厅堂语言清晰度的设计理念

文｜中国通广电子公司 王 强 陈建利 田宝国

厅堂扩声系统的设计，其目的是为观众席提供足够大的声压级和足够高的语言清晰度。

荷兰声学家Peutz历经十年，于1971年研究出的辅音清晰度损失率百分比，是设计、预测厅堂语言清晰度的理论依据。

厅堂声学设计，其实质是厅堂语言清晰度设计，是厅堂电声和建声设计的核心。厅堂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。

厅堂声学设计的具体内容，是由一个设计理念和四个设计，以及其他一些辅助设计组成的。本文主要阐述厅堂辅音清晰度的设计理念、厅堂建声设计、厅堂电声设计、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最大声压级的设计），以及为达到厅堂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。

1 厅堂语言清晰度的设计理念

厅堂声学设计理念，从技术发展来看，大致分两类：一是临界距离的设计，二是辅音清晰度损失率的设计。

1.1 临界距离Dc

临界距离Dc一般定义为扬声器辐射的声场中，平均直达声能密度与平均混响声能密度相等的点至声源中心的距离。

式中，Q是扬声器的指向性因子，R是房间常数。

临界距离与直达声场、混响声场的关系如图1所示。一般情况下，当厅堂的长度L≤3.16Dc时，其语言清晰度被认为是可接受的。

图1 临界距离与直达声场、混响声场的关系图

1.2 实用的Dc公式

一个在实践中比较实用的Dc公式如下：

式中，Q是扬声器的指向性因子，V是厅堂体积，N是扬声器数量，T60是厅堂建声混响时间。

往往Dc越大，语言清晰度越高，因此在长混响的条件下，普遍采用直达声能低于混响声能6dB的方式为好。但是，从Dc公式中是看不出Dc和语言清晰度有何关联的。

1.3 辅音清晰度损失率百分比理论

辅音清晰度损失率百分比理论是荷兰声学家Peutz于1971年在美国声学杂志上发表的，其概念是人们讲话发声的母音，如a、i、u、e、o，比辅音b、p、m、f等辅音的能量高6dB左右（即4倍），而辅音是比较短促的声音，一般是20ms左右，母音则为90ms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。为进行测量、设计，总结出以下两条公式：

式中，STI是语言传输指数，可评价厅堂的语言清晰度；ALCONS%是辅音清晰度损失率百分比；D2是扬声器至最远观众席距离；T60是厅堂建筑声学混响时间；Q是扬声器的指向性因子；N是扬声器数量；V是厅堂体积；M是临界距离修正系数，一般取1。

公式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。真正实用于建声和电声设计的是公式④。由公式③、公式④可知：

（1）语言清晰度STI越高，ALCONS%越小。一般取STI=0.45，即ALCONS%=15%为语言清晰度的临界值；若ALCONS%＞15%，厅堂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ALCONS%≤11%，是较清晰的语言清晰度。

（2）从辅音清晰度公式ALCONS%来看，ALCONS%是由建声、电声两个专业进行设计的。建声的设计理念是：在V不变的情况下，建筑声学T60

2越小越好；电声的设计理念是：在扬声器至观众席距离D2不变的情况下，扬声器数量N越少，扬声器Q越高，ALCONS%越小，语言清晰度STI越高。

因此，电声和建声可综合互补设计。例如，在长混响时间T60（3～5s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。采用线阵列扬声器系统，既使在长混响条件下，仍可保证厅堂语言清晰度，就是最好的例子。

1.4 临界距离Dc和辅音清晰度ALCONS%的公式

德国人W·阿诺特给出了一个临界距离Dc和辅音清晰度ALCONS%的公式：

从该公式中可以明确看出，在建声T60一定的情况下，临界距离Dc越大，ALCONS%越小，语言清晰度越高。

但是，与公式⑤相比，通过公式④能够更清晰地看出电声和建声与清晰度之间的关系。实际上公式⑤是公式②和公式④联合解方程得出的结果。

纵观厅堂声学设计的几个理念，我们认为辅音清晰度损失率百分比公式，即公式④是比较理想的。美国声学专家唐·戴维斯赞称说，这一公式每日每时在工程中得到应用和检验其理论之精确。我们在厅堂工程中的应用，也验证了它的正确性和可靠性。与其他设计理念的公式相比，它明显地展示出清晰度和电声、建声之间的关系，更直观，更易于从建声和电声两个专业进行设计。

2 厅堂语言清晰度的建声设计

2.1 赛宾混响时间设计

（1）赛宾混响时间设计是人声、自然声、乐器声为主要声源的厅堂建声设计理论。从公式④可直接看出ALCONS%和T60成正比的关系，混响时间的长、短影响ALCONS%大、小，即语言清晰度的劣、优。

（2）在混响时间的设计中，依据国家标准，混响时间有一个允许范围，如图2所示。

我们在对建声提出要求时或自行设计时，可要求得苛刻一些，尽量取允许范围内的下限值。

进行电声设计时，混响时间可选取允许范围的上限值，这样的设计能使我们在语言清晰度设计中更主动。混响时间短，清晰度很好；混响时间在允许范围的上限，清晰度指标仍在可接受的范围之内。

图2 不同容积的厅堂在频率为500～1000Hz时满场的合适混响时间范围图

2.2 有效混响时间设计理念

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。我们也曾在国内多个厅堂的实践中证明了它是先进的设计理念。

有效混响时间设计是使用电声系统的厅堂中的建声设计。在短混响时间条件下，保证语言清晰度没有问题。纵然在长混响时间条件下，仍然可以保证语言清晰度，而且可以满足厅堂的丰满度。

如图3所示，T3即厅堂的赛宾混响时间，Tэ为厅堂的有效混响时间。

式中，T1是几何声学概念，为0.15s；T2同赛宾混响时间一样，是统计物理学概念。

对语言清晰度理论的研究表明：

（1）在使用扩声系统的厅堂中，赛宾混响时间对语音清晰度无任何贡献。

（2）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。

图3 有效混响时间示意图

图4 赛宾混响时间和有效混响时间的对比图

如图4所示，赛宾混响时间设计和有效混响时间设计是针对两种不同声源的两个设计概念，有着本质上的区别，设计效果也大相径庭。有效混响时间设计的特点一是不改变任何建筑结构，二是不要求任何体形，仅仅从吸声材料胡布放和对多次反射声的处理上着手，但其效果与赛宾混响时间设计相比有天壤之别。所以我们推荐大家在建声设计时，应用有效混响时间设计理念。有效混响时间设计某种程度上可以对电声设计进行补偿，它的出现使得厅堂声学设计更加自由。

3 厅堂语言清晰度的电声设计

厅堂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。国内外名牌扬声器众多，设计者应依据公式④辅音清晰度损失率百分比理念，按照厅堂语言清晰度要求STI（换算成ALCONS%），在厅堂建声T60一定，扬声器数量N尽量少（在保证覆盖厅堂观众席的基础上）的条件下，求出所需的扬声器指向性因数Q。

（1）扬声器指向性因数Q值的大小可用公式④直接算出。比如，若要求厅堂语言清晰度STI≥0.45（即ALCONS%≤15%），其Q值的大小可按下式计算：

总之，依据清晰度的要求，在建声、T60一定，电声D2、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已定的情况下，可以选取自己需要的品牌。需要注意的是，T60如取指标允许的上限值，Q值就一定要留有充分的余地，取得比较高一些为好。

（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指向性指数算出Q值（因为DI=lnQ）。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EASE4.1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。我们关心的是500Hz、1000Hz、2000Hz的指向性因数Q值，因为它们对清晰度的影响最大。

一般厅堂的会议语言扩声系统，在声源扬声器的Q值满足要求，数量N最少，经EASE4.1仿真设计或计算出来的ALCONS%值较小的情况下，就可采用；而容积大、混响时间长的，重要的会议大厅，则采用性价比高的线阵列扬声器比较稳妥。

4 计算机仿真模型设计

（1）仿真模型软件的作用，实际上就是依据公式③和公式④，利用计算机编程，对厅堂内的电声和建声综合造成的语言清晰度和最大声压级进行实时分析。

因为依据理念是正确的，模型结构建造也比较准确，仿真模型对厅堂的语言清晰度设计是具有重要的参考价值的。借助仿真模型的帮助，在图纸设计阶段，就能预测厅堂语言清晰度的优劣，为进一步完善、改进建声和电声设计方案提供充分的依据。尤其是在长混响环境下，有纯粹理论计算等无法预料其影响的梳状滤波干扰出现的时候，仿真模型就更是确定、完善方案，预测其语言清晰度的关键、必要的一步。

（2）模型应尽量建造的细致、准确。模型细致、准确程度对仿真模型的意义主要表现在对厅堂空间容积和建声混响时间T60的准确度的影响上。

（3）如果已知建声设计，就可以根据厅堂空间容积内各立面不同的面积，将吸声材料布放得比较合理。如只知道要求的混响时间，只能作一般的布放而已。

（4）扬声器悬吊的要点在于，一定要在马道位置上，否则扬声器的声场将受到影响。

（5）对于厅堂建声，一般应取国家标准GB/T 50356中相应体积所对应的，混响时间的上限，甚至可以在此基础上留有一定的余量。

原则上，在设计阶段，应对建声取较恶劣的条件，长一些混响时间T60；电声采用Q值较高，N较少的扬声器系统。这样的设计留有充分的余地。建声做得好，混响时间T60短，清晰度自然能够符合要求；即使建声未达标或者超标，因为有电声的补偿，仍能保证厅堂语言清晰度在可接受的范围内。

（6）仿真模型设计，应该具有：

①T60混响时间曲线，能明确显示容积的大小及500Hz、1kHz混响时间值的曲线图。

②厅堂模型结构前视图、俯视图、侧视图、立体图等，应能使人对厅堂结构体形、扬声器布置一目了然。

③语言清晰度曲线，应具有500Hz、1kHz、2kHz的STI、ALCONS%图。

④最大声压级曲线，应具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz 的曲线图。

⑤通过计算机仿真模型设计得出的，语言清晰度、最大声压级、声场均匀度等技术指标的验证结论。

5 厅堂五项技术指标的设计及其多种功能的实现

五项技术指标的设计，是保证厅堂语言清晰度的必要条件，其实质也是语言清晰度的设计。

5.1 最大声压级

首先，要明确是在重放而不是扩声情况下的测量。其次，只要距扬声器最远观众席的直达声压级符合要求即可。再次，宽频带粉红噪声的峰值因数一般取6dB。《厅堂扩声系统设计规范》（GB 50371-2006）将最大声压级定义为最大峰值声压级的平均值。以峰值因数（1.8～2.2）限制的额定通带粉红噪声为信号源，其最大峰值声压级为RMS（有效值）声压级的长期平均值，加上20倍的，以10为底峰值因数的对数，即：

另外，必须考虑功放至扬声器之间的线路损耗：尽量选取传输电阻小，电流容量大的电缆；使功放功率大于扬声器功率（计入线路电缆损耗）。这样不仅能保证观众席的最大声压级，而且可以保障瞬态音质。

5.2 传输频率特性

（1）应尽量选取频率响应特性曲线平坦的传声器、扬声器组，尤其是扬声器组，以选取恒指向性频率响应为好。

（2）扩声系统电气系统特性指标应符合要求。

（3）扩声系统中，每一支主扬声器之前都有一组数字音频处理器DSP与之对应，其中应具有音量、分频、压限、均衡、参数均衡、延时、位相等功能模块可供使用，以便调整扬声器覆盖的观众席声场，保证其频率响应达到要求。

5.3 传声增益

保证扩声系统的稳定性是保证语言清晰度的前提：

（1）传声器可选用指向性可变传声器，可根据厅堂、报告厅内的具体情况使用不同的指向方式。

（2）利用自动混音台8入/1出或串联使用的功能，保证无论有多少路输入，始终只有一路输出给调音台。此外，混音台应具有NOM功能，即当有人插话，发言人数增加时，其输出电平按10lgNOM衰减，从而保证厅堂、报告厅观众席声压级基本不变。

（3）选配具有数量可选取的多抑制点的自动反馈抑制器AFS，如2入/2出的DFR-22EQ等，可抑制任何恶劣建声造成的反馈啸叫，保证系统稳定。建议将AFS插入调音台编组使用，这样既可抑制啸叫，又不影响重放音乐音质。

（4）为了保证系统的稳定性，每路功放都要有C/L（压/限）功能，能够进行信号过载保护。

5.4 声场不均匀度

声场不均匀度是厅堂、报告厅观众席各点在频率为1KHz、4KHz时的声压级变化。它基本上是对扬声器系统对观众席的覆盖是否合理的反映，实质上也是对观众席语言清晰度的反映。如果观众席传输频率特性达标，厅堂、报告厅的声场均匀度达标便不成问题。语言信号在传输中被高通滤波器去除1kHz以下的频率成分之后，语言清晰度仍为93.8%，这是应该明确的。

5.5 系统总噪声级

（1）设计中使用带降噪声均衡器或数字音频处理器DSP，其动态范围超过100dB。扩声系统不可能出现噪声。

（2）如果地线连接正确，扩声系统是不会产生噪声的。

6 结束语

封闭空间的辅音清晰度损失率百分比的设计理念不仅适用于使用扩声系统的厅堂、剧场、电影院，而且也适用于使用扩声系统的体育场馆的设计。我们曾在北京六十五中礼堂、中国五矿礼堂、昌平礼堂、外经贸大学千人图书馆礼堂、北京语言大学逸夫楼多功能厅、枣庄会展礼堂、长春国际会议中心、京都信苑饭店多功能厅，以及2008年北京奥运会英东游泳馆、垒球场、国家训练基地，乃至湖南省十运会一场两馆、第十二届全运会淄博体育场、天津南开大学体育馆、天津大学体育馆等几十个厅堂场馆工程中使用辅音清晰度理念进行设计。这些工程的扩声系统都有很好的效果，都得到了用户的认可和赞许。

总之，厅堂场馆的声学设计尽管存在着多种理念，但各种理念的目标都是保证厅堂的语言清晰度。我们应该以保证语言清晰度为核心，依据辅音清晰度损失率百分比的设计理念进行设计：正确认识和实施建声和电声综合互补的语言清晰度设计，运用计算机仿真模型模拟和检验语言清晰度的设计，利用五项指标来保证厅堂语言清晰度设计的成功（并保证相应的多种功能应用的实现）——这样的设计才能立于不败之地。

另外，厅堂语言清晰度设计理念同样适用于厅堂场馆的声学技术改造。对那些语言清晰度不达标的厅堂场馆进行电声补偿设计改造，可以获得令人满意的效果和清晰度指标，是个经济实用、事半功倍、值得推行的设计理念。

1 沈壕.扩声技术.中国科技出版社

2 王季卿.建筑厅堂音质设计.天津科学出版社

3 [德国]阿诺特.扩声技术原理及其应用.王季卿，赵其昌

4 [前苏联]阿.纳.卡切洛维奇，耶.耶.霍穆托夫.电影院声学与建筑学.陈绎勤.中国电影出版社