淺析首都體育館場地擴(kuò)聲系統(tǒng)改造方案及實施要點

余佳佳

（浙江東冠信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310053）

首都體育館作為2022年北京冬奧會冰上項目短道速滑、花樣滑冰的主賽場，為滿足賽事的需求， 在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改擴(kuò)建，涉及分賽事中心、運(yùn)動員公寓、滑冰館、體育館、綜合訓(xùn)練館共五大場館，總建筑面積140 254 m2。其中，包括體育館內(nèi)的音視頻系統(tǒng)、體育工藝系統(tǒng)進(jìn)行改造。下面筆者僅就體育館場地擴(kuò)聲系統(tǒng)（以下簡稱“場地擴(kuò)聲系統(tǒng)”）部分的改造方案及實施要點進(jìn)行解析。

1 體育館概況

2022年北京冬奧會的主要比賽用館首都體育館，其建筑面積45 406 m2，其中，地下一層為38 842 m2，地上四、六層6 564 m2，建筑高度28.16 m。一層的中心場地內(nèi)設(shè)有31 m×61 m具有多功能轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)冰場，大頂鋁板造型至冰場的高度為20.6 m，觀眾席區(qū)設(shè)有15 400個座位，如圖1所示。

圖1 體育館內(nèi)景

體育館的改造項目要建立體育建筑智能化的專用設(shè)施系統(tǒng)，主要包括：大屏幕顯示及控制、場地擴(kuò)聲系統(tǒng)、廣播電視轉(zhuǎn)播布線、標(biāo)準(zhǔn)時鐘、升旗控制、比賽設(shè)備集成系統(tǒng)、競賽信息實時發(fā)布系統(tǒng)。

2 場地擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計要點及難點

場地擴(kuò)聲系統(tǒng)作為覆蓋區(qū)域為觀眾席區(qū)以及比賽場地（FOB）的固定安裝擴(kuò)聲系統(tǒng)，主要滿足比賽所需的語言節(jié)目并兼顧音樂播放的擴(kuò)聲要求。

2.1 設(shè)計要點

場地擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計及方案的實施依據(jù)JGJ31—2003《體育建筑設(shè)計規(guī)范》、JGJT179—2009《體育建筑智能化系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》、JGJ354—2014《體育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》、GB/T28049—2011《廳堂、體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》、JGJ/T131—2012《體育場館聲學(xué)設(shè)計及測量規(guī)程》。

在如此體量的場館內(nèi)設(shè)計場地擴(kuò)聲系統(tǒng)，需要重點把握以下幾個要點。

（1）場地擴(kuò)聲系統(tǒng)必須有足夠大的聲功率，并且要達(dá)到足夠高的語言清晰度，以保證觀眾能聽清晰賽事進(jìn)程及解說的聲音。同時，還要考慮聲像定位以準(zhǔn)確重現(xiàn)賽場的動態(tài)位置。

（2）場地使用傳聲器時，要特別注意采取有效措施避免聲反饋的問題，避免影響比賽的正常進(jìn)行。

（3）系統(tǒng)要有冗余的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接口，可以用于連接比賽場地區(qū)臨時擴(kuò)展的移動式的擴(kuò)聲系統(tǒng)。

（4）為滿足奧運(yùn)會比賽期間的賽事直播、轉(zhuǎn)播的需要，系統(tǒng)應(yīng)具備可調(diào)整覆蓋電視轉(zhuǎn)播評論員區(qū)域的聲壓級，或臨時關(guān)閉該區(qū)域的擴(kuò)聲設(shè)備，以保證該區(qū)域聲壓級可控，或沒有擴(kuò)聲的直達(dá)聲。

（5）系統(tǒng)可以與其他體育工藝系統(tǒng)如競賽信息發(fā)布系統(tǒng)、現(xiàn)場大屏系統(tǒng)、比賽設(shè)備集成管理系統(tǒng)等聯(lián)動。

2.2 設(shè)計難點

（1）對于整體建筑結(jié)構(gòu)，由于不能改變原有的結(jié)構(gòu)，特別是頂棚的整體承載負(fù)荷，與安裝揚(yáng)聲器系統(tǒng)的需求相距甚遠(yuǎn)，因此，要對揚(yáng)聲器系統(tǒng)的吊掛有專門的設(shè)計。

（2）建筑聲學(xué)環(huán)境方面，體育館的吸聲不足，混響時間偏長，因此，希望通過揚(yáng)聲器的布置解決這一問題。

（3）冬奧會期間，短道速滑及花樣滑冰兩項賽事對于擴(kuò)聲系統(tǒng)有著不同的需求，如表1所示，并且轉(zhuǎn)換時間短，只有半天的時間。

表1 短道速滑及花樣滑冰兩項賽事對于擴(kuò)聲系統(tǒng)有著不同的需求

（4）對于現(xiàn)場觀看表演和電視直播，視頻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)要比場地擴(kuò)聲系統(tǒng)更加重要，因此，在項目的實際和實施中，視頻和照明系統(tǒng)要優(yōu)先考慮。

2.3 系統(tǒng)方案

擴(kuò)聲系統(tǒng)的總體改造方案，系統(tǒng)的音頻控制、傳輸通過Dante網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)字加模擬的混合網(wǎng)，場館內(nèi)所有音頻信號均匯聚到音頻控制機(jī)房進(jìn)行分發(fā)。數(shù)字調(diào)音臺同樣采用一主一備，主調(diào)音臺可搬至場內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)控，并在主席臺區(qū)預(yù)留音頻接口箱，可接入有線傳聲器、無線傳聲器系統(tǒng)。系統(tǒng)使用時，需要根據(jù)不同賽事的使用場景對數(shù)字調(diào)音臺以及功率放大器進(jìn)行預(yù)設(shè)。系統(tǒng)基本框架如圖2所示。

圖2 場地擴(kuò)聲系統(tǒng)原理圖

對于像冬奧會這樣重要的賽事，系統(tǒng)的安全性與可靠性極為重要。除注重選用可靠性高的設(shè)備外，對于信號傳輸主干網(wǎng)采用光纖傳輸，部分采用模擬線纜，以滿足一些特殊的使用場景。同時，設(shè)置點對點的直通路徑進(jìn)行傳輸，如功能機(jī)房與功能機(jī)房之間、現(xiàn)場不同區(qū)域之間、現(xiàn)場與功能機(jī)房之間。這種傳輸路徑穩(wěn)定、延時小，降低數(shù)據(jù)傳輸中的丟包問題，故障排查簡單。

系統(tǒng)的配電，根據(jù)奧運(yùn)賽事的需求，均采用雙路市電+ATS+UPS，相關(guān)電氣設(shè)備安裝于四層音頻控制室?，F(xiàn)有供電方式在市電閃絡(luò)時不會對擴(kuò)聲系統(tǒng)造成影響；ATS開關(guān)容量160 A，運(yùn)行方式為互為備用；UPS電源柜就近安裝于配電柜旁，輸出65 kW，在線運(yùn)行，可帶柜內(nèi)全部負(fù)荷持續(xù)供電30 min。為了保障賽時安全運(yùn)行，在賽前做好配電柜內(nèi)所有電氣設(shè)備的隱患排查工作，留好備品備件，賽時安排專人對配電柜進(jìn)行看護(hù)。

對于聲場的設(shè)計，揚(yáng)聲器系統(tǒng)既考慮主席臺區(qū)的覆蓋，又要考慮整個觀眾區(qū)的覆蓋；在揚(yáng)聲器選型上，要符合重量要輕、體積小、聲壓大等性能，以滿足承重、避免建聲缺陷、提高語言清晰度、避讓視頻照明等其他設(shè)備等一系列的相關(guān)要求。通過仿真軟件NS-1模擬設(shè)計，確定揚(yáng)聲器數(shù)量、吊掛高度、投射角度等，以達(dá)到體育建筑設(shè)計規(guī)范一級指標(biāo)，聲壓級為105 dB，語音清晰度指數(shù)不小于0.5，聲場模擬點位如圖3所示。不同的區(qū)域根據(jù)實際的面積、縱深覆蓋需求，對線陣列揚(yáng)聲器的數(shù)量、分頻、吊掛角度與高度進(jìn)行配置。主擴(kuò)聲揚(yáng)聲器系統(tǒng)采用14組雙12英寸三分頻無源全頻線陣列揚(yáng)聲器，吊掛覆蓋整個觀眾區(qū)。其中，北側(cè)方向共分8組，每組根據(jù)覆蓋區(qū)域分別由2～8只揚(yáng)聲器單元組成；東西方向各1組，每組4只揚(yáng)聲器單元；南側(cè)方向共分4組，每組根據(jù)覆蓋區(qū)域分別由4～8只揚(yáng)聲器單元組成。揚(yáng)聲器布置平面圖如圖4所示。以評論員席以及播報席區(qū)域為例，由于區(qū)域觀眾席第一排至最后一排的高差為15 m，如圖5所示，因此使用了2組線陣列揚(yáng)聲器進(jìn)行覆蓋，分別使用了4只、7只揚(yáng)聲器單元，其吊掛角度、高度分別為-7°、20.5 m，-2°、17.9 m，如圖6所示。

圖3 聲場模擬點位圖

圖4 場館揚(yáng)聲器系統(tǒng)實際布置平面圖

圖5 評論員席及播報席位區(qū)域圖

圖6 覆蓋評論員席及播報席位區(qū)域兩組線陣列揚(yáng)聲器的吊掛

另外，在體育工藝系統(tǒng)中，采用了比賽設(shè)備集成管理系統(tǒng)，通過比賽設(shè)備集成管理平臺，可將場地擴(kuò)聲系統(tǒng)、大屏顯示系統(tǒng)、賽事運(yùn)營系統(tǒng)、場地?zé)艄庀到y(tǒng)以及場地投影系統(tǒng)進(jìn)行集成互聯(lián)，通過將各系統(tǒng)集成聯(lián)動，滿足不同使用場景下的功能需求，增加了系統(tǒng)使用運(yùn)行的方便性、整體性。

3 系統(tǒng)實施的要點

系統(tǒng)的設(shè)計和實施受場地裝修的限制，既要照顧整個場館美觀，又要滿足場館內(nèi)功能的使用要求。因此，對于系統(tǒng)方案的實施，隨時與相關(guān)方溝通，不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

（1）揚(yáng)聲器的吊掛

在揚(yáng)聲器系統(tǒng)吊掛過程中，由于首都體育館保留了原有大頂球型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、馬道，在球型網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)下還有鋁板造型結(jié)構(gòu)以及龍骨，而揚(yáng)聲器系統(tǒng)的吊掛點位于大廳頂層鋁板之上，需要穿過結(jié)構(gòu)下懸桿、鋁板和鋁板固定龍骨層，避開燈光線路以及馬道，并且每一組線陣列揚(yáng)聲器的安裝位置不相同，需要精確的定位，以滿足現(xiàn)場覆蓋的范圍及角度?；谶@種情況，在進(jìn)行了實地勘察測量后，經(jīng)各方討論，最后選擇了單獨(dú)設(shè)計安裝鋼結(jié)構(gòu)吊點的吊掛方式。根據(jù)現(xiàn)場不同的位置，定制吊掛揚(yáng)聲器的鋼架，如圖7、圖8、圖9所示，吊掛高度可以在鋼架上調(diào)整。這一結(jié)構(gòu)不僅可以避開場地照明光路等，還可以應(yīng)對施工過程中馬道等一些設(shè)施的更改。

圖7 吊掛揚(yáng)聲器的鋼架

圖8 吊掛揚(yáng)聲器鋼架的實景

圖9 揚(yáng)聲器的吊裝

（2）投影幕布對揚(yáng)聲器系統(tǒng)的影響

比賽場地上空設(shè)置有巨大的投影幕布，面積與比賽場地近乎一樣。為此，對場地擴(kuò)聲系統(tǒng)提出了多種方案。其中，一種方案是調(diào)整揚(yáng)聲器的覆蓋角度，以避免因投影幕布反射形成的回聲，但受整體環(huán)境所限，難以實現(xiàn)。另一種方案是考慮采用透聲幕布，揚(yáng)聲器吊掛在透聲幕布上方，但會影響投影效果。在實施中，最初采用透聲幕布，經(jīng)過多方溝通，方案幾經(jīng)調(diào)整，在安裝位置與投影幕布之間取得平衡，最終采取分段式幕布加揚(yáng)聲器吊掛調(diào)整，將揚(yáng)聲器吊掛與各幕布之間，并選用8只小尺寸、高聲壓的點聲源揚(yáng)聲器P12，既不會影響投影效果，也可滿足聲場覆蓋，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

（3）音頻線纜的敷設(shè)

對于音頻線纜的敷設(shè)，由于首都體育館初修建于1968年，管線橋架設(shè)計相對復(fù)雜繁瑣，場館1層至4層垂直橋架沒有完全貫通，4層的水平橋架也沒有聯(lián)通，大大增加了音視頻傳輸線纜敷設(shè)的難度，同時大大增加了音頻線纜的敷設(shè)長度。因此，在現(xiàn)場的音視頻插座箱與四層音控室之間，采用光纜及中繼設(shè)備進(jìn)行傳輸，包括調(diào)音臺接口箱、交換機(jī)、音頻光端機(jī)等。通過數(shù)模結(jié)合的傳輸方式，解決了信號傳輸線纜過長的問題，并大大增加了信號傳輸?shù)目煽啃耘c安全性，滿足了奧運(yùn)賽事期間不同賽事的需求，2022年北京冬季奧運(yùn)會組委會技術(shù)組可根據(jù)不同使用場景進(jìn)行切換。

4 聲學(xué)測試結(jié)果

施工完畢后，進(jìn)行了現(xiàn)場實測，測點如圖10所示。經(jīng)現(xiàn)場測試，擴(kuò)聲系統(tǒng)聲壓級可基本達(dá)到設(shè)計值，其他測量結(jié)果見圖11、表2—表4。測試結(jié)果反映，該項目達(dá)到設(shè)計目標(biāo)及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

圖10 測點位置圖

圖11 傳輸頻率特性

表2 傳聲增益的測量結(jié)果

表4 STIPA的測量結(jié)果

表3 傳輸頻率特性的測量結(jié)果

表5 聲場不均勻度

5 結(jié)語

首都體育館改造項目的方案設(shè)計與實施，體現(xiàn)了簡約而不簡單的理念，具有可靠性、實用性，特別使在前端固定設(shè)備的布置、安裝方面，不斷深化設(shè)計；對于控制處理部分的設(shè)計，充分滿足前端固定安裝設(shè)備至機(jī)房控制操作設(shè)備之間的傳輸、處理的需求，盡量簡化機(jī)房控制設(shè)備的操作繁瑣程度，采取集成化的控制方案。系統(tǒng)調(diào)試、測試后，運(yùn)行穩(wěn)定，清晰度得到用戶的認(rèn)可，并通過驗收。經(jīng)過測試賽的應(yīng)用，證明這項設(shè)計完全達(dá)到要求。