余暉良

(北京奧特維科技有限公司，北京 100015)

1 引言

城市數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心是城市數(shù)據(jù)監(jiān)測、管理、調(diào)度和指揮的重要平臺，推動政府公共數(shù)據(jù)共享、開發(fā)、開放和應(yīng)用。通過建設(shè)參觀區(qū)、指揮廳、辦公坐席和顯示屏，并全面接入政務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、平臺和應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市政務(wù)數(shù)據(jù)匯集、共享、展現(xiàn)和公共安全管理與應(yīng)急的會商、指揮、聯(lián)動等。

該中心建設(shè)的擴(kuò)聲系統(tǒng)是為運(yùn)行中心大廳工作人員和指揮人員在協(xié)同、指揮、展示的工作中提供優(yōu)質(zhì)的拾音或擴(kuò)聲效果，有效保證指令清晰、準(zhǔn)確傳達(dá)，可靠保障大廳內(nèi)部信息交流、大廳與外部之間的信息交流。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)需要提供均勻、清晰、優(yōu)質(zhì)的擴(kuò)聲效果，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于會議類一級指標(biāo)的具體要求，具體要滿足《GBT 28049-2011 廳堂、體育場館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》會議類一級指標(biāo)對于聲場均勻度、最大聲壓級、傳聲增益、傳輸頻率特性和語言清晰度的相關(guān)要求[1]；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)需提供聲像一致的擴(kuò)聲效果，要求大幕中圖像顯示的位置應(yīng)與其播出聲音的方位一致；此外，要求大廳核心設(shè)備可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心大廳天花吊頂高度8.8米，長約32米，寬約21.6米，面積約704，容積約為5 534 m3。設(shè)計(jì)中，充分考慮中心大廳席位方位復(fù)雜，拾音要求范圍大，均勻度高，對擴(kuò)聲系統(tǒng)的指向性要求高，尤其是垂直覆蓋角度要求小，要求聲場均勻、系統(tǒng)傳聲增益高、不易嘯叫、語言清晰度高等要求。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心的擴(kuò)聲系統(tǒng)由拾音部分、信號傳輸部分、信號處理部分和擴(kuò)聲部分組成。

3.1.1 拾音部分

每個業(yè)務(wù)席位配備一支陣列話筒進(jìn)行拾音。該話筒具備30～80 cm左右的拾音距離，具備“走廊式”拾音效果，非常適合于匯報席或操作席；指揮席采用雙音頭拾音話筒，雙音頭話筒既能實(shí)現(xiàn)較大范圍的拾音，又能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量拾音效果，并且具備模擬和數(shù)字雙鏈路備份功能，能保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)話筒的供電、增益、控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編組、混音等處理，并實(shí)現(xiàn)了話筒的狀態(tài)監(jiān)測，每2支話筒配備一臺網(wǎng)絡(luò)分路器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和簡單的音頻處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、分發(fā)、復(fù)用、切換和混音等處理，根據(jù)需要分組處理后混合的信號由音頻解碼器送入數(shù)字調(diào)音臺和音頻處理器，經(jīng)過編程處理后使每組音頻信號能與呈現(xiàn)的畫面實(shí)現(xiàn)聲像定位。

3.1.2 信號傳輸部分

由于本大廳席位較多，分組復(fù)雜，如果采用純模擬傳輸，需要大量的模擬音頻線，增大了工程量，不易于后期維護(hù)，因此需要采用模擬話筒拾音+數(shù)字信號傳輸?shù)姆绞?，一方面?shí)現(xiàn)了良好的拾音音質(zhì)，另一方面也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的聲像定位及更多的功能。

所有話筒的模擬信號首先經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分路器進(jìn)行音頻信號編碼，借助可視化一體化管控平臺系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一平臺的數(shù)字信號傳輸，在傳輸系統(tǒng)內(nèi)可以進(jìn)行簡單的均衡、增益、分配和混合等處理，處理完畢后，最后分別進(jìn)入信號處理系統(tǒng)。

3.1.3 信號處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理中心大廳話筒數(shù)量較多，分組復(fù)雜，應(yīng)用模式多樣，并且要實(shí)現(xiàn)聲像定位，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，需要在音頻系統(tǒng)的信號處理部分進(jìn)行大量的編程處理。首先需要用數(shù)字調(diào)音臺對不同的信號進(jìn)行前級放大、均衡、增益、編組、混合處理。然后將其送入數(shù)字音頻處理器，數(shù)字音頻處理器根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行分組處理，每組處理包含均衡、分配、延時、壓限等處理，每組處理完畢后經(jīng)過混音最后輸送至每組揚(yáng)聲器的功率放大器。此外，數(shù)字調(diào)音臺還根據(jù)需求分組輸出給硬盤錄像機(jī)、特技切換臺、數(shù)字錄播機(jī)和信號傳輸系統(tǒng)等。本系統(tǒng)調(diào)音臺采用Soundcraft Si Performer1。

信號處理部分是整個音頻系統(tǒng)的核心，一旦出現(xiàn)故障，整個音頻系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，所以數(shù)字音頻處理采用兩臺QSC CORE110F進(jìn)行雙機(jī)備份，對系統(tǒng)進(jìn)行接口擴(kuò)展，并需要對它進(jìn)行雙網(wǎng)絡(luò)無縫自動切換，可靠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.4 擴(kuò)聲部分

擴(kuò)聲部分首先要確保大廳每個部位的聲場均勻覆蓋，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求達(dá)到的聲壓級，還需保證系統(tǒng)的傳聲增益和語言清晰度，使每個席位能聽得見、聽得清，這需要進(jìn)行科學(xué)、專業(yè)的擴(kuò)聲設(shè)計(jì)，此外為了實(shí)現(xiàn)聲像定位，更需要對音箱合理布局，經(jīng)過分析計(jì)算，音箱布置和選型如下：在屏幕兩側(cè)上方布置線陣列音柱和超低音箱實(shí)現(xiàn)全場主擴(kuò)，在大屏上方和下方配備若干拉聲像揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)聲像定位，在后區(qū)兩側(cè)布置有源線陣音柱作為輔助揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)后場補(bǔ)聲；主擴(kuò)揚(yáng)聲器采用JBL CBT70，定位揚(yáng)聲器采用美高的M-F3 SAT，超低頻揚(yáng)聲器選用美高的M-F3 SUB，輔助揚(yáng)聲器采用FBT 604A。

3.2 關(guān)鍵問題和要點(diǎn)

設(shè)計(jì)中面臨如下幾個關(guān)鍵問題和要點(diǎn)。

(1)混響時間較長

設(shè)計(jì)前期對原多功能廳進(jìn)行現(xiàn)場混響時間測試，測試選用DIRAC軟件，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)前現(xiàn)場混響時間

頻率/Hz1252505001 0002 0004 000混響時間/s1.831.651.531.21.181.11

很明顯，該廳的混響時間普遍偏長，較長的混響聲會影響直達(dá)聲輻射，進(jìn)而造成語言清晰度下降，同時不利于整個電聲系統(tǒng)的工作。

(2)系統(tǒng)傳聲增益難處理

根據(jù)使用需求，前面業(yè)務(wù)席每個席位需布置一個陣列話筒，由于陣列話筒具有“走廊式”拾音特性，拾音范圍比較廣，容易形成聲音的聲反饋，造成話筒的傳聲增益上不去，不能起到很好的拾音效果。

(3)存在顫動回聲

數(shù)據(jù)管理中心大廳呈規(guī)則的長方形，原來的兩側(cè)墻面非常平整，且大量采用了大理石材，這樣勢必會造成聲音在兩側(cè)墻之間形成鏡面反射，經(jīng)相互多次反射之后，容易形成顫動回聲等聲學(xué)缺陷，經(jīng)現(xiàn)場檢查，確實(shí)存在較明顯的顫動回聲，嚴(yán)重影響聽聲效果。

(4)聲像一致的要求

數(shù)據(jù)管理中心大廳正面大屏跨度較大，大屏在指揮調(diào)度時經(jīng)常需要顯示多個畫面，僅靠左右兩組主擴(kuò)揚(yáng)聲器無法使聲音和圖像做到一致性，指揮人員無法判斷聲音來自哪幅畫面，因此需要在擴(kuò)聲設(shè)計(jì)時充分考慮拉聲像揚(yáng)聲器的布局，并在音頻處理器進(jìn)行編程處理，確保做到聲像一致。

(5)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求

數(shù)據(jù)管理中心大廳功能定位是全省政務(wù)數(shù)據(jù)匯集、共享、展現(xiàn)和公共安全管理與應(yīng)急的會商、指揮、聯(lián)動，對擴(kuò)聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很高的要求，領(lǐng)導(dǎo)臨場指揮時，嚴(yán)禁出現(xiàn)擴(kuò)聲功能性故障，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需充分考慮關(guān)鍵環(huán)節(jié)的冗余備份。

3.3 關(guān)鍵問題的解決途徑

(1)混響時間較長的解決方案及驗(yàn)證

在盡量少改變原裝修條件下，吊頂采用紙面石膏板吊頂和GRG造型相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，部分墻面采用木質(zhì)穿孔吸聲板，后敷設(shè)玻璃棉板進(jìn)行吸聲處理以降低室內(nèi)混響時間值，減少兩側(cè)墻之間的反射，避免可能產(chǎn)生的“顫動回聲”，地面采用吸聲性能較好的絨毛地毯進(jìn)行鋪設(shè)，并全部配備軟座椅。

根據(jù)大廳實(shí)際情況，建立精確度相同的三維立體模型，通過建筑聲學(xué)模擬軟件ODEON模擬分析進(jìn)行混響時間模擬預(yù)測，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

容積為5 534 m3數(shù)據(jù)管理中心大廳的混響時間，根據(jù)模擬中頻500 Hz混響時間1.1～1.2 s，和預(yù)估值吻合，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)系統(tǒng)傳聲增益的解決方案及驗(yàn)證

由于功能布局已確定，上文對裝修環(huán)境已做了針對性的修改，增加了墻面的吸聲處理，減少聲音的聲反饋，另外需要對揚(yáng)聲器選型和布局做好設(shè)計(jì)。為避免聲音的多次反射和無效投射，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不再采用傳統(tǒng)揚(yáng)聲器擴(kuò)聲，而是采用強(qiáng)指向性的線陣音柱和線陣列揚(yáng)聲器進(jìn)行擴(kuò)聲，將揚(yáng)聲器的主要能量投射在所需的聽音區(qū)內(nèi)，減少了吊頂和兩側(cè)墻的聲音反射，從而減少了入射話筒聲音的聲反饋，從而達(dá)到預(yù)期的擴(kuò)聲效果。

(3)顫動回聲的解決方案及驗(yàn)證

為解決聲場易出現(xiàn)顫動回聲和不穩(wěn)定、不均勻的問題，首先需要對四周墻壁進(jìn)行聲學(xué)處理。首先對兩側(cè)墻壁進(jìn)行漫反射處理，改變原來平整的墻面，修改為凸凹不平的墻面材料，使聲音投射到墻壁上之后形成漫反射，無法形成鏡面反射，另外兩側(cè)墻壁采用穿孔吸聲材料，吸音板后緊貼填充玻璃棉板，并在吸音棉后面留有100 mm以上的空腔，對投射過來的聲音進(jìn)行吸聲處理，減少了反射的聲音，進(jìn)一步避免了顫動回聲的可能，從而保證了聲場的穩(wěn)定性和均勻性。另一方面為了保證前后場的均勻性，在后場設(shè)置輔助揚(yáng)聲器對后場聲能弱區(qū)進(jìn)行彌補(bǔ)，進(jìn)一步加強(qiáng)了前后場的均勻性。

(4)聲像一致的解決方案及驗(yàn)證

為解決聲像一致性的問題，在大屏上下等比例設(shè)置3組定像揚(yáng)聲器，每組定像揚(yáng)聲器由上面2只線陣列揚(yáng)聲器和下方1只線陣列揚(yáng)聲器組成，揚(yáng)聲器角度覆蓋大廳有效區(qū)域，并根據(jù)大屏顯示畫面的模式，給音頻處理器觸發(fā)指令，調(diào)用相應(yīng)模式，迅速將各組揚(yáng)聲器的電平值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使整體聲像定位于發(fā)出聲音的圖像中央，精準(zhǔn)做到聲像一致，確保指揮中心的可靠調(diào)度。

(5)系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障

為保障專業(yè)擴(kuò)聲系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，系統(tǒng)充分考慮了關(guān)鍵設(shè)備的冗余備份，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

音源通過網(wǎng)絡(luò)分路器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和簡單的音頻處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、分發(fā)、復(fù)用、切換和混音等處理，根據(jù)需要分組處理后混合的信號由編解碼器解碼成主備兩路信號送入智能切換器；智能切換器經(jīng)過主備選擇輸出一路信號，再由無源分配器分成兩路獨(dú)立信號，一路主信號進(jìn)入調(diào)音臺再到主數(shù)字音頻處理器，一路直接進(jìn)入備用數(shù)字音頻處理器，進(jìn)行編程處理；主備數(shù)字音頻處理器輸出的信號均再次進(jìn)入智能切換器進(jìn)行智能選擇，輸出一路信號，然后再由無源分配器分配成兩路信號進(jìn)入功放的不同通道，最終分別給到主備主擴(kuò)揚(yáng)聲器進(jìn)行擴(kuò)聲。整個環(huán)節(jié)信號全部熱備，充分的保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 仿真及測量結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用EASE4.3和Autocad等專業(yè)軟件工具對大廳進(jìn)行建模，并將選用的揚(yáng)聲器模型放置在設(shè)計(jì)的位置、高度，設(shè)置好角度，進(jìn)行聲場模擬和渲染，計(jì)算得到數(shù)據(jù)如圖3所示。

通過EASE軟件的仿真計(jì)算[2]驗(yàn)證了聲場設(shè)計(jì)的各項(xiàng)聲學(xué)特性指標(biāo)完全滿足并優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

按照 GB/T 50076-2013《室內(nèi)混響時間測量規(guī)范》和GB/T4959-2011《廳堂擴(kuò)聲特性測量方法》，隨機(jī)選擇該廳堂聽眾區(qū)內(nèi)中軸線一側(cè)區(qū)域內(nèi)的9個測量點(diǎn)如圖4所示。

在數(shù)據(jù)管理中心大廳裝飾面和地毯鋪設(shè)完成，并做完清潔處理后，首先對該廳的混響時間進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)實(shí)施后現(xiàn)場混響時間

中心頻率/Hz1252505001 0002 0004 000平均混響時間/s1.301.271.131.101.010.90

通過數(shù)據(jù)可以看出混響時間滿足設(shè)計(jì)要求的中頻(500 Hz)混響時間RT=(1.1±0.1)s，很好地達(dá)到了預(yù)期效果。

擴(kuò)聲系統(tǒng)測量結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)實(shí)施后測量指標(biāo)與目標(biāo)指標(biāo)對比表

測量項(xiàng)目實(shí)測結(jié)果一級指標(biāo)最大聲壓級105 dB≥98 dB傳輸頻率特性125～4 000 Hz為+1.73～-1.64 dB以125～4 000 Hz的平均聲壓級為0 dB,在此頻帶內(nèi)允許范圍:-6 dB～+4 dB聲場不均勻度聲場不均勻度在1 kHz為3.37 dB,4 kHz為2.78 dB≤+8 dB傳聲增益125～4 000 Hz的平均值為-8 dB125～4 000 Hz的平均值≥-10 dB語言傳輸指數(shù)STIPA0.69>0.5

根據(jù)上述初步測量的結(jié)果，筆者根據(jù)使用需求對系統(tǒng)數(shù)字音頻處理器相應(yīng)輸出通道進(jìn)行了多次均衡器等調(diào)整和系統(tǒng)測量，反復(fù)調(diào)整，最后使系統(tǒng)到達(dá)了最優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)語

擴(kuò)聲系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，用戶進(jìn)行實(shí)際使用狀態(tài)的聽音評價，一致認(rèn)為，城市數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心大廳聲音清晰、自然，并且具有良好的聲像一致性。隨著國家大力推進(jìn)智慧城市建設(shè)，智慧城市運(yùn)營管理中心、政務(wù)管理中心、社會治理中心、公安指揮中心、大數(shù)據(jù)控制中心、應(yīng)急指揮中心等建設(shè)需求越來越迫切，此類場所的擴(kuò)聲系統(tǒng)都要求性能穩(wěn)定可靠，擴(kuò)聲效果均勻清晰，本文所采用的設(shè)計(jì)方法可用于此類場所的設(shè)計(jì)之中，具有較高的參考價值。