前言

本案中體育館外觀呈現(xiàn)半橢圓形，整個(gè)天花結(jié)構(gòu)采用空間鋼架結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)美的結(jié)構(gòu)卻給擴(kuò)聲設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的考驗(yàn)。體育館要求能承辦大型運(yùn)動(dòng)會(huì)、全國(guó)性籃球比賽及全民健身等功能需要，還需兼顧文藝演出、大型會(huì)議、展覽等活動(dòng)使用，體育館將成為城市地標(biāo)并成為豐富本地體育文化活動(dòng)的重要場(chǎng)所，體育館要求達(dá)到并超過(guò)國(guó)家GBT 28049-2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》體育館一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

一、設(shè)計(jì)思路

擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考體育館本身的實(shí)際使用功能，又要安全可靠，符合科學(xué)規(guī)律和先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。在與實(shí)際使用技術(shù)人員的廣泛交流后，確定體育館的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、手段和方法，即系統(tǒng)要具有可靠性和先進(jìn)性，設(shè)備要采用技術(shù)含量高、能夠體現(xiàn)當(dāng)前最新科技水平的產(chǎn)品。根據(jù)要求本設(shè)計(jì)確定，擴(kuò)聲系統(tǒng)的聲學(xué)特性指標(biāo)，要到達(dá)并超過(guò)國(guó)家GBT 28049-2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》體育館一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

二、體育館結(jié)構(gòu)分析

擴(kuò)聲系統(tǒng)由擴(kuò)聲設(shè)備和聲場(chǎng)兩部分構(gòu)成，在擴(kuò)聲設(shè)計(jì)中必須重視場(chǎng)館的結(jié)構(gòu)，因揚(yáng)聲器再現(xiàn)聲音，需要通過(guò)聲場(chǎng)來(lái)完成，因此聲音所處的環(huán)境（場(chǎng)館結(jié)構(gòu)）對(duì)揚(yáng)聲器的布置方式以及揚(yáng)聲器的指向特性有決定性的意義。

本案中體育館外觀呈現(xiàn)半橢圓形，整個(gè)天花結(jié)構(gòu)采用空間鋼架結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)美的結(jié)構(gòu)卻給擴(kuò)聲設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的考驗(yàn)。在這里設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：

1.場(chǎng)館的容積很大，因此很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲回響，這關(guān)系到語(yǔ)言的清晰度。

2.半橢圓形的天花外觀，像一個(gè)巨大的凹面體，很容易在空間中產(chǎn)生聲聚焦，這將嚴(yán)重影響聲場(chǎng)均勻度，并使傳聲增益變小。

3.本案中體育館是一個(gè)大型場(chǎng)館，要到達(dá)并超過(guò)國(guó)家《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)揚(yáng)聲器的素質(zhì)是一個(gè)很高的考驗(yàn)。

三、設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）    業(yè)主所供圖紙及業(yè)主具體要求
（2）    按照國(guó)家GBT 28049-2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),主要指標(biāo)如下： 

1.    最大聲壓級(jí)（峰值）額定帶通內(nèi)：≥105 dB
2.    傳輸頻率特性 以125-4000Hz平均聲壓為0dB此頻帶內(nèi)予許 (±4dB)的變化
3.    傳聲增益 0.125-4KHz的平均值≥-10 dB
4.    聲場(chǎng)不均勻度 1KHz、4KHz大部分區(qū)域：≤8 dB
5.    系統(tǒng)總噪聲級(jí) NR-25

四、設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定

針對(duì)本案體育館，我們對(duì)于擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要解決以下問(wèn)題：

（1）    聲功率的計(jì)算
（2）    聲反饋和聲音的清晰度的控制
（3）    聲場(chǎng)均勻度的實(shí)現(xiàn)

五、機(jī)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

采用計(jì)算機(jī)廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)軟件（EASE），它是一種用于廳堂聲場(chǎng)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件。存有各種房間體形、吸音材料、揚(yáng)聲器等資料，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì)，計(jì)算出房間的混響時(shí)間，描繪出聲場(chǎng)分布圖、聲線圖和各種聲學(xué)特性曲線，為廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)和擴(kuò)聲工程施工提供了科學(xué)的依據(jù)。

六、擴(kuò)聲形式的選擇

目前來(lái)說(shuō)體育館的擴(kuò)聲形式一般分為集中式，分散式和混合式三種。在此設(shè)計(jì)中因考慮到此場(chǎng)館屬大型館，單靠一組集中式很難達(dá)到要求的聲壓級(jí)，并且很難做到聲場(chǎng)的均勻度，清晰度也無(wú)法保證。因此我們采用了，混合式擴(kuò)聲方式，溶集中、分散的好處于一體。

（1）中間的主擴(kuò)聲部分：

中間的主擴(kuò)聲主要解決場(chǎng)館的一層、二層及比賽場(chǎng)地的大部分聽(tīng)眾區(qū)。在這里采用四組音箱環(huán)形向四周擴(kuò)聲。兩組為每組3只音箱，向短的一邊擴(kuò)聲。兩組為每組4只音箱，向長(zhǎng)的一邊擴(kuò)聲，共14只。經(jīng)過(guò)精心調(diào)教音箱的指向性使音箱的絕大部分能量控制在所需范圍避免聲的干涉及影響清晰度。(如圖)

（2）四周分散式輔助擴(kuò)聲部分：

四周分散式輔助擴(kuò)聲主要解決場(chǎng)館的二層、三層及后場(chǎng)的大部分聽(tīng)眾區(qū)，這部分聽(tīng)眾區(qū)多數(shù)不在主擴(kuò)聲的輻射范圍內(nèi)。采用22只小功率的音箱均勻的分布在四周保證了后場(chǎng)的聲壓級(jí)。極大的提高了后場(chǎng)的清晰度。

（3）賽場(chǎng)中間部分?jǐn)U聲：

為保證裁判員、運(yùn)動(dòng)員能清晰的聽(tīng)得大會(huì)發(fā)出的指令，在賽場(chǎng)中間的天花安裝了4只音箱與主擴(kuò)聲和輔助擴(kuò)聲形成嚴(yán)密的無(wú)縫連接，使聲場(chǎng)均勻度得到很好得保障。

（4）主席臺(tái)輔助擴(kuò)聲部分；

主席臺(tái)輔助擴(kuò)聲主要保障主席臺(tái)聽(tīng)音區(qū)得的清晰度。采用了2只音箱。

（5）機(jī)房監(jiān)聽(tīng)擴(kuò)聲部分：

這是必須的部分，它極大的提高了調(diào)音師師與現(xiàn)場(chǎng)的溝通。采用了2只音箱。

（6）流動(dòng)擴(kuò)聲部分；

整體覆蓋圖

這部分能使整個(gè)場(chǎng)館的擴(kuò)聲功能的得到升華，在這里設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的對(duì)接系統(tǒng)，在需要的時(shí)候可隨時(shí)連接。在臺(tái)口預(yù)留了很多的信號(hào)接口為系統(tǒng)連接提供了方便。

七、主功率的計(jì)算

本案中體育館的主擴(kuò)聲系統(tǒng)最大投射距離為30米，根據(jù)點(diǎn)聲源法則中的平方反比定律，距離每增加一倍聲壓級(jí)衰減6dB，以此類推距離揚(yáng)聲器30米處要達(dá)到一級(jí)擴(kuò)聲系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)≥105 dB時(shí)，距離揚(yáng)聲器1米處要達(dá)到的最大聲壓級(jí)為134dB，經(jīng)過(guò)幾種揚(yáng)聲器的靈敏度和功率比較，采用某國(guó)際品牌的揚(yáng)聲器，靈敏度106dB、RMS600W，計(jì)算出某國(guó)際品牌揚(yáng)聲器在RMS600W*3時(shí)的聲壓級(jí)為138dB，符合《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》一級(jí)擴(kuò)聲系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具有足夠的冗余，而分布在四周和賽場(chǎng)的輔助揚(yáng)聲器，我們經(jīng)過(guò)多次的比較，采用某國(guó)際品牌揚(yáng)聲器 RMS350W靈敏度102dB。在EASE聲學(xué)擴(kuò)聲設(shè)計(jì)軟件中我們進(jìn)行分析，反映出能完全滿足擴(kuò)聲的要求。EASE聲學(xué)擴(kuò)聲設(shè)計(jì)軟件的分析為事前驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)的可行性提供了科學(xué)的依據(jù)。（如圖）

八、聲音清晰度和聲反饋的控制 

影響聲音清晰度的原因主要由以下二個(gè)因素組成：（1）場(chǎng)內(nèi)的混響；（2）場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境噪聲和信號(hào)聲壓的比率。對(duì)于第一個(gè)因素， 從建聲方提供的數(shù)據(jù)輸進(jìn)ESAE軟件，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，從EASE的STI圖可以看出，音質(zhì)是較為清晰的，第二個(gè)因素，由于在此工程中采用的是高素質(zhì)的器材，系統(tǒng)能提供足夠高的信/噪比，和較大的系統(tǒng)聲壓儲(chǔ)備，所以完全能壓制場(chǎng)內(nèi)的觀眾噪聲。所以本系統(tǒng)在各種條件下都有很高的清晰度。對(duì)于聲反饋的處理我們是采用了雙層的解決辦法：一是在工程調(diào)試中通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)的精心調(diào)試，如相位、駐波等；二是我們?cè)谙到y(tǒng)中加入了反饋抑制器，這樣兩方面的相結(jié)合，就能使反饋基本上消除。 

九、聲壓均勻度的計(jì)算

聲均勻度的實(shí)現(xiàn)需從二個(gè)方面來(lái)考慮：1、聲壓；2、頻率不均勻度。在揚(yáng)聲器的布置上是采用集中+分散擴(kuò)聲方式，以一個(gè)主音箱組提供較大的擴(kuò)聲范圍，來(lái)保證全場(chǎng)聲像位置的正確性。補(bǔ)聲擴(kuò)聲區(qū)雖然在時(shí)間上和主聲區(qū)有一個(gè)延時(shí)，我們?cè)谙到y(tǒng)中加入了延時(shí)，從主觀上并不會(huì)對(duì)主音箱所產(chǎn)生的聲像產(chǎn)生影響，而是從整體效果上補(bǔ)償了主音箱在后場(chǎng)的聲壓，從而實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)聲壓的均勻度。對(duì)于頻率不均勻度的處理，在主聲道組和補(bǔ)音道組中都加入了數(shù)字31段均衡器，以分別調(diào)節(jié)來(lái)修飾和補(bǔ)償，這樣就保證全場(chǎng)的頻率均勻。

十、計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬結(jié)果

EASE3D定位圖

十一、系統(tǒng)傳輸方式的確定

體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)的傳輸方式有定壓式和定阻式兩種。相對(duì)比較而言，各有利弊，主要優(yōu)缺 點(diǎn)為：

（1）定壓式：信號(hào)傳輸損耗小，負(fù)載輕，可用小截面積的傳輸線，如定壓100V/120V可采用1.5平方毫米導(dǎo)線即可：負(fù)載連接方便，分支網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)聲源故障不影響其它聲源工作。

（2）定阻式：可獲得良好的音質(zhì)效果，具有寬的傳輸頻率范圍，低的總諧波失真；功放輸出至揚(yáng)聲器系統(tǒng)傳輸線纜，只要導(dǎo)線截面積夠（一般為4~6平方毫米），便可把導(dǎo)線引起的傳輸損失控制在一定的范圍內(nèi)。

在本案中采用定阻式傳輸，這也是目前要取得體育館良好的音質(zhì)效果的必然手段,以多一點(diǎn)的損耗換得良好得音質(zhì)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的推算及篩選，決定采用6平方毫米的護(hù)套線以保證優(yōu)質(zhì)的信號(hào)傳輸。

十二、系統(tǒng)設(shè)備的配接設(shè)計(jì)

關(guān)于擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)備的配接，在本案中主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）阻抗比：擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)備的配接，除了功放與揚(yáng)聲器系統(tǒng)的配接有功率傳輸?shù)囊蛩赝猓溆鄰膫髀暺?mdash;調(diào)音臺(tái)—周邊設(shè)備—功放均為小信號(hào)的電壓傳輸，傳輸?shù)男盘?hào)負(fù)載輕、信號(hào)質(zhì)量高。按照l(shuí)EC268-15規(guī)范，我們?cè)谶x用設(shè)備時(shí)嚴(yán)格遵守如：傳聲器額定阻抗與調(diào)音臺(tái)輸入阻抗應(yīng)當(dāng)滿足1：5的阻抗比關(guān)系，這對(duì)獲得低失真的傳輸信號(hào)是有利的。而系統(tǒng)設(shè)備前級(jí)輸出阻抗與下一級(jí)輸入阻抗比應(yīng)滿足1：10關(guān)系，這樣負(fù)載輕，失真小，保證了信號(hào)的高質(zhì)量傳輸。

（2）電平配接：在系統(tǒng)中的專業(yè)音頻設(shè)備嚴(yán)格采用按lEC268-15規(guī)范生產(chǎn)的設(shè)備，設(shè)備之間最大輸出電壓與最小輸出電壓之間有不少于20dB范圍，且在音箱處理器之后我們?cè)诿恳宦份敵龆技由闲盘?hào)分配器，這樣保證設(shè)備之間電平保持1：1的傳輸關(guān)系，使節(jié)目信號(hào)在通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備時(shí)不致于受設(shè)備電平的影響使節(jié)目動(dòng)態(tài)范圍受損失。

（3）平衡傳輸：所有設(shè)備都采用了平衡式接口進(jìn)行對(duì)接，這對(duì)降低信號(hào)干擾非常有利。保證了信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

十三、系統(tǒng)的穩(wěn)定性

穩(wěn)定對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的重要性不言而喻，主要存在兩個(gè)問(wèn)題，1、是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，2、是設(shè)備的穩(wěn)定性，而后者是前者的基礎(chǔ)。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留有較充分的功率余量，即峰值因數(shù)大致控制在8~10dB，這種余量應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)對(duì)聲場(chǎng)的需要而言。這樣的重放音質(zhì)才能達(dá)到優(yōu)良。若峰值因數(shù)留的太小，系統(tǒng)基本處于重負(fù)載條件下運(yùn)行，難以保證良好的音質(zhì)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)中采用的音響設(shè)備都是被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合而穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)型，具有很高的可靠性。如功放在設(shè)計(jì)時(shí)采取了多種保護(hù)措施，如開(kāi)路、短路、過(guò)流、過(guò)壓、溫度、反電動(dòng)勢(shì)沖擊等等保護(hù)。揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)時(shí)也采取了多種保護(hù)措施，這些措施為系統(tǒng)的良好運(yùn)行狀態(tài)創(chuàng)造了條件。

十四、系統(tǒng)噪聲的控制

噪聲對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的影響主要來(lái)自兩個(gè)方面。一是環(huán)境噪聲，二是系統(tǒng)設(shè)備噪聲，不論屬于哪一種，它對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的信噪比都會(huì)產(chǎn)生重要影響。聲場(chǎng)的觀眾噪聲會(huì)影響系統(tǒng)噪聲的下限，這時(shí)節(jié)目的動(dòng)態(tài)范圍將會(huì)產(chǎn)生直接影響。它會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍降低。系統(tǒng)設(shè)備的噪聲會(huì)對(duì)系統(tǒng)總噪聲產(chǎn)生影響，一般來(lái)說(shuō)，前級(jí)噪聲比末級(jí)噪聲更為重要。目前，傳聲器的輸出噪聲一般只有幾個(gè)微伏，調(diào)音臺(tái)折算到輸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，可以這樣說(shuō)，系統(tǒng)中的設(shè)備基本上滿足S/N及動(dòng)態(tài)范圍的要求。室內(nèi)環(huán)境背景噪聲往往是影響系統(tǒng)總噪聲的主要因素，特別是對(duì)專業(yè)擴(kuò)聲系統(tǒng)，電路噪聲幾乎察覺(jué)不出，此時(shí)的環(huán)境背景噪聲將成為主導(dǎo)，因此本案中必須和建設(shè)方充分交流控制好環(huán)境背景噪聲。

參考文獻(xiàn)

1.國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC268-15《聲系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)的優(yōu)選配接值》

2.GBT 28049-2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》

3.《體育館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討》作者：崔廣中、劉芳文獻(xiàn)來(lái)源：電聲技術(shù) 日期：2002年9號(hào)期