體育館短線陣列揚聲器系統EASE仿真

摘 要:高校體育館實質上是一種多功能大廳。為滿足其多功能的聲學要求，采用短線陣列揚聲器系統來提升體育館內聲音質量，并采用聲學設計軟件EASE對體育館聲學環境進行建模，調整和預測線陣列揚聲器布置方案，并對設計方案進行聲學特性分析，從而得出最優化電聲系統布置方案，為指導廳堂擴聲工程施工提供相應的技術數據。

關鍵詞:高校體育館; 線陣列; EASE建模; 聲學特性仿真

中圖分類號:TN912.202 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0169-03

EASE Simulation of Short Line Array Speaker System in Gymnasium

ZONG Min， FU Rong， FU Sheng-xue

(Ocean University of China， Qingdao 266100， China)

Abstract:University gymnasium is a multi-functional hall. In order to meet its acoustic requirements of multi-functional， the short line array speaker system was used to improve the sound quality in the gymnasium， and the acoustical design software EASE was used to model， adjust and forecast the line array speaker scheme of arrangement， then the acoustic characte-ristics of the scheme is analysed to get the most optimal scheme which can provide the corresponding technical data for instructing the hall sound reinforcement works.

Keywords:university gymnasium; line array; EASE modeling; acoustical characteristic simulation

隨著體育和文化事業的發展，各地綜合性體育館不斷興建。綜合性體育館除進行體育比賽外，已經擴展到能舉辦文藝演出、會議等多項功能。本文研究對象為高校體育館。高校體育館除滿足一般體育館功能外，還要能開學生大會、進行文藝演出等，實質上屬于一種多功能大廳。其擴聲系統可分為比賽擴聲和舞臺演出擴聲。前者為滿足大型體育比賽的擴聲要求;后者采用短線陣列揚聲器系統，滿足中小型文藝演出、會議等系統的擴聲要求，本文將對此系統進行EASE仿真研究。

1 線陣列揚聲器概述

線陣列是一組排列成直線、間隔緊密的聲輻射單元(單體箱)，并具有相同的振幅和相位[1]。由于線陣列揚聲器具有垂直指向性，可以有效地投射聲音，因此適用于大型、遠距離的擴聲系統。

線陣列揚聲器是基于模擬柱面波輻射波形特性，與傳統音箱聲能輻射基于點聲源類似球面波形特性有很大區別。按照聲學擴散輻射原理，點聲源的聲輻射擴散類似球形波，其波陣面在3個維度傳播，傳輸距離加倍時聲壓級衰減[2]6 dB。線聲源的聲輻射擴散類似柱面波，其波陣面只在2個維度傳播，傳輸距離加倍時聲壓級衰減3 dB，這對工程設計有很強的誘惑力，因為功率增加一倍，聲壓級才增加3 dB。

嚴格說來，只有無限長的線聲源才能產生真正的柱面波，任何一個有限大小的聲源在自由空間的輻射，其波形總是要發散。平直、連續且恒相位的有限長線聲源輻射的聲波經過一段柱面波后，逐漸過渡到球面波。近聲場是指傳輸柱面波的區域，遠聲場則是傳輸球面波的區域，兩者的交越點與聲源距離r有如下關系[3]:

r=L2×f/2×340

式中:L為線陣列長度(即各組件單元的間距總和);f為信號頻率;340 m/s為聲波在空氣中的平均傳播速度。由此可見，增大線陣列長度可擴大近聲場范圍，減少聲壓損失。同時提升信號頻率也會使r值增大，因此高頻信號比低頻信號傳播的更快、更遠。基于這一理論，通常設計成曲面陣列，相對直的部分其聲能集中，滿足遠聲場需求，而一定曲率的部分則適于覆蓋較大角度的近聲場。線陣列通常被設計成直線形、弧線形、J形、漸進式陣列等[4]。考慮到聲源在低頻段為全指向性，頻率越高，指向也越來越尖銳， 當頻率超過2 kHz時，開始呈放射狀，因此線陣列揚聲器的每個單體箱都采用分頻和多單元的設計結構[5]。

線陣列是利用其指向性強的特點將聲波有效地投射到更遠的距離，其指向性與線陣列長度、每個單元之間的最小距離及輻射聲波頻率相關[6]。線陣列的長度與輻射波長之比應大于0.5，易于實現;單元之間的間隔距離與其輻射波長之比應小于0.5，在低頻時易于實現，但對于高頻，波長太短，要使單元間隙足夠緊密，在物理上幾乎是不可能做到的事情[7]。為使低頻、中頻和高頻三個頻段的指向特性能夠平順銜接，各專業公司推出了一些新技術來解決這個問題，包括聲透鏡技術、波形前糾正技術為核心的DOSC波導管等[8]。線陣列揚聲器系統能通過對指向性的控制得到最有效的聲場覆蓋。

2 體育館EASE仿真

本文所研究的中國海洋大學體育館為十一屆全運會比賽場館之一，包含體育館和游泳館及大學生活動中心三部分。體育館建筑等級為乙級，即主要要求為舉辦地區性和全國性單項比賽，場地類型為Ⅱ多功能型，場地尺寸為36 m×54 m。其形體設計為正曲率“貝殼”與負曲率“風帆”構成的曲線輪廓屋頂，整體建筑意向上以海洋元素為主題。該造型為空間網架結構設計，頂棚結構裸露，坐席成階梯式提升，體育館內部空間達到了102 000 m3(每座容積為24 m3/人)，體育館總高度為36.444 m，坐席總數為4 145座。

2.1 體育館EASE建模

根據體育館建筑圖紙所提供的尺寸，用EASE軟件建立體育館的數學模型。圖1為體育館EASE建模3D圖。該模型由534個點、352個面構成，正曲率“貝殼”和負曲率“風帆”的曲線由直線段拼接而成。房間內的各個表面所采用的建筑裝飾材料，已經通過ODEON軟件測試，符合體育館的國家標準。

圖1 體育館EASE建模3D圖

2.2 線陣列選型及布置方案

中國海洋大學體育館揚聲器系統中的比賽擴聲系統是為滿足大型體育比賽的擴聲要求，對各方位觀眾區進行均勻覆蓋。舞臺演出擴聲系統配置高功率線陣列揚聲器，配合超低頻揚聲器(落地式安裝)，滿足中小型演出、會議等系統的擴聲;同時，流動布置4只全頻返送揚聲器于舞臺地面，提供靈活的舞臺監聽可能性;4只監聽揚聲器也可以作為比賽功能時對比賽場地的擴聲或對貴賓主席臺進行擴聲。

考慮到本體育館主要為滿足中小型演出功能擴聲要求，并綜合音箱性價比和體育館投資額度，選用BELL VPS-500T為線陣列揚聲器系統單元音箱，采用4只音箱為一組的短線陣列，共2組，配合BELL VPS-420L低頻揚聲器。BELL VPS-500T主要參數為:功率: 500/1 000 W;頻響:80 Hz~18 kHz;SPL(1 W/1 m):109 dB;幅蓋角度:90×10度;阻抗:8 Ω。

在建模中，選取13個聽音面，如圖3中紅線區域，覆蓋所有觀眾席區，聽音面高度符合人耳實際聽音高度。舞臺演出擴聲系統共有2組線陣列和4只低頻音箱組成，其中線陣列的位置可以選在塔樓兩側上方的馬道上，或活動舞臺口上方的馬道上，或塔樓兩側墻面上，但由于體育館內采用演出模式時，舞臺的位置在體育館塔樓前面，要想向觀眾區傳遞清晰的直達聲，所以最好的位置就是將線陣列音箱布置在塔樓兩側墻面上。結合體育館的實際建筑情況，經過EASE仿真比較[9]，確定了將線陣列懸掛在墻面標高為10 m的地方，縱向角度為向下偏移25°，4只低頻音箱布置于舞臺口兩側地面，如圖2所示。

圖2 揚聲器布置俯視圖

從圖2中可以看出線陣列的覆蓋面積很廣，即直達聲到達的區域比較大，完全符合了演出要求。當體育館內聲壓級只依靠線陣列不能滿足時，還可以啟用館內的其他音箱。

2.3 體育館聲學特性仿真研究

各頻帶直達聲、總聲壓級和C50數值如表1所示。

表1 各頻帶直達聲壓級、總聲壓級和C50

頻率 /Hz1252505001 0002 0004 0008 000

直達聲壓級 /dB97.9998.3597.98100.79102.4899.4494.67

總聲壓級 /dB106.15103.22101.71104.92109.12107.01102.33

C50-3.99-1.041.041.03-1.04-1.63-0.91

其中，直達聲能夠覆蓋的區域包含貴賓席和大部分觀眾席，直達聲壓級比較大，各觀眾區均可聽到清晰的直達聲，效果較好。總聲壓級由直達聲聲壓級和混響聲場聲壓級兩部分構成，將表中各頻帶的總聲壓級疊加，得到體育館內的總聲壓級約為114.2 dB，符合國家標準規定大于105 dB的要求。C50用于度量語言可懂度[10]，表示50 ms前后以dB為單位的能量比，對于有較高混響時間的大型體育館，高于-5 dB即可獲得良好的可懂度。經計算，C50均值為-1.03 dB，語言清晰度和可懂度均為良好。

考慮到體育館要求在語音段要有一個較好的音質，500~2 000 Hz是對聲音清晰度貢獻的主體，而500 Hz是輔音清晰度考慮的最低頻率，低于500 Hz的頻率主要提供識別(物體)，2 000 Hz是輔音清晰度考慮到的最高頻率，高于2 000 Hz的頻率主要添加口語中的“咝咝”聲。所以，以下分析選擇1 000 Hz進行，如圖3，圖4所示。

圖3 輔音清晰度損失率ALC 1 000 Hz

圖4 快速語言傳遞指數RASTI 1 000 Hz

在圖3 ALC百分比值中，依照表2 Alcons百分數參考值，評價能夠達到非常好的區域達57.02%，評價良好的區域占37.7%，其余5.28%為清晰區域，無較差和不可接受區域。

表2Alcons百分數參考值

非常好良好清晰較差不能接受

0%~7%7%~11%11%~15%15%~18%18%~

快速語言傳遞指數RASTI是以輔音發音損失的百分率作為衡量標準，以0~1的比例表達清晰度，1是完美的。在圖4 RASTI百分比值中，依照表3 RASTI參考值，評價非常好的區域占37.46%，其余區域為評價良好。

表3RASTI參考值

非常好良好較差不能接受

0.60~1.000.45~0.600.30~0.450.00~0.30

總體來說，EASE仿真針對線陣列揚聲器的擺位進行設置，制定出一套各項指標良好的系統方案，結果表明，此方案效果較好、準確性高、可行性強，達到了聲學特性預估的目的。

3 結 語

討論了線陣列揚聲器系統的相關理論，并結合中國海洋大學綜合體育館應用短線陣列揚聲器系統的實例，通過EASE軟件對體育館的聲學環境進行仿真，分析比較其重要聲場聲學特性，制定出一套可行性較強的系統方案，從而為施工提供了重要的理論依據和技術指導。

參考文獻

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