文｜中國通廣電子公司 王 強(qiáng) 陳建利 田寶國

廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計，其目的是為觀眾席提供足夠大的聲壓級和足夠高的語言清晰度。

荷蘭聲學(xué)家Peutz歷經(jīng)十年，于1971年研究出的輔音清晰度損失率百分比，是設(shè)計、預(yù)測廳堂語言清晰度的理論依據(jù)。

廳堂聲學(xué)設(shè)計，其實質(zhì)是廳堂語言清晰度設(shè)計，是廳堂電聲和建聲設(shè)計的核心。廳堂五項聲學(xué)技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計和多種功能應(yīng)用是圍繞保證語言清晰度的設(shè)計基礎(chǔ)的設(shè)備選取和優(yōu)化。

廳堂聲學(xué)設(shè)計的具體內(nèi)容，是由一個設(shè)計理念和四個設(shè)計，以及其他一些輔助設(shè)計組成的。本文主要闡述廳堂輔音清晰度的設(shè)計理念、廳堂建聲設(shè)計、廳堂電聲設(shè)計、仿真模型計算機(jī)輔助設(shè)計（即在設(shè)計階段檢驗廳堂聲學(xué)設(shè)計的語言清晰度和最大聲壓級的設(shè)計），以及為達(dá)到廳堂五項聲學(xué)特性指標(biāo)所進(jìn)行的設(shè)計和對擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化和選取。

1 廳堂語言清晰度的設(shè)計理念

廳堂聲學(xué)設(shè)計理念，從技術(shù)發(fā)展來看，大致分兩類：一是臨界距離的設(shè)計，二是輔音清晰度損失率的設(shè)計。

1.1 臨界距離Dc

臨界距離Dc一般定義為揚聲器輻射的聲場中，平均直達(dá)聲能密度與平均混響聲能密度相等的點至聲源中心的距離。

式中，Q是揚聲器的指向性因子，R是房間常數(shù)。

臨界距離與直達(dá)聲場、混響聲場的關(guān)系如圖1所示。一般情況下，當(dāng)廳堂的長度L≤3.16Dc時，其語言清晰度被認(rèn)為是可接受的。

圖1 臨界距離與直達(dá)聲場、混響聲場的關(guān)系圖

1.2 實用的Dc公式

一個在實踐中比較實用的Dc公式如下：

式中，Q是揚聲器的指向性因子，V是廳堂體積，N是揚聲器數(shù)量，T60是廳堂建聲混響時間。

往往Dc越大，語言清晰度越高，因此在長混響的條件下，普遍采用直達(dá)聲能低于混響聲能6dB的方式為好。但是，從Dc公式中是看不出Dc和語言清晰度有何關(guān)聯(lián)的。

1.3 輔音清晰度損失率百分比理論

輔音清晰度損失率百分比理論是荷蘭聲學(xué)家Peutz于1971年在美國聲學(xué)雜志上發(fā)表的，其概念是人們講話發(fā)聲的母音，如a、i、u、e、o，比輔音b、p、m、f等輔音的能量高6dB左右（即4倍），而輔音是比較短促的聲音，一般是20ms左右，母音則為90ms左右，所以，往往會出現(xiàn)因輔音聽不清楚而影響語言清晰度的情況。輔音損失率越小，清晰度越高。為進(jìn)行測量、設(shè)計，總結(jié)出以下兩條公式：

式中，STI是語言傳輸指數(shù)，可評價廳堂的語言清晰度；ALCONS%是輔音清晰度損失率百分比；D2是揚聲器至最遠(yuǎn)觀眾席距離；T60是廳堂建筑聲學(xué)混響時間；Q是揚聲器的指向性因子；N是揚聲器數(shù)量；V是廳堂體積；M是臨界距離修正系數(shù)，一般取1。

公式③是清晰度和輔音清晰度損失率百分比的換算公式，用于測量。真正實用于建聲和電聲設(shè)計的是公式④。由公式③、公式④可知：

（1）語言清晰度STI越高，ALCONS%越小。一般取STI=0.45，即ALCONS%=15%為語言清晰度的臨界值；若ALCONS%＞15%，廳堂語言清晰度將難以保證。2008年北京奧運會場館，要求STI≥0.5，即ALCONS%≤11%，是較清晰的語言清晰度。

（2）從輔音清晰度公式ALCONS%來看，ALCONS%是由建聲、電聲兩個專業(yè)進(jìn)行設(shè)計的。建聲的設(shè)計理念是：在V不變的情況下，建筑聲學(xué)T60

2越小越好；電聲的設(shè)計理念是：在揚聲器至觀眾席距離D2不變的情況下，揚聲器數(shù)量N越少，揚聲器Q越高，ALCONS%越小，語言清晰度STI越高。

因此，電聲和建聲可綜合互補(bǔ)設(shè)計。例如，在長混響時間T60（3～5s甚至更高）的環(huán)境條件下，可采用高Q值的揚聲器并減少揚聲器的數(shù)量N進(jìn)行補(bǔ)償。采用線陣列揚聲器系統(tǒng)，既使在長混響條件下，仍可保證廳堂語言清晰度，就是最好的例子。

1.4 臨界距離Dc和輔音清晰度ALCONS%的公式

德國人W·阿諾特給出了一個臨界距離Dc和輔音清晰度ALCONS%的公式：

從該公式中可以明確看出，在建聲T60一定的情況下，臨界距離Dc越大，ALCONS%越小，語言清晰度越高。

但是，與公式⑤相比，通過公式④能夠更清晰地看出電聲和建聲與清晰度之間的關(guān)系。實際上公式⑤是公式②和公式④聯(lián)合解方程得出的結(jié)果。

縱觀廳堂聲學(xué)設(shè)計的幾個理念，我們認(rèn)為輔音清晰度損失率百分比公式，即公式④是比較理想的。美國聲學(xué)專家唐·戴維斯贊稱說，這一公式每日每時在工程中得到應(yīng)用和檢驗其理論之精確。我們在廳堂工程中的應(yīng)用，也驗證了它的正確性和可靠性。與其他設(shè)計理念的公式相比，它明顯地展示出清晰度和電聲、建聲之間的關(guān)系，更直觀，更易于從建聲和電聲兩個專業(yè)進(jìn)行設(shè)計。

2 廳堂語言清晰度的建聲設(shè)計

2.1 賽賓混響時間設(shè)計

（1）賽賓混響時間設(shè)計是人聲、自然聲、樂器聲為主要聲源的廳堂建聲設(shè)計理論。從公式④可直接看出ALCONS%和T60成正比的關(guān)系，混響時間的長、短影響ALCONS%大、小，即語言清晰度的劣、優(yōu)。

（2）在混響時間的設(shè)計中，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，混響時間有一個允許范圍，如圖2所示。

我們在對建聲提出要求時或自行設(shè)計時，可要求得苛刻一些，盡量取允許范圍內(nèi)的下限值。

進(jìn)行電聲設(shè)計時，混響時間可選取允許范圍的上限值，這樣的設(shè)計能使我們在語言清晰度設(shè)計中更主動?；祉憰r間短，清晰度很好；混響時間在允許范圍的上限，清晰度指標(biāo)仍在可接受的范圍之內(nèi)。

圖2 不同容積的廳堂在頻率為500～1000Hz時滿場的合適混響時間范圍圖

2.2 有效混響時間設(shè)計理念

有效混響時間設(shè)計理念是前蘇聯(lián)人阿·納·卡切洛維奇在20世紀(jì)50年代提出的，經(jīng)歷50～100個電影院系統(tǒng)的實踐，證明是成功的理念。我們也曾在國內(nèi)多個廳堂的實踐中證明了它是先進(jìn)的設(shè)計理念。

有效混響時間設(shè)計是使用電聲系統(tǒng)的廳堂中的建聲設(shè)計。在短混響時間條件下，保證語言清晰度沒有問題?？v然在長混響時間條件下，仍然可以保證語言清晰度，而且可以滿足廳堂的豐滿度。

如圖3所示，T3即廳堂的賽賓混響時間，Tэ為廳堂的有效混響時間。

式中，T1是幾何聲學(xué)概念，為0.15s；T2同賽賓混響時間一樣，是統(tǒng)計物理學(xué)概念。

對語言清晰度理論的研究表明：

（1）在使用擴(kuò)聲系統(tǒng)的廳堂中，賽賓混響時間對語音清晰度無任何貢獻(xiàn)。

（2）采用有效混響時間的設(shè)計，混響曲線初始下降部分ΔL越大，語言清晰度越高。

圖3 有效混響時間示意圖

圖4 賽賓混響時間和有效混響時間的對比圖

如圖4所示，賽賓混響時間設(shè)計和有效混響時間設(shè)計是針對兩種不同聲源的兩個設(shè)計概念，有著本質(zhì)上的區(qū)別，設(shè)計效果也大相徑庭。有效混響時間設(shè)計的特點一是不改變?nèi)魏谓ㄖY(jié)構(gòu)，二是不要求任何體形，僅僅從吸聲材料胡布放和對多次反射聲的處理上著手，但其效果與賽賓混響時間設(shè)計相比有天壤之別。所以我們推薦大家在建聲設(shè)計時，應(yīng)用有效混響時間設(shè)計理念。有效混響時間設(shè)計某種程度上可以對電聲設(shè)計進(jìn)行補(bǔ)償，它的出現(xiàn)使得廳堂聲學(xué)設(shè)計更加自由。

3 廳堂語言清晰度的電聲設(shè)計

廳堂語言清晰度電聲設(shè)計，關(guān)鍵是揚聲器系統(tǒng)類別的選取和數(shù)量的確定，實質(zhì)上就是選揚聲器，這點尤為重要。國內(nèi)外名牌揚聲器眾多，設(shè)計者應(yīng)依據(jù)公式④輔音清晰度損失率百分比理念，按照廳堂語言清晰度要求STI（換算成ALCONS%），在廳堂建聲T60一定，揚聲器數(shù)量N盡量少（在保證覆蓋廳堂觀眾席的基礎(chǔ)上）的條件下，求出所需的揚聲器指向性因數(shù)Q。

（1）揚聲器指向性因數(shù)Q值的大小可用公式④直接算出。比如，若要求廳堂語言清晰度STI≥0.45（即ALCONS%≤15%），其Q值的大小可按下式計算：

總之，依據(jù)清晰度的要求，在建聲、T60一定，電聲D2、N一定時，可求出揚聲器系統(tǒng)的Q值。

在揚聲器數(shù)量N和指向性因數(shù)Q已定的情況下，可以選取自己需要的品牌。需要注意的是，T60如取指標(biāo)允許的上限值，Q值就一定要留有充分的余地，取得比較高一些為好。

（2）揚聲器指向性因數(shù)Q值的大小，可從產(chǎn)品說明書中選取。但是，多數(shù)產(chǎn)品的說明書往往不標(biāo)注Q值，既使標(biāo)有，也是某一頻段的平均值。在這種情況下，可以借助產(chǎn)品說明書中標(biāo)注的DI指向性指數(shù)算出Q值（因為DI=lnQ）。另外，也可通過下式計算：

式中，α是揚聲器的水平指向性角度，β是揚聲器的垂直指向性角度。

但是，這種計算值往往不準(zhǔn)確，僅供估算而已。

（3）真正準(zhǔn)確的是EASE4.1數(shù)據(jù)庫中的Q值頻響變化曲線。它是廠家的實驗室測試數(shù)據(jù)，是搭建仿真模型的依據(jù)，因此應(yīng)該是很準(zhǔn)確的。我們關(guān)心的是500Hz、1000Hz、2000Hz的指向性因數(shù)Q值，因為它們對清晰度的影響最大。

一般廳堂的會議語言擴(kuò)聲系統(tǒng)，在聲源揚聲器的Q值滿足要求，數(shù)量N最少，經(jīng)EASE4.1仿真設(shè)計或計算出來的ALCONS%值較小的情況下，就可采用；而容積大、混響時間長的，重要的會議大廳，則采用性價比高的線陣列揚聲器比較穩(wěn)妥。

4 計算機(jī)仿真模型設(shè)計

（1）仿真模型軟件的作用，實際上就是依據(jù)公式③和公式④，利用計算機(jī)編程，對廳堂內(nèi)的電聲和建聲綜合造成的語言清晰度和最大聲壓級進(jìn)行實時分析。

因為依據(jù)理念是正確的，模型結(jié)構(gòu)建造也比較準(zhǔn)確，仿真模型對廳堂的語言清晰度設(shè)計是具有重要的參考價值的。借助仿真模型的幫助，在圖紙設(shè)計階段，就能預(yù)測廳堂語言清晰度的優(yōu)劣，為進(jìn)一步完善、改進(jìn)建聲和電聲設(shè)計方案提供充分的依據(jù)。尤其是在長混響環(huán)境下，有純粹理論計算等無法預(yù)料其影響的梳狀濾波干擾出現(xiàn)的時候，仿真模型就更是確定、完善方案，預(yù)測其語言清晰度的關(guān)鍵、必要的一步。

（2）模型應(yīng)盡量建造的細(xì)致、準(zhǔn)確。模型細(xì)致、準(zhǔn)確程度對仿真模型的意義主要表現(xiàn)在對廳堂空間容積和建聲混響時間T60的準(zhǔn)確度的影響上。

（3）如果已知建聲設(shè)計，就可以根據(jù)廳堂空間容積內(nèi)各立面不同的面積，將吸聲材料布放得比較合理。如只知道要求的混響時間，只能作一般的布放而已。

（4）揚聲器懸吊的要點在于，一定要在馬道位置上，否則揚聲器的聲場將受到影響。

（5）對于廳堂建聲，一般應(yīng)取國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50356中相應(yīng)體積所對應(yīng)的，混響時間的上限，甚至可以在此基礎(chǔ)上留有一定的余量。

原則上，在設(shè)計階段，應(yīng)對建聲取較惡劣的條件，長一些混響時間T60；電聲采用Q值較高，N較少的揚聲器系統(tǒng)。這樣的設(shè)計留有充分的余地。建聲做得好，混響時間T60短，清晰度自然能夠符合要求；即使建聲未達(dá)標(biāo)或者超標(biāo)，因為有電聲的補(bǔ)償，仍能保證廳堂語言清晰度在可接受的范圍內(nèi)。

（6）仿真模型設(shè)計，應(yīng)該具有：

①T60混響時間曲線，能明確顯示容積的大小及500Hz、1kHz混響時間值的曲線圖。

②廳堂模型結(jié)構(gòu)前視圖、俯視圖、側(cè)視圖、立體圖等，應(yīng)能使人對廳堂結(jié)構(gòu)體形、揚聲器布置一目了然。

③語言清晰度曲線，應(yīng)具有500Hz、1kHz、2kHz的STI、ALCONS%圖。

④最大聲壓級曲線，應(yīng)具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz 的曲線圖。

⑤通過計算機(jī)仿真模型設(shè)計得出的，語言清晰度、最大聲壓級、聲場均勻度等技術(shù)指標(biāo)的驗證結(jié)論。

5 廳堂五項技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計及其多種功能的實現(xiàn)

五項技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計，是保證廳堂語言清晰度的必要條件，其實質(zhì)也是語言清晰度的設(shè)計。

5.1 最大聲壓級

首先，要明確是在重放而不是擴(kuò)聲情況下的測量。其次，只要距揚聲器最遠(yuǎn)觀眾席的直達(dá)聲壓級符合要求即可。再次，寬頻帶粉紅噪聲的峰值因數(shù)一般取6dB?！稄d堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50371-2006）將最大聲壓級定義為最大峰值聲壓級的平均值。以峰值因數(shù)（1.8～2.2）限制的額定通帶粉紅噪聲為信號源，其最大峰值聲壓級為RMS（有效值）聲壓級的長期平均值，加上20倍的，以10為底峰值因數(shù)的對數(shù)，即：

另外，必須考慮功放至揚聲器之間的線路損耗：盡量選取傳輸電阻小，電流容量大的電纜；使功放功率大于揚聲器功率（計入線路電纜損耗）。這樣不僅能保證觀眾席的最大聲壓級，而且可以保障瞬態(tài)音質(zhì)。

5.2 傳輸頻率特性

（1）應(yīng)盡量選取頻率響應(yīng)特性曲線平坦的傳聲器、揚聲器組，尤其是揚聲器組，以選取恒指向性頻率響應(yīng)為好。

（2）擴(kuò)聲系統(tǒng)電氣系統(tǒng)特性指標(biāo)應(yīng)符合要求。

（3）擴(kuò)聲系統(tǒng)中，每一支主揚聲器之前都有一組數(shù)字音頻處理器DSP與之對應(yīng)，其中應(yīng)具有音量、分頻、壓限、均衡、參數(shù)均衡、延時、位相等功能模塊可供使用，以便調(diào)整揚聲器覆蓋的觀眾席聲場，保證其頻率響應(yīng)達(dá)到要求。

5.3 傳聲增益

保證擴(kuò)聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證語言清晰度的前提：

（1）傳聲器可選用指向性可變傳聲器，可根據(jù)廳堂、報告廳內(nèi)的具體情況使用不同的指向方式。

（2）利用自動混音臺8入/1出或串聯(lián)使用的功能，保證無論有多少路輸入，始終只有一路輸出給調(diào)音臺。此外，混音臺應(yīng)具有NOM功能，即當(dāng)有人插話，發(fā)言人數(shù)增加時，其輸出電平按10lgNOM衰減，從而保證廳堂、報告廳觀眾席聲壓級基本不變。

（3）選配具有數(shù)量可選取的多抑制點的自動反饋抑制器AFS，如2入/2出的DFR-22EQ等，可抑制任何惡劣建聲造成的反饋嘯叫，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。建議將AFS插入調(diào)音臺編組使用，這樣既可抑制嘯叫，又不影響重放音樂音質(zhì)。

（4）為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每路功放都要有C/L（壓/限）功能，能夠進(jìn)行信號過載保護(hù)。

5.4 聲場不均勻度

聲場不均勻度是廳堂、報告廳觀眾席各點在頻率為1KHz、4KHz時的聲壓級變化。它基本上是對揚聲器系統(tǒng)對觀眾席的覆蓋是否合理的反映，實質(zhì)上也是對觀眾席語言清晰度的反映。如果觀眾席傳輸頻率特性達(dá)標(biāo)，廳堂、報告廳的聲場均勻度達(dá)標(biāo)便不成問題。語言信號在傳輸中被高通濾波器去除1kHz以下的頻率成分之后，語言清晰度仍為93.8%，這是應(yīng)該明確的。

5.5 系統(tǒng)總噪聲級

（1）設(shè)計中使用帶降噪聲均衡器或數(shù)字音頻處理器DSP，其動態(tài)范圍超過100dB。擴(kuò)聲系統(tǒng)不可能出現(xiàn)噪聲。

（2）如果地線連接正確，擴(kuò)聲系統(tǒng)是不會產(chǎn)生噪聲的。

6 結(jié)束語

封閉空間的輔音清晰度損失率百分比的設(shè)計理念不僅適用于使用擴(kuò)聲系統(tǒng)的廳堂、劇場、電影院，而且也適用于使用擴(kuò)聲系統(tǒng)的體育場館的設(shè)計。我們曾在北京六十五中禮堂、中國五礦禮堂、昌平禮堂、外經(jīng)貿(mào)大學(xué)千人圖書館禮堂、北京語言大學(xué)逸夫樓多功能廳、棗莊會展禮堂、長春國際會議中心、京都信苑飯店多功能廳，以及2008年北京奧運會英東游泳館、壘球場、國家訓(xùn)練基地，乃至湖南省十運會一場兩館、第十二屆全運會淄博體育場、天津南開大學(xué)體育館、天津大學(xué)體育館等幾十個廳堂場館工程中使用輔音清晰度理念進(jìn)行設(shè)計。這些工程的擴(kuò)聲系統(tǒng)都有很好的效果，都得到了用戶的認(rèn)可和贊許。

總之，廳堂場館的聲學(xué)設(shè)計盡管存在著多種理念，但各種理念的目標(biāo)都是保證廳堂的語言清晰度。我們應(yīng)該以保證語言清晰度為核心，依據(jù)輔音清晰度損失率百分比的設(shè)計理念進(jìn)行設(shè)計：正確認(rèn)識和實施建聲和電聲綜合互補(bǔ)的語言清晰度設(shè)計，運用計算機(jī)仿真模型模擬和檢驗語言清晰度的設(shè)計，利用五項指標(biāo)來保證廳堂語言清晰度設(shè)計的成功（并保證相應(yīng)的多種功能應(yīng)用的實現(xiàn)）——這樣的設(shè)計才能立于不敗之地。

另外，廳堂語言清晰度設(shè)計理念同樣適用于廳堂場館的聲學(xué)技術(shù)改造。對那些語言清晰度不達(dá)標(biāo)的廳堂場館進(jìn)行電聲補(bǔ)償設(shè)計改造，可以獲得令人滿意的效果和清晰度指標(biāo)，是個經(jīng)濟(jì)實用、事半功倍、值得推行的設(shè)計理念。

1 沈壕.擴(kuò)聲技術(shù).中國科技出版社

2 王季卿.建筑廳堂音質(zhì)設(shè)計.天津科學(xué)出版社

3 [德國]阿諾特.擴(kuò)聲技術(shù)原理及其應(yīng)用.王季卿，趙其昌

4 [前蘇聯(lián)]阿.納.卡切洛維奇，耶.耶.霍穆托夫.電影院聲學(xué)與建筑學(xué).陳繹勤.中國電影出版社