场馆声学大全（一）
要健身和开展各项体育活动，就需要建造体育场馆。近年所建造的体育馆通常超越了体育活动和竞赛场地原有的功能使之有很大的扩展。在体育馆内不仅进行各种会议、报告，而且开展大型文娱活动，包括综艺晚会、大型演唱会、杂技、马戏、时装表演，甚至演奏交响乐。这些活动对于体育场馆来说已经不是偶然或额外的业务，已成为它提高社会效益和经济效益的经常性手段。因此，目前的体育馆实质上是地道的多功能大厅，所以在声学设计上有较高的要求。由于体育馆的容量大，混响时间长，平均自由程远远超出一般会堂而容易引起各种音质缺陷，而可以用作吸声处理的部位和面积极为有限，从而增加了声学设计的难度。
在体育馆内采用自然声演出，仅限于在小型体育馆内进行交响乐和钢管乐演奏，机会甚少，因此在声学设计中仅考虑用扩声系统的演出方式。但优质的扩声效果必须通过合理的建声设计才能得以实现，两者是相辅相成的。只有相互密切配合，才有可能用较低的投资获得良好的音质和艺术效果。 对于单项运动的体育馆（或称专用馆），如游泳馆、跳水馆、溜冰馆（人工和自然冰）、网球馆、田径馆和室内射击场等，多功能使用的可能性极少，音质要求不高，主要是控制噪声和音质缺陷，使其具有必要的语言清晰度即可。 体育馆的声学设计与其类别、规模（容量、容积）和使用功能有关。因此，在声学设计的初步阶段就应确定其功能，根据设计规范和建设要求选择合理的声学设计指标，然后展开工作。随着文化事业的蓬勃发展和人们文娱生活的内容日益丰富，声频工程的数量迅猛增加，质量大幅度提高，从事声频工程的人员也越来越多。但是在声频工程设计领域内，一些人仍然对声学概念认识不清、界线模糊。这种现象对提高声频工程质量极为不利。本文想通过简单的描述，指出其中的问题，澄清一些概念，抛砖引玉，希望能引起大家的重视，进而作更深入的讨论，以利于提高声频工程设计的整体水平，提高工程设计的质量。
一、功率放大器的储备功率与扬声器标称功率之间的关系
在声频工程中功率放大器的主要功能是放大信号并提供负载（扬声器系统）足够的功率。功率放大器对音质的影响主要取决于输入信号能否在不失真的状态下得到放大与传输，给负载以足够大的功率。功率放大器放大和传输的节目信号不同于简谐信号，是一个瞬时变化的复杂信号。它具有很多尖峰，它们的能量不大，但是峰很尖、很高。这些尖峰对响度的贡献很小，但对音质的影响却很大。如果发生削波，则放大的声音听起来让人感到发燥、发硬。如果只注意能量的传输（对应的量为响度），而不注意传输过程中波形的变化，那么，我们有可能听到的声音很响，但是不好听。根据多种乐器和不同剧种节目信号的调查结果[1]，大部分节目信号的较大均方根功率（即节目信号的峰——峰值在负载上的功率）与平均均方根功率（即节目信号在负载上的平均功率）之比为3～10，较高达12.7。如果功率放大器的额定功率对应于节目信号的平均均方根功率，那么功率放大器的较大输出功率应为其3～10倍方能保证输出信号不出现削波。这就是为什么我们选用功率放大器的功率要比放大节目信号的平均均方根功率大得多的缘由，这也是我们通常说的功率储备。我们在一些介绍声频工程设计的文章中常看到这样的一些说法：“为了保证功放所配接的扬声器系统的安全，要求功放的额定输出功率与所配接的扬声器系统的标称功率相当，为了保证足够的功率储备，通常选用扬声器功率的1.2～2倍的功率放大器”等。这样的提法是否表明该系统已经考虑了功率储备或功率储备已足够了，不会出现削波现象了？事实上，功率放大器的功率与扬声器的功率不是同一概念。功率放大器的输出功率一般是指一定失真限制条件上的正弦输出功率。例如，厂家规定的总谐波失真为0.1%，当功放在额定负载上的输出信号达到该失真时的输出电压称为较大输出电压，用这电压来计算功率放大器的输出功率，就是功率放大器标称的输出功率，这也可以理解为该功放的较大输出功率。而扬声器的标称功率，厂家经常提供的是粉噪功率，它是指在扬声器额定频率范围内，馈给以规定的模拟节目信号，连续工作100小时而不产生热和机械损坏的功率。显然，这两个功率是从完全不同的角度作出的规定和测试的，两者是不可比的。如果厂家能提供扬声器的正弦功率（指用正弦信号作为测试信号时馈给的功率），则两者有可比性，然而，厂家一般不提供这一数据。那么，对扬声器而言，扬声器的粉噪功率与正弦功率是否有一定的对应关系呢？正确的答案是——没有！扬声器的粉噪功率和正弦功率对于不同结构、不同材料和不同规格的扬声器完全不同，后者还与频率有关。因此，我们可以说在声频工程中用功率放大器的功率与扬声器标称功率作比较以表征其功率储备的方法是不可取的。 在扩声系统中声场的不均匀度是一个很受关注的指标。现代声系统中的扬声器系统的幅频响应和相频响应已经能做到很高的水平，特别是有源音箱在实验室里经过精心的调试已相当完美。但是，一放到厅堂中声场依然起伏，其主要的原因是声波的干涉。厅堂中声干涉主要有两类：不同声源之间的干涉和同一声源的直达声与反射声之间的干涉。本文将从基本原理出发，介绍和分析声波的干涉现象。希望能对了解和改善声场的起伏有所帮助。
二、声波的表达
为了形象地说明波的产生，我们用绳子中传播的波作为例子。假如有一根很长的一端固定并被拉直的绳子，在x＝0处有一振动源上下抖动，由于绳子的弹性和质点运动的惯性，使得这振动在平直的绳子中产生扰动，这扰动在绳子中的传播就产生了波。如图1所示。很显然，这扰动在绳子中传播需要时间，设这传播的速度为v。如果x＝0处振动为y＝Acost，则在x轴上任一点r处的扰动，应该比x＝0处的扰动滞后，滞后时间为t’＝r/v。所以在r处的振动大小应为（忽略初始相位），如图一：
场馆声学大全（二）
三、扩声、混响与音质的关系
混响是指室内的声源发声停止后，在室内的声音经过多次反射或散射而延续的现象。它反映了室内声能的衰变，这衰变与室内的吸声，反射和散射等有关。100多年前，美国物理学教授W.C.赛宾首先提出了用声能衰减60dB所需时间，即混响时间来衡量厅堂的音质，并提供了计算室内混响的经验公式。经过后来的科学家研究，从扩散声场中声能密度随时间的衰减出发，在理论上推导出混响时间的表达式，发现赛宾提出的公式正是平均吸声系数ā<0.2时理论公式的近似。从而，使我们对赛宾公式有了进一步的认识。尽管100多年来，科学工作者提出了很多影响厅堂音质的声学参量，但是，至今混响时间仍然是厅堂声学设计中惟一能定量计算的参量，也是一个公认的较成熟的厅堂音质的评价量。它是建筑声学的一个重要的物理量，它反映了室内声能随时间的衰减，以及不同频率的声能的衰减特性。尽管一个厅堂内不同位置测得的混响时间可能有差异，可是世界著名的音乐厅内的混响时间的空间标准偏差都很小，几乎不大于0.1s。在不同位置的混响时间几乎差不多，说明厅堂内的声场很均匀。所以混响时间是一个很好的厅堂声学设计的评价量，它应该与测量用的声源无关，这在有关标准中有明确的规定。然而，随着时代的发展、厅堂的扩大、观众人数的增多和电子技术的进步，厅堂内不可避免的需要用扩声系统。扩声与混响有什么关系呢？它对音质有没有影响？这正是我们要讨论的问题。首先，扩声系统主要的功能是放大从声信号转变来的电信号或重放已录制的节目信号，把电信号通过扬声器转变成声信号辐射出去，所以它没有混响时间，但是，并不是说它与混响无关。我们都有这样的经验，在一个混响时间很长的房间内交谈，如果两人的距离较远，大声讲话反而听不清楚，两人靠近，讲话轻一点就可能听懂，这是因为两人靠近，直达声加强了，尽管房间的混响没有变。这说明在混响很长的地方可以通过增加直达声来提高语言的可懂度。有一个例子，在西欧的教堂中庄严、肃穆，牧师讲经声音洪亮，往往由于教堂内吸声不足，而混响时间很长，在大教堂的后座听不清楚。电声工作者在教堂内柱子的侧面安装了由小扬声器组成的声柱，朝向听众，起到了很好的效果。从声学角度看，采用小声柱增加了扬声器系统的指向性，改善了覆盖区域，增强了直达声。从传输频率范围看，采用小扬声器辐射的频率范围比较窄，没有低频辐射，不会激发低频混响，但是对于语言传输已经满足了要求。从辐射功率来看，小扬声器的辐射功率比较小，很快衰减不足以激发室内的混响。扬长避短，克服了长混响对语言的干扰。 在厅堂内增加直达声的强度可以减小厅内混响的影响。从声源发出的声音到达听众席的声能由两部分组成，一部分是直达声能，一部分是混响声能，它们的衰减特性。
在混响声能为主的区域，当声源停止发声，则声能按照曲线AB衰减，衰减60dB所需的时间即为厅堂内的混响时间。在直达声为主的区域，当声源停止发声时，直达声能迅速降低，然后，以剩下的混响声能按同样的衰变率下降，如曲线CD。根据入耳的积分效应，在直达声为主的区域，感觉到的混响效果应满足△OEM和△ODC面积相等的条件。假设OB为衰减60dB所需的时间T60，则OE称为有效混响时间。显然,OE<OB，直达声为主的区域内的有效混响时间一般比厅堂内的T60要短。但是，主观感觉上的差异还是有一定条件的，我们可以从理论上推导出：
Teff=T60•（1-lg）（1）式中，R为声能比，R=混响声能密度/直达声能密度；T60为厅堂内的混响时间，Teff为主观感觉的有效混响时间。
为TTeff/T60与声能比R的关系曲线。听众感到的有效混响时间仅在R<1的区域才与T60有比较明显的差别，当R>1时有效混响时间的变化只有10%，实践证明人耳是不能觉察到的。要求降低R值，必须增加直达声能和降低混响声能，前者可以通过加强扬声器系统的指向性Q值来达到，后者则必须通过增加厅堂内的吸声处理方能减小混响声能的密度。
厅堂内直达声的覆盖直接影响到声源的有效作用距离。在室内，靠近声源的区域以直达声为主，随着离开声源的距离增加，直达声能减小，混响声能增加，当混响声能等于直达声能处离开声源的距离称为临界距离。它与厅堂声学参量，以及扬声器的指向性的关系如下： V为室内容积；Q为声源的指向性因子；T60厅室内混响时间。
在室内为了保证语言传输的清晰度，一般选择扬声器系统的较大作用距离rmax=(2～3)Dc作为声源的有效作用距离。从(2)式中可以看出在混响时间和容积一定的厅堂内，增强扬声器系统的Q值，有利于扩大直达声的覆盖区和增加临界距离，提高声源的有效作用范围。如果厅堂的混响时间比较短，例如，多功能厅的声学设计，为了适应厅内各种活动的需要，一般将混响时间设计得都比较短。在这种情况，我们可以通过信号处理的方法，增加被传输信号的混响时间来改善音质，避免因厅堂的混响时间太短而引起的声音发干和单薄的感觉。当扩声系统重放节目信号时，听音人感受到的混响由二部分构成：一是因为录制的环境或节目需要加进去的混响（假设混响时间为T1），由节目制作者选择和调节的获得较佳效果；另一部分是重放空间的混响时间（假设为T2）。听音人感受到的混响时间为[4]：T60′=（T13+T23）（3）因此，只有T2比较短，以T1为主方可体现出节目本身的混响特色。所以，节目审听室的混响时间一般都设计得比较短，以保证放音效果。较后要说明的是扩声系统无法补偿厅堂声学设计中出现的声缺陷。例如，厅堂内有相互平行的大墙面，如果在厅内发一脉冲声，则在两墙面之间会明显地听到多次颤动回声，如果厅内有凹形反射面，则在某一区域会形成声聚焦，导致该区域声音听不清楚。这些声学上的缺陷无法用扩声系统来消除，只有用声学的方法去补救。例如，在平面墙面增加吸声或挂大的画面，破坏来回反射的条件或增加扩散体等。总之，在音乐厅和大剧院一类的厅堂中必须以建筑声学设计为主，通过建筑设计保证在场内有合理的自然混响，良好的扩散、均匀的传输特性，是决定音质的先天条件，再加上高质量的电声系统以弥补自然声的不足，扩声与混响两者相辅相成，以自然声为主，方能保证观众席有优良的音质。
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