烏干達國家體育場觀眾席擴聲系統的改造

梁連兵

（北京第七九七音響股份有限公司，北京 100015）

1 前言

烏干達國家體育場在20世紀90年代中期建成并投入使用，在改造前擴聲設備歷經了10多年的使用和較為嚴酷的自然環境的考驗，部分設備和器材已經老化和損壞。經過現場實際考察發現，設備和器材的損壞除了和常年不斷地頻繁使用有關，還與原系統的配置以及安裝調試不盡合理有著密不可分的關系。從改造項目有限的資金投入和使用方的具體要求綜合考慮，改造不僅要最大程度地保證原有完好設備和器材的利用率，還要顧及現場客觀條件的限制，也就是說，要針對體育場的使用要求和現有器材的功能配置，以及不可能改變的建筑結構和主體安裝設施，進行有條件的改造，這也是本次改造項目設計方案的前提條件。

2 改造設計方案

2.1 改造項目的范圍

此次體育場擴聲系統改造是與電力、燈光、跑道及部分體育設施共同組成的一個整體改造項目，資金投入遠遠不夠更換所有擴聲設備，經過與使用方（烏干達國家體育場）和工程總承包方商定，為了使投入的有限資金達到最佳的效果，決定本次改造范圍只定位在觀眾席擴聲及其相關部分，這也是體育場利用率最高和不可缺少的環節。由于當地體育場除了進行體育表演和比賽以及一些文藝演出活動，還經常舉行宗教宣傳活動和其他群眾集會，甚至近幾屆的總統選舉和候選人演講也是在此進行的，這樣，觀眾席的擴聲改造就顯得尤為重要。

2.2 原系統存在的問題

根據現場實際考察，對原系統的配置、安裝、調試情況作了有針對性的了解和分析，并對原系統的觀眾席等具備測試條件的部分進行了測試，歸納為以下幾個問題。

（1）設備配置和使用不合理造成較多高音揚聲器損壞；原配置中的移頻器丟失，用一臺單路31段均衡器來抑制反饋，這不僅增加了調試的難度，也損失了音質，使傳聲增益下降（改造前實測主席臺傳聲增益平均值為-14.6 dB），現場的擴聲效果不理想。

（2）觀眾席擴聲系統采用分散式設計安裝，24組揚聲器系統均勻分布在看臺觀眾席上方的挑篷下，但揚聲器系統的吊裝方式和結構不夠規范、合理，造成不安全隱患并加速其老化、損壞的過程。

（3）觀眾席的擴聲揚聲器組分為東、南、西、北4個看臺區，其中，西區為主席臺所在區。每個區的高音號筒揚聲器配置過于簡單，沒有針對現場實際結構作更精確的聲場設計，致使觀眾區的聲場不均勻度較差。改造前實測聲場不均度1 kHz最大值為11.4 dB；4 kHz最大值為10.9 dB；個別點甚至超過了15 dB。

2.3 改造方案的構思

（1）原系統中使用的電子分頻器參數與終端器材設置要求有偏差，是造成高音揚聲器大面積損壞的重要原因之一，并且原分頻器分頻參數為固定模塊設置，不易調整也沒有合適的配件更換。為了確保系統改造的安全和穩定，更換分頻器，增強系統的可靠性。由于未知的原因，原系統使用了一臺15段均衡器作為抑制聲反饋之用，這顯然是不恰當的。在新的改造方案中要增加專業的反饋抑制器來有效地解決系統增益較低和現場擴聲時聲反饋抑制不當的問題。

（2）重新設計揚聲器系統吊裝結構，在原有吊裝主框架基礎上改進揚聲器系統的安裝方式，既不能破壞原設計的機械強度，又要使其與新結構合理連接；要達到設備安裝牢固可靠，便于施工安裝，同時，還要保證聲場調整時揚聲器系統能夠靈活方便地在有效輻射范圍內作可變角度的調整、定位。

（3）針對觀眾席各區的不同建筑結構和布局以及對擴聲范圍和要求的差異，重新設計配置不同指向性和靈敏度的號筒揚聲器系統，提高各觀眾區、各測試點的聲場不均勻度指標，使絕大部分觀眾席都能得到滿意的、清晰一致的擴聲效果。

3 觀眾席擴聲系統的改造

綜上所述，觀眾席擴聲系統的改造圍繞著以下幾個方面進行：按照改造設計方案，增加和更換系統設備，提高系統的擴聲性能和器材的安全可靠性；設計更加安全可靠的安裝方式，將新的揚聲器系統與原揚聲器主吊架合理銜接并牢固安裝；更換高音號筒揚聲器，改善聲場的性能指標，提高整個觀眾席的擴聲質量。

3.1 周邊設備的改造

針對本次改造的范圍，周邊設備需要更換4臺電子分頻器和1臺反饋抑制器。

（1）4臺電子分頻器分別為觀眾席的東、南、西、北4個擴聲區域提供兩分頻的高低頻信號。更換后的電子分頻器為DriveRack PX數字處理器，是dbx DriveRack系列的較新型號，其功能非常全面，除了分頻功能還具有反饋抑制、均衡、壓限和低頻諧波合成等功能，之所以選擇DriveRack PX，也是從系統改造設計的前瞻性角度考慮，為今后進一步的系統全面改造提供一個可利用的配置基礎。

原系統中的分頻器采用固定分頻參數模塊設置，高低通的分頻頻率為500 Hz，這對于匹配系統中的15英寸低音揚聲器當然沒有問題，但如果匹配3英寸的高音驅動器就超出了其有效頻率響應的使用下限。再從功放的配置分析高音揚聲器的功率承受問題。高音的功放定阻輸出功率為2×400 W，每一路接一個高音組，而每個高音組由3只100 W高音揚聲器組成，但由于功放后的輸出變壓器和終端降壓變壓器的效率，高音揚聲器只得到了功放輸出的70%左右的功率（不到300 W），即使滿功率輸出，也沒有超過高音揚聲器的額定輸入功率。也就是說，除了非正常操作因素，過低的下限工作頻率是直接導致高音揚聲器大量損壞的最主要原因。加之當地非常流行強節奏大聲壓級的音樂，經常是長時間滿功率甚至超負荷使用，如此高的功率輸出，使得揚聲器損壞嚴重，而高音驅動器更是首當其沖。最后，從3英寸驅動器本身的性能指標和系統其他配置要求綜合考慮，將高低通分頻頻率設定在800 Hz，這樣既提高了高音驅動器的使用安全系數，也發揮出了低音揚聲器的功率余量，使得整個揚聲器系統的可靠性有了明顯的提高。在改造后的設備試運行期間曾多次滿功率操作，系統穩定，效果很好。

（2）為了有效地抑制聲反饋，提高系統傳聲增益，改造方案中增加了一臺dbx的AFS224反饋抑制器。之所以沒有在流動系統和一些特殊的現場擴聲中全部使用DriveRack PX數字處理器中的反饋抑制功能，而是增加一臺AFS224，主要是考慮現場臨時擴聲的便捷性，4臺DriveRack PX主要功能是作為4個看臺觀眾區的均衡、壓限和分頻。AFS224反饋抑制器是具有每路24點可編程濾波器的雙路反饋抑制器，每臺濾波器的寬度可有1/5、1/10、1/20和1/80共4種選擇，精確的濾波器設置可以滿足不同的使用要求。將此反饋抑制器應用在本次改造中，主要是考慮體育場采用的傳聲器布局較分散，不僅主席臺，評論、解說席以及檢錄處等處都配有傳聲器，其中，有些是既不固定傳聲器位置也不固定傳聲器型號的，這就給現場擴聲以及調試工作帶來了極大的不便，而AFS224的使用則解決了此問題，并且在體育場經常舉行的各種不固定形式的現場擴聲中起到了很好的作用，不僅方便了現場調試，也為提高主席臺的傳聲增益做出了貢獻。改造后的主席臺平均傳聲增益為-11.6 dB。測試數據見表1。

表1 主席臺傳聲增益

圖1 東、西看臺區聲場設計示意

3.2 揚聲器系統安裝結構的改造

改造方案采用了新的號筒揚聲器系統和驅動器，更利于安裝方式的全新設計，但由于資金和建筑結構的限制，新設備還是要利用原來的主體吊架，也就是說，全部號筒揚聲器要用新的連接方式安裝在舊的吊架上。

新的安裝方式采用部分可調結構，將需要調整號筒揚聲器輻射角度的連接固定零件設計成0°和5°可調結構，與吊架原水平20°左右的角度相加或相減，這樣既方便了現場安裝，又可配合聲場測試進行調整。同時，加大了緊固螺栓的尺寸規格，使固定安裝更加牢固可靠。

3.3 聲場的改造

主席臺所在區西區挑篷結構和與其相對的東區一致，都是深挑篷，兩區觀眾坐席布局、面積也基本一致；南區和北區的觀眾坐席布局、面積及挑篷結構基本一致，都是淺挑篷。這樣，揚聲器組的配置基本可以分為兩種，即南、北觀眾席一種組合形式，東、西觀眾席一種組合形式。全部24組揚聲器系統均勻分布在4個觀眾區的挑篷上，南、北區各5組，東、西區各7組。

（1）由于東、西看臺區挑篷較深，聲源到觀眾坐席距離較大，因此，每組揚聲器系統除了原有的2只低音箱，高頻部分采用3只大型恒指向號筒揚聲器，分別覆蓋相應看臺區域的上、中、下3部分，見圖1。

從東、西看臺區號筒揚聲器吊掛點到看臺上部、中部、下部的輻射中心點距離分別為16.5 m、15.5 m、22 m。從聲源到看臺上下聽音區域邊緣的夾角為110°左右，采用3只垂直指向為40°的號筒揚聲器即可覆蓋從上至下的擴聲區域，參見圖1a。由于觀眾席看臺從上到下的水平（橫向）寬度基本相同，而從聲源到看臺上、中、下觀眾席的距離有差異，其中，投向觀眾席下方的號筒揚聲器輻射距離達22 m，若要3只號筒揚聲器水平覆蓋的范圍一致，就要求每只號筒揚聲器的指向角度不同，見圖1b。從上面的分析可知，3只號筒揚聲器的垂直指向角度均采用40°即可；而上部和中部號筒揚聲器的輻射距離差異很小（只差1 m），所以，可采用2只相同水平輻射角度的號筒揚聲器即可達到相同的水平覆蓋范圍。負責向觀眾席下部輻射的號筒揚聲器由于輻射距離相對較大，若要與中、上部達到相同的覆蓋范圍，就要采用指向角度較小的號筒揚聲器。每個觀眾擴聲區的平均水平寬度（每兩組揚聲器系統的間隔）為26 m，上部和中部平均輻射距離16 m，輻射角度80°；下部輻射距離22 m，輻射角度62°。據此，選擇最接近此數據的號筒揚聲器為：上、中部采用水平和垂直指向性角度90°× 40°的H9401號筒揚聲器；下部采用水平和垂直指向性角度為60°× 40°的H6401號筒揚聲器，廢棄了原來采用3只同樣的6040號筒揚聲器的配置。經測試和現場試聽，認為聲場不均勻度和語言清晰度較改造前有了明顯改善。

圖2 南、北看臺區聲場設計示意

表2 聲場不均勻度測量

（2）南、北看臺區相對東、西的挑篷深度較小，揚聲器系統吊掛點較低，聲源到觀眾席的輻射中心距離較小，但投向下部觀眾席的號筒揚聲器輻射距離卻比東、西看臺區的還要大，見圖2。有鑒于此，要根據觀眾席的實際情況對揚聲器系統做更精確的調整。

根據觀眾席與挑篷吊掛點的幾何結構對原聲場設計和揚聲器系統配置進行了分析。原設計中投向觀眾席中、上部的2只號筒揚聲器配置較合理，基本上滿足了聲場的需要，但向觀眾席下部投射使用的是60°× 40°指向性角度的號筒揚聲器，與實際聲場需求有較大出入。聲源到下部觀眾席的輻射中心點距離為23 m，而南、北看臺區的揚聲器系統組間隔較小，只有20 m，也就是說擔任看臺下部區域輻射的號筒揚聲器的水平指向角度只需要40°（原設計中使用的號筒揚聲器水平指向角度為60°）左右；另外，由于南、北看臺區的挑篷較淺，揚聲器的吊掛點距看臺下方較遠，下方的號筒揚聲器垂直指向角度很小，約20°左右，參見圖2a。因此，改造方案中將原來60°× 40°的號筒揚聲器改為40°× 20°的號筒揚聲器，這與實際的聲場要求是相符的，也是與改造完工后的測試和使用的良好結果相吻合的。觀眾席聲場不均勻度按照改造前相應測試點數量和位置進行測試，達到了1 kHz最大差值9.1 dB，4 kHz最大差值為8.9 dB。如表2所示，由于改造前揚聲器損壞數量較多，因此，選取測試點數量較少，但已盡可能選取了合理、有代表性的測試點，并在改造前后測試時統一其位置。

4 總結

由于先期對體育場做了詳細深入的現場考察，并與使用方和項目總承包方進行了大量的協商和溝通，使得改造設計方案和器材配置更換得以順利進行；在設計和施工中把握住了問題的關鍵，有針對性地改造了最實用和最關鍵的環節。

觀眾席的主擴聲系統是體育場整個擴聲系統的最重要也是最能體現設計和施工水平的環節，設計者不僅要掌握相關的理論知識，還要在實踐中不斷總結經驗教訓，提高解決問題的能力。在本次體育場擴聲系統的改造過程中，通過對周邊設備的合理配置以及對揚聲器系統性能的正確應用，解決和改善了原系統中的問題，使得系統在現有的條件下發揮出了應有的水平。

烏干達體育場觀眾席擴聲改造項目從設計改造方案到改造完成，經歷了一年多的時間，改造后的總體使用情況良好。

［1］GB/T 4959-1995.廳堂擴聲特性測量方法

［2］JGJ/T 131-2000.體育館聲學設計及測量規程