国家游泳中心ETFE膜的声学难题破解之道

“水立方”上共有内外两层气枕，是国际上建筑面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。以膜为顶的“水立方”，在下雨时雨点落到膜上，室内的雨噪声会不会很大？墙上的膜能否阻隔外部的声音，保持室内相对安静？膜的吸声能力是否足以保证将室内的混响时间控制在一定范围内，使广播的 声音清晰可闻？“水立方”的膜结构在建筑声学方面会带来怎样的难题呢？

据清华大学城市规划设计研究院声学研究所所长石慧斌和工程师金迪锋介绍，在国际上已有建筑使用气枕的先例，不过一般只有两层ETFE膜，而“水立方”的气枕达到了3－4层膜，内外两个气枕就有6－8层膜。多层弹性膜充气后，声反射的变化可不像膜的层数增加那样简单。而且，由于“水立方”膜的大小不同、厚薄不一，又给建筑声学带来了一系列不可预知的因素。

“声闸”隔声，创造良好的实验环境

ETFE膜的声学特性主要从雨噪声的传递、隔声和吸声这三个方面进行研究。

为了更好地进行实验，研究人员专门建造了一个实验室。实验室的外型看上去有点像一个六边形的“塔”，面积有30多平方米。六边形模仿的是“水立方”上镶嵌膜的多边形金属框架的形状，“塔”内部是放置仪器和研究人员工作的地方，站在塔里抬头望去，ETFE膜制成的气枕覆盖了整个顶部。气枕是三层膜的，共有两个，按上下分布，气枕间有4米的间距，这和“水立方”内外两层气枕的情况基本一致。

为了保证实验不被外界的声音所打扰，和普通建筑的墙壁相比，实验室的墙要厚得多，达到370毫米，可以隔55分贝的声音。但实验室的门是玻璃的，隔声能力相对薄弱，于是研究人员在门外面建了一个小房间，术语称为“声闸”，“声闸”保证了入口的隔声能力，为室内创造了良好的实验环境。

在实验室内部，为了保证声场的均匀，原本应该是呈直线水平状的墙体，被做成了起伏不断的三角形。这是因为如果墙呈直线水平的话，声音打到墙上时会沿着比较一致的方向反射回来，使两面墙之间某一区域的声音强于其他部分，造成声场不均。而将墙做成起伏不断的三角形状后，声音打到墙上时，就可以将声音的反射方向打乱，使声音均匀分布。

实验之前，科研人员专程走访气象部门了解北京降雨的情况。据气象部门分析，2008年奥运会期间大概有4次暴雨的可能，研究人员还对暴雨滴的粒径和末速度进行了分析。末速度是雨水快要接近地面时的速度，通过分析和实验科研人员了解到，用来模拟降水用的水箱高度离膜的距离为8米时，水箱中水滴的末速度达到自然雨的末速度的95％，而水箱的高度为12米时，二者末速度十分接近。最终，研究人员选择了在实验室上层气枕上方8米的高度安放水箱，这个高度制造的人工雨和自然雨的情况十分接近，而且便于操作。开始，实验用的水箱体积较小，为达到最接近自然雨的真实效果，水箱也调整到与膜一样大小。

随着实验条件的准备不断充分，实验也拉开了帷幕。

阻尼材料消除“打鼓”噪声

在模拟雨系统制造降雨的同时，实验室内的研究人员开始通过仪器接收头顶上方由“雨点”撞击膜的声音。实验之初结果很不理想，头顶传来的噪声达到80多分贝，比我们平时面对面谈话的正常音量———60－70分贝多了10多分贝。如果头顶一直在“敲鼓”，人在实验室中对话，对方根本无法听清。在奥运会比赛时这种情况肯定是不允许出现的。为了减小雨噪声的影响，研究人员进行了各种实验，他们发现，在膜上覆盖阻尼材料是最有效的办法。

所谓“阻尼”就是指振动能量随时间或距离而损耗的现象。充气之后的ETFE膜，就像一面鼓一样，弹性很大。平时我们敲鼓，直接打击鼓面声音会很响，但如果在上面放上类似毛毯之类的物品，由于弹性减小了，打击的声音也会随之大为减小。阻尼材料的作用就像毛毯一样。

覆盖在ETFE膜上的是一种叫做“texlon”的阻尼材料，它原本是不透明的，不过在加工成网状结构之后，就有了半透明的效果。阻尼材料减小了雨滴对膜的冲击，材料上的网眼还可以将雨滴的粒径减小，也在一定程度上减小了降雨引起的噪声。

在膜上覆盖阻尼材料的同时，研究人员还采取了其他的措施，比如将气枕膜的数量增加到4层，在两个气枕之间的空间内放置透明的阳光板，增加隔声的能力。除此之外，研究人员还在膜上覆盖了不透明的橡胶垫和厚重的毛毯来实验防止雨噪声的能力。尽管这些方法有的未必被采用，但详实数据的获得，可以为以后的决策提供更加全面的依据。

“膜”加“板”提高隔声性能

隔空气声性能是ETFE膜声学性能测试的一个重要内容。研究人员说，“水立方”的外围护结构是内外两层气枕，如果有个人站在围护结构外说话，里面的人是否能听到？这就要看气枕的隔空气声能力了。如果围护结构的隔空气声性能好，能达到40－50分贝，里面是听不到的，如果隔声不好，里面就能隐约听到外面的说话声，对里面的人会有一定的干扰。

研究人员在实验室外使用扬声器对膜发声，然后实验室内的人通过仪器接收传过来的声音。通过测试发现，如果不采取任何措施、只放两个三层膜气枕的话，隔空气声能力较差，如果将膜加到4层，或在气枕间加一层密实的阳光板，其隔空气声能力会有所提高。

“声学大厅”控制混响时间

研究人员测试了单层气枕、双层气枕等各种情况下吸声的性能，结果发现如果只有一层气枕的话，吸声系数还是不错的。但随着气枕个数和膜的层数的增加，吸声系数却越来越差，如果是两个三层气枕的话基本不吸声，这是因为气枕越多，隔声性能就越好，声音就越不容易穿过去，所以声音会反射回来，反射的能量多了，吸收的就少了的原因。如果材料不吸声，会使室内的混响时间增长；如果是表面反射性能比较强，混响声延续的时间就比较长，有余音绕梁之感。在这样的环境内讲话，语言清晰度会大大下降。控制混响时间的措施之一，是在室内布置一定数量的吸声材料。加了吸声材料后，可以使建筑内的混响时间缩短，里面说话的声音就可以比较清晰，使比赛时广播播放成绩或通知的声音清晰畅达。

解决吸声问题，就要将混响时间控制在一定范围内，研究人员决定用在室内安装吸声材料的方法。但应该将这些吸声材料放在哪儿？怎么放？为此，研究人员又开始了“水立方”声学大厅的设计。“水立方”比赛大厅的声学设计，主要目的是将大厅的混响时间控制在一定范围内。因为“水立方”比赛大厅的空间很大，声音来回反射一次需要很长时间，所以，研究人员计划将混响的时间控制在2．5秒以内。这个看似简单的目标，却给研究人员带来了很大的难题。

增大吸声面积，安装吸声性能高的材料

室内声学设计来说，游泳馆可以说是难度最大的。石慧斌说，水面对声音而言是硬反射材料，水池边的地面一般也是硬质材料，这些硬质镜面材料对声音的反射非常厉害。更何况，“水立方”又不是一般的游泳馆，它是一座被膜“包”起来的游泳馆。

如果能用吸声材料将整个比赛大厅封闭起来，控制混响时间就很好办。但是吸声材料一般是不透明的，这和ETFE膜设计的透视要求是相矛盾的。而且一开始科研人员并不知道ETFE气枕的吸声系数，因此也就无法得知应该布置多少吸声材料才能满足吸声要求，只有通过测试才能解决这个问题。

另外，体育馆的容积一般为几万立方米，而“水立方”比赛大厅的容积达到28万立方米，对这么大的体育馆进行声学设计，难度很大。研究人员制订的技术方案，根据经验是可行的，但为了保险起见，在场馆基本建成后，还需要到现场去进行验证再进行改进。那么，研究人员是采取什么办法来增加吸声量呢？

在了解了ETFE气枕的基础数据之后，研究人员根据以往的经验寻找到了吸声系数较高的材料，这种材料的吸声系数能够达到0．8以上。然后研究人员又在比赛大厅内尽可能地寻找安装吸声材料的地方，以满足吸声的需要。为此，研究人员可谓想尽办法。

他们将“水立方”钢结构上安装ETFE膜的夹具加宽，在底下做一些吸声面积安装吸声材料。因为钢结构是不透明的，所以安装吸声材料不会影响透视效果。另外在体育馆的上方有检修灯具的马道，总长度达到600米左右，研究人员还计划在它的底部和两侧安装吸声材料，增大吸声面积。在“水立方”原来的设计中，天花板部分是全部透明的，但这样会使吸声面积过小，所以研究人员将观众席临时看台上方的天花板改成了不透明的，以便安装吸声性能高的材料。