比翱工程实验室丨优化办公大楼中声学材料的使用
MATI 2021 大会通知丨材料声学技术与产业化发展国际论坛丨苏州 · 中国声谷
办公空间设计师在确定一组最佳噪声控制材料以提高声学质量的同时将所选声学材料的成本保持在最低水平时遇到了挑战。为了应对这一挑战，本文提出了一种新颖的优化模型，该模型能够在满足所有设计师指定的声学质量要求的同时，最大限度地降低声学材料的成本。该模型分五个主要阶段开发，重点是(1) 确定影响模型目标函数的相关设计者决策； (2) 制定优化目标函数；(3) 识别组织为声学质量和材料选择约束的模型约束；(4) 使用遗传算法（GA）实现模型；(5) 使用正在建设中的办公空间设计评估模型的性能，以评估和改进模型的可行性和性能。性能评估阶段的结果说明了开发模型在为办公空间的每个表面确定声学材料类型和面积的最佳选择方面的新功能，这些选择可实现所需的声学质量，同时保持所选声学材料的成本最低限度。
一项研究报告称，美国有超过3300万人在写字楼中工作，这些建筑物的数量估计超过100万，占全国商业建筑总数的18% 1。其他研究还报告说(a) 人们将一半的醒着的时间花在办公场所，这几乎占了他们一生的三分之一2；(b) 这些空间3、4、5的声学设计显著影响办公空间使用者的舒适度和健康；(c) 办公空间的噪音水平对其工作人群的生产力和工作满意度产生不利影响6,7；(d) 提高办公空间的声学质量的需求日益增加8。
据报道，办公空间中的高噪音水平会导致办公楼内的人们有压力、工作分心和表现不佳6、9、10、11、12，据报道，如果长时间持续，也会导致听力损失13。为了解决这些负面影响，建筑师、设计师和工程师需要在办公空间中确定和利用一组最佳的噪声控制材料，以最大限度地降低这些噪声水平，同时将成本保持在最低水平。ANSI标准规定，项目设计师或建筑师有责任指定声学系统和安装方法，以在空间中达到所需的背景噪音水平14。据报道，由于有大量具有各种声音系数和成本的声学材料，这对设计师来说是一项具有挑战性的任务。为了解决办公空间中的这些声学设计挑战，多项研究集中于改进 (1) 噪声控制设计和吸声材料的吸声系数；(2) 相邻空间之间的传声性能；(3) 工作区中的语音清晰度。
上述研究的第一组重点是改进办公空间的噪声控制设计和吸声14、16、17、18、19、20、21。例如，最近的一项研究对开放式办公室的237名员工进行了调查，并报告说这些员工经历的背景噪音水平高于可接受的水平，并在工作时间造成干扰19。其他研究报告称，在开放式办公室中，办公室工作人员无关的讲话和清晰的对话是噪音控制设计中需要考虑的最令人不安的声源22、23、24。Keränen等人(2008)开发了一个多变量回归模型来预测和测量15个不同开放式办公室的室内声学性能，该研究报告称，开放式办公室的室内声学可以通过增加吸声、安装高屏风和足够的隔音来控制。另一项研究开发了一个逻辑回归模型来检查办公空间中可接受的噪音水平，并报告需要在空调办公室中保持的噪音水平为57.5dBA25。Vervoort和Vercammen(2015)开发了一个模型来预测办公空间的背景噪音水平，包括由工人谈话、PC/笔记本电脑使用、文书处理和读写引起的背景噪音水平。
第二组研究的重点是进行实验，以提高两个相邻空间之间的声音传输性能24、26、27、28、29、30、31。办公空间中相邻空间之间的声音传输问题被认为是建筑声学中的主要问题之一。例如，Kaarlela-Tuomaala等人(2009)对从私人办公室搬到开放式办公室的31名员工进行了一项调查，并报告说从附近私人办公室传输的声音水平明显低于从邻近工作站在开放式办公室传输的声音水平。另一项实验研究调查了内部双墙的隔音性能，并报告说，当使用密集的螺柱间距时，除低频外，螺柱间距没有发挥重要作用31。
第三组研究侧重于利用一系列实验和方法来提高工作空间中的语音清晰度16、32、33、34、35、36。语音清晰度指标定义了办公空间中的注意力分散和隐私程度，可以使用ASTM E1130-08推荐的清晰度指数(AI)、标准ISO 3382-3推荐的语音传输指数(STI)或Peutz的清晰度公式进行测量辅音丢失37、38、39、40、41。例如，Werff和Leeuw(2003)扩展了Peutz的公式，通过考虑音响系统设计和房间声学模拟来增强对建筑物语音清晰度的预测。Wang和Bradley (2002a)开发了一个模型来研究开放式办公空间的声学性能，并报告说天花板吸收是显着提高语音清晰度的主要因素之一。
尽管上述研究做出了重大贡献，但没有报告研究解决办公空间设计师面临的上述挑战，他们需要识别和使用符合特定声学质量要求的最佳噪声控制材料集，同时保持声学材料的成本到最低限度。为了克服这一限制，本文提出了一种新颖的模型，该模型能够优化办公空间的声学设计决策，以最大限度地降低声学材料成本，同时满足设计师指定的声学质量要求。
研究创新与目标
本研究的目的是开发一种新的模型来优化办公空间的声学材料选择，以最大限度地降低总声学成本，同时满足所有设计师指定的声学质量要求。该模型旨在支持声学家、设计师、建筑师和决策者确定办公空间声学材料的最佳选择。该模型分五个主要阶段开发，重点是 (1) 确定影响声学材料成本的所有相关设计师决策；(2) 制定一个能够最小化声学材料所需成本的目标函数；(3) 确定该模型中的所有实际约束，这些约束分为以下两个主要组：声学质量约束和材料选择约束；(4) 在MATLAB上使用遗传算法(GA)实现模型；(5) 使用正在建设中的办公空间设计的实际应用实例来评估模型的性能，以评估和改进模型的可行性和性能。本模型旨在符合所有已开发的实际约束，这些约束使用标准声学公式来测量和量化设计师指定的声学质量要求，包括等效吸声、语音清晰度和降噪水平。
图文快览
表1：建筑设计输入数据
表2：声学设计输入数据
表3：可用于办公空间的声学材料的最大数量
表4：声学材料的可行替代品
表5：采样最佳声学材料选择并实现三个房间的声学质量
总结和结论本文介绍了原始优化模型的开发，该模型能够支持设计师、建筑师和决策者确定办公空间的最佳声学材料选择和设计。该模型能够满足设计师指定的所有声学质量要求，同时最大限度地降低办公空间的声学材料成本。该模型分五个主要阶段开发，重点是 (1) 确定所有对建筑声学质量和成本有影响的相关设计师决策；(2) 制定能够最小化声学材料成本的模型目标函数；(3) 确定所有实际模型约束；(4) 使用遗传算法（GA）实现模型；(5) 使用办公空间设计的实际应用示例评估模型性能。这个真实世界的应用示例的评估说明了该模型在搜索所有可行的声学材料类型以及为办公空间的每个地板、天花板和墙壁提供材料类型和区域的最佳选择方面的新颖和独特的能力。这些最佳选择使设计师能够最大限度地降低办公空间声学材料的总成本，同时满足设计师指定的所有声学质量要求。该模型未来的扩展包括（1）整合声源强度、类型及其位置参数，探索它们对办公空间声学质量评估和计算的影响和贡献； (2) 考虑使用相关声学仿真软件评估声学特性和声场，捕捉声频变化；(3)现场实测声学质量，将实际声学质量与标准公式计算结果进行比较。
参考文献
原文来源：Scientific Reports volume 11, Article number: 20652 (2021)， https://doi.org/10.1038/s41598-021-00082-3
作者：Abdullah AlOmani，Khaled El-Rayes，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校土木与环境工程系；Ayman Altuwaim，沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学工程学院土木工程系。通过阅读原文了解此项研究工作成果。
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