大型体育场馆扩声系统设计及建模分析

耿守浩， 王洪瑞， 王 昊

（1.山东大学 基建处，山东 青岛 266237；2.山东大学 后勤管理处，山东 威海 264209）

体育馆是集体育比赛、赛前训练、大型会议、文艺演出等多功能于一体的大型体育建筑。有效降低声音的混响时间、避免产生回声、声聚焦等音质缺陷，是大型体育场馆扩声系统设计和施工过程中需要探索研究的问题。在保证语言清晰度、声压级和声场均匀度等指标满足正常语言和音乐扩声效果的情况下，扩声系统还需和大屏、广播等系统等之间建立灵活的信号交互，增强系统可扩展性。

1 工程概况

某综合体育馆由比赛大厅、游泳馆、热身馆及辅助用房等组成，为独立基础、钢结构张弦桁架屋架、钢筋混凝土框架结构。比赛大厅平面呈矩形，长约100 m、宽约70 m、体积26万m3；观众坐席0.8万个，环绕式布置；比赛场地布置活动座椅时长约72 m、宽约40 m。除游泳馆外，综合体育馆其余部分具备承办国内高级别运动会常规比赛和单项比赛的能力，可以承接全国性乙级体育比赛。

体育馆比赛大厅主扩声系统的扩声特性指标可分为三级，观众席扩声系统的扩声特性指标如参考体育馆主扩声系统扩声特性指标，则比赛场地扩声系统的扩声特性指标可与观众席同级或降低一级[1]。

结合综合体育馆相关使用功能和技术参数要求，观众席扩声系统应满足一级指标要求，比赛大厅扩声系统设计指标满足二级指标要求[1]。

2 体育馆声学设计

声学设计包括建声和电声两个部分[2]。前者是基础，后者为条件，相辅相成，互相弥补，缺一不可。

2.1 声学设计

整个体育馆中最大的界面是屋面，其吸声性能和隔声性能对混响时间控制有至关重要的影响，因此整个屋面结构应由吸声层和隔声层组成。屋面最下层采用孔径＞5 mm、穿孔率＞20%的穿孔铝板，后贴一层无纺吸声布；内置50 mm 厚离心玻璃棉板，玻璃棉板后面有＞100 mm 的空气层。在体育馆上空整个网架上悬吊空间吸声体，布置投影面积≮60%，见表1。

表1 吸声体的吸声系数要求

另外，观众席座椅后方的墙面采用吸音棉板等构造进行强吸声处理。体育馆比赛大厅在通风和空调运行、厅内无人使用时，其噪声评价曲线NR≤40[3]；在中频（500～1 000 Hz）时，比赛大厅的满场混响时间T60≤2.0 s[4]。

2.2 扩声系统设计

2.2.1 观众席

根据建筑物的功能、布局、空间高度及体积等参数，建筑内扩声系统可分为集中式和分散式扩声[5]。整个比赛大厅空间巨大，是JGJ 31—2003《体育建筑设计规范》混响时间标准中规定最大体积16 万m3的1.6 倍多，在控制混响时间方面难度很大。鉴于分散式放置的扬声器与观众距离较近，能够实现较高的直达声音与混响声音的声能比，在混响时间较长的情况下也能获得较高的语言清晰度并且不容易产生回声问题，因此采用分散式扩声方案。

结合建筑参数等指标进行比赛大厅观众席扩声系统配置及方案设计。扩声系统中扬声器按照分散式扩声方式放置马道上。在体育馆东西两侧观众席上方分别悬吊4 组大动态双8 寸线阵列全频扬声器，每组8只共64只全频扬声器；在南北两侧观众席看台上方分别悬吊2 组大动态双8 寸线阵列全频扬声器，每组6只共24只全频扬声器，以实现全覆盖观众席的要求；同时，每组配套1只单18寸线阵列低频扬声器，用于拓展低频频率下限，总共12只低频扬声器。主席台区域配置2只大动态单12寸全频扬声器，采用支架进行流动安装，为主席台区域的观众提供更加优异的近距离直达声覆盖，提升扩声效果。

2.2.2 比赛场地

采用分散式扩声布置方案。在观众席看台上方的马道上每侧各悬吊4组大动态单15寸全频扬声器，每组1 只共4 只全频扬声器，以实现整体比赛场地的完全覆盖要求。

2.3 模型建立

为验证观众席和比赛场地扩声方案的可行性，通过声场分析软件EASE 对体育馆进行三维建模，模拟分析扩声系统设计的声学特性指标及音响效果。

扩声系统声学特性计算机辅助设计的准确与否，很大程度上取决于所输入的建筑物的内部建筑形体的准确度[6]。根据比赛大厅内部体型及尺寸参数，建立内部建筑形体模型，见图1。

图1 比赛大厅模型

结合建声设计的各项参数指标，模拟分析比赛大厅观众席扩声系统的声场声压等级及不均匀度、快速语言传输指数及辅音损失率。见图2-图4。

图2 声压级及不均匀度

图3 快速语言传输指数

图4 辅音清晰度损失率

2.4 模拟结果

体育馆观众席模拟结果中最小声压级为108.2 dB，比赛大厅场地最小声压级为100.94 dB。观众席扩声达到一级指标要求，比赛场地扩声达到二级指标要求[1]。

体育馆观众席和比赛大厅场地扩声效果均达到清晰以上，能够满足实际的语言清晰度要求。见表2和表3。

表2 声场不均匀度

表3 辅音损失率和快速语言传递指数

3 扩声信号传输、控制及处理设计

3.1 信号传输交换

在主席台区域设置2 套综合信号接口箱，内置话筒、网络及扬声器等接口，满足主席台信号接驳需求。一层场地入口区域设置6套嵌墙安装的场地综合接口箱，内置4 个输入、2 个输出音频接口，满足场地临时信号输入输出需求。

所有音频及接口信号接入到跳线盘内，可根据实际需要跳接至后级设备，保证整个扩声系统的灵活性。体育馆内大屏视频、安保及消防广播控制室、升旗及转播等系统控制室，均布设了双向模拟线缆至扩声控制室，实现双向的信号共享播放扩声，保证场馆整体系统的资源共享及信号匹配。见图5。

图5 体育馆扩声系统框架

3.2 信号控制及处理设计

体育馆扩声控制室内设置1 台32 通道数字型调音台设备，实现所有音频信号的接入、前级控制、信号处理及分配输出等控制功能。调音台内置USB 录播接口，可便捷的播放及录制所需音频信号；具备触摸控制屏幕及电动马达推子，实现便捷控制操作；具备模式调用、PAD 控制模式及扩展插槽，便于系统控制操作及日后拓展。另外设置1台网络数字音频处理器作为音频信号处理设备，实现扩声系统均衡、延时等参数调整功能。网络数字音频处理器具备16 路平衡输入接口及16路平衡输出接口，满足信号接入及分配输出需求；内置DSP 处理功能网络数字音频处理器，可根据需求在任意通道上实现高效的信号处理功能。

3.3 功率放大器系统

根据体育馆内扬声器的阻抗、功率、数量等参数合理配置功率放大器设备。考虑传输线损及功率冗余的情况，功率放大器设备输出功率按照扬声器总额定功率的2倍及以上进行配比；同时具备热保护、甚高频保护、交直流保护等多种保护电路，保证系统的稳定性及安全性。

4 音源及监听设计

体育馆主席台区域配置8 套鹅颈会议话筒，满足主席台固定拾音需求。比赛大厅配置6套无线手持话筒、4 套无线头戴话筒，配合1 套远程天线接收和分配系统，实现无线话筒信号远程传输、接收功能，满足体育馆比赛大厅所有区域流动拾音需求。

体育馆扩声系统控制室内配置1对有源监听音箱及1副监听耳机，实现扩声系统信号的监听需求；配置1套音源播放设备，包含笔记本电脑及外置声卡，满足音源信号播放、录音需求。

5 结语

结合高校大型体育馆的实际情况，从体育馆建筑的建声和电声两个方面阐述了大型体育馆声学系统设计实施方案。对比体育馆扩声设计规范要求，模拟分析场馆内扬声器分散式安装方案中体育馆观众席和比赛大厅场地的语言清晰度、声场分布等特性指标，模拟结果满足体育馆扩声系统规范要求，扩声效果达到清晰以上，有效验证了体育馆扩声系统实施方案的可行性。