乌干达国家体育场观众席扩声系统的改造

梁连兵

（北京第七九七音响股份有限公司，北京 100015）

1 前言

乌干达国家体育场在20世纪90年代中期建成并投入使用，在改造前扩声设备历经了10多年的使用和较为严酷的自然环境的考验，部分设备和器材已经老化和损坏。经过现场实际考察发现，设备和器材的损坏除了和常年不断地频繁使用有关，还与原系统的配置以及安装调试不尽合理有着密不可分的关系。从改造项目有限的资金投入和使用方的具体要求综合考虑，改造不仅要最大程度地保证原有完好设备和器材的利用率，还要顾及现场客观条件的限制，也就是说，要针对体育场的使用要求和现有器材的功能配置，以及不可能改变的建筑结构和主体安装设施，进行有条件的改造，这也是本次改造项目设计方案的前提条件。

2 改造设计方案

2.1 改造项目的范围

此次体育场扩声系统改造是与电力、灯光、跑道及部分体育设施共同组成的一个整体改造项目，资金投入远远不够更换所有扩声设备，经过与使用方（乌干达国家体育场）和工程总承包方商定，为了使投入的有限资金达到最佳的效果，决定本次改造范围只定位在观众席扩声及其相关部分，这也是体育场利用率最高和不可缺少的环节。由于当地体育场除了进行体育表演和比赛以及一些文艺演出活动，还经常举行宗教宣传活动和其他群众集会，甚至近几届的总统选举和候选人演讲也是在此进行的，这样，观众席的扩声改造就显得尤为重要。

2.2 原系统存在的问题

根据现场实际考察，对原系统的配置、安装、调试情况作了有针对性的了解和分析，并对原系统的观众席等具备测试条件的部分进行了测试，归纳为以下几个问题。

（1）设备配置和使用不合理造成较多高音扬声器损坏；原配置中的移频器丢失，用一台单路31段均衡器来抑制反馈，这不仅增加了调试的难度，也损失了音质，使传声增益下降（改造前实测主席台传声增益平均值为-14.6 dB），现场的扩声效果不理想。

（2）观众席扩声系统采用分散式设计安装，24组扬声器系统均匀分布在看台观众席上方的挑篷下，但扬声器系统的吊装方式和结构不够规范、合理，造成不安全隐患并加速其老化、损坏的过程。

（3）观众席的扩声扬声器组分为东、南、西、北4个看台区，其中，西区为主席台所在区。每个区的高音号筒扬声器配置过于简单，没有针对现场实际结构作更精确的声场设计，致使观众区的声场不均匀度较差。改造前实测声场不均度1 kHz最大值为11.4 dB；4 kHz最大值为10.9 dB；个别点甚至超过了15 dB。

2.3 改造方案的构思

（1）原系统中使用的电子分频器参数与终端器材设置要求有偏差，是造成高音扬声器大面积损坏的重要原因之一，并且原分频器分频参数为固定模块设置，不易调整也没有合适的配件更换。为了确保系统改造的安全和稳定，更换分频器，增强系统的可靠性。由于未知的原因，原系统使用了一台15段均衡器作为抑制声反馈之用，这显然是不恰当的。在新的改造方案中要增加专业的反馈抑制器来有效地解决系统增益较低和现场扩声时声反馈抑制不当的问题。

（2）重新设计扬声器系统吊装结构，在原有吊装主框架基础上改进扬声器系统的安装方式，既不能破坏原设计的机械强度，又要使其与新结构合理连接；要达到设备安装牢固可靠，便于施工安装，同时，还要保证声场调整时扬声器系统能够灵活方便地在有效辐射范围内作可变角度的调整、定位。

（3）针对观众席各区的不同建筑结构和布局以及对扩声范围和要求的差异，重新设计配置不同指向性和灵敏度的号筒扬声器系统，提高各观众区、各测试点的声场不均匀度指标，使绝大部分观众席都能得到满意的、清晰一致的扩声效果。

3 观众席扩声系统的改造

综上所述，观众席扩声系统的改造围绕着以下几个方面进行：按照改造设计方案，增加和更换系统设备，提高系统的扩声性能和器材的安全可靠性；设计更加安全可靠的安装方式，将新的扬声器系统与原扬声器主吊架合理衔接并牢固安装；更换高音号筒扬声器，改善声场的性能指标，提高整个观众席的扩声质量。

3.1 周边设备的改造

针对本次改造的范围，周边设备需要更换4台电子分频器和1台反馈抑制器。

（1）4台电子分频器分别为观众席的东、南、西、北4个扩声区域提供两分频的高低频信号。更换后的电子分频器为DriveRack PX数字处理器，是dbx DriveRack系列的较新型号，其功能非常全面，除了分频功能还具有反馈抑制、均衡、压限和低频谐波合成等功能，之所以选择DriveRack PX，也是从系统改造设计的前瞻性角度考虑，为今后进一步的系统全面改造提供一个可利用的配置基础。

原系统中的分频器采用固定分频参数模块设置，高低通的分频频率为500 Hz，这对于匹配系统中的15英寸低音扬声器当然没有问题，但如果匹配3英寸的高音驱动器就超出了其有效频率响应的使用下限。再从功放的配置分析高音扬声器的功率承受问题。高音的功放定阻输出功率为2×400 W，每一路接一个高音组，而每个高音组由3只100 W高音扬声器组成，但由于功放后的输出变压器和终端降压变压器的效率，高音扬声器只得到了功放输出的70%左右的功率（不到300 W），即使满功率输出，也没有超过高音扬声器的额定输入功率。也就是说，除了非正常操作因素，过低的下限工作频率是直接导致高音扬声器大量损坏的最主要原因。加之当地非常流行强节奏大声压级的音乐，经常是长时间满功率甚至超负荷使用，如此高的功率输出，使得扬声器损坏严重，而高音驱动器更是首当其冲。最后，从3英寸驱动器本身的性能指标和系统其他配置要求综合考虑，将高低通分频频率设定在800 Hz，这样既提高了高音驱动器的使用安全系数，也发挥出了低音扬声器的功率余量，使得整个扬声器系统的可靠性有了明显的提高。在改造后的设备试运行期间曾多次满功率操作，系统稳定，效果很好。

（2）为了有效地抑制声反馈，提高系统传声增益，改造方案中增加了一台dbx的AFS224反馈抑制器。之所以没有在流动系统和一些特殊的现场扩声中全部使用DriveRack PX数字处理器中的反馈抑制功能，而是增加一台AFS224，主要是考虑现场临时扩声的便捷性，4台DriveRack PX主要功能是作为4个看台观众区的均衡、压限和分频。AFS224反馈抑制器是具有每路24点可编程滤波器的双路反馈抑制器，每台滤波器的宽度可有1/5、1/10、1/20和1/80共4种选择，精确的滤波器设置可以满足不同的使用要求。将此反馈抑制器应用在本次改造中，主要是考虑体育场采用的传声器布局较分散，不仅主席台，评论、解说席以及检录处等处都配有传声器，其中，有些是既不固定传声器位置也不固定传声器型号的，这就给现场扩声以及调试工作带来了极大的不便，而AFS224的使用则解决了此问题，并且在体育场经常举行的各种不固定形式的现场扩声中起到了很好的作用，不仅方便了现场调试，也为提高主席台的传声增益做出了贡献。改造后的主席台平均传声增益为-11.6 dB。测试数据见表1。

表1 主席台传声增益

图1 东、西看台区声场设计示意

3.2 扬声器系统安装结构的改造

改造方案采用了新的号筒扬声器系统和驱动器，更利于安装方式的全新设计，但由于资金和建筑结构的限制，新设备还是要利用原来的主体吊架，也就是说，全部号筒扬声器要用新的连接方式安装在旧的吊架上。

新的安装方式采用部分可调结构，将需要调整号筒扬声器辐射角度的连接固定零件设计成0°和5°可调结构，与吊架原水平20°左右的角度相加或相减，这样既方便了现场安装，又可配合声场测试进行调整。同时，加大了紧固螺栓的尺寸规格，使固定安装更加牢固可靠。

3.3 声场的改造

主席台所在区西区挑篷结构和与其相对的东区一致，都是深挑篷，两区观众坐席布局、面积也基本一致；南区和北区的观众坐席布局、面积及挑篷结构基本一致，都是浅挑篷。这样，扬声器组的配置基本可以分为两种，即南、北观众席一种组合形式，东、西观众席一种组合形式。全部24组扬声器系统均匀分布在4个观众区的挑篷上，南、北区各5组，东、西区各7组。

（1）由于东、西看台区挑篷较深，声源到观众坐席距离较大，因此，每组扬声器系统除了原有的2只低音箱，高频部分采用3只大型恒指向号筒扬声器，分别覆盖相应看台区域的上、中、下3部分，见图1。

从东、西看台区号筒扬声器吊挂点到看台上部、中部、下部的辐射中心点距离分别为16.5 m、15.5 m、22 m。从声源到看台上下听音区域边缘的夹角为110°左右，采用3只垂直指向为40°的号筒扬声器即可覆盖从上至下的扩声区域，参见图1a。由于观众席看台从上到下的水平（横向）宽度基本相同，而从声源到看台上、中、下观众席的距离有差异，其中，投向观众席下方的号筒扬声器辐射距离达22 m，若要3只号筒扬声器水平覆盖的范围一致，就要求每只号筒扬声器的指向角度不同，见图1b。从上面的分析可知，3只号筒扬声器的垂直指向角度均采用40°即可；而上部和中部号筒扬声器的辐射距离差异很小（只差1 m），所以，可采用2只相同水平辐射角度的号筒扬声器即可达到相同的水平覆盖范围。负责向观众席下部辐射的号筒扬声器由于辐射距离相对较大，若要与中、上部达到相同的覆盖范围，就要采用指向角度较小的号筒扬声器。每个观众扩声区的平均水平宽度（每两组扬声器系统的间隔）为26 m，上部和中部平均辐射距离16 m，辐射角度80°；下部辐射距离22 m，辐射角度62°。据此，选择最接近此数据的号筒扬声器为：上、中部采用水平和垂直指向性角度90°× 40°的H9401号筒扬声器；下部采用水平和垂直指向性角度为60°× 40°的H6401号筒扬声器，废弃了原来采用3只同样的6040号筒扬声器的配置。经测试和现场试听，认为声场不均匀度和语言清晰度较改造前有了明显改善。

图2 南、北看台区声场设计示意

表2 声场不均匀度测量

（2）南、北看台区相对东、西的挑篷深度较小，扬声器系统吊挂点较低，声源到观众席的辐射中心距离较小，但投向下部观众席的号筒扬声器辐射距离却比东、西看台区的还要大，见图2。有鉴于此，要根据观众席的实际情况对扬声器系统做更精确的调整。

根据观众席与挑篷吊挂点的几何结构对原声场设计和扬声器系统配置进行了分析。原设计中投向观众席中、上部的2只号筒扬声器配置较合理，基本上满足了声场的需要，但向观众席下部投射使用的是60°× 40°指向性角度的号筒扬声器，与实际声场需求有较大出入。声源到下部观众席的辐射中心点距离为23 m，而南、北看台区的扬声器系统组间隔较小，只有20 m，也就是说担任看台下部区域辐射的号筒扬声器的水平指向角度只需要40°（原设计中使用的号筒扬声器水平指向角度为60°）左右；另外，由于南、北看台区的挑篷较浅，扬声器的吊挂点距看台下方较远，下方的号筒扬声器垂直指向角度很小，约20°左右，参见图2a。因此，改造方案中将原来60°× 40°的号筒扬声器改为40°× 20°的号筒扬声器，这与实际的声场要求是相符的，也是与改造完工后的测试和使用的良好结果相吻合的。观众席声场不均匀度按照改造前相应测试点数量和位置进行测试，达到了1 kHz最大差值9.1 dB，4 kHz最大差值为8.9 dB。如表2所示，由于改造前扬声器损坏数量较多，因此，选取测试点数量较少，但已尽可能选取了合理、有代表性的测试点，并在改造前后测试时统一其位置。

4 总结

由于先期对体育场做了详细深入的现场考察，并与使用方和项目总承包方进行了大量的协商和沟通，使得改造设计方案和器材配置更换得以顺利进行；在设计和施工中把握住了问题的关键，有针对性地改造了最实用和最关键的环节。

观众席的主扩声系统是体育场整个扩声系统的最重要也是最能体现设计和施工水平的环节，设计者不仅要掌握相关的理论知识，还要在实践中不断总结经验教训，提高解决问题的能力。在本次体育场扩声系统的改造过程中，通过对周边设备的合理配置以及对扬声器系统性能的正确应用，解决和改善了原系统中的问题，使得系统在现有的条件下发挥出了应有的水平。

乌干达体育场观众席扩声改造项目从设计改造方案到改造完成，经历了一年多的时间，改造后的总体使用情况良好。

［1］GB/T 4959-1995.厅堂扩声特性测量方法

［2］JGJ/T 131-2000.体育馆声学设计及测量规程