大型體育場館擴聲系統設計及建模分析

耿守浩， 王洪瑞， 王 昊

（1.山東大學 基建處，山東 青島 266237；2.山東大學 后勤管理處，山東 威海 264209）

體育館是集體育比賽、賽前訓練、大型會議、文藝演出等多功能于一體的大型體育建筑。有效降低聲音的混響時間、避免產生回聲、聲聚焦等音質缺陷，是大型體育場館擴聲系統設計和施工過程中需要探索研究的問題。在保證語言清晰度、聲壓級和聲場均勻度等指標滿足正常語言和音樂擴聲效果的情況下，擴聲系統還需和大屏、廣播等系統等之間建立靈活的信號交互，增強系統可擴展性。

1 工程概況

某綜合體育館由比賽大廳、游泳館、熱身館及輔助用房等組成，為獨立基礎、鋼結構張弦桁架屋架、鋼筋混凝土框架結構。比賽大廳平面呈矩形，長約100 m、寬約70 m、體積26萬m3；觀眾坐席0.8萬個，環繞式布置；比賽場地布置活動座椅時長約72 m、寬約40 m。除游泳館外，綜合體育館其余部分具備承辦國內高級別運動會常規比賽和單項比賽的能力，可以承接全國性乙級體育比賽。

體育館比賽大廳主擴聲系統的擴聲特性指標可分為三級，觀眾席擴聲系統的擴聲特性指標如參考體育館主擴聲系統擴聲特性指標，則比賽場地擴聲系統的擴聲特性指標可與觀眾席同級或降低一級[1]。

結合綜合體育館相關使用功能和技術參數要求，觀眾席擴聲系統應滿足一級指標要求，比賽大廳擴聲系統設計指標滿足二級指標要求[1]。

2 體育館聲學設計

聲學設計包括建聲和電聲兩個部分[2]。前者是基礎，后者為條件，相輔相成，互相彌補，缺一不可。

2.1 聲學設計

整個體育館中最大的界面是屋面，其吸聲性能和隔聲性能對混響時間控制有至關重要的影響，因此整個屋面結構應由吸聲層和隔聲層組成。屋面最下層采用孔徑＞5 mm、穿孔率＞20%的穿孔鋁板，后貼一層無紡吸聲布；內置50 mm 厚離心玻璃棉板，玻璃棉板后面有＞100 mm 的空氣層。在體育館上空整個網架上懸吊空間吸聲體，布置投影面積≮60%，見表1。

表1 吸聲體的吸聲系數要求

另外，觀眾席座椅后方的墻面采用吸音棉板等構造進行強吸聲處理。體育館比賽大廳在通風和空調運行、廳內無人使用時，其噪聲評價曲線NR≤40[3]；在中頻（500～1 000 Hz）時，比賽大廳的滿場混響時間T60≤2.0 s[4]。

2.2 擴聲系統設計

2.2.1 觀眾席

根據建筑物的功能、布局、空間高度及體積等參數，建筑內擴聲系統可分為集中式和分散式擴聲[5]。整個比賽大廳空間巨大，是JGJ 31—2003《體育建筑設計規范》混響時間標準中規定最大體積16 萬m3的1.6 倍多，在控制混響時間方面難度很大。鑒于分散式放置的揚聲器與觀眾距離較近，能夠實現較高的直達聲音與混響聲音的聲能比，在混響時間較長的情況下也能獲得較高的語言清晰度并且不容易產生回聲問題，因此采用分散式擴聲方案。

結合建筑參數等指標進行比賽大廳觀眾席擴聲系統配置及方案設計。擴聲系統中揚聲器按照分散式擴聲方式放置馬道上。在體育館東西兩側觀眾席上方分別懸吊4 組大動態雙8 寸線陣列全頻揚聲器，每組8只共64只全頻揚聲器；在南北兩側觀眾席看臺上方分別懸吊2 組大動態雙8 寸線陣列全頻揚聲器，每組6只共24只全頻揚聲器，以實現全覆蓋觀眾席的要求；同時，每組配套1只單18寸線陣列低頻揚聲器，用于拓展低頻頻率下限，總共12只低頻揚聲器。主席臺區域配置2只大動態單12寸全頻揚聲器，采用支架進行流動安裝，為主席臺區域的觀眾提供更加優異的近距離直達聲覆蓋，提升擴聲效果。

2.2.2 比賽場地

采用分散式擴聲布置方案。在觀眾席看臺上方的馬道上每側各懸吊4組大動態單15寸全頻揚聲器，每組1 只共4 只全頻揚聲器，以實現整體比賽場地的完全覆蓋要求。

2.3 模型建立

為驗證觀眾席和比賽場地擴聲方案的可行性，通過聲場分析軟件EASE 對體育館進行三維建模，模擬分析擴聲系統設計的聲學特性指標及音響效果。

擴聲系統聲學特性計算機輔助設計的準確與否，很大程度上取決于所輸入的建筑物的內部建筑形體的準確度[6]。根據比賽大廳內部體型及尺寸參數，建立內部建筑形體模型，見圖1。

圖1 比賽大廳模型

結合建聲設計的各項參數指標，模擬分析比賽大廳觀眾席擴聲系統的聲場聲壓等級及不均勻度、快速語言傳輸指數及輔音損失率。見圖2-圖4。

圖2 聲壓級及不均勻度

圖3 快速語言傳輸指數

圖4 輔音清晰度損失率

2.4 模擬結果

體育館觀眾席模擬結果中最小聲壓級為108.2 dB，比賽大廳場地最小聲壓級為100.94 dB。觀眾席擴聲達到一級指標要求，比賽場地擴聲達到二級指標要求[1]。

體育館觀眾席和比賽大廳場地擴聲效果均達到清晰以上，能夠滿足實際的語言清晰度要求。見表2和表3。

表2 聲場不均勻度

表3 輔音損失率和快速語言傳遞指數

3 擴聲信號傳輸、控制及處理設計

3.1 信號傳輸交換

在主席臺區域設置2 套綜合信號接口箱，內置話筒、網絡及揚聲器等接口，滿足主席臺信號接駁需求。一層場地入口區域設置6套嵌墻安裝的場地綜合接口箱，內置4 個輸入、2 個輸出音頻接口，滿足場地臨時信號輸入輸出需求。

所有音頻及接口信號接入到跳線盤內，可根據實際需要跳接至后級設備，保證整個擴聲系統的靈活性。體育館內大屏視頻、安保及消防廣播控制室、升旗及轉播等系統控制室，均布設了雙向模擬線纜至擴聲控制室，實現雙向的信號共享播放擴聲，保證場館整體系統的資源共享及信號匹配。見圖5。

圖5 體育館擴聲系統框架

3.2 信號控制及處理設計

體育館擴聲控制室內設置1 臺32 通道數字型調音臺設備，實現所有音頻信號的接入、前級控制、信號處理及分配輸出等控制功能。調音臺內置USB 錄播接口，可便捷的播放及錄制所需音頻信號；具備觸摸控制屏幕及電動馬達推子，實現便捷控制操作；具備模式調用、PAD 控制模式及擴展插槽，便于系統控制操作及日后拓展。另外設置1臺網絡數字音頻處理器作為音頻信號處理設備，實現擴聲系統均衡、延時等參數調整功能。網絡數字音頻處理器具備16 路平衡輸入接口及16路平衡輸出接口，滿足信號接入及分配輸出需求；內置DSP 處理功能網絡數字音頻處理器，可根據需求在任意通道上實現高效的信號處理功能。

3.3 功率放大器系統

根據體育館內揚聲器的阻抗、功率、數量等參數合理配置功率放大器設備。考慮傳輸線損及功率冗余的情況，功率放大器設備輸出功率按照揚聲器總額定功率的2倍及以上進行配比；同時具備熱保護、甚高頻保護、交直流保護等多種保護電路，保證系統的穩定性及安全性。

4 音源及監聽設計

體育館主席臺區域配置8 套鵝頸會議話筒，滿足主席臺固定拾音需求。比賽大廳配置6套無線手持話筒、4 套無線頭戴話筒，配合1 套遠程天線接收和分配系統，實現無線話筒信號遠程傳輸、接收功能，滿足體育館比賽大廳所有區域流動拾音需求。

體育館擴聲系統控制室內配置1對有源監聽音箱及1副監聽耳機，實現擴聲系統信號的監聽需求；配置1套音源播放設備，包含筆記本電腦及外置聲卡，滿足音源信號播放、錄音需求。

5 結語

結合高校大型體育館的實際情況，從體育館建筑的建聲和電聲兩個方面闡述了大型體育館聲學系統設計實施方案。對比體育館擴聲設計規范要求，模擬分析場館內揚聲器分散式安裝方案中體育館觀眾席和比賽大廳場地的語言清晰度、聲場分布等特性指標，模擬結果滿足體育館擴聲系統規范要求，擴聲效果達到清晰以上，有效驗證了體育館擴聲系統實施方案的可行性。