国家大剧院建筑声学分析
装饰学院建筑系筑
摘要：本文主要介绍了国家大剧院建筑声学设计中的一些创新应用，包括“蛋壳”底层喷涂纤维素防止雨噪声、戏剧场的MLS声扩散墙面、音乐厅GRG声扩散装饰板、歌剧院金属透声装饰网、歌剧院木装饰板顶棚的混凝土覆层、舒适的观众厅声学软座椅、座椅下送风静音均流风口、录音室“房中房”弹簧减振隔声结构、Z型轻钢减振龙骨轻质隔声墙、音乐厅的单侧透明隔声玻璃等。
1 前言
国家大剧院位于北京人民大会堂西侧，总建筑面积15万平方米。主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部2416座的歌剧院、2017座的音乐厅、1040个座的戏剧院、公共大厅及配套用房组成。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，东西长210米，南北长140米，高46米，地下部分深-32.5米。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，入口和通道设在水面下。
国家大剧院举世瞩目，她是我国科技实力和综合国力的充分体现，也是我国文化艺术事业受到高度重视和飞速发展的标志。国家大剧院不但建筑形式、建筑结构、建筑设备等方面新颖独特，在建筑声学上也有很多创新应用。国家大剧院的建筑声学主设计为法国CSTB研究所。
2 “蛋壳”底层喷涂纤维素防止雨噪声
国家大剧院的4万m2“蛋壳”屋盖非常巨大，为减轻结构荷载，采用了钛金属为装饰面的轻型屋盖。存在的一个问题是：降雨时，室内会受到雨点撞击金属屋面所产生的雨噪声干扰。在清华大学建筑物理实验室进行了该屋盖结构的空气声隔声和雨噪声隔绝实验研究，在进行大量实验数据分析的基础上，创造性地提出在屋盖底层采用纤维素喷涂防止雨噪声的方案，并最终得到了应用实施。即在屋盖板下，喷涂一层25mm厚的K-13纤维素喷涂吸声材料。
实验显示，未喷涂纤维素前，屋盖空气声隔声量最高只能达到Rw=37dB。喷涂后，屋盖的空气声隔声性能可提高到Rw=47dB。在雨强1mm/min的大雨下，雨击隔声量可达到Lpn,w=40dB，估算大厅室内噪声小于25dB(A)。
纤维素喷涂能够大大提高屋盖隔声性能的主要原因是：一、纤维素均匀喷涂附着在屋盖底的2mm厚钢板上起到了一定的声阻尼作用，改善了钢板本身的振动
模式，较大提高了中低频的隔声性能。二、纤维素为密实颗粒状粘稠材料，喷涂后起到了良好密封作用。
另外，纤维素喷涂材料具有良好的吸声性能，据检测，25mm厚纤维素喷涂层降噪系数NRC达到0.75。国家大剧院的屋盖经纤维素喷涂后,大厅内混响明显降低,语言清晰度明显提高。另外,纤维素喷涂还具有良好的保温隔热作用,建筑节能效果明显。纤维喷涂吸声材料在国外已有20多年的使用历史，但在国内，国家大剧院工程首次大规模应用。因其良好的声学、环保、防火、粘着力强、易于施工等特性，必将广泛地被体育、文化等大型建筑场所采用。
2.1国家大剧院的钛屋面板
2.2 屋盖雨噪声的实验室测试系统示意图
3 戏剧场的MLS声扩散墙面
戏剧场观众厅墙面采用了MLS设计的声扩散墙面，看上去象凸凹起伏的、不规则排列的竖条，目的是扩散、反射声音，可保证室内声场的均匀性，使声音更美妙动听。MLS称为最大长度序列，是一种数论算法，其扩散声音的原理是，声波到达墙面的某个凹凸槽后，一部分入射到深槽内产生反射，另一部在槽表面产生反射，两者接触界面的时间有先后，反射声会出现相位不同，叠加在一起成为局部非定向反射，大量不规则排列的凹凸槽整体上形成了声音的扩散反射。MLS 扩散墙面的设计需要进行数学计算，并在声学实验室中测量设计方案的效果。
图3.1 MLS 扩散体示意图
戏剧场MLS墙面的凹槽深度15cm,每个凸起或凹陷的单元宽度约20cm，面层为约4cm厚的木板外贴粉红色装饰布，凸起单元内部填充高密度岩棉。其热烈夺目的视觉氛围和神秘十足的声学造型，为戏剧场增添了令人遐想的艺术效果。
4 音乐厅GRG声扩散装饰板
一个世纪以来，大量的音乐厅设计实践，使声学家们认识到声扩散的重要性。研究显示，众多被世界公认音乐厅的音质效果，如维也纳金色大厅，均得益于墙面上的浮雕和顶面上的藻井造型所形成的扩散反射。音乐厅的顶棚和墙面采用了平均厚度达到4cm的GRG（增强纤维石膏成型板）。顶棚上的GRG装饰有看似凌乱的沟槽，侧墙GRG为起伏的表面，目的在于扩散反射声音。平面反射的声音类似于镜子，会因局部声音强烈反射影响音质，扩散反射类似于被磨毛的乌玻璃，声音反射更加均匀、柔和。另外，厚重的GRG板能够有效地防止低频吸收，增强厅内的低频混响时间，使低音效果（如管风琴、大管、大提琴等）更加具有震撼力和感染力。舞台侧墙上采用了类似于歌剧院墙面的栅状间隔的MLS扩散墙面，能扩散反射来自演奏台的声音，保障演出者之间具有良好的自我听闻和相互听闻，有利于乐队更好地发挥表演水平。
5歌剧院金属透声装饰网
长久以来，剧院的体型问题使设计师苦恼。长方的体型有利于反射声音，音质最好，但视觉效果太古板；而椭圆的体型会使声音聚焦，音质难于控制，但有曲线的优美视觉效果。国家大剧院的歌剧院墙面上使用了一种透声装饰网，完美地解决室内视觉效果和听觉效果之间的矛盾问题。这是一种金色网子，看上去象优美的墙，但可以透过声音。网是弧形的，声音透过去后的墙是长方形的，这样就使视觉为弧形，而听觉为长方形，一举两得。这种网的设计在世界上是第一次。
为了保证金属透声网透声的效果，并防止与大音量的剧场扬声器发生共振出现“哗啦啦”的颤响，网面大面积施工前先安装了20m2左右的实验墙面，并经过了严格的声学测试。
6 歌剧院木装饰板顶棚的混凝土覆层
歌剧院的顶棚是实木板拼接装饰顶棚，配合大型的椭圆形灯带，在侧墙金色网的辉映下，显得金碧辉煌，古典而别致。为了防止顶棚因木板产生的不良低频吸收，以顶棚为模板，在其上密质地浇灌了一层4cm厚度的混凝土，增加了重量，提高了低频反射效果。
7 舒适的观众厅声学软座椅
国家大剧院的软座椅，采用了人体工程学设计，外形优美，安坐舒适。而且，软座椅还具有重要的吸声作用。观众厅内大量的观众所形成的吸声量是不容忽视的，为了控制室内吸声，座椅吸声系数必须符合设计要求，
座椅的聚氨酯内填料、织物面料、软垫的面积、软垫的厚度等都经过了严格的设计，一方面达到了观众厅吸声的设计要求，另一方面坐人时和不坐人时具有相同的吸声系数，保证观众厅的室内，在空场、满场、部分上座率等不同观众人数时，具有基本一致的室内声学效果。座椅批量生产前，预先制作了18把样椅，在清华大学建筑物理实验室进行了坐人和空椅的吸声实验，根据实验结果，再进行座椅的调整和改进，直到实验数据满足了声学要求后，正式的座椅生产才开始进行。
8 座椅下送风静音均流风口
国家大剧院观众厅每个座椅下有一个送风口，采用了座椅下送风，属于“下送上回”的置换送风方式。与常规的“上送下回”的顶棚送风方式相比，置换送风的优点在于，一方面每个风口有针对性地向人体周围送风，使得送风均匀、风量平衡，另一方面。重点保障人体周围的舒适温度，避免了能量在巨大空间中的耗散，对节能非常有利。
