论椭圆型体育馆的扩声设计

前言

本案中体育馆外观呈现半椭圆形，整个天花结构采用空间钢架结构，这种优美的结构却给扩声设计带来很大的考验。体育馆要求能承办大型运动会、全国性篮球比赛及全民健身等功能需要，还需兼顾文艺演出、大型会议、展览等活动使用，体育馆将成为城市地标并成为丰富本地体育文化活动的重要场所，体育馆要求达到并超过国家GBT 28049-2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》体育馆一级标准。

一、设计思路

扩声系统的设计要充分考体育馆本身的实际使用功能，又要安全可靠，符合科学规律和先进的设计思想。在与实际使用技术人员的广泛交流后，确定体育馆的扩声系统设计思想、手段和方法，即系统要具有可靠性和先进性，设备要采用技术含量高、能够体现当前最新科技水平的产品。根据要求本设计确定，扩声系统的声学特性指标，要到达并超过国家GBT 28049-2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》体育馆一级标准。

二、体育馆结构分析

扩声系统由扩声设备和声场两部分构成，在扩声设计中必须重视场馆的结构，因扬声器再现声音，需要通过声场来完成，因此声音所处的环境（场馆结构）对扬声器的布置方式以及扬声器的指向特性有决定性的意义。

本案中体育馆外观呈现半椭圆形，整个天花结构采用空间钢架结构，这种优美的结构却给扩声设计带来很大的考验。在这里设计要注意以下几点：

1.场馆的容积很大，因此很容易产生强烈的声回响，这关系到语言的清晰度。

2.半椭圆形的天花外观，像一个巨大的凹面体，很容易在空间中产生声聚焦，这将严重影响声场均匀度，并使传声增益变小。

3.本案中体育馆是一个大型场馆，要到达并超过国家《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》一级标准，对扬声器的素质是一个很高的考验。

三、设计依据

（1）    业主所供图纸及业主具体要求
（2）    按照国家GBT 28049-2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》一级标准,主要指标如下： 

1.    最大声压级（峰值）额定带通内：≥105 dB
2.    传输频率特性 以125-4000Hz平均声压为0dB此频带内予许 (±4dB)的变化
3.    传声增益 0.125-4KHz的平均值≥-10 dB
4.    声场不均匀度 1KHz、4KHz大部分区域：≤8 dB
5.    系统总噪声级 NR-25

四、设计目标的确定

针对本案体育馆，我们对于扩声系统的设计主要解决以下问题：

（1）    声功率的计算
（2）    声反馈和声音的清晰度的控制
（3）    声场均匀度的实现

五、机算机辅助设计

采用计算机厅堂声学设计软件（EASE），它是一种用于厅堂声场设计的计算机软件。存有各种房间体形、吸音材料、扬声器等资料，可以根据实际需要进行选择、设计，计算出房间的混响时间，描绘出声场分布图、声线图和各种声学特性曲线，为厅堂音质设计和扩声工程施工提供了科学的依据。

六、扩声形式的选择

目前来说体育馆的扩声形式一般分为集中式，分散式和混合式三种。在此设计中因考虑到此场馆属大型馆，单靠一组集中式很难达到要求的声压级，并且很难做到声场的均匀度，清晰度也无法保证。因此我们采用了，混合式扩声方式，溶集中、分散的好处于一体。

（1）中间的主扩声部分：

中间的主扩声主要解决场馆的一层、二层及比赛场地的大部分听众区。在这里采用四组音箱环形向四周扩声。两组为每组3只音箱，向短的一边扩声。两组为每组4只音箱，向长的一边扩声，共14只。经过精心调教音箱的指向性使音箱的绝大部分能量控制在所需范围避免声的干涉及影响清晰度。(如图)

（2）四周分散式辅助扩声部分：

四周分散式辅助扩声主要解决场馆的二层、三层及后场的大部分听众区，这部分听众区多数不在主扩声的辐射范围内。采用22只小功率的音箱均匀的分布在四周保证了后场的声压级。极大的提高了后场的清晰度。

（3）赛场中间部分扩声：

为保证裁判员、运动员能清晰的听得大会发出的指令，在赛场中间的天花安装了4只音箱与主扩声和辅助扩声形成严密的无缝连接，使声场均匀度得到很好得保障。

（4）主席台辅助扩声部分；

主席台辅助扩声主要保障主席台听音区得的清晰度。采用了2只音箱。

（5）机房监听扩声部分：

这是必须的部分，它极大的提高了调音师师与现场的沟通。采用了2只音箱。

（6）流动扩声部分；

整体覆盖图

这部分能使整个场馆的扩声功能的得到升华，在这里设计一套独立的对接系统，在需要的时候可随时连接。在台口预留了很多的信号接口为系统连接提供了方便。

七、主功率的计算

本案中体育馆的主扩声系统最大投射距离为30米，根据点声源法则中的平方反比定律，距离每增加一倍声压级衰减6dB，以此类推距离扬声器30米处要达到一级扩声系统的标准≥105 dB时，距离扬声器1米处要达到的最大声压级为134dB，经过几种扬声器的灵敏度和功率比较，采用某国际品牌的扬声器，灵敏度106dB、RMS600W，计算出某国际品牌扬声器在RMS600W*3时的声压级为138dB，符合《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》一级扩声系统的标准，同时具有足够的冗余，而分布在四周和赛场的辅助扬声器，我们经过多次的比较，采用某国际品牌扬声器 RMS350W灵敏度102dB。在EASE声学扩声设计软件中我们进行分析，反映出能完全满足扩声的要求。EASE声学扩声设计软件的分析为事前验证了工程设计的可行性提供了科学的依据。（如图）

八、声音清晰度和声反馈的控制 

影响声音清晰度的原因主要由以下二个因素组成：（1）场内的混响；（2）场内的环境噪声和信号声压的比率。对于第一个因素， 从建声方提供的数据输进ESAE软件，由计算机进行分析，从EASE的STI图可以看出，音质是较为清晰的，第二个因素，由于在此工程中采用的是高素质的器材，系统能提供足够高的信/噪比，和较大的系统声压储备，所以完全能压制场内的观众噪声。所以本系统在各种条件下都有很高的清晰度。对于声反馈的处理我们是采用了双层的解决办法：一是在工程调试中通过对系统的参数的精心调试，如相位、驻波等；二是我们在系统中加入了反馈抑制器，这样两方面的相结合，就能使反馈基本上消除。 

九、声压均匀度的计算

声均匀度的实现需从二个方面来考虑：1、声压；2、频率不均匀度。在扬声器的布置上是采用集中+分散扩声方式，以一个主音箱组提供较大的扩声范围，来保证全场声像位置的正确性。补声扩声区虽然在时间上和主声区有一个延时，我们在系统中加入了延时，从主观上并不会对主音箱所产生的声像产生影响，而是从整体效果上补偿了主音箱在后场的声压，从而实现了全场声压的均匀度。对于频率不均匀度的处理，在主声道组和补音道组中都加入了数字31段均衡器，以分别调节来修饰和补偿，这样就保证全场的频率均匀。

十、计算机声学模拟结果

EASE3D定位图

十一、系统传输方式的确定

体育场馆扩声系统的传输方式有定压式和定阻式两种。相对比较而言，各有利弊，主要优缺 点为：

（1）定压式：信号传输损耗小，负载轻，可用小截面积的传输线，如定压100V/120V可采用1.5平方毫米导线即可：负载连接方便，分支网络中，任何一个声源故障不影响其它声源工作。

（2）定阻式：可获得良好的音质效果，具有宽的传输频率范围，低的总谐波失真；功放输出至扬声器系统传输线缆，只要导线截面积够（一般为4~6平方毫米），便可把导线引起的传输损失控制在一定的范围内。

在本案中采用定阻式传输，这也是目前要取得体育馆良好的音质效果的必然手段,以多一点的损耗换得良好得音质，经过仔细的推算及筛选，决定采用6平方毫米的护套线以保证优质的信号传输。

十二、系统设备的配接设计

关于扩声系统设备的配接，在本案中主要考虑以下几个方面：

（1）阻抗比：扩声系统设备的配接，除了功放与扬声器系统的配接有功率传输的因素外，其余从传声器—调音台—周边设备—功放均为小信号的电压传输，传输的信号负载轻、信号质量高。按照lEC268-15规范，我们在选用设备时严格遵守如：传声器额定阻抗与调音台输入阻抗应当满足1：5的阻抗比关系，这对获得低失真的传输信号是有利的。而系统设备前级输出阻抗与下一级输入阻抗比应满足1：10关系，这样负载轻，失真小，保证了信号的高质量传输。

（2）电平配接：在系统中的专业音频设备严格采用按lEC268-15规范生产的设备，设备之间最大输出电压与最小输出电压之间有不少于20dB范围，且在音箱处理器之后我们在每一路输出都加上信号分配器，这样保证设备之间电平保持1：1的传输关系，使节目信号在通过系统设备时不致于受设备电平的影响使节目动态范围受损失。

（3）平衡传输：所有设备都采用了平衡式接口进行对接，这对降低信号干扰非常有利。保证了信号传输的质量。

十三、系统的稳定性

稳定对扩声系统的重要性不言而喻，主要存在两个问题，1、是系统的稳定性，2、是设备的稳定性，而后者是前者的基础。此系统设计时预留有较充分的功率余量，即峰值因数大致控制在8~10dB，这种余量应当是系统对声场的需要而言。这样的重放音质才能达到优良。若峰值因数留的太小，系统基本处于重负载条件下运行，难以保证良好的音质和系统的稳定性。系统中采用的音响设备都是被广泛应用于各种场合而稳定运行的机型，具有很高的可靠性。如功放在设计时采取了多种保护措施，如开路、短路、过流、过压、温度、反电动势冲击等等保护。扬声器设计时也采取了多种保护措施，这些措施为系统的良好运行状态创造了条件。

十四、系统噪声的控制

噪声对扩声系统的影响主要来自两个方面。一是环境噪声，二是系统设备噪声，不论属于哪一种，它对扩声系统的信噪比都会产生重要影响。声场的观众噪声会影响系统噪声的下限，这时节目的动态范围将会产生直接影响。它会使动态范围降低。系统设备的噪声会对系统总噪声产生影响，一般来说，前级噪声比末级噪声更为重要。目前，传声器的输出噪声一般只有几个微伏，调音台折算到输入端的等效信噪比一般也都做到-126~-128dB。功率放大器的S/N也都在90dB以上，可以这样说，系统中的设备基本上满足S/N及动态范围的要求。室内环境背景噪声往往是影响系统总噪声的主要因素，特别是对专业扩声系统，电路噪声几乎察觉不出，此时的环境背景噪声将成为主导，因此本案中必须和建设方充分交流控制好环境背景噪声。

参考文献

1.国际电工标准IEC268-15《声系统设备互联的优选配接值》

2.GBT 28049-2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》

3.《体育馆扩声系统设计中几个问题的探讨》作者：崔广中、刘芳文献来源：电声技术 日期：2002年9号期