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体育场馆扩声系统语言清晰度如何设计

声学知识

ACOUSTIC KNOWLEDGE

 

体育场馆扩声系统语言清晰度如何设计

分类:
声学知识
作者:
思成舞台设计
来源:
2022/06/15
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体育馆扩声设计,要求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。

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、体育馆扩声设计指标方面的方面要求

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

二、目前业内在体育馆扩声设计的误区:

a)其一,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。

b)其二,为达到宽带带,设计者往往增加较多超低频扬声器。

c)其三,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。

《体育场馆的扩声声学特性指标》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。充分表明目前国家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。”

三、体育场馆扩声系统的语言清晰度的设计

体育场馆的语言清晰度的设计,首先要考虑建筑声学的设计,这是基础、首要条件。

对语言清晰度理论的研究表明:

1、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。

2、关键是体育馆顶棚的吸声,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,而且混响曲线的双摺线、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。

3、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;

4、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;

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。

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。

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元音如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,元音则为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。

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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;D2是扬声器至最远观众席距离;T60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;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)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T60越小越好;电声的设计理念是:在扬声器至观众席距离D2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。 

(2)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。

因此,建声是基础,电声和建声可综合互补设计。例如,在长混响时间T60(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。

四、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T60一定,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子Q。

(1)扬声器指向性因子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:

 

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 总之,依据清晰度的要求,在建声、T60一定,电声D2、N一定时,可求出扬声器系统的Q值。 

在扬声器数量N和指向性因子Q一定的情况下,可以选取自己需要的品牌。需要注意的是,T60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)扬声器指向性因子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,可以藉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

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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的指向性因子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。

五、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。藉助仿真模型的帮助,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)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

原则上,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。

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。

(6)仿真模型设计,应该具有:

①最大声压级曲线,应具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz的曲线图;

②语言清晰度曲线,应具有500Hz、1KHz、2kHz的STI图、ALcons%图;

③体育场馆模型结构3D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;

④T60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;

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。

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,宽带带粉红噪声的峰值因子一般取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声压级的平均值。以峰值因子(1.8~2.2)限制的额定通带粉红噪声为信号源,其最大峰值声压级为RMS(有效值)声压级的长期平均值,加上20倍的,以10为底峰值因子的对数,即:

 

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   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如果地线连接正确,扩声系统是不会产生噪声的。

②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。

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