體育場等戶外全天候擴聲場所的空間容積大、距離遠，觀眾席噪聲水平高，設計要求的語言清晰度高，并且需要滿足體育賽事、大型集會、文藝演出等各種功能需求，擴聲系統的建設，應力求做到服務區內聲壓達標、語言清晰度好，系統配置合理、穩定可靠、操作方便，并充分考慮項目的經濟合理性。為保證服務區內的聲壓級和語言清晰度，戶外擴聲系統這種特殊條件下的諸多聲學問題在設計時應充分考慮并采取相應對策。

　　戶外聲場與室內聲場聲學環境差異很大，遠距離覆蓋受外界環境影響更為顯著。因此，室外聲場設計要根據其特點，選用合適的揚聲器系統和優質的音頻信號處理設備，以確保擴聲音質。

　　以體育場為例，其主要用于各種類型的體育比賽或社會活動，空間容積一般都比較大、擴聲距離遠，而且在體育比賽時氣氛非常熱烈，觀眾噪聲水平高，在人群歡呼時噪聲達到85dB~90dB。因此對擴聲系統的基本要求，首先要保證語言擴聲的清晰度，聲音清晰、明亮自然，且要達到設計標準中最大聲壓級、傳輸頻率特性、聲場均勻度、傳輸增益、系統噪聲等各項指標。

　　一、戶外擴聲系統聲學問題分析

　　戶外擴聲系統在我們的實際設計與施工中，也面臨著眾多的聲學問題：

　　1、遠射程 ：體育場等戶外擴聲系統，要求其聲覆蓋長度達到100米以上，甚至更遠，因此要求音箱的射程遠，有強的指向性。同時要求靈敏度、聲壓級等聲學參數高。

　　2、音質缺陷 ：主要有兩類。一類為回聲、顫動聲和聲聚焦等音質缺陷：這些和場館的建聲條件的關聯性較大，亦和揚聲器的布置、自身性能有一定關聯性。另一類為長延時聲問題：一是由于建聲條件較差，聲音經界面多重反射而引起的長延時反射聲，與揚聲器的布置有關;二是由于揚聲器選擇和布置方案不合理，多點聲源到達某處的聲程不同而引起的長延時聲。

　　3、聲外溢： 體育場等戶外擴聲系統工作時，聲壓級較高，致使大量直達聲“外溢”，對非服務區造成噪音污染。在日益注重環保的今天，此問題越來越引起重視。

　　4、高頻聲衰減 ：戶外擴聲系統中，揚聲器輻射距離長達150米，甚至更遠，4KHz以上的高頻聲衰減將影響擴聲清晰度，因此要求揚聲器要有好的高頻特性，同時還要兼顧音質。

　　5、全天候揚聲器的需求： 體育場為半封閉式結構，惡劣的氣候條件下仍然需要持續使用，因此揚聲器的防霉、防雨、防潮的全天候功能尤為重要。

　　6、重量重、安裝不便： 傳統揚聲器多為MDF(中密度纖維板)材質，重量重，安裝極為不便。且體育場網架對懸掛物的承重亦有要求，為保證系統的長期安全穩定運行，也要求音箱的重量輕。

　　二、戶外擴聲系統對音箱的需求

　　相對于整個擴聲系統，由聲音的再創作與實時控制、聲音的不失真還原兩個部分組成。合理的擴聲系統，需要有合適的音源、合理的周邊搭配、科學的系統設計、優質的音箱等部分構成。優質的戶外擴聲系統，建立在優質的還原產品和科學的系統設計之上。選用合理的系統配置，具有先進的設計和實施能力，達到擴聲系統方案的解決，音箱是第一步。

　　從語言清晰度的角度來說，在體育場等戶外擴聲系統中極為重要，根據實際設計與施工中的聲學問題，要求揚聲器系統選型應選用具有指向特性好、靈敏度高和能輸出較大聲壓級的產品，可有效改善清晰度。從目前體育場等戶外擴聲的實際安裝條件出發，揚聲器系統的重量也必須認真考慮。此外，由于體育場館的特殊性，也將面臨惡劣氣候條件仍需持續使用的情況，因此使用的揚聲器系統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，戶外擴聲系統對音箱提出以下要求：

　　1、語言清晰度的保證;

　　2、自身聲學性能要求其靈敏度、聲壓級高;

　　3、防霉、防雨、防潮的全天候功能;

　　4、遠射程;

　　5、便于安裝、維護。

　　三、戶外全天候擴聲音箱的設計

　　結合以上戶外全天候擴聲系統中的問題，急切需要適用于戶外的全天候音箱。由于高頻號角有較多實際產品可供選擇，從標準和實際應用場合出發，我們進行了一款號角式中低頻揚聲器音箱的設計，以下是本音箱設計的思路及方法。將從材料選擇、結構參數確定、揚聲器選取等多方面做簡要介紹。

　　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，不能使用常規的木質結構，經過比較驗證，FRP材料非常能符合以上幾個要求。FRP(Fiber Reinforced Plastics)即纖維強化塑料，一般指用玻璃纖維增強不飽和聚脂、環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，又具有鋼鐵一樣堅硬不碎的特點。本設計使用的材料比重為1.4，厚度為5mm。而相同的MDF(中密度纖維板)材質比重為0.8，厚度需要18mm，結合以上得出二者應用重量之比為：

　　可得同等容積的FRP材料比MDF材料輕一倍還多。

　　2 、結構的確定

　　由于使用了玻璃鋼材質，箱體的形狀有了較大的可塑性，設計的彈性較大。針對戶外擴聲的實際安裝條件，該類音箱需要體積小巧、重量輕的特點。因此整體上采用圓柱形結構，圓形的結構通常在力學抗壓方面要遠遠優于平面的結構。從聲學上同時又要滿足大的聲壓級輸出特性，因此采用號角式方式，使之較普通音箱獲得更大的輸出聲壓級。為減小此款揚聲器的體積，得到更低的低頻而具有更好的瞬態穩定性，采用密閉箱的設計方式。

　　通過障板和號筒聲輻射電功率的比較，指數式號筒揚聲器要比無限大障板上的輻射效率要高得多，因此在音箱的結構上，選擇號筒式設計。

　　3 、選取合適的揚聲器單元

　　密閉箱揚聲器系統的低頻揚聲器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構的低頻揚聲器，且具有fs(諧振頻率)低、錐形振膜質量相對較高，以及音圈長的特征。低頻的重放下限與其fs、音箱的箱體容積、特性靈敏度有關，而此款音箱主要應用于戶外、體育場館等的語言擴聲，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指向性的重放，能夠在有效的頻率范圍內具有平坦的頻率響應、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構的低頻揚聲器，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動器，其重量分別是3.9Kg 和3.3Kg，相比同樣功率的鐵氧體揚聲器的重量卻分別高達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，都遠遠優于鐵氧體，提升音箱性能，且大大降低了音箱的重量，便于運輸和安裝調試。

　　高頻揚聲器為加了磁液的揚聲器單元。磁液是一種在潤滑油中載有超細磁性的微粒子懸浮體，當注入到音圈中的時候，由于揚聲器的磁場作用，他們會懸浮在音圈的周圍。由于磁液有著良好的熱傳導性，所以它能夠很快地將揚聲器的音圈在工作時產生的熱量傳遞出去，使音圈不易過熱燒毀。

　　根據所得各參數制作箱體的CAD 圖形，如圖為實際號筒形狀及尺寸，內含一號角高音，右部為封閉箱。考慮到箱體的共振及聲學特性，后部使用圓形的設計，然后逐步過渡到前端的方形結構，既控制了箱體的共振，又使箱體有較好的指向性。根據該箱體的構造特性，采用手糊式制作工藝，該工藝所需設備簡單，費用少。

　　至此，此款適合于戶外全天候擴聲環境的音箱設計完畢。經驗證，其低頻頻率曲線平直，整體指向性強，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，峰值最大聲壓級可達136 dB ，聲壓級比傳統音箱高至少6dB ，因此，從產品自身靈敏度、聲壓級、品質因數，全天候功能，遠射程，安裝維護等方面，都非常適合應用于體育場等戶外全天候環境的擴聲需求。

　　四、戶外擴聲系統解決方案

　　有了優質的音箱作為保障，系統設計尤為重要，在設備選擇、聲場設計等方面均有眾多的設計理念，依據設計標準的五大指標，也存在著多種方法，在此就不再贅述一一今天以體育場為例，從設計與施工中常見的問題及措施方法來進行系統解決方案的深化。

　　1 、聲學問題的解決

　　前面提到，在戶外擴聲中經常遇到長延時聲問題、聲外溢、高頻聲衰減等問題。針對于長延時聲問題，我們選用指向角小的全天候號角音箱，其覆蓋角之外的區域聲能迅速衰減，相對低的多，可減少多重反射;通過音箱布點的設計和調整音箱的覆蓋區域，增加直達聲，有效減少長延時聲的出現。而指向角小的全天候號角音箱，垂直角度小，能很好的控制聲場覆蓋。通過揚聲器布點設計和調整音箱的指向和覆蓋區域，能有效減少聲外溢。根據我們眾多工程的實際經驗，體育場擴聲系統布置采用集中式為主、分散式為輔的布置方式所達到的聲音效果要好于分散式布置，可有效減少聲外溢。而對于集中式布置方式，除了對網架承重有較高的要求，最易產生聲外溢，在強調環保的今天，為減少噪聲污染，采用這種方式需慎重。

　　單挑棚體育場中，對面看臺揚聲器系統的輻射距離長達150m以上，受戶外環境因素的影響，4KHz以上的高頻衰減，可達數分貝到數十分貝，將影響擴聲音質和語言清晰度。根據工程經驗，要選擇高頻特性良好的揚聲器，同時亦要兼顧音質。另外，在擴聲系統中設信號處理設備，對負責80m以上遠區聲場揚聲器的高頻做增強處理，以取得平直的頻率特性;但應避免揚聲器系統高頻負荷太大而損毀，允許4KHz以上頻段響應自然合理下降。

　　2 、語言清晰度的保證

　　大型的戶外擴聲，特別是體育場擴聲中，對語言清晰度的保證已成為基本要求，而往往在設計時，沒有足夠重視此問題，這里從合適的產品選擇、合理的布置方式、提高聲能比、減少音質缺陷等四個方面加以說明解決。

　　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，強指向性，能夠有效控制聲能量覆蓋的揚聲器系統。音箱的高聲壓級輸出、恒指向特性穩定、250~500Hz中低頻延展性好等條件也應重點參考。

　　布置方式的選擇，要根據不同的建筑結構選擇，作為雙面或四面挑棚的體育場，根據我們眾多工程的實際經驗，采用集中式為主、分散式為輔的布置方式，對語言清晰度的提升要好于集中式布置。利用揚聲器系統的強指向性和合理的布點設計，有效地控制聲音覆蓋區域，增加直達聲，可以最大限度地減少多重反射聲、多聲源聲程差引起的長延時聲。另外，可通過音頻處理設備對揚聲器系統進行分區覆蓋控制，可關閉無觀眾區域的揚聲器系統以減少空場聲反射，提升語言清晰度。

　　在擴聲頻段內，200Hz～4KHz的聲音對語言清晰度的貢獻值最高，可達90%以上，在系統中設信號處理器，提高此頻段的聲能比例，以便在背景噪聲較高時，不增加總功率，提高對語言清晰度較有貢獻的頻段的信噪比，改善擴聲清晰度。但不能使揚聲器系統高頻負荷太大，避免單元的燒毀或降低其使用壽命。

　　減少音質缺陷的措施，在前面有詳細的闡述，這里不再贅述。

　　3 、遠距離傳輸問題

　　雙面或四面挑棚的體育場，觀眾區的擴聲方式大多采用的是分散布置方式，此時控制室至對面挑棚音箱的距離達到近300米，若采用傳統音箱電纜傳輸，信號衰減較多，特別是高頻部分的衰減，對系統音質和聲壓影響明顯;同時電纜布線工作繁重，成本高。

　　一般設置為雙或多功放室，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，建立光纖環網傳輸系統，讓傳輸網絡處于冗余模式，形成四纖雙向復用段保護環，以保證傳輸系統的逆向備份傳輸。亦可采用基于五類線和局域網技術，使用CobraNet™或EtherSound等協議的網絡音頻傳輸系統;而通過AES/EBU格式信號，使用阻抗為75Ω±10%的非平衡式同軸電纜遠距離傳輸的方式更為簡單方便，應用日漸增多。

　　4 、系統穩定性的保證

　　系統穩定可靠的工作，是最基本的要求，除了有優質設備的前提，更要有完善措施的保證，因此在系統構建時，就要采用多種措施，提升系統的可靠性。

　　設備是基礎，為保證系統的穩定工作，在重要場合對關鍵設備作備份設計是很有必要的。大型擴聲系統中，可設置多重備份，如調音臺備份、媒體矩陣的自動冗余備份、功放的備份等，而數字產品的大量出現，為系統的多機實時熱備份，故障自動瞬間切換提供可能，保證系統的安全穩定工作。

　　措施是保證，如在傳輸線路上，利用四纖雙向復用段保護環，亦可實現傳輸的實時備份。要求更高的系統中，配置UPS不間斷電源，通過逆向零切換轉換，維持系統正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

　　5 、設計的前瞻性

　　隨著技術的不斷發展，電聲設備更新換代的速度很快，系統的前瞻性、可擴展性顯得尤為重要，特別是大型重要項目的設計時期較為靠前，從設計到施工完畢往往需要幾年時間，如何保證系統仍然具有先進性和可擴展性，設計更為完善，音質效果更為完美，是擺在系統設計人員面前的重要問題。因此，需要設計人員應與時俱進，不斷掌握新的技術，應用到設計中，使設計更能體現前瞻性。

　　在系統的設計與施工過程中，還存在著系統噪聲控制、聲反饋的抑制、系統配電等眾多問題需要解決，其處理方法在業內已達成基本共識，在此不再贅述。

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