——记广东科学中心大厅扩声系统

广州市迪士普音响科技有限公司 王齐祥 王红兵 阮汉杰

1、概述

图一 广州科学中心夜景图

广东科学中心位于广州大学城小谷围岛西部,展馆整体建筑形象为“科技航母”，象征广东科技发展奋勇向前，蕴含“科技先锋、乘风破浪、灵动人文、吉祥如意”四个寓意。广东科学中心占地45．39万平方米，主体建筑总面积约11.5万平方米，项目总投资19亿元，是广东省重要的科普教育基地、国际学术交流中心和科技成果展示场所之一。广东科学中心一期建成开放的展示内容体系包括8个主题展馆、4座科技影院、开放实验室、数字家庭体验馆和室外科学广场，成为珠三角至泛珠三角地区重要的科普教育平台和科普资源中心。

图二 广州科学中心外景图

科学中心的中心大厅是举办各种开幕式场所，大厅墙壁被大片玻璃幕墙包裹，其建声条件非常恶劣，非常 “不科学”（科学中心主任语），扩声条件非常差, 发言者每讲完一句话，厅内便会“嗡嗡”声一片，且明显有一个“回声”，象在重复刚讲过的话。大厅经常举办国内外各种科技活动，每次活动中，发言人员都感觉讲话很不舒适，而场下听众则反映听得不清楚。久而久之，科学中心负责人员对此问题十分头疼，恰逢第25届全国青少年科技创新大赛（下称大赛）将在科学中心举行，届时将有中央和省市领导发言，情急之下便向广州大学声像灯光研究所（下称研究所）寻求帮助。研究所经反复调研，向科学中心慎重推荐了广州迪士普公司的相控阵声柱，研究所有信心借助该声柱独特的性能，用以该声柱为核心的扩声系统，解决扩声不佳的问题。

大厅的相关资料如下：

大厅内部呈圆形，顶部为苍穹弧面。从大厅外部远看，象一只巨人睁开的眼睛，“眼珠”则是地球母亲的经纬。对于大厅内部的扩声系统而言，容易形成“声聚焦”。经测量，混响时间T60为9.1秒，其中630Hz的混响时间长达9.6秒。迪士普公司的工程人员向科学中心负责人了解到，建筑施工时大厅内未作任何吸声处理，且极难补加(补加的造价太高，施工困难，且会影响大厅的视觉效果)，希望通过合适的电声设计以弥补建声的缺陷。

2、设计思路

在所有厅堂、场馆扩声系统设计参数指标要求中，语言清晰度是摆在首位的。对于一个讲话都不能听清的声场，其他扩声指标再高也只是营造噪声。我们知道要提高语言清晰度，客观反映就是辅音清晰度AL％值的提高。根据荷兰声学家Peutz的辅音清晰度损失率公式：

AL％=（200D2×T60×N）/（Q×V×M）

式中：AL％——辅音清晰度损失率百分比；D——扬声器离最远观众席距离；T60——房间混响时间； N ——产生直达声的功率与直达声功率之外所有功率之比； Q——扬声器的指向性因子； V——房间的体积； M——临界距离的修正值，一般取M=1。

从上式理论得知，提高语言清晰度主要有两种办法，一是降低房间混响时间T60，二是提高扬声器的指向性因子Q。因不能在大厅加吸音材料以降低房间混响时间，故只能通过使用强指向性的扬声器，尽量对扩声区增加直达声，减少向非扩声区产生声“溢出”，藉此来改善语言清晰度。

迪士普公司研制的相控阵声柱（型号为DSP1501），在此类长混响时间的扩声场合，有着独特的优点：它采用DSP和FPGA等数字音频处理技术，可在现场用红外遥控器调节各项参数，例如，通过调节声柱Q值可以控制声束的覆盖面积，可有效减少辅音清晰度损失；在各种扩声场合，声柱只需贴着墙壁或立柱子垂直安装，不需倾斜，与环境十分协调，用红外遥控器可自由改变声束辐射方向，直接覆盖到听众区；还可通过调节相控阵声柱内置的EQ（频率均衡）功能,以令厅堂达到最佳的传输频率特性，兼能抑制扩声啸叫，提高传声增益；它同时内置了高效率的数字功放，使用它时只需给节目源即可，不需要配置繁杂的音响周边设备。正因为相控阵声柱这些特点，才得到了研究所大力推荐，用以解决科学中心大厅扩声难题。

3、扩声系统设计

根据现场声压级需求及活动策划方对摆放的规定，我们在主席台两侧各安装一组相控阵声柱，每组4只，结构上2只串接成条，再两条并接；后场两侧也是各安装一组相控阵声柱，但每组只安装2只，串接，以作补声；主席台前卧放两只全频返送箱。同时在主扩声声柱脚下各放一只超低音箱，以增强音乐的低音效果。我们为相控阵声柱设计了活动架，声柱安装后，可按需移动位置。音箱和声柱的布点参见图五。

图七 大厅的音箱和声柱布点图

用红外遥控器调节DSP1501声柱声束，在不同偏转角度下测量语言传输指数STIPA，测量仪器为IVIE公司的IE-35。仪器界面上将STI值分为五级，0～0.3为不可接受，0.3～0.45为仅可接受，0.45～0.6为较好，0.6～0.75为很好，0.75～1为优秀。测量数据见表1：

表1 大厅使用相控阵声柱扩声的STIPA测量结果

注：“-10°”指声束朝正前方向下偏10度角度，其余类同。实际操作中，我们测量了声束多个偏转角度下的数据，这里仅列出了较具代表性的。

从上表数据知，DSP1501声柱声束向下偏转20°时，语言传输指数STI达到最佳。我们随后进行了主观听音比较，感觉和客观数据吻合，也是声柱声束向下偏转20°时，大厅内语言清晰度最好。

为了找出相控阵声柱与传统音箱扩声的差别，我们模拟大厅原扩声方案，测量STIPA的数据见表2：

表2 大厅使用传统音箱扩声的STIPA测量结果

通过两组数据对比可发现，使用相控阵声柱扩声与传统音箱扩声相比，语言清晰度有了显著的提高。

4、结束语

通过大赛活动的实践检验，科学中心负责人对此次扩声十分满意，认为扩声效果良好，声柱外观与本次活动的环境十分协调，整体给予了很高的评价。以下图片是在大赛时使用相控阵声柱扩声的一些照片。如果您有兴趣了解在混响时间近十秒的环境下使用相控阵声柱扩声的声音效果，可登录XXX去下载现场录音体验一下（广东省省长黄华华的开幕辞）。

图十 国家和省市领导出席第25届全国青少年科技创新大赛开幕式

图八说明：2010年8月9日上午，由中国科协、教育部、科学技术部、国家发展改革委、环境保护部、国家体育总局、共青团中央、全国妇联、国家自然科学基金委员会和广东省人民政府共同主办的第25届全国青少年科技创新大赛开幕式在广东科学中心隆重举行。开幕式由团中央书记处书记罗梅主持。中国科协常务副主席、党组书记、书记处第一书记邓楠，广东省委副书记、省长黄华华，国家教育部副部长陈小娅，广东省副省长宋海出席开幕仪式。同时出席的还有中国科协副主席、中国工程院院士黄伯云， 中国科协副主席、中国工程院院士陈赛娟， 中国科协书记处书记程东红，广东省人民政府秘书长唐豪，广东省科技厅党组书记、厅长李兴华。广东省科技厅党组成员、广东科学中心主任王可炜等5位中心领导代表广东科学中心出席了开幕式。

图十一 主席台两侧的相控阵声柱组

图十二 广东省省长黄华华致开幕辞，扩声用的相控阵声柱组很醒目

图十三 位于主席台两侧相控阵声柱组以纤细的外观溶入环境