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1、基于分形之模块木质扩散体开发及评价本文是建筑学论文，本文以厅堂建筑室内木质扩散体为研究对象，结合厅堂建筑声学要求和受众心理接受的需求，从建筑学角度着手，提出基于分形的模块化木质扩散体（以下简称分形扩散体;）设计方案。综合声学测试及主观评价等手段研究木质扩散体的扩散性能、模块组合与视觉评价偏好之间的关系，总结出兼具声学性能与视觉效果的木质扩散体的设计策略。主要研究成果可归纳为以下几个方面：（1）探索了一种全新的高效经济、灵活多变的木质扩散体设计方法。分形的内在特征决定了以分形为基础生成的扩散体具有兼顾声学与美学要求的潜力。本研究基于分形理论，分别以迭代次数、排列形式和覆盖密度为设计要素提出分形扩
2、散体设计方案，扩大了木材在厅堂建筑室内的应用范围，拓展了厅堂建筑室内界面的设计思路。（2）通过声学测试确立了分形扩散体扩散性能与设计要素之间的关系。研究通过声学实验测试及数值模拟测试扩散体扩散性能.第1章绪论木材因其环境友好性和受人喜爱的自然视觉效果而备受建筑设计师的青睐，木质材料的声学性能也广受认可，因此在音乐厅、影剧院等以听闻为主要功能的音质空间中应用颇多。扩散体是厅堂建筑声学设计的重要组成部分，设计者通常选用木质材料设计扩散体及扩散界面以提升室内环境质量，然而由声学设计人员为主导的扩散体设计往往难以满足建筑设计及空间塑造的需求。随着界面设计理论的发展以及大众对室内环境要求的提升，从建筑学
3、角度出发，设计兼顾视觉需要与声学性能的扩散体已成为厅堂建筑设计需要关注的问题之一。选择厅堂建筑室内木质扩散体作为研究对象是基于以下背景。本研究根据一定的理论和方法，从厅堂建筑室内设计中存在的问题出发，提出模块化扩散体设计方案与设计策略，为厅堂类建筑设计研究及木质扩散结构的研发生产提供依据，具有重要的理论和实践意义。（1）理论意义有利于促进室内音质设计与空间环境塑造的有机统一，为厅堂类建筑设计理论研究提供基础数据和技术支持。为计算机自主生成分形扩散体提供奠定基础。同时，为今后从生理学、心理学以及空间、环境等多方面为人们创造舒适的整体室内环境提供科学依据。（2）实践意义为扩散体产品的模块化、装配化
4、设计和研发生产奠定了基础，有利于促进木材的合理利用，并且能够提升厅堂类建筑室内环境质量。.第2章基于分形的模块化木质扩散体方案设计2.1 扩散体理论研究及应用现状Schroeder扩散体自出现以来便广受关注，国内外学者对其性能优化做了大量研究工作，扩散体声学性能得以不断改善。然而，与蓬勃发展的研究相比，扩散体在影剧院空间中的应用并不普遍，这主要是因为扩散体的视觉效果十分有限，与影剧院富有表现力的室内空间并不相符。在实际工程中，为了方便施工，设计人员通常将单一扩散体不断重复直至覆盖侧墙，这进一步强化了室内空间的单调，也不利于声学扩散。海南大学音乐厅53（图2-4a）是一个550座的小型音乐厅，设
5、计者在侧墙设计了曲面的凹凸以实现扩散，在后墙则根据调制原理设计两个相位相反的大型二维QRD扩散体，扩散体上各单元的尺寸为600mmX600mm，突出墙面最大为500mm，大型的二维扩散体成为了音乐厅的最突出特点之一。国家大剧院戏剧场82（图2-4b）在侧墙全部采用凹凸起伏的最大长度序列扩散体以提供均匀柔和的自然声反射，墙面采用强烈的紫红色调，形成视觉冲击。2.2分形理论与在任何尺度下都具有自相似性的规则分形不同，随机分形只在一定尺度中表现出自相似性，且这种自相似性往往是统计意义上的，因此也被称为具有统计自相似性。随机分形普遍存在在自然界中，如海岸线的形状、山脉的轮廓等等。此外，随机分形也可以通
6、过在规则分形中引入随机性而人为地模拟出来。仍旧以Koch曲线为例，在Koch曲线的构造过程中，线段的中间段会不断地被等边三角形的两边取代，如果在此步骤中随机地决定新代入折线的朝向，向上或向下的机会均为二分之一，那么最终生成的图形就会与规则的Koch曲线产生明显差异（图2-7）。虽然这种随机的Koch曲线不具有严格的相似性，但它是迭代产生的并且具有精细结构，因此它仍然被认为是分形图形。随机Koch曲线与规则Koch曲线在经历同样的迭代次数后具有相同的折角和线段数目，因此认为二者在统计意义上是相似的。.第3章模块化木质扩散体声学性能模拟及实测.353.1扩散体声学性能预模拟.353.2扩散体声学性
7、能实验验证.403.3设计要素对扩散体声学性能的影响.463.4本章小结.50第4章模块化木质扩散体评价偏好测试.514.1实验准备.514.2眼动实验.544.3SD法问卷调查.60结论.73.第4章模块化木质扩散体评价偏好测试4.1实验准备运用Sketchup2016进行三维场景建模。视点位于扩散体对面，虚拟相机高度为1650mm，与眼睛同高，相当于一个拥有平均身高的成年人视角。如图4-3所示，本研究生成了两张不同视点位置下的场景图片。图4-3a)中，视点位于扩散体斜对面，以模拟现实环境中观众对扩散体的观察视角，图4-3b)中，视点位于扩散体正对面，距离墙面16米，视角为45度，以确保受试
8、者能够清楚地观察到完整的侧墙及扩散界面的细节部分。接着用Vary3.0分别渲染生成场景图片，图片尺寸为3800*1875。然后使用PhotoshopCC2017进行后期处理，保证背景简洁以便突出扩散界面。4.2眼动实验如表4-2所示，本研究招募哈尔滨工业大学建筑学背景的学生作为眼动实验的被试对象。以学生为目标群体首先是因为本研究并不侧重年龄或性别产生的差异，通过文献阅读可以发现，以学生被试对象的相似类型的研究成果较多，也从侧面证明了以学生为被试对象是合理的，其次，眼动实验需进行现场操作而学生是校园中样本数量最大的人群，此外，以学生为被试对象的研究成果丰富，研究方法成熟，能够保证实验操作的合理性
9、。测试图片如表4-3所示。将A、B、C三组样本照片分别排布在三张像素为1900*1200的图纸中，每张图纸均排布O-2（QRD扩散体）样本照片作为对照组，然后将图像输入计算机（具有图像显示功能）。本实验使用的眼动仪型号为TobiiTX300，TobiiTX300无需佩戴，受试者在实验过程中可自由移动头部。测试前需对受试者进行简单实验说明并请受试者根据自己的主观感受观察画面中自己所喜爱的部分。.结论研究结果表明，设计要素取值合理的情况下，分形扩散体设计方案能够满足声扩散要求。扩散体的声扩散性能随迭代次数的增加先上升后下降，迭代三次的扩散体声学性能最佳，随模块排列的集中程度的上升而下降，随模块覆盖密度的增加先上升后下降，覆盖密度为58.4%时，扩散体的声学性能最优.（3）通过评价偏好测试明确了扩散体评价偏好与设计要素之间的关系。研究结合眼动实验和SD问卷调查方法测试扩散体的大众接受度，实验结果显示：受试者对分形扩散体设计方案的接受度高于QRD扩散体。扩散体的接受度随迭代次数的增加先下降后上升，迭代二次的扩散体的接受度最低，随排列形式的集中程度的上升而降低，随覆盖密度的增加呈下降趋势。参考文献（略）