體育館擴(kuò)聲設(shè)計(jì)，要求擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)保證比賽大廳有足夠的聲壓級，聲音應(yīng)清晰，聲場應(yīng)均勻。

體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是語言清晰度的設(shè)計(jì)，是圍繞以語言清晰度為核心的建聲、電聲及五項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)。

一、體育館擴(kuò)聲設(shè)計(jì)指標(biāo)方面的方面要求

基于臨界距離的設(shè)計(jì)理念提出五項(xiàng)聲學(xué)特性技術(shù)指標(biāo)，這是對的，但和語言清晰度沒有直觀、緊密關(guān)系。客觀出現(xiàn)：

a）語言清晰度僅僅有定性要求，無定量指標(biāo)。

定量指標(biāo)中只有混響時(shí)間和五項(xiàng)擴(kuò)聲特性指標(biāo)要求，和語言清晰度完全脫節(jié)。語言清晰度和建聲混響、電聲揚(yáng)聲器系統(tǒng)之間關(guān)系比較模糊。

 b）五項(xiàng)擴(kuò)聲特性指標(biāo)達(dá)標(biāo)觀眾席也未必聽清楚；并且往往建聲存在問題，一旦建聲出現(xiàn)問題，就變成語言清晰度根本無法解決的情況（涉及土建工程和內(nèi)裝飾建聲重做）。建聲不達(dá)標(biāo)，語言清晰度是否通過電聲補(bǔ)償，如何補(bǔ)償，來保證清晰度，這方面一無所知

二、目前業(yè)內(nèi)在體育館擴(kuò)聲設(shè)計(jì)的誤區(qū)：

a）其一，為達(dá)到最大聲壓級，設(shè)計(jì)者往往追求高靈敏度、大功率、數(shù)量多的揚(yáng)聲器。

b）其二，為達(dá)到寬帶帶，設(shè)計(jì)者往往增加較多超低頻揚(yáng)聲器。

c）其三，為達(dá)到聲場均勻度，揚(yáng)聲器布放越多越均勻，這是本該和標(biāo)準(zhǔn)沒有必然聯(lián)系的，但由于缺乏語言清晰度的設(shè)計(jì)理念，為了達(dá)到五項(xiàng)擴(kuò)聲特性指標(biāo)，必然誘導(dǎo)其在這方面下大功夫。其后果是揚(yáng)聲器數(shù)量越多，尤其在長混響條件下，語言清晰度更差，這是人們始料未及的。

《體育場館的擴(kuò)聲聲學(xué)特性指標(biāo)》其中就包含同語言清晰度有定量關(guān)系的語言傳遞指數(shù)STI的要求。電子三所主編的會議規(guī)范也包含定量語言清晰度的STI要求。充分表明目前國家規(guī)范的制定者也在力求解決這一問題，也認(rèn)識到列入影響音質(zhì)和清晰度的因素，只是時(shí)機(jī)未成熟，未規(guī)定定量的指標(biāo)。當(dāng)時(shí)規(guī)范的電聲特性指標(biāo)，“是必要的，但不夠充分。”

三、體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)的語言清晰度的設(shè)計(jì)

體育場館的語言清晰度的設(shè)計(jì)，首先要考慮建筑聲學(xué)的設(shè)計(jì)，這是基礎(chǔ)、首要條件。

對語言清晰度理論的研究表明：

1、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。

2、關(guān)鍵是體育館頂棚的吸聲，因?yàn)轫斉飶?qiáng)吸聲相當(dāng)于沒有頂棚一樣，不僅混響一下大為降低，而且混響曲線的雙摺線、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。

3、體育場館建聲設(shè)計(jì)根據(jù)有效混響時(shí)間理念，我們認(rèn)為應(yīng)該是全吸聲、強(qiáng)吸聲、處處吸聲；

4、采用有效混響時(shí)間的設(shè)計(jì)，混響曲線初始下降部分L越大，語言清晰度越高；

如何進(jìn)行體育場館語言清晰度設(shè)計(jì)，就我們對輔音清晰度損失率百分比ALcons%理念的應(yīng)用實(shí)踐談一下我們的認(rèn)識。

荷蘭聲學(xué)家Peutz歷經(jīng)十年，于1971年研究出的輔音清晰度損失率百分比ALcons%，是設(shè)計(jì)、預(yù)測廳堂場館語言清晰度的理論依據(jù)。

體育場館聲學(xué)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，是由一個(gè)設(shè)計(jì)理念和四個(gè)設(shè)計(jì)，以及其他一些輔助設(shè)計(jì)組成。本文主要闡述體育場館輔音清晰度的設(shè)計(jì)理念，建聲設(shè)計(jì)、電聲設(shè)計(jì)、仿真模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（即在設(shè)計(jì)階段檢驗(yàn)廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)的語言清晰度和最大聲壓級的設(shè)計(jì)），以及為達(dá)到體育場館五項(xiàng)聲學(xué)特性指標(biāo)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)和對擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化和選取。

體育場館聲學(xué)設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)是語言清晰度設(shè)計(jì)，是體育場館電聲和建聲設(shè)計(jì)的核心。體育場館五項(xiàng)聲學(xué)技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)和多種功能應(yīng)用是圍繞保證語言清晰度的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的設(shè)備選取和優(yōu)化。

1、輔音清晰度的設(shè)計(jì)理念

輔音清晰度損失率百分比理論是荷蘭聲學(xué)家Peutz于1971年在美國聲學(xué)雜志上發(fā)表的，其概念是人們講話發(fā)聲的元音如a、i、u、e、o，比輔音如b、p、m、f等能量高6dB左右（即4倍），而輔音是比較短促的聲音，一般是20ms左右，元音則為90ms左右，所以，往往會出現(xiàn)因輔音聽不清楚而影響語言清晰度的情況。輔音損失率越小，清晰度越高。

②

③

式中，STI是語言傳輸指數(shù)，可評價(jià)體育場館的語言清晰度；ALcons%是輔音清晰度損失率百分比；D2是揚(yáng)聲器至最遠(yuǎn)觀眾席距離；T60是體育場館建筑聲學(xué)混響時(shí)間；Q是揚(yáng)聲器的指向性因子；N是揚(yáng)聲器數(shù)量；是體育場館容積；M是臨界距離修正系數(shù)，一般取1，從公式②、③可以得出：

真正實(shí)用于建聲和電聲設(shè)計(jì)的是公式②。公式③是清晰度和輔音清晰度損失率百分比的換算公式，用于測量。由公式②、③可知：

（1）從輔音清晰度公式ALcons%來看，ALcons%是由建聲、電聲兩個(gè)專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。建聲的設(shè)計(jì)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(jì)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。 

（2）語言清晰度STI越高，ALcons%越小。一般取STI=0.45，即ALcons%=15%為語言清晰度的臨界值；若ALcons%＞15%，體育場館語言清晰度將難以保證。

因此，建聲是基礎(chǔ)，電聲和建聲可綜合互補(bǔ)設(shè)計(jì)。例如，在長混響時(shí)間T60（3~5s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。

四、體育場館電聲設(shè)計(jì)

    體育場館的語言清晰度電聲設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是揚(yáng)聲器系統(tǒng)類別的選取和數(shù)量的確定，實(shí)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(jì)者應(yīng)依據(jù)公式②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)聲器指向性因子Q。

（1）揚(yáng)聲器指向性因子Q值的大小可用公式②直接算出。比如，若要求體育場館語言清晰度STI≥0.45（即ALcons%≤15%），其Q值的大小可按下式計(jì)算：

 

④

 總之，依據(jù)清晰度的要求，在建聲、T60一定，電聲D2、N一定時(shí)，可求出揚(yáng)聲器系統(tǒng)的Q值。 

在揚(yáng)聲器數(shù)量N和指向性因子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)聲器指向性因子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，可以藉助產(chǎn)品說明書中標(biāo)注的DI指向性指數(shù)，因?yàn)镈I=10lgQ，所以用DI亦可算出Q值。另外，也可通過下式計(jì)算

⑤

式中，α是揚(yáng)聲器的水平指向性角度，β是揚(yáng)聲器的垂直指向性角度。但是，這種計(jì)算值往往不準(zhǔn)確，僅供估算而已。

（3）真正準(zhǔn)確的是計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中的Q值頻響變化曲線。它是廠家的實(shí)驗(yàn)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的指向性因子Q值，因?yàn)樗鼈儗η逦扔绊懽畲蟆?/span>

    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(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)或計(jì)算出來的ALcons%值較小的情況下，就可采用；而容積大、混響時(shí)間長的，重要的體育場館，則采用性價(jià)比高的線陣列揚(yáng)聲器比較穩(wěn)妥。

五、仿真模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

（1）仿真模型軟件的作用，實(shí)際上就是依據(jù)公式②和公式③，利用計(jì)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(shí)時(shí)分析。

因?yàn)橐罁?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(jì)是具有很重要的參考價(jià)值的。藉助仿真模型的幫助，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算等無法預(yù)料其影響的梳狀濾波干擾出現(xiàn)的時(shí)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）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(shí)間的上限，甚至可以在此基礎(chǔ)上留有一定的余量。

（3）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。

（4）如果已知建聲設(shè)計(jì)，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(shí)間，就只能作一般的布放而已。

（5）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(shí)間T60的準(zhǔn)確度的影響上。

原則上，建聲做得好，混響時(shí)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?yàn)橛须娐暤难a(bǔ)償，仍能保證體育場館語言清晰度在可接受的范圍內(nèi)。

在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對建聲取較惡劣的條件，長一些混響時(shí)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(jì)留有充分余地。

（6）仿真模型設(shè)計(jì)，應(yīng)該具有：

①最大聲壓級曲線，應(yīng)具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz的曲線圖；

②語言清晰度曲線，應(yīng)具有500Hz、1KHz、2kHz的STI圖、ALcons%圖；

③體育場館模型結(jié)構(gòu)3D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；

④T60混響時(shí)間曲線，能明確顯示容積的大小及500Hz、1kHz混響時(shí)間值的曲線圖；

⑤通過計(jì)算機(jī)仿真模型設(shè)計(jì)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(yàn)證結(jié)論。

為達(dá)到體育場館五項(xiàng)聲學(xué)特性指標(biāo)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)和對擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化和選取五項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)，是保證體育場館語言清晰度的必要條件，其實(shí)質(zhì)也是語言清晰度設(shè)計(jì)。

 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，寬帶帶粉紅噪聲的峰值因子一般取6dB。《廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。以峰值因子（1.8~2.2）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為底峰值因子的對數(shù)，即：

 

⑥

   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(jì)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(shí)、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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)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(shí)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

①如果地線連接正確，擴(kuò)聲系統(tǒng)是不會產(chǎn)生噪聲的。

②設(shè)計(jì)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。