文物建筑苏公塔广场声景观的研究性保护策略_刘梦君.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical Acoustics文物建筑苏公塔广场声景观的研究性保护策略刘梦君，王万江，冀雯思，倪平安(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)摘要：以文物建筑保护为核心理念，介绍苏公塔广场声聚焦景观形成机理，在完整保持广场原有风貌的前提下，通过现场测试、计算机模拟验证方法提出适当的修缮和改造手段，并通过主观测评发现改建后的声聚焦现象更为显著。此次对苏公塔前广场的成功修缮，全面提升了其文物价值和旅游价值，既具有学术意义，又实现了旅游价值。关键词：文物建筑修缮；声聚焦；声学设计中图分类号：TU112 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0909-08Research-based protection practice of acoustic landscape in Sugong Tower SquareLIU Mengjun,WANG Wanjiang,JI Wensi,NI Pingan(College of Civil Engineering and Architecture,Xinjiang University,Urumqi 830047,Xinjiang,China)Abstract:With the protection of cultural relic buildings as the core concept,this paper introduces the formation mechanism of the sound-focused landscape of Sugongta Tower Square.On the premise of keeping the original style of the square intact,appropriate repair and transformation techniques for the square are proposed through field testing and computer simulation verification.And through the subjective observation and evaluation,it is found that the sound focusing phenomenon after the reconstruction is more significant.The successful repair of the square in front of the Sugong Tower this time has comprehensively enhanced its cultural relic value and tourism value,which not only has academic significance,but also achieved application value.Key words:cultural relic building repair;sound focusing;acoustic design0引 言苏公塔又称额敏塔，坐落于现吐鲁番老城区东2 km处，建成于清乾隆四十三年(1778rh)，距今已有200多年的历史。苏公塔遗址于1957年被列为自治区重点保护文物，1988年经国务院批准被列为国家级重点保护文物，是我国新疆境现存的古建筑中体积最大、保存最完整的古塔1-3。塔的前广场一圈有三级台阶，当人站在广场中心发出声音时有很明显的回声聚焦在广场中心处(图1)，产生独特的声聚焦景观现象，吸引大量游客前往参观。近年来由于修缮和保护的措施不当而造成保护性破坏文物的现象时有发生,本文将以文物建筑保护为理念，深入探讨如何改善广场声聚焦现象。类似的声学景观国内已有丰富的研究成果。比如贾陇生等4通过实验和分析解开了北京天坛公园中的圆丘坛的回声现象，是由于圆形坛周边的栏杆反射造成的。吕厚均等5对著名的四大回声建筑之首北京天坛回音壁进行研究，证实了声波是沿着圆形围墙通过全反射不断向前传播，进而使得声音可以传播到较远的距离。国外也有类似的研究，在墨西哥奇琴伊察金字塔(Chichen-Itza)台阶前面的台阶鼓掌声会产生明显的线性调频回波，听起来就像格图1 苏公塔景观图Fig.1 Landscape of Sugong Tower引用格式：刘梦君,王万江,冀雯思,等.文物建筑苏公塔广场声景观的研究性保护策略J.声学技术,2022,41(6):909-916.LIU Mengjun,WANG Wanjiang,JI Wensi,et al.Research-based protection practice of acoustic landscape in Sugong Tower SquareJ.Technical Acoustics,2022,41(6):909-916.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.017收稿日期:2021-06-15;修回日期:2021-08-11作者简介:刘梦君(1995)，女，新疆可克达拉市人，硕士研究生，研究方向为绿色建筑设计与生态环境理论。通信作者:王万江，E-mail:2022 年声学技术查尔鸟鸣声6，位于希腊伯罗奔尼撒半岛的厄庇道鲁斯(Epidaurus)剧场观众席呈半圆的阶梯状，即使台上发出很小的声音，观众也能听得非常清楚。基于以上研究发现，能够产生独特声景的建筑天坛的圆形砖墙、奇琴伊察金字塔的台阶等结构都具有周期性的变化的特点。而苏公塔前广场就是由圆形台阶组成的周期性特殊结构，与北京天坛公园中圆丘坛类似。基于相关理论的研究，本文通过实验测试与软件模拟的方法为苏公塔广场改造提出建设性意见。1理论基础1.1声聚焦声聚焦通常是指凹面界面对声波形成集中反射，使反射声聚焦于某个区域，造成声能量在该区域汇聚的特殊回声现象。声聚焦焦点的位置取决于凹面的弯曲程度、声源点的位置以及声源与反射面的距离。当两个同声源的声波到达人耳的时间差小于35 ms时，人无法区分两个声源，此时只能听到一个声音；若时间差在3550 ms时，人们可以感受到滞后声的存在；当时间差大于50 ms，即空间距离大于17 m时通常能听到清晰的回声，这就是著名的哈斯效应.1.2声负反射杨政予等7在分析茅山军号现象时提出了声音在周期结构表面的负反射原理，文中提到，区别于无限长刚性平表面上的镜面反射，当接收声波的表面变为周期起伏结构时，除了镜面反射方向上的零阶模式平面波，还有沿其他方向传播的特殊反射模式(图2)，在共振区域，入射波长与周期结构间距d同量级。当表面的起伏深度h非常小时，仍以镜面反射为主，反射声能量主要集中在零阶模式上。随着h的不断增大，反射模式逐渐从零阶转移到1阶模式上，尤其是在布拉格共振条件下，当h到达一定程度，某些频率声波几乎全部声能沿着入射方向的逆向传播，而零阶模式的反射能量近乎为0，此时反射角是镜面反射角的负值，称此现象为负反射。1.3布拉格共振平面声波在周期性凹凸表面上的反射如图2所示，声波在周期表面上的传播模式具有一定的规律性，都是成对出现，并且关于y轴对称，如零阶与1阶，+1阶与2阶但其中只有低阶模式(零阶、1阶)是可传播模式，当反射波模式恰好沿着入射波反向传播，此时入射波与反射波平行，方向相反，称为布拉格共振，此时入射角满足7：=arcsinkd(1)其中：d为周期长(以台阶为例，设踏面长为a，踢面高为b，则d 2=a2+b2)，k为波数(k/c，=2f为入射波角频率，c是声速)。当反射声线越远离入射声线时，声能量越低，在1阶模式与零阶模式时声能量最大，苏公塔广场完全遵循声波反射的1阶模式与零阶模式，因此在布拉格共振条件下，苏公塔广场产生声聚焦的能量最大。2研究方法2.1广场声学现场测试与分析为避免人员过多对声音传播造成干扰，现场试验须在游客稀少时进行。因此选择室外气温为40、现场几乎没有游客的2019年7月22日进行实验。此次实验的主要目的有两个：(1)使用三维激光扫描点云采集定位数据，与传统的人工测绘相比较，三维激光扫描技术能够深入到复杂的环境现场进行扫描操作，直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，利用软件以形成物体的三维信息，并且可以直接测量任意部分的长、宽、高、直径等数据8。(2)利用十二面体无指向声源探索声聚焦产生的原因，并且确定声聚焦点的大概位置。实验在广场中心处进行现场测试，现场设备布设如图3所示。测试仪器主要由三维激光扫描仪、十二面体无指向声源，声级计以及吸声岩棉。实验分为三组，实验工况与结果如表1所示，方法是在苏公塔广场中心距地面60 cm高处放置十二面体无指向源，将声级探头置于十二面体无指向性声源水平距离1 m处由低到高依次记录数据。通过以上实验判定声聚焦是由广场前的圆形台图2 平面声波在周期性凹凸表面上的反射7Fig.2 Reflection of plane acoustic wave on periodic concave and convex surface910第 6 期刘梦君等：文物建筑苏公塔广场声景观的研究性保护策略阶反射形成的，且第一级台阶的效果显著，二、三级台阶对声聚焦形成干扰。并且实验发现声聚焦点并非在广场的圆心处，而是偏向中心西北处。这可能是由于广场并非正圆形，而是不规则的圆形造成的。使用三维激光扫描点云采集定位数据，使用3DMAX建模软件建立广场的精确模型，通过点云定位得出广场是一个长半径为22 m，短半径为21 m的不规则圆形(图 4),周围的三级台阶高度均为0.22 m，宽 度 分 别 为：0.801 m、0.828 m、0.824m，并且广场中心距离台阶处地面有0.14 m高差。苏公塔3级台阶形成一种准周期性结构的声反(散)射体，根据反射原理，为了方便绘图，假设地面平整无高差存在，以人的平均发声高度1.5 m作为声源点，此时，声波入射角与周期法线方向夹角为68，绘制出声线剖面示意图(图5)，从图中看出声音传播完全符合负反射原理，声波在第三级台阶踏面上为零阶传播模式，而在一级、二级台阶上的反射全部沿着入射角的逆向传播，由于台阶呈周期圆状，所有的负阶模式声波返回到中心区域形成声聚焦。本文主要讨论广场中心声聚焦，忽略零阶模式。当=68时，将台阶数值a=0.8 m，b=0.22 m，周期d=0.83 带入式(1)中，再取声速为 340 m s-1，当广场中心发声声源频率为220 Hz时，零阶模式声能量几乎为0，声波主要沿1阶模式传播，广场中心产生的聚焦声能量最大。此外根据式(1)计算出对应频率的值，再根据值计算出发声点的高度，可以绘制出布拉格共振条件下广场中心声源频率与发声高度(以本文三个周期为例，此处高度取平均值)曲线，发现二者呈现明显的指数分布关系(图6)，回归方程式为y0=-106.6+108.9 1-exp(-x103.5)+57.3 1-exp(-x910.8),x200R2=0.998 33(2)根据布拉格共振原理，周期台阶对声音具有滤波作用，茅山军号、招鹤回鸣等现象均来自此原表1试验工况与结果Table 1Testing conditions and results实验描述实验结果第一组原始工况有聚焦现象，但不在中心位置第二组将三级台阶全部覆盖声聚焦现象减弱第三组第二第三级台阶用吸声岩棉覆盖声聚焦现象明显(a)三维激光扫描仪(b)十二面体无指向声源(c)声级计(d)吸声岩棉图3 现场声学测试设备的布设Fig.3 Deployment of field acoustic testing:(a)3D laser scan-ner,(b)Dodecahedral directionless sound source,(c)Sound level meter,(d)Sound absorbing ro