小型文化綜合體音效裝備配置仿真分析研究

任鵬昊，方少韓

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)音樂(lè)與錄音藝術(shù)學(xué)院，北京100024；2.視聽(tīng)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024)

1 緒論

文化建設(shè)是我國(guó)堅(jiān)持文化自信的基石，基層群眾文化活動(dòng)是文化發(fā)展的重要陣地，但基層因地域特征性、人群非專(zhuān)業(yè)性、設(shè)施構(gòu)建低成本性等因素，面臨文化服務(wù)內(nèi)容貧瘠、服務(wù)模式低下、優(yōu)秀文化傳承困難乃至文化陣地丟失等現(xiàn)狀。尤其當(dāng)前小城鎮(zhèn)和新農(nóng)村的文化設(shè)施是按展覽、演出、會(huì)議、閱覽等分類(lèi)配置原則構(gòu)建的，缺乏快速構(gòu)建功能可變的集約型綜合服務(wù)空間載體，不能滿足居民對(duì)綜合文化需求的期望。

目前，國(guó)外在小型文化服務(wù)綜合體的研究上較為領(lǐng)先，在固定的空間中通過(guò)變換舞臺(tái)及觀眾席座椅已實(shí)現(xiàn)集演出、會(huì)議、展覽等多種功能的劇場(chǎng)中心，根據(jù)實(shí)際演出的需要，廳堂裝備能夠靈活移動(dòng)至不同位置并進(jìn)行組配。在建筑設(shè)計(jì)方面，為適應(yīng)不同需求，設(shè)計(jì)了可折疊式的觀眾席，可拆卸移動(dòng)，也可拼湊的舞臺(tái)。而在國(guó)內(nèi)小型文化綜合體可變空間載體的建設(shè)以及相關(guān)的研究較少，因此可借鑒和學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)來(lái)打造適合我國(guó)農(nóng)村城鎮(zhèn)使用的多功能小型文化綜合體。

本文主要研究在小型文化綜合體可變空間載體中的音效裝備配置，根據(jù)不同使用要求的場(chǎng)館的聲學(xué)特點(diǎn)，對(duì)比其擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)指標(biāo)，提出小型文化綜合體的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及室內(nèi)音質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。

2 小型文化綜合體3D模型建立

在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模型的確定，采用實(shí)際廳堂中聲音傳播的物理現(xiàn)象，結(jié)合一定的數(shù)學(xué)仿真運(yùn)算規(guī)則，來(lái)進(jìn)行廳堂聲學(xué)的模擬。利用聲學(xué)模擬EASE仿真軟件正確的預(yù)測(cè)廳堂的聲學(xué)特性[1]，評(píng)估和調(diào)整廳堂建筑設(shè)計(jì)過(guò)程的缺陷，合理的選擇裝飾材料和室內(nèi)揚(yáng)聲器布局方案。

小型文化綜合體3D建模流程如圖1所示。

圖1 綜合體3D建模流程圖

2.1 輸入綜合體空間的幾何數(shù)據(jù)

本文以國(guó)家大劇院小劇場(chǎng)的實(shí)際建筑模型為參照，經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量在軟件內(nèi)進(jìn)行模型確定，小劇場(chǎng)長(zhǎng)度為23.70m，寬度為26.25m，觀眾區(qū)設(shè)有14級(jí)臺(tái)階，四周為MLS擴(kuò)散體。在軟件中輸入小劇場(chǎng)的幾何形狀數(shù)據(jù)如各個(gè)界面的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行三維數(shù)學(xué)模型的確定。由于MLS擴(kuò)散體是由凹凸有致的擴(kuò)散體組成的，因此在繪制空間時(shí)，根據(jù)實(shí)際廳堂的擴(kuò)散體排列規(guī)則一一進(jìn)行繪制。3D模型如圖2(a)、(b)所示。

2.2 房間面吸聲材料設(shè)置

小劇場(chǎng)所要達(dá)到的混響時(shí)間直接決定了房間吸聲材料的選擇和確定[2，3]，小劇場(chǎng)當(dāng)中主要使用的材料有根據(jù)清華大學(xué)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果建立的座椅材料庫(kù)，由雙層實(shí)木組成的MLS擴(kuò)散板、玻璃纖維而制的GRC預(yù)制板、普通玻璃窗、回字形吊頂、厚織物組成的舞臺(tái)后墻、幕布、木地板以及實(shí)木門(mén)等。

2.3 建立模擬觀眾區(qū)的聽(tīng)聲面

根據(jù)小劇場(chǎng)的觀眾席位置特點(diǎn)，進(jìn)行聽(tīng)聲面的繪制，位于觀眾廳座椅的上方區(qū)域，是距離地面高度為1.2m的虛擬平面，主要是用于計(jì)算聲學(xué)特性例如總聲壓級(jí)的分布等等。

2.4 建立聲學(xué)測(cè)試點(diǎn)

當(dāng)設(shè)置好聽(tīng)聲面之后需要進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置，用紅色“椅子“表示，主要是用來(lái)觀察廳堂內(nèi)某一個(gè)位置的聲學(xué)特性。因此在設(shè)置測(cè)試點(diǎn)的時(shí)候把測(cè)試點(diǎn)放置在聽(tīng)聲面上方0.5m的位置，距離地面1.7m的位置，使測(cè)試點(diǎn)高于聽(tīng)聲面能夠計(jì)算出相關(guān)的特性參數(shù)，如圖3所示。

圖3 測(cè)試點(diǎn)“椅子”的設(shè)置

3 小型文化綜合體音效裝備配置方案

3.1 小型文化綜合體揚(yáng)聲器布局方案

揚(yáng)聲器的選型和擺放主要考慮揚(yáng)聲器的功能、功率和揚(yáng)聲器的指向性能[2，3]，因此對(duì)于遠(yuǎn)近場(chǎng)的主揚(yáng)聲器和輔助補(bǔ)音揚(yáng)聲器的選擇有所不同，主要遵循的原則有：①盡量滿足整個(gè)聲場(chǎng)均勻覆蓋的原則；②滿足聲場(chǎng)最大聲壓級(jí)的要求；③滿足語(yǔ)言清晰度的要求。

(1)合理布局揚(yáng)聲器

揚(yáng)聲器的布置方式有三種：集中布置、分散布置、混合布置[4]?？紤]到小型文化綜合體需滿足演出、會(huì)議、展覽、民俗活動(dòng)等多種使用模式，因此在揚(yáng)聲器的布置方案上選擇的是混合布置模式，即集中供聲和分散補(bǔ)聲相結(jié)合的布置模式。在設(shè)計(jì)時(shí)將集中供聲的揚(yáng)聲器設(shè)置于舞臺(tái)正上方，采用吊掛的方式將左、中、右三路揚(yáng)聲器安置在距離地面約7m高的位置。揚(yáng)聲器的位置分布圖如圖4所示。

圖4 揚(yáng)聲器擺放位置分布圖

(2)合理選擇揚(yáng)聲器

考慮到聲壓級(jí)和揚(yáng)聲器的布局方案，為了保證聲場(chǎng)均勻度，在左、中、右聲道的揚(yáng)聲器選用了d&b公司的E系列音響，主要型號(hào)是E12全頻音箱，中后場(chǎng)的補(bǔ)聲音箱采用的是E8全頻音箱，臺(tái)唇補(bǔ)聲采用的是E0音箱，舞臺(tái)的返送監(jiān)聽(tīng)音箱選擇的是M2系列。E系列主要就用于語(yǔ)言和音樂(lè)擴(kuò)聲系統(tǒng)，并且其外觀精致小巧，適合中小型廳堂的擴(kuò)聲。揚(yáng)聲器型號(hào)、參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 揚(yáng)聲器參數(shù)指標(biāo)

3.2 小型文化綜合擴(kuò)聲系統(tǒng)裝備配置方案

小型文化綜合體為演出、展覽、會(huì)議、民俗活動(dòng)等服務(wù)功能需求，考慮到多種使用功能，需要設(shè)置演出、會(huì)議、展覽等擴(kuò)聲系統(tǒng)。在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，需要盡可能的簡(jiǎn)潔，涵蓋所有的服務(wù)功能，可使用調(diào)音臺(tái)選擇不同功能模式下的擴(kuò)聲系統(tǒng)，擴(kuò)聲系統(tǒng)之間需要能夠獨(dú)立工作，又能結(jié)合為一體[5，6]。根據(jù)上述擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，總結(jié)出一套完備的擴(kuò)聲系統(tǒng)方案。

針對(duì)演出功能來(lái)說(shuō)，需要將舞臺(tái)上方的左中右三路揚(yáng)聲器(型號(hào)E12)作為主擴(kuò)聲揚(yáng)聲器，臺(tái)唇配有兩個(gè)補(bǔ)聲揚(yáng)聲器E0，用以補(bǔ)充前排觀眾區(qū)域。同時(shí)舞臺(tái)上需要兩個(gè)M2舞臺(tái)返送音箱，可供舞臺(tái)表演人員使用。另外，由于觀眾廳中后場(chǎng)部分的直達(dá)聲較差，因此在觀眾廳17m處左右各安置了一個(gè)補(bǔ)聲揚(yáng)聲器E8，以改善中后場(chǎng)的觀眾區(qū)域的聽(tīng)音效果。演出功能揚(yáng)聲器擺放位置如圖5所示。

圖5 演出功能揚(yáng)聲器擺放位置圖

針對(duì)會(huì)議功能來(lái)說(shuō)，由于只需要滿足其語(yǔ)言清晰度的要求，因此在揚(yáng)聲器的配備方案上可以適當(dāng)減少不必要的揚(yáng)聲器使用。因此在設(shè)計(jì)會(huì)議功能時(shí)，使用舞臺(tái)上方左、中、右三路作為主擴(kuò)聲揚(yáng)聲器E12，配備觀眾廳中后場(chǎng)補(bǔ)聲使用的揚(yáng)聲器E8，滿足了會(huì)議擴(kuò)聲的要求，保證良好的語(yǔ)言清晰度、均勻的聲場(chǎng)和良好的聲壓級(jí)。會(huì)議功能揚(yáng)聲器擺放位置如圖6所示。

圖6 會(huì)議功能揚(yáng)聲器擺放位置圖

對(duì)于展覽、閱覽等功能來(lái)說(shuō)，對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)并無(wú)太大的需求，僅需要控制綜合體空間的噪聲和做好吸聲處理，因此在擴(kuò)聲系統(tǒng)上使用左右兩路的主擴(kuò)聲揚(yáng)聲器E12配備補(bǔ)聲揚(yáng)聲器E8。為滿足日常的通知擴(kuò)聲，因此無(wú)需使用過(guò)多的揚(yáng)聲器，主要是控制房間的混響時(shí)間和噪聲源，保證室內(nèi)廳堂處于低噪環(huán)境即可。展覽、閱覽功能揚(yáng)聲器擺放位置如圖7所示。

圖7 展覽、閱覽功能揚(yáng)聲器擺放位置圖

4 國(guó)家大劇院小劇場(chǎng)音效仿真結(jié)果分析

小型文化綜合體使用功能靈活多變，根據(jù)演出、會(huì)議、展覽、閱覽等服務(wù)功能需求，通過(guò)擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)、揚(yáng)聲器選型、合理配置音效裝備。根據(jù)音效裝備配置方案進(jìn)行仿真，分析音效指標(biāo)是否符合《廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中多用途類(lèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性的指標(biāo)要求。

(1)聲壓級(jí)

通過(guò)EASE軟件進(jìn)行計(jì)算分析可以得出小型文化綜合體的總聲壓級(jí)分布圖，根據(jù)各個(gè)頻段的統(tǒng)計(jì)分布直方圖，可以查看聲場(chǎng)的分布情況，小型文化綜合體內(nèi)聽(tīng)聲面的聲壓級(jí)統(tǒng)計(jì)分布圖如圖8所示，可以看到取樣點(diǎn)為80個(gè)，平均107.76dB，最小值為107.05dB，最大值為108.52dB。

圖8 總聲壓級(jí)

根據(jù)仿真結(jié)果總聲壓級(jí)的分布圖計(jì)算得知，小型文化綜合體的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)基本保持在小于等于+6dB，以文藝演出類(lèi)一級(jí)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)要求，會(huì)議類(lèi)一級(jí)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)要求，多用途類(lèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)，小型文化綜合體的穩(wěn)態(tài)均勻度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)C參量

C參量作為小型文化綜合體的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是必不可少的，主要有C50和C80。以語(yǔ)言擴(kuò)聲為主的廳堂中如小劇場(chǎng)、會(huì)議廳，則需要重點(diǎn)關(guān)注C50語(yǔ)言可懂度能否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于以音樂(lè)聲為主的廳堂如音樂(lè)廳，則需要重點(diǎn)探討C80音樂(lè)明晰度是否達(dá)到要求。

對(duì)于小型文化綜合體來(lái)說(shuō)，EASE仿真軟件計(jì)算出來(lái)的C50參量結(jié)果如表2所示。在500Hz～4kHz的C50參量可以直觀地反映出小型文化綜合體在中高頻具有較好的語(yǔ)言可懂度，在低頻部分的語(yǔ)言可懂度稍差一些，在中高頻段具有良好的語(yǔ)言可懂度，可以滿足日常的會(huì)議、演出需要。

表2 C50參量統(tǒng)計(jì)值

除了語(yǔ)言可懂度，同時(shí)也需要關(guān)注C80音樂(lè)明晰度，不同的樂(lè)器類(lèi)型對(duì)音樂(lè)明晰度有不同的要求，如吹奏樂(lè)器的標(biāo)準(zhǔn)是0±2dB，弦樂(lè)器的標(biāo)準(zhǔn)為2±2dB，彈撥樂(lè)器的標(biāo)準(zhǔn)是4±2dB，打擊樂(lè)器的標(biāo)準(zhǔn)是6±2dB[7]。為了保證良好的性能，任何場(chǎng)合中音樂(lè)的明晰度C80都不能夠超過(guò)+8dB。EASE仿真軟件計(jì)算出來(lái)的C80參量結(jié)果如表3所示。小型文化綜合體的C80音樂(lè)明晰度總體是符合廳堂標(biāo)準(zhǔn)的，能夠很好的發(fā)揮綜合體音樂(lè)演出的功能。

表3 C80參量統(tǒng)計(jì)值

(2)(3)語(yǔ)言清晰度

對(duì)于小型文化綜合體演出、會(huì)議等功能來(lái)說(shuō)，需要分析語(yǔ)言清晰度是否能夠達(dá)到要求。對(duì)于語(yǔ)言清晰度的聲學(xué)參量可以考慮輔音清晰度損失率和快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)。對(duì)輔音清晰度損失率和快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)評(píng)的評(píng)價(jià)均有對(duì)應(yīng)的普茨長(zhǎng)公式和普茨短公式的參考值表。

EASE仿真軟件計(jì)算出的小型文化綜合體的輔音清晰度損失率如圖9所示。由計(jì)算結(jié)果得知，輔音清晰度損失率的平均值為5.41%，最小值為4.54%，最大值為6.27%，比對(duì)普茨長(zhǎng)公式參考值表得知，在0～7%范圍內(nèi)的損失率表示綜合體語(yǔ)言清晰度良好，滿足廳堂標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 輔音清晰度損失率在各頻段的分布直方圖

除了輔音清晰度損失率，也可以通過(guò)快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)來(lái)判斷語(yǔ)言清晰度的優(yōu)良情況。EASE仿真軟件計(jì)算出的快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)如圖10所示。小型文化綜合體的快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)平均值為0.638，最小值是0.61，最大值是0.669，其范圍均在0.60～1.00之間，根據(jù)普茨長(zhǎng)公式參考值可知，綜合體的語(yǔ)言清晰度良好，滿足廳堂標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)在各頻段的分布直方圖

5 結(jié)論

以國(guó)家大劇院小劇場(chǎng)為模型建立了小型文化綜合體3D模型，并在建筑空間內(nèi)進(jìn)行了合理的揚(yáng)聲器布置和揚(yáng)聲器選型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小型文化綜合體滿足演出、會(huì)議、閱覽、展覽等擴(kuò)聲功能。在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，利用EASE仿真軟件進(jìn)行計(jì)算仿真分析，驗(yàn)證了小型文化綜合體音效裝備配置方案的合理性。仿真結(jié)果表明，小型文化綜合體內(nèi)的音效指標(biāo)均符合《廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中多用途類(lèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性的指標(biāo)要求。