廳堂語言清晰度的設計理念

文｜中國通廣電子公司 王 強 陳建利 田寶國

廳堂擴聲系統(tǒng)的設計，其目的是為觀眾席提供足夠大的聲壓級和足夠高的語言清晰度。

荷蘭聲學家Peutz歷經(jīng)十年，于1971年研究出的輔音清晰度損失率百分比，是設計、預測廳堂語言清晰度的理論依據(jù)。

廳堂聲學設計，其實質(zhì)是廳堂語言清晰度設計，是廳堂電聲和建聲設計的核心。廳堂五項聲學技術(shù)指標的設計和多種功能應用是圍繞保證語言清晰度的設計基礎的設備選取和優(yōu)化。

廳堂聲學設計的具體內(nèi)容，是由一個設計理念和四個設計，以及其他一些輔助設計組成的。本文主要闡述廳堂輔音清晰度的設計理念、廳堂建聲設計、廳堂電聲設計、仿真模型計算機輔助設計（即在設計階段檢驗廳堂聲學設計的語言清晰度和最大聲壓級的設計），以及為達到廳堂五項聲學特性指標所進行的設計和對擴聲系統(tǒng)設備的優(yōu)化和選取。

1 廳堂語言清晰度的設計理念

廳堂聲學設計理念，從技術(shù)發(fā)展來看，大致分兩類：一是臨界距離的設計，二是輔音清晰度損失率的設計。

1.1 臨界距離Dc

臨界距離Dc一般定義為揚聲器輻射的聲場中，平均直達聲能密度與平均混響聲能密度相等的點至聲源中心的距離。

式中，Q是揚聲器的指向性因子，R是房間常數(shù)。

臨界距離與直達聲場、混響聲場的關(guān)系如圖1所示。一般情況下，當廳堂的長度L≤3.16Dc時，其語言清晰度被認為是可接受的。

圖1 臨界距離與直達聲場、混響聲場的關(guān)系圖

1.2 實用的Dc公式

一個在實踐中比較實用的Dc公式如下：

式中，Q是揚聲器的指向性因子，V是廳堂體積，N是揚聲器數(shù)量，T60是廳堂建聲混響時間。

往往Dc越大，語言清晰度越高，因此在長混響的條件下，普遍采用直達聲能低于混響聲能6dB的方式為好。但是，從Dc公式中是看不出Dc和語言清晰度有何關(guān)聯(lián)的。

1.3 輔音清晰度損失率百分比理論

輔音清晰度損失率百分比理論是荷蘭聲學家Peutz于1971年在美國聲學雜志上發(fā)表的，其概念是人們講話發(fā)聲的母音，如a、i、u、e、o，比輔音b、p、m、f等輔音的能量高6dB左右（即4倍），而輔音是比較短促的聲音，一般是20ms左右，母音則為90ms左右，所以，往往會出現(xiàn)因輔音聽不清楚而影響語言清晰度的情況。輔音損失率越小，清晰度越高。為進行測量、設計，總結(jié)出以下兩條公式：

式中，STI是語言傳輸指數(shù)，可評價廳堂的語言清晰度；ALCONS%是輔音清晰度損失率百分比；D2是揚聲器至最遠觀眾席距離；T60是廳堂建筑聲學混響時間；Q是揚聲器的指向性因子；N是揚聲器數(shù)量；V是廳堂體積；M是臨界距離修正系數(shù)，一般取1。

公式③是清晰度和輔音清晰度損失率百分比的換算公式，用于測量。真正實用于建聲和電聲設計的是公式④。由公式③、公式④可知：

（1）語言清晰度STI越高，ALCONS%越小。一般取STI=0.45，即ALCONS%=15%為語言清晰度的臨界值；若ALCONS%＞15%，廳堂語言清晰度將難以保證。2008年北京奧運會場館，要求STI≥0.5，即ALCONS%≤11%，是較清晰的語言清晰度。

（2）從輔音清晰度公式ALCONS%來看，ALCONS%是由建聲、電聲兩個專業(yè)進行設計的。建聲的設計理念是：在V不變的情況下，建筑聲學T60

2越小越好；電聲的設計理念是：在揚聲器至觀眾席距離D2不變的情況下，揚聲器數(shù)量N越少，揚聲器Q越高，ALCONS%越小，語言清晰度STI越高。

因此，電聲和建聲可綜合互補設計。例如，在長混響時間T60（3～5s甚至更高）的環(huán)境條件下，可采用高Q值的揚聲器并減少揚聲器的數(shù)量N進行補償。采用線陣列揚聲器系統(tǒng)，既使在長混響條件下，仍可保證廳堂語言清晰度，就是最好的例子。

1.4 臨界距離Dc和輔音清晰度ALCONS%的公式

德國人W·阿諾特給出了一個臨界距離Dc和輔音清晰度ALCONS%的公式：

從該公式中可以明確看出，在建聲T60一定的情況下，臨界距離Dc越大，ALCONS%越小，語言清晰度越高。

但是，與公式⑤相比，通過公式④能夠更清晰地看出電聲和建聲與清晰度之間的關(guān)系。實際上公式⑤是公式②和公式④聯(lián)合解方程得出的結(jié)果。

縱觀廳堂聲學設計的幾個理念，我們認為輔音清晰度損失率百分比公式，即公式④是比較理想的。美國聲學專家唐·戴維斯贊稱說，這一公式每日每時在工程中得到應用和檢驗其理論之精確。我們在廳堂工程中的應用，也驗證了它的正確性和可靠性。與其他設計理念的公式相比，它明顯地展示出清晰度和電聲、建聲之間的關(guān)系，更直觀，更易于從建聲和電聲兩個專業(yè)進行設計。

2 廳堂語言清晰度的建聲設計

2.1 賽賓混響時間設計

（1）賽賓混響時間設計是人聲、自然聲、樂器聲為主要聲源的廳堂建聲設計理論。從公式④可直接看出ALCONS%和T60成正比的關(guān)系，混響時間的長、短影響ALCONS%大、小，即語言清晰度的劣、優(yōu)。

（2）在混響時間的設計中，依據(jù)國家標準，混響時間有一個允許范圍，如圖2所示。

我們在對建聲提出要求時或自行設計時，可要求得苛刻一些，盡量取允許范圍內(nèi)的下限值。

進行電聲設計時，混響時間可選取允許范圍的上限值，這樣的設計能使我們在語言清晰度設計中更主動?；祉憰r間短，清晰度很好；混響時間在允許范圍的上限，清晰度指標仍在可接受的范圍之內(nèi)。

圖2 不同容積的廳堂在頻率為500～1000Hz時滿場的合適混響時間范圍圖

2.2 有效混響時間設計理念

有效混響時間設計理念是前蘇聯(lián)人阿·納·卡切洛維奇在20世紀50年代提出的，經(jīng)歷50～100個電影院系統(tǒng)的實踐，證明是成功的理念。我們也曾在國內(nèi)多個廳堂的實踐中證明了它是先進的設計理念。

有效混響時間設計是使用電聲系統(tǒng)的廳堂中的建聲設計。在短混響時間條件下，保證語言清晰度沒有問題。縱然在長混響時間條件下，仍然可以保證語言清晰度，而且可以滿足廳堂的豐滿度。

如圖3所示，T3即廳堂的賽賓混響時間，Tэ為廳堂的有效混響時間。

式中，T1是幾何聲學概念，為0.15s；T2同賽賓混響時間一樣，是統(tǒng)計物理學概念。

對語言清晰度理論的研究表明：

（1）在使用擴聲系統(tǒng)的廳堂中，賽賓混響時間對語音清晰度無任何貢獻。

（2）采用有效混響時間的設計，混響曲線初始下降部分ΔL越大，語言清晰度越高。

圖3 有效混響時間示意圖

圖4 賽賓混響時間和有效混響時間的對比圖

如圖4所示，賽賓混響時間設計和有效混響時間設計是針對兩種不同聲源的兩個設計概念，有著本質(zhì)上的區(qū)別，設計效果也大相徑庭。有效混響時間設計的特點一是不改變?nèi)魏谓ㄖY(jié)構(gòu)，二是不要求任何體形，僅僅從吸聲材料胡布放和對多次反射聲的處理上著手，但其效果與賽賓混響時間設計相比有天壤之別。所以我們推薦大家在建聲設計時，應用有效混響時間設計理念。有效混響時間設計某種程度上可以對電聲設計進行補償，它的出現(xiàn)使得廳堂聲學設計更加自由。

3 廳堂語言清晰度的電聲設計

廳堂語言清晰度電聲設計，關(guān)鍵是揚聲器系統(tǒng)類別的選取和數(shù)量的確定，實質(zhì)上就是選揚聲器，這點尤為重要。國內(nèi)外名牌揚聲器眾多，設計者應依據(jù)公式④輔音清晰度損失率百分比理念，按照廳堂語言清晰度要求STI（換算成ALCONS%），在廳堂建聲T60一定，揚聲器數(shù)量N盡量少（在保證覆蓋廳堂觀眾席的基礎上）的條件下，求出所需的揚聲器指向性因數(shù)Q。

（1）揚聲器指向性因數(shù)Q值的大小可用公式④直接算出。比如，若要求廳堂語言清晰度STI≥0.45（即ALCONS%≤15%），其Q值的大小可按下式計算：

總之，依據(jù)清晰度的要求，在建聲、T60一定，電聲D2、N一定時，可求出揚聲器系統(tǒng)的Q值。

在揚聲器數(shù)量N和指向性因數(shù)Q已定的情況下，可以選取自己需要的品牌。需要注意的是，T60如取指標允許的上限值，Q值就一定要留有充分的余地，取得比較高一些為好。

（2）揚聲器指向性因數(shù)Q值的大小，可從產(chǎn)品說明書中選取。但是，多數(shù)產(chǎn)品的說明書往往不標注Q值，既使標有，也是某一頻段的平均值。在這種情況下，可以借助產(chǎn)品說明書中標注的DI指向性指數(shù)算出Q值（因為DI=lnQ）。另外，也可通過下式計算：

式中，α是揚聲器的水平指向性角度，β是揚聲器的垂直指向性角度。

但是，這種計算值往往不準確，僅供估算而已。

（3）真正準確的是EASE4.1數(shù)據(jù)庫中的Q值頻響變化曲線。它是廠家的實驗室測試數(shù)據(jù)，是搭建仿真模型的依據(jù)，因此應該是很準確的。我們關(guān)心的是500Hz、1000Hz、2000Hz的指向性因數(shù)Q值，因為它們對清晰度的影響最大。

一般廳堂的會議語言擴聲系統(tǒng)，在聲源揚聲器的Q值滿足要求，數(shù)量N最少，經(jīng)EASE4.1仿真設計或計算出來的ALCONS%值較小的情況下，就可采用；而容積大、混響時間長的，重要的會議大廳，則采用性價比高的線陣列揚聲器比較穩(wěn)妥。

4 計算機仿真模型設計

（1）仿真模型軟件的作用，實際上就是依據(jù)公式③和公式④，利用計算機編程，對廳堂內(nèi)的電聲和建聲綜合造成的語言清晰度和最大聲壓級進行實時分析。

因為依據(jù)理念是正確的，模型結(jié)構(gòu)建造也比較準確，仿真模型對廳堂的語言清晰度設計是具有重要的參考價值的。借助仿真模型的幫助，在圖紙設計階段，就能預測廳堂語言清晰度的優(yōu)劣，為進一步完善、改進建聲和電聲設計方案提供充分的依據(jù)。尤其是在長混響環(huán)境下，有純粹理論計算等無法預料其影響的梳狀濾波干擾出現(xiàn)的時候，仿真模型就更是確定、完善方案，預測其語言清晰度的關(guān)鍵、必要的一步。

（2）模型應盡量建造的細致、準確。模型細致、準確程度對仿真模型的意義主要表現(xiàn)在對廳堂空間容積和建聲混響時間T60的準確度的影響上。

（3）如果已知建聲設計，就可以根據(jù)廳堂空間容積內(nèi)各立面不同的面積，將吸聲材料布放得比較合理。如只知道要求的混響時間，只能作一般的布放而已。

（4）揚聲器懸吊的要點在于，一定要在馬道位置上，否則揚聲器的聲場將受到影響。

（5）對于廳堂建聲，一般應取國家標準GB/T 50356中相應體積所對應的，混響時間的上限，甚至可以在此基礎上留有一定的余量。

原則上，在設計階段，應對建聲取較惡劣的條件，長一些混響時間T60；電聲采用Q值較高，N較少的揚聲器系統(tǒng)。這樣的設計留有充分的余地。建聲做得好，混響時間T60短，清晰度自然能夠符合要求；即使建聲未達標或者超標，因為有電聲的補償，仍能保證廳堂語言清晰度在可接受的范圍內(nèi)。

（6）仿真模型設計，應該具有：

①T60混響時間曲線，能明確顯示容積的大小及500Hz、1kHz混響時間值的曲線圖。

②廳堂模型結(jié)構(gòu)前視圖、俯視圖、側(cè)視圖、立體圖等，應能使人對廳堂結(jié)構(gòu)體形、揚聲器布置一目了然。

③語言清晰度曲線，應具有500Hz、1kHz、2kHz的STI、ALCONS%圖。

④最大聲壓級曲線，應具有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz 的曲線圖。

⑤通過計算機仿真模型設計得出的，語言清晰度、最大聲壓級、聲場均勻度等技術(shù)指標的驗證結(jié)論。

5 廳堂五項技術(shù)指標的設計及其多種功能的實現(xiàn)

五項技術(shù)指標的設計，是保證廳堂語言清晰度的必要條件，其實質(zhì)也是語言清晰度的設計。

5.1 最大聲壓級

首先，要明確是在重放而不是擴聲情況下的測量。其次，只要距揚聲器最遠觀眾席的直達聲壓級符合要求即可。再次，寬頻帶粉紅噪聲的峰值因數(shù)一般取6dB。《廳堂擴聲系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB 50371-2006）將最大聲壓級定義為最大峰值聲壓級的平均值。以峰值因數(shù)（1.8～2.2）限制的額定通帶粉紅噪聲為信號源，其最大峰值聲壓級為RMS（有效值）聲壓級的長期平均值，加上20倍的，以10為底峰值因數(shù)的對數(shù)，即：

另外，必須考慮功放至揚聲器之間的線路損耗：盡量選取傳輸電阻小，電流容量大的電纜；使功放功率大于揚聲器功率（計入線路電纜損耗）。這樣不僅能保證觀眾席的最大聲壓級，而且可以保障瞬態(tài)音質(zhì)。

5.2 傳輸頻率特性

（1）應盡量選取頻率響應特性曲線平坦的傳聲器、揚聲器組，尤其是揚聲器組，以選取恒指向性頻率響應為好。

（2）擴聲系統(tǒng)電氣系統(tǒng)特性指標應符合要求。

（3）擴聲系統(tǒng)中，每一支主揚聲器之前都有一組數(shù)字音頻處理器DSP與之對應，其中應具有音量、分頻、壓限、均衡、參數(shù)均衡、延時、位相等功能模塊可供使用，以便調(diào)整揚聲器覆蓋的觀眾席聲場，保證其頻率響應達到要求。

5.3 傳聲增益

保證擴聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證語言清晰度的前提：

（1）傳聲器可選用指向性可變傳聲器，可根據(jù)廳堂、報告廳內(nèi)的具體情況使用不同的指向方式。

（2）利用自動混音臺8入/1出或串聯(lián)使用的功能，保證無論有多少路輸入，始終只有一路輸出給調(diào)音臺。此外，混音臺應具有NOM功能，即當有人插話，發(fā)言人數(shù)增加時，其輸出電平按10lgNOM衰減，從而保證廳堂、報告廳觀眾席聲壓級基本不變。

（3）選配具有數(shù)量可選取的多抑制點的自動反饋抑制器AFS，如2入/2出的DFR-22EQ等，可抑制任何惡劣建聲造成的反饋嘯叫，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。建議將AFS插入調(diào)音臺編組使用，這樣既可抑制嘯叫，又不影響重放音樂音質(zhì)。

（4）為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每路功放都要有C/L（壓/限）功能，能夠進行信號過載保護。

5.4 聲場不均勻度

聲場不均勻度是廳堂、報告廳觀眾席各點在頻率為1KHz、4KHz時的聲壓級變化。它基本上是對揚聲器系統(tǒng)對觀眾席的覆蓋是否合理的反映，實質(zhì)上也是對觀眾席語言清晰度的反映。如果觀眾席傳輸頻率特性達標，廳堂、報告廳的聲場均勻度達標便不成問題。語言信號在傳輸中被高通濾波器去除1kHz以下的頻率成分之后，語言清晰度仍為93.8%，這是應該明確的。

5.5 系統(tǒng)總噪聲級

（1）設計中使用帶降噪聲均衡器或數(shù)字音頻處理器DSP，其動態(tài)范圍超過100dB。擴聲系統(tǒng)不可能出現(xiàn)噪聲。

（2）如果地線連接正確，擴聲系統(tǒng)是不會產(chǎn)生噪聲的。

6 結(jié)束語

封閉空間的輔音清晰度損失率百分比的設計理念不僅適用于使用擴聲系統(tǒng)的廳堂、劇場、電影院，而且也適用于使用擴聲系統(tǒng)的體育場館的設計。我們曾在北京六十五中禮堂、中國五礦禮堂、昌平禮堂、外經(jīng)貿(mào)大學千人圖書館禮堂、北京語言大學逸夫樓多功能廳、棗莊會展禮堂、長春國際會議中心、京都信苑飯店多功能廳，以及2008年北京奧運會英東游泳館、壘球場、國家訓練基地，乃至湖南省十運會一場兩館、第十二屆全運會淄博體育場、天津南開大學體育館、天津大學體育館等幾十個廳堂場館工程中使用輔音清晰度理念進行設計。這些工程的擴聲系統(tǒng)都有很好的效果，都得到了用戶的認可和贊許。

總之，廳堂場館的聲學設計盡管存在著多種理念，但各種理念的目標都是保證廳堂的語言清晰度。我們應該以保證語言清晰度為核心，依據(jù)輔音清晰度損失率百分比的設計理念進行設計：正確認識和實施建聲和電聲綜合互補的語言清晰度設計，運用計算機仿真模型模擬和檢驗語言清晰度的設計，利用五項指標來保證廳堂語言清晰度設計的成功（并保證相應的多種功能應用的實現(xiàn)）——這樣的設計才能立于不敗之地。

另外，廳堂語言清晰度設計理念同樣適用于廳堂場館的聲學技術(shù)改造。對那些語言清晰度不達標的廳堂場館進行電聲補償設計改造，可以獲得令人滿意的效果和清晰度指標，是個經(jīng)濟實用、事半功倍、值得推行的設計理念。

1 沈壕.擴聲技術(shù).中國科技出版社

2 王季卿.建筑廳堂音質(zhì)設計.天津科學出版社

3 [德國]阿諾特.擴聲技術(shù)原理及其應用.王季卿，趙其昌

4 [前蘇聯(lián)]阿.納.卡切洛維奇，耶.耶.霍穆托夫.電影院聲學與建筑學.陳繹勤.中國電影出版社