小型文化综合体音效装备配置仿真分析研究

任鹏昊，方少韩

(1.中国传媒大学音乐与录音艺术学院，北京100024；2.视听技术与智能控制系统文化和旅游部重点实验室，北京100024)

1 绪论

文化建设是我国坚持文化自信的基石，基层群众文化活动是文化发展的重要阵地，但基层因地域特征性、人群非专业性、设施构建低成本性等因素，面临文化服务内容贫瘠、服务模式低下、优秀文化传承困难乃至文化阵地丢失等现状。尤其当前小城镇和新农村的文化设施是按展览、演出、会议、阅览等分类配置原则构建的，缺乏快速构建功能可变的集约型综合服务空间载体，不能满足居民对综合文化需求的期望。

目前，国外在小型文化服务综合体的研究上较为领先，在固定的空间中通过变换舞台及观众席座椅已实现集演出、会议、展览等多种功能的剧场中心，根据实际演出的需要，厅堂装备能够灵活移动至不同位置并进行组配。在建筑设计方面，为适应不同需求，设计了可折叠式的观众席，可拆卸移动，也可拼凑的舞台。而在国内小型文化综合体可变空间载体的建设以及相关的研究较少，因此可借鉴和学习国外先进的技术来打造适合我国农村城镇使用的多功能小型文化综合体。

本文主要研究在小型文化综合体可变空间载体中的音效装备配置，根据不同使用要求的场馆的声学特点，对比其扩声系统声学指标，提出小型文化综合体的扩声系统设计思路以及室内音质的设计方案。

2 小型文化综合体3D模型建立

在计算机中进行模型的确定，采用实际厅堂中声音传播的物理现象，结合一定的数学仿真运算规则，来进行厅堂声学的模拟。利用声学模拟EASE仿真软件正确的预测厅堂的声学特性[1]，评估和调整厅堂建筑设计过程的缺陷，合理的选择装饰材料和室内扬声器布局方案。

小型文化综合体3D建模流程如图1所示。

图1 综合体3D建模流程图

2.1 输入综合体空间的几何数据

本文以国家大剧院小剧场的实际建筑模型为参照，经过实地测量在软件内进行模型确定，小剧场长度为23.70m，宽度为26.25m，观众区设有14级台阶，四周为MLS扩散体。在软件中输入小剧场的几何形状数据如各个界面的空间三维坐标进行三维数学模型的确定。由于MLS扩散体是由凹凸有致的扩散体组成的，因此在绘制空间时，根据实际厅堂的扩散体排列规则一一进行绘制。3D模型如图2(a)、(b)所示。

2.2 房间面吸声材料设置

小剧场所要达到的混响时间直接决定了房间吸声材料的选择和确定[2，3]，小剧场当中主要使用的材料有根据清华大学声学实验室吸声系数测量结果建立的座椅材料库，由双层实木组成的MLS扩散板、玻璃纤维而制的GRC预制板、普通玻璃窗、回字形吊顶、厚织物组成的舞台后墙、幕布、木地板以及实木门等。

2.3 建立模拟观众区的听声面

根据小剧场的观众席位置特点，进行听声面的绘制，位于观众厅座椅的上方区域，是距离地面高度为1.2m的虚拟平面，主要是用于计算声学特性例如总声压级的分布等等。

2.4 建立声学测试点

当设置好听声面之后需要进行声学测试点的设置，用红色“椅子“表示，主要是用来观察厅堂内某一个位置的声学特性。因此在设置测试点的时候把测试点放置在听声面上方0.5m的位置，距离地面1.7m的位置，使测试点高于听声面能够计算出相关的特性参数，如图3所示。

图3 测试点“椅子”的设置

3 小型文化综合体音效装备配置方案

3.1 小型文化综合体扬声器布局方案

扬声器的选型和摆放主要考虑扬声器的功能、功率和扬声器的指向性能[2，3]，因此对于远近场的主扬声器和辅助补音扬声器的选择有所不同，主要遵循的原则有：①尽量满足整个声场均匀覆盖的原则；②满足声场最大声压级的要求；③满足语言清晰度的要求。

(1)合理布局扬声器

扬声器的布置方式有三种：集中布置、分散布置、混合布置[4]。考虑到小型文化综合体需满足演出、会议、展览、民俗活动等多种使用模式，因此在扬声器的布置方案上选择的是混合布置模式，即集中供声和分散补声相结合的布置模式。在设计时将集中供声的扬声器设置于舞台正上方，采用吊挂的方式将左、中、右三路扬声器安置在距离地面约7m高的位置。扬声器的位置分布图如图4所示。

图4 扬声器摆放位置分布图

(2)合理选择扬声器

考虑到声压级和扬声器的布局方案，为了保证声场均匀度，在左、中、右声道的扬声器选用了d&b公司的E系列音响，主要型号是E12全频音箱，中后场的补声音箱采用的是E8全频音箱，台唇补声采用的是E0音箱，舞台的返送监听音箱选择的是M2系列。E系列主要就用于语言和音乐扩声系统，并且其外观精致小巧，适合中小型厅堂的扩声。扬声器型号、参数指标如表1所示。

表1 扬声器参数指标

3.2 小型文化综合扩声系统装备配置方案

小型文化综合体为演出、展览、会议、民俗活动等服务功能需求，考虑到多种使用功能，需要设置演出、会议、展览等扩声系统。在扩声系统设计方面，需要尽可能的简洁，涵盖所有的服务功能，可使用调音台选择不同功能模式下的扩声系统，扩声系统之间需要能够独立工作，又能结合为一体[5，6]。根据上述扩声系统设计分析，总结出一套完备的扩声系统方案。

针对演出功能来说，需要将舞台上方的左中右三路扬声器(型号E12)作为主扩声扬声器，台唇配有两个补声扬声器E0，用以补充前排观众区域。同时舞台上需要两个M2舞台返送音箱，可供舞台表演人员使用。另外，由于观众厅中后场部分的直达声较差，因此在观众厅17m处左右各安置了一个补声扬声器E8，以改善中后场的观众区域的听音效果。演出功能扬声器摆放位置如图5所示。

图5 演出功能扬声器摆放位置图

针对会议功能来说，由于只需要满足其语言清晰度的要求，因此在扬声器的配备方案上可以适当减少不必要的扬声器使用。因此在设计会议功能时，使用舞台上方左、中、右三路作为主扩声扬声器E12，配备观众厅中后场补声使用的扬声器E8，满足了会议扩声的要求，保证良好的语言清晰度、均匀的声场和良好的声压级。会议功能扬声器摆放位置如图6所示。

图6 会议功能扬声器摆放位置图

对于展览、阅览等功能来说，对扩声系统并无太大的需求，仅需要控制综合体空间的噪声和做好吸声处理，因此在扩声系统上使用左右两路的主扩声扬声器E12配备补声扬声器E8。为满足日常的通知扩声，因此无需使用过多的扬声器，主要是控制房间的混响时间和噪声源，保证室内厅堂处于低噪环境即可。展览、阅览功能扬声器摆放位置如图7所示。

图7 展览、阅览功能扬声器摆放位置图

4 国家大剧院小剧场音效仿真结果分析

小型文化综合体使用功能灵活多变，根据演出、会议、展览、阅览等服务功能需求，通过扩声系统设计、扬声器选型、合理配置音效装备。根据音效装备配置方案进行仿真，分析音效指标是否符合《厅堂扩声系统设计规范》中多用途类扩声系统声学特性的指标要求。

(1)声压级

通过EASE软件进行计算分析可以得出小型文化综合体的总声压级分布图，根据各个频段的统计分布直方图，可以查看声场的分布情况，小型文化综合体内听声面的声压级统计分布图如图8所示，可以看到取样点为80个，平均107.76dB，最小值为107.05dB，最大值为108.52dB。

图8 总声压级

根据仿真结果总声压级的分布图计算得知，小型文化综合体的稳态声压级基本保持在小于等于+6dB，以文艺演出类一级扩声系统声学特性指标要求，会议类一级扩声系统声学特性指标要求，多用途类扩声系统声学特性指标，小型文化综合体的稳态均匀度均符合相关标准。

(2)C参量

C参量作为小型文化综合体的评判标准是必不可少的，主要有C50和C80。以语言扩声为主的厅堂中如小剧场、会议厅，则需要重点关注C50语言可懂度能否满足相关标准。对于以音乐声为主的厅堂如音乐厅，则需要重点探讨C80音乐明晰度是否达到要求。

对于小型文化综合体来说，EASE仿真软件计算出来的C50参量结果如表2所示。在500Hz～4kHz的C50参量可以直观地反映出小型文化综合体在中高频具有较好的语言可懂度，在低频部分的语言可懂度稍差一些，在中高频段具有良好的语言可懂度，可以满足日常的会议、演出需要。

表2 C50参量统计值

除了语言可懂度，同时也需要关注C80音乐明晰度，不同的乐器类型对音乐明晰度有不同的要求，如吹奏乐器的标准是0±2dB，弦乐器的标准为2±2dB，弹拨乐器的标准是4±2dB，打击乐器的标准是6±2dB[7]。为了保证良好的性能，任何场合中音乐的明晰度C80都不能够超过+8dB。EASE仿真软件计算出来的C80参量结果如表3所示。小型文化综合体的C80音乐明晰度总体是符合厅堂标准的，能够很好的发挥综合体音乐演出的功能。

表3 C80参量统计值

(2)(3)语言清晰度

对于小型文化综合体演出、会议等功能来说，需要分析语言清晰度是否能够达到要求。对于语言清晰度的声学参量可以考虑辅音清晰度损失率和快速语言传输指数。对辅音清晰度损失率和快速语言传输指数评的评价均有对应的普茨长公式和普茨短公式的参考值表。

EASE仿真软件计算出的小型文化综合体的辅音清晰度损失率如图9所示。由计算结果得知，辅音清晰度损失率的平均值为5.41%，最小值为4.54%，最大值为6.27%，比对普茨长公式参考值表得知，在0～7%范围内的损失率表示综合体语言清晰度良好，满足厅堂标准要求。

图9 辅音清晰度损失率在各频段的分布直方图

除了辅音清晰度损失率，也可以通过快速语言传输指数来判断语言清晰度的优良情况。EASE仿真软件计算出的快速语言传输指数如图10所示。小型文化综合体的快速语言传输指数平均值为0.638，最小值是0.61，最大值是0.669，其范围均在0.60～1.00之间，根据普茨长公式参考值可知，综合体的语言清晰度良好，满足厅堂标准要求。

图10 快速语言传输指数在各频段的分布直方图

5 结论

以国家大剧院小剧场为模型建立了小型文化综合体3D模型，并在建筑空间内进行了合理的扬声器布置和扬声器选型设计，实现小型文化综合体满足演出、会议、阅览、展览等扩声功能。在扩声系统设计方案的基础上，利用EASE仿真软件进行计算仿真分析，验证了小型文化综合体音效装备配置方案的合理性。仿真结果表明，小型文化综合体内的音效指标均符合《厅堂扩声系统设计规范》中多用途类扩声系统声学特性的指标要求。