為什麼體育場館需要聲學設計
曹孝振 中國建築設計研究院 教授級高工
來源：北京維也納聲學技術有限公司
近年來，特別是成功申辦2008年奧運會之後，全國各地新建和改造了很多現代化的體育場館，隨著社會的發展，人民的需要也發生了很大的變化，經濟和科技的進步，審美觀念的改變，體育館建築業出現了爭奇鬥豔的風姿，其內部空間也呈現出日新月異的面貌，所以體育館建築的設計是當代高科技和高藝術的結晶，時代感很強；也是一項多目標決策的系統工程。
1聲學設計的標準
中華人民共和國行業標準“體育館聲學設計及測量規程”（JGJ/T131-2000 J42-2000）其主要內容為總則、建築聲學設計、噪聲設計、擴聲設計和聲學測量等五個部分。有關建聲和電聲的主要特性參數見下示：
1、建築聲學特性指標
綜合體育館比賽大廳滿場500-1000Hz混響時間
各頻率混響時間相對於500-1000Hz混響時間的比值（JGJ/T131-2000）
游泳館比賽廳的混響時間（500-1000Hz）
其它比賽廳的混響時間
花樣滑冰表演功能的滑冰館，可按容積大於80000m3的綜合體育館比賽大廳的混響時間設計。
冰球館、速滑館、網球館、田徑館等專項體育館比賽大廳的混響時間，可按游泳館比賽廳混響時間設計。
體育館比賽大廳等房間背景噪聲限值
1.2 擴聲特性指標
體育場尚無擴聲設計標準。
建築聲學和擴聲的特性指標對場館的音質來說是必要的，但這並不代表音質是“優美”的。
2、設計的原則
2.1 聲場特性
由於各界面圍合起來的空間中，有聲源發聲就會有輻射、傳遞，接受的聲場並各具特性。體育場館因其容量多，容積大，其聲場特性的複雜程度並不亞於一般的音樂廳和劇院，知識它們對音質的要求各有不同而已。因此往往被忽視，特別是體育場，實踐證明，體育場中往往存在著聲缺陷，影響使用，尤其是現代大型體育場具有大的挑蓬，有的還是圍合的，因此實質上如同一個巨大的體育館，只是它的場地上空是開口的，相當是場地上空具有吸聲係數為1的吸聲頂棚的巨型體育館，但是吸聲量是遠遠不夠的，因此不能輕視，必須要慎重的考慮！這種實例教訓已有不少。
只有慎重地進行體育館的混響時間和有害反射聲的聲場分析，理解了體育場館內的擴聲聲場特點，並綜合建聲和擴聲的聲場的特性，才能選擇揚聲器（組）的佈置（空間位置），選擇設備的性能，給出擴聲系統聲學特性，完成系統的方案，並進行多方案的比較，確定最終方案，達到系統的傳輸增益高，穩定性好，聲壓級大，聲干涉小，分佈均勻和音質優美、方向感好的系統。
體育場還要考慮“聲外溢”對環境汙染的問題
體育場館的聲學設計首先是聲場的設計，建聲設計是創造一個沒有回聲、顫動回聲等音質缺陷、為擴聲設計和設備性能充分發揮優勢而創造一個優良的聲環境，與擴聲設計共同達到一個好的聽聞效果，因此，體育場館的聲場設計是“擴聲為主，建聲為輔”為原則。
2.2 要求
2.2.1 體育場館音質的目標，希望達到“擴聲清晰、悅耳”
2.2.2 要考慮現代體育場館的多元化使用，因此，混響時間的選擇不是越短、語言清晰度越高就為上乘，而應有一個度。設備選擇，揚聲器（組）的佈置（空間位置）等也是以多元化使用功能的要求為準。
2.2.3 建築師是聲學設計的最大群體，並是聲場特性的奠基人，體育場館的聲學特性的創造，是要求建築師與聲學家（建聲、擴聲）共同完成，並且是貫徹始終的，因此體育場館設計初始，必須要與建築師相互溝通，達成共識，才能達到音質上乘，適應多元化使用的目標。
2.2.4 由於容量大，必須要考慮座椅的聲學特性。
2.2.5 廣播、電視傳播設施的場所的聲學處理，數字網絡的應用，控制室的聲學處理，也應重視。
3 空間模式
3.1 體育館
3.1.1 看臺、比賽場地和館內高地組成的功能空間
看臺佈局是以視覺質量為依據：
大型體育館的座位往往是沿著周邊佈置的，場地長邊兩側的座位是主要的，也有加挑臺的。
中、小型的也有像大型的那樣是周邊式的，多數是沿著場地長邊佈置，或者是一側為主，另一側為輔，也有加挑臺的。兼顧文藝演出的，則以不對稱佈置為佳，觀眾廳的佈置方式，有效形狀為矩形，最佳形狀近於橢圓形。
中型體育館的視距（最後排端部的座位到比賽場地最遠的一角），一般在50m以內，大型體育館則在60m以外，所以，大約有50%-80%的座位的明視性是低於中型館。
看臺高度是隨規模大小、佈置方式而不同，但是大、中、小的平面佈置和高度的模式，變化不大。
一般球類館的高度：
大型管（8000座以上）平均為16.4m，中型館（5000-6000左右）為11.5m，小型館（4000座以下）為11m以下。看臺最後座位上空的高度一般為3m。所以看臺的高度是一個常數。
比賽場地的面積有具體規定（不小於22X44m），是一個常數。
比賽場地上面的高度也是一個常數，中、小型館是按排球要求取12.5m-13m，網球則取15m，大型館可取15m。
所以體育館的功能空間隨著規模大小而變化，並日趨定型化。
3.1.2 屋蓋模式的聲學特性
近年來，體育館的屋蓋結構，除了已廣泛使用的空間網架外，其它新型結構如懸索、殼體、網殼等結構也被重視起來。利用屋蓋結構的特殊形態與內外環境取得協調，表現為多層次的文化形象，在變化中取得和諧的整體效果。這類屋蓋結構通常不作吊頂，暴露結構。由於結構構件簡潔和諧，輕靈剔透，減輕了高空間的壓抑感，又顯示了科技美。因此，體育館的屋蓋形式會出現上凸、水平和下凹的三種基本模式。它們的聲學特性，將直接影響館內的聲場特性。
上凸形結構：
奈爾維（1891-1978）所設計的羅馬小體育館（1956-1957），是一個直徑為60m的圓形平面，屋蓋體系是由1620個壁厚為25mm的菱形槽板拼裝起來的，在板縫中布筋現澆成肋形而成為波形拱。整個穹頂像一個反扣過來的荷葉，輕盈靈巧。並用暴露在外的36根Y形斜撐直接支撐在地環上。該建築無論從外或從內，其力的傳遞脈絡清晰，又不感到在賣弄技術，充分體現簡約、對稱、和諧的科學美，確具自在美的內涵，所以充分表現了“力量”，顯示出體育建築的特徵。該館由一條條精緻的肋所組成的館內的圍合結構，構成了迷人的圖案。而Y形斜撐的支撐拱支點很小，並且正好連接著三塊菱形槽板，使交織成網的肋都順勢匯合到Y形的斜撐上，並流向地環，正是水銀瀉池，天衣無縫，無尚的和諧。從內部望去整個穹頂就像懸浮在空中一般，意境似詩如夢。
這樣形體的建築無論從平面、剖面來看都是存在著聲學缺陷的，但是由於在菱形槽板內鋪設了具有足夠吸聲量的吸聲材料，可以使如此大的空間中混響時間達到所需要的要求。另外，由於砼的肋與菱形槽板內的吸聲材料交替地組合，這樣，軟硬交替使整個界面具有非常好的聲擴散性能。所以館內無聲學缺陷且聲能分佈均勻。因此，羅馬小體育館具有良好音質，並在建築史上也是一座名作。
羅馬大體育館（1958-1960）也是奈爾維的名作，容納16000座的大體育館，平面也是圓的，直徑達100m，圍合結構是預製裝配的鋼筋砼三角形空透的波形拱。它截面是V形的，富有節奏感，其一條條拱肋像巨龍騰空而起，非常有力；由於起拱高度變換合理，顯示了親切、靈巧，消除了如此大的跨度所具有的沉重感，成選出動人的空間形象。哦那個樣在預製裝配構件的拱肋中佈置了吸聲材料，並且還在拱肋中佈置了空調管道，其外包吸聲保溫材料，所以取得了同樣良好的音質效果。
2003年初建成的深圳游泳跳水館，容量為4300座，作為舉行國際、洲際及國內大型比賽的場所。它的設備是國內一流的，能滿足國際、國內的比賽。形狀是長1100m，跨度近80m，曲線屋面最高點為19m，容積為117767m3，除玻璃天窗外，屋面板下和部分牆面鋪設鋁穿孔吸聲板，實測空場混響時間為2.20s（中頻），效果很好，倍受體育界稱讚。
下凹形結構：
懸索結構多數是這樣的，可以減小館內容量和混響時間以及平均自由行程（4v/s,v——容積m3，S——總的表面積m2）因此也減少了吸聲材料的用量；同時由於下凹頂界面，能把比賽場上的聲音均勻地擴散到館內各矛，所以這種形體是對聲學有利的，建築內部聲學空間形態與結構造型相符。
被譽為60年代劃時代的體育建築傑作——丹下健三所設計的國立室內綜合競技場，即代代木體育中心，採用了懸索結構，其屋蓋是下凹形的。
a.游泳館
15000坐席，容積16萬m3，混響時間空場為3s，滿場為1.9s。其跨度為126m，懸索部分在外立面形成屋脊，屋脊兩側面是採光面；在館內形成了一條美麗新穎的光帶，該光帶內部空間的設計為：以百葉窗作為外界面，變直射的自然光為散射光，內部具有人工照明以滿足館內照明的需求；另外，設有排風系統。在光帶下面是穿孔鋁板內填充超細玻璃棉的吸聲和散光兩用的大隔柵板。
該館的頂界面完全保持了懸索結構下凹的優美曲線，在屋面板下鋪設了穿孔鋁板，內填玻璃棉作為吸聲和保溫兩用。自然光沿著頂界面的曲面，漸漸地散開，館內籠罩在淡淡的光線中，曲面頂棚似乎向上，向中間升起，呈現一種朝氣蓬勃的氣氛。館內聲學效果較好。
b.體育館
體育館為螺旋形懸索結構，圓形平面，4000座席。其支撐結構柱位於一側的觀眾席後的通道處，由於支撐柱的頂部是採光口，自然光由此口漫射而入，隨著館內的頂棚自下而上逐漸螺旋般地漸漸明亮起來，光線柔和而飄逸，加強了螺絲旋形懸索構件所構成旋形線條的頂棚所創造的向上動勢，高攀搏擊、煥發活力的氣氛。比賽場地正處於懸索結構下凹曲面下，館內的頂棚也是穿孔鋁板，其後填玻璃棉，吸聲處理同遊泳館，音質效果令人滿意。
丹下健三的這個傑作對後來的體育館建築影響很大，尤其是自然採光和人工照明組成的光帶的形式，更為風靡，其中不乏好例，但也有由於缺乏系統思想指導設計，顧此失彼，整體效果不良。假如屋蓋是採用上凸的鋼網殼，其內凹的曲體面會產生聚焦和回聲，有的還產生多重反射，形成多重回聲。另外這些自然採光的光帶大都是直射式的，直射光很強，產生眩光，影響使用；目前更有甚者，取消了屋面板，採用透明的或透光的屋面，對聲、光效果和空調系統的設計更為複雜，有待探索和研究。
水平結構
空間桁架、網架結構多屬此類，也是目前我國體育建築中常見的類型，由於這種拉平取齊的頂界面，容易產生呆滯乏味的感覺，缺乏新意，所以更需要從界面形狀、構件等特點，材料質地等空間構圖上著意，創造空間環境，使其產生多樣的變化，生動的意趣。
天津市河西體育館是把空間吸聲體佈置在網架的下弦杆，它們與方筒形的燈具和通風口組成一個空透、變化、立體感很強的吸聲頂棚，雖未暴露結構，仍保留了不作吊頂的靈活性和通透感。由於十字形倒椎體的空間吸聲體具有視幻的感覺，他們與同面積方筒的燈具和通風口的重複、交替的出現，節奏和流動感受很強。如同樂曲中的主題和變奏，產生了很生動的和活躍的氣氛，美的視覺效果就油然而生。十字形的空間吸聲體是白色的，其邊框是鋁合金的，在燈光中產生細條的光渾，閃爍不定，增添了華麗多姿的裝飾效果，喚起視覺，起了主導的作用。
北京月壇體育館內的空間吸聲體，在下弦杆懸掛與照明結合的圓形空間吸聲體，隱喻體育館的館名，裝飾和聲學性能都很好。
廣州市天和體育中心遊泳館、容積86045m3，平均每座位佔有25m3。館內現有的能敷設吸聲材料的表面，即使都佈置了能適應於潮溼空氣條件的穿孔鋁板，還達不到所要求的吸聲量。結合空間鋼桁架屋蓋結構，採取在桁架的下弦杆和腹杆上鋪設微穿孔鋁板，形成倒四方錐形的空間吸聲體，增加了吸聲面積，滿足了吸聲要求。這種具有雕塑感的多稜形頂棚，統一了結構、聲學處理和裝飾的需求，頗具時代感，也能與平靜如鏡或跳躍波動的水面相協調，所以很受各界的讚賞。該中心的體育館是在鋼網的上弦懸掛超細玻璃棉吸聲體。
廣州華南師範大學手球館的處理也是利用空間鋼桁架為骨架，做成倒四方錐形的空間吸聲體，如同天河體育中心遊泳館的倒四方錐形空間吸聲體，聲學特性很好又很經濟。
上述設計的五個館的聲學效果都很好。
3.2 體育場
體育場看臺的佈局也是以視覺質量為依據，由於容量多，看臺都為周邊式佈置，比賽場地是確定的，所以體育場的功能空間同體育館，因為容積達，往往在百萬立方米以上，是體育館所無法比擬的。
現代體育場要求講究，設施先進，數字化程度高，常設有VIP房，看臺挑蓬很大，伸出很深，必要時還有能自動控制封閉透空的開口，所以現代的體育場實質就是一個巨型的體育館，其開口猶同是一個吸聲係數為1的吸聲頂棚，由於坐席的材質大都是硬塑、玻璃鋼等，吸聲量很少，因此看臺後牆、挑蓬結構的形狀和挑出的深度及其材質對場內的聲場特性起著決定性作用，並且問題比體育館的複雜的多。
著名法國聖丹尼斯體育場，容量為10萬座，看臺圍繞著場地成一橢圓形，看臺上有大型的挑蓬頂，頂內有鋁穿孔吸聲板，由看臺後的10m高的雙柱頂著，像懸浮在上空的一個光環，輕快而有動感。沒有後牆，並且看臺各出入口也是開敞的，從體育場的土建結構選型上給了充分的聲學考慮，聲學效果很好。
廣東奧林匹克體育場也是一個橢圓形的場地，有80120個座位，看臺上面兩條飄帶式的頂棚覆蓋，並且不對稱地向東西兩個方向延續，呈現著東西兩個缺口，頂棚飄逸而生動，由空腹鋼架支撐著，高約10m，前後空透，同樣也是在覆蓋結構造型上給予聲學的考慮，效果很好。
杭州黃龍體育場則僅在看臺後牆上開了大面積孔洞，也取得較好的聲學效果。
體育場館的聲學特性，往往是與屋蓋、頂棚等結構造型和後牆處理具有決定性的作用。
4、聲學處理方式
4.1 頂棚的處理
體育比賽、文娛演出等都在比賽場地上進行，它面積大、地面的聲反射性能強、高度大（至少應為12.5m）、聲反射距離長，在地面與頂棚之間具有多次反射，產生多重回聲，干擾運動員的注意力和容易判斷錯誤。文娛演出時，傳聲器位於此處，接受了反射聲，會產生嘯叫，影響演出。所以在比賽場地上方的頂棚無論是上凸的、下凹的和水平的，都應有寬頻帶、強吸聲的聲學處理。館內頂棚的處理方式有兩種，即有吊頂和無吊頂；有吊頂的有點是減少館內的容積對控制音質條件和節能有利，在吊頂內可以佈置燈光、管道、檢修馬道以及擴聲設備等。館內具有整齊、美觀的效果。缺點是吊頂的造價太大，一萬平方米麵積的吊頂相當一個練習館的代價。無吊頂的有點，可以接合保溫、隔熱在屋面板處加吸聲材料，一材多用，節約投資；燈具、擴聲設備等佈置靈活自由；也能達到美觀、整齊和新穎的效果。缺點是增加了20-30%的容積，上凸式的增加則非常大，甚至到達驚人的地步。
體育館是以擴聲揚聲器為主要聲源，所以自聲源反射處理的聲能的途徑一部分是到達觀眾席再反射到頂棚，另一部分到達比賽場地，再反射到頂棚，因此頂棚是館內聲反射必經之地，也是吸聲有效之地。體育館的頂棚約佔館內總表面積的40%，其吸聲量約佔空場總吸聲量的70%。
體育場無頂棚，可以把透空的開口看作具有吸聲係數為1的頂棚，但是吸聲量是不夠的，因為在體育館中該處頂棚都是吸聲係數大於1的空間吸聲體，並且也只能佔到吸聲量的70%，因此必須考慮看臺上部的頂棚的吸聲處理來補充吸聲量。
4.2 牆面的處理
體育館的牆面面積較少，約佔有館內總表面積的12-16%，並且計分牌又佔去很大一部分，有的牆面上還有玻璃，所以可以佈置吸聲材料的面積不多，然而在牆面上佈置吸聲材料或構件是很重要的，以往佈置低頻吸收材料如穿孔板類較多。文娛演出時，往往以佈置在比賽場地內流動的擴聲系統為主，射向觀眾席的各種聲音容易被牆所反射，產生長距離的反射而形成回聲和由於具有平行表面產生的顫動回聲，還有沿著牆爬行的現象，使後座易受干擾。所以牆面上宜佈置寬頻帶的吸聲材料和構件，也可以佈置擴散體，可以改善館內的音質條件。
體育場不同於體育館，除場地上部的開口外，其它的界面也以通透為佳，所以，可以在看臺的最高處與頂棚相聯接的界面處，任其開口，出入口也可以不封閉，甚至看臺的臺階也可以是通透的，如50年代所建的南寧體育場的做法，可通風也可以“透”聲。
5 存在的問題
體育場館的容積達，會產生很多的問題，難度很大，首先是混響時間長，對語言清晰度有掩蔽，不利聽聞，並且處理費用很大，而且不容易解決；其次是低頻振動大，甚至在很低的頻帶，直到中頻都會存在，這對語言的掩蔽作用很大，並且用一般材料很難解決，要特別設計低頻吸聲結構才有可能；第三，由於混響實驗室所測的材料吸聲係數與實際使用情況相差很大，所以計算的誤差很大
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