体育场馆设计方案.docx
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体育场馆设计方案
体育场馆设计方案
随着我国国力的日益增强与人们物质文化生活水平的不断提高，国内很多城市都在建设或筹建体育场，其规模基本上是实用型、多功能型乃至简易型的，均属于中小型体育场之列。
我们应该对这此中小体育场的建设予以重视，并从技术上进行正确的规范和引导。
本文简单介绍体育场声学设计的经典方法和物理过程，不涉EASE软件设计。
1.声学环境
1.1基本结构和朝向
中小型体育场的基本结构有开放式、并开方式和封闭式三种。
通常，坐席下没有功能用房的称为开放式体育场。
体育场又有多功能体育场和专项运动体育场之分，我国现在有的体育场多数为多功能体育场，适用于各种体育运动项目的比赛和普通的文艺演出。
专项动动体育场根据某一项体育运动的特点设计建造，只适应于特定的体育运动比赛项目，例如，足球比赛专用体育场、自行车比赛场、网球比赛场等。
在国内，中小型体育场的朝向一般与火车站的朝向有些类似----坐北朝南，即主席台位于体育场院的北侧观众席的正位，符合全天候的采光要求，太阳从主席台的右方落下，缺点是对足球等运动项目的比赛会顺光和逆光的差别，不利于公平比赛。
由于场地的限制，也有坐西朝东，即主席台位于体育场的西侧观众席的正位，这种朝向不太符合全天候的采光要求，优点是对于足球等运动项目的比赛没有顺光和逆光的差别，有利于公平比赛。
通道，比赛场地宽度经75M，长度约110M，足球场东西走向红90M，南北走向约65M。
体育场的基本布局和开幕式运动员出入场行程图。
体育场四周的观众席为马鞍形结构。
对于坐北朝南的体育场，主席台位于北侧看台中间，北看台约32～35阶坐席，南看台也约有32～35阶坐席，东看台约20阶坐席，背景台位于南看台后侧，火炬台位于主席台的东侧，计时和计分牌位于主席台的西侧，西看台也约有20阶坐席。
对于坐西朝东的体育场，只要将坐北朝南的体育场的基本方向，逆时针旋转90°，即可得到体育场的基本丰局和开闭幕式运动员出入场行程图。
体育场挑棚的设置和形式不一而足。
有的体育场，仅在主席台上方设置挑棚；有的体育场，仅在南北看台上方都设置有挑棚；也有的体育场，除四周看台上方设置挑棚外，比赛场地上方也设置顶棚（或活动式顶棚）。
看台下方没有交通道或风雨道的，挑棚的形式用网架结构。
1.2存在的问题和解决方法
中小型体育场声学设计中普遍存在在主要问题有：
严重的多重回声，严重的声音外溢（扰民）、较多的局部寂静区（声音死区）等，需要协调建声和电声设计共同解决。
多重回声问题，解决办法可从两个方面着手。
一是在建声设计方面，要增加一些声间的吸收和反射面，尽可能地缩短声音在空间的传播行程，提高吸声效率，降低反射声音能量，避免高能量声音声波的多次反射，加长混响半径。
二是从电声设计着手，选择指向性因数（Q值）大，指向性窄的音箱，例如Q﹥15，水平指向性大小60°～90°，甚至选用40°～20°的，40°～20°的比60°～90°的通带外衰减斜率大，通带外声能相对低得多。
还要正确设计和调整音箱的覆盖区域，控制低频声音频带宽度，这也能收到一些效果。
注意，音箱的指向性越窄，成本越高，要综合取舍。
解决声音外溢严重（扰民）问题，除增加隔声设置外，还要正确设计和调整音箱的指向和覆盖区域，以减少声音的外溢扰民。
同样要选择指向性因数（Q值）大的、覆盖角窄的音箱。
局部寂静区（声音死区）的问题可以采用小功率的分散音箱，用补声的办法解决。
中小型体育场在声学设计中值得注意的问题还有：
如果长短轴大的椭圆形或弧段、直径大的圆形或圆弧、大柱形、回音壁形等结构体和墙面较多，容易带来声音的聚焦、爬行等后果，造成严重的声音缺陷，破坏音质，降低语言清晰度。
某种程度上这是造型设计和美观设计之间的矛盾，在设计过程中必须密切注意，合理协调两者关系。
解决办法有三种：
可以由建声设计着手，尽量避免或减少上述结构体和墙面的出现；或加大上述结构体和墙面的吸声力度，采用强吸声措施，这个办法将大幅度增加投入，不可取；或以上两者结合。
采用哪种设计方案，可根据资金投入
2扩声系统
2．1扩声系统的使用场所和扩声方式
扩声系统的使用场所所括扬内、场外及室内。
场内扩声系统涵盖比赛场地、观众看台、风雨交通道、检录处等处；场外扩声系统涵盖体育场外的功能场地，如练习场、预备场等处；室内扩声系统涵盖各种功能房、贵宾室、休息厅、会议室、运动员集散处、走廊等处。
扩声系统的音响布阵方式有分散式、集中式、混合式三种。
分散式扩声方式，声音来自两个方向或多个方向，时差大，必须控制临近区域的声音干扰，使音箱系统的覆盖区域合理，以免影响声音的清晰度。
音箱不能相向而放，以免产生梳状效应。
音箱的指向性要求；Q值高，灵敏度高，声音的传输能力强。
国产的声系统和设备，不管是性能、可靠性、音质、音色等，都能充分满足中小型体育场的系统配套、使用要求和功能要求，性能价格比高，而且维护维修方便快捷。
笔者认为，设计者在设计时，使用者在选型配套时，应该大量使用国产产品，积极支持我国专业音响产品工业的发展。
下面谈一谈关于在中小型体育场中进行流动文艺演出时扩声系统的选择原则。
流动文艺演出的扩声系统可部分选用进口产品，固定安装设备则应选用国产设备。
如音质优良的音箱和专用演唱传声器等可以有针对性地选用进口产品，调音台及其周边设备等均可选国产产品，功放没有必要选用进口产品。
2．2扩声系统设计实例
体育场扩声系统设计主要包括音箱的布阵与系统设备的配置两大部分。
音箱采用混合式布阵方式为佳，通过计算机EASE软件作出声场图。
音箱的布阵位置需要设计者初选出一个大概的位置，再由计算机软件最后精确敲定。
这里以东西走向的体育场为例，以比赛场中央作一个送声区，南北看台各一个区，外加补声区，分别设计音箱覆盖和控制系统。
比赛场中央供声区和南北看台供声区为音质、声级和声场不均匀度等的重点保证区。
主席台属于贵宾区范畴，是否单独设计，视设计思路和资金投入而定。
场中央做一个供声区，用3组音箱覆盖，吊挂在北看台挑棚网架上，有声像控制的作用。
对南北看台观众区，各用5组音箱，吊挂在南北看台挑棚网架上，分别覆盖南北看台观众区。
对东西看台观众区，各用2组音箱，一组吊挂在北看台挑棚网架边沿上。
各观众区半墙、柱面墙、障碍物等背面声音覆盖不到的地方，均可用分散的，较小的音箱独立覆盖，进行补声。
体育场音响系统
项目背景:
某体育中心包括体育场、游泳馆、综合体育馆、训练场以及相应的建筑。
该体育场长289米、宽252米，顶部挑棚最高处44米，可容纳6万名观众。
体育场的扩声系统早期设计除效果器等个别设备外，均采用模拟器材。
此后为了适应未来体育场馆的应用要求，以及为保障投资效益的长期性等原因，对于扩声系统的质量、功能、操控性等方面提出了更高的要求。
同时，随着数字音频技术的迅速发展，世界范围内很多新型体育场馆的建设已经采用了全数字或部分数字的系统基本构架，分布式信号传输与处理的潮流也日趋明显。
而在相关产品的质量、安全性、操控性等方面有了长足的进步的同时，产品价格则有了较大幅度的下降。
在综合考虑到上述多方面因素并参考国内外音频技术的发展情况后，对原系统的模拟构架进行了部分的调整。
新系统随整体工程建设进度逐步实施。
最终完成的系统与原系统最大的区别在于：
主要的音频处理部分采用了数字化的媒体矩阵技术并通过Cobranet协议实现了部分信号的数字化传输。
项目特点：
根据有关建筑设计，本扩声系统共设立了主控机房以及副控机房两个控制室，其中主控机房位于二层看台的贵宾包房区域内，在机房内，可以清楚地看见整个场地的情况；而副控机房则位于南区一层看台之下，从机房可直接进入场地。
系统中，所有场地信号输入输出接口（共64路）和电视转播机房、消防控制机房、事务广播机房等其他系统的信号首先进入副控机房，通过跳线盘切换后，可以传送32路模拟信号以及12路数字信号（通过一条CAT5线缆以Cobranet协议方式传输）至主控制室。
主控制室内同时设有三磁头录音机、CD唱机、DAT录音机以及无线话筒系统等音源设备，它们和副控制室传来的场地信号经调音台混合处理后进入媒体矩阵，在矩阵内进行诸如均衡、压缩、限制、分频、电平设定、优先级别设定以及矩阵分配后，送入位于本机房内的相应的功率放大器，从而推动不同组别的扬声器进行扩声。
同时主控机房可传输32路模拟信号以及12路数字信号（通过同一条CAT5线缆以Cobornet协议方式传输）至副控制机房，而后再传送至场地输出接口以及电视转播机房、新闻中心等场所的输出接口。
副控制机房内配备有小型调音台以及简单的节目源设备和小型媒体矩阵音频处理器，可根据某些特殊情况的需要随时搭建临时性的音频系统。
媒体矩阵技术的采用，大大提高了系统功能。
由于音频媒体矩阵技术（或者叫做数字音频平台）和Cobranet协议目前已经相当成熟，并为业内人士所熟知，因此对于其优势及特点，在这里不在赘述。
但需要指出的是采用5类双绞线传输多路数字音频信号的确给我们的施工带来了极大的便利。
在施工工期紧张，人手不够，电缆桥架已经被大量占用的情况下，轻松完成了本来需要耗费大量人力物力和金钱才能完成的工作。
而业主对最终的音质效果也十分满意。
毕竟数字化传输从根本上解决了交流声、串扰、信号衰减、频响变差以及失真等等传统体育场馆常见的问题。
对于扬声器部分，布局方面采用了集中与分散相结合的方式。
主席台设在西看台，在西看台标高44米的蓬盖下，设置三组集中扬声器组，其中中间扬声器组由4只世界知名品牌大型同轴号筒扬声器组成，利用其较为狭小的指向性（40°×20°）覆盖整个东区看台观众席以及场地的中间部分；位于中间扬声器组两侧的南北扬声器组则由两种同轴号筒扬声器组成，利用其90°×40°以及60°×40°的不同指向性，分别覆盖主席台（西看台）前跑道、南北跑道以及场地的南北两侧区域，同时，考虑到远程覆盖的低音衰减，我们在东区看台蓬盖下，吊装3只低音扬声器，用于东看台区域的低音补偿。
除此之外，对于西看台以及南北看台的观众席扩声，均采用分散布局的箱式扬声器进行覆盖。
其中南北看台各采用8只扬声器，均匀分为4排两列进行吊装；而西看台作为最重要的看台区域（主席台、贵宾席、记者席等均分布于此），我们则选用了4只大功率的箱式全频扬声器，以便提供更大的声压级和更好的音质。
同时，通过4只流动性全频返送扬声器，进一步保证了主席台的听音效果。
此外，对于被二层贵宾包房挑台以及南侧看台LED大屏幕所遮挡的区域，我们则配备了一些小型的扬声器进行补偿。
对于扬声器集中与分散相结合的方式，首先会存在各扬声器组扩声信号到达听音位置时间不一致的现象，那么由于采用了20×28的媒体矩阵方式综合处理器，因此，我们具有了多至28个的输出通道，对于每一个输出通道，可以分别进行均衡、压限、分频和延时处理。
在具体调试时，我们将所有的扬声器按安装位置不同逐一进行设置，并以西看台的主扬声器组为基准，对其他各组别的扬声器加载不同时间的延时，从而获得了令人满意的听觉效果，完全避免了各扬声器组因位置不同而产生的声波到达时差问题。
此外，大量分散的扬声器（最远的扬声器箱距主控制机房约300米），也使得我们不得不面对功率信号传输衰减的问题，为保证最终还音音质，避免因升压、降压而产生的音质以及功率方面的损失，在整个扩声系统中，除用于挑台下补声的S40T扬声器外，对于其他扬声器，全部采用了定阻传输方式，为此，我们采用了配置较大的功率放大器以加大功率输出、增大传输线缆线径等方式予以解决，通过最终测量及试听，这些方法有效地避免和补偿了功率传输衰减，确保了最终还音音质的良好。
同时，由于分散式扬声器布局使扬声器距离听众较近，从而降低了风速对声音的干扰，有效地提高了声场均匀度和还音音质。
本系统中，除上述扬声器外，功率放大器部分全部选用世界知名品牌的CPS系列；系统主控调音台则采用某知名品牌的CS8系列；媒体矩阵处理器采用某知名品牌的CM系列；音源部分则主要为某知名品牌的节目源播放和记录设备。
这些产品性能稳定，档次匹配性较好，获得了令人满意的使用效果。
本扩声系统的主要特点如下：
双控制室结构，配备两套不同规模的媒体矩阵处理器，实现了异地的数字信号传输，形成分布式音频传输处理系统。
两套系统可独立工作也可互为备份，大大提高了系统功能及安全性，并能实现两级调音；配备大量的跳线盘，主要信号流程环节均接至跳线盘，使系统调整更加灵活方便；在跳线盘上跨接模拟均衡器、移频器等处理设备，可根据现场情况以及调音师习惯随时接入系统使用，有力地避免话筒回授啸叫现象。
扬声器系统采用了“相关频率线性耦合”、“恒定指向性及多歧管技术专利号筒”“可变强度（VariIntense专利号筒”等新技术，扬声器覆盖指向性好、易于调整，扩声声场均匀。
体育馆会场扩声系统方案
综合考虑建筑声学的特性，设计、配置的本套系统，电声指标满足扩声的声学特性指标、语言系统和音乐综合系统达到国家标准。
该套音响系统的性能和品质，将直接影响今后贵方的使用效果，我们在对场地的建筑结构特点和使用功能进行了分析，运用了EASE3.0电脑音响系统设计软件对其进行了完整的音响系统设计。
当音响系统设计方案初步形成后，并根据实际情况合理地选择扬声器品牌和音响设备，这是整套音响系统的核心，决定了扩音系统总体质量。
设计所需达到的目的
1、公共广播系统：
组织和播放扩播、背景音乐。
广播机房内主要包括FM接收无线信号。
广播节目的调谐装置。
话筒、扩声设备、音乐节目的录播等管理计算机中央设备。
功能要求：
有良好的音质，多种方式的信号输入及输出通道，具有性能高可靠性。
背景音乐设在走道、休息厅等公共区域。
扬声器为吊顶式安装。
背景音乐与火灾应急广播扬声器共用，当发生火情时，系统对其音量开关等元件进行控制操作，将背景音乐强切至应急广播。
2、会场扩声系统：
（1）体育比赛、群众集会，兼顾团体操音乐伴奏的功能为主，并预留大型文艺演出及转播的接口;
（2）通过结合体育馆建筑特点合理布置扬声器，使每个观众席均能保证语音清晰、音质优美;
（3）在主席台、解说席、比赛场地等处设置传声器插接箱提供足够的话筒点，以满足各种比赛、集会的需要;
（4）设置由扩声机房向外发布通知的功能;
（5）也可由检录处向运动员、教练员及裁判用房发布通知;
（6）使用消防控制室内设置的插播控制盒，可以切换音量控制器，单独或同时向检录处及比赛用户、贵宾休息室、包房、会议室等其它区域发出疏散信号（本项功能在公共广播部分以设置完成）。
结合以上特点总结出必需的扩声要求：
（1）观众席上有足够的响度。
（2）扬声器的布置应覆盖整个观众席和比赛场地，尽量使声场均匀，不应出现死区。
（3）具有清晰的听闻条件，良好的方向感和节目的保真度。
（4）系统应有足够的稳定度和功率余量。
体育馆扩声系统
目前国内体育馆建设较为普遍地要求满足多功能的用途，固定安装系统除了用于比赛扩声，还要求能用于大中型会议，并且适当配置流动设备即能满足社会企事业单位举行的各类群众性文艺演出。
我国对体育馆固定安装扩声系统的声学指标制定了一个标准JGJ/T131—2000，J42—2000《体育馆声学设计及测量规程》，目前在项目建设中得到广泛应用，作为设计和施工单位的技术依据。
但由于声学专业的特殊性，部分设计单位、大部分的建设单位甚至还有部分专业单位，对于指标的含义理解得不够透彻，加上在设计施工过程中，对如何通过科学合理的技术手段，利于达到指标要求，避免与指标要求背道而驰，掌握得不够透彻，造成最终不能达到另人满意的结果，成为遗憾工程。
有些项目在固定安装系统的造价投入很高，有的在控制部分投入大量资金，而在扬声器和功放部分则投入非常有限，最终效果不佳，而且控制手段华而不实，没有遵循实用可靠、操作简单，便于维修的设计原则；有的则是在扬声器终端处理不当，没有把体育馆的建筑特点、扬声器的技术特性和安装方式之间进行良好地结合，也没有在声压级、声场均匀度等指标与声干涉、声反射等问题之间进行合理地平衡，最终效果依然不佳；还有的项目可能受到预算方面的影响，在扬声器的选型方面采用了一些名牌产品，而在功放、周遍处理器等环节则采用一些次等产品，甚至功率不足，造成系统配置不均衡，没有达到预计的设计效果。
效果不佳可以概括为系统声压级、传声增益等指标不足，在语言扩声时响度不够，信噪比低，语言清晰度差；音乐重放时缺乏动态余量，声音失真，音乐表现力差，或者响度足够而依然存在语言清晰度差，音乐表现力差的问题。
这样的固定安装系统除了不能满足基本的使用要求外，更不能担负起参与文艺演出的任务，导致投资上的浪费。
一个优秀的固定安装系统工作时应该高音清晰，中音明亮，低音有力，语言扩声能够为各个席位的观众提供响亮清晰的主观评价，以本届全运会奥体中心体育场开幕式为例，在场的观众对胡锦涛总书记的致辞由衷地用了“洪亮”、“声如洪钟”等赞美之词，这同时也是对扩声系统的充分肯定。
一个优秀的固定安装系统在音乐重放时，则能够最大限度地为所有的观众表现音乐的艺术美以及体育音乐特有的力度感，笔者在调试体育馆固定安装系统时，通常要试听中华人民共和国国歌义勇军进行曲，尽力把乐曲的各个章节和各个乐器的音色完美地表现出来，运动员和观众在聆听国歌时，能充分感受到国歌的雄壮、作为中国人的骄傲以及肩负的责任。
由此，一个优秀的固定安装系统只需适当配置流动设备，即能满足企事业单位举行的各类群众性文艺演出。
通常需要增加的设备包括演出调音台、舞台拉声像扬声器、超低频扬声器、舞台返送扬声器、各类演出话筒等。
由于能够为观众席提供良好的声场覆盖和音质效果，并且最大能够提供105dB的声压级，就意味着体育馆在承担专业演出任务时，固定安装系统完全有能力担负起观众席的扩声工作，可以减轻演出音响部分的搭台工作，一方面降低演出主办方的租赁费用，另一方面可以增加体育馆对外的租赁费用，提高投资利用率和回报率，有利于改善各地的体育场馆经营状况。
但是要注意以下几点：
一、在系统设计时，要求充分考虑在合理区域预留演出接口；
二、在系统配置时，要求充分考虑其与演出系统的捏合问题；
三、在设备选型时，要求充分考虑其质量和演出单位普遍接受的问题；
四、在商务谈判时，注意平衡演出租赁公司把业务作大的想法；
五、在技术谈判时，需要本单位调音师提供良好的技术服务，克服外来调音师对固定系统感到陌生、怕麻烦的思想顾虑。
由于体育馆的空间普遍比较大，如果演出单位摈弃固定系统，完全用流动系统做演出，目前较多地使用多挂线性阵列扬声器，工作量和费用都会比较大，而且往往时间急促，较难在各方面做到完美，如果固定系统足够优秀，外来系统只需主要针对舞台和加座区，适当增加低频效果，调整流动和固定系统之间的电平和延时，工作量和费用会大大降低，笔者在实际工作当中也取得了一些成功的经验。
反之，如果固定系统比较差，一方面演出单位难以接受，另一方面调试难度反而增加，效果还不能保证。
最近接触到的几个体育馆建筑设计方案，在演出功能方面做出了创新性的布局，把训练馆与比赛馆打通，演出时，训练馆作为舞台区，类似于一个大型的镜框式舞台，比赛馆则相应的类似于剧院的观众席；比赛馆进行比赛时，在训练馆与比赛馆之间推出流动座位席。
这么一个精彩的构思，给声学设计提出了一些课题和挑战。
扩声系统方面，笔者希望做出一个同样精彩的扩声设计方案，来配合和支持。
通过对这个项目设计和调整过程的阐述，和大家一起探讨，也希望能得到大家的指正。
在做一个体育馆常规扩声设计时，为了达到技术标准和使用要求，通常从扬声器的选型和安装位置着手，根据体育馆的建筑特点，选择扬声器的安装方式，根据扬声器到观众席的距离和覆盖角度，以及扬声器的技术特性，进行选型工作，这个过程需要在声压级、声场均匀度等指标与声干涉、声反射等问题之间进行充分地平衡，确定合适的方案，在充分考虑其与演出系统的捏合问题的同时，必须把语言扩声的要求（也是演出扩声的要求）----语言清晰度，放在首要的位置来考虑。
因此，能够良好控制声音能量和覆盖角度的，具有优质的恒定指向号角的扬声器系统，成为设计的首选。
在预算比较宽松的情况下，分散式布置造价相对集中式较低，扬声器离观众席比较近，对扬声器的声压级指标要求较低，对声能的控制较容易，因而对建筑声学的要求也相对较低。
但是分散式布置的声源点势必增多，理论上声干涉现象较为严重，但是由于体育馆的混响时间比较长，中型规模的中高频混响时间基本接近1.5秒左右，早期反射声和混响声通常能改善或掩盖干涉引起的声学缺陷。
这时要注意优质恒定指向号角的作用，良好地控制声音的能量和覆盖角度，可以最大限度地减少多声源之间的直达声延时回声。
在做这类“剧院式体育馆”扩声设计时，第一感觉是希望用一套固定系统，既作为比赛扩声系统，又能作为演出扩声的主系统，做成集中式，把扬声器集中在舞台口。
演出时，在舞台台面处临时安装场地补声扬声器、超低频扬声器和舞台返送扬声器。
这个方案的优点是能够满足比赛扩声的同时，在演出时能够对观众席提供良好的声像一致感，同时减少了分散式布置带来的延时调整工作。
但是也存在几个问题，远区的观众席和舞台之间的距离较大，近70米左右的距离，声压级衰减大约在36dB左右，系统造价成为大问题，如果采用线性阵列扬声器，声场控制方面应该是一个很好的方案，但在使用的灵活性方面有局限性，且造价偏高；另外就是选用超长射程、超大声压、精确指向控制同轴扬声器，要求所选扬声器单个最大声压级达到近140dB（数量多了造价会随之上升），这个方案相比线性阵列可以降低一定的造价，但依然较高，对于远区的观众，的确能够得到高清晰度的语言扩声效果，但对于建声的要求比较高，声能控制比较困难，容易产生反射回声。
综上所述，在控制成本预算作为主导考虑时，采用集中分散相结合的方案将作为设计首选。
尽量减少分散点的数量，选用具有优质的恒定指向号角、能够良好地控制声音能量和覆盖角度的扬声器系统，扬声器系统分工明确，在设置演出场景时，对舞台区扬声器系统与分散扬声器系统之间的声压差和时间差进行精心调校，用数字音频工作站进行各类节目场景的设定和保存
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