金曉明

（國(guó)防大學(xué)軍事文化學(xué)院，北京 100081）

聲場(chǎng)設(shè)計(jì)是擴(kuò)聲設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。在工程項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，需要對(duì)建筑聲學(xué)環(huán)境進(jìn)行認(rèn)真測(cè)評(píng)研究，在數(shù)據(jù)真實(shí)有效的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地實(shí)施擴(kuò)聲聲場(chǎng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的擴(kuò)聲效果。

某學(xué)院將原籃球館改造為多功能排演場(chǎng)，安裝了移動(dòng)式舞臺(tái)、配套裝置及擴(kuò)聲系統(tǒng)，用于專業(yè)教學(xué)、文藝演出和大型會(huì)議。根據(jù)GB50371-2006《廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和GB/T28049-2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，該場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)聲壓級(jí)要求達(dá)到文藝演出類一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（額定通帶內(nèi)大于等于106 dB）。為達(dá)到擴(kuò)聲要求，需掌握并分析該場(chǎng)館的建聲環(huán)境特性，從而優(yōu)化擴(kuò)聲系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。由于沒有多功能排演場(chǎng)的存檔資料及相關(guān)數(shù)據(jù)，筆者通過實(shí)地測(cè)量結(jié)合理論計(jì)算的方法，完成了擴(kuò)聲方案的設(shè)計(jì)及實(shí)施，并滿足了使用要求。

圖1 多功能排演場(chǎng)平面圖

1 場(chǎng)館基本情況

所有場(chǎng)館數(shù)據(jù)通過實(shí)地勘察測(cè)量而得。

1.1 建筑結(jié)構(gòu)

該場(chǎng)館為矩形封閉空間，長(zhǎng)38 m、寬27 m、高10 m，測(cè)量墻面、地面、吊頂展開面積為3 352 m2。場(chǎng)館平面圖見圖1，場(chǎng)館立面圖見圖2，場(chǎng)館側(cè)面圖見圖3。其中，觀眾區(qū)長(zhǎng)22 m、寬27 m，容積5 940 m3，墻面、地面、吊頂展開面積約為2 170 m2；后區(qū)帶有一個(gè)眺臺(tái)，高2.6 m、深4.5 m。舞臺(tái)臺(tái)口寬16 m、深16 m，分為主舞臺(tái)和兩個(gè)側(cè)舞臺(tái)。

圖2 多功能排演場(chǎng)立面圖

圖3 多功能排演場(chǎng)側(cè)視圖

序號(hào) 材料名稱 面積/㎡1木格柵地板 6 0 0 2礦棉吸聲板 4 5 0 3混凝土油漆 5 5 0 4 一號(hào)穿孔金屬板（安裝于墻面，孔徑6 m m，孔間距1 4 m m，厚度1 m m，后部放置5 0 m m厚4 8 k g/m 3的離心玻璃吸聲棉，棉后空腔6 5 c m） 2 7 0 5 二號(hào)穿孔金屬板（安裝于吊頂，孔徑2 m m，孔間距4 m m，厚度0.6 m m，后部放置5 0 m m厚4 8 k g/m 3的離心玻璃吸聲棉，棉后空腔2 0 0 c m） 1 8 0 6 2 0 7一號(hào)玻璃窗戶（無(wú)窗簾） 5 0 8二號(hào)玻璃窗戶（絨布窗簾） 5 0 9觀眾區(qū)墻面、地面、吊頂總面積（1～8的總和） 2 1 7 0木門

表2 空?qǐng)銎骄曄禂?shù)

1.2 裝飾環(huán)境

場(chǎng)館地面為籃球館專用木格柵地板材質(zhì)，墻面包括混凝土油漆和2種穿孔金屬板材質(zhì)，天花板為礦棉吸聲板材質(zhì)吊頂；此外，場(chǎng)館內(nèi)還有部分木門和玻璃窗戶（部分玻璃窗戶帶絨布窗簾）。每種裝修材料面積見表1。

1.3 其他條件

通過對(duì)該場(chǎng)館進(jìn)行現(xiàn)地實(shí)測(cè)，溫度為19.5℃，濕度為38%。

2 建聲環(huán)境的測(cè)量與分析

由于沒有條件實(shí)測(cè)滿場(chǎng)的混響時(shí)間，因此采用理論計(jì)算、實(shí)際測(cè)算以及修正結(jié)合相結(jié)合的方式獲得滿場(chǎng)混響時(shí)間的估算值?？紤]到該場(chǎng)館位于地下二層，溫濕度變化波動(dòng)不大，故按平均溫度20℃、濕度40%計(jì)算。觀眾區(qū)無(wú)座椅，觀看演出和集會(huì)時(shí)，臨時(shí)使用皮革折疊椅，通常為300人～500人，按平均400人計(jì)算。

2.1 平均吸聲系數(shù)

（1）空?qǐng)銎骄曄禂?shù)

根據(jù)該場(chǎng)館裝修材料和使用面積，查閱吸聲系數(shù)表[3-4]和部分材料檢測(cè)報(bào)告，計(jì)算空?qǐng)銎骄曄禂?shù)ɑ1=(ɑ1-1S1+ɑ1-2S2+…+ɑ1-nSn)/S，結(jié)果見表2。

（2）滿場(chǎng)平均吸聲系數(shù)

按照滿場(chǎng)觀眾人數(shù)平均400人、每人1㎡計(jì)算，查閱吸聲系數(shù)表，計(jì)算滿場(chǎng)平均吸聲系數(shù)ɑ2，結(jié)果見表3。

表3 滿場(chǎng)平均吸聲系數(shù)

表4 空?qǐng)龌祉憰r(shí)間計(jì)算值

表5 空?qǐng)龌祉憰r(shí)間的實(shí)測(cè)值

2.2 空?qǐng)龌祉憰r(shí)間

（1）空?qǐng)龌祉憰r(shí)間理論計(jì)算值

根據(jù)該場(chǎng)館空?qǐng)銎骄曄禂?shù)，按照恒溫20℃、恒濕40%取空氣吸收系數(shù)4m值（2 000 Hz：0.010，4 000 Hz：0.029），容積5 940 m3，分別用賽賓公式、艾潤(rùn)公式、努特森公式計(jì)算空?qǐng)龌祉憰r(shí)間，結(jié)果見表4。

圖4 多功能排演場(chǎng)空?qǐng)龌祉憰r(shí)間測(cè)試點(diǎn)位圖

（2）空?qǐng)龌祉憰r(shí)間實(shí)際測(cè)試值

采用脈沖法測(cè)試混響時(shí)間，共測(cè)試觀眾區(qū)8個(gè)點(diǎn)位（測(cè)試點(diǎn)見圖4），結(jié)果見表5。

（3）誤差及分析

對(duì)比計(jì)算（表4）與實(shí)測(cè)值（表5）可以看出，努特森公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值接近，故以努特森公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，得出空?qǐng)龌祉憰r(shí)間理論值和實(shí)測(cè)值的誤差比值，結(jié)果見表6。

通過表6可以看出，聲波在中高頻率段理論值與實(shí)測(cè)值比較接近，在低頻段誤差較大。經(jīng)分析，導(dǎo)致誤差的主要原因有三個(gè)方面，一是該場(chǎng)館裝修材料吸聲系數(shù)與吸聲系數(shù)表不完全吻合；二是方鋼、多層板結(jié)構(gòu)的組合式移動(dòng)舞臺(tái)的空腔結(jié)構(gòu)對(duì)低頻波吸收較大；三是該場(chǎng)館假梁等位置存在未知空腔結(jié)構(gòu)對(duì)低頻波吸收較大。

表6 空?qǐng)龌祉憰r(shí)間計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的誤差比值

2.3 滿場(chǎng)混響時(shí)間

（1）滿場(chǎng)混響時(shí)間理論計(jì)算值

按照上述方法計(jì)算滿場(chǎng)混響時(shí)間，結(jié)果見表7。

（2）滿場(chǎng)混響時(shí)間估算值校正

由于該場(chǎng)館無(wú)法提供滿場(chǎng)測(cè)試條件，依據(jù)空?qǐng)鰲l件下計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差比值，對(duì)滿場(chǎng)混響時(shí)間的計(jì)算值進(jìn)行修正得到估算值，結(jié)果見表8。

表7 滿場(chǎng)混響時(shí)間計(jì)算值

2.4 建聲環(huán)境的分析

結(jié)合理論計(jì)算、實(shí)際測(cè)算以及修正獲得滿場(chǎng)混響時(shí)間的估算值，該場(chǎng)館在滿場(chǎng)情況下混響時(shí)間過短，聲音顯得較“干”，適用于大型會(huì)議集會(huì)，但不適用于文藝演出活動(dòng)；空?qǐng)銮闆r下混響時(shí)間能夠滿足戲劇類節(jié)目排練需要，但難以達(dá)到音樂類節(jié)目排練的標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]到場(chǎng)館實(shí)際條件限制及其多功能用途，應(yīng)做小規(guī)模的適當(dāng)改造。

3 擴(kuò)聲方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 擴(kuò)聲聲場(chǎng)的分析

該場(chǎng)館新配備的主擴(kuò)揚(yáng)聲器為某品牌12英寸兩路恒定曲率有源線陣列揚(yáng)聲器，具體性能指標(biāo)：頻率范圍（-10 dB）57 Hz～20 kHz，頻率響應(yīng)（±3 dB）75 Hz～20 kHz，覆蓋范圍（水平×垂直）100°×15°，最大聲壓級(jí)136 dB/1 m，功率放大器的峰值功率1 750 W、連續(xù)功率875 W。

（1）揚(yáng)聲器靈敏度

由于該揚(yáng)聲器未標(biāo)注靈敏度，實(shí)測(cè)靈敏度約為100 dB（1 W@1 m）。

（2）揚(yáng)聲器指向性因數(shù)

由于該揚(yáng)聲器未標(biāo)注指向性因數(shù)，按照如下公式估算結(jié)果。

Q=180°/arcsin[sin(100°/2) sin(15°)/2]=31

（3）場(chǎng)館房間常數(shù)

根據(jù)房間常數(shù)公式R=Sɑ/（1-ɑ），該場(chǎng)館房間常數(shù)計(jì)算結(jié)果見表9。

（4）混響半徑

表8 滿場(chǎng)混響時(shí)間的校正值

表10 混響半徑的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，混響半徑rc大于聲源到觀眾區(qū)后區(qū)最遠(yuǎn)距離（觀眾區(qū)場(chǎng)22 m），因此，采用直達(dá)聲即可覆蓋全場(chǎng)。

3.2 揚(yáng)聲器部署方案

根據(jù)聲場(chǎng)環(huán)境及使用需求，擴(kuò)聲方案采用集中供聲方式，將線陣列揚(yáng)聲器分為2組吊裝在舞臺(tái)口前天花板上，每組4只，線陣列長(zhǎng)度1.4 m，距側(cè)墻約6 m，下沿距地面約7 m。在此情況下，揚(yáng)聲器垂直覆蓋角度為60°距觀眾最近處約為6 m（第一排）、最遠(yuǎn)處約為16 m（眺臺(tái)最后排）。雖然在眺臺(tái)下會(huì)形成少量的聲影區(qū)，但考慮到該場(chǎng)館眺臺(tái)下空間狹小，一般不安排觀眾，故不必進(jìn)行補(bǔ)聲處理。揚(yáng)聲器吊裝位置示意圖見圖5。

考慮到在實(shí)際使用時(shí)，信號(hào)有效值功率應(yīng)控制在額定功率的1/8以內(nèi)，即降低9 dB使用，以達(dá)到高保真擴(kuò)聲要求，為留有裕量，按照降低10 dB計(jì)算，則確定實(shí)際播放節(jié)目時(shí)功率為90 W，此時(shí)距離揚(yáng)聲器系統(tǒng)1 m處的直達(dá)聲聲壓級(jí)為L(zhǎng)=100+10lg90=119.54 dB。

根據(jù)上文混響半徑計(jì)算結(jié)果，該場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)以直達(dá)聲場(chǎng)為主，同時(shí)，按照線陣列揚(yáng)聲器每組4只，聲壓級(jí)增加6 dB；距離每增加一倍，聲壓級(jí)降低3 dB計(jì)算場(chǎng)館邊界處聲壓級(jí)（此處為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略線陣列長(zhǎng)度，按照點(diǎn)聲源方式計(jì)算），結(jié)果如下：

最近處聲壓級(jí)Lx1=L+6-10lg6+3=119.54+6-7.78+3=120.76

最遠(yuǎn)處聲壓級(jí)Lx2=L+6-10lg16+3=119.54+6-12.04+3=116.50

（注：公式中+3代表左右聲道兩組揚(yáng)聲器功率加倍，聲壓級(jí)+3 dB）

圖5 多功能排演場(chǎng)揚(yáng)聲器吊裝位置示意圖

表11 聲壓級(jí)實(shí)測(cè)值

4 擴(kuò)聲方案的實(shí)施結(jié)果

擴(kuò)聲系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)方案完成部署后，音箱的吊裝見圖5。通過Smart 8軟件及測(cè)試傳聲器，在空?qǐng)銮闆r下，對(duì)觀眾區(qū)坐席通常劃定區(qū)域的前場(chǎng)、中場(chǎng)、后場(chǎng)的左、中、右三個(gè)位置共9個(gè)點(diǎn)進(jìn)行聲壓級(jí)實(shí)測(cè)，結(jié)果見表11。

從實(shí)測(cè)結(jié)果看，擴(kuò)聲系統(tǒng)實(shí)際聲壓級(jí)與理論值之間存在負(fù)偏差，該偏差系由擴(kuò)聲系統(tǒng)理論模型和實(shí)際情況之間的差異，以及設(shè)備、線路等損耗造成，屬于正常范圍。總體達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足使用需求，并留有充足裕量。

項(xiàng)目整體完成后，對(duì)于不理想或可提升的方面給院方提出了建議。對(duì)于建聲方面，為彌補(bǔ)聲音干癟的缺陷，建議在四周墻壁上加裝吸聲系數(shù)較小的硬質(zhì)反聲板，可以有效改善混響時(shí)間。對(duì)于擴(kuò)聲方面，由于該場(chǎng)館觀眾區(qū)使用活動(dòng)座椅，數(shù)量和位置不固定，在觀眾人數(shù)較多的情況下，前排座位可能會(huì)過于靠近舞臺(tái)臺(tái)口，此時(shí)該區(qū)域觀眾會(huì)感覺聲音是從上方傳來(lái)，出現(xiàn)聲像定位不準(zhǔn)確，主觀視聽感受錯(cuò)位的情況，因此，建議在舞臺(tái)臺(tái)口兩側(cè)部署2只音箱用于拉聲像，以使前排觀眾視聽一致。