體育館短線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)EASE仿真

1、體育館短線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng) EASE仿真EASE Simulation of Short Line Array Speaker System in GymnasiumZONG Min, FU Rong, FU Sheng-xue(Ocean University of China, Qingdao 266100, China):University gymnasium is a multi-functional hall. In order to meet its acoustic requirements of multi-functional, theshort line array spe

2、aker system wasused 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 provid

3、e 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(yè)的發(fā)展 , 各地綜合性體育館不斷興建。綜合性體育館除進(jìn)行體育比賽外 , 已經(jīng)擴(kuò)展到能舉辦文藝演出、 會(huì)議等多項(xiàng)功能。 本文研究對(duì)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(kāi)學(xué)生大會(huì)、 進(jìn)行文藝演出等

4、, 實(shí)質(zhì)上屬于一種多功能大廳。 其擴(kuò)聲系統(tǒng)可分為比賽擴(kuò)聲和舞臺(tái)演出 擴(kuò)聲。前者為滿足大型體育比賽的擴(kuò)聲要求; 后者采用短線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng) , 滿足中小型文藝演出、 會(huì)議等系統(tǒng)的擴(kuò)聲要求 ,本文 將對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行EASE仿真研究。1 線陣列揚(yáng)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(yáng)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(yuǎn)距離的擴(kuò)聲系統(tǒng)。線陣列揚(yáng)聲器是基于模擬柱面波輻射波形特性 , 與傳統(tǒng)音箱 聲能輻射基于點(diǎn)聲源類似球面波形特性有很大區(qū)別。 按照聲學(xué)擴(kuò) 散輻射原理 , 點(diǎn)聲源的聲輻射擴(kuò)散類似球形波 ,

5、 其波陣面在 3 個(gè) 維度傳播，傳輸距離加倍時(shí)聲壓級(jí)衰減26 dB。線聲源的聲輻射 擴(kuò)散類似柱面波 , 其波陣面只在 2 個(gè)維度傳播 , 傳輸距離加倍時(shí) 聲壓級(jí)衰減 3 dB, 這對(duì)工程設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的誘惑力 , 因?yàn)楣β试黾?一倍 , 聲壓級(jí)才增加 3 dB 。嚴(yán)格說(shuō)來(lái) , 只有無(wú)限長(zhǎng)的線聲源才能產(chǎn)生真正的柱面波 , 任 何一個(gè)有限大小的聲源在自由空間的輻射 , 其波形總是要發(fā)散。 平直、連續(xù)且恒相位的有限長(zhǎng)線聲源輻射的聲波經(jīng)過(guò)一段柱面波 后, 逐漸過(guò)渡到球面波。 近聲場(chǎng)是指?jìng)鬏斨娌ǖ膮^(qū)域 , 遠(yuǎn)聲場(chǎng)則 是傳輸球面波的區(qū)域，兩者的交越點(diǎn)與聲源距離 r? b腥縵鹿 叵?3:r=L2 X f/2

6、X 340式中丄為線陣列長(zhǎng)度（即各組件單元的間距總和）;f為信號(hào) 頻率;340 m/s 為聲波在空氣中的平均傳播速度。由此可見(jiàn) ,增大 線陣列長(zhǎng)度可擴(kuò)大近聲場(chǎng)范圍 , 減少聲壓損失。同時(shí)提升信號(hào)頻 率也會(huì)使 r 值增大 , 因此高頻信號(hào)比低頻信號(hào)傳播的更快、 更遠(yuǎn)。 基于這一理論 , 通常設(shè)計(jì)成曲面陣列 , 相對(duì)直的部分其聲能集中 , 滿足遠(yuǎn)聲場(chǎng)需求 , 而一定曲率的部分則適于覆蓋較大角度的近聲 場(chǎng)。線陣列通常被設(shè)計(jì)成直線形、弧線形、 J 形、漸進(jìn)式陣列等 4 ?？紤]到聲源在低頻段為全指向性 ,頻率越高 ,指向也越來(lái)越 尖銳，當(dāng)頻率超過(guò)2 kHz時(shí)，開(kāi)始呈放射狀，因此線陣列揚(yáng)聲器的 每個(gè)單體箱

7、都采用分頻和多單元的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 5 。線陣列是利用其指向性強(qiáng)的特點(diǎn)將聲波有效地投射到更遠(yuǎn) 的距離 , 其指向性與線陣列長(zhǎng)度、每個(gè)單元之間的最小距離及輻 射聲波頻率相關(guān) 6 。線陣列的長(zhǎng)度與輻射波長(zhǎng)之比應(yīng)大于 0.5, 易于實(shí)現(xiàn) ; 單元之間的間隔距離與其輻射波長(zhǎng)之比應(yīng)小于 0.5, 在 低頻時(shí)易于實(shí)現(xiàn) , 但對(duì)于高頻 , 波長(zhǎng)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(gè)頻段的指向特性能夠平順銜接, 各專業(yè)公司推出了一些新技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題 , 包括聲透鏡技術(shù)、波形前糾正技術(shù)為核心的 DOS（波導(dǎo)管等8。線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)能通過(guò)對(duì)指向性的控制得 到最有

8、效的聲場(chǎng)覆蓋。2體育館EASE仿真本文所研究的中國(guó)海洋大學(xué)體育館為十一屆全運(yùn)會(huì)比賽場(chǎng) 館之一 , 包含體育館和游泳館及大學(xué)生活動(dòng)中心三部分。體育館 建筑等級(jí)為乙級(jí) , 即主要要求為舉辦地區(qū)性和全國(guó)性單項(xiàng)比賽 , 場(chǎng)地類型為多功能型,場(chǎng)地尺寸為36 mx 54 m。其形體設(shè)計(jì)為 正曲率“貝殼”與負(fù)曲率“風(fēng)帆”構(gòu)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 頂棚 結(jié)構(gòu)裸露 , 坐席成階梯式提升 , 體育館內(nèi)部空間達(dá)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(shù) 為 4 145 座。2.1體育館EASE建模根據(jù)

9、體育館建筑圖紙所提供的尺寸，用EASE軟件建立體育 館的數(shù)學(xué)模型。圖1為體育館EASE建模 3D圖。該模型由534個(gè) 點(diǎn)、352個(gè)面構(gòu)成,正曲率“貝殼”和負(fù)曲率“風(fēng)帆”的曲線由 直線段拼接而成。房間內(nèi)的各個(gè)表面所采用的建筑裝飾材料 , 已 經(jīng)通過(guò)ODEO軟件測(cè)試，符合體育館的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。圖1體育館EASE建模3D圖2.2 線陣列選型及布置方案 中國(guó)海洋大學(xué)體育館揚(yáng)聲器系統(tǒng)中的比賽擴(kuò)聲系統(tǒng)是為滿 足大型體育比賽的擴(kuò)聲要求 , 對(duì)各方位觀眾區(qū)進(jìn)行均勻覆蓋。舞 臺(tái)演出擴(kuò)聲系統(tǒng)配置高功率線陣列揚(yáng)聲器 , 配合超低頻揚(yáng)聲器 （落地式安裝 ）, 滿足中小型演出、會(huì)議等系統(tǒng)的擴(kuò)聲 ; 同時(shí), 流動(dòng) 布置 4

10、只全頻返送揚(yáng)聲器于舞臺(tái)地面 , 提供靈活的舞臺(tái)監(jiān)聽(tīng)可能 性;4 只監(jiān)聽(tīng)揚(yáng)聲器也可以作為比賽功能時(shí)對(duì)比賽場(chǎng)地的擴(kuò)聲或?qū)F賓主席臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)聲考慮到本體育館主要為滿足中小型演出功能擴(kuò)聲要求 , 并綜 合音箱性價(jià)比和體育館投資額度，選用BELL VPS-500T為線陣列 揚(yáng)聲器系統(tǒng)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(yáng)聲器。BELL VPS-500T主要參數(shù)為: 功率: 500/1 000 W; 頻響:80 Hz18 kHz;SPL(1 W/1 m):109 dB; 幅蓋角度:90 X 10度；阻抗:8 Q。在建模中,選取 13個(gè)聽(tīng)音面,

11、 如圖3中紅線區(qū)域 ,覆蓋所 有觀眾席區(qū) , 聽(tīng)音面高度符合人耳實(shí)際聽(tīng)音高度。舞臺(tái)演出擴(kuò)聲 系統(tǒng)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(cè)上方的馬道上 , 或活動(dòng)舞臺(tái)口上方的馬道上 , 或 塔樓兩側(cè)墻面上 , 但由于體育館內(nèi)采用演出模式時(shí) , 舞臺(tái)的位置 在體育館塔樓前面 , 要想向觀眾區(qū)傳遞清晰的直達(dá)聲 , 所以最好 的位置就是將線陣列音箱布置在塔樓兩側(cè)墻面上。 結(jié)合體育館的 實(shí)際建筑情況，經(jīng)過(guò)EASE仿真比較9,確定了將線陣列懸掛在 墻面標(biāo)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(tái)口兩側(cè)地面 , 如圖 2 所示。圖 2

12、揚(yáng)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(dá)聲到達(dá)的 區(qū)域比較大 , 完全符合了演出要求。當(dāng)體育館內(nèi)聲壓級(jí)只依靠線 陣列不能滿足時(shí) , 還可以啟用館內(nèi)的其他音箱。2.3 體育館聲學(xué)特性仿真研究各頻帶直達(dá)聲、總聲壓級(jí)和 C50 數(shù)值如表 1 所示。表1 各頻帶直達(dá)聲壓級(jí)、總聲壓級(jí)和 C50 頻率 /Hz1252505001 0002 0004 0008 000 直達(dá)聲壓級(jí) /dB97.9998.3597.98100.79102.4899.4494.67 總聲壓級(jí)/dB106.15103.22101.71104.92109.12107.01102.33 C50-3.99-1

13、.041.041.03-1.04-1.63-0.91其中, 直達(dá)聲能夠覆蓋的區(qū)域包含貴賓席和大部分觀眾席,直達(dá)聲壓級(jí)比較大 ,各觀眾區(qū)均可聽(tīng)到清晰的直達(dá)聲 , 效果較好。 總聲壓級(jí)由直達(dá)聲聲壓級(jí)和混響聲場(chǎng)聲壓級(jí)兩部分構(gòu)成 , 將表中 各頻帶的總聲壓級(jí)疊加 ,得到體育館內(nèi)的總聲壓級(jí)約為 114.2 dB, 符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大于 105 dB 的要求。 C50 用于度量語(yǔ)言可懂 度10,表示50 ms前后以dB為單位的能量比，對(duì)于有較高混響 時(shí)間的大型體育館 , 高于-5 dB 即可獲得良好的可懂度。經(jīng)計(jì) 算,C50均值為-1.03 dB,語(yǔ)言清晰度和可懂度均為良好。考慮到體育館要求在語(yǔ)音段要有一

14、個(gè)較好的音質(zhì) ,5002 000 Hz 是對(duì)聲音清晰度貢獻(xiàn)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(shí)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(yǔ)中的“咝咝”聲。所以 , 以下分析選擇 1 000 Hz 進(jìn)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(yǔ)言傳遞指數(shù) RASTI 1 000 Hz在圖3 ALC百分比值中，依照表2 Alcons百分?jǐn)?shù)參考值，評(píng) 價(jià)能夠達(dá)到非常好的區(qū)域達(dá) 57.02%, 評(píng)價(jià)良好的區(qū)域占 37.7%, 其余 5.28%為清晰區(qū)域 , 無(wú)較差和不可接受區(qū)域。表 2Alcons 百分?jǐn)?shù)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(yǔ)言傳遞指數(shù) RASTI 是以輔音發(fā)音損失的百分率作為 衡量標(biāo)準(zhǔn) , 以 01的比例表達(dá)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(píng)價(jià)非常好的區(qū)域占37.46%, 其余區(qū)域?yàn)樵u(píng)價(jià)良好。表3RASTI參考值非常好良好較差不能接受0.601.000.450.600.30