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1、徐州多功能音乐厅音响系统的设计与安装 丁 涛 王 路【摘 要】徐州多功能音乐厅建设历时二年，技术涉及面 广，要想达到一个一流的视听环境，前期建设前就要重点对 建筑声学进行设计，并且在对灯光和舞台机械设计中还要综 合考虑背景噪声对声音的影响。在前期建筑声学设计中，优 先确立了音质第一和一专多能的设计原则。着力体现声学设 计的科学性、专业性，并追求建筑美学和建筑声学的协调统 一。声学设计以音乐会演出为主，同时考虑提高大厅的使用 效率，兼顾歌舞剧、文艺演出、电视演播等的使用功能。声材料，而且还能使声音听来更感浑厚丰满。而对2000Hz 以上高频的混响时间最好与中频基本相同，但由于室内常 用材料及听众
2、的高频吸声都比较大，加上空气对高频的吸 声作用，特别是大型厅堂如体育馆等，空气吸声与其容积 成正比，所以高频混响时间会有所下降。一般容许比中频 （5001000Hz）下降10%20%左右，对音质不会有明显 影响。 一般在厅堂音质设计时，根据建筑的用途以及容积大小 查得中频（5001000Hz）的混响时间，再确定高、低频的 混响时间，作为设计指标。利用混响时间的计算公式（如公 式一），求得所需的吸声量，通过吸声材料选择，确定材料 的数量（面积），最后对吸声材料进行布置。各种用途房间 所推荐的最佳混响时间（500Hz，1000Hz，满场）如表1。一、建筑声学设计1.功能定位 在建筑声学设计时，首先
3、以音乐演奏为主要功能时，要 求声音丰满而不浑浊；以语言听闻为主要功能时，侧重语言 的清晰、可懂、音色纯正、饱满。在使用舞台反声罩时能满 足交响音乐会、室内乐和管弦乐自然声演出的要求。音乐厅 内任何位置上不得出现回声、多重回声、颤动回声、声聚焦 等声缺陷。电视演播的混响时间宜采用短混响的方式，且对 背景噪声具有较高的要求，观众厅应避免设备噪声及外界环 境噪声的干扰。2.观众厅混响时间指标和计算方法 在建筑声学设计中，混响时间是厅堂音质的重要评价指 标，从混响时间的长短，大致可以判断厅堂音质的好坏。混 响时间是指室内声音突然停止衰减到60db所经过的时间。 最佳混响时间是对大量音质效果评价认为较好
4、的各种用途 的厅堂，如音乐厅、歌剧院、电影院、报告厅、会议室、 录音室、演播室等实测的500Hz和1000Hz满场（指实际使 用状态，如座椅坐有观众）混响时间进行统计分析，从而 得到的混响时间称为最佳混响时间。最佳混响时间与房间 的用途和体积有关。对音乐用途的厅堂要求混响时间应长 一些，如音乐厅、音乐录音室等。对语言用途的房间，要 求混响时间应短一些。表1为各种用途房间推荐的最佳混响 时间（5001000Hz 满场），对于低频的混响时间比中频 容许长一些，一般在20%50%左右，特别是音乐用途的房 间，可以提升得较多一些。这样不仅可以节省一些低频吸混响时间的计算公式： V 演播厅容积（m3）
5、S 演播厅表面积（m2） 平均吸声率 4m 为空气吸收系数 R混响时间（公式一）平均吸声率是所有内衬材料的吸声率除以表面积 之商。（公式二） 内衬材料的吸声率是其面积与吸声率a之积。81房间类型 及用途混响时间/s 房间类型 及用途混响时间/s电影院1.01.2电影同期录音 摄影棚0.80.9立体声电影院0.60.8电视演播0.81.0演讲、戏曲1.01.4语言录音0.30.4音乐厅、 歌剧院1.52.0音乐录音 （多声道）0.6多功能厅1.31.5音乐录音 （自然混响）1.41.6电话会议0.30.4多功能体育馆1.8规范规定，根据多功能定位，中 ，1S，加反声罩后，音乐厅混响时间 乐会使用
6、要求，频率特性要求基本 平直，低频响应可以稍长。参照剧场、电影院和多用途厅 堂建筑声学设计规范，混响时间频率特性应符合下表：为玻璃幕墙，考虑到到隔声设置了隔声防火幕。建筑台口也 为满足电视演播需要，台口设计尺寸宽为18m，高11.2m， 文艺表演时根据具体功能需要，可采用舞台机械假台口予以 控制。 舞台反声罩交响演出时，为了消除巨大的舞台对音乐声 的逸散和吸声，利用反声罩一方面起到隔离舞台的作用，另 外可以促进演奏者之间的相互听闻，增加大厅早期反射声， 提高音乐的亲切感。3.噪声控制 由于音乐厅的演播功能，对音乐厅的噪声要求较高，仅 次于对录音室的噪声要求，噪声源有来自内部设备的噪声和 外部的
7、噪声。来自外部的噪声主要来自空间噪声，与建筑物 的隔声构造有关，同一建筑物各室隔音是首要考虑的问题。 内部噪声要考虑旋转机器、大型变压器及其空气调节系统所 发出的噪声。在隔声处理时，我们用隔声防火幕来隔绝噪声 和遮挡光线。设计为2mm厚钢板+80mm厚岩棉+1mm厚钢 板。靠近舞台一侧钢板外表面喷涂吸声材料。隔声防火幕 周围做密封处理，整体隔声量应达到40db。在采用隔声幕 布的同时，我们还对耳光处侧墙采用了300mm厚实心混凝 土，并且其他部位侧墙采则用混泥土空心切块组合墙.屋盖 为防止雨噪声，采用重屋盖，另加保温、防水等材料。声闸 内墙面及天花板设置吸声材料，降低室外传入室内的噪声。 参照
8、剧场建筑设计规范，确定音乐厅观众厅背景噪 声应不超过NR30噪声评定曲线。二、音频系统设计1.音频系统定位 徐州音乐厅以多功能定位，以歌舞演出为主，兼顾会议 功能，使用舞台反声罩时可以满足交响乐会、室内乐和管弦 乐自然声演出的要求。因而系统设计考虑采用剧院式音响扩 声，兼顾会议系统。2.系统设计指标 徐州音乐厅音响扩声系统设备供应以及设计符合国家各 类标准和规范。以国家相关标准为基础，确定徐州音乐厅的 扩声系统设计指标，见下表：4.声场的早期控制 台口附近的侧墙和吊顶是提供早期反射声的重要部位。 现结构墙大体满足声音反射的要求，最终的装修墙面和吊顶 应满足声线分析的要求。 楼座的挑台栏杆从平面
9、来看可能对池座产生声聚焦。因 此，在挑台栏板的装修上要以凸弧面的声扩散为主。观众厅 后墙也是容易形成回声的部位，装修时在此位置布置了吸声 材料。 音乐厅观众厅墙面以凸弧面或不规则物布置，可是声 场扩散均匀，使声能均匀地增长和衰减，从而美化音乐和 语音。5.舞台声学设计 舞台区包括主舞台和左、右侧台，舞台平面总计 420m2，主舞台面积290m2，舞台进深14.4m，台塔平均高 度29.0m，舞台面至栅顶高度25m，根据舞台交响乐团的使 用功能，以及交响乐队的演出规模，为了消除巨大舞台对音 乐生的逸散和吸收，设置侧向和顶部活动反声罩，还可以促 进演奏者之间的相互听闻，增加大厅早期反射声，提高音乐
10、 的亲切感。舞台后墙为云龙湖风景，考虑到观景，后舞台墙3.音乐厅音响系统电声系统设计 （1）系统组成 徐州音乐厅音响系统由扩声系统、调音台、传输系 统分配和话筒音源及周围设备等四个部分组成（系统图 如图1）。图1 多功能音乐厅音频系统（2）声压级计算 音乐厅音响系统中，扩声系统的设计尤为重要，从声学 基础中知道声音在自由空间传播时，声压随着距离的增加与 其平方率成反比例下降，因此我们要了解距离长度与声压衰 减的关系，它们的关系如下82NR值倍频中心频率（HZ）31.563 125 250 500 1000 2000 4000 8000NR30 (db)7659 48393430262523项
11、目音频扩声系统标 准文艺演出类扩声系统特性指标一级指标最大声压级 （db）额定通带内：106db声场不均匀度1 0 0 H Z 时 1 0 d b , 1 0 0 0 H Z 时 6db;8000HZ时 8db.传声增益1008000HZ的平均值-8db.噪 声 NR30频率125HZ205 HZ2000 HZ4000 HZ8000HZ频率特性1.00 1.151.00 1.100.90 1.000.80 1.000.7 1.00广播电视技术参照剧场建筑设计 频混响时间定位1.30 可增加0.20.3S，满足音壹2012音频P为该点的声压（b-微巴） C为声速（cm/s） 在声源由扬声器发出的
12、扩声环境中，声能密度和电声功 率w的关系由下式表示：（公式七） E为室内某点的声能密度（J/cm2） P为该点的声压（db） C为声速（cm/s） A为声场中内表面吸声量（cm2） 在混响声场中，两三次反射即能达到稳态的声能密度， 因此公式（三）L为扬声器灵敏度 P为扬声器电声功率 Q是声源的方向性 是圆周率 R是室常数 r与声源距离 Q表示声音从声源是如何发出的，而且声源的方向性的 特点是完全无定向性。Q值的计算公式如下： Q=180/sin1（sina/2sin/2） 公式（四） a为扬声器垂直方向性角度 为扬声器水平方向性角度 室常数R表示大厅的音响性条件，用下式计算： R=S/1-（其
13、中S为室内表面积，为室平均吸声 率） 公式（五） S、数值与公式（一）相同，公式六=公式七，即式中取1.2x103g/ cm3 ，C取3.4x104cm/s，1W=10-7 J/cm2，从而求出公式（八），根据宾塞公式知代入公式（八），得出公式（九）。声源的声功率和扬声器的输入功率是两个不同的概念， 声功率是通过扬声器由电能转换成声能的，转化效率较 低，一般为取0.01，因此功放的电功率输出公式为：公式（十）由设计指标而知 T=1.5S，V=9142m3，P=106db（分 贝换算成微巴为40b）代入上式求出 P1000（瓦特）根据此理论值，作为选择主扩声功 放和音箱功率的依据，考虑冗余后，原
14、则上功放的额定功率 应是音箱额定功率的1.5-2倍。 观众厅主扩声选用独立三声道扩声，及左、中、右三个 声道，每个声道独立覆盖全场。另外在舞台表演区和观众厅 设置了多通道效果扬声器。根据系统功能需要，扩声系统形 式按照“SIS”空间成像系统，中间声道对人声进行还原， 左右声道对音乐信号进行还原。每路扬声器分为上下层。 上层扬声器投射角70x40，负责覆盖池座后场和楼座， 下层扬声主扩声器扬声器组、拉声像扬声器组、超低音扬声 器组、补声扬声器组、返送扬声器组及顶装效果声扬声器组 （音乐厅扬声器组配置图如图2）。由 公 式 （ 一 ） ， 已 知 ： 大 厅 长=26. 5m，宽= 23m，高=
15、15m，R= 1. 5S ，得出 V=26.5x23x15=9142m3，S=26.5x15=609m2，4m值为0.01 （取室温20时2000HZ相对湿度为30%时的值），接着算 出=0.77，代进公式五，从而能计算出室常数R=2038。 由此可以知道当平均吸声率大于公式（一）中的数值 时，混响变短，室常数变大。因此在音乐厅大厅中观众的吸 声力占的比重较大，为增加观众的吸声力，应尽量减少满足 和空座时的吸声力差距。对于吸声力变动越小越好，因而要 求室常数尽量稳定，变化尽量小。 当大厅室常数和扬声器的方向性系数Q确定后，可计算 出每个观众席的声压级，扬声器的输出声压级参数由生产厂 家提供。 扬声器输出声压级：108db（一般扬声器输出声压级按 扬声器输入1W，轴像上1m点的声压级表示。） 扬声器功率：200w（假设） 扬声器方向性系数：20 与扬声器间距离：26.5m 大厅容积：9142 m3 大厅表面积：609m2 混响时间：1.5s 平均吸声率：0.74 室常数：2038由 公 式 （ 三 ） 25=106（db）。 （3）音乐厅功放功率的确定= 1 0 8 + 2 3 - 图2考虑扬声器的电声指标和音色音质等主观评价指标，根据乌莫夫定理可知，在理想稳态声场中，声场中声能 密度与声压的关系如下：（公式六） E为室内某点的声能密度（J/cm2-焦耳/平方厘米）我们选用了
