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常见封闭式大型体育场馆声学设计解决方案

2016/6/10 21:21:31      点击:

体育场是一个露天或者封闭的场所,它可以容纳少则上千人,多则十数万人。而球馆通常是指一个封闭的场所,主要用于曲棍球这样的球类运动。最大的球馆如NBANFL的球馆,也只有18,00022,000个座位——大约只有大型体育场的20%25%。本文将主要讨论有顶棚的体育场内的声学处理,介绍在声音系统设计和声学处理方面一些比较独特的问题,这些问题比我们在球馆里碰到的要复杂的多。

                        

                                1 NFL亚利桑纳红雀队新建的主场体育馆

      一、混响时间(RT60)

 在建筑声学里有一门分支叫厅堂声学,研究的是声音在封闭空间内是如何传播的。在声学设计和进行观众区的测量时,房间的许多客观和主观的声学特性都会起到很大的影响作用,但是在体育场里,最突出的问题就是混响时间。

 “混响”就是声源停止发声后声音的“残余”,或者可以说是反响。混响的度量叫做混响时间,单位是秒,它是声音电平在初始值基础上降低60分贝所需要的时间。所以,通常可以用RT60T60来表示(有时会缩写为RTT)。

  在一个声学设计良好的音乐厅里,如果管弦乐队突然停止演奏,声音将会持续2秒或更多,这样的持续时间会为我们带来非常美妙的音乐效果。但是,一般只有古典音乐厅才可以有这么长的混响时间。如果混响时间过长,会让先发出的音频信号和后发出的音频信号都混合在一起,从而降低声音的清晰度,甚至还会让整个厅堂声音模糊不清。同样的,歌剧院或戏院里的混响时间过长会让人们无法听清楚歌词和台词。以下几点是我们需要了解的。

  •大型体育场在中心频率为500 Hz的频率段上平均的混响时间为7秒。

  •通常的低频混响时间为10秒,而63Hz则可能长达15秒甚至20秒。

  这种“大房间”现象不仅发生在封闭的体育馆中,在部分露天的体育场中也会存在,比如德克萨斯运动场(NFL达拉斯牛仔队的主场),还有最新建成的NFL亚利桑那红雀队球场在顶棚打开的时候(图1)。

   RT60是运动场设计的一个重要参数,因为它直接影响了语言的可懂度和音乐的清晰度。RT60比较有代表性的测量方法是选取以125Hz250Hz500Hz1kHz2kHz4kHz为中心频率的六个频段进行测量,然后取它们的平均值作为该场所的混响时间。当给出一个没有特别说明频率的混响时间时,一般就是指500Hz时的值或者500Hz1kHz的平均值。

   常规的RT60值在250Hz以下变得越来越不可靠,这是因为测量中性噪比的因素。预测的RT60值(比如在设计新场地时的计算值)通常在低频段125Hz做了低切,因为声吸收的测试数据中可以看出一般的建筑材料吸收不了这么低的频率。然而,就像我们现在看到的,在这些“超大型”体育场中无法把低频混响忽略掉。

      二、体育馆RT60的测量

  我们在10个各种体育场中实测了10RT60值。一些场馆的顶棚是封闭的,一些场馆的顶棚是可控制开启的,有两个场馆的顶棚是不完全封闭的,中间留有个“洞”。从这些数据可以看出有些封闭场馆的混响时间特别的长。佩尔顿·马什·金塞拉公司(PMK)在这些体育场里用一个“游艇炮”进行了RT60的测量,用10个标准的空包弹做声源,一台具有快速时间存储的多频段分析仪进行数据测量,最后用计算机软件进行数据分析。游艇炮的主意是杰克·伦德洛夫(德克萨斯州Ransom Canyon Randorff & Associates公司)想出来的,为的是能够产生足够的63Hz以下的声音以便于测量。PMK公司的这种炮发出63Hz声音的办法我们这里不讨论,为的是给这种很难确定的低频声确立一个统一的方法。

               

                             2. 专业运动场的混响时间(RT60)示意图

   Randorff & Associates公司早在1988年就在Astrodome体育馆使用游艇炮来获得这种冲击声的录音,用一个分级记录仪,然后用带状记录纸记录器来处理数据,得到RT60值。同样的,PMK公司采用TEF分析仪用延时测定法来测量RT60值,这样可以保持测量过程中性噪比固定。TEF测出的RT60值和用炮声测出的值很相似,就像1988年在音频工程师协会会议上提交的文件中的数据。

  但是,TEF数据测量的是通过馆内扩声系统从线阵列音箱里发出的声音,而炮声是一个点声源,这两者之间没有可比性。现在便携式的频谱分析仪可以在多个地点快速的测出数据,在大场馆中炮也可以作为一个理想的声源。

          

                     BankOne棒球场凹型声学结构

   BankOne棒球场在可开关顶棚和固定顶棚上采用的是一种3层“凹型声学结构”。岩棉代替了常用的polyisocianurate泡沫,增大了吸声量。许多墙的表面用金属细孔板内填充玻璃纤维来增大吸声量,其他垂直墙面上也作了各种各样的改造。这样组合处理的效果很显著,是所有顶棚可控开关的体育场中在顶棚关闭的情况下混响时间最短的。 

 
在米勒公园球场,使用了一个“吸音顶棚”,但垂直表面没有进行处理,内部音量很大。它是所有可回收顶棚的体育场在顶棚关闭时混响时间最长的。

      三、低频RT60的评测

  厅堂声学中常用的一个参数叫做低频比(BR),定义为125Hz250Hz的早期衰减时间(EDT)的平均值,区别于500Hz1kHz的平均EDT。定义中,EDT只是声能衰减第一个10dB的时间。在体育场中,EDT是很短的,基本与户外相当。这是因为几乎没有早期反射声。所以,体育场中的早期衰减时间在低频比中几乎没有什么影响。 

 
但是,设计场馆时,如果RT60值在低频段和中频段被用来代替EDT,那么BR仍然是一个有用的参数。增加63HzRT60值使低频进行“扩展”,BR就成了扩展低频比(EBR)。作为参考,音乐厅的BR值接近于小体育馆(少于2000个座位),它的RT60值超过2.0秒。大厅的BR值在1.11.2之间,而RT60值会短一些。

  前面我们讲到体育场和体育馆的区别。PMK公司收集了20多个体育馆的参数,把他们分成了以下三类: 
 
•中频平均RT60 = 2.08秒,平均 BR = 1.45 
 
•中频平均RT60 = 2.83秒,平均 BR = 1.11 
 
•中频平均RT60 = 3.91秒,平均 BR = 1.18 

 
短混响体育馆的BR值比音乐厅的要高一些,但是在可接受的范围内BR值可以大一点。这只是一个推论,并不是说长混响是件好事。通过我们对10个体育场馆的测试比较发现,在四个加了63Hz数据的体育场中,平均的BR1.55,而平均的EBR达到了1.82。这说明低频混响的问题在体育场比体育馆里表现得更为极端。公平起见,这四个有EBR值的体育场有一个平均的BR值,这个值比另外六个体育场的BR平均值要大(分别是1.81.4)。所以说普通体育馆很难适用于音乐,但是体育场现在却提出了挑战,特别是在低频方面。

      四、亚利桑纳红雀队主场的声学处理

  图5和图6是红雀队主场的内部结构图,这是在EASE 软件包中模拟出的声场情况。RT60值是在这个模型中计算出来的,根据各种标准体育场混响时间的预测,我们在计算时加入了“虚拟要素”。因为声吸收不够,所以已经安装的金属顶棚“听起来”和用填充了玻璃纤维的1.5英寸穿孔板效果一样。

                                

 图5. 在包厢的高度,为红雀体育场的主线阵列音箱串在计算机中建立的声学模型

                                 

           图 6. 在最高的座位为红雀体育场高处的卫星音箱在计算机中建立的声学模型
 
  PMK
公司推荐在所有需要处理区域的顶棚都使用水平的声学扩散体。这个体育场可开启的那部分顶棚是用一种布做成的。当顶棚打开时,这个“洞”周围用同样的布围了一圈,像“晕轮”一样。这就缩小了顶棚上可以进行声学处理的面积。因为成本问题,场馆方希望通过比较以下三种改造方案后再做决定: 
   
•最小的方案,只在有需要的墙表面和50%的座椅上做处理(也就是说不对顶棚进行改造); 
   
•在顶棚50%的区域铺设推荐的声学扩散体; 
   
•在所有要处理的顶棚上铺设声学扩散体 

   
因为在迈阿密与Pro Sound公司一起设计过体育场的视音频系统,所以PMK公司在模型中先用足够的喇叭来平衡和补偿场馆中的声音。三个附加的环节加到了模型中,其中用于场边座位处的线阵列音箱降低了高度,这样它们就可以离座位更近、指向更明确。音箱降低后,场馆方就节省了一半的扩散体处理,在语言音乐的清晰度和成本之间取得了完美的平衡。

      

                            图 7. 红雀体育场预测的RT60值和低频分析

  我们关心的是场馆方的决定有没有充分考虑到63Hz处不可避免的长混响时间,因为这在EASE中是无法建模也无法预测的。因此,一个可选的改造方案是在顶棚的管线外包上4英寸厚的玻璃纤维,从而在玻璃纤维后面形成许多1.5英寸空腔,就可以吸收更多的低频。还有一个建议是用岩棉代替聚氨脂泡沫,也可以增加对低频的吸收。与扩散体相比用玻璃纤维的费用比较低,这样就可以改造更多的区域,场馆方也同意了这一方案。 

 
6是最终通过的顶棚声学改造规划图。这是三个被比较的方案之一。在修改并控制了端区墙面、计分板和其它垂直面的反射后,“方案2”被选中了。 

 
连同63Hz一起比较体育场的标准RT60和实测RT60数据,PMK公司发明了一项专利,可以在设计新体育场时方便的估算RT60值。这种方法在红雀体育场声学改造方案的比较中得到运用。图7和图8比较了50%扩散体的方案和“方案2”的管线解决法。注意到中频的平均混响时间基本上比前面谈到的一些体育馆要长1秒左右,但是BR值比较低。同样的,管线处理使得它的EBR与另外的四个体育场持平甚至更低,并且低于这四个体育场的平均值。

                   

                                  图8. 63Hz开始测出的体育馆RT60

       五、结论


 体育场比其它类型的公共集会场所的混响时间和低频混响要长,这是一个特别麻烦的问题。同时,在测量这类场所的混响时间时,最好的用像游艇炮那样足够响的单独的冲击声,这样可以发出足够的声压级来获得频率很低的声音。但是,因为越来越多的低频声使测量的结果越来越不可靠,所以需要更进一步的研究后期处理的低频冲激响应与RT60之间的关系。 

 
在一个新项目的设计阶段,低频混响的预测比完整的测量它的可靠性要难得多。用普通的计算机建模工具和数据就可以做出听觉仿真,不过这些工具都不涉及超低频声音,但这却是最大的问题所在。但是,至少也应该建立一个63HzRT60值,这在体育场声学设计的时候会非常有帮助。 

 
亚利桑纳红雀队新球场的声学设计采用了许多新的手段来达到声学条件的改善,包括广泛的建模、预测和低频RT60计算方法。相对于原来顶棚的“声学”装修和主音箱串位置的情况,通过重新设计的声学改造,再把音箱串的位置尽可能的靠近座位以后,大大改善了体育场内语言的可懂度和音乐的清晰度。