某學院多功能排演場擴聲方案的設計及實施

金曉明

（國防大學軍事文化學院，北京 100081）

聲場設計是擴聲設計的基礎和前提。在工程項目啟動時，需要對建筑聲學環境進行認真測評研究，在數據真實有效的基礎上，有針對性地實施擴聲聲場設計，以實現高質量的擴聲效果。

某學院將原籃球館改造為多功能排演場，安裝了移動式舞臺、配套裝置及擴聲系統，用于專業教學、文藝演出和大型會議。根據GB50371-2006《廳堂擴聲系統設計規范》[1]和GB/T28049-2011《廳堂、體育場館擴聲系統設計規范》[2]，該場館擴聲系統聲壓級要求達到文藝演出類一級標準（額定通帶內大于等于106 dB）。為達到擴聲要求，需掌握并分析該場館的建聲環境特性，從而優化擴聲系統方案的設計。由于沒有多功能排演場的存檔資料及相關數據，筆者通過實地測量結合理論計算的方法，完成了擴聲方案的設計及實施，并滿足了使用要求。

圖1 多功能排演場平面圖

1 場館基本情況

所有場館數據通過實地勘察測量而得。

1.1 建筑結構

該場館為矩形封閉空間，長38 m、寬27 m、高10 m，測量墻面、地面、吊頂展開面積為3 352 m2。場館平面圖見圖1，場館立面圖見圖2，場館側面圖見圖3。其中，觀眾區長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；后區帶有一個眺臺，高2.6 m、深4.5 m。舞臺臺口寬16 m、深16 m，分為主舞臺和兩個側舞臺。

圖2 多功能排演場立面圖

圖3 多功能排演場側視圖

序號 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 7一號玻璃窗戶（無窗簾） 5 0 8二號玻璃窗戶（絨布窗簾） 5 0 9觀眾區墻面、地面、吊頂總面積（1～8的總和） 2 1 7 0木門

表2 空場平均吸聲系數

1.2 裝飾環境

場館地面為籃球館專用木格柵地板材質，墻面包括混凝土油漆和2種穿孔金屬板材質，天花板為礦棉吸聲板材質吊頂；此外，場館內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

通過對該場館進行現地實測，溫度為19.5℃，濕度為38%。

2 建聲環境的測量與分析

由于沒有條件實測滿場的混響時間，因此采用理論計算、實際測算以及修正結合相結合的方式獲得滿場混響時間的估算值。考慮到該場館位于地下二層，溫濕度變化波動不大，故按平均溫度20℃、濕度40%計算。觀眾區無座椅，觀看演出和集會時，臨時使用皮革折疊椅，通常為300人～500人，按平均400人計算。

2.1 平均吸聲系數

（1）空場平均吸聲系數

根據該場館裝修材料和使用面積，查閱吸聲系數表[3-4]和部分材料檢測報告，計算空場平均吸聲系數ɑ1=(ɑ1-1S1+ɑ1-2S2+…+ɑ1-nSn)/S，結果見表2。

（2）滿場平均吸聲系數

按照滿場觀眾人數平均400人、每人1㎡計算，查閱吸聲系數表，計算滿場平均吸聲系數ɑ2，結果見表3。

表3 滿場平均吸聲系數

表4 空場混響時間計算值

表5 空場混響時間的實測值

2.2 空場混響時間

（1）空場混響時間理論計算值

根據該場館空場平均吸聲系數，按照恒溫20℃、恒濕40%取空氣吸收系數4m值（2 000 Hz：0.010，4 000 Hz：0.029），容積5 940 m3，分別用賽賓公式、艾潤公式、努特森公式計算空場混響時間，結果見表4。

圖4 多功能排演場空場混響時間測試點位圖

（2）空場混響時間實際測試值

采用脈沖法測試混響時間，共測試觀眾區8個點位（測試點見圖4），結果見表5。

（3）誤差及分析

對比計算（表4）與實測值（表5）可以看出，努特森公式計算結果與實測值接近，故以努特森公式計算值與實測結果比較，得出空場混響時間理論值和實測值的誤差比值，結果見表6。

通過表6可以看出，聲波在中高頻率段理論值與實測值比較接近，在低頻段誤差較大。經分析，導致誤差的主要原因有三個方面，一是該場館裝修材料吸聲系數與吸聲系數表不完全吻合；二是方鋼、多層板結構的組合式移動舞臺的空腔結構對低頻波吸收較大；三是該場館假梁等位置存在未知空腔結構對低頻波吸收較大。

表6 空場混響時間計算值和實測值的誤差比值

2.3 滿場混響時間

（1）滿場混響時間理論計算值

按照上述方法計算滿場混響時間，結果見表7。

（2）滿場混響時間估算值校正

由于該場館無法提供滿場測試條件，依據空場條件下計算值和實測值誤差比值，對滿場混響時間的計算值進行修正得到估算值，結果見表8。

表7 滿場混響時間計算值

2.4 建聲環境的分析

結合理論計算、實際測算以及修正獲得滿場混響時間的估算值，該場館在滿場情況下混響時間過短，聲音顯得較“干”，適用于大型會議集會，但不適用于文藝演出活動；空場情況下混響時間能夠滿足戲劇類節目排練需要，但難以達到音樂類節目排練的標準要求。考慮到場館實際條件限制及其多功能用途，應做小規模的適當改造。

3 擴聲方案的設計與實施

3.1 擴聲聲場的分析

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

（1）揚聲器靈敏度

由于該揚聲器未標注靈敏度，實測靈敏度約為100 dB（1 W@1 m）。

（2）揚聲器指向性因數

由于該揚聲器未標注指向性因數，按照如下公式估算結果。

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

（3）場館房間常數

根據房間常數公式R=Sɑ/（1-ɑ），該場館房間常數計算結果見表9。

（4）混響半徑

表8 滿場混響時間的校正值

表10 混響半徑的計算

根據計算結果，混響半徑rc大于聲源到觀眾區后區最遠距離（觀眾區場22 m），因此，采用直達聲即可覆蓋全場。

3.2 揚聲器部署方案

根據聲場環境及使用需求，擴聲方案采用集中供聲方式，將線陣列揚聲器分為2組吊裝在舞臺口前天花板上，每組4只，線陣列長度1.4 m，距側墻約6 m，下沿距地面約7 m。在此情況下，揚聲器垂直覆蓋角度為60°距觀眾最近處約為6 m（第一排）、最遠處約為16 m（眺臺最后排）。雖然在眺臺下會形成少量的聲影區，但考慮到該場館眺臺下空間狹小，一般不安排觀眾，故不必進行補聲處理。揚聲器吊裝位置示意圖見圖5。

考慮到在實際使用時，信號有效值功率應控制在額定功率的1/8以內，即降低9 dB使用，以達到高保真擴聲要求，為留有裕量，按照降低10 dB計算，則確定實際播放節目時功率為90 W，此時距離揚聲器系統1 m處的直達聲聲壓級為L=100+10lg90=119.54 dB。

根據上文混響半徑計算結果，該場館擴聲系統以直達聲場為主，同時，按照線陣列揚聲器每組4只，聲壓級增加6 dB；距離每增加一倍，聲壓級降低3 dB計算場館邊界處聲壓級（此處為簡化計算，忽略線陣列長度，按照點聲源方式計算），結果如下：

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

最遠處聲壓級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聲器功率加倍，聲壓級+3 dB）

圖5 多功能排演場揚聲器吊裝位置示意圖

表11 聲壓級實測值

4 擴聲方案的實施結果

擴聲系統按照設計方案完成部署后，音箱的吊裝見圖5。通過Smart 8軟件及測試傳聲器，在空場情況下，對觀眾區坐席通常劃定區域的前場、中場、后場的左、中、右三個位置共9個點進行聲壓級實測，結果見表11。

從實測結果看，擴聲系統實際聲壓級與理論值之間存在負偏差，該偏差系由擴聲系統理論模型和實際情況之間的差異，以及設備、線路等損耗造成，屬于正常范圍。總體達到設計預期，滿足使用需求，并留有充足裕量。

項目整體完成后，對于不理想或可提升的方面給院方提出了建議。對于建聲方面，為彌補聲音干癟的缺陷，建議在四周墻壁上加裝吸聲系數較小的硬質反聲板，可以有效改善混響時間。對于擴聲方面，由于該場館觀眾區使用活動座椅，數量和位置不固定，在觀眾人數較多的情況下，前排座位可能會過于靠近舞臺臺口，此時該區域觀眾會感覺聲音是從上方傳來，出現聲像定位不準確，主觀視聽感受錯位的情況，因此，建議在舞臺臺口兩側部署2只音箱用于拉聲像，以使前排觀眾視聽一致。