國家游泳中心ETFE膜的聲學難題破解之道
“水立方”上共有內外兩層氣枕，是國際上建筑面積最大、功能要求最復雜的膜結構系統(tǒng)。以膜為頂的“水立方”，在下雨時雨點落到膜上，室內的雨噪聲會不會很大？墻上的膜能否阻隔外部的聲音，保持室內相對安靜？膜的吸聲能力是否足以保證將室內的混響時間控制在一定范圍內，使廣播的 聲音清晰可聞？“水立方”的膜結構在建筑聲學方面會帶來怎樣的難題呢？
據清華大學城市規(guī)劃設計研究院聲學研究所所長石慧斌和工程師金迪鋒介紹，在國際上已有建筑使用氣枕的先例，不過一般只有兩層ETFE膜，而“水立方”的氣枕達到了3－4層膜，內外兩個氣枕就有6－8層膜。多層彈性膜充氣后，聲反射的變化可不像膜的層數增加那樣簡單。而且，由于“水立方”膜的大小不同、厚薄不一，又給建筑聲學帶來了一系列不可預知的因素。
“聲閘”隔聲，創(chuàng)造良好的實驗環(huán)境
ETFE膜的聲學特性主要從雨噪聲的傳遞、隔聲和吸聲這三個方面進行研究。
為了更好地進行實驗，研究人員專門建造了一個實驗室。實驗室的外型看上去有點像一個六邊形的“塔”，面積有30多平方米。六邊形模仿的是“水立方”上鑲嵌膜的多邊形金屬框架的形狀，“塔”內部是放置儀器和研究人員工作的地方，站在塔里抬頭望去，ETFE膜制成的氣枕覆蓋了整個頂部。氣枕是三層膜的，共有兩個，按上下分布，氣枕間有4米的間距，這和“水立方”內外兩層氣枕的情況基本一致。
為了保證實驗不被外界的聲音所打擾，和普通建筑的墻壁相比，實驗室的墻要厚得多，達到370毫米，可以隔55分貝的聲音。但實驗室的門是玻璃的，隔聲能力相對薄弱，于是研究人員在門外面建了一個小房間，術語稱為“聲閘”，“聲閘”保證了入口的隔聲能力，為室內創(chuàng)造了良好的實驗環(huán)境。
在實驗室內部，為了保證聲場的均勻，原本應該是呈直線水平狀的墻體，被做成了起伏不斷的三角形。這是因為如果墻呈直線水平的話，聲音打到墻上時會沿著比較一致的方向反射回來，使兩面墻之間某一區(qū)域的聲音強于其他部分，造成聲場不均。而將墻做成起伏不斷的三角形狀后，聲音打到墻上時，就可以將聲音的反射方向打亂，使聲音均勻分布。
實驗之前，科研人員專程走訪氣象部門了解北京降雨的情況。據氣象部門分析，2008年奧運會期間大概有4次暴雨的可能，研究人員還對暴雨滴的粒徑和末速度進行了分析。末速度是雨水快要接近地面時的速度，通過分析和實驗科研人員了解到，用來模擬降水用的水箱高度離膜的距離為8米時，水箱中水滴的末速度達到自然雨的末速度的95％，而水箱的高度為12米時，二者末速度十分接近。最終，研究人員選擇了在實驗室上層氣枕上方8米的高度安放水箱，這個高度制造的人工雨和自然雨的情況十分接近，而且便于操作。開始，實驗用的水箱體積較小，為達到最接近自然雨的真實效果，水箱也調整到與膜一樣大小。
隨著實驗條件的準備不斷充分，實驗也拉開了帷幕。
阻尼材料消除“打鼓”噪聲
在模擬雨系統(tǒng)制造降雨的同時，實驗室內的研究人員開始通過儀器接收頭頂上方由“雨點”撞擊膜的聲音。實驗之初結果很不理想，頭頂傳來的噪聲達到80多分貝，比我們平時面對面談話的正常音量———60－70分貝多了10多分貝。如果頭頂一直在“敲鼓”，人在實驗室中對話，對方根本無法聽清。在奧運會比賽時這種情況肯定是不允許出現(xiàn)的。為了減小雨噪聲的影響，研究人員進行了各種實驗，他們發(fā)現(xiàn)，在膜上覆蓋阻尼材料是最有效的辦法。
所謂“阻尼”就是指振動能量隨時間或距離而損耗的現(xiàn)象。充氣之后的ETFE膜，就像一面鼓一樣，彈性很大。平時我們敲鼓，直接打擊鼓面聲音會很響，但如果在上面放上類似毛毯之類的物品，由于彈性減小了，打擊的聲音也會隨之大為減小。阻尼材料的作用就像毛毯一樣。
覆蓋在ETFE膜上的是一種叫做“texlon”的阻尼材料，它原本是不透明的，不過在加工成網狀結構之后，就有了半透明的效果。阻尼材料減小了雨滴對膜的沖擊，材料上的網眼還可以將雨滴的粒徑減小，也在一定程度上減小了降雨引起的噪聲。
在膜上覆蓋阻尼材料的同時，研究人員還采取了其他的措施，比如將氣枕膜的數量增加到4層，在兩個氣枕之間的空間內放置透明的陽光板，增加隔聲的能力。除此之外，研究人員還在膜上覆蓋了不透明的橡膠墊和厚重的毛毯來實驗防止雨噪聲的能力。盡管這些方法有的未必被采用，但詳實數據的獲得，可以為以后的決策提供更加全面的依據。
“膜”加“板”提高隔聲性能
隔空氣聲性能是ETFE膜聲學性能測試的一個重要內容。研究人員說，“水立方”的外圍護結構是內外兩層氣枕，如果有個人站在圍護結構外說話，里面的人是否能聽到？這就要看氣枕的隔空氣聲能力了。如果圍護結構的隔空氣聲性能好，能達到40－50分貝，里面是聽不到的，如果隔聲不好，里面就能隱約聽到外面的說話聲，對里面的人會有一定的干擾。
研究人員在實驗室外使用揚聲器對膜發(fā)聲，然后實驗室內的人通過儀器接收傳過來的聲音。通過測試發(fā)現(xiàn)，如果不采取任何措施、只放兩個三層膜氣枕的話，隔空氣聲能力較差，如果將膜加到4層，或在氣枕間加一層密實的陽光板，其隔空氣聲能力會有所提高。
“聲學大廳”控制混響時間
研究人員測試了單層氣枕、雙層氣枕等各種情況下吸聲的性能，結果發(fā)現(xiàn)如果只有一層氣枕的話，吸聲系數還是不錯的。但隨著氣枕個數和膜的層數的增加，吸聲系數卻越來越差，如果是兩個三層氣枕的話基本不吸聲，這是因為氣枕越多，隔聲性能就越好，聲音就越不容易穿過去，所以聲音會反射回來，反射的能量多了，吸收的就少了的原因。如果材料不吸聲，會使室內的混響時間增長；如果是表面反射性能比較強，混響聲延續(xù)的時間就比較長，有余音繞梁之感。在這樣的環(huán)境內講話，語言清晰度會大大下降？刂苹祉憰r間的措施之一，是在室內布置一定數量的吸聲材料。加了吸聲材料后，可以使建筑內的混響時間縮短，里面說話的聲音就可以比較清晰，使比賽時廣播播放成績或通知的聲音清晰暢達。
解決吸聲問題，就要將混響時間控制在一定范圍內，研究人員決定用在室內安裝吸聲材料的方法。但應該將這些吸聲材料放在哪兒？怎么放？為此，研究人員又開始了“水立方”聲學大廳的設計。“水立方”比賽大廳的聲學設計，主要目的是將大廳的混響時間控制在一定范圍內。因為“水立方”比賽大廳的空間很大，聲音來回反射一次需要很長時間，所以，研究人員計劃將混響的時間控制在2．5秒以內。這個看似簡單的目標，卻給研究人員帶來了很大的難題。
增大吸聲面積，安裝吸聲性能高的材料
室內聲學設計來說，游泳館可以說是難度最大的。石慧斌說，水面對聲音而言是硬反射材料，水池邊的地面一般也是硬質材料，這些硬質鏡面材料對聲音的反射非常厲害。更何況，“水立方”又不是一般的游泳館，它是一座被膜“包”起來的游泳館。
如果能用吸聲材料將整個比賽大廳封閉起來，控制混響時間就很好辦。但是吸聲材料一般是不透明的，這和ETFE膜設計的透視要求是相矛盾的。而且一開始科研人員并不知道ETFE氣枕的吸聲系數，因此也就無法得知應該布置多少吸聲材料才能滿足吸聲要求，只有通過測試才能解決這個問題。
另外，體育館的容積一般為幾萬立方米，而“水立方”比賽大廳的容積達到28萬立方米，對這么大的體育館進行聲學設計，難度很大。研究人員制訂的技術方案，根據經驗是可行的，但為了保險起見，在場館基本建成后，還需要到現(xiàn)場去進行驗證再進行改進。那么，研究人員是采取什么辦法來增加吸聲量呢？
在了解了ETFE氣枕的基礎數據之后，研究人員根據以往的經驗尋找到了吸聲系數較高的材料，這種材料的吸聲系數能夠達到0．8以上。然后研究人員又在比賽大廳內盡可能地尋找安裝吸聲材料的地方，以滿足吸聲的需要。為此，研究人員可謂想盡辦法。
他們將“水立方”鋼結構上安裝ETFE膜的夾具加寬，在底下做一些吸聲面積安裝吸聲材料。因為鋼結構是不透明的，所以安裝吸聲材料不會影響透視效果。另外在體育館的上方有檢修燈具的馬道，總長度達到600米左右，研究人員還計劃在它的底部和兩側安裝吸聲材料，增大吸聲面積。在“水立方”原來的設計中，天花板部分是全部透明的，但這樣會使吸聲面積過小，所以研究人員將觀眾席臨時看臺上方的天花板改成了不透明的，以便安裝吸聲性能高的材料。
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