在长混响恶劣环境下体育场馆的专业扩声:运用扩声清晰度设计理念的PROSO高清线源扩声

文｜北京达尼利华科技发展有限公司 祝 科

1 场馆及厅堂扩声系统的目前现状

扩声在场馆建设中的地位：体育场馆及厅堂在使用时，是否能顺利进行各种赛事或活动的基本条件是“看得见”和“听得清”，也就是“灯光”和“扩声”两个基本功能，它们缺一不可，其他功能都是锦上添花。而现在体育场馆及厅堂扩声资金投入不断提高，但“扩声清晰度”却一直不高，可是还能顺利通过验收。

（1）原因之一

目前验收的五项指标里没有仪器可测量的扩声清晰度指标。这里我们必须先了解扩声系统五项指标——最大声压级、传输频率特性、传声增益、声场不均匀度、总噪声级。它们是满足扩声清晰度要求的必要条件，但不是充分条件。满足这些指标不一定可以拥有较高的扩声清晰度，但是拥有较高清晰度的情况下这五项指标一定达标。

（2）原因之二

投入巨大资金做建声处理后的大空间厅堂场馆，混响时间很难达标，其原因很复杂。实际的混响时间往往容易偏长，据统计，国内70%场馆的混响时间不达标。在这种环境下选择传统音箱多点布局的扩声设计，扩声清晰度很难达标。道理很简单：一张嘴讲几句话和不同位置的20张嘴讲同样几句话，哪个听得最清晰? 当然是一张嘴讲话最清晰。

2 体育场馆及厅堂制定长混响状态下可测量的清晰度指标STI-PA的重大意义

2008北京奥组委依据国际标准IEC认证标准（IEC 60286-16）首次在国内提出了扩声清晰度的指标，并在奥运会场馆中增加了新的测量指标：扩声清晰度传输指数STI。这对国家制定专业扩声检测验收标准及甲方的利益要求产生了重大的影响，已经在国内引起专业人士和业主们的高度重视。

3 影响体育场馆及厅堂扩声清晰度的原因

体育场馆及厅堂扩声的声学设计需要电声和建声两方面的投入，由于资金限制、顶棚荷载、吸音材料的选取、干预外观效果的领导意识等诸多问题，体育场馆及厅堂建声处理很难达到预先设计的效果，处理后的混响时间往往容易偏长。所以建声留下的问题最后只能用电声来进行相应的补救：达到国家验收扩声的五项指标的同时，还要保证扩声清晰度。但是现在国内外的大量案例表明，使用普通音箱及它们的设计思路在这种环境下很难达到听觉上的最佳效果，清晰度更是难以保证。

4 实际案例说明

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，容积120000m3，这样超大容积的游泳馆混响时间长达近4.5s，远远超过行业标准的要求。建声不好，带给电声清晰度无法实现的严峻问题。在过去的20年间，英东游泳馆扩声几经改造，终因建筑结构不能改变，顶棚荷载无法满足建声需要。亚运会期间为了使观众能知道参赛运动员的名字和比赛号码，服务人员只能高举“告示牌”像演哑剧。之后又承办过世界大学生运动会、全运会等，其扩声始终听不清晰，主要原因是电声设计没有找对先进科学的扩声清晰度设计理论依据，导致电声设计长期被建声条件所束缚。

5 寻找科学的扩声清晰度设计的理论依据

目前国内电声界和设计院常用的声场扩声清晰度设计依据是 “临界距离”理论公式,但它与可测量的扩声清晰度指标STI没有直接关系，也没有数学模型。

“临界距离”公式：

式中，R为房间常数，Q为扬声器指向性因子。这种理论设计思想简单，就是单只扬声器离人耳越近越好，因此为满足更多人的听音需要，体育场馆及厅堂扩声所需音箱分布的位置与数量会比较多。但是它没有考虑声源布点的数量和它们之间声波叠加产生的相互干扰，造成梳状波的有害程度与扩声清晰度之间的关系影响。

世界著名声学家Don.Davis（唐.戴维斯）推荐说：“跨世纪贡献的荷兰声学家V.M.A.Peutz（普兹）对扩声清晰度设计的理论公式，自1971年以来，每日在扩声工程中使用，检验并验证了其公式的精度和实用性。” 它与清晰度指标STI-PA有直接换算关系，并且有数学模型。

普兹提出的精确设计声场扩声清晰度的理论公式，是由“临界距离”理论完善并发展而来。改造后的英东游泳馆采用了“辅音清晰度损失率计算” 的研究设计扩声语言清晰度的理论公式：

在公式中影响清晰度的电声指标只有Q和N。“普兹理论”在分析扩声环境的基础上比“临界距离”公式增加了一个参量N，就是布放音箱的数量“N”。公式强调音箱指向性Q越高，音箱的数量N越小，清晰度越高，从而彻底改变了没有扩声清晰度设计的历史。

通俗地说，依据普兹提出的扩声语言清晰度设计的理论要求：混响时间越长，在能满足全场声压级和均匀覆盖的前提下，用指向性越强、Q值越高的音箱，同时减少音箱布局数量，最终全场扩声语言清晰度就越高。这就要求单只音箱能具备满足全场高清晰度扩声最重要的三个条件：

◆ 单只音箱具备超高指向性的宽覆盖能力；

◆ 单只音箱具备极高的声压级；

◆ 单只音箱具备超高的清晰度重放能力。

而真正的线阵列扬声器恰能满足上面的三个条件。这是后文要讲到的许多案例运用普兹公式、使用线源音箱，实现长混响条件下高扩声清晰度的主要原因。

一般扬声器在满足强指向性（Q很高）的时候，覆盖角度会变得很小，也就是水平和垂直角度都很小，因而在具体使用时要扩大覆盖范围，就必须使用多只音箱（N增大）。普兹理论要求的Q和N在普通扬声器产品中是很难同时达到的。

在奥体中心英东游泳馆中，为了使音箱在场内的布点尽可能的少、覆盖角度尽可能的大，使用了PROSO专业高清线源音箱，采用了在大屏两侧垂直悬挂两串音箱的方式，使音箱数N等于2。

那么是不是所有的线阵列音箱只要遵循普兹理论数量N尽可能少的布局就可以达到体育场馆高语言清晰度的要求？我们现在看一下现在市场上线阵列音箱的现状：普通波导器式的线阵列音箱叠加声波会出现有害干涉，产生梳状波，恶化音质，更糟糕的是会造成许多旁瓣指向，破坏全频指向性（降低了指向性Q值）、激发声场的有害混响声能、严重妨碍了扩声清晰度的实现。

图1中第一个和第二个柱形，产生大量的梳状滤波，音箱本身的清晰度、音质及指向性大打折扣。而真正优质的线阵列音箱应该采用无干涉技术和耦合技术，中低频控制在一个波瓣以内。PROSO专业高清线源音箱采用了带状透镜耦合器技术，使每只音箱的垂直角度控制在1。以内，有效地减少、清除梳状波。

音箱的品质主要取决于其内部结构应用的专利技术。PROSO专业高清线源音箱由带状钕磁钢共同推动一个个紧密排列的小音圈，类似LED屏幕，在同频响、同声压条件下，其箱体超薄、超轻，打破了传统音箱箱体厚度较深的原理及内部格局，声波不再是常规的球形波，而是柱形波，发出的声波不需要任何相位塞的遮挡来让声音真实，并且也不会出现声波的有害干涉现象。

从图2中我们也可以看到，由于应用这样的专利技术，PROSO专业高清线源音箱的箱体很薄，体积小巧，安装美观，多个超高Q技术的线状声源耦合器模块组成的一只高清线源音箱N永远是1，而且模块垂直叠加越多音质越好（传统音箱叠加越多音质越差）。

图1 线源陈列的五种状态

图2

在北京奥体中心英东游泳馆扩声系统的设计过程中，由于比赛大厅的混响时间达到4.5s，我们改变了从前的多声源、多点布局的扩声方式，而采用高清扩声技术将两只PROSO高清线源音箱系统，集中布放在游泳馆彩屏两侧，垂直悬挂。国家权威检验检测机构对其进行了检测，在空场条件下，测得的语言清晰度STI-PA空场平均值竟然达到0.69，STI-PA最高值达到0.79，远远超过奥组委提出的空场条件下0.5的技术指标。据北京奥组委有关资料显示，这一数字也比前三届奥运会（雅典、悉尼、亚特兰大）的所有奥运比赛场馆的扩声清晰度都高。因此，该项目成为北京奥运会唯一获奖的场馆扩声工程。此外，其最大声压级、传输频率特性、传声增益等经过国家权威部门的检测达到体育馆一级扩声技术指标。

英东游泳馆的顶棚象“大船的底部”倒扣在上面，因顶棚只能承载需求量五分之一的吸声体，比赛大厅内80%的有害混响声来自于顶棚，如图3所示。

配电线路的搭杆型式有四种，分别为耐张搭杆#转角搭杆#直线搭杆以及终端搭杆这四种型式。在对塔型以及搭杆高度进行选择的过程当中，应该注意其是否经济而且运行维护是否方便$其中，耐张搭杆应该尽可能的选用高度较低的搭杆，以保证其受力的良好。除了跨越，应该尽量的使用悬挂点高度适中较为合适，从而能够保持排杆定位的导线以及地线的平滑，进而能够保证受力均匀合理。

从奥运会英东游泳馆扩声工程设计之初，即运用了EASE声场模拟的理论。从图4、图5中可以看到：运用“临界距离”理论公式的扩声设计，在音箱摆位方面多采用分散式的“满天星”布局，语言扩声第一句话的回声严重影响第二句话的清晰度；而运用普兹扩声清晰度理论公式的扩声设计，在音箱摆位方面采用“太阳式”最少布点方式（如图6所示）来布局，在EASE声场模拟图7中我们可以看到扩声清晰度的大幅提高。经过EASE图对两种扩声方式在模拟相同空间、相同混响时间条件下的扩声清晰度仿真论证，通过两方式各自的自动运算出的数据进行比较来看，很明显采用“太阳式”最少布点方式的布局获得了更高的清晰度指标。

图3

图4

图5

图6

图7

利用声学软件EASE 4.1仿真模型对两种布局方式进行扩声清晰度对比论证：预测吸声材料受潮后，混响时间T60 为4s（如图8所示），按8点布局或2点布局的不同布局方式，分别用计算机仿真模型设计出英东游泳馆扩声语言清晰度STI-PA，再把两个STIPA结论进行比对，进行论证。虽然与实际情况相比可能会有一点误差，但它对正确选择扩声声场设计方向起到了重要的指导性意义，希望引起业内重视。

采用PROSO高清线源音箱8点布局，满足覆盖全场时，在混响时间为4s条件下，EASE论证模拟如图4、图5所示。

计算机EASE仿真模型论证结论：混响时间4s条件下，使用8组线阵列音箱，扩声清晰度传输指数RASTI将为0.4（低于奥运会指标）。

下面采用PROSO高清线源音箱2点布局，满足覆盖全场时，在混响时间为4s条件下，EASE论证模拟如图6、图7所示。

计算机EASE仿真模型论证结论：混响时间4s条件下，使用2组线阵列音箱，语言清晰度传输指数RASTI将为0.69 （高于奥运会指标）。

图8

2008年2月28日，住房和城乡建设部组织第二十九届奥林匹克运动会组织委员会技术部、国家奥体中心英东游泳馆、中广电广播电影电视设计研究院、中国电子科技集团公司第三研究所、国家质量工程质量监督检测中心有关专家专门对非传统扩声技术进行评估论证，得出文字性的结论：“一致认为该技术达到世界先进水平，值得推广，并授予奥体中心英东游泳馆的扩声工程智能化建筑优质工程奖。”

STI-PA空场测量英东游泳馆观众区各点的清晰度传输指数STI指标及分布图，如图9所示。

图9 一组18只FL-2Y线源阵列音箱

6 其他案例简单介绍

国家综合训练馆群，被列为2008北京奥运工程，是中国国家队奥运期间集训的场馆，由6个体育馆构成，建声环境极为不好，其中国家综合田径馆内容积近260000m3，其混响时间在9s以上。而通过将PROSO专业高清线源扬声器集中悬挂于田径训练馆内一角的方法，达到了空场STI-PA实测平均值为0.55的效果，国家艺术体操及蹦床训练馆、国家综合力量训练馆、国家综合跆拳道训练馆的设计，都采取了高清线源扬声器集中布放在馆内一角的方法。

美国租用的2008奥运会美国国家队综合训练馆，容积超过50000m3，奥运会期间美国国家队等都在此训练，观众区STI-PA空场实测平均值为0.72。

奥运会男子排球训练馆也应用了PROSO专业高清线源的高清扩声技术。

第十届湖南省运会使用的株洲体育场在国内首次采用高清扩声技术，是在大屏幕两侧集中悬挂线阵列的成功案例，该项目不仅声压级、均匀度达到国家扩声一级标准，而且清晰度远远超过传统技术的扩声效果，包括最远端230m以外也是如此。

中华世纪坛广场是北京最大的奥运广场，采用了高清扩声技术的矩阵列，垂直指向性很锐利，水平指向性很窄，完全满足广场的扩声不扰民的要求。另外北京电视台奥运文化广场、北京科技大学奥运文化广场、首都图书馆奥运文化广场和玉蜓奥运文化广场，这些都是国家专门投资的奥运文化广场，也都应用了PROSO专业高清线源的高清扩声技术。

北京奥运会五棵松棒球场在“好运北京”奥运会测试赛期间，使用了PROSO专业高清线源扩声技术，清晰度远超奥运标准，出色的保证了测试赛的顺利进行，得到业内和各界的广泛好评

十一届全运会淄博体育场四周观众区上方的顶棚面积巨大，声学环境与体育馆一样，没有进行建声处理，混响时间超过5s。通过应用PROSO专业高清线源的高清扩声技术，使近50000个座位的体育场的扩声清晰度STIPA空场平均值达到0.55，满场达到0.65以上，其他指标也均超过了体育场扩声一级指标。其建声不如“鸟巢”，但扩声清晰度超过了“鸟巢”。充分证明了使用PROSO专业高清线源的高清扩声技术的优势。

十一届全运会德州体育馆虽然做了部分建声处理，但混响时间依然达到3.5s，经过精心的扩声清晰度设计与施工，依据普兹清晰度设计理论，最终其扩声清晰度STI-PA空场平均值达到0.72，满场达到0.80以上，其他指标也均超过了体育场扩声一级指标。

十一届全运会济宁体育馆在建设中采纳了笔者对建声处理的建议，做到了建声电声一起配合，混响时间竟然达到了1.9s，经过精心的扩声清晰度设计与施工，依据普兹清晰度设计理论，最终扩声清晰度STI-PA空场平均值达到0.75，满场达到0.82以上，其他指标均超过了体育场扩声一级指标。中央交响乐团在此演出，彩排时被PROSO专业高清线源音箱的清晰度效果打动了，并且认为其能够保证声像一致，符合演出需要，决定放弃使用自带的音箱系统，采用固定安装的高清线源音箱。

高清线源音箱还有另外一个特点——高阻抗，这意味着一台功放可以同时推动十几只甚至几十只音箱正常发音，也就是说，使用标准音箱导线连接，功放和音箱的相隔距离最长能达到1km，仍可克服长线路电阻对音色的影响，保持声音的高清晰度。功放在控制室内，音箱在体育场馆的任何位置都可以使用，既节省线材，控制起来也更简单。

高清晰度解决方案全面实施的可行性，使清晰度大幅度提高，设计更简单，施工更方便，日常维护和售后服务同样便捷。高清晰度解决方案能够在不改变声场环境及成本的情况下，使清晰度得到成倍的提高。无论大空间场馆还是小空间会议室，它们的清晰度设计理念是一样的。它的应用已是世界扩声领域的大趋势，希望给业内人士及使用方带来一定的启发。

7 结束语

（1）厅堂场馆的语言清晰度设计是扩声系统的核心设计，笔者依据普兹辅音清晰度损失率理念，对建声、电声进行综合考虑、互补设计，并结合声学软件EASE仿真模型设计，在设计阶段充分论证两种声源布局方式的扩声语言清晰度的优劣，为寻找最佳扩声清晰度设计方向提供了可靠依据。通过工程前的扩声清晰度设计论证与实际工程的检测，证明了扩声清晰度论证数据与实际测量结果是相符的，这种以语言清晰度为核心设计扩声的论证方法是正确的、可行的，从而为今后的厅堂场馆正确的扩声清晰度设计，指明了方向。

（2）在超大空间超长混响时间的体育场馆语言清晰度设计中，采用电声补偿建声的设计，使用数量N少、Q值高的高清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足够高清晰度的语言、丰满悦耳且有层次的音乐，效果是令人满意的，得到了使用方的认可和赞许。

（3）我们应在总结前辈成功经验、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”。