國家體育場建筑聲學及擴聲系統(tǒng)設計

陳懷民

國家體育場“鳥巢”是2008北京奧運會的主會場，能容納91 000名觀眾，在這里要進行開閉幕式及其他一些比賽項目。筆者有幸參與了國家體育場的建筑聲學及擴聲系統(tǒng)設計的相關工作，在此作簡單的介紹。

1? 概述

國家體育場位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為2008年第29屆奧林匹克運動會的主體育場。工程總占地面積21公頃，建筑面積258 000m2。場內(nèi)觀眾坐席約為91 000個，其中臨時坐席約11 000個。這里將舉行奧運會、殘奧會開閉幕式、田徑比賽及足球比賽決賽。奧運會后將成為北京市民廣泛參與體育活動及享受體育娛樂的大型專業(yè)場所，并成為具有地標性的體育建筑和奧運遺產(chǎn)。

1.1 國家體育場的部分基本數(shù)據(jù)

東邊看臺最后一排到西邊最后一排的距離約260 m，南北約270 m;體育場挑棚長度約為68 m;挑棚由上下兩層膜構成，即固定于鋼結構上弦的透明的ETFE膜和固定于下弦的PTFE膜;下層膜為具有一定的吸聲性能的膜結構;兩層膜之間的距離為13 m，膜下方的體積為1 900 000 m3，總表面積約160 000 m2;整個吊頂覆蓋面積為42 000 m2，當中開口面積為18 000 m2。

在內(nèi)層膜的下方吊掛著揚聲器組，這些揚聲器組距離第一排觀眾約41 m，距離中層看臺為38 m，距離上層看臺最后一排為68 m。西挑棚下吊裝覆蓋比賽場地的揚聲器組，距東看臺第一排134 m，從西挑棚揚聲器發(fā)出的聲音到達東看臺第一排，與東挑棚上面的揚聲器發(fā)出的聲音到東有臺第一排相比，時差約為350 ms。若以點聲源來算，指向性因數(shù)按4計，場內(nèi)混響時間按4 s計，混響半徑約為80 m?90 m。

1.2 奧組委的技術要求

奧組委的對國家體育場的擴聲要求是要建最好的體育場，最大聲壓級要求達到106 dB，語言清晰度指數(shù)STI要求達到0.6，能滿足奧運賽時語言兼顧音樂擴聲的要求。

2? 國家體育場聲學設計與測量結果

國家體育場聲學設計工作主要分三個方面：一是對體育場內(nèi)、外環(huán)境噪聲進行評估;二是控制混響時間;三是控制聲缺陷。

2.1 噪聲評估與控制

影響國家體育場的主要噪聲來自北京的北四環(huán)路的交通噪聲，在國家體育場外約為60 dB（A）?65 dB（A）;而在場內(nèi)約為55 dB（A）。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，類似“鳥巢”這樣大的一個體育場內(nèi)觀眾躁聲大概為：觀眾安靜地觀看比賽時，噪聲約為60 dB（A）?65 dB（A）;觀眾在看比賽時議論的時候，大概是70 dB（A）?75 dB（A）;在觀眾歡呼的時候，大概是90 dB（A）?95 dB（A）;在觀眾尖叫的時候，大椐是100 dB（A）。由此可見，場內(nèi)環(huán)境噪聲55 dB（A）不足以影響場內(nèi)的比賽及其他活動。

同樣，在國家體育場內(nèi)有活動的時候，如舉辦體育比賽、文藝演出時，對外界的影響，特別是對“水立方”的影響如何？測量顯示，“鳥巢”內(nèi)觀眾歡呼時，噪聲到“水立方”處約為60 dB（A），和馬路上的交通噪聲差不多，因此，對水立方的使用基本不影響。

對“鳥巢”雨噪聲的測試是在2008年4月初的某次中雨時進行的，約為65 dB（A）?75 dB（A）。這是在體育場內(nèi)觀眾席上測到的數(shù)據(jù)，大致與觀眾在議論時噪聲等級差不多，是一個可接受的程度。大雨時所有比賽與活動均會暫停。

2.2 測量結果

2.2.1? 混響時間

在建聲設計之時，采用了ODEON的軟件和EASE的AURA程序進行模擬，在空場的時候，混響時間500 Hz約為3.71 s，1kHz約為3.62 s，2 kHz約為3.2 s;滿場時的混響時間500 Hz約為3.1 s，1 kHz約為2.8 s，2 kHz約為2.5 s。實際測試結果，空場混響時間500 Hz約為4.1 s，1 kHz約為3.8 s，2 kHz約為3.1 s，與預測的數(shù)據(jù)基本一致。測量時，體育場草皮還未鋪，部分看臺座椅未裝，因此，最后的實際情況可能還會稍微好一點。

2.2.2? 語言清晰度STI

對于語言清晰度STI值，奧組委的要求為：滿場時0.6。經(jīng)軟件分析，空場時可達0.52，80%滿場情況下可達0.6。實際測量，空場情況下達到0.54。

2.2.3? 最大聲壓級

實測的最大聲壓級為109 dB，達到并超過了奧組委的要求。

3? 擴聲系統(tǒng)的特點

3.1 系統(tǒng)的安全性的考慮

國家體育場擴聲工程設計將安全性的考慮放在第一位。體育場內(nèi)可容納91 000名觀眾，加上場地的工作人員、運動員、裁判員等，人數(shù)很多。因此，擴聲系統(tǒng)的安全性就顯得尤為重要，它要求系統(tǒng)中任何一臺設備出現(xiàn)故障時，不能造成場內(nèi)觀眾聽不到聲音。

通常擴聲系統(tǒng)流程圖是：調(diào)音臺-處理器-功放-揚聲器系統(tǒng)。任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，就會有相當數(shù)量乃至全場的觀眾聽不到聲音。因此，在最初設計的時侯，就應考慮讓整個擴聲系統(tǒng)沒有瓶頸，不能因為系統(tǒng)中任何一臺設備的問題而使得整個系統(tǒng)癱瘓。那么，如何實現(xiàn)呢？

擴聲系統(tǒng)設計時，有兩款帶處理器的功放剛剛推出。一個是皇冠的IT功放，一個是EⅥ的TG功放。這兩款功放，都有一個數(shù)字輸入和兩個模擬輸入。國家體育場最終選用了皇冠的IT功放。正常工作狀態(tài)下，音頻信號由數(shù)字輸入口進入功率放大器;當數(shù)字信號丟失時，模擬左通路作為信號備份輸入通路自動投入使用;模擬右通作為緊急廣播應急通路，出現(xiàn)應急廣播信號時，模擬右通路強切數(shù)字輸入通路或模擬左通路。實現(xiàn)功率放大器正用、備份、應急廣播的功能。由于采用了帶數(shù)字處理器的功放，有效地解決了一臺處理器出現(xiàn)問題影響一大片區(qū)域的問題，提高了系統(tǒng)安全性。

3.2 數(shù)字系統(tǒng)的考慮

通常體育場的信號都來自于主席臺，但在大型賽事情況下，信號還有可能來自于看臺、場地，部分信號回傳到機房的距離超過500 m。另外，在奧運會或比較重要的活動、體育賽事的時候，同一個音頻信號多家要用，如主席臺音頻信號除了擴聲系統(tǒng)會用，電視轉播也要用，場內(nèi)其他機房可能還要用?；谝陨峡紤]，選用網(wǎng)絡化的數(shù)字調(diào)音臺是一個比較合理的解決方案。

3.3 功放機房的設置

本擴聲系統(tǒng)中還有一個特點，就是設置了4個功放機房。通常體育場擴聲系統(tǒng)工程只設置一個或兩個統(tǒng)一的功放機房，需通過高壓傳輸方式來解決長距離傳輸所引起的功率損耗。但同時引入了變壓器的損耗，損害了音質(zhì)。

筆者曾參觀過2008年德國世界杯足球賽的主會場，它的功放就置于每組揚聲器系統(tǒng)的后面，即設置在挑棚上，在需要檢修時用類似“貢多拉”（威尼斯小船）的小船通過上面的繩索滑過去，這種做法不太適合中國的國情。

最后，在與國家體育場建筑設計部門商量后，在體育場上層看臺后部留了4個功放機房，盡量讓功放靠近揚聲器?，F(xiàn)在最短的揚聲器線只有幾十米，最長的也只有一百二十余米。

3.4? 聲場的設計

聲場的設計在擴聲系統(tǒng)設計中也考慮得比較多。使聲音覆蓋到91 000名觀眾，應是一個均勻的、有足夠的聲壓級的、清晰的聲場。因此，主擴聲揚聲器宜采用分散式的布置方式。觀眾席上方吊掛了16組揚聲器組，每組由8只到14只揚聲器箱組成。揚聲器系統(tǒng)采用了線陣列揚聲器，盡可能地提高語言清晰度。

4? 值得探討的問題

4.1 調(diào)音臺的選型

國家體育場選用的調(diào)音臺是Stage Tec公司的數(shù)字調(diào)音臺，操作界面為AURUS。筆者更傾向于使用一個更小的、操作更靈活的、更能滿足體育場館使用的小型界面調(diào)音臺，但由于時間的原因已經(jīng)無法實現(xiàn)。

4.2 看臺下?lián)P聲器的選型

二層挑臺下部分區(qū)域是主揚聲器直達聲覆蓋不到的，因此，在挑臺下方加裝了一圈大概224只小的補聲揚聲器。但是，其安裝空間狹小，在兩個臺階的縫隙內(nèi)，而且覆蓋的角度寬，差不要到一百五六十度，需使用兩只小揚聲器。主擴聲的揚聲器到觀眾席的最大聲壓級是109 dB，而小揚聲器滿功率最大聲壓級不足以支持109 dB的最大聲聲壓級。這是看臺下面有待改進的一個問題。

4.3 安全性的考慮

所有前端的設備，比如調(diào)音臺，都可以雙路供電。一路來自UPS，一路來自市電，確保供電安全。而功率放大器只有一個輸入，可接UPS，如果把整個擴聲系統(tǒng)所用的功放全接上UPS，費用太高。而如果用市電，體育場供電是雙路的，一路丟失會自動跳到另外一路，切換時間大概需要100 ms。體育場選用的帶處理器的功放，斷電超過10 ms，功放會自動關機，恢復供電，功放需要8 s才能恢復。

5? 一些體會

筆者所在的聲學設計研究所承擔國家體育場聲學及擴聲工程的相關工作，從一個技術人員的角度來看，筆者認為該工程是一個非常成功的設計項目，一個相對完善的系統(tǒng)。還有一點讓人欣慰，那就是在這個項目里，擴聲和建聲專業(yè)是合在一起設計的，這樣很多工程上的聲學問題得以解決。分析本工程的成功，有以下幾點體會。

5.1 開明的領導

在這個項目進行中，國家體育場有限公司相關領導很開明。提出合理要求時，總會得到大力支持。他們有一個開放的心態(tài)，能聽取專業(yè)人士的意見。

5.2 各專業(yè)的協(xié)調(diào)配合

本工程中，各專業(yè)技術人員相互理解、配合默契。如，原來國家體育場的建筑設計師在設計的時候，將揚聲器系統(tǒng)設計在挑棚復雜的框架里面，聲音被嚴重阻擋無法覆蓋整個觀眾席。后經(jīng)多次協(xié)商得到了理解，最終建筑設計方認同我們的方案要求，同意把揚聲器系統(tǒng)吊裝在挑棚下方。又如，在結構設計人員密切協(xié)調(diào)配合下，一噸多重的揚聲器系統(tǒng)吊裝在60多米長的挑棚前端。還有水、電等相關設計專業(yè)也都與我們有很好的配合。

5.3 有思想的設計

在設計的前期，我們獲得來自業(yè)主方以及上級領導機關的要求，收集和整理了相關信息，并將這些要求、資訊融合到設計指導思想中。然后，我們認真分析這個工程具有什么樣的特點，會面臨什么樣的難題，該如何去解決。本工程設計中，我們認為安全是首位的，必須著重考慮選擇什么樣的系統(tǒng)架構才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，選擇什么樣的產(chǎn)品才能滿足系統(tǒng)對安全可靠的要求;最終，將這種理念貫徹到工程中。往往設計人員會被一些外來的客觀因素弄得沒有太多的回旋余地，而在這個工程里，筆者很高興能做到這一點——只選擇適合的產(chǎn)品。

5.4 有責任心的集成商

國家體育場的擴聲工程設備提供商——廣州市銳豐音響器材有限公司在擴聲工程中投入了極大的熱情、人員、財力和物力，正是因為這樣有責任心的集成商，才確保了工程的順利設計、實施與完工。

（選編自第六屆論壇演講稿）