烏干達國家體育場觀眾席擴聲系統(tǒng)的改造

梁連兵

（北京第七九七音響股份有限公司，北京 100015）

1 前言

烏干達國家體育場在20世紀90年代中期建成并投入使用，在改造前擴聲設備歷經(jīng)了10多年的使用和較為嚴酷的自然環(huán)境的考驗，部分設備和器材已經(jīng)老化和損壞。經(jīng)過現(xiàn)場實際考察發(fā)現(xiàn)，設備和器材的損壞除了和常年不斷地頻繁使用有關，還與原系統(tǒng)的配置以及安裝調(diào)試不盡合理有著密不可分的關系。從改造項目有限的資金投入和使用方的具體要求綜合考慮，改造不僅要最大程度地保證原有完好設備和器材的利用率，還要顧及現(xiàn)場客觀條件的限制，也就是說，要針對體育場的使用要求和現(xiàn)有器材的功能配置，以及不可能改變的建筑結(jié)構(gòu)和主體安裝設施，進行有條件的改造，這也是本次改造項目設計方案的前提條件。

2 改造設計方案

2.1 改造項目的范圍

此次體育場擴聲系統(tǒng)改造是與電力、燈光、跑道及部分體育設施共同組成的一個整體改造項目，資金投入遠遠不夠更換所有擴聲設備，經(jīng)過與使用方（烏干達國家體育場）和工程總承包方商定，為了使投入的有限資金達到最佳的效果，決定本次改造范圍只定位在觀眾席擴聲及其相關部分，這也是體育場利用率最高和不可缺少的環(huán)節(jié)。由于當?shù)伢w育場除了進行體育表演和比賽以及一些文藝演出活動，還經(jīng)常舉行宗教宣傳活動和其他群眾集會，甚至近幾屆的總統(tǒng)選舉和候選人演講也是在此進行的，這樣，觀眾席的擴聲改造就顯得尤為重要。

2.2 原系統(tǒng)存在的問題

根據(jù)現(xiàn)場實際考察，對原系統(tǒng)的配置、安裝、調(diào)試情況作了有針對性的了解和分析，并對原系統(tǒng)的觀眾席等具備測試條件的部分進行了測試，歸納為以下幾個問題。

（1）設備配置和使用不合理造成較多高音揚聲器損壞；原配置中的移頻器丟失，用一臺單路31段均衡器來抑制反饋，這不僅增加了調(diào)試的難度，也損失了音質(zhì)，使傳聲增益下降（改造前實測主席臺傳聲增益平均值為-14.6 dB），現(xiàn)場的擴聲效果不理想。

（2）觀眾席擴聲系統(tǒng)采用分散式設計安裝，24組揚聲器系統(tǒng)均勻分布在看臺觀眾席上方的挑篷下，但揚聲器系統(tǒng)的吊裝方式和結(jié)構(gòu)不夠規(guī)范、合理，造成不安全隱患并加速其老化、損壞的過程。

（3）觀眾席的擴聲揚聲器組分為東、南、西、北4個看臺區(qū)，其中，西區(qū)為主席臺所在區(qū)。每個區(qū)的高音號筒揚聲器配置過于簡單，沒有針對現(xiàn)場實際結(jié)構(gòu)作更精確的聲場設計，致使觀眾區(qū)的聲場不均勻度較差。改造前實測聲場不均度1 kHz最大值為11.4 dB；4 kHz最大值為10.9 dB；個別點甚至超過了15 dB。

2.3 改造方案的構(gòu)思

（1）原系統(tǒng)中使用的電子分頻器參數(shù)與終端器材設置要求有偏差，是造成高音揚聲器大面積損壞的重要原因之一，并且原分頻器分頻參數(shù)為固定模塊設置，不易調(diào)整也沒有合適的配件更換。為了確保系統(tǒng)改造的安全和穩(wěn)定，更換分頻器，增強系統(tǒng)的可靠性。由于未知的原因，原系統(tǒng)使用了一臺15段均衡器作為抑制聲反饋之用，這顯然是不恰當?shù)?。在新的改造方案中要增加專業(yè)的反饋抑制器來有效地解決系統(tǒng)增益較低和現(xiàn)場擴聲時聲反饋抑制不當?shù)膯栴}。

（2）重新設計揚聲器系統(tǒng)吊裝結(jié)構(gòu)，在原有吊裝主框架基礎上改進揚聲器系統(tǒng)的安裝方式，既不能破壞原設計的機械強度，又要使其與新結(jié)構(gòu)合理連接；要達到設備安裝牢固可靠，便于施工安裝，同時，還要保證聲場調(diào)整時揚聲器系統(tǒng)能夠靈活方便地在有效輻射范圍內(nèi)作可變角度的調(diào)整、定位。

（3）針對觀眾席各區(qū)的不同建筑結(jié)構(gòu)和布局以及對擴聲范圍和要求的差異，重新設計配置不同指向性和靈敏度的號筒揚聲器系統(tǒng)，提高各觀眾區(qū)、各測試點的聲場不均勻度指標，使絕大部分觀眾席都能得到滿意的、清晰一致的擴聲效果。

3 觀眾席擴聲系統(tǒng)的改造

綜上所述，觀眾席擴聲系統(tǒng)的改造圍繞著以下幾個方面進行：按照改造設計方案，增加和更換系統(tǒng)設備，提高系統(tǒng)的擴聲性能和器材的安全可靠性；設計更加安全可靠的安裝方式，將新的揚聲器系統(tǒng)與原揚聲器主吊架合理銜接并牢固安裝；更換高音號筒揚聲器，改善聲場的性能指標，提高整個觀眾席的擴聲質(zhì)量。

3.1 周邊設備的改造

針對本次改造的范圍，周邊設備需要更換4臺電子分頻器和1臺反饋抑制器。

（1）4臺電子分頻器分別為觀眾席的東、南、西、北4個擴聲區(qū)域提供兩分頻的高低頻信號。更換后的電子分頻器為DriveRack PX數(shù)字處理器，是dbx DriveRack系列的較新型號，其功能非常全面，除了分頻功能還具有反饋抑制、均衡、壓限和低頻諧波合成等功能，之所以選擇DriveRack PX，也是從系統(tǒng)改造設計的前瞻性角度考慮，為今后進一步的系統(tǒng)全面改造提供一個可利用的配置基礎。

原系統(tǒng)中的分頻器采用固定分頻參數(shù)模塊設置，高低通的分頻頻率為500 Hz，這對于匹配系統(tǒng)中的15英寸低音揚聲器當然沒有問題，但如果匹配3英寸的高音驅(qū)動器就超出了其有效頻率響應的使用下限。再從功放的配置分析高音揚聲器的功率承受問題。高音的功放定阻輸出功率為2×400 W，每一路接一個高音組，而每個高音組由3只100 W高音揚聲器組成，但由于功放后的輸出變壓器和終端降壓變壓器的效率，高音揚聲器只得到了功放輸出的70%左右的功率（不到300 W），即使?jié)M功率輸出，也沒有超過高音揚聲器的額定輸入功率。也就是說，除了非正常操作因素，過低的下限工作頻率是直接導致高音揚聲器大量損壞的最主要原因。加之當?shù)胤浅Ａ餍袕姽?jié)奏大聲壓級的音樂，經(jīng)常是長時間滿功率甚至超負荷使用，如此高的功率輸出，使得揚聲器損壞嚴重，而高音驅(qū)動器更是首當其沖。最后，從3英寸驅(qū)動器本身的性能指標和系統(tǒng)其他配置要求綜合考慮，將高低通分頻頻率設定在800 Hz，這樣既提高了高音驅(qū)動器的使用安全系數(shù)，也發(fā)揮出了低音揚聲器的功率余量，使得整個揚聲器系統(tǒng)的可靠性有了明顯的提高。在改造后的設備試運行期間曾多次滿功率操作，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果很好。

（2）為了有效地抑制聲反饋，提高系統(tǒng)傳聲增益，改造方案中增加了一臺dbx的AFS224反饋抑制器。之所以沒有在流動系統(tǒng)和一些特殊的現(xiàn)場擴聲中全部使用DriveRack PX數(shù)字處理器中的反饋抑制功能，而是增加一臺AFS224，主要是考慮現(xiàn)場臨時擴聲的便捷性，4臺DriveRack PX主要功能是作為4個看臺觀眾區(qū)的均衡、壓限和分頻。AFS224反饋抑制器是具有每路24點可編程濾波器的雙路反饋抑制器，每臺濾波器的寬度可有1/5、1/10、1/20和1/80共4種選擇，精確的濾波器設置可以滿足不同的使用要求。將此反饋抑制器應用在本次改造中，主要是考慮體育場采用的傳聲器布局較分散，不僅主席臺，評論、解說席以及檢錄處等處都配有傳聲器，其中，有些是既不固定傳聲器位置也不固定傳聲器型號的，這就給現(xiàn)場擴聲以及調(diào)試工作帶來了極大的不便，而AFS224的使用則解決了此問題，并且在體育場經(jīng)常舉行的各種不固定形式的現(xiàn)場擴聲中起到了很好的作用，不僅方便了現(xiàn)場調(diào)試，也為提高主席臺的傳聲增益做出了貢獻。改造后的主席臺平均傳聲增益為-11.6 dB。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 主席臺傳聲增益

圖1 東、西看臺區(qū)聲場設計示意

3.2 揚聲器系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)的改造

改造方案采用了新的號筒揚聲器系統(tǒng)和驅(qū)動器，更利于安裝方式的全新設計，但由于資金和建筑結(jié)構(gòu)的限制，新設備還是要利用原來的主體吊架，也就是說，全部號筒揚聲器要用新的連接方式安裝在舊的吊架上。

新的安裝方式采用部分可調(diào)結(jié)構(gòu)，將需要調(diào)整號筒揚聲器輻射角度的連接固定零件設計成0°和5°可調(diào)結(jié)構(gòu)，與吊架原水平20°左右的角度相加或相減，這樣既方便了現(xiàn)場安裝，又可配合聲場測試進行調(diào)整。同時，加大了緊固螺栓的尺寸規(guī)格，使固定安裝更加牢固可靠。

3.3 聲場的改造

主席臺所在區(qū)西區(qū)挑篷結(jié)構(gòu)和與其相對的東區(qū)一致，都是深挑篷，兩區(qū)觀眾坐席布局、面積也基本一致；南區(qū)和北區(qū)的觀眾坐席布局、面積及挑篷結(jié)構(gòu)基本一致，都是淺挑篷。這樣，揚聲器組的配置基本可以分為兩種，即南、北觀眾席一種組合形式，東、西觀眾席一種組合形式。全部24組揚聲器系統(tǒng)均勻分布在4個觀眾區(qū)的挑篷上，南、北區(qū)各5組，東、西區(qū)各7組。

（1）由于東、西看臺區(qū)挑篷較深，聲源到觀眾坐席距離較大，因此，每組揚聲器系統(tǒng)除了原有的2只低音箱，高頻部分采用3只大型恒指向號筒揚聲器，分別覆蓋相應看臺區(qū)域的上、中、下3部分，見圖1。

從東、西看臺區(qū)號筒揚聲器吊掛點到看臺上部、中部、下部的輻射中心點距離分別為16.5 m、15.5 m、22 m。從聲源到看臺上下聽音區(qū)域邊緣的夾角為110°左右，采用3只垂直指向為40°的號筒揚聲器即可覆蓋從上至下的擴聲區(qū)域，參見圖1a。由于觀眾席看臺從上到下的水平（橫向）寬度基本相同，而從聲源到看臺上、中、下觀眾席的距離有差異，其中，投向觀眾席下方的號筒揚聲器輻射距離達22 m，若要3只號筒揚聲器水平覆蓋的范圍一致，就要求每只號筒揚聲器的指向角度不同，見圖1b。從上面的分析可知，3只號筒揚聲器的垂直指向角度均采用40°即可；而上部和中部號筒揚聲器的輻射距離差異很?。ㄖ徊? m），所以，可采用2只相同水平輻射角度的號筒揚聲器即可達到相同的水平覆蓋范圍。負責向觀眾席下部輻射的號筒揚聲器由于輻射距離相對較大，若要與中、上部達到相同的覆蓋范圍，就要采用指向角度較小的號筒揚聲器。每個觀眾擴聲區(qū)的平均水平寬度（每兩組揚聲器系統(tǒng)的間隔）為26 m，上部和中部平均輻射距離16 m，輻射角度80°；下部輻射距離22 m，輻射角度62°。據(jù)此，選擇最接近此數(shù)據(jù)的號筒揚聲器為：上、中部采用水平和垂直指向性角度90°× 40°的H9401號筒揚聲器；下部采用水平和垂直指向性角度為60°× 40°的H6401號筒揚聲器，廢棄了原來采用3只同樣的6040號筒揚聲器的配置。經(jīng)測試和現(xiàn)場試聽，認為聲場不均勻度和語言清晰度較改造前有了明顯改善。

圖2 南、北看臺區(qū)聲場設計示意

表2 聲場不均勻度測量

（2）南、北看臺區(qū)相對東、西的挑篷深度較小，揚聲器系統(tǒng)吊掛點較低，聲源到觀眾席的輻射中心距離較小，但投向下部觀眾席的號筒揚聲器輻射距離卻比東、西看臺區(qū)的還要大，見圖2。有鑒于此，要根據(jù)觀眾席的實際情況對揚聲器系統(tǒng)做更精確的調(diào)整。

根據(jù)觀眾席與挑篷吊掛點的幾何結(jié)構(gòu)對原聲場設計和揚聲器系統(tǒng)配置進行了分析。原設計中投向觀眾席中、上部的2只號筒揚聲器配置較合理，基本上滿足了聲場的需要，但向觀眾席下部投射使用的是60°× 40°指向性角度的號筒揚聲器，與實際聲場需求有較大出入。聲源到下部觀眾席的輻射中心點距離為23 m，而南、北看臺區(qū)的揚聲器系統(tǒng)組間隔較小，只有20 m，也就是說擔任看臺下部區(qū)域輻射的號筒揚聲器的水平指向角度只需要40°（原設計中使用的號筒揚聲器水平指向角度為60°）左右；另外，由于南、北看臺區(qū)的挑篷較淺，揚聲器的吊掛點距看臺下方較遠，下方的號筒揚聲器垂直指向角度很小，約20°左右，參見圖2a。因此，改造方案中將原來60°× 40°的號筒揚聲器改為40°× 20°的號筒揚聲器，這與實際的聲場要求是相符的，也是與改造完工后的測試和使用的良好結(jié)果相吻合的。觀眾席聲場不均勻度按照改造前相應測試點數(shù)量和位置進行測試，達到了1 kHz最大差值9.1 dB，4 kHz最大差值為8.9 dB。如表2所示，由于改造前揚聲器損壞數(shù)量較多，因此，選取測試點數(shù)量較少，但已盡可能選取了合理、有代表性的測試點，并在改造前后測試時統(tǒng)一其位置。

4 總結(jié)

由于先期對體育場做了詳細深入的現(xiàn)場考察，并與使用方和項目總承包方進行了大量的協(xié)商和溝通，使得改造設計方案和器材配置更換得以順利進行；在設計和施工中把握住了問題的關鍵，有針對性地改造了最實用和最關鍵的環(huán)節(jié)。

觀眾席的主擴聲系統(tǒng)是體育場整個擴聲系統(tǒng)的最重要也是最能體現(xiàn)設計和施工水平的環(huán)節(jié)，設計者不僅要掌握相關的理論知識，還要在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓，提高解決問題的能力。在本次體育場擴聲系統(tǒng)的改造過程中，通過對周邊設備的合理配置以及對揚聲器系統(tǒng)性能的正確應用，解決和改善了原系統(tǒng)中的問題，使得系統(tǒng)在現(xiàn)有的條件下發(fā)揮出了應有的水平。

烏干達體育場觀眾席擴聲改造項目從設計改造方案到改造完成，經(jīng)歷了一年多的時間，改造后的總體使用情況良好。

［1］GB/T 4959-1995.廳堂擴聲特性測量方法

［2］JGJ/T 131-2000.體育館聲學設計及測量規(guī)程