鄭 磊 吳 瓊

1.北京市環(huán)境保護局 2.北京市勞動保護科學研究所

隨著現(xiàn)代化建設的飛速發(fā)展，對與之相配套的背景音樂系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅要求公共廣播系統(tǒng)正常情況下可以實現(xiàn)最基本的廣播功能，更主要的是當發(fā)生重大、突發(fā)事件與社會安全等突發(fā)公共危機時，可以迅速快捷的傳達信息，達到緊急廣播緊急疏散的目的，緊急廣播時要求聲音全面覆蓋而且音質清晰，爭取每個角落可以及時接收到最新的信息。

以往戶外揚聲器的分布是根據(jù)揚聲器功率和靈敏度來求得達到規(guī)定聲壓級所需的大約距離[1]，無法確定需要揚聲器的最小準確數(shù)目以及最佳的分布方式[2]。而且在戶外聲傳播過程中，當揚聲器的布局不合理時，聲波多次反射會形成超過50ms以上的延時引起雙重聲或多重聲，不能保證聲音的全面覆蓋和音質的清晰度，而且發(fā)生緊急情況時，環(huán)境較嘈雜，聲音效果會更差。

本文通過排列組合的方式,對戶外揚聲器的分布進行優(yōu)化。在計算區(qū)域平均聲壓級時，考慮各揚聲器間的相互作用，而且像在大型購物區(qū)和高檔住宅區(qū)，建筑物比較密集時，考慮建筑物間的反射以及繞射，并考慮大氣吸收和地面效應等周圍環(huán)境因素的影響[3]。在使用揚聲器數(shù)目最小的情況下達到最好的聲音效果。

從聲學指標入手，戶外公共廣播系統(tǒng)應滿足的要求：

（1）平均聲壓級、響度。每一個場所因其使用的功能不同，對聲場強度大小也有不同的要求。設計時必須要符合使用要求設計適當?shù)膱鰪姶笮。贿^小的聲場強度達不到使用要求，而過大的聲場強度又會造成不必要的高投資成本。另外，在緊急疏散路線上混亂時背景噪聲值較大，可適當增大聲場強度。

（2）聲場均勻度。過于密集的揚聲器布置，雖然走過揚聲器之間時，聽到的聲音音量不會發(fā)生很大的變化，但是音色會因為聲音重疊區(qū)域過大而造成音色差別，并且分布密集的揚聲器會增加成本。而過于松散的揚聲器分布又會導致聽眾在走過揚聲器之間時，聽到聲音的音量和音色變化很多，聲音起伏較大，聲音效果較差，因而要選擇適當?shù)膿P聲器分布方式以達到最好的聽音效果[4]。

1 揚聲器優(yōu)化布點模型步驟

1.1 網(wǎng)格劃分[5]

按照實際大小，將小區(qū)按一定大小的網(wǎng)格進行劃分并編號，形成m×n的陣列，編號為D(i,j)，（i=1、2、3…m，j=1、2、3…n）。在單個網(wǎng)格中，如果建筑物的面積占網(wǎng)格面積的二分之一以上時，則不在此類網(wǎng)格中安放揚聲器，只計算來自其他網(wǎng)格的接收量。

1.2 確定聲壓級限值[6]

在整個小區(qū)廣播范圍內，整體要達到的目標聲壓級定義為聲壓級限值，表示為Ls，即每個網(wǎng)格所要達到的平均聲壓級。聲壓級限值的確定與小區(qū)或者公園所在的位置有關，如果所在位置較繁華或靠近交通要道，周圍環(huán)境的背景聲壓級本身就較高，聲壓級限值設置應較大，小區(qū)內道路或者應急通道上也應設置較大的限值。若周圍背景聲壓級較小，則設置相對較小的聲壓級限值[4]。

1.3 構建衰減矩陣[7-8]

在網(wǎng)格中心位置安放揚聲器，以揚聲器所在網(wǎng)格為原點，定義為源網(wǎng)格。計算聲音從源網(wǎng)格傳播到其他網(wǎng)格的衰減量，構成衰減矩陣，即：E(i，j)。矩陣內元素e(i,j)(i',j')代表源網(wǎng)格D(i,j)到其他網(wǎng)格D(i',j')對應的衰減量。e(i,j)(i,j)=0表示揚聲器所在的源網(wǎng)格衰減量為0。

在計算衰減矩陣的過程中，根據(jù)標準ISO9613第2部分中戶外聲傳播衰減中的計算方法，將幾何發(fā)散、反射、繞射、大氣衰減以及地面效應考慮進去。接收網(wǎng)格處的聲壓級可根據(jù)源網(wǎng)格的聲壓級大小得到：

A表示傳播過程中從源網(wǎng)格到接收網(wǎng)格的衰減總和：

1.4 排列組合，確定最佳揚聲器的最小數(shù)目和分布方式

揚聲器數(shù)目按照從小到大的順序，在m×n個網(wǎng)格中進行排列組合。例如，預定揚聲器數(shù)目為1個時，就有（m×n）種分布方式，若預定揚聲器的數(shù)目為2個時，C2m×n=(m×n)×(m×n-2)÷2種分布方式。當揚聲器的數(shù)目為k時，分布方式就有Ckm×n種 。將揚聲器所在網(wǎng)格的衰減矩陣進行疊加，最終得到一個總能量衰減矩陣Ef：

選擇最終能量矩陣中元素滿足限值的聲源分布方式，從而確定最佳揚聲器的最小數(shù)目和分布方式。

1.5 平均值、方差確定最佳分布方式[9-10]

在確定揚聲器的最小數(shù)目后，存在多種分布方式時，通過比較不同分布方式下各個網(wǎng)格聲壓級的平均值和標準差，平均值越大說明可達到的聲壓級越大，標準差越小說明聲場均勻度越高，從而確定最佳的分布方式。

2 實例分析

選取北京某居民小區(qū)，平面圖，如圖1所示。面積為200×200m2,將小區(qū)劃分為40×40m2的網(wǎng)格，簡化成為5×5的陣列。

根據(jù)GB 3096-2008 《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》，規(guī)定等效連續(xù)A聲級（等效聲級）LAeq值是：

1類（居住、文教機關為主區(qū)）：噪聲標準為 LAeq=55dB (白天)。

2類（居住、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)）：噪聲標準為 LAeq=60dB (白天)。

考慮到小區(qū)背景噪聲對戶外擴聲系統(tǒng)的可能影響，背景廣播等效聲壓級LAeq值按照至少60dB考慮，也就是聲壓級限值Ls=60dB。

選定額定功率下可達到100dB的揚聲器，當揚聲器分別分布在各個網(wǎng)格時，考慮反射繞射以及大氣地面，計算源網(wǎng)格對其他網(wǎng)格的衰減矩陣：

當網(wǎng)格中1/2以上的面積為建筑物時，忽略此網(wǎng)格，不在此網(wǎng)格中布置揚聲器。所以當i=1時j≠4；i=2,j≠5；i=5,j≠5，即只對22個網(wǎng)格進行組合。

揚聲器數(shù)目從小到大，對這22個網(wǎng)格進行排列組合，得到最終的能量衰減矩陣Ef，將網(wǎng)格需達到的限值進行聲壓級與能量的轉換后求得與無衰減時的差值與Ef比較大小，選出符合條件的分布方式。經(jīng)過編程計算，當揚聲器數(shù)目分別為1、2、3…時，不能滿足所有網(wǎng)格的平均聲壓級達到60dB，一直到揚聲器數(shù)目為12時滿足條件。

用網(wǎng)格表示，如圖2、3。

比較兩種情況下所有網(wǎng)格的平均值和標準差，見表1。

表1 兩種分布方式的比較

由上表可看出：兩種分布方式的標準差相等，即兩種方式可達到相同的聲場均勻度，但是第一種較第二種可以得到更大的平均聲壓級，聲音效果更好，所以這里最終選擇第一種分布方式。

本案例僅為說明本文優(yōu)化布點方法的原理，實際工作中需要對網(wǎng)格分布進一步細化，可以獲得更為均衡可靠的聲場分布。

3 結論

本文提出了針對戶外公共場所揚聲器布置的一種優(yōu)化方法，此方法用以指導配置揚聲器的數(shù)量和位置，通過此方法可實現(xiàn)整個場地內的聲學關鍵指標達成。該方法由于考慮到場地物理環(huán)境對聲傳播的影響，適用于各種復雜的戶外環(huán)境，對于戶外廣播系統(tǒng)的設計以及突發(fā)事件時信息的快速清晰傳達具有廣闊的應用前景。

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