江陰西城鋼鐵多功能大會堂的聲學設計分析

丁 雷， 劉 寶，楊月飛

(1.江陰職業技術學院，江蘇 江陰 214405; 2. 江陰崇德電子有限公司，江蘇 江陰 214412)

江陰西城鋼鐵多功能大會堂的聲學設計分析

丁 雷1， 劉 寶2，楊月飛2

(1.江陰職業技術學院，江蘇 江陰 214405; 2. 江陰崇德電子有限公司，江蘇 江陰 214412)

介紹了江陰西城鋼鐵多功能大會堂擴聲工程的建聲和電聲設計，說明了設計的方法與思路，對系統方案的選擇、聲學測試等過程進行了詳細論述，并對結果進行了分析。聲學仿真結果表明，該公司多功能大會堂的聲學設計在混響時間、語言清晰度、聲場不均勻度等方面都達到了良好的廳堂音質水平。

多功能廳；聲學設計;建聲；電聲；聲學測試

江陰西城鋼鐵有限公司是江陰市重點企業，該公司于2012年新建了一座多功能大會堂，可舉行各類大中型會議，并可開展各類報告演講、文藝演出、大型晚會等活動。

該會堂為單層鋼筋混凝土框架結構,東西長65m,南北寬45m，人字形屋頂，最高處13.5m。主廳長度53m，寬度36m，面積近2000m2，吊頂高度9.2m。觀眾席共有35排，分為前后兩區，前區共16排，前后總起坡為0.76m，分4層，平均起坡0.19m，后區觀眾席共19排，前后總起坡1m，分5層，平均起坡為0.2m。每排有47個座位，座椅左右距離0.6m，前后距離0.9m,擁有固定座位1645席，如圖1所示。

圖1 西城大會堂平面圖

1 設計要求

該大會堂功能是以會議為主，兼顧文藝演出，因此對聲學系統的設計首先要確保擴聲的語言均勻度和清晰度，其次需滿足演出時音樂豐滿度。其聲學設計依據GB/T 50371-2006中多用途類擴聲系統聲學特性指標，要求達多用途類一級傳輸頻率特性，具體要求參見表1。

表1 西城大會堂擴聲系統聲學特性指標

2 建聲設計

2.1設計依據

大會堂的聲學設計包括建聲和電聲兩個方面。首先要做好建筑聲學的設計，使其混響時間合理，聲音擴散性好，無聲聚焦、陰影區，可聞振動噪聲等缺陷。其中混響時間是音質評價的最重要指標，根據GB/T 50371-2006中的要求，中頻500～1000Hz滿場時, 混響時間應處于圖2所示適合范圍內[1]。

圖2 大會堂中頻混響時間

大會堂的基礎和墻面為鋼筋混凝土結構，觀眾廳的容積達12980m3，人均容積7.8m3，設計中頻混響時間T60=1.2±0.1(s)，依據伊林-努特生公式

式中K是與聲速有關的參數，這里取0.161，S是室內總表面積，V是室內容積，ā是室內表面吸聲系數，混凝土為0.02，4m是空氣吸收系數，這里取0.03，可算出廳內T60=4.15s，實測為3.9s，顯然不符合設計標準，各頻段實測混響時間如表2所示。

表2 西城大會堂未處理前各頻段混響時間

從上述分析可看出如不做建聲處理，大會堂是不能直接使用的，其人均容積超過了標準中5m3/座的上限，須經建筑聲學的設計與裝修，進行聲擴散與聲吸收的處理。經計算，整個大會堂所需吸聲量約為1580m2。

2.2建聲處理

2.2.1 觀眾廳處理

觀眾廳為大會堂主要區域，面積很大且層高較高，混響半徑短，聲學混響時間長，直達聲很難清晰到達聽眾耳朵，因此要進行吸聲及聲擴散處理，以提高語言的清晰度。

大會堂地面為環氧樹脂，吸聲量不大，建筑吸聲處理主要在頂棚與四周墻壁上。運用不同穿孔率與空腔的共振吸聲結構體作為調節各頻段吸聲量的主要措施, 空腔內填多孔的棉氈或玻璃棉以擴展吸聲頻段及增大吸聲系數。大會堂屋頂呈扇形，平面正放四角椎網架，現澆鋼筋混凝土屋面板，能滿足建筑保溫與聲學隔音等使用要求。在觀眾廳的上方采用鋁合金面板吊頂，主龍骨吊桿間距為1.3m，主龍骨間距0.95m，下掛900mm寬針孔掛勾式鋁合金板，板表面開針孔，孔徑Φ=3.3mm，孔中心矩7.8mm，穿孔率27.8%，板后貼阻燃玻璃纖維吸音無紡布，140g /m2，降噪系數NRC≥0.8，對低頻有很強的共振吸聲效果，對中高頻具有一定的反射作用，如圖3所示。

圖3 西城大會堂立面圖

大會堂墻面吸聲采用了中密度木質吸聲穿孔板，穿孔板自身并無太大吸聲作用，但其后部留有空腔時，木孔板與空氣層就會形成共振吸聲體，其吸聲特性與木板穿孔率、空腔的深度及板后填充材料的吸聲系數有關[2]。

經過選擇與測試，大會堂兩側墻面吸聲板厚度為25mm，條寬18mm,槽寬4 mm，面槽中心距20mm，吸聲板后貼黑色玻纖氈，填充容重為24kg/m3，厚度50mm玻璃棉，吸聲板墻后留空腔150mm。觀眾席后方墻面吸聲板厚15mm，空腔50mm，和側墻有所區別，主要防止吸聲頻率集中單一而過量吸收。吸聲板穿孔率選擇為15%，可以防止室內音頻高頻段吸聲過大而導致混響時間偏短。具體結構如圖4所示。大會堂窗戶上掛專用吸聲窗簾，起到裝飾、遮光、吸聲的作用。

圖4 木質穿孔吸音板構造

座椅的吸聲量約占觀眾廳內總吸聲量的一半，對廳內聲學指標影響重大。對座椅坐墊材料的厚度、椅罩的流阻、距離流阻，坐墊背板的吸聲性能、靠墊背板高出靠墊部分的反聲性能等都需進行選擇與測試。在該處選用軟包定型海綿橋式排椅，座墊厚50mm,流阻r=13kPa·s/m，椅罩流阻r=1.3kPa·s/m，座椅下部采用穿孔膠合板覆蓋，背部貼30mm吸音棉(r= 9kPa·s/m)，設計時要使空場時座椅的吸聲量與滿場時觀眾的吸聲量基本相同。

2.2.2 舞臺處理

大會堂舞臺為鏡框式，臺口寬度14.5m，進深12.3m，臺高0.8m，如圖1所示。因該大會堂要經常舉行各類文藝匯演，所以對舞臺的聲學處理非常重要。舞臺聲場主要由直達聲、早期反射聲與延時反射聲構成，演員的主觀感覺與這三部分能量構成有關，尤其是直達聲與早期反射聲的聲壓級和延時會直接影響演員的表演。而延時反射聲分為來自舞臺內的高階次反射聲與從觀眾廳反射回的聲能，對其處理一方面要避免對演員的干擾，二是要有助于發揮聲音的藝術表現力，起到美化的作用。

因此大會堂舞臺聲學處理應考慮兩點：一是保證合適的舞臺聲支持與返聽延時要求；二是設計與觀眾廳相匹配的混響時間及頻率特性。舞臺區音質以清晰為主, 以滿足語言清晰度的要求，同時可減輕擴聲系統抑制回聲反饋的壓力。

臺口天花與側墻設計成面向觀眾廳的擴展型，側墻外貼弧形聚酯纖維吸聲板，由下到上逐漸增大傾斜角度，可為大會堂前廳提供更多的早期側向反射聲以改善音質。臺內墻面采用木質槽孔吸聲板，板后連續變化的空腔可擴展有效吸聲頻率范圍。舞臺吊頂采用輕鋼龍骨結構，距離屋面2.5m，可方便安裝風管及其他設施，框架上固定安裝吸聲板，減少風機的擴散噪聲，并吸收舞臺上的多余混響聲，以提高吸音效率[3]。

經過合理的建聲處理后，大會堂的混響時間大幅下降，再配以合適的電聲系統，完全可達設計要求，觀眾廳各位置都能清楚聽到舞臺聲，確保了語言的可懂度與清晰度。

3 電聲設計

3.1系統定型

在做電聲系統設計前先要確定大會堂的擴聲方式。如采用分散擴聲，揚聲器距離觀眾近，直達聲能比例高，可采用聲壓級較小的揚聲器系統。但分散擴聲屬于點聲源，輻射聲波近似球狀波，在垂直與水平方向上擴展，距離增加一倍，聲強變為原來的1/4，聲壓級衰減6dB。而集中擴聲可采用吊裝線陣的方法，在臨界距離內，線陣輻射的聲波近似柱狀，僅在水平方向擴展，因此距離增加一倍，聲強變為原來的1/2，聲壓級衰減3dB。而且線陣指向性強，可彌補遠場聲壓級衰減過多的問題，使得室內聲場分布均勻，并有效降低大會堂內混響時間，提高整個擴聲系統的傳聲增益[4]。大會堂線陣吊裝示意圖如圖5所示。

圖5 西城大會堂線陣吊裝示意圖

3.2設備選擇

該大會堂的電聲系統選用了LAX(銳豐)品牌。主擴聲線陣兩組選用16只LAX AT312，該線陣采用外置三分頻設計，方便分頻點的選擇(在此工程中根據粉紅噪聲頻率測試選擇在195Hz和1.85KHz)，中頻靈敏度為104dB，最大聲壓級可達133dB。該線陣揚聲器單元為非軸對稱結構，中低頻單元距離近，不會產生因波程差導致相位差而出現的干涉波，音質失真小。低音單元選用了LAX AT218B，采用4寸音圈內外繞雙層銅音圈結構，18寸大功率輸出低音驅動器，低頻最低下潛至30Hz，吊裝在線陣最下端。

大會堂臺口寬度達14.2m，為使坐在前排中間的觀眾保持聲像定位一致，在此安裝了2只臺唇揚聲器，選用LAX TH812兩分頻單12寸全頻音箱，該揚聲器結構緊湊，輸出聲壓大，最大聲壓級可達126dB。

舞臺返聽揚聲器對演員演出很重要，因為返聽的聲壓一定要大于主擴聲反射回舞臺的聲壓，要讓演員對自己的音色有真實監聽，增強臨場感。返聽揚聲器功率設為主揚聲器功率的15%，選用LAX CK12兩分頻同軸12寸全頻音箱，采用小波分析技術，聲場相位控制精確，最大聲壓級可達123dB，完全可滿足舞臺返聽需求。

與線陣配合使用的數字音頻處理器選用LAX DSP4000,對揚聲器單元的頻率特性進行補償，每個輸入輸出通道設有電平控制、高低頻濾波器，參數均衡器、可實現靜音與實時延遲等，能控制和調整多束聲波以覆蓋不同的觀眾區。最后將信號送入各自對應的通道進行功率放大，推動揚聲器單元發聲，擴聲系統連接如圖6所示[5]。

圖6 西城大會堂擴聲系統連接圖

4 聲學測試

工程后期，參照GB/T 4959 -2011《廳堂擴聲特性測量方法》相關的標準，對大會堂擴聲系統的各項聲學指標進行了測試，測試都是在空場情況下進行的。測試設備配置包括無指向傳聲器、揚聲器、B&K4220聲學測試儀、十二面體點無指向聲源、聲級計、電腦及DIRAC建筑聲學測試軟件等，激勵信號源采用正弦掃頻信號[6]。

4.1混響時間

按照測試要求，將無指向性聲源置于舞臺中間，距地面1.5m，傳聲器距觀眾席地面1.2m，在距聲源4.0m以外選取24個測試點,前后半場各12個，每點各測3組數據取其平均值，混響時間實測曲線如圖7所示。從測試結果可看出，大會堂混響時間特性曲線中高頻平直光滑,低頻適度提升,中頻500Hz及1000Hz混響時間達到預期設計值1.2±0.1(s)的要求。

圖7 大會堂混響曲線

4.2最大聲壓級

采用電輸入窄帶噪聲法，將1/3倍頻程粉紅噪聲信號輸入調音臺線路輸入口，在觀眾廳內選取24個點，點位與混響測試點相同，結果如表3所示。

表3 最大聲壓級測量數據

表3的測試結果表明，額定通頻帶內聲壓級均大于103dB，125～6300Hz頻段的最大聲壓級為109.3dB，符合設計時最大聲壓級大于或等于103dB的要求。

4.3聲場不均勻度

采用窄帶噪聲電輸入測試法，12面體無指向性聲源放在臺口的中心線上，發出穩態粉紅噪聲，在觀眾廳內每隔3米進行測試，每排測2個點，共計30個點， 測試結果如表4所示。

表4 聲場不均勻度測量數據

表4的測試結果表明，1kHz大聲壓級差小于6dB，為5.0dB，而4 kHz最大聲壓級差小于8 dB，為6.3 dB，優于設計要求。

4.4傳聲增益

采用聲輸入法，在不使用聲反饋抑制器的情況下進行，點位同最大聲壓級測試點，測量結果如表5所示。

表5 傳聲增益測量數據

表5的測試結果表明，125～6300Hz的傳聲增益平均值為-5.0dB，大于設計要求的-8dB。

4.5傳輸頻率特性

表6 傳輸頻率特性測量數據

采用聲輸入法，測試點位與聲場不均勻度的測試點相同，結果如表6所示。

從表6的測試結果可以看出，以125～630Hz平均特性聲壓級為0dB計算，傳輸頻率特性偏差-1.6 dB～+3.0dB，達到表1的設計要求。

4.6系統總噪聲級

在無有用聲信號輸入情況下，將擴聲系統增益調至最大，在揚聲器前聽不見系統噪聲，測量其噪聲頻譜，與擴聲系統關閉時測得的噪聲頻譜基本相同，系統背景噪聲為NR30，說明擴聲系統本底噪聲很低，應在NR20以下。

5 結束語

經過多方測試，結果表明，該大會堂的聲學設計與構建比較成功。該大會堂采用集中擴聲方式，聲音清晰度高，聽感自然，聲像一致。由于使用了線陣，前后排觀眾區的聲壓級與均勻度都達到了國家相關標準。

該大禮堂的聲學系統在滿足會議要求的標準上也可以滿足文藝演出的需要，這樣合二為一的做法較傳統的演出和會議擴聲分別配置的做法，大大提高了設備使用率，節省了投資。2012年12月，西城鋼鐵客戶年會在新落成的大會堂隆重召開，并舉辦了盛大的文藝晚會，由著名央視主持人柴璐、水均益主持，并邀請了毛阿敏、騰格爾等明星，主持人、演員和觀眾均對該大會堂的環境和音響效果給與了充分認可。該大會堂現已作為西城鋼鐵主要的會議與活動場所，本次聲頻工程設計與構建非常成功，達到了預期的使用要求。

[1] 中華人民共和國建設部. GB/T 50356-2005劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范[S].北京：中華人民共和國建設部，2005.

[2] 杜功煥.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001:90-110.

[3] 樂意，趙其昌. 大型廳堂的建筑聲學設計方法研究[J].南京大學學報，2011，47(2):208-217.

[4] 孟憲功.寧夏人民會堂擴聲系統升級改造[J].寧夏工程技術，2008，7(3)：267-271.

[5] 丁雷.華西龍希國際大酒店宴會廳聲學設計[J].電聲技術，2012，36(8)：12-17.

[6] 中國國家標準化管理委員會. GB/T4959 -2011廳堂擴聲特性測量方法[S].北京：中國標準出版社，2012.

(責任編輯：張凱兵)

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，江蘇高郵人，江陰職業技術學院電子信息工程系講師。

劉 寶(1986- )，男，江蘇睢寧人，江陰崇德電子有限公司助理工程師。

楊月飛(1981- )，男，江蘇高郵人，江陰崇德電子有限公司助理工程師。