体育场馆扩声设计的若干原则.doc

体育场馆扩声设计的若干原则体育馆扩声有什么特殊性？什么样的系统既能更好符合使用要求，又经济合理？怎样的声学指标是合理可行的？系统与设备器件的关系如何？这些都是从事扩声专业同行经常思考的问题。广播电影电视部设计院30多年来承担过近20个大型体育场馆扩声工程任务，包括较早期的北京工人体育场、馆，首都体育馆和近年的11届亚运会的几个主要馆场，还有我国援建在亚非地区的十多个体育馆场。通过这些扩声工程的实践，企图对上述的问题讨论几个原则，不频及很具体的技术问题，其目的在于引超讨论，尽可能取得共识，使我国的体育场馆扩声工程水平有所提高。下面结合工程实践体会谈五个问题。1、常备固定安装的扩声系统与供演出用的流动扩声系统 体育馆场是大型公共活动场所，其扩声系统平时经常是用于体育比赛和群众集会，首先是要满足语言扩声的要求。偶尔也举行大型文艺演出，对声学特性提出更高的要求。还可能举行一些其他活动。使用一个扩声系统就难以适应这些差别颇大的各种不同活动，如果按大型文艺演出的需要设置扩声系统，对经常使用的语言扩声而言很不经济，同时也难以满足各种演出活动的特殊要求。经多年来国内外体育场馆的实践对此体会很深，大多数大型运动会的开幕式，闭幕式和大型的高水平演出都是用流动系统解决。因此，设置一个常备性、固定安装、较为简单的、以语言扩声为主（必要是可兼顾小型演出）的扩声系统，供声馆平时大量的集会、比赛使用；而对音乐扩声，则设置一个质量较高的流动系统，使用前根据演出需要临时安装，可能是经济合理的。固定式系统又可作为音乐扩声系统的组成部分，可以与流动扩声系统接口。这样的音乐扩声系统在规模、配置方面都有较大的灵活性，有可能满足各种文艺活动的需要。这种系统的设置，可从国外大型体育场馆中找到多个例子。在第11届亚运会的主会场工人体育场和北京奥林匹克体育中心的综合体育馆就采用了这样的扩声系统。工人体育场扩声系统已在1991年电声技术第二期上介绍过1，不再重复。现就奥林匹克体育中心综合体育馆的系统略加说明。该系统固定式扬声器组集中悬挂于场地中部，离地面高度可调（电动升降），覆盖全场。扬声器组主要由300的低音扬声器单元和600400，400200的恒指向性号筒的扬声器组成。系统采用前级电子分频，功放与扬声器之间不通过变压直接接配。为了解决文艺演出时，场内可能设置的流动扬声器与中心悬吊扬声器组到达观众的声音的时间前后顺序分布问题，该扬声器组分四路接线，各路可单独接入延时器，以调整时间顺序关系。由于资金关系，没可能一次提供足够的供演出用的流动扬声器组，设计时只配置了四组带功放的流动扬声器组，供演出时场内使用。此外，场内与扩声机房之间有多对电缆联接，以便演出时场内连接有线、无线传声或流动调音台和其他音质加工设备。至于大型演出必要的返送系统，在固定设备中没有考虑、完全依赖于演出前临时设置。2、集中式和分散式布置扬声器系统常备固定安装扩声器系统集中布置还是分散布置，国内外均已有过详细的讨论。应该说，设计得当，两种布置方式均可能达到良好的声场特性。在具体工程中，可根据具体实际情况权衡确定扬声器布置方案。对一个体育场馆而言，一般地说，扩声系统所处的地位是从属的，扬声器系统布置受诸多因素的制约。因此，协调土建、设备、系统设计之间的关系，保证主要设计要求得以实现，是系统设计者的主要任务之一。对室内体育馆而言，分散式布置扬声器系统的优点是：扬声器系统单元特性较容易达到；可分区控制全部或部分扬声器；离听众较近，可拉高直达声比例。其主要问题是不容易安排好到达听众声音的时间顺序，而且安装管道较多。在亚运奥林匹克体育中心内，游泳馆采用分散式布置扬声器的方案。具体布置及效果已在参考文献1介绍过。采用分散布置的主要原因不但是为了加强直达声比例，而且还可以控制水面反射声的干扰，以提高在较长混响时间条件下的扩声语言清晰度。对于综合体育馆，由于室内混响时间可以有效控制，扬声器特性又可能满足集中式布置的要求，因而采用集中悬吊扬声器系统的方案，实际证明，这个方案是成功的。对于一个室外体育场而言，曾在过去一段时间采用过的场内立杆分散布置扬声器组的方案，由于对观众视线或体育运动有所影响，或由于听感方向不佳，逐渐不被多数设计者采用。较多的是在挑蓬下分散布置扬声器系统，如工人体育场扩声改建那样的集中式系统，或以集中式布置主扩声扬声器组，如北京奥林匹克体育中心田径场那样的集中式系统。近年来，由于扬声器系统方面的进步，促使设计者越来越多地运用集中布置主扩声扬声器系统方案，如国内新建的山东体育场、北京先农坛体育场等。与分散式系统相比较，集中式方案对扬声器系统的功率、灵敏度、指向性等方面有更严格的要求。其声场特性主要问题有二：一是声音“外溢”对附近地区造成“噪声污染问题”，据报道，集中式比分散式扩声“外溢”高出15dB左右2，这在必须考虑体育场附近“安静”问题的地方是应给予重视的；二是在坐不满观众的情况下，场内存在长延时的反射声。如何定量地评估这些长延时的反射声。如何定量地评估这些长延时反射声对扩声语言清晰度的影响，还缺乏必要数据，但经验告诉我们，这些反射声对语言清晰度的干扰不是不能容忍的。这大约就是集中式扩声系统得以发展的起码条件。声频工程设计概论无论采用哪一种扬声器布置方案，均应确保在对语言清晰度影响很大的频带内（如125Hz4kHz）有良好的直达声覆盖。但目前扬声器系统在低频段（如250Hz以下）难以得到有效的控制，还不能做到基本上与频率无关的强定向，这无疑会影响到远区低频直达声覆盖。改进低音扬声器组低频段的近场与远场特性差别可能是个值得研究的课题，不仅是对体育场馆扩声如此，对其他厅堂扩声也一样。3、体育场馆扩声声场指标及建筑声学特性从声学的角度看，体育场馆有别于其他厅堂。场馆内活动时群众噪声高，据统计L50达7580dB（A）；馆内体积大，有的达近30m3/座；场内扩声距离大，体育场集中式扩声最大服务距离可达170m以上；扩声传声器处于主席台或场地上，这些地方均在扩声扬声器的有效覆盖之下，其声压级、频谱与一般观众席没有多大差别，因而对抑制声反馈，提高传声增益困难更大。因此，现有广播电影电视部部标准厅堂扩声声学指标难以直接用于体育馆场。即将发布的国标厅堂声学设计规范，也没有规定体育馆的建声标准及扩声指标。无论如何，对一个工程而言，规定合适的声学特性指标作为设计和验收的依据是很必要的，即便不是作为行业标准。基于馆内声学效果是扩声系统与建声处理的综合结果这个出发点，对于多用途的室内大中型体育馆的混响时间特性进行过调研。中国建筑科学研究院物理所在1986年讨论亚运场馆建设的有关研讨会上，提出亚运新建体育馆的中频混响时间为1.41.8秒（2/3满座）；低频混响时间允许有一定的上升（125Hz上升至1.3倍）。这个数据对一般规模的综合体育馆是可行的。北京奥林匹克体育中心的综合体育馆混响时间实测值基本在上述范围内，使用效果表明其语言清晰。相反，在游泳馆内，由于混响时间远长于上值，虽然在扩声系统中已采取了一些措施，采用了争散系统，但语言扩声和总效果仍不够清晰。因此，为提高语言清晰度尽管采用分散式扩声系统，但在建筑声学上，仍应进一步控制其场内混响时间。在亚运场馆建筑时，曾拟定了几个主要场馆的扩声系统指标，如下所示（不是计算达到数据，只有设计指标）。亚运村几个场馆的扩声系统指标：地点：工人体育场最大声压级/dB：93传输频率特性：+4-6传声增益/dB：-12声场不均匀度/dB：10地点：奥林匹克中心田径场最大声压级/dB：93传输频率特性：+4-6传声增益/dB：-12声场不均匀度/dB：10地点：奥林匹克中心综合体育馆最大声压级/dB：95传输频率特性：125Hz4kHz+4传声增益/dB：-10声场不均匀度/dB：8地点：奥林匹克中心游泳馆最大声压级/dB：90传输频率特性：125Hz4kHz+4-6传声增益/dB：-12声场不均匀度/dB：10以上所列名词解释参阅广播电影电视部标准GYJ25-86工程建成后，进行空场测量，测量结果也如下3。测量按国标GB4959-85厅堂扩声特性测量方法进行。工程建成后的空场测量结果地点：工人体育场最大声压级/dB：101传输频率特性：+2-5传声增益/dB：-9声场不均匀度/dB：8地点：田径场最大声压级/dB：98传输频率特性：+2-3传声增益/dB：-10声场不均匀度/dB：8地点：综合馆最大声压级/dB：99传输频率特性：0-4传声增益/dB：-8声场不均匀度/dB：6地点：游泳馆最大声压级/dB：95传输频率特性：+2-1传声增益/dB：-9声场不均匀度/dB：4比较以上两个表格，可以看出，原规定这些场馆中扩声系统估计达到的最大声压级是偏于保守的。原因可能有三：（1）厂方提供的扬声器参数留有余地；（2）测量最大声级是准峰值声压级，与估算时不一致；（3）原规定对混响声（室内）和多扬声器能叠加问题估计不够。如上所述，由于体育场馆扩声传声器所处地方的声学条件，传声器的指向性特性（包括指向性的频率特性）对传声增益的影响很大。在这次测量中，使用的扩声器多为BeyerM88或E/VN/D757型。综上所述，个人认为，把以下指标作为普通体育馆场扩声声场设计和验收的依据可能是合适的：最大声压级：95105dB传输频率特性：（频带由具体工程定，最低限度2504000Hz）+4，-6传声增益：-10-14dB声场不均匀度：10dB4、系统和设备、器件扩声系统的建立是以设备、器件为基础的，好的系统构思没有设备为支柱就不能实现。合理的系统要求会促进设备器件的开发生产，新设备器件又可促进系统设计的发展与进步。以扬声器系统为例，60年代，美国BBN为新加坡国家体育场设计安装了一个集中式扩声系统，由于缺乏大功率远投扬声器系统，只能用很多单元组合，使扬声器组合的外形高达6m4。我国80年代中期以后，才可能较顺利地实现大场所的集中扩声系统。随着集中扩声的越来越广泛被采用，各扬声器厂商又陆续开发生产各种高质量的大型扬声器组。这些设备质量好，即可固定安装，又适于流动使用的扬声器组得到广泛的应用。但在用这些扬声器系统组装成大型组合时，不可避免会出现它们之间声音相互作用影响大组合特性6。因而，又推出更大型的扬声器系统，据介绍最大声压级可达150dB，已在体育馆扩声工程中具体应用。扬声器系统的另一发展趋向是把换能器、辐射耦合与先进的电子技术结合，组成带处理器的扬声器系统，近10年得到较快的发展，几乎涉及所有主要扬声器厂商5。它们相对小型紧凑，既能固定安装，也可流动使用。这些器件的发展为系统设计提供条件，也将促进系统设计的发展。声频工程设计概念为11届亚运会场馆的建设，开发生产的新扩声设备主要有专用扩声控制桌，不同规格的功率放大器，大功率低音扬声器单元及其结合，大功率远投、近投的恒指向性号筒扬声器等。这些产品都达到较高的技术指标，满足各场馆设计要求，使用国产设备为主的扩声系统得到实现，也促进了我国电声工业的发展，这是主要的成绩。另一方面，各类设备器件在高度和试转中，都出现过大大小小的故障，说明其可靠性需进一步提高。这可能也是国产设备器件与先进的国外设备器件的主要差距之一。此外，由于质量差距较大（如单向动圈传声器）或由于设备规格不多且欠成熟（如各种均衡器），或由于国内无同类产品可选用（如压限口器，水下固定安装的扬声器）等原因，系统中的一些设备必须进口，供开幕式和闭幕式用的高质量流动设备，除部分功率放大器外，几乎全部为进口设备。这说明，在可靠性、操作方便、功能全、音质好等方面，国产设备要达到类似的水平还需作较大的努力。作为扩声系统组成部分的紧急广播系统，由于功能要求不统一，服务的规模因不同工程有很大差别，因而没有稳定的产品，而处于按要求加工的制造状态。如果能做到系列化定型，则对设计安装和提高产品质量都是有利的。5、与提高扩声工程水平有关的三点想法为提高扩声工程水平以适应可能兴建的奥运会用场馆，有诸多事要办，现只提出三点想法与同行们讨论。（1）场馆内扩声系统达到的语言清晰度预估。扩声系统的首要任务之一是让观众听懂，因此，在设计阶段准确地预估系统所能达到的语言清晰度是普遍关注的一个基本问题。多年来有过不少预估扩声系统语言清晰度的报道8，基本上是控制直达声能（或早期延时声能）对混响声能的比例，例如计算辅音清晰度损失的方法，控制最大扩声距离与临界距离关系，计算前80ms（或50ms）声能比例等。至于预估值与实际测量值的差别，有的报道认为差别较大。我们在亚运场馆的扩声设计中，还只是较简单的用控制扬声器系统的方向性因数和对室内混响时间提出要求的方法来控制声能比。未能对清晰度进行预估，建成后也没有定量评价。近年，IEG已把RASTI作为测量厅室内语言清晰度的规范方法，但建立适应于我国汉语普通话的扩声清晰度预估、测量和评价仍有待于今后努力。（2）研制开发国产电声特性能满足声场设计需要、音质好的、便于流动使用又可固定安装的扬声器系统。扩声系统最终是供人听闻的，扬声器系统是重要的环节，又是我们国内相对最薄弱的环节。如上所述，在11届亚运会的开闭幕式上使用的流动扬声器系统，以及近年来在大型体育场馆内流动使用的扬声器系统，多数是进口设备。不少知名度较高的扬声器系统都各具特点，如各种恒指向性中高频号筒，专门开发的中频锥形扬声器，非对称性指向性的扬声器组成号筒，以及把器件、耦合、电子处理综合的扬声器系统等等。对于这些各具特点的扬声器系统，我们实践的体会还不足以对其全面评价，但可以看出，扬声器研究、制造的厂商在努力从系统声场的需要出发，各具特色地开发自己的产品。因此，如果我们企图把体育馆和其他厅堂、广场的主要扩声设备既立足于国产，又要提高水平，扬声器系统可能是个主要矛盾。日前，大量扬声器系统进口的事实从一个侧面说明这个矛盾的存在。如果在已有的基础上，使用单位、系统设计单位、制造厂商结合，促使高水平的扩声扬声器系统能够实现，则以国产设备为主的扩声工程水平可望得到明显的提高。（3）计算机技术用于扩声系统。目前，除数字声外，计算机技术在扩声工程中的应用主要有二个方面：一是设计阶段的声场参数预估；二是对设备系统操作运行的控制。前者国际上已有不少报道7，但就国内而言，无论是预估的参数、各参数的计算数学模型，这是具体计算的软件，均鲜有报道。虽然国外主要厂商也提供相应软件，但应用仍然不普遍。国内已兴建的场馆中，似乎少有应用计算机技术预估声场的。近年，有的地方采用从国外引进的系统进行具体工程声学设计。随着个人计算机普及，计算机预估声场会越来越普遍，其关键是软件开发。由于体育馆本身的特殊性，利用计算机技术进行声学（包括扩声）方案比较，可能有明显的优越性。利用计算机技术控制体育场馆的扩声系统的操作运行，虽然国外已有先例，但似乎限于个别特殊要求的场所，如香港跑马场扩声系统。其功能主要是分配、切换、监测（包括显示）及电平调整。国内则没有实践的体会，因此，在我国现阶段，需要和可能都值得讨论。正如开头所述，本文只讨论扩声系统、扩声工程中的几个原则，有的只是得出值得研究的问题，没有涉及具体技术方案。近年来，国内从事扩声工程的单位