國家體育場“鳥巢”是2008北京奧運(yùn)會的主會場，能容納91000名觀眾，在這里要進(jìn)行開閉幕式及其他一些比賽項(xiàng)目。卓邦有幸參與了國家體育場擴(kuò)聲系統(tǒng) 設(shè)計及建筑聲學(xué)的相關(guān)工作，在此作簡單的介紹。

　　一、概述

　　國家體育場位于北京奧林匹克公園南部，為2008年第29屆奧運(yùn)會的主體育場。工程總占地面積21公頃，建筑面積258 000m2。場內(nèi)觀眾坐席約為91 000個，其中臨時坐席約11 000個。這里將舉行奧運(yùn)會、殘奧會開閉幕式、田徑比賽及足球比賽決賽。奧運(yùn)會后將成為北京市民廣泛參與體育活動及享受體育娛樂的大型專業(yè)場所，并成為具有地標(biāo)性的體育建筑和奧運(yùn)遺產(chǎn)。

　　1、國家體育場的部分基本數(shù)據(jù)

　　東邊看臺最后一排到西邊最后一排的距離約260 m，南北約270 m;體育場挑棚長度約為68 m;挑棚由上下兩層膜構(gòu)成，即固定于鋼結(jié)構(gòu)上弦的透明的ETFE膜和固定于下弦的PTFE膜;下層膜為具有一定的吸聲性能的膜結(jié)構(gòu) ;兩層膜之間的距離為13 m，膜下方的體積為1 900 000 m3，總表面積約160 000 m2;整個吊頂覆蓋面積為42 000 m2，當(dāng)中開口面積為18 000 m2。

　　在內(nèi)層膜的下方吊掛著揚(yáng)聲器組，這些揚(yáng)聲器組距離第一排觀眾約41 m，距離中層看臺為38 m，距離上層看臺最后一排為68 m。西挑棚下吊裝覆蓋比賽場地的揚(yáng)聲器組，距東看臺第一排134 m，從西挑棚揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音到達(dá)東看臺第一排，與東挑棚上面的揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音到東有臺第一排相比，時差約為 350 ms。若以點(diǎn)聲源來算，指向性因數(shù)按4計，場內(nèi)混響時間按4 s計，混響半徑約為80 m?90 m。

　　2、奧組委的技術(shù)要求

　　奧組委的對國家體育場的擴(kuò)聲要求是要建最好的體育場，最大聲壓級要求達(dá)到106 dB，語言清晰度指數(shù)STI要求達(dá)到0.6，能滿足奧運(yùn)賽時語言兼顧音樂擴(kuò)聲的要求。

　　二、國家體育場聲學(xué)設(shè)計與測量結(jié)果

　　國家體育場聲學(xué)設(shè)計工作主要分三個方面：一是對體育場內(nèi)、外環(huán)境噪聲進(jìn)行評估;二是控制混響時間;三是控制聲缺陷。

　　1、噪聲評估與控制

　　影響國家體育場的主要噪聲來自北京的北四環(huán)路的交通噪聲，在國家體育場外約為60 dB(A)?65 dB(A);而在場內(nèi)約為55 dB(A)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，類似“鳥巢”這樣大的一個體育場內(nèi)觀眾躁聲大概為：觀眾安靜地觀看比賽時，噪聲約為 60 dB(A)?65 dB(A);觀眾在看比賽時議論的時候，大概是70 dB(A)?75 dB(A);在觀眾歡呼的時候，大概是90 dB(A)?95 dB(A);在觀眾尖叫的時候，大椐是100 dB(A)。由此可見，場內(nèi)環(huán)境噪聲55 dB(A)不足以影響場內(nèi)的比賽及其他活動。

　　同樣，在國家體育場內(nèi)有活動的時候，如舉辦體育比賽、文藝演出時，對外界的影響，特別是對“水立方”的影響如何?測量顯示，“鳥巢”內(nèi)觀眾歡呼時，噪聲到“水立方”處約為 60 dB(A)，和馬路上的交通噪聲差不多，因此，對水立方的使用基本不影響。

　　對“鳥巢”雨噪聲的測試是在2008年4月初的某次中雨時進(jìn)行的，約為65 dB(A)?75 dB(A)。這是在體育場內(nèi)觀眾席上測到的數(shù)據(jù)，大致與觀眾在議論時噪聲等級差不多，是一個可接受的程度。大雨時所有比賽與活動均會暫停。

　　2、測量結(jié)果

　　(1)混響時間

　　在建聲設(shè)計之時，采用了ODEON的軟件和EASE的AURA程序進(jìn)行模擬，在空場的時候，混響時間500 Hz約為3.71 s，1kHz約為3.62 s， 2 kHz約為3.2 s;滿場時的混響時間500 Hz約為3.1 s，1 kHz約為2.8 s，2 kHz約為 2.5 s。實(shí)際測試結(jié)果，空場混響時間 500 Hz約為4.1 s，1 kHz約為3.8 s，2 kHz約為3.1 s，與預(yù)測的數(shù)據(jù)基本一致。測量時，體育場草皮還未鋪，部分看臺座椅未裝，因此，最后的實(shí)際情況可能還會稍微好一點(diǎn)。

　　(2)語言清晰度STI

　　對于語言清晰度STI值，奧組委的要求為：滿場時0.6。經(jīng)軟件分析，空場時可達(dá)0.52，80%滿場情況下可達(dá)0.6。實(shí)際測量，空場情況下達(dá)到0.54。

　　(3)最大聲壓級

　　實(shí)測的最大聲壓級為109 dB，達(dá)到并超過了奧組委的要求。

　　三、擴(kuò)聲系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　1、系統(tǒng)的安全性的考慮

　　體育場擴(kuò)聲工程設(shè)計將安全性的考慮放在第一位。體育場內(nèi)可容納91 000名觀眾，加上場地的工作人員、運(yùn)動員、裁判員等，人數(shù)很多。因此，擴(kuò)聲系統(tǒng)的安全性就顯得尤為重要，它要求系統(tǒng)中任何一臺音響設(shè)備 出現(xiàn)故障時，不能造成場內(nèi)觀眾聽不到聲音。

　　通常擴(kuò)聲系統(tǒng)流程圖是：調(diào)音臺-處理器-功放-揚(yáng)聲器系統(tǒng)。任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，就會有相當(dāng)數(shù)量乃至全場的觀眾聽不到聲音。因此，在最初設(shè)計的時侯，就應(yīng)考慮讓整個擴(kuò)聲系統(tǒng)沒有瓶頸，不能因?yàn)橄到y(tǒng)中任何一臺音響設(shè)備的問題而使得整個系統(tǒng)癱瘓。那么，如何實(shí)現(xiàn)呢?

　　正常工作狀態(tài)下，音頻信號由數(shù)字輸入口進(jìn)入功率放大器;當(dāng)數(shù)字信號丟失時，模擬左通路作為信號備份輸入通路自動投入使用;模擬右通作為緊急廣播應(yīng)急通路，出現(xiàn)應(yīng)急廣播信號時，模擬右通路強(qiáng)切數(shù)字輸入通路或模擬左通路。實(shí)現(xiàn)功率放大器正用、備份、應(yīng)急廣播的功能。由于采用了帶數(shù)字處理器的功放，有效地解決了一臺處理器出現(xiàn)問題影響一大片區(qū)域的問題，提高了系統(tǒng)安全性。

　　2、數(shù)字系統(tǒng)的考慮

　　通常體育場的信號都來自于主席臺，但在大型賽事情況下，信號還有可能來自于看臺、場地，部分信號回傳到機(jī)房的距離超過500 m。另外，在奧運(yùn)會或比較重要的活動、體育賽事的時候，同一個音頻信號多家要用，如主席臺音頻信號除了擴(kuò)聲系統(tǒng)會用，電視轉(zhuǎn)播也要用，場內(nèi)其他機(jī)房可能還要用?；谝陨峡紤]，選用網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字調(diào)音臺是一個比較合理的解決方案。

　　3、功放機(jī)房的設(shè)置

　　本擴(kuò)聲系統(tǒng)中還有一個特點(diǎn)，就是設(shè)置了4個功放機(jī)房。通常體育場擴(kuò)聲系統(tǒng)工程只設(shè)置一個或兩個統(tǒng)一的功放機(jī)房，需通過高壓傳輸方式來解決長距離傳輸所引起的功率損耗。但同時引入了變壓器的損耗，損害了音質(zhì)。

　　參觀過2008年德國世界杯足球賽的主會場，它的功放就置于每組揚(yáng)聲器系統(tǒng)的后面，即設(shè)置在挑棚上，在需要檢修時用類似“貢多拉”(威尼斯小船)的小船通過上面的繩索滑過去，這種做法不太適合中國的國情。

　　最后，在與體育場建筑設(shè)計部門商量后，在體育場上層看臺后部留了4個功放機(jī)房，盡量讓功放靠近揚(yáng)聲器?，F(xiàn)在最短的揚(yáng)聲器線只有幾十米，最長的也只有一百二十余米。

　　4、聲場的設(shè)計

　　聲場的設(shè)計在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計中也考慮得比較多。使聲音覆蓋到91 000名觀眾，應(yīng)是一個均勻的、有足夠的聲壓級的、清晰的聲場。因此，主擴(kuò)聲揚(yáng)聲器宜采用分散式的布置方式。觀眾席上方吊掛了16組揚(yáng)聲器組，每組由8只到14只揚(yáng)聲器箱組成。揚(yáng)聲器系統(tǒng)采用了線陣列揚(yáng)聲器，盡可能地提高語言清晰度。

　　四、值得探討的問題

　　1、調(diào)音臺的選型

　　體育場選用的調(diào)音臺是Stage Tec公司的數(shù)字調(diào)音臺，操作界面為AURUS。筆者更傾向于使用一個更小的、操作更靈活的、更能滿足體育場館使用的小型界面調(diào)音臺，但由于時間的原因已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。

　　2、看臺下?lián)P聲器的選型

　　二層挑臺下部分區(qū)域是主揚(yáng)聲器直達(dá)聲覆蓋不到的，因此，在挑臺下方加裝了一圈大概224只小的補(bǔ)聲揚(yáng)聲器。但是，其安裝空間狹小，在兩個臺階的縫隙內(nèi)，而且覆蓋的角度寬，差不要到一百五六十度，需使用兩只小揚(yáng)聲器。主擴(kuò)聲的揚(yáng)聲器到觀眾席的最大聲壓級是109 dB，而小揚(yáng)聲器滿功率最大聲壓級不足以支持109 dB的最大聲聲壓級。這是看臺下面有待改進(jìn)的一個問題。

　　3、安全性的考慮

　　所有前端的設(shè)備，比如調(diào)音臺，都可以雙路供電。一路來自UPS，一路來自市電，確保供電安全。而功率放大器只有一個輸入，可接UPS，如果把整個擴(kuò)聲系統(tǒng)所用的功放全接上UPS，費(fèi)用太高。而如果用市電，體育場供電是雙路的，一路丟失會自動跳到另外一路，切換時間大概需要100 ms。體育場選用的帶處理器的功放，斷電超過 10 ms，功放會自動關(guān)機(jī)，恢復(fù)供電，功放需要8 s才能恢復(fù)。

　　五、一些體會

　　筆者所在的聲學(xué)設(shè)計研究所承擔(dān)體育場擴(kuò)聲工程及聲學(xué)的相關(guān)工作，從一個技術(shù)人員的角度來看，筆者認(rèn)為該工程是一個非常成功的設(shè)計項(xiàng)目，一個相對完善的系統(tǒng)。還有一點(diǎn)讓人欣慰，那就是在這個項(xiàng)目里，擴(kuò)聲和建聲專業(yè)是合在一起設(shè)計的，這樣很多工程上的聲學(xué)問題得以解決。分析本工程的成功，有以下幾點(diǎn)體會。

　　1、開明的領(lǐng)導(dǎo)

　　在這個項(xiàng)目進(jìn)行中，國家體育場有限公司相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)很開明。提出合理要求時，總會得到大力支持。他們有一個開放的心態(tài)，能聽取專業(yè)人士的意見。

　　2、各專業(yè)的協(xié)調(diào)配合

　　本工程中，各專業(yè)技術(shù)人員相互理解、配合默契。如，原來國家體育場的建筑設(shè)計師在設(shè)計的時候，將揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計在挑棚復(fù)雜的框架里面，聲音被嚴(yán)重阻擋無法覆蓋整個觀眾席。后經(jīng)多次協(xié)商得到了理解，最終建筑設(shè)計方認(rèn)同我們的方案要求，同意把揚(yáng)聲器系統(tǒng)吊裝在挑棚下方。又如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計人員密切協(xié)調(diào)配合下，一噸多重的揚(yáng)聲器系統(tǒng)吊裝在60多米長的挑棚前端。還有水、電等相關(guān)設(shè)計專業(yè)也都與我們有很好的配合。

　　3、有思想的設(shè)計

　　在設(shè)計的前期，我們獲得來自業(yè)主方以及上級領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)的要求，收集和整理了相關(guān)信息，并將這些要求、資訊融合到設(shè)計指導(dǎo)思想中。然后，我們認(rèn)真分析這個工程具有什么樣的特點(diǎn)，會面臨什么樣的難題，該如何去解決。本工程設(shè)計中，我們認(rèn)為安全是首位的，必須著重考慮選擇什么樣的系統(tǒng)架構(gòu)才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，選擇什么樣的產(chǎn)品才能滿足系統(tǒng)對安全可靠的要求;最終，將這種理念貫徹到工程中。往往設(shè)計人員會被一些外來的客觀因素弄得沒有太多的回旋余地，而在這個工程里，筆者很高興能做到這一點(diǎn) ——只選擇適合的產(chǎn)品。

　　4、有責(zé)任心的集成商

　　河南省第十三屆運(yùn)動會閉幕式體育場擴(kuò)聲工程設(shè)備提供商——北京卓邦電子技術(shù)有限公司在擴(kuò)聲工程中投入了極大的熱情、人員、財力和物力，正是因?yàn)檫@樣有責(zé)任心的集成商，才確保了工程的順利設(shè)計、實(shí)施與完工。