体育场馆扩声系统语言清晰度的设计-2010-02-24

体育场馆扩声系统语言清晰度的设计

王 强，陈建利，王铁超

（中国通广电子公司，北京，100125）

摘要：指明了体育场馆扩声系统的设计实质即语言清晰度的设计。分析了目前国内体育场馆声学设计存在的问题，围绕ALcons%和STI 阐述了体育场馆语言清晰度设计的理念，在该理念的指导下作建声设计、电声设计、仿真模型计算机辅助设计和五项技术指标的实现。

关键词：语言清晰度，辅音清晰度损失率百分比ALcons%，语言传输指数STI ，临界距离

体育场馆使用扩声系统的主要目的是将语言声音如实扩大，保证观众席具有足够的声压级，同时具有良好的语言清晰度。体育场馆扩声系统的设计实质上是语言清晰度的设计，是围绕以语言清晰度为核心的建声、电声及五项技术指标的设计。

一、 国内体育场馆设计目前状况不容乐观。

关键问题是设计理念落后，声学设计规范不明确，体育场不考虑混响时间，未按封闭空间进行声学设计。

1. 设计理念落后

多年来，我们大部分设计者都采用临界距离Dc 设计理念。

临界距离Dc 是指声场中平均直达声能密度与平均混响声能密度相等的点到声源中心的距离。

一个在实践中比较实用的Dc 公式如下：

60057.0T N V Q Dc ??= ①

式中，Q 是扬声器的指向性因子，V 是场馆容积，N 是扬声器数量，T 60是建声混响时间。

Dc 越大，语言清晰度越好。但是Dc 和语言清晰度定量关系非常模糊。 临界距离Dc 和扬声器距最远观众席距离是LR/LD=6dB 合适还是LR/LD=10dB

就能满足？一般设计者无所依从。

图1 临界距离与直达声场、混响声场的关系图

2.基于临界距离理念的声学设计规范

（1）定性方面要求

a)建声设计

体育馆建声的一般要求应以保证语言清晰度为主，应把自然声源、扩声扬声器作为主要声源。

综合体育馆比赛大厅满场500~1000Hz混响时间

游泳馆比赛厅满场500~1000Hz混响时间

b)扩声设计

扩声系统应保证比赛大厅有足够的声压级，声音应清晰，声场应均匀。

（2）定量方面要求

基于临界距离的设计理念提出五项声学特性技术指标，这是对的，但和语言清晰度没有直观、紧密关系。客观出现：

a)语言清晰度仅仅有定性要求，无定量指标。

定量指标中只有混响时间和五项扩声特性指标要求，和语言清晰度完全脱节。语言清晰度和建声混响、电声扬声器系统之间关系比较模糊。

b)五项扩声特性指标达标观众席也未必听清楚；并且往往建声存在问题，一旦建声出现问题，就变成语言清晰度根本无法解决的情况（涉及土建工程和内装饰建声重做）。建声不达标，语言清晰度是否通过电声补偿，如何补偿，来保证清晰度，这方面一无所知。

（3）为达到五项技术指标，设计者往往舍本逐末

a)为达到最大声压级，设计者往往追求高灵敏度、大功率、数量多的扬声器，这是其一。

b)为达到宽频带，设计者往往增加较多超低频扬声器，这是其二。

c)为达到声场均匀度，扬声器布放越多越均匀，这是本该和标准没有必然联系的，但由于缺乏语言清晰度的设计理念，为了达到五项扩声特性指标，必然诱导其在这方面下大功夫。其后果是扬声器数量越多，尤其在长混响条件下，语言清晰度更差，这是人们始料未及的。

当然，规范的制定者也在力求解决这一问题，也认识到列入影响音质和清晰度的因素，只是时机未成熟，未规定定量的指标。当时规范的电声特性指标，“是必要的，但不够充分。”

据知，2008年关于《体育场馆的扩声声学特性指标》已经申请报批，其中就包含同语言清晰度有定量关系的语言传递指数STI的要求。电子三所主编的会议规范也包含定量语言清晰度的STI要求。

3.体育场不考虑屋顶挑台下观众席建声混响，未按封闭空间进行声学设计也是一个认识误区。

1991年德国斯图加特奈卡足球场扩建（容纳观众70630人，有顶座位18028个，无顶座位17579个，另有站台可容35018个观众），由于弯曲的看台屋顶，运动场在空场和满场时的混响时间分别达到4.7s和2.5s，这是完工后实测结果。因为安装了380个RH/SR4型扬声器，均匀度极好，小于2dB。讲解的语言清晰度也由此受到相应影响。因此听众席不能当作露天来考虑。

因为计算机仿真设计，是依据封闭空间ALcons%理念编程进行的，所以体育

场露天部分必须采用一个或n个面进行封闭，封闭区吸声系数α=1。

上海八万人体育场于1997年建成，无建声设计，又不宜采用集中布置。四周看台高70米，“声音传播及其复杂，在任何一个位置都可听到来自四周和屋面的反射回来的延迟时间达1-2s，300米直径圆形看台，形成多种声聚焦。采用JBL52组中高音，32组超低音（亦进行计算机计算机仿真设计，未封闭，无语言清晰度STI技术指标）。技术指标达到体育馆一级，“在观众席较多的赛事中，扩声语言清晰度良好，放送音乐的音质良好。”

2001年广州九运会，8万人体育场无建声设计，采用EV86只X-ARRAY扬声器系统。因为预先进行分散布放现场试验，出现莫明其妙的混淆不清（梳状滤波器干扰），语言不清晰，后改为两组扬声器阵列，悬挂在主席台两侧，采用大量DSP数字音频处理器，使用多点调试技术，用了3个多月时间调试，在空场观众席就能达到语言清晰，技术指标达到体育馆一级。

综上简述，追根求源，是语言清晰度设计理念早就发展了，我们的认识跟不上；数字技术扬声器系统发展了，而未与设计理念相结合。当然国内亦有个别设计院设计者，采用语言清晰度理念进行场馆设计，国内亦制定有GB4939-85《厅堂扩声特性测量方法》中有“汉语清晰度测量方法—打圈法”，GB/T14476-93《客观评价厅堂语言清晰度的“RASTI”法》出台。

直到2008年奥运会场馆技术处周云峰和中科院沈山豪教授参照国际标准提出体育场馆语言清晰度STI>0.5（主要场馆最大声压级107dB，平时95dB；一般场馆最大声压级103dB，平时90dB）和一级声学特性指标的要求。使体育场馆设计上达到比较圆满完善的程度。

二、体育场馆扩声系统的语言清晰度的设计

如何进行体育场馆语言清晰度设计，就我们对辅音清晰度损失率百分比ALcons%理念的应用实践谈一下我们的认识。

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ALcons%，是设计、预测厅堂场馆语言清晰度的理论依据。

体育场馆声学设计，其实质是语言清晰度设计，是体育场馆电声和建声设计的核心。体育场馆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。

体育场馆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。本文主要阐述体育场馆辅音清晰度的设计理念，建声设计、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），以及为达到体育场馆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. 辅音清晰度的设计理念

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 ，比辅音如b 、p 、m 、f 等能量高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。

M V Q N

T D AL CONS ????=26022200% ②

%ln 1845.09482.0CO NS AL STI ?-=

③ 式中，STI 是语言传输指数，可评价体育场馆的语言清晰度；ALcons%是辅音清晰度损失率百分比；D 2是扬声器至最远观众席距离；T 60是体育场馆建筑声学混响时间；Q 是扬声器的指向性因子；N 是扬声器数量；V 是体育场馆容积；M 是临界距离修正系数，一般取1，从公式②、③可以得出：

真正实用于建声和电声设计的是公式②。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。由公式②、③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%，体育场馆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T 60越小越好；电声的设计理念是：在扬声器至观众席距离D 2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T 60（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（比如采用线阵列扬声器系统）。既使在长混响条件下，仍可保证体育场馆语言清晰度，就是最好的例子。

2.体育场馆建声设计

有效混响时间设计理念是前苏联人阿·纳·卡切洛维奇在上世纪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场馆的实践中证明了它是先进的设计理念。尤其是适合大空间容积，使用扩声系统的设计理念，我们在此进行推荐。

图2 有效混响时间示意图

如图2所示，T3即体育场馆的赛宾混响时间，Tэ为体育场馆的有效混响时间。

Tэ=T1+T2

式中，T1是几何声学概念，为0.15s；T2同赛宾理念一样，是统计物理学概念。

对语言清晰度理论的研究表明：

采用有效混响时间的设计，混响曲线初始下降部分?L越大，语言清晰度越高。

体育场馆建声设计根据有效混响时间理念，我们认为应该是全吸声、强吸声、

处处吸声。

关键要害是顶棚的吸声，因为顶棚强吸声相当于没有顶棚一样，不仅混响一下大为降低，而且混响曲线的双折线、早/后期声能比高，有益于提高建声语言清晰度，而且在扬声器马道以下侧墙基本上是前三次反射声，应该予以强吸声。

对于自然采光的体育馆，尤为注意在满足采光条件下，顶棚必须加大进行强吸声处理。

法国巴黎圣丹尼斯法兰西足球场，可容纳8万人，是举办1998年法国足球世界杯赛事的主场地，具有顶篷结构。顶篷进行了建声设计，顶蓬的底部的材料是由泥土、多孔金属和石棉构成。直达声比例高，没有明显的来自顶蓬和空坐位的反射声的干扰。采用了2种计算机模拟设计软件，利用EASE来进行模拟分析，并使用了有虚拟声场系统的CAD ACOUSTICS。采用了高Q值的扬声器，总计安装188只NEXO/ALPHA音箱，分成36个阵列，均匀地吊挂于重达13000吨的顶蓬下面。每个阵列是由五个音箱组成一串，两个低音和三个中高音间隔排列。

人民大会堂万人大会堂，V=93000立方米，1999年改造前T60=2.8秒，仍然由中科院声学所进行设计。观众厅的侧墙和顶棚绝大部分表面均为高透过率的金属穿孔板后覆吸声材料，外观基本不变，观众厅混响时间大为降低。主席台的侧墙和后墙采用大面积金属穿孔板后覆吸声材料的做法，降低混响时间，观众厅T60=1.59-1.64秒，主席台T60=1.55-1.63秒。

南开大学体育馆，根据体育馆容积V=90000立方米，依照JGJ/T131-2000《体育馆声学设计及测量规程》南开大学体育馆属于大于80000立方米容积，混响时间应在1.5~1.9秒（满场500—1000HZ）。声学是由中国建筑设计院进行设计，顶棚采用大面积棋盘式吸声结构其上铺设离心玻璃棉；球节点金属网架以下四周侧墙全部采用金属厚板微穿孔敷设，离墙体50mm，比赛场地为木质，篮球比赛用地板，主席台全部软椅，观众席及活动坐席为硬板塑料椅，玻璃幕墙其上悬挂窗帘，经估侧混响时间T60＜2秒，满足设计要求。使用扩声系统，空场就达到语言清晰。

3.体育场馆电声设计

体育场馆的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②辅音清晰度损失率百分比理念，按照体育场馆语言清晰度要求STI （换算成ALcons%），在体育场馆建声T 60一定，扬声器数量N 尽量少（在保证覆盖体育场馆观众席的基础上）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②直接算出。比如，若要求体育场馆语言清晰度STI ≥0.45（即ALcons%≤15%），其Q 值的大小可按下式计算：

V N

T D Q ????=1520026022

④ 总之，依据清晰度的要求，在建声V 、T 60一定，电声D 2、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 一定的情况下，可以选取自己需要的品牌。需要注意的是，T 60如取指标允许的上限值，Q 值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，因为DI=10lgQ ，所以用DI 亦可算出Q 值。另外，也可通过下式计算

)2sin 2(sin sin 1801β

α

?=-

Q ⑤

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）真正准确的是计算机仿真设计数据库中的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，因为它们对清晰度影响最大。

一般体育场馆的语言扩声系统，在声源扬声器的Q 值满足要求，数量N 最少，经计算机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，重要的体育场馆，则采用性价比高的线阵列扬声器比较稳妥。

4.仿真模型计算机辅助设计

（1）仿真模型软件的作用，实际上就是依据公式②和公式③，利用计算机编程，对体育场馆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，模型结构建造得也比较准确，仿真模型对体育场馆的语言清晰度设计是具有很重要的参考价值的。借助仿真模型的帮助，在图纸设计阶段，就能预测体育场馆语言清晰度的优劣。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）模型应尽量建造得细致、准确。模型细致、准确的程度对仿真模型的意义主要表现在对体育场馆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，就可以根据体育场馆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，就只能作一般的布放而已。

（4）扬声器悬吊的要点在于，一般选在马道位置上，否则扬声器的声场将受到影响。

（5）对于体育场馆建声，一般应取国家标准JGJ/T 131-2000中相应性质场馆相应体积所对应的，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，仍能保证体育场馆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体育场馆模型结构4D图、立体图等，应能使人对体育场馆结构体形、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图、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。

淄博体育场整个体育场的建筑面积约为70920平方米左右，四周看台共设44100个座席，固定座席40000人，临时座席4100人。方案设计时，利用EASE4.1设计软件，对体育场进行封闭空间作图处理，混响时间按T60=4秒模拟，线阵列集中悬挂扩声，使其满足语言清晰度指标。采用34只PROSO/FL-2扬声器分为6组，每组8-10只，覆盖观众席区域；10只PROSO/FL-2扬声器为1组，覆盖比赛场地区域；16只PROSO/M1.0扬声器作为挑台下补声使用；4只PROSO/FL-12扬声器作为主席台返送使用。扩声系统安装调试后经“山东省电子产品监督检验所”检测，各项指标如下：

5.为达到体育场馆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

五项技术指标的设计，是保证体育场馆语言清晰度的必要条件，其实质也是语言清晰度设计。

5.1 最大声压级

首先，要明确是在重放而不是扩声的情况下的测量。第二，只要距扬声器最远观众席的直达声压级符合要求即可。第三，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L M。以峰值因数（1.8~2.2）限制的额定通带粉红噪声为信号源，声压级的平均值

其最大峰值声压级为RMS （有效值）声压级的长期平均值L RMS ，加上20倍的，以10为底峰值因数的对数，即：

dB 62.2~8.1lg 20+≈+=L L L RMS RMS M ）（ ⑥

另外，必须考虑功放至扬声器之间线路损耗：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的为好。

（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，可根据体育场馆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，从而保证体育场馆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

声场不均匀度是体育场馆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，体育场馆的声场均匀度达标便不成问题。在语言信号传输中高通滤波器去除1000Hz以下的频率成分，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设计中使用数字音频处理器DSP，其信噪比超过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。

三、结束语

根据辅音清晰度损失率百分比理念，我们曾在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等数个体育场馆工程中进行设计实践。都取得很好的效果，都得到了用户的认可和赞许。

总之，体育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体育场馆的语言清晰度。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体育场馆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，体育场馆语言清晰度设计理念同样适用于体育场馆的声学技术改造。对那些语言清晰度不达标的体育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。

参考文献：

1 沈山豪．扩声技术．中国科技出版社

2 [德国]阿诺特．扩声技术原理及其应用．王季卿，赵其昌译

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

4王季卿．上海八万人体育场扩声系统声学设计．电声技术．1998．7

5张飞碧．流动演出扩声系统——周华健世界巡回演唱会（上海）扩声系统．电声技术．2000．10

6陈健俊．法兰西体育场世界杯音响系统．电声技术．1999．10