体育场馆语言清晰度的声学设计（1）

     摘要：分析了目前国内体育场馆声学设计存在的问题，指明了体育场馆扩声系统的设计实质即语言清晰度的设计理念，围绕AL cons%和STI 作建声设计、电声设计、仿真模型计算机辅助设计和五项技术指标的实现。

　　体育场馆使用扩声系统的主要目的是将语言声音如实扩大，保证观众席具有足够的声压级，同时具有良好的语言清晰度。体育场馆扩声系统的设计实质是语言清晰度的设计，是围绕以语言清晰度为的建声、电声及五项技术指标的设计。

　　1 国内体育场馆设计理念有待商榷

　　目前国内体育场馆的设计理念落后，声学设计规范不明确，体育场不考虑混响时间。

　　1) 基于临界距离理念的声学设计规范

　　多年来设计者大多采用临界距离D c 设计理念。

　　临界距离D c 是指声场中平均直达声能密度与平均混响声能密度相等的点到声源中心的距离，在实践中比较实用的D c 公式

　　式中，Q 是扬声器的指向性因子， 是场馆容积，N 是扬声器数量，T 60是建声混响时间。

　　D c 越大，语言清晰度越好。但是D c 和语言清晰度定量关系非常模糊。临界距离D c 和扬声器距远观众席距离是L R/L D=6 dB 合适，还是L R/L D=10 dB，见图1，一般设计者无所依从。

图1　临界距离与直达声场、混响声场的关系图。

　　(1) 定性方面要求

　　建声设计：一般要求应以保证语言清晰度为主，应把自然声源、扩声扬声器作为主要声源。

　　扩声设计：扩声系统应保证比赛大厅有足够的声压级，声音清晰，声场均匀。

　　(2) 定量方面要求

　　基于临界距离的设计理念提出五项声学特性技术指标，这是对的，但和语言清晰度没有直观、紧密关系。客观出现如下问题。

　　a) 语言清晰度仅仅有定性要求，无定量指标。

　　定量指标中只有混响时间和五项扩声特性指标要求，和语言清晰度完全脱节。语言清晰度和建声混响、电声扬声器系统之间关系比较模糊。

　　b) 五项扩声特性指标达标观众席也未必听得清楚，并且往往建声存在问题，一旦建声出现问题，语言清晰度根本无法解决( 涉及土建工程和内装饰建声重做)。建声不达标，语言清晰度是否通过电声补偿，如何补偿，来保证清晰度，这方面一无所知。

　　(3) 缺乏语言清晰度的设计理念只在五项技术指标上下功夫，设计者往往舍本逐末。为达到声压级，往往追求高灵敏度、大功率、数量多的扬声器；为达到宽频带，往往增加较多超低频扬声器；为达到声场均匀度，扬声器布放越多越均匀，这本该和标准没有必然联系，其后果是扬声器数量越多，尤其在长混响条件下，语言清晰度更差。

　　当然，规范的制定者也在力求解决这一问题，也认识到影响音质和清晰度的因素，只是解决该问题的时机尚未成熟，未规定定量的指标。当时规范的电声特性指标，“是必要的，但不够充分。”

　　2008 年关于《体育场馆的扩声声学特性指标》已在报批中，其中就包含同语言清晰度有定量关系的语言传递指数STI 的要求。电子三所主编的会议室规范也包含定量语言清晰度的STI 要求。

　　2) 混响时间的问题

　　体育场不考虑屋顶挑台下观众席建声混响，未按封闭空间进行声学设计也是一个认识误区。

　　此认识误区国外也曾出现，如1991 年德国斯图加特奈卡足球场扩建( 容纳观众70 630 人，有顶座位18 028 个，无顶座位17 579 个，另有站台可容35 018个观众)，由于弯曲的看台屋顶，运动场在空场和满场时混响时间的实测结果分别达到4.7 s 和2.5 s。安装了380 个RH/SR4 型扬声器， 均匀度极好， 小于2 dB，但讲解的语言清晰度也由此受到相应影响，因此观众席不能当作露天来考虑。

　　因为计算机仿真设计，是依据封闭空间ALcons%理念编程进行的，所以体育场露天部分必须采用一个或n 个面进行封闭，封闭区吸声系数α =1。

　　上海八万人体育场于1997 年建成，无建声设计，又不宜采用集中布置。四周看台高70 m，“声音传播极其复杂，在任何一个位置都可听到来自四周和屋面的反射声，延迟时间达1~2 s，300 m 直径圆形看台，形成多种声聚焦。采用JBL52 组中高音，32 组超低音( 亦进行了计算机仿真设计，未封闭，无语言清晰度STI 技术指标)。技术指标达到体育场馆，主观*价“在观众席较多的赛事中，扩声语言清晰度良好，放送音乐的音质良好。”

　　2001 年广州九运会，8 万人体育场无建声设计，采用EV 86 只X-ARRAY 扬声器系统。因为预先进行分散布放现场试验，出现莫明其妙的混淆不清( 梳状滤波器干扰)，语言不清晰，后改为两组扬声器阵列，悬挂在主席台两侧，采用大量DSP 数字音频处理器， 使用多点调试技术， 用了3 个多月调试， 使空场观众席能达到语言清晰，技术指标达到体育馆。

　　上面的例子说明，语言清晰度设计理念早就发展了， 只是认识没有跟上；数字扬声器系统发展了，而未与设计理念相结合。当然国内亦有个别设计院设计者， 采用语言清晰度理念进行场馆设计，国内亦制定有GB4939—85《厅堂扩声特性测量方法》中有“ 汉语清晰度测量方法— 打圈法”，GB/T14476—93《客观*价厅堂语言清晰度的“RASTI”法》出台。

　　奥运会场馆技术处周云峰和中科院沈教授参照国际标准，2008 年提出体育场馆语言清晰度STI>0.5( 主要场馆声压级107 dB，平时95 dB ；一般场馆声压级103 dB，平时90 dB) 和声学特性指标的要求，使体育场馆设计可以达到比较圆满。

　　2 体育场馆扩声系统的语言清晰度的设计

　　荷兰声学家Peutz 历经10 年， 于1971 年研究出的辅音清晰度损失率百分比AL cons%，是设计、预测厅堂场馆语言清晰度的理论依据。

　　体育场馆声学设计，其实质是语言清晰度设计，是体育场馆电声和建声设计的。体育场馆五项声学技术指标的设计和多种功能应用是围绕保证语言清晰度的设计基础的设备选取和优化。

　　体育场馆声学设计的具体内容是，一个设计理念和四个设计，以及其他一些辅助设计。笔者主要阐述体育场馆辅音清晰度的设计理念，建声设计、电声设计、仿真模型计算机辅助设计( 即在设计阶段检验厅堂声学设计的语言清晰度和声压级的设计)，以及为达到体育场馆五项声学特性指标所进行的设计和对扩声系统设备的优化和选取。

　　下面就我们对辅音清晰度损失率百分比AL cons%理念的应用实践谈一下我们的认识。

　　2.1 辅音清晰度的设计理念

　　辅音清晰度损失率百分比理论是，人们讲话发声的母音如a、i、u、e、o，比辅音如b、p、m、f 等能量高6 dB 左右( 即4 倍)，而辅音是比较短促的声音，一般为20 ms 左右，母音则为90 ms 左右，所以，往往会出现因辅音听不清楚而影响语言清晰度的情况。

　　辅音损失率越小，清晰度越高。

　　式中，语言传输指数STI 可*价体育场馆的语言清晰度；AL cons%是辅音清晰度损失率百分比；D 2是扬声器至远观众席距离；T 60是体育场馆混响时间；Q是扬声器的指向性因子；N 是扬声器数量； 是体育场馆容积；M 是临界距离修正系数，一般取1，从式(2)，(3)可以得出：真正实用于建声和电声设计的是式(2)。式(3)是清晰度和辅音清晰度损失率百分比的换算公式，用于测量。

　　1) 语言清晰度STI 越高，AL cons% 越小。一般取STI =0.45， 即AL cons%=15% 为语言清晰度的临界值；若AL cons% ＞ 15%，体育场馆语言清晰度将难以保证。2008 年北京奥运会场馆， 要求STI ≥ 0.5， 即AL cons% ≤ 11%，是较清晰的语言清晰度。

　　2) 从辅音清晰度AL cons% 公式看，AL cons% 涉及建声、电声两个的设计。从建声设计看，在V 不变的情况下，建筑声学T 60 越小越好；从电声设计看，在扬声器至观众席距离D 2 不变的情况下，扬声器数量N 越少，扬声器Q 越高，AL cons% 越小，语言清晰度STI 越高。

　　因此，电声和建声可综合互补设计。如在长混响时间T 60(3~5 s 甚至更高) 的环境条件下，可采用高Q值的扬声器并减少扬声器的数量N 进行补偿( 比如采用线阵列扬声器系统)，既使在长混响条件下，仍可保证体育场馆语言清晰度。

　　2.2 体育场馆建声设计

　　有效混响时间设计理念是前苏联人阿·纳·卡切洛维奇在20 世纪50 年代提出的， 经历50~100 个电影院系统的实践，证明是成功的理念。笔者也曾在国内多个厅堂场馆的实践中证明了它是先进的设计理念，尤其适合大空间，因此进行推荐。

　　如图2 所示，T 3 即体育场馆的赛宾混响时间，T э 为体育场馆的有效混响时间：

　　式中，T 1是几何声学概念，为0.15 s；T 2同赛宾理念一样，是统计物理学概念。

图2　有效混响时间示意图。

　　语言清晰度理论的研究表明：采用有效混响时间的设计，混响曲线初始下降部分ΔL 越大，语言清晰度越高。

　　体育场馆建声设计根据有效混响时间理念，笔者认为应该是全吸声、强吸声。关键是顶棚的吸声，因为顶棚强吸声相当于没有顶棚一样，不仅混响一下大为降低，而且混响曲线的双折线、早/ 后期声能比高，有益于提高建声语言清晰度，而且在扬声器马道以下侧墙基本是前三次反射声，应该予以强吸声。对于自然采光的体育馆，尤为注意在满足采光条件下，顶棚必须加大进行强吸声处理。

　　法国巴黎圣丹尼斯法兰西足球场，可容纳8 万人，是举办1998 年法国足球世界杯赛事的主场地，具有顶棚结构。顶棚进行了建声设计，顶棚底部的材料是由泥土、多孔金属和石棉构成。直达声比例高，没有明显的来自顶蓬和空座位的反射声的干扰。采用了2种计算机模拟设计软件，利用EASE 进行模拟分析，并使用了有虚拟声场系统的CAD ACOUSTICS。采用了高Q 值的扬声器， 总计安装188 只NEXO/ALPHA音箱，分成36 个阵列，均匀地吊挂于重达13 000 吨的顶棚下面。每个阵列是由五个音箱组成一串，两个低音和三个中高音间隔排列。

　　人民大会堂万人大会堂，V =93 000 m³，1999 年改造前T 60=2.8 s，仍然由中科院声学所进行设计。观众厅的侧墙和顶棚绝大部分表面均为高透过率的金属穿孔板后覆吸声材料，外观基本不变，观众厅混响时间大为降低。主席台的侧墙和后墙采用大面积金属穿孔板后覆吸声材料的做法，降低混响时间，观众厅T 60为1.59~1.64 s，主席台T 60 为1.55~1.63 s。

　　南开大学体育馆，根据体育馆容积V =90 000 m³，依照JGJ/T131——2000《体育馆声学设计及测量规程》，见表1，南开大学体育馆属于大于80 000 m³ 容积，混响时间应在1.5~1.9 s( 满场500~1 000 Hz)。声学是由中国建筑设计院进行设计，顶棚采用大面积棋盘式吸声结构其上铺设离心玻璃棉；球节点金属网架以下四周侧墙全部采用微孔金属厚板敷设，离墙体50 mm，比赛场地为木质，篮球比赛用地板，主席台全部软椅，观众席及活动座席为硬板塑料椅，玻璃幕墙上悬挂窗帘，经估侧混响时间T 60 ＜ 2 s，满足设计要求。使用扩声系统，空场就达到语言清晰。

表1　综合体育馆比赛大厅满场500~1 000 Hz混响时间

　　2.3 体育场馆电声设计

　　体育场馆的语言清晰度电声设计，关键是扬声器系统类别的选取和数量的确定，实质上就是选扬声器，这点尤为重要。国内外扬声器众多，设计者应依据式(2) 辅音清晰度损失率百分比理念，按照体育场馆语言清晰度要求STI ( 换算成AL cons%)，在体育场馆建声T 60 一定，扬声器数量N 尽量少( 在保证覆盖体育场馆观众席) 的条件下，求出所需的扬声器指向性因数Q 。

表2　游泳馆比赛厅满场500~1 000 Hz混响时间

　　(1) 扬声器指向性因数Q 值的大小可用式(2) 直接算出。如若要求体育场馆语言清晰度STI ≥ 0.45( 即AL cons% ≤ 15%)，其Q 值可按下式计算：

　　总之，依据清晰度的要求，在建声，T 60 一定，电声D 2、N 一定时，可求出扬声器系统的Q 值。

　　在扬声器数量N 和指向性因数Q 一定的情况下，可以选取自己需要的品牌。需要注意的是，T 60 如取指标允许的上限值，Q 值一定要留有充分的余地，取得较高一些为好。

　　(2) 扬声器指向性因数Q 值的大小，可从产品说明书中选取。但是，多数产品的说明书往往不标注Q值，既使标有，也是某一频段的平均值。在这种情况下，可以借助产品说明书中标注的DI 指向性指数，因为DI =10lgQ 。另外，也可通过下式计算：

　　式中，α 是扬声器的水平指向性角度，β 是扬声器的垂直指向性角度。

　　但是，这种计算值往往不准确，仅供估算而已。

　　(3) 真正准确的是计算机仿真设计数据库中的Q值频响变化曲线。它是厂家的实验室测试数据，是搭建仿真模型的依据，因此应该是很准确的。设计者关心的是500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz 的指向性因数Q 值，因为它们对清晰度影响。

　　一般体育场馆的语言扩声系统，在声源扬声器的Q 值满足要求，数量N 少，经计算机仿真设计或计算出来的AL cons% 值较小的情况下，就可采用；而容积大、混响时间长的，重要的体育场馆，则采用性价比高的线阵列扬声器比较稳妥。