體育館吸音板吸音材料的運(yùn)用體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)語言清晰.docVIP

體育館吸音板吸音材料的運(yùn)用 體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)語言清晰體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)語言清晰度的設(shè)計王強(qiáng)，陳建利，王鐵超本文指明了體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計實質(zhì)即語言清晰度的設(shè)計。分析了目前國內(nèi)體育場館聲學(xué)設(shè)計存在的問題，圍繞ALcons%和STI闡述了體育場館語言清晰度設(shè)計的理念，在該理念的指導(dǎo)下作建聲設(shè)計、電聲設(shè)計、仿真模型計算機(jī)輔助設(shè)計和五項技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)。體育場館使用擴(kuò)聲系統(tǒng)的主要目的是將語言聲音如實擴(kuò)大，保證觀眾席具有足夠的聲壓級，同時具有良好的語言清晰度。體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計實質(zhì)上是語言清晰度的設(shè)計，是圍繞以語言清晰度為核心的建聲、電聲及五項技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計。一、國內(nèi)體育場館設(shè)計目前狀況不容樂觀。關(guān)鍵問題是設(shè)計理念落后，聲學(xué)設(shè)計規(guī)范不明確，體育場不考慮混響時間，未按封閉空間進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計.在體育館的設(shè)計上考慮美觀的同時卻沒有結(jié)合符合體育館的建聲設(shè)計來做內(nèi)外部設(shè)計和材料選擇。如只考慮材料的美觀采用大量表面光滑對聲反射強(qiáng)度大的材料，如玻璃、表面光滑的陶瓷等。1、設(shè)計理念落后多年來，我們大部分設(shè)計者都采用臨界距離Dc設(shè)計理念。臨界距離Dc是指聲場中平均直達(dá)聲能密度與平均混響聲能密度相等的點(diǎn)到聲源中心的距離。一個在實踐中比較實用的Dc公式如下：式中，Q是揚(yáng)聲器的指向性因子，是場館容積，N是揚(yáng)聲器數(shù)量，T60是建聲混響時間。Dc越大，語言清晰度越好。但是Dc和語言清晰度定量關(guān)系非常模糊。臨界距離Dc和揚(yáng)聲器距最遠(yuǎn)觀眾席距離是LR/LD=6dB合適還是LR/LD=10dB就能滿足?一般設(shè)計者無所依從。圖1臨界距離與直達(dá)聲場、混響聲場的關(guān)系圖2、基于臨界距離理念的聲學(xué)設(shè)計規(guī)范(1)定性方面要求a)建聲設(shè)計體育館建聲的一般要求應(yīng)以保證語言清晰度為主，應(yīng)把自然聲源、擴(kuò)聲揚(yáng)聲器作為主要聲源。綜合體育館比賽大廳滿場5001000Hz混響時間比賽大廳容積(m3)80000混響時間(s)1.21.41.31.61.51.9游泳館比賽廳滿場5001000Hz混響時間每座容積(m3/座)2525混響時間(s)2.015%，體育場館語言清晰度將難以保證。2008年北京奧運(yùn)會場館，要求STI0.5，即ALcons%11%，是較清晰的語言清晰度。(2)從輔音清晰度公式ALcons%來看，ALcons%是由建聲、電聲兩個專業(yè)進(jìn)行設(shè)計的。建聲的設(shè)計理念是：在V不變的情況下，建筑聲學(xué)T60越小越好；電聲的設(shè)計理念是：在揚(yáng)聲器至觀眾席距離D2不變的情況下，揚(yáng)聲器數(shù)量N越少，揚(yáng)聲器Q越高，ALcons%越小，語言清晰度STI越高。因此，電聲和建聲可綜合互補(bǔ)設(shè)計。例如，在長混響時間T60(35s甚至更高)的環(huán)境條件下，可采用高Q值的揚(yáng)聲器并減少揚(yáng)聲器的數(shù)量N進(jìn)行補(bǔ)償(比如采用線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng))。既使在長混響條件下，仍可保證體育場館語言清晰度，就是最好的例子。2、體育場館建聲設(shè)計有效混響時間設(shè)計理念是前蘇聯(lián)人阿納卡切洛維奇在上世紀(jì)50年代提出的，經(jīng)歷50100個電影院系統(tǒng)的實踐，證明是成功的理念。我們也曾在國內(nèi)多個廳堂場館的實踐中證明了它是先進(jìn)的設(shè)計理念。尤其是適合大空間容積，使用擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計理念，我們在此進(jìn)行推薦。圖2有效混響時間示意圖如圖2所示，T3即體育場館的賽賓混響時間，T為體育場館的有效混響時間。T=T1+T2式中，T1是幾何聲學(xué)概念，為0.15s；T2同賽賓理念一樣，是統(tǒng)計物理學(xué)概念。對語言清晰度理論的研究表明：采用有效混響時間的設(shè)計，混響曲線初始下降部分?L越大，語言清晰度越高。體育場館建聲設(shè)計根據(jù)有效混響時間理念，我們認(rèn)為應(yīng)該是全吸聲、強(qiáng)吸聲、處處吸聲。關(guān)鍵要害是頂棚的吸聲，因為頂棚強(qiáng)吸聲相當(dāng)于沒有頂棚一樣，不僅混響一下大為降低，而且混響曲線的雙折線、早/后期聲能比高，有益于提高建聲語言清晰度，而且在揚(yáng)聲器馬道以下側(cè)墻基本上是前三次反射聲，應(yīng)該予以強(qiáng)吸聲。對于自然采光的體育館，尤為注意在滿足采光條件下，頂棚必須加大進(jìn)行強(qiáng)吸聲處理。法國巴黎圣丹尼斯法蘭西足球場，可容納8萬人，是舉辦1998年法國足球世界杯賽事的主場地，具有頂篷結(jié)構(gòu)。頂篷進(jìn)行了建聲設(shè)計，頂蓬采用的吸聲材料是吸聲量最大的立體吸聲材料吸聲體。直達(dá)聲比例高，沒有明顯的來自頂蓬和空坐位的反射聲的干擾。采用了2種計算機(jī)模擬設(shè)計軟件，利用EASE來進(jìn)行模擬分析，并使用了有虛擬聲場系統(tǒng)的CAD ACOUSTICS。采用了高Q值的揚(yáng)聲器，總計安裝188只NEXO/ALPHA音箱，分成36個陣列，均勻地吊掛于重達(dá)13000噸的頂蓬下面。每個陣列是由五個音箱組成一串，兩個低音和三個中高音間隔排列。人民大會堂萬人大會堂，V=93000立方米，1999年改造前T60=2.8秒，仍然由中科院聲學(xué)所進(jìn)行設(shè)計。觀眾廳的側(cè)墻和頂棚絕大部分表面均為穿孔板吸聲材料，外觀基本不變，觀眾廳混響時間大為降低。主席臺的側(cè)墻和后墻采用大面積金屬穿孔板后覆吸聲材料的做法，降低混響時間，觀眾廳T60=1.59-1.64秒，主席臺T60=1.55-1.63秒。南開大學(xué)體育館，根據(jù)體育館容積V=90000立方米，依照J(rèn)GJ/T131-2000體育館聲學(xué)設(shè)計及測量規(guī)程南開大學(xué)體育館屬于大于80000立方米容積，混響時間應(yīng)在1.51.9秒(滿場500-1000HZ)。聲學(xué)是由中國建筑設(shè)計院進(jìn)行設(shè)計，頂棚采用大面積棋盤式吸聲體；球節(jié)點(diǎn)金屬網(wǎng)架以下四周側(cè)墻全部采用金屬厚板微穿孔敷設(shè)，離墻體50mm，比賽場地為木質(zhì)，籃球比賽用地板，主席臺全部軟椅，觀眾席及活動坐席為硬板塑料椅，玻璃幕墻其上懸掛窗簾，經(jīng)估側(cè)混響時間T602秒，滿足設(shè)計要求。使用擴(kuò)聲系統(tǒng)，空場就達(dá)到語言清晰。3、體育場館電聲設(shè)計體育場館的語言清晰度電聲設(shè)計，關(guān)鍵是揚(yáng)聲器系統(tǒng)類別的選取和數(shù)量的確定，實質(zhì)上就是選揚(yáng)聲器。這點(diǎn)尤為重要。國內(nèi)外名牌揚(yáng)聲器眾多，設(shè)計者應(yīng)依據(jù)公式輔音清晰度損失率百分比理念，按照體育場館語言清晰度要求STI(換算成ALcons%)，在體育場館建聲T60一定，揚(yáng)聲器數(shù)量N盡量少(在保證覆蓋體育場館觀眾席的基礎(chǔ)上)的條件下，求出所需的揚(yáng)聲器指向性因數(shù)Q。(1)揚(yáng)聲器指向性因數(shù)Q值的大小可用公式直接算出。比如，若要求體育場館語言清晰度STI0.45(即ALcons%15%)，其Q值的大小可按下式計算：總之，依據(jù)清晰度的要求，在建聲、T60一定，電聲D2、N一定時，可求出揚(yáng)聲器系統(tǒng)的Q值。在揚(yáng)聲器數(shù)量N和指向性因數(shù)Q一定的情況下，可以選取自己需要的品牌。需要注意的是，T60如取指標(biāo)允許的上限值，Q值一定要留有充分的余地，取得比較高一些為好。(2)揚(yáng)聲器指向性因數(shù)Q值的大小，可從產(chǎn)品說明書中選取。但是，多數(shù)產(chǎn)品的說明書往往不標(biāo)注Q值，既使標(biāo)有，也是某一頻段的平均值。在這種情況下，可以借助產(chǎn)品說明書中標(biāo)注的DI指向性指數(shù)，因為DI=10lgQ，所以用DI亦可算出Q值。另外，也可通過下式計算式中，是揚(yáng)聲器的水平指向性角度，是揚(yáng)聲器的垂直指向性角度。但是，這種計算值往往不準(zhǔn)確，僅供估算而已。(3)真正準(zhǔn)確的是計算機(jī)仿真設(shè)計數(shù)據(jù)庫中的Q值頻響變化曲線。它是廠家的實驗室測試數(shù)據(jù)，是搭建仿真模型的依據(jù)，因此應(yīng)該是很準(zhǔn)確的。我們關(guān)心的是500Hz、1000Hz、2000Hz的指向性因數(shù)Q值，因為它們對清晰度影響最大。一般體育場館的語言擴(kuò)聲系統(tǒng)，在聲源揚(yáng)聲器的Q值滿足要求，數(shù)量N最少，經(jīng)計算機(jī)仿真設(shè)計或計算出來的ALcons%值較小的情況下，就可采用；而容積大、混響時間長的，重要的體育場館，則采用性價比高的線陣列揚(yáng)聲器比較穩(wěn)妥。4、仿真模型計算機(jī)輔助設(shè)計(1)仿真模型軟件的作用，實際上就是依據(jù)公式和公式，利用計算機(jī)編程，對體育場館內(nèi)的電聲和建聲綜合造成的語言清晰度和最大聲壓級進(jìn)行實時分析。因為依據(jù)理念是正確的，模型結(jié)構(gòu)建造得也比較準(zhǔn)確，仿真模型對體育場館的語言清晰度設(shè)計是具有很重要的參考價值的。借助仿真模型的幫助，在圖紙設(shè)計階段，就能預(yù)測體育場館語言清晰度的優(yōu)劣。為進(jìn)一步完善、改進(jìn)建聲和電聲設(shè)計方案提供充分的依據(jù)。尤其是在長混響環(huán)境下，有純粹理論計算等無法預(yù)料其影響的梳狀濾波干擾出現(xiàn)的時候，仿真模型就更是確定、完善方案，預(yù)測其語言清晰度的關(guān)鍵、必要的一步。(2)模型應(yīng)盡量建造得細(xì)致、準(zhǔn)確。模型細(xì)致、準(zhǔn)確的程度對仿真模型的意義主要表現(xiàn)在對體育場館空間容積和建聲混響時間T60的準(zhǔn)確度的影響上。(3)如果已知建聲設(shè)計，就可以根據(jù)體育場館空間容積內(nèi)各立面不同的面積，將吸聲材料布放得比較合理。如只知道要求的混響時間，就只能作一般的布放而已。(4)揚(yáng)聲器懸吊的要點(diǎn)在于，一般選在馬道位置上，否則揚(yáng)聲器的聲場將受到影響。(5)對于體育場館建聲，一般應(yīng)取國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 131-2000中相應(yīng)性質(zhì)場館相應(yīng)體積所對應(yīng)的，混響時間的上限，甚至可以在此基礎(chǔ)上留有一定的余量。原則上，在設(shè)計階段，應(yīng)對建聲取較惡劣的條件，長一些混響時間T60；電聲采用Q值較高，N較少的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。這樣的設(shè)計留有充分余地。建聲做得好，混響時間T60短，清晰度自然能夠符合要求；即使建聲未達(dá)標(biāo)或者超標(biāo)，因為有電聲的補(bǔ)償，仍能保證體育場館語言清晰度在可接受的范圍內(nèi)。(6)仿真模型設(shè)計，應(yīng)該具有：T60混響時間曲線，能明確顯示容積的大小及500Hz、1kHz混響時間值的曲線圖；體育場館模型結(jié)構(gòu)4D圖、立體圖等，應(yīng)能使人對體育場館結(jié)構(gòu)體形、揚(yáng)聲器布置一目了然；語言清晰度曲線，應(yīng)具有500Hz、1KHz、2kHz的STI圖、ALcons%圖；最大聲壓級曲線，應(yīng)具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz的曲線圖；通過計算機(jī)仿真模型設(shè)計得出的，語言清晰度、最大聲壓級、聲場均勻度等技術(shù)指標(biāo)的驗證結(jié)論。淄博體育場整個體育場的建筑面積約為70920平方米左右，四周看臺共設(shè)44100個座席，固定座席40000人，臨時座席4100人。方案設(shè)計時，利用EASE4.1設(shè)計軟件，對體育場進(jìn)行封閉空間作圖處理，混響時間按T60=4秒模擬，線陣列集中懸掛擴(kuò)聲，使其滿足語言清晰度指標(biāo)。采用34只PROSO/FL-2揚(yáng)聲器分為6組，每組8-10只，覆蓋觀眾席區(qū)域；10只PROSO/FL-2揚(yáng)聲器為1組，覆蓋比賽場地區(qū)域；16只PROSO/M1.0揚(yáng)聲器作為挑臺下補(bǔ)聲使用；4只PROSO/FL-12揚(yáng)聲器作為主席臺返送使用。擴(kuò)聲系統(tǒng)安裝調(diào)試后經(jīng)山東省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗所檢測，各項指標(biāo)如下：指標(biāo)測點(diǎn)數(shù)結(jié)果語言傳輸指數(shù)100平均值0.55最大聲壓級109平均值97dB聲場不均勻度3438dB(1000Hz)，10dB(4000Hz)傳輸頻率特性109以250Hz-4000Hz的平均聲壓級為0dB，變化范圍-4+4dB傳聲增益109250 Hz-4000Hz平均-11dB系統(tǒng)噪聲不產(chǎn)生明顯可覺察的噪聲干擾5、為達(dá)到體育場館五項聲學(xué)特性指標(biāo)所進(jìn)行的設(shè)計和對擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化和選取五項技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計，是保證體育場館語言清晰度的必要條件，其實質(zhì)也是語言清晰度設(shè)計。5.1最大聲壓級首先，要明確是在重放而不是擴(kuò)聲的情況下的測量。第二，只要距揚(yáng)聲器最遠(yuǎn)觀眾席的直達(dá)聲壓級符合要求即可。第三，寬頻帶粉紅噪聲的峰值因數(shù)一般取6dB。廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范(GB 50371-2006)將最大聲壓級定義為最大峰值聲壓級的平均值。以峰值因數(shù)(1.82.2)限制的額定通帶粉紅噪聲為信號源，其最大峰值聲壓級為RMS(有效值)聲壓級的長期平均值，加上20倍的，以10為底峰值因數(shù)的對數(shù)，即：另外，必須考慮功放至揚(yáng)聲器之間線路損耗：盡量選取傳輸電阻小，電流容量大的電纜；使功放功率大于揚(yáng)聲器功率(計入線路電纜損耗)。這樣不僅能保證觀眾席的最大聲壓級，而且可以保障瞬態(tài)音質(zhì)。5.2傳輸頻率特性(1)應(yīng)盡量選取頻率響應(yīng)特性曲線平坦的傳聲器、揚(yáng)聲器組，尤其是揚(yáng)聲器組，以選取恒指向性頻率響應(yīng)的為好。(2)擴(kuò)聲系統(tǒng)電氣系統(tǒng)特性指標(biāo)應(yīng)符合要求。(3)擴(kuò)聲系統(tǒng)中，每一支主揚(yáng)聲器之前都有一組數(shù)字音頻處理器DSP與之對應(yīng)，其中應(yīng)具有音量、分頻、壓限、均衡、參數(shù)均衡、延時、位相等功能模塊可供使用，以便調(diào)整揚(yáng)聲器覆蓋的觀眾席聲場，保證其頻率響應(yīng)達(dá)到要求。5.3傳聲增益保證擴(kuò)聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證語言清晰度的前提：(1)傳聲器可選用指向性可變傳聲器，可根據(jù)體育場館內(nèi)的具體情況使用不同的指向方式。(2)利用自動混音臺8入/1出或串聯(lián)使用的功能，保證無論有多少路輸入，始終只有一路輸出給調(diào)音臺。此外，混音臺應(yīng)具有NOM功能，即當(dāng)有人插話，發(fā)言人數(shù)增加時，其輸出電平按10lgNOM衰減，從而保證體育場館觀眾席聲壓級基本不變。(3)選配具有數(shù)量可選取的多抑制點(diǎn)的自動反饋抑制器AFS，如2入/2出的DFR-22EQ等，可抑制任何惡劣建聲造成的反饋嘯叫，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。建議將AFS插入調(diào)音臺編組使用，這樣既可抑制嘯叫，又不影響重放音樂音質(zhì)。(4)為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每路功放都要有C/L(壓/限)功能，能夠進(jìn)行信號過載保護(hù)。5.4聲場不均勻度聲場不均勻度是體育場館觀眾席各點(diǎn)在頻率為1kHz、4kHz時的聲壓級變化。它基本上是對揚(yáng)聲器系統(tǒng)對觀眾席的覆蓋是否合理的反映，實質(zhì)上也是對觀眾席語言清晰度的反映。如果觀眾席傳輸頻率特性達(dá)標(biāo)，體育場館的聲場均勻度達(dá)標(biāo)便不成問題。在語言信號傳輸中高通濾波器去除1000Hz以下的頻率成分，語言清晰度仍為93.8%，這是應(yīng)該明確的。5.5系統(tǒng)總噪聲級設(shè)計中使用數(shù)字音頻處理器DSP，其信噪比超過100dB。擴(kuò)聲系統(tǒng)不可能出現(xiàn)噪聲。如果地線連接正確，擴(kuò)聲系統(tǒng)是不會產(chǎn)生噪聲的。三、結(jié)束語根據(jù)輔音清晰度損失率百分比理念，配合合適的吸音材料，在2008年北京奧運(yùn)會英東游泳館、壘球場、國家訓(xùn)練基地，乃至湖南省十運(yùn)會一場兩館、第十二屆全運(yùn)會淄博體育場、天津南開大學(xué)體