體育場(chǎng)擴聲系統設計及建筑聲學(xué)

　　國家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”是2008北京奧運會(huì )的主會(huì )場(chǎng)，能容納91000名觀(guān)眾，在這里要進(jìn)行開(kāi)閉幕式及其他一些比賽項目。卓邦有幸參與了國家體育場(chǎng)擴聲系統 設計及建筑聲學(xué)的相關(guān)工作，在此作簡(jiǎn)單的介紹。

　　一、概述

　　國家體育場(chǎng)位于北京奧林匹克公園南部，為2008年第29屆奧運會(huì )的主體育場(chǎng)。工程總占地面積21公頃，建筑面積258 000m2。場(chǎng)內觀(guān)眾坐席約為91 000個(gè)，其中臨時(shí)坐席約11 000個(gè)。這里將舉行奧運會(huì )、殘奧會(huì )開(kāi)閉幕式、田徑比賽及足球比賽決賽。奧運會(huì )后將成為北京市民廣泛參與體育活動(dòng)及享受體育娛樂(lè )的大型專(zhuān)業(yè)場(chǎng)所，并成為具有地標性的體育建筑和奧運遺產(chǎn)。

　　1、國家體育場(chǎng)的部分基本數據

　　東邊看臺最后一排到西邊最后一排的距離約260 m，南北約270 m;體育場(chǎng)挑棚長(cháng)度約為68 m;挑棚由上下兩層膜構成，即固定于鋼結構上弦的透明的ETFE膜和固定于下弦的PTFE膜;下層膜為具有一定的吸聲性能的膜結構 ;兩層膜之間的距離為13 m，膜下方的體積為1 900 000 m3，總表面積約160 000 m2;整個(gè)吊頂覆蓋面積為42 000 m2，當中開(kāi)口面積為18 000 m2。

　　在內層膜的下方吊掛著(zhù)揚聲器組，這些揚聲器組距離第一排觀(guān)眾約41 m，距離中層看臺為38 m，距離上層看臺最后一排為68 m。西挑棚下吊裝覆蓋比賽場(chǎng)地的揚聲器組，距東看臺第一排134 m，從西挑棚揚聲器發(fā)出的聲音到達東看臺第一排，與東挑棚上面的揚聲器發(fā)出的聲音到東有臺第一排相比，時(shí)差約為 350 ms。若以點(diǎn)聲源來(lái)算，指向性因數按4計，場(chǎng)內混響時(shí)間按4 s計，混響半徑約為80 m?90 m。

　　2、奧組委的技術(shù)要求

　　奧組委的對國家體育場(chǎng)的擴聲要求是要建最好的體育場(chǎng)，最大聲壓級要求達到106 dB，語(yǔ)言清晰度指數STI要求達到0.6，能滿(mǎn)足奧運賽時(shí)語(yǔ)言兼顧音樂(lè )擴聲的要求。

　　二、國家體育場(chǎng)聲學(xué)設計與測量結果

　　國家體育場(chǎng)聲學(xué)設計工作主要分三個(gè)方面：一是對體育場(chǎng)內、外環(huán)境噪聲進(jìn)行評估;二是控制混響時(shí)間;三是控制聲缺陷。

　　1、噪聲評估與控制

　　影響國家體育場(chǎng)的主要噪聲來(lái)自北京的北四環(huán)路的交通噪聲，在國家體育場(chǎng)外約為60 dB(A)?65 dB(A);而在場(chǎng)內約為55 dB(A)。統計數據顯示，類(lèi)似“鳥(niǎo)巢”這樣大的一個(gè)體育場(chǎng)內觀(guān)眾躁聲大概為：觀(guān)眾安靜地觀(guān)看比賽時(shí)，噪聲約為 60 dB(A)?65 dB(A);觀(guān)眾在看比賽時(shí)議論的時(shí)候，大概是70 dB(A)?75 dB(A);在觀(guān)眾歡呼的時(shí)候，大概是90 dB(A)?95 dB(A);在觀(guān)眾尖叫的時(shí)候，大椐是100 dB(A)。由此可見(jiàn)，場(chǎng)內環(huán)境噪聲55 dB(A)不足以影響場(chǎng)內的比賽及其他活動(dòng)。

　　同樣，在國家體育場(chǎng)內有活動(dòng)的時(shí)候，如舉辦體育比賽、文藝演出時(shí)，對外界的影響，特別是對“水立方”的影響如何?測量顯示，“鳥(niǎo)巢”內觀(guān)眾歡呼時(shí)，噪聲到“水立方”處約為 60 dB(A)，和馬路上的交通噪聲差不多，因此，對水立方的使用基本不影響。

　　對“鳥(niǎo)巢”雨噪聲的測試是在2008年4月初的某次中雨時(shí)進(jìn)行的，約為65 dB(A)?75 dB(A)。這是在體育場(chǎng)內觀(guān)眾席上測到的數據，大致與觀(guān)眾在議論時(shí)噪聲等級差不多，是一個(gè)可接受的程度。大雨時(shí)所有比賽與活動(dòng)均會(huì )暫停。

　　2、測量結果

　　(1)混響時(shí)間

　　在建聲設計之時(shí)，采用了ODEON的軟件和EASE的AURA程序進(jìn)行模擬，在空場(chǎng)的時(shí)候，混響時(shí)間500 Hz約為3.71 s，1kHz約為3.62 s， 2 kHz約為3.2 s;滿(mǎn)場(chǎng)時(shí)的混響時(shí)間500 Hz約為3.1 s，1 kHz約為2.8 s，2 kHz約為 2.5 s。實(shí)際測試結果，空場(chǎng)混響時(shí)間 500 Hz約為4.1 s，1 kHz約為3.8 s，2 kHz約為3.1 s，與預測的數據基本一致。測量時(shí)，體育場(chǎng)草皮還未鋪，部分看臺座椅未裝，因此，最后的實(shí)際情況可能還會(huì )稍微好一點(diǎn)。

　　(2)語(yǔ)言清晰度STI

　　對于語(yǔ)言清晰度STI值，奧組委的要求為：滿(mǎn)場(chǎng)時(shí)0.6。經(jīng)軟件分析，空場(chǎng)時(shí)可達0.52，80%滿(mǎn)場(chǎng)情況下可達0.6。實(shí)際測量，空場(chǎng)情況下達到0.54。

　　(3)最大聲壓級

　　實(shí)測的最大聲壓級為109 dB，達到并超過(guò)了奧組委的要求。

　　三、擴聲系統的特點(diǎn)

　　1、系統的安全性的考慮

　　體育場(chǎng)擴聲工程設計將安全性的考慮放在第一位。體育場(chǎng)內可容納91 000名觀(guān)眾，加上場(chǎng)地的工作人員、運動(dòng)員、裁判員等，人數很多。因此，擴聲系統的安全性就顯得尤為重要，它要求系統中任何一臺音響設備 出現故障時(shí)，不能造成場(chǎng)內觀(guān)眾聽(tīng)不到聲音。

　　通常擴聲系統流程圖是：調音臺-處理器-功放-揚聲器系統。任一環(huán)節出現了問(wèn)題，就會(huì )有相當數量乃至全場(chǎng)的觀(guān)眾聽(tīng)不到聲音。因此，在最初設計的時(shí)侯，就應考慮讓整個(gè)擴聲系統沒(méi)有瓶頸，不能因為系統中任何一臺音響設備的問(wèn)題而使得整個(gè)系統癱瘓。那么，如何實(shí)現呢?

　　正常工作狀態(tài)下，音頻信號由數字輸入口進(jìn)入功率放大器;當數字信號丟失時(shí)，模擬左通路作為信號備份輸入通路自動(dòng)投入使用;模擬右通作為緊急廣播應急通路，出現應急廣播信號時(shí)，模擬右通路強切數字輸入通路或模擬左通路。實(shí)現功率放大器正用、備份、應急廣播的功能。由于采用了帶數字處理器的功放，有效地解決了一臺處理器出現問(wèn)題影響一大片區域的問(wèn)題，提高了系統安全性。

　　2、數字系統的考慮

　　通常體育場(chǎng)的信號都來(lái)自于主席臺，但在大型賽事情況下，信號還有可能來(lái)自于看臺、場(chǎng)地，部分信號回傳到機房的距離超過(guò)500 m。另外，在奧運會(huì )或比較重要的活動(dòng)、體育賽事的時(shí)候，同一個(gè)音頻信號多家要用，如主席臺音頻信號除了擴聲系統會(huì )用，電視轉播也要用，場(chǎng)內其他機房可能還要用?；谝陨峡紤]，選用網(wǎng)絡(luò )化的數字調音臺是一個(gè)比較合理的解決方案。

　　3、功放機房的設置

　　本擴聲系統中還有一個(gè)特點(diǎn)，就是設置了4個(gè)功放機房。通常體育場(chǎng)擴聲系統工程只設置一個(gè)或兩個(gè)統一的功放機房，需通過(guò)高壓傳輸方式來(lái)解決長(cháng)距離傳輸所引起的功率損耗。但同時(shí)引入了變壓器的損耗，損害了音質(zhì)。

　　參觀(guān)過(guò)2008年德國世界杯足球賽的主會(huì )場(chǎng)，它的功放就置于每組揚聲器系統的后面，即設置在挑棚上，在需要檢修時(shí)用類(lèi)似“貢多拉”(威尼斯小船)的小船通過(guò)上面的繩索滑過(guò)去，這種做法不太適合中國的國情。

　　最后，在與體育場(chǎng)建筑設計部門(mén)商量后，在體育場(chǎng)上層看臺后部留了4個(gè)功放機房，盡量讓功放靠近揚聲器?，F在最短的揚聲器線(xiàn)只有幾十米，最長(cháng)的也只有一百二十余米。

　　4、聲場(chǎng)的設計

　　聲場(chǎng)的設計在擴聲系統設計中也考慮得比較多。使聲音覆蓋到91 000名觀(guān)眾，應是一個(gè)均勻的、有足夠的聲壓級的、清晰的聲場(chǎng)。因此，主擴聲揚聲器宜采用分散式的布置方式。觀(guān)眾席上方吊掛了16組揚聲器組，每組由8只到14只揚聲器箱組成。揚聲器系統采用了線(xiàn)陣列揚聲器，盡可能地提高語(yǔ)言清晰度。

　　四、值得探討的問(wèn)題

　　1、調音臺的選型

　　體育場(chǎng)選用的調音臺是Stage Tec公司的數字調音臺，操作界面為AURUS。筆者更傾向于使用一個(gè)更小的、操作更靈活的、更能滿(mǎn)足體育場(chǎng)館使用的小型界面調音臺，但由于時(shí)間的原因已經(jīng)無(wú)法實(shí)現。

　　2、看臺下?lián)P聲器的選型

　　二層挑臺下部分區域是主揚聲器直達聲覆蓋不到的，因此，在挑臺下方加裝了一圈大概224只小的補聲揚聲器。但是，其安裝空間狹小，在兩個(gè)臺階的縫隙內，而且覆蓋的角度寬，差不要到一百五六十度，需使用兩只小揚聲器。主擴聲的揚聲器到觀(guān)眾席的最大聲壓級是109 dB，而小揚聲器滿(mǎn)功率最大聲壓級不足以支持109 dB的最大聲聲壓級。這是看臺下面有待改進(jìn)的一個(gè)問(wèn)題。

　　3、安全性的考慮

　　所有前端的設備，比如調音臺，都可以雙路供電。一路來(lái)自UPS，一路來(lái)自市電，確保供電安全。而功率放大器只有一個(gè)輸入，可接UPS，如果把整個(gè)擴聲系統所用的功放全接上UPS，費用太高。而如果用市電，體育場(chǎng)供電是雙路的，一路丟失會(huì )自動(dòng)跳到另外一路，切換時(shí)間大概需要100 ms。體育場(chǎng)選用的帶處理器的功放，斷電超過(guò) 10 ms，功放會(huì )自動(dòng)關(guān)機，恢復供電，功放需要8 s才能恢復。

　　五、一些體會(huì )

　　筆者所在的聲學(xué)設計研究所承擔體育場(chǎng)擴聲工程及聲學(xué)的相關(guān)工作，從一個(gè)技術(shù)人員的角度來(lái)看，筆者認為該工程是一個(gè)非常成功的設計項目，一個(gè)相對完善的系統。還有一點(diǎn)讓人欣慰，那就是在這個(gè)項目里，擴聲和建聲專(zhuān)業(yè)是合在一起設計的，這樣很多工程上的聲學(xué)問(wèn)題得以解決。分析本工程的成功，有以下幾點(diǎn)體會(huì )。

　　1、開(kāi)明的領(lǐng)導

　　在這個(gè)項目進(jìn)行中，國家體育場(chǎng)有限公司相關(guān)領(lǐng)導很開(kāi)明。提出合理要求時(shí)，總會(huì )得到大力支持。他們有一個(gè)開(kāi)放的心態(tài)，能聽(tīng)取專(zhuān)業(yè)人士的意見(jiàn)。

　　2、各專(zhuān)業(yè)的協(xié)調配合

　　本工程中，各專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員相互理解、配合默契。如，原來(lái)國家體育場(chǎng)的建筑設計師在設計的時(shí)候，將揚聲器系統設計在挑棚復雜的框架里面，聲音被嚴重阻擋無(wú)法覆蓋整個(gè)觀(guān)眾席。后經(jīng)多次協(xié)商得到了理解，最終建筑設計方認同我們的方案要求，同意把揚聲器系統吊裝在挑棚下方。又如，在結構設計人員密切協(xié)調配合下，一噸多重的揚聲器系統吊裝在60多米長(cháng)的挑棚前端。還有水、電等相關(guān)設計專(zhuān)業(yè)也都與我們有很好的配合。

　　3、有思想的設計

　　在設計的前期，我們獲得來(lái)自業(yè)主方以及上級領(lǐng)導機關(guān)的要求，收集和整理了相關(guān)信息，并將這些要求、資訊融合到設計指導思想中。然后，我們認真分析這個(gè)工程具有什么樣的特點(diǎn)，會(huì )面臨什么樣的難題，該如何去解決。本工程設計中，我們認為安全是首位的，必須著(zhù)重考慮選擇什么樣的系統架構才能保證系統的穩定可靠，選擇什么樣的產(chǎn)品才能滿(mǎn)足系統對安全可靠的要求;最終，將這種理念貫徹到工程中。往往設計人員會(huì )被一些外來(lái)的客觀(guān)因素弄得沒(méi)有太多的回旋余地，而在這個(gè)工程里，筆者很高興能做到這一點(diǎn) ——只選擇適合的產(chǎn)品。

　　4、有責任心的集成商

　　河南省第十三屆運動(dòng)會(huì )閉幕式體育場(chǎng)擴聲工程設備提供商——北京卓邦電子技術(shù)有限公司在擴聲工程中投入了極大的熱情、人員、財力和物力，正是因為這樣有責任心的集成商，才確保了工程的順利設計、實(shí)施與完工。