观众厅扩声声场设计介绍，扩声形式的确定

3．3．4　观众厅扩声声场设计

1）扩声形式的确定

根据建筑物的功能、体型、空间高度及观众席设置等因素，扩声系统可分为集中供声、分散供声和分区供声三种供声方案。良好的扩声工程应能有效地控制扬声器声场的均匀分布和满足最远投射距离的声压级要求。

（1）集中供声

顾名思义，集中供声是把一组扬声器集中安装在一个固定位置上的供声系统。对于有舞台的剧场或多功能厅来说，扬声器组通常安装在靠近自然声源的舞台台口上方左、右两侧（三路扬声器系统可分别为左、中、右三组安装）。集中供声的优点是声像一致，听感自然；扬声器之间的声波干扰小，声音清晰度高。为使全部观众区声场均匀，扬声器应置于较高的位置。为克服池座前几排观众区的“头顶感”声像，可在台口两侧或台唇部位设置若干小功率辅助扬声器，利用哈斯效应解决前区观众的声像一致问题。

（2）分散式供声

对于大型或狭长高度又不高（低于6m）或空间结构可分成几部分的大厅，此时无法采用集中供声，此外，对于混响时间较长的大型礼堂难以获得好的语言清晰度时，可采用分散式供声。分散式供声有两种形式：一种是以天花板安装扬声器为供声单元的分散式供声；另一种是以小功率声柱或音箱（功率为25～60W）为供声单元的分散式系统。分散式供声的最大优点是声场均匀，直达声与混响声的声能比高，最大缺点是视听感觉不一致和多声源之音的声音干扰较大，影响声音清晰度。故一般适用于播送语言节目，不太适用于文艺演出。

（3）分区式供声

对于狭长形的厅堂，如果采用集中供声方案，并选用传统号筒式扬声器，扬声器投射到后面观众区的声压级会偏低。具有较深楼台和眺台的大型剧场，由于楼台和眺台的遮挡，使主扬声器的直达声无法抵达，造成楼台和眺台下面的“声影”区。为此，必须在厅堂的中、后部及楼台下面的“声影”区内布设若干个补声扬声器来提高这些观众区的声压级和直达声，这种扬声器的布局称为分区供声。在分区式供声系统中，由于主扬声器与补声扬声器之间的距离较大，两个声源到达听众位置的相对延时较大，如不经延时处理，到达中、后部观众区的声音会产生两重声效果。分区式供声的扬声器系统如果设计和调试不当，很容易产生声波干扰，影响系统的清晰度。

根据该剧场的建筑特点和使用要求，确定采用三通道集中扩声与分区式扩声相结合的扩声形式，可以根据实际使用需要配置成单声道扩声、双声道扩声、三声道扩声等多种形式。其中中间通道独立覆盖全场，左、右两个通道共同均匀覆盖全场，并设有独立的次低频通道。为克服池座前几排观众区的“压顶感”声像，在台唇部位设置多只小功率辅助扬声器，解决前区观众的声像一致问题。根据声线分析，楼座下部分观众席会形成声阴影，为解决此问题，在楼座下方设置多只小功率辅助扬声器，覆盖声阴影区域。

2）扬声器的选用及布局

图3－25选用美国Electro－Voice的专业固定安装扬声器为例而作出的扬声器布局图，供参考使用。

3）声场理论计算

声场设计能否满足设计指标和实际使用的要求，主要决定于以下几点：

（1）声场理论计算

根据剧场建筑结构参数、建筑声学参数，以及扬声器的配置和布局，计算各种声场技术指标，验证能否满足设计指标的要求。

（2）声场计算机辅助设计

采用EASE声场设计软件，建立剧场三维模型，设置建筑内表面吸声系数，插入扬声器模型，按照设计指标的要求，通过模拟计算预测能够达到的声场指标，通过反复调整确定扬声器的选型和布局。

图3－25　扬声器布局图

（3）系统安装和调整

系统严格按照设计图纸和现场实际情况进行安装，安装完毕后进行系统调试，解决如系统电平调节、频率特性均衡、声场分布调整、系统接地和阻抗匹配等系统问题，使系统工作于最佳的状态。

（4）声压级的计算

系统能达到的最大声压级要分为两种情况进行讨论，一种是播放节目源时，一种是使用话筒时。对于前一种情况，声场最大声压级决定于系统的最高增益，对于后一种情况，声场最大声压级决定于系统的最高可用增益，即扩声系统在厅堂内产生反馈自激临界增益减去6dB时的增益。声场在播放节目源时的最大声压级的计算，该最大声压级决定于主扬声器的灵敏度、输入功率、听音区离扬声器的最远距离以及声场的传播规律。

由于主扬声器选用了EV　FRX＋640全频扬声器。根据声场计算公式：

Lρ＝SPL＋3lg　2（W）－6lg　2（r）＋6（峰值因子）

式中：Lρ——声场直达声压级（dB）；

SPL——扬声器的轴向灵敏度（dB）；

W——加到扬声器的电功率（W）；

r——扬声器到听音者的距离（m）；

6——考虑到节目源峰值因子后的修正系数。

现确定：SPL＝105dB；W＝400W；r＝32m

代入公式，得：

Lρ＝SPL＋3lg2（W）－6lg2（r）＋6

＝105＋3lg2（400）－6lg2（32）＋6

＝107dB　　　　　　　　　　　　　

此计算值仅为自由场直达声条件下，主扩声系统没有考虑反射声和辅助系统的因素。如果考虑反射声和辅助扬声器，观众厅最远观众席处的最大声压级将在直达声的基础上增加3～4个dB，达到110到111dB。

（5）系统的语言清晰度(www.xing528.com)

系统的语言清晰度主要跟厅堂的混响时间以及选用扬声器的指向性特性有关，对于特定功能和体积的厅堂，混响时间一般有一个最佳值，此时，增加扬声器的指向性特性将提高系统的语言清晰度。据此，扩声系统衍生出一个重要的量，即临界距离，临界距离是直达声能密度等于扩散声能密度处离开扬声器的距离，在临界距离以内，直达声大于混响声，语言清晰度高，超过临界距离的区域，直达声小于混响声，并随着距离的增加，混响声占的比例越来越大，声音的清晰度越来越差。一般情况下，听音区离扬声器最远距离在三个临界距离范围内，均可视为系统具有较好的语言清晰度。

临界距离（即混响半径）D_c的计算公式：

式中：D_c——扩声系统的临界距离（即混响半径）（m）；

Q——音箱的指向性因数，无量纲；

V——剧场的容积（m3）；

T₆₀——剧场内的混响时间（s）；

K——修正值，无量纲。

现确定：Q——音箱的指向性因数以保守值4计算；

V——仅凭图纸估算，约为12　000m³；

T₆₀——报告厅内的混响时间（目前因无建筑设计部门提供的精确数据，参照了国家相关规范）为1．14s；

K——修正值（以米为计算单位时）。

代入数值进行计算：

D_c＝21m

剧场的使用距离应该小于或者等于2×D_c，即2×21＝42m。现在剧场实际长度小于32m，并小于计算得出数值42m，因此符合使用需要。

4）声场计算机辅助设计

在扩声系统设计过程中我们采用先进的电脑设计工具EASE进行声场模拟设计和效果预测。EASE全名ELECTRO　AcousTic　SIMUCATORS　FOR　ENGINGEERS，即为工程师所用的电声模拟设计软件，是德国ADA公司开发的声学设计软件。EASE声场设计软件是至今使用面最广、功能最多、支持扬声器数据最多的软件，如图3－26所示。

采用EASE的精密计算方法，可以准确地计算分析和预计扩声系统的声学特性和指标，包括声场均匀度分析、声压级计算、频率响应计算和调整、语言清晰度计算分析等，在电脑上分析过程中可以发现影响声音质量的因素和原因，并加以解决，这个过程可以反复进行，直到分析计算的指标达到需要的要求为止。

图3－26　支持扬声器数据软件

EASE的EARS软件模块具有语言模拟试听功能，EARS是一种与EASE配合，完成虚拟建声模拟可听化的软件，可以预先“聆听”场地建成后的效果，当发现声音不满意的时候，可以在电脑中进行调整和重新计算，再反复进行语言模拟试听，这个过程仅在电脑中进行，当系统声音调整到最佳效果后再进行安装，这样可以保证完成后的系统实际指标可以达到设计要求，完全避免了传统的方式安装完毕后发现问题再整改的尴尬局面，充分保障了业主的利益。

针对上述实例工程，我们建立厅堂三维模型如图3－27所示。

图3－27　厅堂三维模型

混响时间设置如下（中频混响时间RT₆₀＝1．14s）：

对扬声器的摆位和角度反复多次调整计算得出声场计算机模拟结果，1　000Hz混响声场分布如图3－28所示。混响声场如图3－29所示。

图3－28　1 000Hz混响声场分布

图3－29　混响声场

模拟结果与设计指标对照，如表3－5所示。

表3－5　模拟结果与设计指标对照表