在长混响时间恶劣声环境下的超大型室内空间语言清晰度最佳设计

xycad · 发表于 2009-9-29 10:39

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在长混响时间恶劣声环境下的超大型室内空间语言清晰度最佳设计

　　　　　　　 ——兼述奥运会英东游泳馆的语言清晰度设计

　　　　　　　　　　　　　作者：祝科陈建利

一、语言清晰度的设计是超大型室内空间扩声系统的核心设计

　　伴随着时代的发展，超大空间场馆及机场大型航站楼设计成为潮流，超大室内空间往往采用球结点网架结构，不设吊顶，暴露层架，使得比赛大厅容积剧增（远大于每座10M3）。另外，专项体育馆、冰球馆、速滑馆、网球馆、田径馆和游泳馆等一般体积较大，观众人数相对较少（每座容积可达48M3），以及机场大型航站楼等场所其容积远大于大型体育馆80000M3。英东游泳馆容积120000M3，北京温都水城容积300000M3等等。
　　超大容积体育馆与机场大型航站楼等活动场所，其混响时间与容积成正比，往往混响时间较长，远远超过行业标准的要求，游泳馆混响时间长达3.6秒，温都水城混响时间7秒以上。
面对超大容积及超长混响时间的体育场馆、训练场所、机场大型航站楼、休闲娱乐基地等，保证体育比赛、文娱演出时“看得见”、“听得清”是重要任务。作为扩声系统，保证语言清晰度是超大容积超长混响时间场馆及厅堂的核心设计。

1、语言清晰度设计的理论依据
辅音清晰度损失率百分比理论是1978年荷兰人Peutz首先提出来的，是Peutz历经十年研究实践的结果，美国声学专家“唐．戴维斯”曾经说，这一理论每天都在声系统工程中使用，检验了公式的精度和实用性。Peutz这一跨世纪的贡献，其本质就是体育场馆语言清晰度的百分比，理论公式如下：

AL=200D2 2 × T602 × N　x100%
　　——————————（1）　　　　
　　　Q × V × M

RASTI=0.9482-0.1845xLN AL%　 ——————（2）
AL——为辅音清晰度损失率百分比
RASTI——语言可懂度传递函数
D2 ——为扬声器离最远观众席的距离；
T60 ——为厅堂混响时间
Q——为扬声器的指向性因子；
N ——为功率比，是由产生直达声LD的功率LW，同产生LD之外的所有器件LW的功率比（即扬声器数量）
V ——体育馆的容积
M ——为临界距离的修正值（除特例外一般选数值1）；
理论和实践证明，RASTI 越高，AL%越小，语言清晰度越高。
RASTI>0.6　　　　即　　 AL%<6.6%　　　　（非常好的清晰度）
RASTI>0.5　　　　　　　　　 AL%<11.4%　　　　 (奥组委对场馆要求)
RASTI≥0.45　　　　　　　 AL%≤15%　　　　　 (实际工作允许界限 )
从公式（1）和（2）可看出，要保证体育场馆及机场大型航站楼室内空间具有很高的语言清晰度，就要降低AL%，而想降低AL%，有两点可做：

* 建声：降低体育场馆的混响时间T60
* 电声：选取好性能，高Q值指向性因子的扬声器系统，减少扬声器组数量N
　　　这就是说，为了保证体育场馆及机场大型航站楼的语言清晰度，必须从建声和电声两个专业上进行设计。

2、建声设计
　　不仅降低体育场馆及机场大型航站楼的混响时间，还要防止和消除回声，声聚焦，颤动回声等声学缺陷。
* 对于大于80000立方米的体育馆，可按混响时间≤1.5—1.9秒设计；
* 对于游泳馆、速滑馆、网球馆、田径馆等专项体育馆，可按游泳馆混响时间要求进行设计。每座容积≤25M3/座，混响时间500——1000HZ，满场＜2.0秒；每座容积＞25M3/座，混响时间500——1000HZ，满场＜2.5秒；
* 超大空间体育场，尤其具有看台屋顶的，满场混响可达2.0秒，不能做露天考虑；
* 对于体积超大或数十万立方米的训练馆或休闲娱乐场所，很少有建声设计（或根本没有建声）条件下，混响时间很长，可长达7——8秒。这种情况下，只能借助于扩声系统的电声设计予以补偿，稳妥较好的解决长混响时间条件下语言清晰度的实现。

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3、电声设计

选用好性能（全频带、高灵敏度、大功率）具有高Q值指向性因子的线源阵列扬声器系统；并且数量N越少越好。就是说，尽管T60越长，但我们选用的Q更高，N仅为1或2，AL%可做的很小，语言清晰度就可保证。

（1）高Q值指向性因子线源阵列扬声器系统，我们选用民族品牌PROSO　 FL-2Y线源阵列扬声器系统。

* 线源阵列扬声器Q值随线源阵列长度（音箱模块）增加而增加，Q值可以很高，指向性可很强。比如18只PROSO　 FL-2Y线源阵列音箱模块（如图）
其　　　　　500HZ　　　Q=57
　　　　　 1000HZ　　 Q=119
　　　　　 2000HZ　　 Q=231
　　这是任何点声源扬声器根本无法实现和达到的，各体育场馆具体应用PROSO　 FL-2Y线源阵列模块长度（数量）多少，依据所需Q值而定，可参考其一览表。

* 线源阵列扬声器PROSO　 FL-2Y仅有水平指向性1200，垂直指向性很小，随阵列长度越长越趋尖锐，并且柱面波传播，距离增加一倍，3db衰减；
* PROSO　 FL-2Y线源阵列扬声器其频带宽，45HZ——18KHZ；灵敏度107db/m.w，功率500W，对于几百米长度具有足够大声压级是不存在问题的，仅仅增加线源阵列的长度（数量）而已；

（2）扬声器阵列数N是根据覆盖场地宽窄而定，一般场合应对称布放，N=2即可，N=1效果更佳。线源阵列数量越少，其间梳妆滤波器干涉越小，越有利于语言清晰度实现。
这里应该强调一点的是：PROSO　 FL-2Y线源阵列扬声器系统自身在高频也不会产生干扰，这是其重要特点。
根据奥尔维理论HF=340/2EC,式中HF为高频上限，EC为两单元中心距离（米）,按照五点拾音法，可以鉴别普森FL-2Y是真正的线原阵列扬声器系统。
　关键在于高频之间是耦合的，而不会产生有害干涉，此法是距离线源阵列六米处，从上向下取五个点分别拾音，所得五个频响曲线以相同的声压级作比较。如下图：
　

（A）　外形相似的伪线阵列扬声器系统（高频出现有害干涉）

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（B）真正的全频耦合线源阵列扬声器系统（高频无害干涉）
FL-2Y线源阵列扬声器系统

4、利用计算机声学软件EASE4.0对体育场馆仿真模型设计　
　　利用声学软件，将体育馆的观众席场地制作模型，仿真其容积和悬挂线源阵列高度坐标，模拟在长混响时间和悬挂线源阵列扬声器系统的条件下，语言清晰度及声压级优劣和指标，其目的在工程设计阶段就可预测工程竣工后的清晰度效果，从而可以尽早修改完善方案。
总之我们依据Peutz语言清晰度的理论，在长混响时间或大空间的场馆内，选用其有高Q值好性能，数量N少的FL-2Y线源阵列扬声器系统，可以保证场馆的语言清晰，音乐丰满。
我们曾先后对湖南十运会株洲游泳馆（3.6秒），四万人体育场，北京温都水城（30万立方米，7.8秒），北大训练馆无建声，奥运会英东游泳馆、国家综合训练六个馆（无建声）进行设计，其语言清晰度的主观试听，客观测量都是令人满意的，获得甲方的一致好评。
对于大型体育场，只需将其按照封闭空间进行模型处理，其理念设计是不变的，AL%的结果在设计阶段也是可预测的。
　　总之关于超大空间超长混响的体育场馆的语言清晰度设计，重点谈以上几点，关于围绕语言清晰度为核心的扩声系统，其设备的选配达到五项扩声特性指标级别，其实质也是语言清晰度设计，可参照英东游泳馆设备选取，不做重点阐述。

二、英东游泳馆语言清晰度的设计

　　作为案例，我们重点阐述一下奥运会英东游泳馆语言清晰度设计。
　　英东游泳馆是第十一届亚运会的主要场馆之一，也是2008年奥运会改造场馆，建筑面积为38000平方米，网架下容积V=124156立方米，6000人座席，平均20.7立方米/座。

1、　使用功能：
承担奥运会各种游泳，水球，跳水，花样游泳等项目的正式比赛及决赛。

2、　达到要求：

* 客观测量达到JGJ/T131-2000《体育馆声学设计及测量标准》一级扩声技术指标。
* 奥组委要求：

（1）最大声压级：103dB（平常使用95dB）
（2）频响：语言125HZ~5KHZ　音乐100HZ~15KHZ
（3）语言清晰度：STI>0.5

3、　建声设计：
* 按照行业标准，混响时间T60=2.5秒（500——1kHz）满场，要求不产生声音缺陷
* 在扬声器辐射的墙面上进行了强吸声处理

4.　电声设计
（一）扬声器布放方案论证：英东游泳馆的扩声扬声器系统采用分散布放还是采用集中线源阵列布放，为了保证奥运会英东游泳馆语言清晰度，我们进行了充分必要的论证：
（1）　对全国运动会八、九、十的有关场馆扬声器集中成功的和分散布放失败案例分析；
（2）　湖南省十运会株洲游泳馆，体育场扬声器由点声源分散布放方案修改为线源阵列扬声器的案例；
贺龙体育场分散布放的失败教训；
（3）　分析了点声源扬声器→扬声器阵列→线声源线列的扬声器发展、优缺点；
（4）　研究90年雅典运动场使用KF-800扬声器线源阵列的来龙去脉，为了解决大型场馆、迪斯科广场、文娱场所，满足巨大覆盖区全部听众（85000座）要求具有足够大声压级（需要大量扬声器扩声），同时又要求高清晰度语言和音乐丰满，有层次的音质又必须保持较小数量扬声器的矛盾。EAW积20年全力研究和奋斗的结果，以PPST技术和KF900系统，采用点声源技术及其控制的阵列，实施近、中、远投射，在长达180米的体育场内，满足对语言清晰度、音乐丰满度的要求，
（5）　对国内外真假线声源线源阵列扬声器的五种状态进行分析比较，；
（6）　对英东游泳馆自亚运会以来，20年采用分散布放扬声器扩声，语言清晰度不好的原因分析；
（7）　对辅音清晰度损失率（AL%）与临界距离理论进行分析探讨；
辅音清晰度损失率是理想扩声系统模型，未涉及扬声器数量N,以及在长混响时间条件下产生梳妆滤波器对语言清晰度的降低；
理论计算必须与EASE 4.0设计相结合，充分反映客观事实真相；
（8）　请国家奥体中心领导试听温都水城30万立方米在(无建声设计)混响时间长达7.8秒设计条件下，采用线源阵列扩声系统，可保证语言清晰的效果；
经过比较分析研究，我们具有以下认识：
（1）　理论计算必须与计算机仿真模拟相结合，排除梳妆滤波器带来干扰；
（2）　从大量线源阵列集中布放成功和点声源分散布放失败案例分析，必须使用线源阵列扬声器；
（3）　对线源阵列扬声器进行筛选，应该使用非传统线源阵列——FL-2Y线源阵列扩声系统；
（4）　我们有株洲游泳馆(和英东游泳馆容积一样大小，混响时间也一样),温都水城、北京体育大学国家综合训练馆（超大容积超长混响时间），使用线源阵列FL-2Y方案成功扩声的经验；

（二）线源阵列扬声器分散布放还是集中悬挂方案进一步进行了EASE仿真模型论证。
1、分散在马道上布放8组FL-2Y线源阵列扬声器系统，（每侧4组，每组7只FL-2Y模块构成）
其指向性因子：500HZ　　　　 Q=16
　　　　　　　1KHZ　　　　 Q=32
　　　　　　　2KHZ　　　　 Q=65
这是点声源扬声器的Q值根本不法实现的
我们分别在三种混响时间条件下进行EASE4.0仿真模型设计：
(1)　 T60=1.5秒　　　　　　　 RASTI>0.5 （是奥运会技术要求）
(2)　 T60=2.0秒　　　　　　　 RASTI=0.45（临界值）
(３)　T60=2.5秒　　　　　　　 RASTI=0.4
　　这种情况说明分散布放线源阵列扬声器，只能在1.5秒混响时间条件下，才能保证奥运会语言清晰度要求。T60=2.5秒时根本达不到满场RASTI>0.5的技术指标的。
　　结论是明确的，纵然使用高Q值的线源阵列扬声器，在长混响时间条件下采用分散布放方式，想保证游泳馆语言清晰度，也是无能为力的。

2、最后确定了集中布放线源阵列扬声器扩声系统系统方案，是在长混响时间T60=4秒（500HZ—1000HZ　满场）条件下，保证游泳馆观众席的语言清晰度是其关键：
我们将2组PROSO (每组18只FL-2Y)线源阵列扬声器系统，集中布放在游泳馆彩屏两侧，垂直悬挂， N=2

PROSO 18只FL-2Y线源阵列扬声器的特点：
（1）　线源阵列扬声器指向性因子Q随线源阵列长度增加。Q可很高，(如18只FL-2Y线源阵列模块)
其：500HZ　　　　 Q=57
　　1KHZ　　　　　 Q=119
　　2KHZ　　　　　 Q=231
（2）　距离增加一倍，3dB衰减
（3）　集中垂直悬挂2只线源阵列，N=2，梳状滤波干扰很少
　　重要的是，我们的设计是适应英东游泳馆因天长日久吸音变差，混响变长，而AL%不变的设计（注意：线源阵列扬声器无论音箱模块多少，也只是整体为1只的作用效果，在指向性Q值增加其N可以不变，这样随着混响时间变长，只需继续悬挂音箱模块，就可增大线阵列Q值，仍然可以保证游泳馆语言清晰度。所以，集中悬挂线源阵列扬声器是英东游泳馆之首选。
4、利用声学软件EASE 4.0进行计算机仿真模型设计
　　预测T60=4秒建声条件下语言清晰度及声压级（仿照株洲T60=3.6秒情况模拟设计），英东游泳馆容积混响时间基本相同

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图：4秒钟的混响时间曲线

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集中布放2组FL-2Y在大屏幕两侧，线源阵列扬声器系统四视图

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语言清晰度RASTI表1
500Hz　AL%＜6.8%　RASTI≥0.59
1KHz　AL%＜7.0%　RASTI≥0.59
2KHz　AL%＜7.0%　RASTI≥0.59

最大声压级表2
125Hz　250Hz　500Hz　1KHz　2KHz　4KHz　8KHz
116db　115 db　110db　113db　113db　112db　112db

小结：
　　使用EASE 4.0声学软件仿真模型设计，在英东游泳馆彩色显示屏两侧垂直悬挂2组，每组18只FL-2Y音箱模块组成的线源阵列扬声器系统，在混响时间T60=4秒（500HZ—1000HZ）条件下，其语言清晰度及辅音清晰度损失度、最大声压级都达到了奥组委要求提出的技术指标，而且有一定的设计余量。

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（2）扩声系统中设备的选配也是实现语言清晰度的保证：
（一）高Q值，18只FL-2Y线源阵列扬声是保证高清晰度的关键；
（二）选用4入/1出自动混音台，始终保持一路输出，并且具有NOM功能，纵使有人插话，馆内声压级基本不变；
（三）选配AFS反馈抑制器，防止和抑制建声产生的反射声等引起系统反馈，引起啸叫，保证扩声系统稳定，是实现语言清晰度的前提；
（四）选配DSP数字音频处理器，24bit　 A/D.　 D/A转换、处理，频带宽，动态大，S/N高（高达104db），不会给扩声系统带来噪声，信号/噪声的比高，有力的保证了语言清晰度；
（五）调音台可进行调音，提高频率特性1—2KHZ电平，提高语言清晰度；
（六）数字音频处理器可对电——声系统进行分频、均衡、参数均衡、压缩/限幅等功能处理，保证传输特性达标。实质上是如实的反应语言或乐音的幅频特性，亦是保证语言清晰度实现；
（七）使用数字音频处理器可对比赛、大会、音乐演出等不同功能要求，预先对数字功能模块预设、存储、调出，满足各种实用功能；
（八）由于18只FL-2Y线源阵列频带宽，从45HZ——17KHZ可满足音乐播放，亦可通过调音台，低频提升，使其音乐丰满悦耳，高频明亮、有层次；
（九）热备份一个调音台，应急使用；

5、扩声特性指标测量
在安装调试的基础上进行自我检测，技术达标的情况下，主观试听：语言清晰、音乐丰满悦耳。
2007年9月21日由国家奥林匹克体育中心、北京达尼利华科技发展有限公司委托，国家建筑工程质量监督检查中心就“北京奥体中心英东游泳馆扩声系统”进行检测。
（1）　检测依据

　《体育馆声学设计及测量规程》JGJ/T131-2000
　《厅堂扩声特性测量方法》GB/T4959-1995
（2）　检测仪器
　B&K公司：1027型信号发生器，4190型传声器
　3560B型多分析仪系统
　HP公司：34401A型数字多用表
　NTI公司：AL1型声学分析仪
（3）　检测结论：
A.　扩声系统特性指标（电声设计）数据
* 最大声压级：107db
* 传输频率特性：以125HZ—4000HZ的平均声压级为0db，在此频带内观众席平均声压级不超过+2db,-1db
* 传输增益：125HZ——4000HZ的平均值为-5db
* 扩声系统传输指数（即语言清晰度）平均值为0.69 （STIPA）
* 系统噪声：38db（A）,≤NR-32
B．建筑声学数据
* 混响时间：（用固定安装线阵列检测）500HZ　　 2.8秒　　 1000HZ　 2.7秒
　　　　　　　　　　　　（用发令枪检测）　　　　　　 500HZ　　 3.6秒　　　 1000HZ 3.4秒
C．检测结论
北京奥体中心英东游泳馆扩声系统的最大声压级、传输频率特性、传声增益技术达到《体育馆声学设计及测量规程》JGJ/TBI-2000中的一级指标
6. 扩声系统语言清晰度指标
语言清晰度指标和最大声压级指标是我们扩声系统设计的核心，即语言清晰度或辅音清晰度损失率百分比，其平均值STIPA=0.69

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其最大声压级107db　　达到奥组委　103db；
　语言清晰度STI>0.69　达到奥组委　STI>0.5

第三方客观检测确认：英东游泳馆扩声系统设计达到了
* 《体育馆声学设计及测量规程》JGJ/T131-2000一级扩声特性指标
*　奥组委提出的在大声压级和语言清晰度的指标
　　我们认为，围绕语言清晰度为核心的设计是正确的，采用集中悬挂2组非传统线源阵列扬声器系统是成功的。

三、我们的认识

　　奥组委提出的语言清晰度和最大声压级是体育场馆声学设计的画龙点睛之笔,道出了体育馆设计的活的灵魂：是核心,是要害,使扩声系统五项指标(必要条件)更加完全充分,是实事求是的举措,将掀起体育场馆设计的新篇章。

1、　体育场馆的语言清晰度设计是扩声系统的核心设计，我们依据Peutz辅音清晰度损失率理念，对建声、电声进行综合设计、互补设计；
结合声学软件仿真模型设计，在设计阶段预见语言清晰度的优劣，为修改完善设计提供可靠依据。这种以语言清晰度为核心的设计是正确的，方法是可行的；

2、　在超大空间超长混响时间的体育场馆语言清晰度设计，采用电声补偿建声的设计，使用少数量N、高Q值非传统线源阵列扬声器系统扩声，集中悬挂布放，能为超大空间超长混响时间的体育场馆、文娱广场、休闲中心基地提供足够大声压级和高清晰度语言、丰满悦耳且有层次的音乐，效果是令人满意的，得到使用方的认可和赞许；

3、　我们在总结前人成功经验、失败教训的基础上，通过实践——认识——再实践——再认识，不断提高，不断完善我们的工作，使我们的工作做得尽善尽美。“实践是检验真理的唯一标准”，让我们在实践中检验和提高自己吧！我们希望得到同行、专家们的批评斧正；

4、　我们建议：今后大型体育场馆建筑设计，尽量将显示屏和主席台位置放在同一方向或对面，考虑主席台两侧线源阵列扬声系统悬挂负载的问题，亦可解决声像一致的难题。这样的超大型场馆将是一个巨型文艺广场和巨型厅堂、电影院，语言清晰、音乐丰满、声象一致，何其壮哉！何其美哉！
最后，让我们向具有真知灼见，有胆有识的，支持我们的奥体中心游泳馆彭维勇副主任、何丽萍处长和各级领导表示衷心的敬意!

参考资料

一、《扩声技术》　沈豪北京人民邮电出版社
二、《声系统工程》　唐戴维斯　　　电声技术杂志社
三、《PPST技术与KF900系统》　张飞碧　　电声技术《声频工程设计与实例》论文集
四、《上海八万人体育场扩声系统设计》　王季卿　　电声技术《声频工程设计与实例》论文集
五、《流动演出系统》——周华健世界巡演出会上海扩声系统　张飞碧　电声技术《声频工程设计与实例》论文集
六、《广东体育馆音响工程简介》朋妙颜,周锡韬电声技术《声频工程设计与实例》论文集
七、《株洲游泳馆语言清晰度设计》王强, 陈建利李士雎《电声技术》2007.5
八、《体育场固定安装的线阵列扬声器扩声系统》王强, 陈建利李士雎　《电声技术》2007.5
九、《广东奥林匹克体育场扩声系统工程》　　　电声技术2002.7
十、《体育馆声学设计及测量规程》　 JGJ/T131—2000
十一、《客观评价厅堂语言可懂度“RASTI法”》　　 GB/T 14476-93