江阴西城钢铁多功能大会堂的声学设计分析

丁 雷， 刘 宝，杨月飞

(1.江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405; 2. 江阴崇德电子有限公司，江苏 江阴 214412)

江阴西城钢铁多功能大会堂的声学设计分析

丁 雷1， 刘 宝2，杨月飞2

(1.江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405; 2. 江阴崇德电子有限公司，江苏 江阴 214412)

介绍了江阴西城钢铁多功能大会堂扩声工程的建声和电声设计，说明了设计的方法与思路，对系统方案的选择、声学测试等过程进行了详细论述，并对结果进行了分析。声学仿真结果表明，该公司多功能大会堂的声学设计在混响时间、语言清晰度、声场不均匀度等方面都达到了良好的厅堂音质水平。

多功能厅；声学设计;建声；电声；声学测试

江阴西城钢铁有限公司是江阴市重点企业，该公司于2012年新建了一座多功能大会堂，可举行各类大中型会议，并可开展各类报告演讲、文艺演出、大型晚会等活动。

该会堂为单层钢筋混凝土框架结构,东西长65m,南北宽45m，人字形屋顶，最高处13.5m。主厅长度53m，宽度36m，面积近2000m2，吊顶高度9.2m。观众席共有35排，分为前后两区，前区共16排，前后总起坡为0.76m，分4层，平均起坡0.19m，后区观众席共19排，前后总起坡1m，分5层，平均起坡为0.2m。每排有47个座位，座椅左右距离0.6m，前后距离0.9m,拥有固定座位1645席，如图1所示。

图1 西城大会堂平面图

1 设计要求

该大会堂功能是以会议为主，兼顾文艺演出，因此对声学系统的设计首先要确保扩声的语言均匀度和清晰度，其次需满足演出时音乐丰满度。其声学设计依据GB/T 50371-2006中多用途类扩声系统声学特性指标，要求达多用途类一级传输频率特性，具体要求参见表1。

表1 西城大会堂扩声系统声学特性指标

2 建声设计

2.1设计依据

大会堂的声学设计包括建声和电声两个方面。首先要做好建筑声学的设计，使其混响时间合理，声音扩散性好，无声聚焦、阴影区，可闻振动噪声等缺陷。其中混响时间是音质评价的最重要指标，根据GB/T 50371-2006中的要求，中频500～1000Hz满场时, 混响时间应处于图2所示适合范围内[1]。

图2 大会堂中频混响时间

大会堂的基础和墙面为钢筋混凝土结构，观众厅的容积达12980m3，人均容积7.8m3，设计中频混响时间T60=1.2±0.1(s)，依据伊林-努特生公式

式中K是与声速有关的参数，这里取0.161，S是室内总表面积，V是室内容积，ā是室内表面吸声系数，混凝土为0.02，4m是空气吸收系数，这里取0.03，可算出厅内T60=4.15s，实测为3.9s，显然不符合设计标准，各频段实测混响时间如表2所示。

表2 西城大会堂未处理前各频段混响时间

从上述分析可看出如不做建声处理，大会堂是不能直接使用的，其人均容积超过了标准中5m3/座的上限，须经建筑声学的设计与装修，进行声扩散与声吸收的处理。经计算，整个大会堂所需吸声量约为1580m2。

2.2建声处理

2.2.1 观众厅处理

观众厅为大会堂主要区域，面积很大且层高较高，混响半径短，声学混响时间长，直达声很难清晰到达听众耳朵，因此要进行吸声及声扩散处理，以提高语言的清晰度。

大会堂地面为环氧树脂，吸声量不大，建筑吸声处理主要在顶棚与四周墙壁上。运用不同穿孔率与空腔的共振吸声结构体作为调节各频段吸声量的主要措施, 空腔内填多孔的棉毡或玻璃棉以扩展吸声频段及增大吸声系数。大会堂屋顶呈扇形，平面正放四角椎网架，现浇钢筋混凝土屋面板，能满足建筑保温与声学隔音等使用要求。在观众厅的上方采用铝合金面板吊顶，主龙骨吊杆间距为1.3m，主龙骨间距0.95m，下挂900mm宽针孔挂勾式铝合金板，板表面开针孔，孔径Φ=3.3mm，孔中心矩7.8mm，穿孔率27.8%，板后贴阻燃玻璃纤维吸音无纺布，140g /m2，降噪系数NRC≥0.8，对低频有很强的共振吸声效果，对中高频具有一定的反射作用，如图3所示。

图3 西城大会堂立面图

大会堂墙面吸声采用了中密度木质吸声穿孔板，穿孔板自身并无太大吸声作用，但其后部留有空腔时，木孔板与空气层就会形成共振吸声体，其吸声特性与木板穿孔率、空腔的深度及板后填充材料的吸声系数有关[2]。

经过选择与测试，大会堂两侧墙面吸声板厚度为25mm，条宽18mm,槽宽4 mm，面槽中心距20mm，吸声板后贴黑色玻纤毡，填充容重为24kg/m3，厚度50mm玻璃棉，吸声板墙后留空腔150mm。观众席后方墙面吸声板厚15mm，空腔50mm，和侧墙有所区别，主要防止吸声频率集中单一而过量吸收。吸声板穿孔率选择为15%，可以防止室内音频高频段吸声过大而导致混响时间偏短。具体结构如图4所示。大会堂窗户上挂专用吸声窗帘，起到装饰、遮光、吸声的作用。

图4 木质穿孔吸音板构造

座椅的吸声量约占观众厅内总吸声量的一半，对厅内声学指标影响重大。对座椅坐垫材料的厚度、椅罩的流阻、距离流阻，坐垫背板的吸声性能、靠垫背板高出靠垫部分的反声性能等都需进行选择与测试。在该处选用软包定型海绵桥式排椅，座垫厚50mm,流阻r=13kPa·s/m，椅罩流阻r=1.3kPa·s/m，座椅下部采用穿孔胶合板覆盖，背部贴30mm吸音棉(r= 9kPa·s/m)，设计时要使空场时座椅的吸声量与满场时观众的吸声量基本相同。

2.2.2 舞台处理

大会堂舞台为镜框式，台口宽度14.5m，进深12.3m，台高0.8m，如图1所示。因该大会堂要经常举行各类文艺汇演，所以对舞台的声学处理非常重要。舞台声场主要由直达声、早期反射声与延时反射声构成，演员的主观感觉与这三部分能量构成有关，尤其是直达声与早期反射声的声压级和延时会直接影响演员的表演。而延时反射声分为来自舞台內的高阶次反射声与从观众厅反射回的声能，对其处理一方面要避免对演员的干扰，二是要有助于发挥声音的艺术表现力，起到美化的作用。

因此大会堂舞台声学处理应考虑两点：一是保证合适的舞台声支持与返听延时要求；二是设计与观众厅相匹配的混响时间及频率特性。舞台区音质以清晰为主, 以满足语言清晰度的要求，同时可减轻扩声系统抑制回声反馈的压力。

台口天花与侧墙设计成面向观众厅的扩展型，侧墙外贴弧形聚酯纤维吸声板，由下到上逐渐增大倾斜角度，可为大会堂前厅提供更多的早期侧向反射声以改善音质。台内墙面采用木质槽孔吸声板，板后连续变化的空腔可扩展有效吸声频率范围。舞台吊顶采用轻钢龙骨结构，距离屋面2.5m，可方便安装风管及其他设施，框架上固定安装吸声板，减少风机的扩散噪声，并吸收舞台上的多余混响声，以提高吸音效率[3]。

经过合理的建声处理后，大会堂的混响时间大幅下降，再配以合适的电声系统，完全可达设计要求，观众厅各位置都能清楚听到舞台声，确保了语言的可懂度与清晰度。

3 电声设计

3.1系统定型

在做电声系统设计前先要确定大会堂的扩声方式。如采用分散扩声，扬声器距离观众近，直达声能比例高，可采用声压级较小的扬声器系统。但分散扩声属于点声源，辐射声波近似球状波，在垂直与水平方向上扩展，距离增加一倍，声强变为原来的1/4，声压级衰减6dB。而集中扩声可采用吊装线阵的方法，在临界距离内，线阵辐射的声波近似柱状，仅在水平方向扩展，因此距离增加一倍，声强变为原来的1/2，声压级衰减3dB。而且线阵指向性强，可弥补远场声压级衰减过多的问题，使得室内声场分布均匀，并有效降低大会堂内混响时间，提高整个扩声系统的传声增益[4]。大会堂线阵吊装示意图如图5所示。

图5 西城大会堂线阵吊装示意图

3.2设备选择

该大会堂的电声系统选用了LAX(锐丰)品牌。主扩声线阵两组选用16只LAX AT312，该线阵采用外置三分频设计，方便分频点的选择(在此工程中根据粉红噪声频率测试选择在195Hz和1.85KHz)，中频灵敏度为104dB，最大声压级可达133dB。该线阵扬声器单元为非轴对称结构，中低频单元距离近，不会产生因波程差导致相位差而出现的干涉波，音质失真小。低音单元选用了LAX AT218B，采用4寸音圈内外绕双层铜音圈结构，18寸大功率输出低音驱动器，低频最低下潜至30Hz，吊装在线阵最下端。

大会堂台口宽度达14.2m，为使坐在前排中间的观众保持声像定位一致，在此安装了2只台唇扬声器，选用LAX TH812两分频单12寸全频音箱，该扬声器结构紧凑，输出声压大，最大声压级可达126dB。

舞台返听扬声器对演员演出很重要，因为返听的声压一定要大于主扩声反射回舞台的声压，要让演员对自己的音色有真实监听，增强临场感。返听扬声器功率设为主扬声器功率的15%，选用LAX CK12两分频同轴12寸全频音箱，采用小波分析技术，声场相位控制精确，最大声压级可达123dB，完全可满足舞台返听需求。

与线阵配合使用的数字音频处理器选用LAX DSP4000,对扬声器单元的频率特性进行补偿，每个输入输出通道设有电平控制、高低频滤波器，参数均衡器、可实现静音与实时延迟等，能控制和调整多束声波以覆盖不同的观众区。最后将信号送入各自对应的通道进行功率放大，推动扬声器单元发声，扩声系统连接如图6所示[5]。

图6 西城大会堂扩声系统连接图

4 声学测试

工程后期，参照GB/T 4959 -2011《厅堂扩声特性测量方法》相关的标准，对大会堂扩声系统的各项声学指标进行了测试，测试都是在空场情况下进行的。测试设备配置包括无指向传声器、扬声器、B&K4220声学测试仪、十二面体点无指向声源、声级计、电脑及DIRAC建筑声学测试软件等，激励信号源采用正弦扫频信号[6]。

4.1混响时间

按照测试要求，将无指向性声源置于舞台中间，距地面1.5m，传声器距观众席地面1.2m，在距声源4.0m以外选取24个测试点,前后半场各12个，每点各测3组数据取其平均值，混响时间实测曲线如图7所示。从测试结果可看出，大会堂混响时间特性曲线中高频平直光滑,低频适度提升,中频500Hz及1000Hz混响时间达到预期设计值1.2±0.1(s)的要求。

图7 大会堂混响曲线

4.2最大声压级

采用电输入窄带噪声法，将1/3倍频程粉红噪声信号输入调音台线路输入口，在观众厅内选取24个点，点位与混响测试点相同，结果如表3所示。

表3 最大声压级测量数据

表3的测试结果表明，额定通频带内声压级均大于103dB，125～6300Hz频段的最大声压级为109.3dB，符合设计时最大声压级大于或等于103dB的要求。

4.3声场不均匀度

采用窄带噪声电输入测试法，12面体无指向性声源放在台口的中心线上，发出稳态粉红噪声，在观众厅内每隔3米进行测试，每排测2个点，共计30个点， 测试结果如表4所示。

表4 声场不均匀度测量数据

表4的测试结果表明，1kHz大声压级差小于6dB，为5.0dB，而4 kHz最大声压级差小于8 dB，为6.3 dB，优于设计要求。

4.4传声增益

采用声输入法，在不使用声反馈抑制器的情况下进行，点位同最大声压级测试点，测量结果如表5所示。

表5 传声增益测量数据

表5的测试结果表明，125～6300Hz的传声增益平均值为-5.0dB，大于设计要求的-8dB。

4.5传输频率特性

表6 传输频率特性测量数据

采用声输入法，测试点位与声场不均匀度的测试点相同，结果如表6所示。

从表6的测试结果可以看出，以125～630Hz平均特性声压级为0dB计算，传输频率特性偏差-1.6 dB～+3.0dB，达到表1的设计要求。

4.6系统总噪声级

在无有用声信号输入情况下，将扩声系统增益调至最大，在扬声器前听不见系统噪声，测量其噪声频谱，与扩声系统关闭时测得的噪声频谱基本相同，系统背景噪声为NR30，说明扩声系统本底噪声很低，应在NR20以下。

5 结束语

经过多方测试，结果表明，该大会堂的声学设计与构建比较成功。该大会堂采用集中扩声方式，声音清晰度高，听感自然，声像一致。由于使用了线阵，前后排观众区的声压级与均匀度都达到了国家相关标准。

该大礼堂的声学系统在满足会议要求的标准上也可以满足文艺演出的需要，这样合二为一的做法较传统的演出和会议扩声分别配置的做法，大大提高了设备使用率，节省了投资。2012年12月，西城钢铁客户年会在新落成的大会堂隆重召开，并举办了盛大的文艺晚会，由著名央视主持人柴璐、水均益主持，并邀请了毛阿敏、腾格尔等明星，主持人、演员和观众均对该大会堂的环境和音响效果给与了充分认可。该大会堂现已作为西城钢铁主要的会议与活动场所，本次声频工程设计与构建非常成功，达到了预期的使用要求。

[1] 中华人民共和国建设部. GB/T 50356-2005剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2005.

[2] 杜功焕.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001:90-110.

[3] 乐意，赵其昌. 大型厅堂的建筑声学设计方法研究[J].南京大学学报，2011，47(2):208-217.

[4] 孟宪功.宁夏人民会堂扩声系统升级改造[J].宁夏工程技术，2008，7(3)：267-271.

[5] 丁雷.华西龙希国际大酒店宴会厅声学设计[J].电声技术，2012，36(8)：12-17.

[6] 中国国家标准化管理委员会. GB/T4959 -2011厅堂扩声特性测量方法[S].北京：中国标准出版社，2012.

(责任编辑：张凯兵)

AcousticDesignofSoundReinforcementSystemofJiangyinXichengGangtieMulti-functionHall

Ding Lei1, Liu Bao2,Yang Yuefei2

(1.JiangyinPolytechnicInstitute，Jiangyin,Jiangsu214400,China; 2.JiangyinChongdeElectronicsCo.,Ltd，Jiangyin,Jiangsu214412,China)

This paper introduces the architectural acoustic and electroacoustic design of sound reinforcement system at Jiangyin Xicheng Gangtie multi-function hall, illustrates the method and way of thinking employed, dewells upon the selection of system scheme and acoustic test, and makes an analysis of the results. The simulated results of acoustic system showed that the proposed design can achieve perfect performance on reverberation time, language articulation, and irregularity of sound field.

multi-function hall；acoustics design；architectural acoustic；electroacoustic；acoustic test

TB54

A

2095-4824(2013)06-0030-06

2013-09-12

丁 雷(1976- )，男，江苏高邮人，江阴职业技术学院电子信息工程系讲师。

刘 宝(1986- )，男，江苏睢宁人，江阴崇德电子有限公司助理工程师。

杨月飞(1981- )，男，江苏高邮人，江阴崇德电子有限公司助理工程师。