江陰西城鋼鐵多功能大會堂的聲學(xué)設(shè)計分析

丁 雷， 劉 寶，楊月飛

(1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405; 2. 江陰崇德電子有限公司，江蘇 江陰 214412)

江陰西城鋼鐵多功能大會堂的聲學(xué)設(shè)計分析

丁 雷1， 劉 寶2，楊月飛2

(1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405; 2. 江陰崇德電子有限公司，江蘇 江陰 214412)

介紹了江陰西城鋼鐵多功能大會堂擴聲工程的建聲和電聲設(shè)計，說明了設(shè)計的方法與思路，對系統(tǒng)方案的選擇、聲學(xué)測試等過程進(jìn)行了詳細(xì)論述，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。聲學(xué)仿真結(jié)果表明，該公司多功能大會堂的聲學(xué)設(shè)計在混響時間、語言清晰度、聲場不均勻度等方面都達(dá)到了良好的廳堂音質(zhì)水平。

多功能廳；聲學(xué)設(shè)計;建聲；電聲；聲學(xué)測試

江陰西城鋼鐵有限公司是江陰市重點企業(yè)，該公司于2012年新建了一座多功能大會堂，可舉行各類大中型會議，并可開展各類報告演講、文藝演出、大型晚會等活動。

該會堂為單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),東西長65m,南北寬45m，人字形屋頂，最高處13.5m。主廳長度53m，寬度36m，面積近2000m2，吊頂高度9.2m。觀眾席共有35排，分為前后兩區(qū)，前區(qū)共16排，前后總起坡為0.76m，分4層，平均起坡0.19m，后區(qū)觀眾席共19排，前后總起坡1m，分5層，平均起坡為0.2m。每排有47個座位，座椅左右距離0.6m，前后距離0.9m,擁有固定座位1645席，如圖1所示。

圖1 西城大會堂平面圖

1 設(shè)計要求

該大會堂功能是以會議為主，兼顧文藝演出，因此對聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計首先要確保擴聲的語言均勻度和清晰度，其次需滿足演出時音樂豐滿度。其聲學(xué)設(shè)計依據(jù)GB/T 50371-2006中多用途類擴聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)，要求達(dá)多用途類一級傳輸頻率特性，具體要求參見表1。

表1 西城大會堂擴聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)

2 建聲設(shè)計

2.1設(shè)計依據(jù)

大會堂的聲學(xué)設(shè)計包括建聲和電聲兩個方面。首先要做好建筑聲學(xué)的設(shè)計，使其混響時間合理，聲音擴散性好，無聲聚焦、陰影區(qū)，可聞?wù)駝釉肼暤热毕荨Ｆ渲谢祉憰r間是音質(zhì)評價的最重要指標(biāo)，根據(jù)GB/T 50371-2006中的要求，中頻500～1000Hz滿場時, 混響時間應(yīng)處于圖2所示適合范圍內(nèi)[1]。

圖2 大會堂中頻混響時間

大會堂的基礎(chǔ)和墻面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，觀眾廳的容積達(dá)12980m3，人均容積7.8m3，設(shè)計中頻混響時間T60=1.2±0.1(s)，依據(jù)伊林-努特生公式

式中K是與聲速有關(guān)的參數(shù)，這里取0.161，S是室內(nèi)總表面積，V是室內(nèi)容積，ā是室內(nèi)表面吸聲系數(shù)，混凝土為0.02，4m是空氣吸收系數(shù)，這里取0.03，可算出廳內(nèi)T60=4.15s，實測為3.9s，顯然不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，各頻段實測混響時間如表2所示。

表2 西城大會堂未處理前各頻段混響時間

從上述分析可看出如不做建聲處理，大會堂是不能直接使用的，其人均容積超過了標(biāo)準(zhǔn)中5m3/座的上限，須經(jīng)建筑聲學(xué)的設(shè)計與裝修，進(jìn)行聲擴散與聲吸收的處理。經(jīng)計算，整個大會堂所需吸聲量約為1580m2。

2.2建聲處理

2.2.1 觀眾廳處理

觀眾廳為大會堂主要區(qū)域，面積很大且層高較高，混響半徑短，聲學(xué)混響時間長，直達(dá)聲很難清晰到達(dá)聽眾耳朵，因此要進(jìn)行吸聲及聲擴散處理，以提高語言的清晰度。

大會堂地面為環(huán)氧樹脂，吸聲量不大，建筑吸聲處理主要在頂棚與四周墻壁上。運用不同穿孔率與空腔的共振吸聲結(jié)構(gòu)體作為調(diào)節(jié)各頻段吸聲量的主要措施, 空腔內(nèi)填多孔的棉氈或玻璃棉以擴展吸聲頻段及增大吸聲系數(shù)。大會堂屋頂呈扇形，平面正放四角椎網(wǎng)架，現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面板，能滿足建筑保溫與聲學(xué)隔音等使用要求。在觀眾廳的上方采用鋁合金面板吊頂，主龍骨吊桿間距為1.3m，主龍骨間距0.95m，下掛900mm寬針孔掛勾式鋁合金板，板表面開針孔，孔徑Φ=3.3mm，孔中心矩7.8mm，穿孔率27.8%，板后貼阻燃玻璃纖維吸音無紡布，140g /m2，降噪系數(shù)NRC≥0.8，對低頻有很強的共振吸聲效果，對中高頻具有一定的反射作用，如圖3所示。

圖3 西城大會堂立面圖

大會堂墻面吸聲采用了中密度木質(zhì)吸聲穿孔板，穿孔板自身并無太大吸聲作用，但其后部留有空腔時，木孔板與空氣層就會形成共振吸聲體，其吸聲特性與木板穿孔率、空腔的深度及板后填充材料的吸聲系數(shù)有關(guān)[2]。

經(jīng)過選擇與測試，大會堂兩側(cè)墻面吸聲板厚度為25mm，條寬18mm,槽寬4 mm，面槽中心距20mm，吸聲板后貼黑色玻纖氈，填充容重為24kg/m3，厚度50mm玻璃棉，吸聲板墻后留空腔150mm。觀眾席后方墻面吸聲板厚15mm，空腔50mm，和側(cè)墻有所區(qū)別，主要防止吸聲頻率集中單一而過量吸收。吸聲板穿孔率選擇為15%，可以防止室內(nèi)音頻高頻段吸聲過大而導(dǎo)致混響時間偏短。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。大會堂窗戶上掛專用吸聲窗簾，起到裝飾、遮光、吸聲的作用。

圖4 木質(zhì)穿孔吸音板構(gòu)造

座椅的吸聲量約占觀眾廳內(nèi)總吸聲量的一半，對廳內(nèi)聲學(xué)指標(biāo)影響重大。對座椅坐墊材料的厚度、椅罩的流阻、距離流阻，坐墊背板的吸聲性能、靠墊背板高出靠墊部分的反聲性能等都需進(jìn)行選擇與測試。在該處選用軟包定型海綿橋式排椅，座墊厚50mm,流阻r=13kPa·s/m，椅罩流阻r=1.3kPa·s/m，座椅下部采用穿孔膠合板覆蓋，背部貼30mm吸音棉(r= 9kPa·s/m)，設(shè)計時要使空場時座椅的吸聲量與滿場時觀眾的吸聲量基本相同。

2.2.2 舞臺處理

大會堂舞臺為鏡框式，臺口寬度14.5m，進(jìn)深12.3m，臺高0.8m，如圖1所示。因該大會堂要經(jīng)常舉行各類文藝匯演，所以對舞臺的聲學(xué)處理非常重要。舞臺聲場主要由直達(dá)聲、早期反射聲與延時反射聲構(gòu)成，演員的主觀感覺與這三部分能量構(gòu)成有關(guān)，尤其是直達(dá)聲與早期反射聲的聲壓級和延時會直接影響演員的表演。而延時反射聲分為來自舞臺內(nèi)的高階次反射聲與從觀眾廳反射回的聲能，對其處理一方面要避免對演員的干擾，二是要有助于發(fā)揮聲音的藝術(shù)表現(xiàn)力，起到美化的作用。

因此大會堂舞臺聲學(xué)處理應(yīng)考慮兩點：一是保證合適的舞臺聲支持與返聽延時要求；二是設(shè)計與觀眾廳相匹配的混響時間及頻率特性。舞臺區(qū)音質(zhì)以清晰為主, 以滿足語言清晰度的要求，同時可減輕擴聲系統(tǒng)抑制回聲反饋的壓力。

臺口天花與側(cè)墻設(shè)計成面向觀眾廳的擴展型，側(cè)墻外貼弧形聚酯纖維吸聲板，由下到上逐漸增大傾斜角度，可為大會堂前廳提供更多的早期側(cè)向反射聲以改善音質(zhì)。臺內(nèi)墻面采用木質(zhì)槽孔吸聲板，板后連續(xù)變化的空腔可擴展有效吸聲頻率范圍。舞臺吊頂采用輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)，距離屋面2.5m，可方便安裝風(fēng)管及其他設(shè)施，框架上固定安裝吸聲板，減少風(fēng)機的擴散噪聲，并吸收舞臺上的多余混響聲，以提高吸音效率[3]。

經(jīng)過合理的建聲處理后，大會堂的混響時間大幅下降，再配以合適的電聲系統(tǒng)，完全可達(dá)設(shè)計要求，觀眾廳各位置都能清楚聽到舞臺聲，確保了語言的可懂度與清晰度。

3 電聲設(shè)計

3.1系統(tǒng)定型

在做電聲系統(tǒng)設(shè)計前先要確定大會堂的擴聲方式。如采用分散擴聲，揚聲器距離觀眾近，直達(dá)聲能比例高，可采用聲壓級較小的揚聲器系統(tǒng)。但分散擴聲屬于點聲源，輻射聲波近似球狀波，在垂直與水平方向上擴展，距離增加一倍，聲強變?yōu)樵瓉淼?/4，聲壓級衰減6dB。而集中擴聲可采用吊裝線陣的方法，在臨界距離內(nèi)，線陣輻射的聲波近似柱狀，僅在水平方向擴展，因此距離增加一倍，聲強變?yōu)樵瓉淼?/2，聲壓級衰減3dB。而且線陣指向性強，可彌補遠(yuǎn)場聲壓級衰減過多的問題，使得室內(nèi)聲場分布均勻，并有效降低大會堂內(nèi)混響時間，提高整個擴聲系統(tǒng)的傳聲增益[4]。大會堂線陣吊裝示意圖如圖5所示。

圖5 西城大會堂線陣吊裝示意圖

3.2設(shè)備選擇

該大會堂的電聲系統(tǒng)選用了LAX(銳豐)品牌。主擴聲線陣兩組選用16只LAX AT312，該線陣采用外置三分頻設(shè)計，方便分頻點的選擇(在此工程中根據(jù)粉紅噪聲頻率測試選擇在195Hz和1.85KHz)，中頻靈敏度為104dB，最大聲壓級可達(dá)133dB。該線陣揚聲器單元為非軸對稱結(jié)構(gòu)，中低頻單元距離近，不會產(chǎn)生因波程差導(dǎo)致相位差而出現(xiàn)的干涉波，音質(zhì)失真小。低音單元選用了LAX AT218B，采用4寸音圈內(nèi)外繞雙層銅音圈結(jié)構(gòu)，18寸大功率輸出低音驅(qū)動器，低頻最低下潛至30Hz，吊裝在線陣最下端。

大會堂臺口寬度達(dá)14.2m，為使坐在前排中間的觀眾保持聲像定位一致，在此安裝了2只臺唇揚聲器，選用LAX TH812兩分頻單12寸全頻音箱，該揚聲器結(jié)構(gòu)緊湊，輸出聲壓大，最大聲壓級可達(dá)126dB。

舞臺返聽揚聲器對演員演出很重要，因為返聽的聲壓一定要大于主擴聲反射回舞臺的聲壓，要讓演員對自己的音色有真實監(jiān)聽，增強臨場感。返聽揚聲器功率設(shè)為主揚聲器功率的15%，選用LAX CK12兩分頻同軸12寸全頻音箱，采用小波分析技術(shù)，聲場相位控制精確，最大聲壓級可達(dá)123dB，完全可滿足舞臺返聽需求。

與線陣配合使用的數(shù)字音頻處理器選用LAX DSP4000,對揚聲器單元的頻率特性進(jìn)行補償，每個輸入輸出通道設(shè)有電平控制、高低頻濾波器，參數(shù)均衡器、可實現(xiàn)靜音與實時延遲等，能控制和調(diào)整多束聲波以覆蓋不同的觀眾區(qū)。最后將信號送入各自對應(yīng)的通道進(jìn)行功率放大，推動揚聲器單元發(fā)聲，擴聲系統(tǒng)連接如圖6所示[5]。

圖6 西城大會堂擴聲系統(tǒng)連接圖

4 聲學(xué)測試

工程后期，參照GB/T 4959 -2011《廳堂擴聲特性測量方法》相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，對大會堂擴聲系統(tǒng)的各項聲學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試都是在空場情況下進(jìn)行的。測試設(shè)備配置包括無指向傳聲器、揚聲器、B&K4220聲學(xué)測試儀、十二面體點無指向聲源、聲級計、電腦及DIRAC建筑聲學(xué)測試軟件等，激勵信號源采用正弦掃頻信號[6]。

4.1混響時間

按照測試要求，將無指向性聲源置于舞臺中間，距地面1.5m，傳聲器距觀眾席地面1.2m，在距聲源4.0m以外選取24個測試點,前后半場各12個，每點各測3組數(shù)據(jù)取其平均值，混響時間實測曲線如圖7所示。從測試結(jié)果可看出，大會堂混響時間特性曲線中高頻平直光滑,低頻適度提升,中頻500Hz及1000Hz混響時間達(dá)到預(yù)期設(shè)計值1.2±0.1(s)的要求。

圖7 大會堂混響曲線

4.2最大聲壓級

采用電輸入窄帶噪聲法，將1/3倍頻程粉紅噪聲信號輸入調(diào)音臺線路輸入口，在觀眾廳內(nèi)選取24個點，點位與混響測試點相同，結(jié)果如表3所示。

表3 最大聲壓級測量數(shù)據(jù)

表3的測試結(jié)果表明，額定通頻帶內(nèi)聲壓級均大于103dB，125～6300Hz頻段的最大聲壓級為109.3dB，符合設(shè)計時最大聲壓級大于或等于103dB的要求。

4.3聲場不均勻度

采用窄帶噪聲電輸入測試法，12面體無指向性聲源放在臺口的中心線上，發(fā)出穩(wěn)態(tài)粉紅噪聲，在觀眾廳內(nèi)每隔3米進(jìn)行測試，每排測2個點，共計30個點， 測試結(jié)果如表4所示。

表4 聲場不均勻度測量數(shù)據(jù)

表4的測試結(jié)果表明，1kHz大聲壓級差小于6dB，為5.0dB，而4 kHz最大聲壓級差小于8 dB，為6.3 dB，優(yōu)于設(shè)計要求。

4.4傳聲增益

采用聲輸入法，在不使用聲反饋抑制器的情況下進(jìn)行，點位同最大聲壓級測試點，測量結(jié)果如表5所示。

表5 傳聲增益測量數(shù)據(jù)

表5的測試結(jié)果表明，125～6300Hz的傳聲增益平均值為-5.0dB，大于設(shè)計要求的-8dB。

4.5傳輸頻率特性

表6 傳輸頻率特性測量數(shù)據(jù)

采用聲輸入法，測試點位與聲場不均勻度的測試點相同，結(jié)果如表6所示。

從表6的測試結(jié)果可以看出，以125～630Hz平均特性聲壓級為0dB計算，傳輸頻率特性偏差-1.6 dB～+3.0dB，達(dá)到表1的設(shè)計要求。

4.6系統(tǒng)總噪聲級

在無有用聲信號輸入情況下，將擴聲系統(tǒng)增益調(diào)至最大，在揚聲器前聽不見系統(tǒng)噪聲，測量其噪聲頻譜，與擴聲系統(tǒng)關(guān)閉時測得的噪聲頻譜基本相同，系統(tǒng)背景噪聲為NR30，說明擴聲系統(tǒng)本底噪聲很低，應(yīng)在NR20以下。

5 結(jié)束語

經(jīng)過多方測試，結(jié)果表明，該大會堂的聲學(xué)設(shè)計與構(gòu)建比較成功。該大會堂采用集中擴聲方式，聲音清晰度高，聽感自然，聲像一致。由于使用了線陣，前后排觀眾區(qū)的聲壓級與均勻度都達(dá)到了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

該大禮堂的聲學(xué)系統(tǒng)在滿足會議要求的標(biāo)準(zhǔn)上也可以滿足文藝演出的需要，這樣合二為一的做法較傳統(tǒng)的演出和會議擴聲分別配置的做法，大大提高了設(shè)備使用率，節(jié)省了投資。2012年12月，西城鋼鐵客戶年會在新落成的大會堂隆重召開，并舉辦了盛大的文藝晚會，由著名央視主持人柴璐、水均益主持，并邀請了毛阿敏、騰格爾等明星，主持人、演員和觀眾均對該大會堂的環(huán)境和音響效果給與了充分認(rèn)可。該大會堂現(xiàn)已作為西城鋼鐵主要的會議與活動場所，本次聲頻工程設(shè)計與構(gòu)建非常成功，達(dá)到了預(yù)期的使用要求。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T 50356-2005劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，2005.

[2] 杜功煥.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：南京大學(xué)出版社，2001:90-110.

[3] 樂意，趙其昌. 大型廳堂的建筑聲學(xué)設(shè)計方法研究[J].南京大學(xué)學(xué)報，2011，47(2):208-217.

[4] 孟憲功.寧夏人民會堂擴聲系統(tǒng)升級改造[J].寧夏工程技術(shù)，2008，7(3)：267-271.

[5] 丁雷.華西龍希國際大酒店宴會廳聲學(xué)設(shè)計[J].電聲技術(shù)，2012，36(8)：12-17.

[6] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T4959 -2011廳堂擴聲特性測量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

(責(zé)任編輯：張凱兵)

AcousticDesignofSoundReinforcementSystemofJiangyinXichengGangtieMulti-functionHall

Ding Lei1, Liu Bao2,Yang Yuefei2

(1.JiangyinPolytechnicInstitute，Jiangyin,Jiangsu214400,China; 2.JiangyinChongdeElectronicsCo.,Ltd，Jiangyin,Jiangsu214412,China)

This paper introduces the architectural acoustic and electroacoustic design of sound reinforcement system at Jiangyin Xicheng Gangtie multi-function hall, illustrates the method and way of thinking employed, dewells upon the selection of system scheme and acoustic test, and makes an analysis of the results. The simulated results of acoustic system showed that the proposed design can achieve perfect performance on reverberation time, language articulation, and irregularity of sound field.

multi-function hall；acoustics design；architectural acoustic；electroacoustic；acoustic test

TB54

A

2095-4824(2013)06-0030-06

2013-09-12

丁 雷(1976- )，男，江蘇高郵人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系講師。

劉 寶(1986- )，男，江蘇睢寧人，江陰崇德電子有限公司助理工程師。

楊月飛(1981- )，男，江蘇高郵人，江陰崇德電子有限公司助理工程師。