体育馆吸音板吸音材料的运用体育场馆扩声系统语言清晰.doc

体育馆吸音板吸音材料的运用 体育场馆扩声系统语言清晰体育场馆扩声系统语言清晰度的设计王强，陈建利，王铁超本文指明了体育场馆扩声系统的设计实质即语言清晰度的设计。分析了目前国内体育场馆声学设计存在的问题，围绕ALcons%和STI阐述了体育场馆语言清晰度设计的理念，在该理念的指导下作建声设计、电声设计、仿真模型计算机辅助设计和五项技术指标的实现。体育场馆使用扩声系统的主要目的是将语言声音如实扩大，保证观众席具有足够的声压级，同时具有良好的语言清晰度。体育场馆扩声系统的设计实质上是语言清晰度的设计，是围绕以语言清晰度为核心的建声、电声及五项技术指标的设计。一、国内体育场馆设计目前状况不容乐观。关键问题是设计理念落后，声学设计规范不明确，体育场不考虑混响时间，未按封闭空间进行声学设计.在体育馆的设计上考虑美观的同时却没有结合符合体育馆的建声设计来做内外部设计和材料选择。如只考虑材料的美观采用大量表面光滑对声反射强度大的材料，如玻璃、表面光滑的陶瓷等。1、设计理念落后多年来，我们大部分设计者都采用临界距离Dc设计理念。临界距离Dc是指声场中平均直达声能密度与平均混响声能密度相等的点到声源中心的距离。一个在实践中比较实用的Dc公式如下：式中，Q是扬声器的指向性因子，是场馆容积，N是扬声器数量，T60是建声混响时间。Dc越大，语言清晰度越好。但是Dc和语言清晰度定量关系非常模糊。临界距离Dc和扬声器距最远观众席距离是LR/LD=6dB合适还是LR/LD=10dB就能满足?一般设计者无所依从。图1临界距离与直达声场、混响声场的关系图2、基于临界距离理念的声学设计规范(1)定性方面要求a)建声设计体育馆建声的一般要求应以保证语言清晰度为主，应把自然声源、扩声扬声器作为主要声源。综合体育馆比赛大厅满场5001000Hz混响时间比赛大厅容积(m3)80000混响时间(s)1.21.41.31.61.51.9游泳馆比赛厅满场5001000Hz混响时间每座容积(m3/座)2525混响时间(s)2.015%，体育场馆语言清晰度将难以保证。2008年北京奥运会场馆，要求STI0.5，即ALcons%11%，是较清晰的语言清晰度。(2)从辅音清晰度公式ALcons%来看，ALcons%是由建声、电声两个专业进行设计的。建声的设计理念是：在V不变的情况下，建筑声学T60越小越好；电声的设计理念是：在扬声器至观众席距离D2不变的情况下，扬声器数量N越少，扬声器Q越高，ALcons%越小，语言清晰度STI越高。因此，电声和建声可综合互补设计。例如，在长混响时间T60(35s甚至更高)的环境条件下，可采用高Q值的扬声器并减少扬声器的数量N进行补偿(比如采用线阵列扬声器系统)。既使在长混响条件下，仍可保证体育场馆语言清晰度，就是最好的例子。2、体育场馆建声设计有效混响时间设计理念是前苏联人阿纳卡切洛维奇在上世纪50年代提出的，经历50100个电影院系统的实践，证明是成功的理念。我们也曾在国内多个厅堂场馆的实践中证明了它是先进的设计理念。尤其是适合大空间容积，使用扩声系统的设计理念，我们在此进行推荐。图2有效混响时间示意图如图2所示，T3即体育场馆的赛宾混响时间，T为体育场馆的有效混响时间。T=T1+T2式中，T1是几何声学概念，为0.15s；T2同赛宾理念一样，是统计物理学概念。对语言清晰度理论的研究表明：采用有效混响时间的设计，混响曲线初始下降部分?L越大，语言清晰度越高。体育场馆建声设计根据有效混响时间理念，我们认为应该是全吸声、强吸声、处处吸声。关键要害是顶棚的吸声，因为顶棚强吸声相当于没有顶棚一样，不仅混响一下大为降低，而且混响曲线的双折线、早/后期声能比高，有益于提高建声语言清晰度，而且在扬声器马道以下侧墙基本上是前三次反射声，应该予以强吸声。对于自然采光的体育馆，尤为注意在满足采光条件下，顶棚必须加大进行强吸声处理。法国巴黎圣丹尼斯法兰西足球场，可容纳8万人，是举办1998年法国足球世界杯赛事的主场地，具有顶篷结构。顶篷进行了建声设计，顶蓬采用的吸声材料是吸声量最大的立体吸声材料吸声体。直达声比例高，没有明显的来自顶蓬和空坐位的反射声的干扰。采用了2种计算机模拟设计软件，利用EASE来进行模拟分析，并使用了有虚拟声场系统的CAD ACOUSTICS。采用了高Q值的扬声器，总计安装188只NEXO/ALPHA音箱，分成36个阵列，均匀地吊挂于重达13000吨的顶蓬下面。每个阵列是由五个音箱组成一串，两个低音和三个中高音间隔排列。人民大会堂万人大会堂，V=93000立方米，1999年改造前T60=2.8秒，仍然由中科院声学所进行设计。观众厅的侧墙和顶棚绝大部分表面均为穿孔板吸声材料，外观基本不变，观众厅混响时间大为降低。主席台的侧墙和后墙采用大面积金属穿孔板后覆吸声材料的做法，降低混响时间，观众厅T60=1.59-1.64秒，主席台T60=1.55-1.63秒。南开大学体育馆，根据体育馆容积V=90000立方米，依照JGJ/T131-2000体育馆声学设计及测量规程南开大学体育馆属于大于80000立方米容积，混响时间应在1.51.9秒(满场500-1000HZ)。声学是由中国建筑设计院进行设计，顶棚采用大面积棋盘式吸声体；球节点金属网架以下四周侧墙全部采用金属厚板微穿孔敷设，离墙体50mm，比赛场地为木质，篮球比赛用地板，主席台全部软椅，观众席及活动坐席为硬板塑料椅，玻璃幕墙其上悬挂窗帘，经估侧混响时间T602秒，满足设计要求。使用扩声系统，空场就达到语言清晰。3、体育场馆电声设计体育场馆的语言清晰度电声设计，关键是扬声器系统类别的选取和数量的确定，实质上就是选扬声器。这点尤为重要。国内外名牌扬声器众多，设计者应依据公式辅音清晰度损失率百分比理念，按照体育场馆语言清晰度要求STI(换算成ALcons%)，在体育场馆建声T60一定，扬声器数量N尽量少(在保证覆盖体育场馆观众席的基础上)的条件下，求出所需的扬声器指向性因数Q。(1)扬声器指向性因数Q值的大小可用公式直接算出。比如，若要求体育场馆语言清晰度STI0.45(即ALcons%15%)，其Q值的大小可按下式计算：总之，依据清晰度的要求，在建声、T60一定，电声D2、N一定时，可求出扬声器系统的Q值。在扬声器数量N和指向性因数Q一定的情况下，可以选取自己需要的品牌。需要注意的是，T60如取指标允许的上限值，Q值一定要留有充分的余地，取得比较高一些为好。(2)扬声器指向性因数Q值的大小，可从产品说明书中选取。但是，多数产品的说明书往往不标注Q值，既使标有，也是某一频段的平均值。在这种情况下，可以借助产品说明书中标注的DI指向性指数，因为DI=10lgQ，所以用DI亦可算出Q值。另外，也可通过下式计算式中，是扬声器的水平指向性角度，是扬声器的垂直指向性角度。但是，这种计算值往往不准确，仅供估算而已。(3)真正准确的是计算机仿真设计数据库中的Q值频响变化曲线。它是厂家的实验室测试数据，是搭建仿真模型的依据，因此应该是很准确的。我们关心的是500Hz、1000Hz、2000Hz的指向性因数Q值，因为它们对清晰度影响最大。一般体育场馆的语言扩声系统，在声源扬声器的Q值满足要求，数量N最少，经计算机仿真设计或计算出来的ALcons%值较小的情况下，就可采用；而容积大、混响时间长的，重要的体育场馆，则采用性价比高的线阵列扬声器比较稳妥。4、仿真模型计算机辅助设计(1)仿真模型软件的作用，实际上就是依据公式和公式，利用计算机编程，对体育场馆内的电声和建声综合造成的语言清晰度和最大声压级进行实时分析。因为依据理念是正确的，模型结构建造得也比较准确，仿真模型对体育场馆的语言清晰度设计是具有很重要的参考价值的。借助仿真模型的帮助，在图纸设计阶段，就能预测体育场馆语言清晰度的优劣。为进一步完善、改进建声和电声设计方案提供充分的依据。尤其是在长混响环境下，有纯粹理论计算等无法预料其影响的梳状滤波干扰出现的时候，仿真模型就更是确定、完善方案，预测其语言清晰度的关键、必要的一步。(2)模型应尽量建造得细致、准确。模型细致、准确的程度对仿真模型的意义主要表现在对体育场馆空间容积和建声混响时间T60的准确度的影响上。(3)如果已知建声设计，就可以根据体育场馆空间容积内各立面不同的面积，将吸声材料布放得比较合理。如只知道要求的混响时间，就只能作一般的布放而已。(4)扬声器悬吊的要点在于，一般选在马道位置上，否则扬声器的声场将受到影响。(5)对于体育场馆建声，一般应取国家标准JGJ/T 131-2000中相应性质场馆相应体积所对应的，混响时间的上限，甚至可以在此基础上留有一定的余量。原则上，在设计阶段，应对建声取较恶劣的条件，长一些混响时间T60；电声采用Q值较高，N较少的扬声器系统。这样的设计留有充分余地。建声做得好，混响时间T60短，清晰度自然能够符合要求；即使建声未达标或者超标，因为有电声的补偿，仍能保证体育场馆语言清晰度在可接受的范围内。(6)仿真模型设计，应该具有：T60混响时间曲线，能明确显示容积的大小及500Hz、1kHz混响时间值的曲线图；体育场馆模型结构4D图、立体图等，应能使人对体育场馆结构体形、扬声器布置一目了然；语言清晰度曲线，应具有500Hz、1KHz、2kHz的STI图、ALcons%图；最大声压级曲线，应具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz的曲线图；通过计算机仿真模型设计得出的，语言清晰度、最大声压级、声场均匀度等技术指标的验证结论。淄博体育场整个体育场的建筑面积约为70920平方米左右，四周看台共设44100个座席，固定座席40000人，临时座席4100人。方案设计时，利用EASE4.1设计软件，对体育场进行封闭空间作图处理，混响时间按T60=4秒模拟，线阵列集中悬挂扩声，使其满足语言清晰度指标。采用34只PROSO/FL-2扬声器分为6组，每组8-10只，覆盖观众席区域；10只PROSO/FL-2扬声器为1组，覆盖比赛场地区域；16只PROSO/M1.0扬声器作为挑台下补声使用；4只PROSO/FL-12扬声器作为主席台返送使用。扩声系统安装调试后经山东省电子产品监督检验所检测，各项指标如下：指标测点数结果语言传输指数100平均值0.55最大声压级109平均值97dB声场不均匀度3438dB(1000Hz)，10dB(4000Hz)传输频率特性109以250Hz-4000Hz的平均声压级为0dB，变化范围-4+4dB传声增益109250 Hz-4000Hz平均-11dB系统噪声不产生明显可觉察的噪声干扰5、为达到体育场馆五项声学特性指标所进行的设计和对扩声系统设备的优化和选取五项技术指标的设计，是保证体育场馆语言清晰度的必要条件，其实质也是语言清晰度设计。5.1最大声压级首先，要明确是在重放而不是扩声的情况下的测量。第二，只要距扬声器最远观众席的直达声压级符合要求即可。第三，宽频带粉红噪声的峰值因数一般取6dB。厅堂扩声系统设计规范(GB 50371-2006)将最大声压级定义为最大峰值声压级的平均值。以峰值因数(1.82.2)限制的额定通带粉红噪声为信号源，其最大峰值声压级为RMS(有效值)声压级的长期平均值，加上20倍的，以10为底峰值因数的对数，即：另外，必须考虑功放至扬声器之间线路损耗：尽量选取传输电阻小，电流容量大的电缆；使功放功率大于扬声器功率(计入线路电缆损耗)。这样不仅能保证观众席的最大声压级，而且可以保障瞬态音质。5.2传输频率特性(1)应尽量选取频率响应特性曲线平坦的传声器、扬声器组，尤其是扬声器组，以选取恒指向性频率响应的为好。(2)扩声系统电气系统特性指标应符合要求。(3)扩声系统中，每一支主扬声器之前都有一组数字音频处理器DSP与之对应，其中应具有音量、分频、压限、均衡、参数均衡、延时、位相等功能模块可供使用，以便调整扬声器覆盖的观众席声场，保证其频率响应达到要求。5.3传声增益保证扩声系统的稳定性是保证语言清晰度的前提：(1)传声器可选用指向性可变传声器，可根据体育场馆内的具体情况使用不同的指向方式。(2)利用自动混音台8入/1出或串联使用的功能，保证无论有多少路输入，始终只有一路输出给调音台。此外，混音台应具有NOM功能，即当有人插话，发言人数增加时，其输出电平按10lgNOM衰减，从而保证体育场馆观众席声压级基本不变。(3)选配具有数量可选取的多抑制点的自动反馈抑制器AFS，如2入/2出的DFR-22EQ等，可抑制任何恶劣建声造成的反馈啸叫，保证系统稳定。建议将AFS插入调音台编组使用，这样既可抑制啸叫，又不影响重放音乐音质。(4)为了保证系统的稳定性，每路功放都要有C/L(压/限)功能，能够进行信号过载保护。5.4声场不均匀度声场不均匀度是体育场馆观众席各点在频率为1kHz、4kHz时的声压级变化。它基本上是对扬声器系统对观众席的覆盖是否合理的反映，实质上也是对观众席语言清晰度的反映。如果观众席传输频率特性达标，体育场馆的声场均匀度达标便不成问题。在语言信号传输中高通滤波器去除1000Hz以下的频率成分，语言清晰度仍为93.8%，这是应该明确的。5.5系统总噪声级设计中使用数字音频处理器DSP，其信噪比超过100dB。扩声系统不可能出现噪声。如果地线连接正确，扩声系统是不会产生噪声的。三、结束语根据辅音清晰度损失率百分比理念，配合合适的吸音材料，在2008年北京奥运会英东游泳馆、垒球场、国家训练基地，乃至湖南省十运会一场两馆、第十二届全运会淄博体育场、天津南开大学体