場(chǎng)館聲學(xué)大全（一）
要健身和開(kāi)展各項(xiàng)體育活動(dòng)，就需要建造體育場(chǎng)館。近年所建造的體育館通常超越了體育活動(dòng)和競(jìng)賽場(chǎng)地原有的功能使之有很大的擴(kuò)展。在體育館內(nèi)不僅進(jìn)行各種會(huì)議、報(bào)告，而且開(kāi)展大型文娛活動(dòng)，包括綜藝晚會(huì)、大型演唱會(huì)、雜技、馬戲、時(shí)裝表演，甚至演奏交響樂(lè)。這些活動(dòng)對(duì)于體育場(chǎng)館來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是偶然或額外的業(yè)務(wù)，已成為它提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)常性手段。因此，目前的體育館實(shí)質(zhì)上是地道的多功能大廳，所以在聲學(xué)設(shè)計(jì)上有較高的要求。由于體育館的容量大，混響時(shí)間長(zhǎng)，平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般會(huì)堂而容易引起各種音質(zhì)缺陷，而可以用作吸聲處理的部位和面積極為有限，從而增加了聲學(xué)設(shè)計(jì)的難度。
在體育館內(nèi)采用自然聲演出，僅限于在小型體育館內(nèi)進(jìn)行交響樂(lè)和鋼管樂(lè)演奏，機(jī)會(huì)甚少，因此在聲學(xué)設(shè)計(jì)中僅考慮用擴(kuò)聲系統(tǒng)的演出方式。但優(yōu)質(zhì)的擴(kuò)聲效果必須通過(guò)合理的建聲設(shè)計(jì)才能得以實(shí)現(xiàn)，兩者是相輔相成的。只有相互密切配合，才有可能用較低的投資獲得良好的音質(zhì)和藝術(shù)效果。 對(duì)于單項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的體育館（或稱(chēng)專(zhuān)用館），如游泳館、跳水館、溜冰館（人工和自然冰）、網(wǎng)球館、田徑館和室內(nèi)射擊場(chǎng)等，多功能使用的可能性極少，音質(zhì)要求不高，主要是控制噪聲和音質(zhì)缺陷，使其具有必要的語(yǔ)言清晰度即可。 體育館的聲學(xué)設(shè)計(jì)與其類(lèi)別、規(guī)模（容量、容積）和使用功能有關(guān)。因此，在聲學(xué)設(shè)計(jì)的初步階段就應(yīng)確定其功能，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和建設(shè)要求選擇合理的聲學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)，然后展開(kāi)工作。隨著文化事業(yè)的蓬勃發(fā)展和人們文娛生活的內(nèi)容日益豐富，聲頻工程的數(shù)量迅猛增加，質(zhì)量大幅度提高，從事聲頻工程的人員也越來(lái)越多。但是在聲頻工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，一些人仍然對(duì)聲學(xué)概念認(rèn)識(shí)不清、界線(xiàn)模糊。這種現(xiàn)象對(duì)提高聲頻工程質(zhì)量極為不利。本文想通過(guò)簡(jiǎn)單的描述，指出其中的問(wèn)題，澄清一些概念，拋磚引玉，希望能引起大家的重視，進(jìn)而作更深入的討論，以利于提高聲頻工程設(shè)計(jì)的整體水平，提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
一、功率放大器的儲(chǔ)備功率與揚(yáng)聲器標(biāo)稱(chēng)功率之間的關(guān)系
在聲頻工程中功率放大器的主要功能是放大信號(hào)并提供負(fù)載（揚(yáng)聲器系統(tǒng)）足夠的功率。功率放大器對(duì)音質(zhì)的影響主要取決于輸入信號(hào)能否在不失真的狀態(tài)下得到放大與傳輸，給負(fù)載以足夠大的功率。功率放大器放大和傳輸?shù)墓?jié)目信號(hào)不同于簡(jiǎn)諧信號(hào)，是一個(gè)瞬時(shí)變化的復(fù)雜信號(hào)。它具有很多尖峰，它們的能量不大，但是峰很尖、很高。這些尖峰對(duì)響度的貢獻(xiàn)很小，但對(duì)音質(zhì)的影響卻很大。如果發(fā)生削波，則放大的聲音聽(tīng)起來(lái)讓人感到發(fā)燥、發(fā)硬。如果只注意能量的傳輸（對(duì)應(yīng)的量為響度），而不注意傳輸過(guò)程中波形的變化，那么，我們有可能聽(tīng)到的聲音很響，但是不好聽(tīng)。根據(jù)多種樂(lè)器和不同劇種節(jié)目信號(hào)的調(diào)查結(jié)果[1]，大部分節(jié)目信號(hào)的較大均方根功率（即節(jié)目信號(hào)的峰——峰值在負(fù)載上的功率）與平均均方根功率（即節(jié)目信號(hào)在負(fù)載上的平均功率）之比為3～10，較高達(dá)12.7。如果功率放大器的額定功率對(duì)應(yīng)于節(jié)目信號(hào)的平均均方根功率，那么功率放大器的較大輸出功率應(yīng)為其3～10倍方能保證輸出信號(hào)不出現(xiàn)削波。這就是為什么我們選用功率放大器的功率要比放大節(jié)目信號(hào)的平均均方根功率大得多的緣由，這也是我們通常說(shuō)的功率儲(chǔ)備。我們?cè)谝恍┙榻B聲頻工程設(shè)計(jì)的文章中�？吹竭@樣的一些說(shuō)法：“為了保證功放所配接的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的安全，要求功放的額定輸出功率與所配接的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)功率相當(dāng)，為了保證足夠的功率儲(chǔ)備，通常選用揚(yáng)聲器功率的1.2～2倍的功率放大器”等。這樣的提法是否表明該系統(tǒng)已經(jīng)考慮了功率儲(chǔ)備或功率儲(chǔ)備已足夠了，不會(huì)出現(xiàn)削波現(xiàn)象了？事實(shí)上，功率放大器的功率與揚(yáng)聲器的功率不是同一概念。功率放大器的輸出功率一般是指一定失真限制條件上的正弦輸出功率。例如，廠(chǎng)家規(guī)定的總諧波失真為0.1%，當(dāng)功放在額定負(fù)載上的輸出信號(hào)達(dá)到該失真時(shí)的輸出電壓稱(chēng)為較大輸出電壓，用這電壓來(lái)計(jì)算功率放大器的輸出功率，就是功率放大器標(biāo)稱(chēng)的輸出功率，這也可以理解為該功放的較大輸出功率。而揚(yáng)聲器的標(biāo)稱(chēng)功率，廠(chǎng)家經(jīng)常提供的是粉噪功率，它是指在揚(yáng)聲器額定頻率范圍內(nèi)，饋給以規(guī)定的模擬節(jié)目信號(hào)，連續(xù)工作100小時(shí)而不產(chǎn)生熱和機(jī)械損壞的功率。顯然，這兩個(gè)功率是從完全不同的角度作出的規(guī)定和測(cè)試的，兩者是不可比的。如果廠(chǎng)家能提供揚(yáng)聲器的正弦功率（指用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)饋給的功率），則兩者有可比性，然而，廠(chǎng)家一般不提供這一數(shù)據(jù)。那么，對(duì)揚(yáng)聲器而言，揚(yáng)聲器的粉噪功率與正弦功率是否有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系呢？正確的答案是——沒(méi)有！揚(yáng)聲器的粉噪功率和正弦功率對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、不同材料和不同規(guī)格的揚(yáng)聲器完全不同，后者還與頻率有關(guān)。因此，我們可以說(shuō)在聲頻工程中用功率放大器的功率與揚(yáng)聲器標(biāo)稱(chēng)功率作比較以表征其功率儲(chǔ)備的方法是不可取的。 在擴(kuò)聲系統(tǒng)中聲場(chǎng)的不均勻度是一個(gè)很受關(guān)注的指標(biāo)�，F(xiàn)代聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)已經(jīng)能做到很高的水平，特別是有源音箱在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過(guò)精心的調(diào)試已相當(dāng)完美。但是，一放到廳堂中聲場(chǎng)依然起伏，其主要的原因是聲波的干涉。廳堂中聲干涉主要有兩類(lèi)：不同聲源之間的干涉和同一聲源的直達(dá)聲與反射聲之間的干涉。本文將從基本原理出發(fā)，介紹和分析聲波的干涉現(xiàn)象。希望能對(duì)了解和改善聲場(chǎng)的起伏有所幫助。
二、聲波的表達(dá)
為了形象地說(shuō)明波的產(chǎn)生，我們用繩子中傳播的波作為例子。假如有一根很長(zhǎng)的一端固定并被拉直的繩子，在x＝0處有一振動(dòng)源上下抖動(dòng)，由于繩子的彈性和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性，使得這振動(dòng)在平直的繩子中產(chǎn)生擾動(dòng)，這擾動(dòng)在繩子中的傳播就產(chǎn)生了波。如圖1所示。很顯然，這擾動(dòng)在繩子中傳播需要時(shí)間，設(shè)這傳播的速度為v。如果x＝0處振動(dòng)為y＝Acost，則在x軸上任一點(diǎn)r處的擾動(dòng)，應(yīng)該比x＝0處的擾動(dòng)滯后，滯后時(shí)間為t’＝r/v。所以在r處的振動(dòng)大小應(yīng)為（忽略初始相位），如圖一：
場(chǎng)館聲學(xué)大全（二）
三、擴(kuò)聲、混響與音質(zhì)的關(guān)系
混響是指室內(nèi)的聲源發(fā)聲停止后，在室內(nèi)的聲音經(jīng)過(guò)多次反射或散射而延續(xù)的現(xiàn)象。它反映了室內(nèi)聲能的衰變，這衰變與室內(nèi)的吸聲，反射和散射等有關(guān)。100多年前，美國(guó)物理學(xué)教授W.C.賽賓首先提出了用聲能衰減60dB所需時(shí)間，即混響時(shí)間來(lái)衡量廳堂的音質(zhì)，并提供了計(jì)算室內(nèi)混響的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)過(guò)后來(lái)的科學(xué)家研究，從擴(kuò)散聲場(chǎng)中聲能密度隨時(shí)間的衰減出發(fā)，在理論上推導(dǎo)出混響時(shí)間的表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)賽賓提出的公式正是平均吸聲系數(shù)ā<0.2時(shí)理論公式的近似。從而，使我們對(duì)賽賓公式有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。盡管100多年來(lái)，科學(xué)工作者提出了很多影響廳堂音質(zhì)的聲學(xué)參量，但是，至今混響時(shí)間仍然是廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)中惟一能定量計(jì)算的參量，也是一個(gè)公認(rèn)的較成熟的廳堂音質(zhì)的評(píng)價(jià)量。它是建筑聲學(xué)的一個(gè)重要的物理量，它反映了室內(nèi)聲能隨時(shí)間的衰減，以及不同頻率的聲能的衰減特性。盡管一個(gè)廳堂內(nèi)不同位置測(cè)得的混響時(shí)間可能有差異，可是世界著名的音樂(lè)廳內(nèi)的混響時(shí)間的空間標(biāo)準(zhǔn)偏差都很小，幾乎不大于0.1s。在不同位置的混響時(shí)間幾乎差不多，說(shuō)明廳堂內(nèi)的聲場(chǎng)很均勻。所以混響時(shí)間是一個(gè)很好的廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)量，它應(yīng)該與測(cè)量用的聲源無(wú)關(guān)，這在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展、廳堂的擴(kuò)大、觀(guān)眾人數(shù)的增多和電子技術(shù)的進(jìn)步，廳堂內(nèi)不可避免的需要用擴(kuò)聲系統(tǒng)。擴(kuò)聲與混響有什么關(guān)系呢？它對(duì)音質(zhì)有沒(méi)有影響？這正是我們要討論的問(wèn)題。首先，擴(kuò)聲系統(tǒng)主要的功能是放大從聲信號(hào)轉(zhuǎn)變來(lái)的電信號(hào)或重放已錄制的節(jié)目信號(hào)，把電信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)輻射出去，所以它沒(méi)有混響時(shí)間，但是，并不是說(shuō)它與混響無(wú)關(guān)。我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，在一個(gè)混響時(shí)間很長(zhǎng)的房間內(nèi)交談，如果兩人的距離較遠(yuǎn)，大聲講話(huà)反而聽(tīng)不清楚，兩人靠近，講話(huà)輕一點(diǎn)就可能聽(tīng)懂，這是因?yàn)閮扇丝拷边_(dá)聲加強(qiáng)了，盡管房間的混響沒(méi)有變。這說(shuō)明在混響很長(zhǎng)的地方可以通過(guò)增加直達(dá)聲來(lái)提高語(yǔ)言的可懂度。有一個(gè)例子，在西歐的教堂中莊嚴(yán)、肅穆，牧師講經(jīng)聲音洪亮，往往由于教堂內(nèi)吸聲不足，而混響時(shí)間很長(zhǎng)，在大教堂的后座聽(tīng)不清楚。電聲工作者在教堂內(nèi)柱子的側(cè)面安裝了由小揚(yáng)聲器組成的聲柱，朝向聽(tīng)眾，起到了很好的效果。從聲學(xué)角度看，采用小聲柱增加了揚(yáng)聲器系統(tǒng)的指向性，改善了覆蓋區(qū)域，增強(qiáng)了直達(dá)聲。從傳輸頻率范圍看，采用小揚(yáng)聲器輻射的頻率范圍比較窄，沒(méi)有低頻輻射，不會(huì)激發(fā)低頻混響，但是對(duì)于語(yǔ)言傳輸已經(jīng)滿(mǎn)足了要求。從輻射功率來(lái)看，小揚(yáng)聲器的輻射功率比較小，很快衰減不足以激發(fā)室內(nèi)的混響。揚(yáng)長(zhǎng)避短，克服了長(zhǎng)混響對(duì)語(yǔ)言的干擾。 在廳堂內(nèi)增加直達(dá)聲的強(qiáng)度可以減小廳內(nèi)混響的影響。從聲源發(fā)出的聲音到達(dá)聽(tīng)眾席的聲能由兩部分組成，一部分是直達(dá)聲能，一部分是混響聲能，它們的衰減特性。
在混響聲能為主的區(qū)域，當(dāng)聲源停止發(fā)聲，則聲能按照曲線(xiàn)AB衰減，衰減60dB所需的時(shí)間即為廳堂內(nèi)的混響時(shí)間。在直達(dá)聲為主的區(qū)域，當(dāng)聲源停止發(fā)聲時(shí)，直達(dá)聲能迅速降低，然后，以剩下的混響聲能按同樣的衰變率下降，如曲線(xiàn)CD。根據(jù)入耳的積分效應(yīng)，在直達(dá)聲為主的區(qū)域，感覺(jué)到的混響效果應(yīng)滿(mǎn)足△OEM和△ODC面積相等的條件。假設(shè)OB為衰減60dB所需的時(shí)間T60，則OE稱(chēng)為有效混響時(shí)間。顯然,OE<OB，直達(dá)聲為主的區(qū)域內(nèi)的有效混響時(shí)間一般比廳堂內(nèi)的T60要短。但是，主觀(guān)感覺(jué)上的差異還是有一定條件的，我們可以從理論上推導(dǎo)出：
Teff=T60•（1-lg）（1）式中，R為聲能比，R=混響聲能密度/直達(dá)聲能密度；T60為廳堂內(nèi)的混響時(shí)間，Teff為主觀(guān)感覺(jué)的有效混響時(shí)間。
為T(mén)Teff/T60與聲能比R的關(guān)系曲線(xiàn)。聽(tīng)眾感到的有效混響時(shí)間僅在R<1的區(qū)域才與T60有比較明顯的差別，當(dāng)R>1時(shí)有效混響時(shí)間的變化只有10%，實(shí)踐證明人耳是不能覺(jué)察到的。要求降低R值，必須增加直達(dá)聲能和降低混響聲能，前者可以通過(guò)加強(qiáng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的指向性Q值來(lái)達(dá)到，后者則必須通過(guò)增加廳堂內(nèi)的吸聲處理方能減小混響聲能的密度。
廳堂內(nèi)直達(dá)聲的覆蓋直接影響到聲源的有效作用距離。在室內(nèi)，靠近聲源的區(qū)域以直達(dá)聲為主，隨著離開(kāi)聲源的距離增加，直達(dá)聲能減小，混響聲能增加，當(dāng)混響聲能等于直達(dá)聲能處離開(kāi)聲源的距離稱(chēng)為臨界距離。它與廳堂聲學(xué)參量，以及揚(yáng)聲器的指向性的關(guān)系如下： V為室內(nèi)容積；Q為聲源的指向性因子；T60廳室內(nèi)混響時(shí)間。
在室內(nèi)為了保證語(yǔ)言傳輸?shù)那逦�，一般選擇揚(yáng)聲器系統(tǒng)的較大作用距離rmax=(2～3)Dc作為聲源的有效作用距離。從(2)式中可以看出在混響時(shí)間和容積一定的廳堂內(nèi)，增強(qiáng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的Q值，有利于擴(kuò)大直達(dá)聲的覆蓋區(qū)和增加臨界距離，提高聲源的有效作用范圍。如果廳堂的混響時(shí)間比較短，例如，多功能廳的聲學(xué)設(shè)計(jì)，為了適應(yīng)廳內(nèi)各種活動(dòng)的需要，一般將混響時(shí)間設(shè)計(jì)得都比較短。在這種情況，我們可以通過(guò)信號(hào)處理的方法，增加被傳輸信號(hào)的混響時(shí)間來(lái)改善音質(zhì)，避免因廳堂的混響時(shí)間太短而引起的聲音發(fā)干和單薄的感覺(jué)。當(dāng)擴(kuò)聲系統(tǒng)重放節(jié)目信號(hào)時(shí)，聽(tīng)音人感受到的混響由二部分構(gòu)成：一是因?yàn)殇浿频沫h(huán)境或節(jié)目需要加進(jìn)去的混響（假設(shè)混響時(shí)間為T(mén)1），由節(jié)目制作者選擇和調(diào)節(jié)的獲得較佳效果；另一部分是重放空間的混響時(shí)間（假設(shè)為T(mén)2）。聽(tīng)音人感受到的混響時(shí)間為[4]：T60′=（T13+T23）（3）因此，只有T2比較短，以T1為主方可體現(xiàn)出節(jié)目本身的混響特色。所以，節(jié)目審聽(tīng)室的混響時(shí)間一般都設(shè)計(jì)得比較短，以保證放音效果。較后要說(shuō)明的是擴(kuò)聲系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的聲缺陷。例如，廳堂內(nèi)有相互平行的大墻面，如果在廳內(nèi)發(fā)一脈沖聲，則在兩墻面之間會(huì)明顯地聽(tīng)到多次顫動(dòng)回聲，如果廳內(nèi)有凹形反射面，則在某一區(qū)域會(huì)形成聲聚焦，導(dǎo)致該區(qū)域聲音聽(tīng)不清楚。這些聲學(xué)上的缺陷無(wú)法用擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)消除，只有用聲學(xué)的方法去補(bǔ)救。例如，在平面墻面增加吸聲或掛大的畫(huà)面，破壞來(lái)回反射的條件或增加擴(kuò)散體等�？傊谝魳�(lè)廳和大劇院一類(lèi)的廳堂中必須以建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)為主，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)保證在場(chǎng)內(nèi)有合理的自然混響，良好的擴(kuò)散、均勻的傳輸特性，是決定音質(zhì)的先天條件，再加上高質(zhì)量的電聲系統(tǒng)以彌補(bǔ)自然聲的不足，擴(kuò)聲與混響兩者相輔相成，以自然聲為主，方能保證觀(guān)眾席有優(yōu)良的音質(zhì)。
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