陳懷民

國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”是2008北京奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)，能容納91 000名觀眾，在這里要進(jìn)行開(kāi)閉幕式及其他一些比賽項(xiàng)目。筆者有幸參與了國(guó)家體育場(chǎng)的建筑聲學(xué)及擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作，在此作簡(jiǎn)單的介紹。

1? 概述

國(guó)家體育場(chǎng)位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為2008年第29屆奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的主體育場(chǎng)。工程總占地面積21公頃，建筑面積258 000m2。場(chǎng)內(nèi)觀眾坐席約為91 000個(gè)，其中臨時(shí)坐席約11 000個(gè)。這里將舉行奧運(yùn)會(huì)、殘奧會(huì)開(kāi)閉幕式、田徑比賽及足球比賽決賽。奧運(yùn)會(huì)后將成為北京市民廣泛參與體育活動(dòng)及享受體育娛樂(lè)的大型專業(yè)場(chǎng)所，并成為具有地標(biāo)性的體育建筑和奧運(yùn)遺產(chǎn)。

1.1 國(guó)家體育場(chǎng)的部分基本數(shù)據(jù)

東邊看臺(tái)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(chǎng)挑棚長(zhǎng)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(gè)吊頂覆蓋面積為42 000 m2，當(dāng)中開(kāi)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(tái)為38 m，距離上層看臺(tái)最后一排為68 m。西挑棚下吊裝覆蓋比賽場(chǎng)地的揚(yáng)聲器組，距東看臺(tái)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(tái)第一排，與東挑棚上面的揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音到東有臺(tái)第一排相比，時(shí)差約為350 ms。若以點(diǎn)聲源來(lái)算，指向性因數(shù)按4計(jì)，場(chǎng)內(nèi)混響時(shí)間按4 s計(jì)，混響半徑約為80 m?90 m。

1.2 奧組委的技術(shù)要求

奧組委的對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)的擴(kuò)聲要求是要建最好的體育場(chǎng)，最大聲壓級(jí)要求達(dá)到106 dB，語(yǔ)言清晰度指數(shù)STI要求達(dá)到0.6，能滿足奧運(yùn)賽時(shí)語(yǔ)言兼顧音樂(lè)擴(kuò)聲的要求。

2? 國(guó)家體育場(chǎng)聲學(xué)設(shè)計(jì)與測(cè)量結(jié)果

國(guó)家體育場(chǎng)聲學(xué)設(shè)計(jì)工作主要分三個(gè)方面：一是對(duì)體育場(chǎng)內(nèi)、外環(huán)境噪聲進(jìn)行評(píng)估;二是控制混響時(shí)間;三是控制聲缺陷。

2.1 噪聲評(píng)估與控制

影響國(guó)家體育場(chǎng)的主要噪聲來(lái)自北京的北四環(huán)路的交通噪聲，在國(guó)家體育場(chǎng)外約為60 dB（A）?65 dB（A）;而在場(chǎng)內(nèi)約為55 dB（A）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，類似“鳥(niǎo)巢”這樣大的一個(gè)體育場(chǎng)內(nèi)觀眾躁聲大概為：觀眾安靜地觀看比賽時(shí)，噪聲約為60 dB（A）?65 dB（A）;觀眾在看比賽時(shí)議論的時(shí)候，大概是70 dB（A）?75 dB（A）;在觀眾歡呼的時(shí)候，大概是90 dB（A）?95 dB（A）;在觀眾尖叫的時(shí)候，大椐是100 dB（A）。由此可見(jiàn)，場(chǎng)內(nèi)環(huán)境噪聲55 dB（A）不足以影響場(chǎng)內(nèi)的比賽及其他活動(dòng)。

同樣，在國(guó)家體育場(chǎng)內(nèi)有活動(dòng)的時(shí)候，如舉辦體育比賽、文藝演出時(shí)，對(duì)外界的影響，特別是對(duì)“水立方”的影響如何？測(cè)量顯示，“鳥(niǎo)巢”內(nèi)觀眾歡呼時(shí)，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(duì)水立方的使用基本不影響。

對(duì)“鳥(niǎo)巢”雨噪聲的測(cè)試是在2008年4月初的某次中雨時(shí)進(jìn)行的，約為65 dB（A）?75 dB（A）。這是在體育場(chǎng)內(nèi)觀眾席上測(cè)到的數(shù)據(jù)，大致與觀眾在議論時(shí)噪聲等級(jí)差不多，是一個(gè)可接受的程度。大雨時(shí)所有比賽與活動(dòng)均會(huì)暫停。

2.2 測(cè)量結(jié)果

2.2.1? 混響時(shí)間

在建聲設(shè)計(jì)之時(shí)，采用了ODEON的軟件和EASE的AURA程序進(jìn)行模擬，在空?qǐng)龅臅r(shí)候，混響時(shí)間500 Hz約為3.71 s，1kHz約為3.62 s，2 kHz約為3.2 s;滿場(chǎng)時(shí)的混響時(shí)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(cè)試結(jié)果，空?qǐng)龌祉憰r(shí)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(cè)的數(shù)據(jù)基本一致。測(cè)量時(shí)，體育場(chǎng)草皮還未鋪，部分看臺(tái)座椅未裝，因此，最后的實(shí)際情況可能還會(huì)稍微好一點(diǎn)。

2.2.2? 語(yǔ)言清晰度STI

對(duì)于語(yǔ)言清晰度STI值，奧組委的要求為：滿場(chǎng)時(shí)0.6。經(jīng)軟件分析，空?qǐng)鰰r(shí)可達(dá)0.52，80%滿場(chǎng)情況下可達(dá)0.6。實(shí)際測(cè)量，空?qǐng)銮闆r下達(dá)到0.54。

2.2.3? 最大聲壓級(jí)

實(shí)測(cè)的最大聲壓級(jí)為109 dB，達(dá)到并超過(guò)了奧組委的要求。

3? 擴(kuò)聲系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)的安全性的考慮

國(guó)家體育場(chǎng)擴(kuò)聲工程設(shè)計(jì)將安全性的考慮放在第一位。體育場(chǎng)內(nèi)可容納91 000名觀眾，加上場(chǎng)地的工作人員、運(yùn)動(dòng)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(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不能造成場(chǎng)內(nèi)觀眾聽(tīng)不到聲音。

通常擴(kuò)聲系統(tǒng)流程圖是：調(diào)音臺(tái)-處理器-功放-揚(yáng)聲器系統(tǒng)。任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題，就會(huì)有相當(dāng)數(shù)量乃至全場(chǎng)的觀眾聽(tīng)不到聲音。因此，在最初設(shè)計(jì)的時(shí)侯，就應(yīng)考慮讓整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)沒(méi)有瓶頸，不能因?yàn)橄到y(tǒng)中任何一臺(tái)設(shè)備的問(wèn)題而使得整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。那么，如何實(shí)現(xiàn)呢？

擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，有兩款帶處理器的功放剛剛推出。一個(gè)是皇冠的IT功放，一個(gè)是EⅥ的TG功放。這兩款功放，都有一個(gè)數(shù)字輸入和兩個(gè)模擬輸入。國(guó)家體育場(chǎng)最終選用了皇冠的IT功放。正常工作狀態(tài)下，音頻信號(hào)由數(shù)字輸入口進(jìn)入功率放大器;當(dāng)數(shù)字信號(hào)丟失時(shí)，模擬左通路作為信號(hào)備份輸入通路自動(dòng)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(hào)時(shí)，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(tái)處理器出現(xiàn)問(wèn)題影響一大片區(qū)域的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)安全性。

3.2 數(shù)字系統(tǒng)的考慮

通常體育場(chǎng)的信號(hào)都來(lái)自于主席臺(tái)，但在大型賽事情況下，信號(hào)還有可能來(lái)自于看臺(tái)、場(chǎng)地，部分信號(hào)回傳到機(jī)房的距離超過(guò)500 m。另外，在奧運(yùn)會(huì)或比較重要的活動(dòng)、體育賽事的時(shí)候，同一個(gè)音頻信號(hào)多家要用，如主席臺(tái)音頻信號(hào)除了擴(kuò)聲系統(tǒng)會(huì)用，電視轉(zhuǎn)播也要用，場(chǎng)內(nèi)其他機(jī)房可能還要用。基于以上考慮，選用網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字調(diào)音臺(tái)是一個(gè)比較合理的解決方案。

3.3 功放機(jī)房的設(shè)置

本擴(kuò)聲系統(tǒng)中還有一個(gè)特點(diǎn)，就是設(shè)置了4個(gè)功放機(jī)房。通常體育場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)工程只設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)統(tǒng)一的功放機(jī)房，需通過(guò)高壓傳輸方式來(lái)解決長(zhǎng)距離傳輸所引起的功率損耗。但同時(shí)引入了變壓器的損耗，損害了音質(zhì)。

筆者曾參觀過(guò)2008年德國(guó)世界杯足球賽的主會(huì)場(chǎng)，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(shí)用類似“貢多拉”（威尼斯小船）的小船通過(guò)上面的繩索滑過(guò)去，這種做法不太適合中國(guó)的國(guó)情。

最后，在與國(guó)家體育場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)部門(mén)商量后，在體育場(chǎng)上層看臺(tái)后部留了4個(gè)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(zhǎng)的也只有一百二十余米。

3.4? 聲場(chǎng)的設(shè)計(jì)

聲場(chǎng)的設(shè)計(jì)在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也考慮得比較多。使聲音覆蓋到91 000名觀眾，應(yīng)是一個(gè)均勻的、有足夠的聲壓級(jí)的、清晰的聲場(chǎng)。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(yǔ)言清晰度。

4? 值得探討的問(wèn)題

4.1 調(diào)音臺(tái)的選型

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

4.2 看臺(tái)下?lián)P聲器的選型

二層挑臺(tái)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(tái)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(gè)臺(tái)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(jí)是109 dB，而小揚(yáng)聲器滿功率最大聲壓級(jí)不足以支持109 dB的最大聲聲壓級(jí)。這是看臺(tái)下面有待改進(jìn)的一個(gè)問(wèn)題。

4.3 安全性的考慮

所有前端的設(shè)備，比如調(diào)音臺(tái)，都可以雙路供電。一路來(lái)自UPS，一路來(lái)自市電，確保供電安全。而功率放大器只有一個(gè)輸入，可接UPS，如果把整個(gè)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(chǎng)供電是雙路的，一路丟失會(huì)自動(dòng)跳到另外一路，切換時(shí)間大概需要100 ms。體育場(chǎng)選用的帶處理器的功放，斷電超過(guò)10 ms，功放會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，恢復(fù)供電，功放需要8 s才能恢復(fù)。

5? 一些體會(huì)

筆者所在的聲學(xué)設(shè)計(jì)研究所承擔(dān)國(guó)家體育場(chǎng)聲學(xué)及擴(kuò)聲工程的相關(guān)工作，從一個(gè)技術(shù)人員的角度來(lái)看，筆者認(rèn)為該工程是一個(gè)非常成功的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，一個(gè)相對(duì)完善的系統(tǒng)。還有一點(diǎn)讓人欣慰，那就是在這個(gè)項(xiàng)目里，擴(kuò)聲和建聲專業(yè)是合在一起設(shè)計(jì)的，這樣很多工程上的聲學(xué)問(wèn)題得以解決。分析本工程的成功，有以下幾點(diǎn)體會(huì)。

5.1 開(kāi)明的領(lǐng)導(dǎo)

在這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行中，國(guó)家體育場(chǎng)有限公司相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)很開(kāi)明。提出合理要求時(shí)，總會(huì)得到大力支持。他們有一個(gè)開(kāi)放的心態(tài)，能聽(tīng)取專業(yè)人士的意見(jiàn)。

5.2 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(lái)國(guó)家體育場(chǎng)的建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的時(shí)候，將揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)在挑棚復(fù)雜的框架里面，聲音被嚴(yán)重阻擋無(wú)法覆蓋整個(gè)觀眾席。后經(jīng)多次協(xié)商得到了理解，最終建筑設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)的挑棚前端。還有水、電等相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)也都與我們有很好的配合。

5.3 有思想的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的前期，我們獲得來(lái)自業(yè)主方以及上級(jí)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(jì)指導(dǎo)思想中。然后，我們認(rèn)真分析這個(gè)工程具有什么樣的特點(diǎn)，會(huì)面臨什么樣的難題，該如何去解決。本工程設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)人員會(huì)被一些外來(lái)的客觀因素弄得沒(méi)有太多的回旋余地，而在這個(gè)工程里，筆者很高興能做到這一點(diǎn)——只選擇適合的產(chǎn)品。

5.4 有責(zé)任心的集成商

國(guó)家體育場(chǎng)的擴(kuò)聲工程設(shè)備提供商——廣州市銳豐音響器材有限公司在擴(kuò)聲工程中投入了極大的熱情、人員、財(cái)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(jì)、實(shí)施與完工。

（選編自第六屆論壇演講稿）