体育场馆声学基础0001.docx

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要健身和张开各项体育活动,就需要建筑体育场馆。近来几年所建筑的体育馆
平时超越了体育活动和竞赛场所原有的功能使之有很大的扩展。在体育馆内不
仅进行各种会议、报告,而且张开大型娱乐活动,包括综艺晚会、大型演唱会、
杂技、马戏、时装表演,甚至演奏交响
乐。这些活动对于体育场馆来说已经不
是有时或额外的业务,
已成为
它提高社会效益和经济效益的经常性手段。因此,目前的体育馆实质
上是地道
的多功能大厅,因此在声学设计上有较高的要求。由于体育
馆的容量大,混响
时间长,平均自由程远远超出一般礼堂而简单引起
各种音质弊端,而能够用作
吸声办理的部位和面积极为有限,进而增加了声学设计的难度。
在体育馆内采用自然声演出,仅限于在小型体育馆内进行交响乐
和钢管乐
演奏,机遇甚少,因此在声学设计中仅考虑用扩声系统的演
出方式。但优异的
扩声收效必定经过合理的建声设计才能得以实现,
两者是相辅相成的。只有相
互亲近配合,才有可能用最低的投资获得
优异的音质和艺术收效。
对于单项运动的体育馆(或称专用馆),如游泳馆、跳水馆、溜
冰馆(人
工和自然冰)、网球馆、田径馆和室内射击场等,多功能使
用的可能性极少,
音质要求不高,主若是控制噪声和音质弊端,使其拥有必要的语言清楚度即可。
体育馆的声学设计与其种类、规模(容量、容积)和使用功能有关。因此,在声学设计的初步阶段就应确定其功能,依照设计规范和建设要求选择合理的声学设计指标,尔后展动工作。
随着文化事业的蓬勃发展和人们娱乐生活的内容日益丰富,声频工程的
数量迅猛增加,质量大幅度提高,从事声频工程的人员也愈来愈多。可是在
声频工程设计领域内,一些人依旧对声学看法认识不清、界线模糊。这种现
象对提高声频工程质量极为不利。本文想经过简单的描述,指出其中的问题,
澄清一些看法,抛砖引玉,希望能引起大家的重视,进而作更深入的谈论,以
利于提高声频工程设计的整体水平,提高工程设计的质量。
一、功率放大器的储备功率与扬声器标称功率之间的关系
在声频工程中功率放大器的主要功能是放大信号并供应负载(扬声器系统)足够的功率。功率放大器对音质的影响主要取决于输入信号可否在不失真的状态下获得放大与传输,给负载以足够大的功率。功率放大器放大和传输的
节目信号不同样于简谐信号,是一个瞬时变化的复杂信号。它拥有很多尖峰,它
们的能量不大,可是峰很尖、很高。这些尖峰对响度的贡献很小,但对音质
的影响却很大。若是发生削波,则放大的声音听起来让人感觉发燥、发硬。
若是只注意能量的传输(对应的量为响度),而不注意传输过程中波形的变化,
那么,我们有可能听到的声音很响,可是不好听。
依照多种乐器和不同样剧种节目信号的检查结果[1],大部分节目
信号的最大均方根功率(即节目信号的峰——峰值在负载上的功率)与平均
均方根功率(即节目信号在负载上的平均功率)之比为3?10,
。若是功率放大器的额定功率对应于节目信号的平均均方根功率,
那么功率放大器的最大输出功率应为其3?10倍方能保证输出信号不出现削
波。这就是为什么我们采用功率放大器的功率要比放大节目信号的平均均方根
功率大得多的缘由,这也是我们平时说的功率储备。
我们在一些介绍声频工程设计的文章中常看到这样的一些说法:“为了保
证功放所配接的扬声器系统的安全,要求功放的额定输出功率与所配接的扬声
器系统的标称功率相当”,“为了保证足够的功率储备,平时采用扬声器功率的
?2倍的功率放大器”等。这样的提法可否表示该系统已经考虑了功率储备
或功率储备已足够了,不会出现削波现象了?事实上,功率放大器的功率与
扬声器的功率不是同一看法。
功率放大器的输出功率一般是指必然失真限制条件上的正弦输出功率。
比方,%,当功放在额定负载
上的输出信号达到该失真时的输出电压称为最大输出电压,用这电压来计算功
率放大器的输出功率,就是功率放大器标称的输出功率,这也能够理解为该
功放的最大输出功率。而扬声器的标称功率,厂家经常供应的是粉噪功率,它
是指在扬声器额定频率范围内,馈赐予规定的模拟节目信号,连续工作100小
时而不产生热和机械损坏的功率。显然,这两个功率是从完好不同样的角度作出
的规定和测试的,两者是不能比的。若是厂家能供应扬声器的正弦功率(指
用正弦信号作为测试信号时馈给的功率),则两者有可比性,可是,厂家一般
不供应这
一数据。那么,对扬声器而言,扬声器的粉噪功率与正弦功率可否有必然的对应关系呢?正确的答案是——没有!扬声器的粉噪功率和正弦功率对于不同样
结构、不同样资料和不同样规格的扬声器完好不同样,后者还与频率有关。因此,我们能够说在声频工程中用功率放大器的功率与扬声器标称功率作比较以表
征其功率储备的方法是不能取的在扩声系统中声场的不平均度是一个很受关注的指标。现代声系统中的扬声器系统的幅频响应和相频响应已经能做到很高
的水平,特别是有源音箱在实验室里经过精心的调试已相当圆满。可是,一
放到厅堂中声场依旧起伏,其主要的原因是声波的干涉。厅堂中声干涉主要
有两类:不同样声源之间的干涉和同一声源的直达声与反射声之间的干涉。本文
将从基根源理出发,介绍和解析声波的干涉现象。希望能对认识和改进声场的起伏有所帮助。
二、声波的表达为了形象地说明波的产生,我们用绳子中流传的波作为例子。
若是有一根很长的一端固定并被拉直的绳子,在x=0处有一振动源
上下颤动,由于绳子的弹性和质点运动的惯性,使得这振动在平直的绳子中
产生扰动,这扰动在绳子中的流传就产生了波。如图1所示。很显然,这扰动
在绳子中流传需要时间,设这流传的速度为V。若是
x=0处振动为y=Acost,则在x轴上任一点r处的扰动,应该比x=0处的扰动
滞后,滞后时间为t'r/v。因此在r处的振动大小应为(忽略初始相位)
三、扩声、混响与音质的关系
混响是指室内的声源发声停止后,在室内的声音经过多次反射或散射而
连续的现象。它反响了室内声能的衰变,这衰变与室内的吸声,反射和散射等
有关。100多年前,?赛宾第一提出了用声能衰减60dB
所需时间,即混响时间来衡量厅堂的音质,并供应了计算室内混响的经验公式。
经事此后的科学家研究,从扩散声场中声能密度随时间的衰减出发,在理论上
推导出混响时间的表达式,发现赛宾提出的公式正是平均吸声系数

a

<

寸
理论公式的近似。进而,使我们对赛宾公式有了进一步的认识。尽管100多
年来,科学
工作者提出了很多影响厅堂音质的声学参量,可是,到此刻混响时间仍
然是厅堂声学设计中独一能定量计算的参量,也是一个公认的最成熟的厅堂音
质的谈论量。它是建筑声学的一个重要的物理量,它反响了室内声能随时间的
衰减,以及不同样频率的声能的衰减特色。尽管一个厅堂内不同样地址测得的混响
时间可能有差别,可是世界出名的音乐厅内的混响时间的空间标准偏差都很小,
。在不同样地址
的混响时间几乎差不多,说明厅堂内的声场很平均。因此混响时间是一个很好
的厅堂声学设计的谈论量,它应该与测量用的声源没关,这在有关标准中有明
确的规定。可是,随着时代的发展、厅堂的扩大、观大家数的增加和电子技术
的进步,厅堂内不能防备的需要用扩声系
统。扩声与混响有什么关系呢?它对音质有没有影响?这正是我们要谈论的问题。
第一,扩声系统主要的功能是放大从声信号转变来的电信号或重放已录制
的节目信号,把电信号经过扬声器转变成声信号辐射出去,因此它没有混响时
间,可是,其实不是说它与混响没关。我们都有这样的经验,在一个混响时间很
长的房间内讲话,若是两人的距离较远,高声讲话反而听不清楚,两人凑近,
讲话轻一点即可能听懂,这是由于两人凑近,直达声加强了,尽管房间的混响
没有变。这说明在混响很长的地方能够经过增加直达声来提高语言的可懂度。
有一个例子,在西欧的教堂中威严、威严,牧师讲经声音洪亮,经常由于教堂
内吸声不足,而混响时间很长,在大教堂的后座听不清楚。电声工作者在教
堂内柱子的侧面安装了由小扬声器组成的声柱,朝向听众,起到了很好的效
果(笔者曾亲身聆听过)。从声学角度看,采用小声柱增加了扬声器系统的指
向性,改进了覆盖地域,加强了直达声。从传输频率范围看,采用小扬声器辐
射的频率范围比较窄,没有低频辐射,不会激发低频混响,可是对于语言传输
已经满足了要求。从辐射功率来看,小扬声器的辐射功率比较小,很快衰减不
足以激发室内的混响。扬长避短,战胜了长混响对语言的搅乱。
在厅堂内增加直达声的强度能够减小厅内混响的影响。从声源发出的声
音到达听众席的声能由两部分组成,一部分是直达声能,一部分是混响声能,
它们的衰减特色(见图1)。