體育場(chǎng)等戶外全天候擴(kuò)聲場(chǎng)所的空間容積大、距離遠(yuǎn)，觀眾席噪聲水平高，設(shè)計(jì)要求的語言清晰度高，并且需要滿足體育賽事、大型集會(huì)、文藝演出等各種功能需求，擴(kuò)聲系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)力求做到服務(wù)區(qū)內(nèi)聲壓達(dá)標(biāo)、語言清晰度好，系統(tǒng)配置合理、穩(wěn)定可靠、操作方便，并充分考慮項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性。為保證服務(wù)區(qū)內(nèi)的聲壓級(jí)和語言清晰度，戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)這種特殊條件下的諸多聲學(xué)問題在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮并采取相應(yīng)對(duì)策。

　　戶外聲場(chǎng)與室內(nèi)聲場(chǎng)聲學(xué)環(huán)境差異很大，遠(yuǎn)距離覆蓋受外界環(huán)境影響更為顯著。因此，室外聲場(chǎng)設(shè)計(jì)要根據(jù)其特點(diǎn)，選用合適的揚(yáng)聲器系統(tǒng)和優(yōu)質(zhì)的音頻信號(hào)處理設(shè)備，以確保擴(kuò)聲音質(zhì)。

　　以體育場(chǎng)為例，其主要用于各種類型的體育比賽或社會(huì)活動(dòng)，空間容積一般都比較大、擴(kuò)聲距離遠(yuǎn)，而且在體育比賽時(shí)氣氛非常熱烈，觀眾噪聲水平高，在人群歡呼時(shí)噪聲達(dá)到85dB~90dB。因此對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的基本要求，首先要保證語言擴(kuò)聲的清晰度，聲音清晰、明亮自然，且要達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中最大聲壓級(jí)、傳輸頻率特性、聲場(chǎng)均勻度、傳輸增益、系統(tǒng)噪聲等各項(xiàng)指標(biāo)。

　　一、戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)問題分析

　　戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)在我們的實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中，也面臨著眾多的聲學(xué)問題：

　　1、遠(yuǎn)射程 ：體育場(chǎng)等戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)，要求其聲覆蓋長(zhǎng)度達(dá)到100米以上，甚至更遠(yuǎn)，因此要求音箱的射程遠(yuǎn)，有強(qiáng)的指向性。同時(shí)要求靈敏度、聲壓級(jí)等聲學(xué)參數(shù)高。

　　2、音質(zhì)缺陷 ：主要有兩類。一類為回聲、顫動(dòng)聲和聲聚焦等音質(zhì)缺陷：這些和場(chǎng)館的建聲條件的關(guān)聯(lián)性較大，亦和揚(yáng)聲器的布置、自身性能有一定關(guān)聯(lián)性。另一類為長(zhǎng)延時(shí)聲問題：一是由于建聲條件較差，聲音經(jīng)界面多重反射而引起的長(zhǎng)延時(shí)反射聲，與揚(yáng)聲器的布置有關(guān);二是由于揚(yáng)聲器選擇和布置方案不合理，多點(diǎn)聲源到達(dá)某處的聲程不同而引起的長(zhǎng)延時(shí)聲。

　　3、聲外溢： 體育場(chǎng)等戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)工作時(shí)，聲壓級(jí)較高，致使大量直達(dá)聲“外溢”，對(duì)非服務(wù)區(qū)造成噪音污染。在日益注重環(huán)保的今天，此問題越來越引起重視。

　　4、高頻聲衰減 ：戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)中，揚(yáng)聲器輻射距離長(zhǎng)達(dá)150米，甚至更遠(yuǎn)，4KHz以上的高頻聲衰減將影響擴(kuò)聲清晰度，因此要求揚(yáng)聲器要有好的高頻特性，同時(shí)還要兼顧音質(zhì)。

　　5、全天候揚(yáng)聲器的需求： 體育場(chǎng)為半封閉式結(jié)構(gòu)，惡劣的氣候條件下仍然需要持續(xù)使用，因此揚(yáng)聲器的防霉、防雨、防潮的全天候功能尤為重要。

　　6、重量重、安裝不便： 傳統(tǒng)揚(yáng)聲器多為MDF(中密度纖維板)材質(zhì)，重量重，安裝極為不便。且體育場(chǎng)網(wǎng)架對(duì)懸掛物的承重亦有要求，為保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，也要求音箱的重量輕。

　　二、戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)音箱的需求

　　相對(duì)于整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)，由聲音的再創(chuàng)作與實(shí)時(shí)控制、聲音的不失真還原兩個(gè)部分組成。合理的擴(kuò)聲系統(tǒng)，需要有合適的音源、合理的周邊搭配、科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)的音箱等部分構(gòu)成。優(yōu)質(zhì)的戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)，建立在優(yōu)質(zhì)的還原產(chǎn)品和科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)之上。選用合理的系統(tǒng)配置，具有先進(jìn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施能力，達(dá)到擴(kuò)聲系統(tǒng)方案的解決，音箱是第一步。

　　從語言清晰度的角度來說，在體育場(chǎng)等戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)中極為重要，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中的聲學(xué)問題，要求揚(yáng)聲器系統(tǒng)選型應(yīng)選用具有指向特性好、靈敏度高和能輸出較大聲壓級(jí)的產(chǎn)品，可有效改善清晰度。從目前體育場(chǎng)等戶外擴(kuò)聲的實(shí)際安裝條件出發(fā)，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的重量也必須認(rèn)真考慮。此外，由于體育場(chǎng)館的特殊性，也將面臨惡劣氣候條件仍需持續(xù)使用的情況，因此使用的揚(yáng)聲器系統(tǒng)還必須具有良好的防潮、防霉、防雨和抗紫外線的性能。

　　鑒于以上幾點(diǎn)，戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)音箱提出以下要求：

　　1、語言清晰度的保證;

　　2、自身聲學(xué)性能要求其靈敏度、聲壓級(jí)高;

　　3、防霉、防雨、防潮的全天候功能;

　　4、遠(yuǎn)射程;

　　5、便于安裝、維護(hù)。

　　三、戶外全天候擴(kuò)聲音箱的設(shè)計(jì)

　　結(jié)合以上戶外全天候擴(kuò)聲系統(tǒng)中的問題，急切需要適用于戶外的全天候音箱。由于高頻號(hào)角有較多實(shí)際產(chǎn)品可供選擇，從標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合出發(fā)，我們進(jìn)行了一款號(hào)角式中低頻揚(yáng)聲器音箱的設(shè)計(jì)，以下是本音箱設(shè)計(jì)的思路及方法。將從材料選擇、結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、揚(yáng)聲器選取等多方面做簡(jiǎn)要介紹。

　　1 、材料的選擇

　　材料的選擇尤為重要。從具有良好的防潮、防霉、防雨和抗紫外線的性能出發(fā)，不能使用常規(guī)的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過比較驗(yàn)證，F(xiàn)RP材料非常能符合以上幾個(gè)要求。FRP(Fiber Reinforced Plastics)即纖維強(qiáng)化塑料，一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體，俗稱玻璃鋼。它既具有玻璃的硬度、耐高溫、抗腐蝕的性質(zhì)，又具有鋼鐵一樣堅(jiān)硬不碎的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用的材料比重為1.4，厚度為5mm。而相同的MDF(中密度纖維板)材質(zhì)比重為0.8，厚度需要18mm，結(jié)合以上得出二者應(yīng)用重量之比為：

　　可得同等容積的FRP材料比MDF材料輕一倍還多。

　　2 、結(jié)構(gòu)的確定

　　由于使用了玻璃鋼材質(zhì)，箱體的形狀有了較大的可塑性，設(shè)計(jì)的彈性較大。針對(duì)戶外擴(kuò)聲的實(shí)際安裝條件，該類音箱需要體積小巧、重量輕的特點(diǎn)。因此整體上采用圓柱形結(jié)構(gòu)，圓形的結(jié)構(gòu)通常在力學(xué)抗壓方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于平面的結(jié)構(gòu)。從聲學(xué)上同時(shí)又要滿足大的聲壓級(jí)輸出特性，因此采用號(hào)角式方式，使之較普通音箱獲得更大的輸出聲壓級(jí)。為減小此款揚(yáng)聲器的體積，得到更低的低頻而具有更好的瞬態(tài)穩(wěn)定性，采用密閉箱的設(shè)計(jì)方式。

　　通過障板和號(hào)筒聲輻射電功率的比較，指數(shù)式號(hào)筒揚(yáng)聲器要比無限大障板上的輻射效率要高得多，因此在音箱的結(jié)構(gòu)上，選擇號(hào)筒式設(shè)計(jì)。

　　3 、選取合適的揚(yáng)聲器單元

　　密閉箱揚(yáng)聲器系統(tǒng)的低頻揚(yáng)聲器Qts(在諧振頻率處的總Q值)要求大于0.3，這意味著要使用具有中等大小磁體結(jié)構(gòu)的低頻揚(yáng)聲器，且具有fs(諧振頻率)低、錐形振膜質(zhì)量相對(duì)較高，以及音圈長(zhǎng)的特征。低頻的重放下限與其fs、音箱的箱體容積、特性靈敏度有關(guān)，而此款音箱主要應(yīng)用于戶外、體育場(chǎng)館等的語言擴(kuò)聲，其低頻重放聲要求不高，故通過減小音箱的箱體容積，提高諧振頻率來提升其特性靈敏度。

　　高頻揚(yáng)聲器的工作頻率一般都在2KHz以上，在音箱中的作用是為了使高頻具有適當(dāng)指向性的重放，能夠在有效的頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)、盡可能高的高頻重放上限和足夠的功率承受能力。

　　因采用的是中等大小磁體結(jié)構(gòu)的低頻揚(yáng)聲器，為了保證音箱的重量不至于顯著增加，選擇了高性能的釹鐵硼磁體的低頻和高頻驅(qū)動(dòng)器，其重量分別是3.9Kg 和3.3Kg，相比同樣功率的鐵氧體揚(yáng)聲器的重量卻分別高達(dá)8Kg 和4.6Kg 。

　　鐵硼磁體的重量是普通鐵氧體材料的三分之一，剩磁和矯頑力、磁能積等表征磁力性能的參數(shù)，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體，提升音箱性能，且大大降低了音箱的重量，便于運(yùn)輸和安裝調(diào)試。

　　高頻揚(yáng)聲器為加了磁液的揚(yáng)聲器單元。磁液是一種在潤(rùn)滑油中載有超細(xì)磁性的微粒子懸浮體，當(dāng)注入到音圈中的時(shí)候，由于揚(yáng)聲器的磁場(chǎng)作用，他們會(huì)懸浮在音圈的周圍。由于磁液有著良好的熱傳導(dǎo)性，所以它能夠很快地將揚(yáng)聲器的音圈在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞出去，使音圈不易過熱燒毀。

　　根據(jù)所得各參數(shù)制作箱體的CAD 圖形，如圖為實(shí)際號(hào)筒形狀及尺寸，內(nèi)含一號(hào)角高音，右部為封閉箱?？紤]到箱體的共振及聲學(xué)特性，后部使用圓形的設(shè)計(jì)，然后逐步過渡到前端的方形結(jié)構(gòu)，既控制了箱體的共振，又使箱體有較好的指向性。根據(jù)該箱體的構(gòu)造特性，采用手糊式制作工藝，該工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用少。

　　至此，此款適合于戶外全天候擴(kuò)聲環(huán)境的音箱設(shè)計(jì)完畢。經(jīng)驗(yàn)證，其低頻頻率曲線平直，整體指向性強(qiáng)，重量小于20Kg ，比普通輕40% ，靈敏度超過105dB，指向特性Q 值也較高，峰值最大聲壓級(jí)可達(dá)136 dB ，聲壓級(jí)比傳統(tǒng)音箱高至少6dB ，因此，從產(chǎn)品自身靈敏度、聲壓級(jí)、品質(zhì)因數(shù)，全天候功能，遠(yuǎn)射程，安裝維護(hù)等方面，都非常適合應(yīng)用于體育場(chǎng)等戶外全天候環(huán)境的擴(kuò)聲需求。

　　四、戶外擴(kuò)聲系統(tǒng)解決方案

　　有了優(yōu)質(zhì)的音箱作為保障，系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要，在設(shè)備選擇、聲場(chǎng)設(shè)計(jì)等方面均有眾多的設(shè)計(jì)理念，依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的五大指標(biāo)，也存在著多種方法，在此就不再贅述一一今天以體育場(chǎng)為例，從設(shè)計(jì)與施工中常見的問題及措施方法來進(jìn)行系統(tǒng)解決方案的深化。

　　1 、聲學(xué)問題的解決

　　前面提到，在戶外擴(kuò)聲中經(jīng)常遇到長(zhǎng)延時(shí)聲問題、聲外溢、高頻聲衰減等問題。針對(duì)于長(zhǎng)延時(shí)聲問題，我們選用指向角小的全天候號(hào)角音箱，其覆蓋角之外的區(qū)域聲能迅速衰減，相對(duì)低的多，可減少多重反射;通過音箱布點(diǎn)的設(shè)計(jì)和調(diào)整音箱的覆蓋區(qū)域，增加直達(dá)聲，有效減少長(zhǎng)延時(shí)聲的出現(xiàn)。而指向角小的全天候號(hào)角音箱，垂直角度小，能很好的控制聲場(chǎng)覆蓋。通過揚(yáng)聲器布點(diǎn)設(shè)計(jì)和調(diào)整音箱的指向和覆蓋區(qū)域，能有效減少聲外溢。根據(jù)我們眾多工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，體育場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)布置采用集中式為主、分散式為輔的布置方式所達(dá)到的聲音效果要好于分散式布置，可有效減少聲外溢。而對(duì)于集中式布置方式，除了對(duì)網(wǎng)架承重有較高的要求，最易產(chǎn)生聲外溢，在強(qiáng)調(diào)環(huán)保的今天，為減少噪聲污染，采用這種方式需慎重。

　　單挑棚體育場(chǎng)中，對(duì)面看臺(tái)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的輻射距離長(zhǎng)達(dá)150m以上，受戶外環(huán)境因素的影響，4KHz以上的高頻衰減，可達(dá)數(shù)分貝到數(shù)十分貝，將影響擴(kuò)聲音質(zhì)和語言清晰度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，要選擇高頻特性良好的揚(yáng)聲器，同時(shí)亦要兼顧音質(zhì)。另外，在擴(kuò)聲系統(tǒng)中設(shè)信號(hào)處理設(shè)備，對(duì)負(fù)責(zé)80m以上遠(yuǎn)區(qū)聲場(chǎng)揚(yáng)聲器的高頻做增強(qiáng)處理，以取得平直的頻率特性;但應(yīng)避免揚(yáng)聲器系統(tǒng)高頻負(fù)荷太大而損毀，允許4KHz以上頻段響應(yīng)自然合理下降。

　　2 、語言清晰度的保證

　　大型的戶外擴(kuò)聲，特別是體育場(chǎng)擴(kuò)聲中，對(duì)語言清晰度的保證已成為基本要求，而往往在設(shè)計(jì)時(shí)，沒有足夠重視此問題，這里從合適的產(chǎn)品選擇、合理的布置方式、提高聲能比、減少音質(zhì)缺陷等四個(gè)方面加以說明解決。

　　在音箱的選擇方面，防雨、防霉、防潮的全天候性能是前提條件，首選高Q值，強(qiáng)指向性，能夠有效控制聲能量覆蓋的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。音箱的高聲壓級(jí)輸出、恒指向特性穩(wěn)定、250~500Hz中低頻延展性好等條件也應(yīng)重點(diǎn)參考。

　　布置方式的選擇，要根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)選擇，作為雙面或四面挑棚的體育場(chǎng)，根據(jù)我們眾多工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用集中式為主、分散式為輔的布置方式，對(duì)語言清晰度的提升要好于集中式布置。利用揚(yáng)聲器系統(tǒng)的強(qiáng)指向性和合理的布點(diǎn)設(shè)計(jì)，有效地控制聲音覆蓋區(qū)域，增加直達(dá)聲，可以最大限度地減少多重反射聲、多聲源聲程差引起的長(zhǎng)延時(shí)聲。另外，可通過音頻處理設(shè)備對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)覆蓋控制，可關(guān)閉無觀眾區(qū)域的揚(yáng)聲器系統(tǒng)以減少空?qǐng)雎暦瓷?，提升語言清晰度。

　　在擴(kuò)聲頻段內(nèi)，200Hz～4KHz的聲音對(duì)語言清晰度的貢獻(xiàn)值最高，可達(dá)90%以上，在系統(tǒng)中設(shè)信號(hào)處理器，提高此頻段的聲能比例，以便在背景噪聲較高時(shí)，不增加總功率，提高對(duì)語言清晰度較有貢獻(xiàn)的頻段的信噪比，改善擴(kuò)聲清晰度。但不能使揚(yáng)聲器系統(tǒng)高頻負(fù)荷太大，避免單元的燒毀或降低其使用壽命。

　　減少音質(zhì)缺陷的措施，在前面有詳細(xì)的闡述，這里不再贅述。

　　3 、遠(yuǎn)距離傳輸問題

　　雙面或四面挑棚的體育場(chǎng)，觀眾區(qū)的擴(kuò)聲方式大多采用的是分散布置方式，此時(shí)控制室至對(duì)面挑棚音箱的距離達(dá)到近300米，若采用傳統(tǒng)音箱電纜傳輸，信號(hào)衰減較多，特別是高頻部分的衰減，對(duì)系統(tǒng)音質(zhì)和聲壓影響明顯;同時(shí)電纜布線工作繁重，成本高。

　　一般設(shè)置為雙或多功放室，以減少功放與音箱間的傳輸距離，功放室與控制室間采用光纖傳輸，建立光纖環(huán)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，讓傳輸網(wǎng)絡(luò)處于冗余模式，形成四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)，以保證傳輸系統(tǒng)的逆向備份傳輸。亦可采用基于五類線和局域網(wǎng)技術(shù)，使用CobraNet™或EtherSound等協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸系統(tǒng);而通過AES/EBU格式信號(hào)，使用阻抗為75Ω±10%的非平衡式同軸電纜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆绞礁鼮楹?jiǎn)單方便，應(yīng)用日漸增多。

　　4 、系統(tǒng)穩(wěn)定性的保證

　　系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，是最基本的要求，除了有優(yōu)質(zhì)設(shè)備的前提，更要有完善措施的保證，因此在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，就要采用多種措施，提升系統(tǒng)的可靠性。

　　設(shè)備是基礎(chǔ)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，在重要場(chǎng)合對(duì)關(guān)鍵設(shè)備作備份設(shè)計(jì)是很有必要的。大型擴(kuò)聲系統(tǒng)中，可設(shè)置多重備份，如調(diào)音臺(tái)備份、媒體矩陣的自動(dòng)冗余備份、功放的備份等，而數(shù)字產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，為系統(tǒng)的多機(jī)實(shí)時(shí)熱備份，故障自動(dòng)瞬間切換提供可能，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作。

　　措施是保證，如在傳輸線路上，利用四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)，亦可實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)備份。要求更高的系統(tǒng)中，配置UPS不間斷電源，通過逆向零切換轉(zhuǎn)換，維持系統(tǒng)正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

　　5 、設(shè)計(jì)的前瞻性

　　隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電聲設(shè)備更新?lián)Q代的速度很快，系統(tǒng)的前瞻性、可擴(kuò)展性顯得尤為重要，特別是大型重要項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時(shí)期較為靠前，從設(shè)計(jì)到施工完畢往往需要幾年時(shí)間，如何保證系統(tǒng)仍然具有先進(jìn)性和可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)更為完善，音質(zhì)效果更為完美，是擺在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面前的重要問題。因此，需要設(shè)計(jì)人員應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，不斷掌握新的技術(shù)，應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，使設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)前瞻性。

　　在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工過程中，還存在著系統(tǒng)噪聲控制、聲反饋的抑制、系統(tǒng)配電等眾多問題需要解決，其處理方法在業(yè)內(nèi)已達(dá)成基本共識(shí)，在此不再贅述。

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