引 言
伴隨我國對海洋資源的日漸渴求，海洋工程建設(shè)與日俱增，用于資源輸送的掩埋管線的架設(shè)與維護依賴于對海底淺地層信息的探測。基于線性聲學(xué)原理的傳統(tǒng)地質(zhì)探測，聲納采用較低的工作頻率，一方面減少海水對聲波的吸收；另一方面使低頻聲波穿透海底沉積層，并達到一定的深度，進而實現(xiàn)對淺地層信息的探測。但是線性低頻聲納的波束較寬，徑向分辨率很低，非常容易受到海面回波的干擾，且因為寬波束造成的側(cè)向回波與正向回波時延相差很大，使得界面混響大幅度降低了設(shè)備的軸向分辨率，而如果采用高指向性低頻波束，換能器的尺寸會十分龐大，工程應(yīng)用十分不便。
非線性聲學(xué)參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波（即差頻波），并且具有低旁瓣，相對帶寬展寬的特點，非常適合于海底沉積層結(jié)構(gòu)和淺地層掩埋管線的探測。鑒于非線性聲學(xué)參量陣的優(yōu)點，本文設(shè)計了一款用于海底淺地層掩埋管線探測的參量陣淺剖儀。雖然聲學(xué)參量陣具有諸多優(yōu)點，卻是以犧牲發(fā)射功率為代價，以很低的差頻轉(zhuǎn)換效率得到高指向性低頻聲波，所以，本文通過研究發(fā)射信號的預(yù)處理方法來提高參量陣的差頻轉(zhuǎn)換效率。
1 非線性聲學(xué)參量陣原理
1.1 非線性聲學(xué)參量陣
在介質(zhì)中，由換能器發(fā)射兩個頻率較為接近的共軸高頻聲波，分別為和（假定），稱為原頻（Primary Frequency）。在原頻波共同覆蓋的區(qū)域，由于聲波之間的非線性作用，產(chǎn)生了差頻為的低頻聲波（Difference Frequency），對于共軸的高頻原頻波，差頻波如同一個沿原頻波軸向連續(xù)分布的虛源線陣，其陣長決定于介質(zhì)對原頻波和差頻波的吸收。
1.2 Berktay寬帶自解調(diào)參量陣
Westervelt提出的線源參量陣理論是考慮兩個單獨的高頻原頻波產(chǎn)生的差頻信號，Berktay在其基礎(chǔ)上對寬帶信號作為原頻波的情況進行研究，提出寬帶自解調(diào)參量陣，即使用幅度調(diào)制的原頻波來產(chǎn)生差頻信號。
實際的參量陣聲納制作不會采用Westervelt線源雙頻參量陣發(fā)射兩個雙頻信號，本文利用Berktay寬帶自解調(diào)參量陣理論，設(shè)計一款參量陣淺剖儀。從式（6）結(jié)論可知，合適的包絡(luò)信號對獲得的差頻聲壓大小有顯著影響。
2 參量陣淺剖儀的設(shè)計
本文設(shè)計的參量陣淺剖儀由干端和濕端兩部分組成。濕端由嵌入式信號處理機（DSP）、原頻發(fā)射機、原頻接收機、差頻接收機及收發(fā)合置換能器組成。干端由顯示控制計算機和48 V直流穩(wěn)壓電源組成。干端、濕端通過以太網(wǎng)通信，由水密電纜相連。
系統(tǒng)初始化后，由計算機控制嵌入式信號處理機產(chǎn)生調(diào)制原頻波信號，經(jīng)過驅(qū)動后直接驅(qū)動功率放大器，再由輸出變壓器輸出至匹配電路，為保證差頻信號有足夠的帶寬，匹配電路具有寬帶特性及在帶寬內(nèi)平坦響應(yīng)，通過收發(fā)合置換能器輻射原頻波。
原頻通道既具有測深功能，又是差頻通道TVG補償?shù)囊粋€重要起始時間點，通道最大增益為80 dB；具有TVG控制。差頻接收通道采取無源低通濾波，對原頻的衰減需大于80 dB。差頻通道的無源濾波是為了充分濾除原頻信號，避免原頻信號在接收機中由于電路的非線性而產(chǎn)生差頻信號而引起的干擾；通道最大增益為110 dB，具有TVG控制。
信號處理機以TMS320F28335為核心，負責(zé)發(fā)射信號形成、原頻信號處理及差頻信號處理，將處理結(jié)果通過以太網(wǎng)發(fā)送至干端的顯示控制計算機，原頻信號采用帶通采樣，差頻信號通過直接采樣的方法，采樣頻率為100 kHz。一路原頻A/D輸入，只需要檢波處理；一路差頻A/D輸入，進行脈沖壓縮處理；兩路D/A輸出，分別給原頻和差頻TVG控制，差頻的TVG控制由原頻檢測信號控制。
濕端電源由干端直流供電，直流電源的電壓為48 V，供電電流最大為2 A。濕端所需的各種電壓采用DC/DC變換產(chǎn)生，發(fā)射機直接由48 V供電。發(fā)射機發(fā)射時的瞬時能量由儲能電容供給。
利用單邊帶調(diào)幅調(diào)制原頻波自解調(diào)到的差頻波比雙邊帶調(diào)制節(jié)約了帶寬，顯著節(jié)省了功率，不存在諧波失真，提高了轉(zhuǎn)換效率，與平方根法相比工程容易實現(xiàn)。
4 信號預(yù)處理仿真實驗
通過分析三種方法自解調(diào)產(chǎn)生的差頻聲壓可知：
（1） 平方根法以最低的調(diào)制信號強度產(chǎn)生了與其他兩種方法同數(shù)量級的差頻聲壓強度，但是平方根法工程物理實現(xiàn)困難。
（2） 從圖4與圖6的對比，可知同數(shù)量級的調(diào)制信號強度，雙邊帶調(diào)制法產(chǎn)生的差頻聲壓是單邊帶調(diào)制法的100倍，但從式（9）可以看出，雙邊帶調(diào)制法得到的差頻聲壓與包含在差頻中的二次諧波聲壓存在1500的關(guān)系，所以單邊帶調(diào)制法產(chǎn)生的差頻波強度約為雙邊帶 調(diào)制法的5倍。
綜上所述，可以通過單邊帶調(diào)制法提高參量陣淺剖儀的差頻轉(zhuǎn)換效率，節(jié)約功率和帶寬。
5 結(jié) 語
非線性聲學(xué)參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波，本文利用Berktay寬帶自解調(diào)參量陣原理設(shè)計了一款參量陣淺地層剖面儀，針對參量陣淺剖儀差頻轉(zhuǎn)換效率較低的缺點，提出了通過信號預(yù)處理方法提高差頻轉(zhuǎn)換效率，節(jié)約功率和帶寬，對改善淺剖儀性能具有指導(dǎo)意義，參量陣淺剖儀輕便實用，具有重要的工程意義。
參考文獻
李頌文.參量陣及其在水聲工程中的應(yīng)用進展.聲學(xué)技術(shù)，2011，30（1）：13?14.
LOUBET G， VIAL F， ESSEBBAR A， et al. Parametric transmission of wide?band signals // Conference Proceedings on OCEANS′ 96 MTS/ IEEE： Prospects for the 21st Century. Fort Lauderdale： IEEE， 1996， 2： 839?844.
劉圣軍.聲學(xué)參量陣技術(shù)研究.長沙：國防科技大學(xué)，2008.
WESTERVELT P J. Parametric acoustic array . The Journal of the Acoustical Society of America， 1963， 35（4）： 536?540.
欒桂冬.壓電換能器和換能器陣.北京：北京大學(xué)出版社，1990.
錢祖文.非線性聲學(xué).北京：科學(xué)出版社，1992.
BERKTAY H O. Farfield performance of parametric transmitters . The Journal of the Acoustical Society of America， 1974， 55（3）： 540?545.
樊昌信，曹麗娜.通信原理.北京：國防工業(yè)出版社，2012.
