体育馆短线阵列扬声器系统EASE仿真EASE Simulation of Short Line Array Speaker System in GymnasiumZONG Min, FU Rong, FU Sheng-xue(Ocean University of China, Qingdao 266100, China):University gymnasium is a multi-functional hall. In order to meet its acoustic requirements of multi-functional, the short line array speaker system was used to improve the sound quality in the gymnasium, and the acoustical design software EASE was used to model, adjust and forecast the line array speaker scheme of arrangement, then the acoustic characte-ristics of the scheme is analysed to get the most optimal scheme which can provide the corresponding technical data for instructing the hall sound reinforcement works.Keywords:university gymnasium; line array; EASE modeling; acoustical characteristic simulation随着体育和文化事业的发展, 各地综合性体育馆不断兴建。
综合性体育馆除进行体育比赛外, 已经扩展到能举办文艺演出、会议等多项功能。
本文研究对象为高校体育馆。
高校体育馆除满足一般体育馆功能外, 还要能开学生大会、进行文艺演出等, 实质上属于一种多功能大厅。
其扩声系统可分为比赛扩声和舞台演出扩声。
前者为满足大型体育比赛的扩声要求; 后者采用短线阵列扬声器系统, 满足中小型文艺演出、会议等系统的扩声要求,本文将对此系统进行EASE仿真研究。
1 线阵列扬声器概述线阵列是一组排列成直线、间隔紧密的声辐射单元（单体箱）, 并具有相同的振幅和相位[1] 。
由于线阵列扬声器具有垂直指向性, 可以有效地投射声音, 因此适用于大型、远距离的扩声系统。
线阵列扬声器是基于模拟柱面波辐射波形特性, 与传统音箱声能辐射基于点声源类似球面波形特性有很大区别。
按照声学扩散辐射原理, 点声源的声辐射扩散类似球形波, 其波阵面在3 个维度传播，传输距离加倍时声压级衰减[2]6 dB。
线声源的声辐射扩散类似柱面波, 其波阵面只在2 个维度传播, 传输距离加倍时声压级衰减3 dB, 这对工程设计有很强的诱惑力, 因为功率增加一倍, 声压级才增加3 dB 。
严格说来, 只有无限长的线声源才能产生真正的柱面波, 任何一个有限大小的声源在自由空间的辐射, 其波形总是要发散。
平直、连续且恒相位的有限长线声源辐射的声波经过一段柱面波后, 逐渐过渡到球面波。
近声场是指传输柱面波的区域, 远声场则是传输球面波的区域，两者的交越点与声源距离r? B腥缦鹿叵?[3]: r=L2 X f/2 X 340式中丄为线阵列长度（即各组件单元的间距总和）;f为信号频率;340 m/s 为声波在空气中的平均传播速度。
由此可见,增大线阵列长度可扩大近声场范围, 减少声压损失。
同时提升信号频率也会使r 值增大, 因此高频信号比低频信号传播的更快、更远。
基于这一理论, 通常设计成曲面阵列, 相对直的部分其声能集中, 满足远声场需求, 而一定曲率的部分则适于覆盖较大角度的近声场。
线阵列通常被设计成直线形、弧线形、J 形、渐进式阵列等[4] 。
考虑到声源在低频段为全指向性,频率越高,指向也越来越尖锐，当频率超过2 kHz时，开始呈放射状，因此线阵列扬声器的每个单体箱都采用分频和多单元的设计结构[5] 。
线阵列是利用其指向性强的特点将声波有效地投射到更远的距离, 其指向性与线阵列长度、每个单元之间的最小距离及辐射声波频率相关[6] 。
线阵列的长度与辐射波长之比应大于0.5, 易于实现; 单元之间的间隔距离与其辐射波长之比应小于0.5, 在低频时易于实现, 但对于高频, 波长太短, 要使单元间隙足够紧密在物理上几乎是不可能做到的事情[7] 。
为使低频、中频和高频三个频段的指向特性能够平顺衔接, 各专业公司推出了一些新技术来解决这个问题, 包括声透镜技术、波形前纠正技术为核心的DOS （波导管等[8]。
线阵列扬声器系统能通过对指向性的控制得到最有效的声场覆盖。
2体育馆EASE仿真本文所研究的中国海洋大学体育馆为十一届全运会比赛场馆之一, 包含体育馆和游泳馆及大学生活动中心三部分。
体育馆建筑等级为乙级, 即主要要求为举办地区性和全国性单项比赛, 场地类型为□多功能型,场地尺寸为36 mx 54 m。
其形体设计为正曲率“贝壳”与负曲率“风帆”构成的曲线轮廓屋顶, 整体建筑意向上以海洋元素为主题。
该造型为空间网架结构设计, 顶棚结构裸露, 坐席成阶梯式提升, 体育馆内部空间达到了102 000 m3（每座容积为24 m3/人）,体育馆总高度为36.444 m,坐席总数为4 145 座。
2.1体育馆EASE建模根据体育馆建筑图纸所提供的尺寸，用EASE软件建立体育馆的数学模型。
图1为体育馆EASE建模3D图。
该模型由534个点、352个面构成,正曲率“贝壳”和负曲率“风帆”的曲线由直线段拼接而成。
房间内的各个表面所采用的建筑装饰材料, 已经通过ODEO软件测试，符合体育馆的国家标准。
图1体育馆EASE建模3D图2.2 线阵列选型及布置方案中国海洋大学体育馆扬声器系统中的比赛扩声系统是为满足大型体育比赛的扩声要求, 对各方位观众区进行均匀覆盖。
舞台演出扩声系统配置高功率线阵列扬声器, 配合超低频扬声器（落地式安装）, 满足中小型演出、会议等系统的扩声; 同时, 流动布置4 只全频返送扬声器于舞台地面, 提供灵活的舞台监听可能性;4 只监听扬声器也可以作为比赛功能时对比赛场地的扩声或对贵宾主席台进行扩声考虑到本体育馆主要为满足中小型演出功能扩声要求, 并综合音箱性价比和体育馆投资额度，选用BELL VPS-500T为线阵列扬声器系统单元音箱, 采用4 只音箱为一组的短线阵列, 共2 组, 配合BELL VPS-420L低频扬声器。
BELL VPS-500T主要参数为: 功率: 500/1 000 W; 频响:80 Hz~18 kHz;SPL(1 W/1 m):109 dB; 幅盖角度:90 X 10度；阻抗:8 Q。
在建模中,选取13个听音面, 如图3中红线区域,覆盖所有观众席区, 听音面高度符合人耳实际听音高度。
舞台演出扩声系统共有2组线阵列和4只低频音箱组成,其中线阵列的位置可以选在塔楼两侧上方的马道上, 或活动舞台口上方的马道上, 或塔楼两侧墙面上, 但由于体育馆内采用演出模式时, 舞台的位置在体育馆塔楼前面, 要想向观众区传递清晰的直达声, 所以最好的位置就是将线阵列音箱布置在塔楼两侧墙面上。
结合体育馆的实际建筑情况，经过EASE仿真比较[9],确定了将线阵列悬挂在墙面标高为10 m 的地方, 纵向角度为向下偏移25°,4 只低频音箱布置于舞台口两侧地面, 如图2 所示。
图2 扬声器布置俯视图从图2 中可以看出线阵列的覆盖面积很广, 即直达声到达的区域比较大, 完全符合了演出要求。
当体育馆内声压级只依靠线阵列不能满足时, 还可以启用馆内的其他音箱。
2.3 体育馆声学特性仿真研究各频带直达声、总声压级和C50 数值如表1 所示。
表1 各频带直达声压级、总声压级和C50 频率/Hz1252505001 0002 0004 0008 000 直达声压级/dB97.9998.3597.98100.79102.4899.4494.67 总声压级/dB106.15103.22101.71104.92109.12107.01102.33 C50-3.99-1.041.041.03-1.04-1.63-0.91其中, 直达声能够覆盖的区域包含贵宾席和大部分观众席,直达声压级比较大,各观众区均可听到清晰的直达声, 效果较好。
总声压级由直达声声压级和混响声场声压级两部分构成, 将表中各频带的总声压级叠加,得到体育馆内的总声压级约为114.2 dB, 符合国家标准规定大于105 dB 的要求。
C50 用于度量语言可懂度[10],表示50 ms前后以dB为单位的能量比，对于有较高混响时间的大型体育馆, 高于-5 dB 即可获得良好的可懂度。
经计算,C50均值为-1.03 dB,语言清晰度和可懂度均为良好。
考虑到体育馆要求在语音段要有一个较好的音质,500~2 000 Hz 是对声音清晰度贡献的主体,而500 Hz 是辅音清晰度考虑的最低频率，低于500 Hz的频率主要提供识别（物体）,2 000 Hz 是辅音清晰度考虑到的最高频率，高于2 000 Hz的频率主要添加口语中的“咝咝”声。
所以, 以下分析选择1 000 Hz 进行, 如图3, 图4 所示。
图3 辅音清晰度损失率ALC 1 000 Hz图4 快速语言传递指数RASTI 1 000 Hz在图3 ALC百分比值中，依照表2 Alcons百分数参考值，评价能够达到非常好的区域达57.02%, 评价良好的区域占37.7%, 其余5.28%为清晰区域, 无较差和不可接受区域。
表2Alcons 百分数参考值非常好良好清晰较差不能接受0%~7%7%~11%11%~15%15%~18%18%~ 快速语言传递指数RASTI 是以辅音发音损失的百分率作为衡量标准, 以0~1的比例表达清晰度,1 是完美的。
在图4 RASTI 百分比值中，依照表3 RASTI参考值，评价非常好的区域占37.46%, 其余区域为评价良好。
表3RASTI参考值非常好良好较差不能接受0.60~1.000.45~0.600.30~0.450.00~0.30总体来说,EASE仿真针对线阵列扬声器的摆位进行设置，制定出一套各项指标良好的系统方案,结果表明, 此方案效果较好、准确性高、可行性强, 达到了声学特性预估的目的。
3 结语讨论了线阵列扬声器系统的相关理论, 并结合中国海洋大学综合体育馆应用短线阵列扬声器系统的实例，通过EASE软件对体育馆的声学环境进行仿真, 分析比较其重要声场声学特性, 制定出一套可行性较强的系统方案, 从而为施工提供了重要的理论依据和技术指导。
