厅堂语言清晰度电声和建声设计.doc

厅堂语言清晰度电声和建声设计王强 陈建利 田宝国中国通广电子公司摘要：本文主要论述了在使用扩声系统的厅堂中，采用高Q值、数量N少的扬声器系统以及采用有效混响时间的建声设计可提高厅堂的语言清晰度。关键词：语言清晰度 高Q值扬声器 有效混响时间Hall Electro-acoustic and Acoustics Design of Speech IntelligibilityWang Qiang， Chen Jianli， Tian Baoguo China TONGGUANG Electronic Co.， Ltd.Abstract: The paper illustrates the viewpoint that it can improve the speech intelligibility in the hall, if it uses the loud speaker having higher Q and lower N and Efficient Reverberation Time.Keywords: Speech Intelligibility, Loud Speaker having High Q, Efficient Reverberation Time厅堂、报告厅等场合的扩声系统，主要是进行会议语言扩声为主要使用功能的。所以无论从主观试听和客观技术指标要求，保证语言清晰度的设计都是第一位的。下面我们从电声和建声两个方面简要论述一下如何进行语言清晰度的设计。1 扩声系统语言清晰度设计厅堂、报告厅等场所电子会议系统中扩声系统的设计，其任务是为观众席提供足够大的声压级和语言清晰度。早在1971年荷兰声学家Peutz历经十年研究出的辅音清晰度损失率百分比，是设计、预测厅堂语言清晰度的理论依据：STI0.94820.1845ALcons% （1）ALcons%= （2）上式中：STI是语言可懂度，可进行测量。AL%是辅音清晰度损失率百分比，在设计阶段，依据图纸、方案可预测语言可懂度是否合格；D2是扬声器离最远观众席距离（米）；是厅堂、报告厅的建声混响时间（秒）；N是扬声器的数量；Q是扬声器的指向性因子；V是厅堂容积（米）； M是临界距离Dr的修正值，通常取1。 从（2）式可以看出，厅堂、报告厅的语言可懂度主要是两个物理量决定的：一是建筑声学混响时间，二是电声设备扬声器Q值，及其数量N之方案。其AL%越小，语言可懂度STI越高。一般要求AL%15，即STIPA0.45；较高要求AL%11，即STIPA0.5。从公式可见，AL%越小，STIPA越高。基本上有以下两种方法来降低AL%：（1）建声上，降低厅堂、报告厅混响时间；（2）电声上，选取高Q值（频带宽、灵敏度高、功率大）的扬声器和N少的扩声方案。建声混响时间设计，其理论依据是赛宾的统计物理学理念，具体应按照GB/T 503562005剧场、电影院和多用途礼堂建筑声学设计规范进行，如图1。容积V（m）图1 会堂、报告厅和多用途礼堂对不同容积V的观众厅，在5001000Hz时满场的合适混响时间T的范围混响时间（5001000Hz）有个范围，我们可要求建声混响时间设计取小的数值，但是混响时间达到高端数值也是可能的、合理的。这可从扬声器的指向性因数Q选高和扬声器数量N选小（如选线阵列扬声器系统），可予以补偿，以期达到语言可懂度和最大声压级的设计。（3）在工程设计、草图、方案阶段就可依据建声混响时间；电声扬声器Q值和通道数N方案，利用声学设计软件EASE4.0（或相应声学设计软件）进行仿真模型设计，可预见到语言可懂度和最大声压级是否达到相应的级别标准。如果达不到预期语言可懂度STIPA或AL%，可尽早重新选取扬声器系统，修改方案，以期达到语言可懂度和最大声压级两项技术指标，建议技术指标要求留有充分的余地。2 扩声系统五项技术指标设计五项技术指标的设计，其实质也是语言清晰度设计，是保证实现厅堂、报告厅语言清晰度的必要条件。2.1 最大声压级首先，明确是在重放情况下的测量，不是扩声。第二，只要扬声器至最远观众席距离直达声压级满足就行了。第三，宽频带粉红噪声的峰值因数一般取6dB。根据GB50371-2006厅堂扩声系统设计规范最大声压级的定义：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，加上峰值因数的以10为底的对数再乘以20，即：=+20lg（1.82.2） +6dB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；功放功率大于扬声器功率（计入线路电缆损耗），这样不仅保证观众席的最大声压级，而且可以保障瞬态音质。2.2 传输频率特性（1）传声器、扬声器组频率响应特性应尽量选取平坦的曲线；尤以扬声器组频率响应取恒指向性为好。（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，调整扬声器覆盖之观众席声场，保证其达到所要求的频率响应。（4）传声增益保证扩声系统的稳定性是实现语言清晰度的前提：传声器可选用指向性可变传声器，可根据厅堂、报告厅内具体情况使用不同指向方式。利用自动混音台8入/1出，或串联使用，无论多少组输入，始终只有一组输出给调音台，并且具有NOM功能，即使有人插话，人数增加，其电平输出按10lgNOM衰减，可保证厅堂、报告厅观众席声压级基本不变。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系统之反馈啸叫，保证系统稳定。建议AFS插入调音台编组使用，既可抑制啸叫，又不影响重放音乐音质。为了保证系统的稳定性，每路功放都有C/L（压/限）功能，进行信号过载保护。（5）声场不均匀度声场不均匀度是厅堂、报告厅观众席各点：1kHz，4kHz声压级变化。如果观众席传输频率特性达标，其声场均匀度不成问题。基本上反映扬声器系统对观众席覆盖是否合理，实质上也是反映观众席语言清晰度，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。（6）系统总噪声级设计中使用带降噪声均衡器或数字音频处理器DSP，其动态超过100dB。扩声系统不可能出现噪声。如果不是地线连接不当，扩声系统是不会产生噪声的。3 有效混响时间设计3.1有效混响时间设计可提高厅堂清晰度的建声设计此理论是由原苏联阿.纳.卡切洛维奇提出来的，已经通过50100个电影院的建设实践证明是正确的，虽然是重放系统建声设计，其本质和扩声系统建声设计是一致的。其特点：只须在重放系统中增加传声器，就成为扩声系统，扩声系统和重放系统的不同之处在于其将解决系统啸叫，满足传声增益放在首要位置。 图2 有效混响时间示意图*厅堂的赛宾混响时间T3如图2，厅堂的有效混响时间T，T=T1+ T2。式中，T1=0.15秒，是几何声学理念；T2同赛宾理念一样，是统计物理学理念。从语言清晰度（有用能量E有用/无用能量E无用）的理论研究指出：（1）在使用扩声系统的厅堂中，赛宾混响时间对语音清晰度无任何贡献。（2）采用有效混响时间的设计，混响曲线初始部分L下降越大，语言清晰度越高。3.2 使混响曲线的初始部分急剧下降（在混响时间比较长的情况下），使传声清晰度提升很高卡氏通过平行六面体模型，根据几何声学理念，利用计算机计算，最终得出以下结论：（1）如果对顶棚和侧墙下部进行强吸声处理，下降曲线初始部分（见图2）L将会得到急剧的下降，语言清晰。（2）如果墙身上部（两侧墙）有很好的反射，那么，曲线结束部分得到比较倾斜的下降，音乐丰满。这就是说，在使用扩声系统厅堂中，采用有效混响时间的理念进行建声设计，不仅可提高语言清晰度，又可实现音乐丰满度。这就是有效混响时间设计的实质。其重点是顶棚和后墙进行强吸声。顶棚强吸声就是将前3次反射声全部吸收。前3次反射声少了，多次反射声自然就少了；顶棚全吸声就是指入射到顶棚声全被吸收了，相当于没有顶棚一样，没有顶棚的厅堂，自然就不会混了，混响时间自然小了。而后墙全吸声，也会使反射减少。人在无顶棚，无后墙的厅堂中，相当于在广场中讲话，自然就清晰了。音乐丰满是因为观众席左右侧墙上部有很好的反射（理论上是4-5次多次反射），甚至可以是大理石墙面（只要不平行，不产生震荡回声即可）。理论计算：侧墙反射次数是地面或顶棚的3.3倍。故混响曲线下降部分越倾斜，音乐丰满度越好。3.3 按照卡氏有效混响时间理论设计时须把握的设计要点（1）顶棚，无论观众席，还是舞台顶棚，必须全部强吸声。强吸声概念是指穿孔率25%，其顶棚上敷设50100mm离心玻璃棉，容积32kg/M3，用透声玻璃丝布包裹。如图3所示。图3 顶棚设计（2）后墙处理，也是强吸声，希望增大后腔，除中高频吸声外，对低频进行共振吸声，如图4所示。图4 后墙处理示意图（3）侧墙下部1.2-1.5M是否吸声，视具体情况而定。侧墙上部为了加强反射，会有各种不同造型的扩散体，扩散体内填高心玻璃棉对低频吸声有利。图5 侧墙设计（4）地面座椅选软座椅，选5001KHz，0.5，这样不管厅堂人员多少，即使空场，满场混响时间也基本不变，清晰度可保证。（5）如果是具有演出舞台的厅堂、剧场，就使T舞台T观众席。3.4 有效混响时间的计算T= T1+ T2式中：T1=0.15秒，T2=0.0273（6-N）V/*s其中：N=L/10，=-（1-）；V容积；S总表面积；平均吸声系数；L通过观众席每一点，都是计算13个数据（延时时间、衰减声压级）通过作图决定150毫秒内声压级衰减。所以，上述计算比较繁杂，麻烦。因为T2是统计物理学理念，所以也可使用下面的赛宾理论公式计算，简洁易行。T60=0.161V/ S 式中：V厅堂的容积 某S面吸声系数 S厅堂某处表面积这样计算简单实用，往往实际值比计算值要稍小一些，这是由150ms处L衰减造成的。3.5 有效混响时间和赛宾混响时间对脉冲干扰不同，影响语言清晰度也不相同（图6）图6 前一脉冲已衰减，不干扰或掩盖后一脉冲3.6 有效混响时间建声设计的几点说明（1）卡氏理念虽然是对六面体电影院进行研究的结论，但实际上，对于任何体型扩声厅堂都是实用的。（2）对于大房间的设计，有效混响时间设计也是适用的。1000人以下的厅堂，可直接按设计要点进行设计。（3）卡氏的建声设计，也适合使用扩声系统的剧院建声设计，更适合大礼堂。（4）我们在北京五矿礼堂、六十五中礼堂、林业局礼堂、气象局报告厅、枣庄会展礼堂、昆明省政府报告厅、长春国际会议中心等多个厅堂的建声设计都非常成功。3.7 小结（1）厅堂报告厅声学设计总体上是保证语言清晰度的