杭州奧體中心游泳館以“化蝶”造型作為設(shè)計(jì)語言，巧妙地融合了杭州的本土文化。該游泳館的總建筑面積為53 959 ㎡，屋面 點(diǎn)達(dá)到35 m，館內(nèi)配備了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池和一個(gè)跳水池，能夠容納6 484名觀眾。作為第19屆亞洲運(yùn)動(dòng)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱：杭州亞運(yùn)會(huì)）游泳、跳水和花樣游泳項(xiàng)目比賽及訓(xùn)練的場(chǎng)館，杭州奧體中心游泳館的主擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)提升游泳館的功能性、觀眾觀賽體驗(yàn)有著重要意義。杭州亞運(yùn)會(huì)落幕后，該游泳館將用于水上賽事、演藝活動(dòng)和水上體育培訓(xùn)等活動(dòng)。

        主擴(kuò)聲系統(tǒng)作為游泳館建設(shè)的組成部分，需要服務(wù)賽事、演藝項(xiàng)目等活動(dòng)。筆者根據(jù)該游泳館主擴(kuò)聲系統(tǒng)的功能需求，以及場(chǎng)館空間特性，解析主擴(kuò)聲系統(tǒng)方案，對(duì)實(shí)施難點(diǎn)給出解決方案。測(cè)試及使用結(jié)果表明，主擴(kuò)聲系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足使用要求。

        1  主擴(kuò)聲系統(tǒng)需求及重難點(diǎn)分析

        1.1  用戶需求分析

        在主擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)施中，要對(duì)運(yùn)動(dòng)員、裁判和觀眾等不同群體的功能需求進(jìn)行剖析，提出針對(duì)性的解決方案。

        對(duì)運(yùn)動(dòng)員而言，比賽場(chǎng)地?cái)U(kuò)聲系統(tǒng)的用途主要是聽取檢錄通知、入場(chǎng)引導(dǎo)、裁判指令等。運(yùn)動(dòng)員在比賽期間，需要實(shí)時(shí)通過比賽場(chǎng)地?cái)U(kuò)聲系統(tǒng)獲得所需的訊息，但又不希望被觀眾席擴(kuò)聲系統(tǒng)所干擾，能夠?qū)Ｗ⒂诒荣?。所以，比賽?chǎng)地的揚(yáng)聲器應(yīng)與觀眾席揚(yáng)聲器分開設(shè)置，并符合聲場(chǎng)均勻度及聲壓級(jí)的要求。

        對(duì)裁判而言，不但需要聽到場(chǎng)內(nèi)的實(shí)況訊息，還需要將其指令通過主擴(kuò)聲系統(tǒng)傳達(dá)給運(yùn)動(dòng)員和觀眾。所以，需要為裁判配備合適的傳聲器系統(tǒng)。

        對(duì)觀眾而言，觀眾席任何位置都應(yīng)清晰地聽到賽場(chǎng)內(nèi)的訊息。揚(yáng)聲器不但要均勻地覆蓋觀眾席，還應(yīng)考慮聲道間的頻率和相位干擾、延時(shí)以及對(duì)比賽場(chǎng)地的聲反射等諸多方面的因素。因此，要合理設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器的布局及聲道數(shù)量以減少相鄰聲道間的相位干擾，根據(jù)前后場(chǎng)的距離設(shè)置延時(shí)，通過計(jì)算合理設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器的覆蓋角度以減少聲反射。

        1.2 聲學(xué)特性分析

        聲反射的處理需要結(jié)合場(chǎng)館的建筑聲學(xué)環(huán)境。該場(chǎng)館每座容積為39.5 m3/座；中頻（500 Hz～1 000 Hz）滿場(chǎng)混響時(shí)間設(shè)計(jì)值為小于2.5 s；噪聲評(píng)價(jià)曲線滿足NR-40。[1]

        由于游泳館屋頂采用橢球曲面造型，極易產(chǎn)生聲聚焦等聲學(xué)缺陷；且游泳館每座容積較大，混響時(shí)間偏長(zhǎng)，對(duì)主擴(kuò)聲系統(tǒng)的語言清晰度極為不利。針對(duì)這些問題，在進(jìn)行揚(yáng)聲器布局的設(shè)計(jì)中，盡量采用直達(dá)聲覆蓋，并嚴(yán)格控制揚(yáng)聲器的覆蓋角度，減少反射聲的形成。

        1.3 環(huán)境因素分析

        環(huán)境的溫度、濕度都會(huì)影響聲音的傳播，在進(jìn)行主擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮在內(nèi)。溫度每升高1℃，聲速約增加0.6 m/s。同時(shí)，場(chǎng)館內(nèi)上層空間與水面的溫差也會(huì)導(dǎo)致空氣密度的不同，從而對(duì)聲傳播方向產(chǎn)生微弱的改變。

        相較于其他類型的廳堂，一般來說，游泳館的濕度較高。而濕度同樣也會(huì)對(duì)聲音產(chǎn)生影響，濕度高的環(huán)境下，水汽分子會(huì)與聲波發(fā)生相互作用，高頻的傳播速度會(huì)比低頻更慢，導(dǎo)致聲音的頻率特性發(fā)生變化。

        所以，在進(jìn)行主擴(kuò)聲系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，要考慮溫濕度的影響，對(duì)延時(shí)、頻率響應(yīng)做針對(duì)性的調(diào)整。

        2  主擴(kuò)聲系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

        2.1 設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)思路

        根據(jù)GB/T 28049—2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ/T 131—2012《體育館聲學(xué)設(shè)計(jì)及測(cè)量規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)包括比賽場(chǎng)及觀眾席的主擴(kuò)聲系統(tǒng)以及檢錄、呼叫廣播擴(kuò)聲系統(tǒng)。文中主要闡述比賽場(chǎng)地及觀眾席的主擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

        在主擴(kuò)聲系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)過程中，遵循合規(guī)性、適用性、安全性、靈活性、易操作性的基本原則，著重考慮以下幾個(gè)方面：

        （1）觀眾席和場(chǎng)地均能夠獲得足夠的擴(kuò)聲聲壓級(jí)；

        （2）揚(yáng)聲器系統(tǒng) 覆蓋觀眾席，聲場(chǎng)不均勻度滿足規(guī)范要求；

        （3）觀眾席的語言清晰度；

        （4）減少觀眾席揚(yáng)聲器對(duì)比賽場(chǎng)地及館外環(huán)境的聲學(xué)干擾；

        （5）設(shè)備吊裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、設(shè)備操作遵循便捷性、系統(tǒng)性能可靠性；

        （6）系統(tǒng)管理與控制要精確、簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)的維護(hù)便捷，并兼顧系統(tǒng)的擴(kuò)展性，體現(xiàn)人性化的設(shè)計(jì)理念。

        2.2 主擴(kuò)聲系統(tǒng)的組成

        主擴(kuò)聲系統(tǒng)的組成主要包括音源系統(tǒng)、調(diào)音控制及信號(hào)處理系統(tǒng)、全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、功放及揚(yáng)聲器系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1  主擴(kuò)聲系統(tǒng)架構(gòu) 

        音源系統(tǒng)包括 發(fā)言、播音發(fā)言的有線傳聲器，比賽場(chǎng)內(nèi)活動(dòng)及頒獎(jiǎng)主持使用的無線傳聲器，以及用于播放國(guó)歌、入場(chǎng)須知等音頻文件的播放機(jī)等設(shè)備。

        調(diào)音控制及信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主、備2套系統(tǒng)，從調(diào)音臺(tái)到信號(hào)處理 及信號(hào)接口機(jī)箱的配置均滿足系統(tǒng) 運(yùn)行和熱備份的需求。與音源系統(tǒng)之間由信號(hào)分配器將輸入信號(hào)一分為二，分別送入主/備系統(tǒng)的接口機(jī)箱。主/備系統(tǒng)的調(diào)音臺(tái)、信號(hào)處理 及接口機(jī)箱通過雙星型音頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 組網(wǎng)，并進(jìn)行信號(hào)處理。經(jīng)過處理后的信號(hào)分別通過DANTE數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的形式送入揚(yáng)聲器功率放大器?？傊{(diào)音控制及信號(hào)處理系統(tǒng)具備從音源輸入到功放輸出的全鏈路冗余備份處理，做到不間斷、低延時(shí)的實(shí)時(shí)切換，確保系統(tǒng)的安全性。

        為了實(shí)時(shí)掌控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，簡(jiǎn)化運(yùn)維流程，提高運(yùn)維效率，設(shè)置了一套全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。其功能包含設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)擁堵檢測(cè)、電源及溫濕度檢測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)整、開關(guān)機(jī)控制等，可以通過網(wǎng)絡(luò)將各子系統(tǒng)的設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳到手機(jī)、電腦等終端設(shè)備，并生成工作日志。

圖2  全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)交互界面

        根據(jù)不同區(qū)域的功能需求和覆蓋要求，揚(yáng)聲器系統(tǒng)分為比賽場(chǎng)地?fù)P聲器系統(tǒng)、觀眾席揚(yáng)聲器系統(tǒng)及 臺(tái)返送揚(yáng)聲器系統(tǒng)。

        針對(duì)游泳館容積大、混響時(shí)間長(zhǎng)的聲學(xué)特性，需要合理設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器的布局，使聲場(chǎng)覆蓋均勻，并提高直達(dá)聲的能量，以確保語言清晰度，因而設(shè)計(jì)采用分布式供聲的方案。根據(jù)比賽場(chǎng)地和觀眾席范圍、面積、前后排高差計(jì)算場(chǎng)地?fù)P聲器和觀眾揚(yáng)聲器分組數(shù)量、水平和垂直覆蓋指向角以及聲壓級(jí)等參數(shù)。

        對(duì)于揚(yáng)聲器的選型，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇頻響范圍、輻射角度等性能合適的揚(yáng)聲器，并考慮其實(shí)用性和適用性。比賽場(chǎng)地?fù)P聲器以語言擴(kuò)聲為主，觀眾席揚(yáng)聲器則要考慮語言擴(kuò)聲的清晰度和音樂的明晰度。通過合適的揚(yáng)聲器配置，達(dá)到靈活的使用目的。

        比賽場(chǎng)地?cái)U(kuò)聲選用了16只MKD1064，輻射角度為60°×40°，面向場(chǎng)地固定安裝在場(chǎng)地上方馬道側(cè)面，南北兩側(cè)各配置8只，均勻覆蓋游泳池和跳水臺(tái)場(chǎng)地，如圖3所示。

圖3 比賽場(chǎng)地及觀眾席揚(yáng)聲器布局及聲場(chǎng)覆蓋示意圖

        觀眾席擴(kuò)聲選用8組線陣列揚(yáng)聲器，固定吊裝在頂部下層承重鋼梁上。其中，西側(cè)靠近音控室的觀眾席區(qū)域面積較小，這2組線陣列揚(yáng)聲器由3只KF810P-110°全頻揚(yáng)聲器和1只SB818P-F 頻揚(yáng)聲器組成，如圖3所示；其余6組線陣列揚(yáng)聲器由8只KF810P-110°全頻揚(yáng)聲器和1只SB818P-F 頻揚(yáng)聲器組成。 頻揚(yáng)聲器的功能主要是為了擴(kuò)展低頻下限，增加音樂表現(xiàn)力。

         臺(tái)返送揚(yáng)聲器配置了4只VFR159i，采用流動(dòng)擺放的方式，根據(jù)需要適時(shí)調(diào)整其位置，通過設(shè)置在 臺(tái)區(qū)域的插座箱接入擴(kuò)聲系統(tǒng)。

        3  主擴(kuò)聲系統(tǒng)聲場(chǎng)模擬與分析

        為了驗(yàn)證 聲壓級(jí)、聲場(chǎng)不均度、語言清晰度等設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，采用EASE軟件對(duì)游泳館的擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行了仿真模擬，如圖4所示。比賽場(chǎng)地和觀眾席的模擬結(jié)果分別見表1、表2和圖5、圖6。經(jīng)過分析可以看出，從125 Hz～4 000 Hz  聲壓級(jí)平均值大于 105 dB，整個(gè)頻段聲場(chǎng)不均勻度為不低于8 dB，STI-PA平均值大于0.55，滿足并優(yōu)于JGJ/T 131—2012及GB/T 28049— 2011體育館擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性一級(jí)指標(biāo)。

圖4 聲場(chǎng)模擬軟件模型四視圖

圖5 比賽場(chǎng)地語言傳輸指數(shù)STIPA模擬結(jié)果

圖6 觀眾席語言傳輸指數(shù)STIPA模擬結(jié)果

        4  主擴(kuò)聲系統(tǒng)實(shí)施要點(diǎn)

        在主擴(kuò)聲系統(tǒng)實(shí)施中，制定了詳細(xì)的施工方案。根據(jù)土建施工進(jìn)度和場(chǎng)館試運(yùn)營(yíng)的節(jié)點(diǎn)要求，制定了項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃。對(duì)項(xiàng)目的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，制定針對(duì)性解決方案和實(shí)施措施。

        4.1 揚(yáng)聲器吊裝方式

        在揚(yáng)聲器的初始安裝方案中，設(shè)計(jì)采用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行吊掛固定。然而，考慮到長(zhǎng)期懸掛可能導(dǎo)致設(shè)備形變，存在安全隱患，從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，將揚(yáng)聲器的安裝方式改為固定吊掛于頂部的鋼結(jié)構(gòu)上。首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師提供的結(jié)構(gòu)荷載數(shù)據(jù)確定每組揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)荷載上限，游泳館頂部鋼結(jié)構(gòu)總荷載上限為20 000 kg，核算到單組線陣列揚(yáng)聲器組的上限約為2 000 kg，該項(xiàng)目配置的揚(yáng)聲器組 值為400 kg，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

        根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的揚(yáng)聲器安裝位置，結(jié)合場(chǎng)館頂部的管線路由、馬道、燈具等各類設(shè)備的布局，確定揚(yáng)聲器吊裝鋼絲繩的安裝位置和規(guī)格。該項(xiàng)目采用了10 mm直徑的吊裝鋼絲繩，根據(jù)破斷拉力計(jì)算其破斷拉力大于5 000 kg，滿足約10倍的安全系數(shù)。再根據(jù)每組揚(yáng)聲器的覆蓋角度，確定鋼絲繩的拉升傾斜度，如圖7所示。 ，為每組揚(yáng)聲器增加一道鋼絲安全繩作為安全保障措施。

圖7 揚(yáng)聲器吊裝實(shí)景圖

        4.2 音頻網(wǎng)絡(luò)部署及線纜規(guī)劃

        在體育館等大型場(chǎng)館中，由于場(chǎng)內(nèi)信號(hào)接入點(diǎn)和輸出點(diǎn)分布 ，若全部采用模擬線纜敷設(shè)，信號(hào)衰減嚴(yán)重且占用大量路由空間。因此，該項(xiàng)目采用了分布式雙星型的混合式音頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將信號(hào)輸入接口機(jī)箱安裝于靠近場(chǎng)內(nèi)信號(hào)插座箱的一層信號(hào)機(jī)房，調(diào)音臺(tái)及處理 設(shè)置在位于三層的音控室。調(diào)音臺(tái)、處理 及輸入、輸出接口機(jī)箱間的距離遠(yuǎn)，采用光纖傳輸信號(hào)，不但具有傳輸容量大、延時(shí)低的特點(diǎn)，其低衰減性可保障信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

        信號(hào)輸出接口機(jī)箱安裝在功放機(jī)房?jī)?nèi)，而功放機(jī)房設(shè)置在盡可能靠近揚(yáng)聲器，減少音箱線的敷設(shè)距離，降低信號(hào)的衰減。根據(jù)前期功能用房的規(guī)劃，功放機(jī)房與音控室合并使用，位于三層。

        4.3 聲場(chǎng)調(diào)試

        在進(jìn)行聲場(chǎng)調(diào)試之前，進(jìn)行了線路測(cè)試、設(shè)備通電檢查，并對(duì)每一只揚(yáng)聲器進(jìn)行信號(hào)測(cè)試。聲場(chǎng)調(diào)試的步驟和注意如下。

        （1）進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)試，包括溫度、濕度、背景噪聲、室內(nèi)混響時(shí)間。為了確保系統(tǒng)調(diào)試的信噪比，測(cè)試點(diǎn)聲壓級(jí)應(yīng)至少高于背景噪聲15 dB。

        （2）以揚(yáng)聲器的軸向位置或主要工作點(diǎn)作為參考點(diǎn)，對(duì)每一只揚(yáng)聲器進(jìn)行增益、頻響范圍、均衡、延時(shí)等參數(shù)設(shè)定。

        （3）以整組揚(yáng)聲器作為對(duì)象，選取覆蓋范圍內(nèi)的若干測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)修正，尤其要注意揚(yáng)聲器之間的延時(shí)、相位耦合。

        （4）開啟全場(chǎng)/全區(qū)域揚(yáng)聲器，選取覆蓋范圍內(nèi)的若干測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，調(diào)整每組揚(yáng)聲器的增益、延時(shí)和均衡。

        （5）增大系統(tǒng)增益，使其達(dá)到1/4或1/10滿功率輸出，測(cè)量聲壓輸出，按空間點(diǎn)進(jìn)行平均，然后再加上6 dB或10 dB，獲得 聲壓級(jí)。在做此項(xiàng)測(cè)試時(shí)，同時(shí)聽其有無共振或異常聲，若有應(yīng)及時(shí)排除。

        （6）將測(cè)試信號(hào)改為音樂信號(hào)進(jìn)行試聽，檢查音質(zhì)是否正常，進(jìn)行主觀評(píng)測(cè)及調(diào)試。

       （7）分別將有線和無線傳聲器接入系統(tǒng)，進(jìn)行語音測(cè)試，檢查聲音有無異?，F(xiàn)象。

        正如前文所言，環(huán)境溫度、濕度會(huì)對(duì)聲場(chǎng)帶來一定影響，所以在泳池注水完成、空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，再次對(duì)主擴(kuò)聲系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)均衡、延時(shí)作微調(diào)修正。

        5  主擴(kuò)聲系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

        游泳館主擴(kuò)聲系統(tǒng)施工及調(diào)試完成后，由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)依據(jù)JGJ/T 131—2012《體育場(chǎng)館聲學(xué)設(shè)計(jì)及測(cè)量規(guī)程》[2]和GB/T 28049—2011《廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，在空?qǐng)鰻顟B(tài)下對(duì)主擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見表3。各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于JGJ/T 131—2012中體育館擴(kuò)聲系統(tǒng)一級(jí)指標(biāo)。

        通過比對(duì)前期軟件模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看到，傳輸頻率特性、聲場(chǎng)不均勻度、語言傳輸指數(shù)結(jié)果較為接近，而 聲壓級(jí)的實(shí)測(cè)值較模擬值有所提高。

        通過數(shù)據(jù)比對(duì)可以看到，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)借助軟件模擬可以有效預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的可行性。但軟件模擬也存在一定的局限性，比如對(duì)聲場(chǎng)環(huán)境參數(shù)掌握得不夠準(zhǔn)確，對(duì)反射聲的計(jì)算不夠 等，都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。所以，在前期設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)模型參數(shù)的不斷修正和細(xì)化，從而進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確性。

        6  結(jié)語

        在杭州奧體中心游泳館主擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，通過與聲學(xué)設(shè)計(jì)的結(jié)合，借助計(jì)算機(jī)仿真模擬，優(yōu)化揚(yáng)聲器布局和參數(shù)設(shè)置，從而優(yōu)化聲場(chǎng)效果；將數(shù)字音頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)；加入智能化監(jiān)控系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)維更加高效便捷。項(xiàng)目完成后，承辦了2023年全國(guó)游泳 賽，杭州亞運(yùn)會(huì)游泳、跳水、花樣游泳比賽等國(guó)內(nèi)外大型活動(dòng)，主擴(kuò)聲系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，獲得了使用方的肯定。

        未來，在此類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中還可以探索更多可能性，如水下擴(kuò)聲的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)對(duì)高濕度環(huán)境的新材料的應(yīng)用，基于人工智能的聲場(chǎng)自適應(yīng)調(diào)整算法等。