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长混响及扩声系统解决方案
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长混响及扩声系统解决方案
1 较长混响时间的声学环境
大型会堂、会展中心、教堂和体育场馆等大容积场所，其声学环境常常表现为混响时间较长的特点。混响时间过长会造成语言清晰度、音乐明晰度明显下降，因而带来听闻困难。
以体育场为例，一个可容纳近十万个坐席的典型体育场，空场混响时间在5s左右，满场带观众时的混响时间也会有3s左右。显然，要使观众坐席具有良好的听闻条件，这对扩声系统设计与系统配置提出了新的挑战。
2 采用电声系统弥补或改善听闻的基本途径
在大容积混响时间长的声学环境下，采用电声系统弥补或改善听闻的方法主要是加强扩声的直达声能量（扩声主要是提供直达声）。最直接和有效的办法是采用具有较高Q值（指向性因数）的扬声器系统（或音箱），它可以将扩声的直达声送得更远。
下面举例计算扬声器指向性因数Q与混响半径Dc的数值：
(1)扬声器指向性因数Q
H——扬声器水平角度；
V——扬声器垂直角度。
(2)混响时间公式——Eyring（伊林）
T60——混响时间，s；
ā——平均吸声系数；
V——观众厅容积，m3；
S——观众厅总表面积，m2。
(3)房间常数
R——房间常数，m2；
S——观众厅总表面积，m2；
ā——平均吸声系数。
(4)混响半径
Dc——混响半径，m；
Q——扬声器指向性因数；
R——房间常数，m2。
混响半径，亦称临界距离。在离开声源一定距离之后，混响声能密度逐渐加强，直达声与混响声能密度（或声压级）相等之处的距离即混响半径。
表1 Q值与DC对应值
图中的合成曲线是直达声和混响声两条直线的渐进线，它代表了声音在室内传播即声压级随距离变化的实际情况。
这里以一个大型的体育馆为例进行计算：
体育馆的容积V=168，000m3;室内总面积S = 37，5 00 m3；混响时间T60=2.5s。
将这些数据带入上面的公式进行计算，近似结果如下：
平均吸声系数ā= 0.25;房间常数R= 12,500
从以上计算结果可以看出，当房间常数为一定值时，扬声器的指向性因数Q越大（即指向性角度越小），混响半径也就越大，所以扩声的直达声就能送得更远，有利于提高语言清晰度。
例如，美国BOSE公司的LT3202Ⅱ型中高频扬声器系统，有人把它称作“长冲程”音箱。所谓“长冲程”，就是可以把扩声的信号送得更远。从原理上讲，主要是它的指向性角度小（水平270，垂直200），即扬声器指向性因数Q值高(Q=78)。从典型的计算中可以看出，它要比通常的600×400号筒的混响半径Dc大一倍。
梵蒂冈罗马大教堂就采用线形声柱分散式扩声来解决混淆时间长所带来的听闻困难。其使用的线形声柱为德国扬声器厂家DURAN-AUDIO生产的1608型。
DURAN-AUDIO主要从事专业级带有功率驱动的扬声器系统和相关的数字信号处理设备的研发生产，采用DDC( Digital Directivity Contral)来解决室内（如教堂、机场等场所）长混响时间和室外大面积、远距离的扩声问题具有一定的经验和技术优势。
1 608型线形声柱主要技术参数如表2所示。
表2 1608型线型声柱技术参数
3 扩声声场控制
扩声声场控制是扩声系统设计的根本。
扩声属于应用声学的范畴，无论是室内还是室外扩声都不能脱离使用扩声所处的声学环境（或声场），扩声的最终效果是建声与电声综合效果的体现。扩声系统设计的基本问题是声学问题，它是在建声的基础上完成扩声声场的分析与计算。扩声系统设计首先应从扩声声场人手，亦即扬声器系统的布局（空间位置）、产品选择（含组合）以及馈给的功率等，通过对多种方案反复比较与分析，得出扩声系统声学特性的相关数据。在此基础上，最后完成扩声系统的构成和设备（或器材）的配置。
无论是室内或是室外扩声，其扩声声场都或多或少存在声干涉现象。扩声声场声干涉现象的存在，会影响到扩声的语言清晰度和音乐的明晰度，有损于扩声重放的音质效果。现代扩声设计已不再“满足”于一般意义上的扩声声压级和声场不均匀度，而十分注重扩声声场的声干涉问题，在设计中力图把声干涉降低到最小，这是现代扩声设计的重点。
在扩声系统的设计中经常遇到使用延时器的情况，这里加延时的作用主要是为了修正来自不同音箱声音的“时差”，以取得声像的一致。但是，它并不能补偿来自不同音箱声音的声干涉。理论上声场内某一点，可以通过延时的方法经仔细调整，来“修补”该点由于声干涉所带来的梳状滤波效应以改善听闻。但是，当偏离此点很小一段距离（与波长可比时）梳状滤波效应会依然存在。这说明用延时来“修正”扩声声场其作用是有限的。
4 扬声器系统布局
下面以体育场馆为例简要讨论扬声器系统的布局。
4.1 体育馆扬声器系统布局
体育馆内扬声器系统的布局基本上有两种方式，即分散式和集中式，采用何种方式要依据具体环境（或条件）而定。只要设计得当，两种方式均可达到良好的声场特性。现就两种方式的优劣比较如下：
4.1.1分散式系统
扬声器系统单元特性容易满足，亦即相对要求较低，可选择的范围较大；
扬声器系统易进行分区控制；
扬声器距观众坐席较近，扩声直达声较强，有利于提高语言清晰度；
到达观众坐席声音的时间顺序不易控制，可能存在多声源的声场干涉；
扬声器（或音箱）使用的数量较多，相应的管线也较多。
4.1.2集中式系统
集中式系统与分散式系统相比较，其优劣恰好相反。由于近代扬声器系统的发展，现代体育馆广泛使用集中式系统。
对于容积较大的体育馆扬声器系统也可以采用集中与分散相结合的方式。
4.2 体育场扬声器系统布局
同样，现代体育场扬声器系统的布局也有集中式和分散式两种布局，具体实施亦应根据具体环境（或条件）而定。一般来说，集中式较分散式声音“外溢”较大，有资料表明，大约高出15dB左右。
5 扬声器系统的指向性控制
无论是室内扩声还是室外扩声，可以把同时工作的扩声音箱看成是“多点声源”。由于它们安装在空间中的几何位置的不同，在扩声时声信号到达观众坐席的时间就会不同，即有时差。时差带来扩声相位的变化形成典型的声干涉，同时会出现梳状滤波效应。在扩声中可能形成声干涉的形式归纳起来有：非有源音箱扬声器单元之间相位的不同形成的声干涉；单只音箱在所处的声环境下扩声时，除直达声外一般都会有反射声存在，这时直达声和反射声会形成声干涉；再有，即上文提及的多只音箱同日寸工作所形成的声干涉。扩声声场声干涉会影响到扩声的语言清晰度和音乐明晰度，有损扩声重放的音质效果。
体育场馆观众席的供声，通常采用分组音箱来覆盖。这些分组扩声音箱所形成的扩声声场（含可能存在的反射声）常常会形成明显的声干涉。当声干涉较严重时，一些坐席上的观众会听不清楚。减少声干涉最有效的办法就是严格控制分组音箱的指向性特性。
所谓“边缘”效应好是指扬声器在规定的指向性角度以外，声能（或声压级）要形成很快的衰减。这样分组音箱之间就可以减小扩声“重叠覆盖”，有利于减少声干涉。例如上面提到的BOSE长冲程音箱就具有“边缘”效应好的特点。
线阵列具有良好的指向特性、观众区供声声场均匀、扩声声场声干涉小的特点，因而有利于提高扩声质量。在近年新建或改建的体育场馆中已有不少采用小型线阵列扬声器系统供声。
