作者：祝科 陳建利
一、語言清晰度的設計是超大型室內空間擴聲系統的核心設計
伴隨着時代的發展，超大空間場館及機場大型航站樓設計成為潮流，超大室內空間往往採用球結點網架結構，不設吊頂，暴露層架，使得比賽大廳容積劇增（遠大於每座10M3）。另外，專項體育館、冰球館、速滑館、網球館、田徑館和游泳館等一般體積較大，觀眾人數相對較少（每座容積可達48M3），以及機場大型航站樓等場所其容積遠大於大型體育館80000M3。英東遊泳館容積120000M3，北京溫都水城容積300000M3等等。
超大容積體育館與機場大型航站樓等活動場所，其混響時間與容積成正比，往往混響時間較長，遠遠超過行業標準的要求，游泳館混響時間長達3.6秒，溫都水城混響時間7秒以上。
面對超大容積及超長混響時間的體育場館、訓練場所、機場大型航站樓、休閑娛樂基地等，保證體育比賽、文娛演出時“看得見”、“聽得清”是重要任務。作為擴聲系統，保證語言清晰度是超大容積超長混響時間場館及廳堂的核心設計。
1、語言清晰度設計的理論依據
輔音清晰度損失率百分比理論是1978年荷蘭人Peutz首先提出來的，是Peutz歷經十年研究實踐的結果，美國聲學專家“唐．戴維斯”曾經說，這一理論每天都在聲系統工程中使用，檢驗了公式的精度和實用性。Peutz這一跨世紀的貢獻，其本質就是體育場館語言清晰度的百分比，理論公式如下：
ALcons=200D2 2× T602 × N × 100%
————————————（1）
Q × V × M
RASTI=0.9482-0.1845xLN ALcons% ——————（2）
ALcons%——為輔音清晰度損失率百分比
RASTI——語言可懂度傳遞函數
D2 ——為揚聲器離最遠觀眾席的距離；
T60 ——為廳堂混響時間
Q——為揚聲器的指向性因子；
N ——為功率比，是由產生直達聲LD的功率LW，同產生LD之外的所有器件LW的功率比（即揚聲器數量）
V ——體育館的容積
M ——為臨界距離的修正值（除特例外一般選數值1）；
理論和實踐證明，RASTI 越高，ALcons%越小，語言清晰度越高。
RASTI>0.6 即 ALcons%<6.6% （非常好的清晰度）
RASTI>0.5 ALcons%<11.4% (奧組委對場館要求)
RASTI≥0.45 ALcons%≤15% (實際工作允許界限 )
從公式（1）和（2）可看出，要保證體育場館及機場大型航站樓室內空間具有很高的語言清晰度，就要降低ALcons%，而想降低ALcons%，有兩點可做：
* 建聲：降低體育場館的混響時間T60
* 電聲：選取好性能，高Q值指向性因子的揚聲器系統，減少揚聲器組數量N
這就是說，為了保證體育場館及機場大型航站樓的語言清晰度，必須從建聲和電聲兩個專業上進行設計。
2、建聲設計
不僅降低體育場館及機場大型航站樓的混響時間，還要防止和消除回聲，聲聚焦，顫動回聲等聲學缺陷。
* 對於大於80000立方米的體育館，可按混響時間≤1.5—1.9秒設計；
* 對於游泳館、速滑館、網球館、田徑館等專項體育館，可按游泳館混響時間要求進行設計。每座容積≤25M3/座，混響時間500Hz——1000Hz，滿場＜2.0秒；每座容積＞25M3/座，混響時間500Hz——1000Hz，滿場＜2.5秒；
* 超大空間體育場，尤其具有看台屋頂的，滿場混響可達2.0秒，不能做露天考慮；
* 對於體積超大或數十萬立方米的訓練館或休閑娛樂場所，很少有建聲設計（或根本沒有建聲）條件下，混響時間很長，可長達7——8秒。這種情況下，只能藉助於擴聲系統的電聲設計予以補償，穩妥較好的解決長混響時間條件下語言清晰度的實現。
3、電聲設計
選用好性能（全頻帶、高靈敏度、大功率）具有高Q值指向性因子的線源陣列揚聲器系統；並且數量N越少越好。
就是說，儘管T60越長，但我們選用的Q更高，N僅為1或2，ALcons%可做的很小，語言清晰度就可保證。
（1）高Q值指向性因子線源陣列揚聲器系統，我們選用民族品牌PROSO FL-2Y線源陣列揚聲器系統。
* 線源陣列揚聲器Q值隨線源陣列長度（音箱模塊）增加而增加，Q值可以很高，指向性可很強。
比如18隻PROSO FL-2Y線源陣列音箱模塊（如圖）
其 500Hz Q=57
1000Hz Q=119
2000Hz Q=231
這是任何點聲源揚聲器根本無法實現和達到的，各體育場館具體應用PROSO FL-2Y線源陣列模塊長度（數量）多少，
依據所需Q值而定，可參考其一覽表。
* 線源陣列揚聲器PROSO FL-2Y僅有水平指向性120°，垂直指向性很小，隨陣列長度越長越趨尖銳，並且柱面波傳播，距離增加一倍，3dB衰減；
* PROSO FL-2Y線源陣列揚聲器其頻帶寬，45Hz——18KHz；靈敏度107dB/m.w，功率500W，對於幾百米長度具有足夠大聲壓級是不存在問題的，僅僅增加線源陣列的長度（數量）而已；
（2）揚聲器陣列數N是根據覆蓋場地寬窄而定，一般場合應對稱布放，N=2即可，N=1效果更佳。線源陣列數量越少，其間梳妝濾波器干涉越小，越有利於語言清晰度實現。
這裡應該強調一點的是：PROSO FL-2Y線源陣列揚聲器系統自身在高頻也不會產生干擾，這是其重要特點。
根據奧爾維理論HF=340/2EC,式中HF為高頻上限，EC為兩單元中心距離（米）,按照五點拾音法，可以鑒別普森FL-2Y是真正的線原陣列揚聲器系統。
關鍵在於高頻之間是耦合的，而不會產生有害干涉，此法是距離線源陣列六米處，從上向下取五個點分別拾音，所得五個頻響曲線以相同的聲壓級作比較。如下圖：
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（A） 外形相似的偽線陣列揚聲器系統（高頻出現有害干涉）
（B）真正的全頻耦合線源陣列揚聲器系統（高頻無害干涉）
FL-2Y線源陣列揚聲器系統
4、利用計算機聲學軟件EASE4.0對體育場館仿真模型設計
利用聲學軟件，將體育館的觀眾席場地製作模型，仿真其容積和懸挂線源陣列高度坐標，模擬在長混響時間和懸挂線源陣列揚聲器系統的條件下，清晰度及聲壓級優劣和指標，其目的在工程設計階段就可預測工程竣工后的清晰度效果，從而可以儘早修改完善方案。
總之我們依據Peutz語言清晰度的理論，在長混響時間或大空間的場館內，選用其有高Q值好性能，數量N少的FL-2Y線源陣列揚聲器系統，可以保證場館的語言清晰，音樂豐滿。
我們曾先後對湖南十運會株洲游泳館（3.6秒），四萬人體育場，北京溫都水城（30萬立方米，7.8秒），北大訓練館無建聲，奧運會英東遊泳館、國家綜合訓練六個館（無建聲）進行設計，其語言清晰度的主觀試聽，客觀測量都是令人滿意的，獲得甲方的一致好評。
對於大型體育場，只需將其按照封閉空間進行模型處理，其理念設計是不變的，ALcons%的結果在設計階段也是可預測的。
總之關於超大空間超長混響的體育場館的語言清晰度設計，重點談以上幾點，關於圍繞語言清晰度為核心的擴聲系統，其設備的選配達到五項擴聲特性指標級別，其實質也是語言清晰度設計，可參照英東遊泳館設備選取，不做重點闡述。
二、英東遊泳館語言清晰度的設計
作為案例，我們重點闡述一下奧運會英東遊泳館語言清晰度設計。
英東遊泳館是第十一屆亞運會的主要場館之一，也是2008年奧運會改造場館，建築面積為38000平方米，網架下容積V=124156立方米，6000人座席，平均20.7立方米/座。
1、 使用功能：
承擔奧運會各種游泳，水球，跳水，花樣游泳等項目的正式比賽及決賽。
2、 達到要求：
* 客觀測量達到JGJ/T131-2000《體育館聲學設計及測量標準》一級擴聲技術指標。
* 奧組委要求：
（1）最大聲壓級：103dB（平常使用95dB）
（2）頻響：語言125Hz~5KHz 音樂100Hz~15KHz
（3）語言清晰度：STI>0.5
3、 建聲設計：
* 按照行業標準，混響時間T60=2.5秒（500Hz——1KHz）滿場，要求不產生聲音缺陷
* 在揚聲器輻射的牆面上進行了強吸聲處理
4. 電聲設計
（一）揚聲器布放方案論證：英東遊泳館的擴聲揚聲器系統採用分散布放還是採用集中線源陣列布放，為了保證奧運會英東遊泳館語言清晰度，我們進行了充分必要的論證：
（1） 對全國運動會八、九、十的有關場館揚聲器集中成功的和分散布放失敗案例分析；
（2） 湖南省十運會株洲游泳館，體育場揚聲器由點聲源分散布放方案修改為線源陣列揚聲器的案例；
賀龍體育場分散布放的失敗教訓；
（3） 分析了點聲源揚聲器→揚聲器陣列→線聲源線列的揚聲器發展、優缺點；
（4） 研究90年雅典運動場使用KF-800揚聲器線源陣列的來龍去脈，為了解決大型場館、迪斯科廣場、文娛場所，滿足巨大覆蓋區全部聽眾（85000座）要求具有足夠大聲壓級（需要大量揚聲器擴聲），同時又要求高清晰度語言和音樂豐滿，有層次的音質又必須保持較小數量揚聲器的矛盾。EAW積20年全力研究和奮鬥的結果，以PPST技術和KF900系統，採用點聲源技術及其控制的陣列，實施近、中、遠投射，在長達180米的體育場內，滿足對語言清晰度、音樂豐滿度的要求，
（5） 對國內外真假線聲源線源陣列揚聲器的五種狀態進行分析比較，；
（6） 對英東遊泳館自亞運會以來，20年採用分散布放揚聲器擴聲，語言清晰度不好的原因分析；
（7） 對輔音清晰度損失率（ALcons%）與臨界距離理論進行分析探討；
輔音清晰度損失率是理想擴聲系統模型，未涉及揚聲器數量N,以及在長混響時間條件下產生梳妝濾波器對語言清晰度的降低；
理論計算必須與EASE 4.0設計相結合，充分反映客觀事實真相；
（8） 請國家奧體中心領導試聽溫都水城30萬立方米在(無建聲設計)混響時間長達7.8秒設計條件下，採用線源陣列擴聲系統，可保證語言清晰的效果；
經過比較分析研究，我們具有以下認識：
（1） 理論計算必須與計算機仿真模擬相結合，排除梳妝濾波器帶來干擾；
（2） 從大量線源陣列集中布放成功和點聲源分散布放失敗案例分析，必須使用線源陣列揚聲器；
（3） 對線源陣列揚聲器進行篩選，應該使用非傳統線源陣列——FL-2Y線源陣列擴聲系統；
（4） 我們有株洲游泳館(和英東遊泳館容積一樣大小，混響時間也一樣),溫都水城、北京體育大學國家綜合訓練館（超大容積超長混響時間），使用線源陣列FL-2Y方案成功擴聲的經驗；
（二）線源陣列揚聲器分散布放還是集中懸挂方案進一步進行了EASE仿真模型論證。
1、 分散在馬道上布放8組FL-2Y線源陣列揚聲器系統，（每側4組，每組7隻FL-2Y模塊構成）
其指向性因子：500Hz Q=16
1KHz Q=32
2KHz Q=65
這是點聲源揚聲器的Q值根本不法實現的
我們分別在三種混響時間條件下進行EASE4.0仿真模型設計：
(1) T60=1.5秒 RASTI>0.5 （是奧運會技術要求）(2) T60=2.0秒 RASTI=0.45（臨界值）(３) T60=2.5秒 RASTI=0.4
這種情況說明分散布放線源陣列揚聲器，只能在1.5秒混響時間條件下，才能保證奧運會語言清晰度要求。T60=2.5秒時根本達不到滿場RASTI>0.5的技術指標的。
結論是明確的，縱然使用高Q值的線源陣列揚聲器，在長混響時間條件下採用分散布放方式，想保證游泳館語言清晰度，也是無能為力的。
2、最後確定了集中布放線源陣列揚聲器擴聲系統系統方案，是在長混響時間T60=4秒（500Hz—1000Hz 滿場）條件下，保證游泳館觀眾席的語言清晰度是其關鍵：
我們將2組PROSO (每組18隻FL-2Y)線源陣列揚聲器系統，集中布放在游泳館彩屏兩側，垂直懸挂， N=2
PROSO 18隻FL-2Y線源陣列揚聲器的特點：
（1） 線源陣列揚聲器指向性因子Q隨線源陣列長度增加。Q可很高，(如18隻FL-2Y線源陣列模塊)
其：500Hz Q=57 1KHz Q=119 2KHz Q=231
（2） 距離增加一倍，3dB衰減
（3） 集中垂直懸挂2隻線源陣列，N=2，梳狀濾波干擾很少
重要的是，我們的設計是適應英東遊泳館因天長日久吸音變差，混響變長，而AL%不變的設計（注意：線源陣列揚聲器無論音箱模塊多少，也只是整體為1隻的作用效果，在指向性Q值增加其N可以不變，這樣隨着混響時間變長，只需繼續懸挂音箱模塊，就可增大線陣列Q值，仍然可以保證游泳館語言清晰度。所以，集中懸挂線源陣列揚聲器是英東遊泳館之首選。
4、利用聲學軟件EASE 4.0進行計算機仿真模型設計
預測T60=4秒建聲條件下語言清晰度及聲壓級（仿照株洲T60=3.6秒情況模擬設計），英東遊泳館容積混響時間基本相同
圖：4秒鐘的混響時間曲線
集中布放2組FL-2Y在大屏幕兩側，線源陣列揚聲器系統四視圖
語言清晰度RASTI表1
500Hz ALcons%＜6.8% RASTI≥0.59
1KHz ALcons%＜7.0% RASTI≥0.59
2KHz ALcons%＜7.0% RASTI≥0.59
最大聲壓級 表2
125Hz 250Hz 500Hz 1KHz 2KHz 4KHz 8KHz
116dB 115 dB 110dB 113dB 113dB 112dB 112dB
小結：
使用EASE 4.0聲學軟件仿真模型設計，在英東遊泳館彩色顯示屏兩側垂直懸挂2組，每組18隻FL-2Y音箱模塊組成的線源陣列揚聲器系統，在混響時間T60=4秒（500Hz—1000Hz）條件下，其語言清晰度及輔音清晰度損失度、最大聲壓級都達到了奧組委要求提出的技術指標，而且有一定的設計余量。
（2）擴聲系統中設備的選配也是實現語言清晰度的保證：
（一）高Q值，18隻FL-2Y線源陣列揚聲是保證高清晰度的關鍵；
（二）選用4入/1出自動混音台，始終保持一路輸出，並且具有NOM功能，縱使有人插話，館內聲壓級基本不變；
（三）選配AFS反饋抑制器，防止和抑制建聲產生的反射聲等引起系統反饋，引起嘯叫，保證擴聲系統穩定，是實現語言清晰度的前提；
（四）選配DSP數字音頻處理器，24bit A/D. D/A轉換、處理，頻帶寬，動態大，S/N高（高達104dB），不會給擴聲系統帶來噪聲，信號/噪聲的比高，有力的保證了語言清晰度；
（五）調音台可進行調音，提高頻率特性1K—2KHz電平，提高語言清晰度；
（六）數字音頻處理器可對電——聲系統進行分頻、均衡、參數均衡、壓縮/限幅等功能處理，保證傳輸特性達標。實質上是如實的反應語言或樂音的幅頻特性，亦是保證語言清晰度實現；
（七）使用數字音頻處理器可對比賽、大會、音樂演出等不同功能要求，預先對數字功能模塊預設、存儲、調出，滿足各種實用功能；
（八）由於18隻FL-2Y線源陣列頻帶寬，從45Hz——17KHz可滿足音樂播放，亦可通過調音台，低頻提升，使其音樂豐滿悅耳，高頻明亮、有層次；
（九）熱備份一個調音台，應急使用；
5、擴聲特性指標測量
在安裝調試的基礎上進行自我檢測，技術達標的情況下，主觀試聽：語言清晰、音樂豐滿悅耳。
2007年9月21日由國家奧林匹克體育中心、北京達尼利華科技發展有限公司委託，國家建築工程質量監督檢查中心就“北京奧體中心英東遊泳館擴聲系統”進行檢測。
（1） 檢測依據 《體育館聲學設計及測量規程》JGJ/T131-2000
《廳堂擴聲特性測量方法》GB/T4959-1995
（2） 檢測儀器
B&K公司：1027型信號發生器，4190型傳聲器
3560B型多分析儀系統
HP公司：34401A型數字多用表 NTI公司：AL1型聲學分析儀
（3） 檢測結論：
A. 擴聲系統特性指標（電聲設計）數據
* 最大聲壓級：107dB
* 傳輸頻率特性：以125Hz—4000Hz的平均聲壓級為0dB ，在此頻帶內觀眾席平均聲壓級不超過+2dB,-1dB
* 傳輸增益：125Hz——4000Hz的平均值為-5dB * 擴聲系統傳輸指數（即語言清晰度） 平均值為0.69 （STIPA）
* 系統噪聲：38dB（A）,≤NR-32
B． 建築聲學數據
* 混響時間：（用固定安裝線陣列檢測）500Hz 2.8秒 1000Hz 2.7秒
（用發令槍檢測） 500Hz 3.6秒 1000Hz 3.4秒
C．檢測結論
北京奧體中心英東遊泳館擴聲系統的最大聲壓級、傳輸頻率特性、傳聲增益技術達到《體育館聲學設計及測量規程》JGJ/TBI-2000中的一級指標
6. 擴聲系統語言清晰度指標
語言清晰度指標和最大聲壓級指標是我們擴聲系統設計的核心，即語言清晰度或輔音清晰度損失率百分比，其平均值STIPA=0.69
其最大聲壓級107dB 達到奧組委 103dB；
語言清晰度STI>0.69 達到奧組委 STI>0.5
第三方客觀檢測確認：英東遊泳館擴聲系統設計達到了
* 《體育館聲學設計及測量規程》JGJ/T131-2000一級擴聲特性指標；* 奧組委提出的在大聲壓級和語言清晰度的指標
我們認為，圍繞語言清晰度為核心的設計是正確的，採用集中懸挂2組非傳統線源陣列揚聲器系統是成功的。
三、我們的認識
奧組委提出的語言清晰度和最大聲壓級是體育場館聲學設計的畫龍點睛之筆,道出了體育館設計的活的靈魂：是核心,是要害,使擴聲系統五項指標(必要條件)更加完全充分,是實事求是的舉措,將掀起體育場館設計的新篇章。
1、 體育場館的語言清晰度設計是擴聲系統的核心設計，我們依據Peutz輔音清晰度損失率理念，對建聲、電聲進行綜合設計、互補設計；
結合聲學軟件仿真模型設計，在設計階段預見語言清晰度的優劣，為修改完善設計提供可靠依據。這種以語言清晰度為核心的設計是正確的，方法是可行的；
2、 在超大空間超長混響時間的體育場館語言清晰度設計，採用電聲補償建聲的設計，使用少數量N、高Q值非傳統線源陣列揚聲器系統擴聲，集中懸挂布放，能為超大空間超長混響時間的體育場館、文娛廣場、休閑中心基地提供足夠大聲壓級和高清晰度語言、豐滿悅耳且有層次的音樂，效果是令人滿意的，得到使用方的認可和讚許；
3、 我們在總結前人成功經驗、失敗教訓的基礎上，通過實踐——認識——再實踐——再認識，不斷提高，不斷完善我們的工作，使我們的工作做得盡善盡美。“實踐是檢驗真理的唯一標準”，讓我們在實踐中檢驗和提高自己吧！我們希望得到同行、專家們的批評斧正；
4、 我們建議：今後大型體育場館建築設計，盡量將顯示屏和主席台位置放在同一方向或對面，考慮主席台兩側線源陣列揚聲系統懸挂負載的問題，亦可解決聲像一致的難題。這樣的超大型場館將是一個巨型文藝廣場和巨型廳堂、電影院，語言清晰、音樂豐滿、聲象一致，何其壯哉！何其美哉！
最後，讓我們向具有真知灼見，有膽有識的，支持我們的奧體中心游泳館彭維勇副主任、何麗萍處長和各級領導表示衷心的敬意!
