馮云杰

（中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司 四川成都 610031）

1 研究背景

聲學研究的領域種類豐富，根據(jù)用途和應用領域的不同，大致可分為聲學分析、揚聲器設計、聲場模擬測試及建筑聲學設計。而其中聲學分析及聲場模擬測試又是聲學研究領域中最重要的兩個部分。通過由德國ADA公司開發(fā)的EASE（增加強聲學工程模擬軟件）軟件建立精確的廳堂模型，計算廳堂混響時間，優(yōu)化混響時間和調整揚聲器各個參數(shù)來分析聲場中的重疊效應、干涉效應，同時，計算出最大聲壓級、語言清晰度、聲場不均勻度，以判斷廣播系統(tǒng)設計是否合理及符合國家標準。

2 聲場建設現(xiàn)狀分析

目前，通過利用EASE 聲學模擬軟件，模擬測試模塊，對各車站聽音區(qū)的各聲學參數(shù)進行模擬，確定適當?shù)穆晧杭墸ＷC聲壓均勻覆蓋整個聽音區(qū)，減少聲壓的重疊和干涉，保證較高的語言清晰度，使設計師能夠看到模擬的數(shù)據(jù)，以便修改揚聲器的參數(shù)及位置，來滿足旅客的聽音需求，以及達到并超過相關的廣播國家標準［1］。為客運廣播系統(tǒng)設計提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而判斷揚聲器的布放及功率的設置是否合理、是否能滿足旅客的聽音需求，而不是盲目地憑借工程經(jīng)驗來判定揚聲器的布放位置及參數(shù)設置。

2.1 旅客車站廣播系統(tǒng)聲場建設現(xiàn)狀

旅客車站候車室是以語言為主的擴聲場合，語音清晰度決定了擴聲系統(tǒng)的語音表現(xiàn)力是否良好，鐵路客站的揚聲系統(tǒng)既要做到旅客所在空間聲場均勻分布，又要降低功放功率，減少上層空間的無效聲功率。

現(xiàn)階段，鐵路旅客車站的建設無論從建筑面積尺寸還是空間高度，較之以前車站結構及其他國家城市的車站都有著很大的區(qū)別。特別是大型、特大型車站，它們是跨度寬、空間體積大的整體結構，大多具有規(guī)模大、空間高、通透等特點，而室內墻體、地面及墻柱更多采用硬質、具有強反射聲的材料［2］，造成了聲波在整個候車大廳內多次反射，導致混響時間很長，使候車旅客辨認所播放的廣播信息時增加了難度。

2.2 旅客車站廣播系統(tǒng)聲場研究的目的

旅客服務信息系統(tǒng)中廣播系統(tǒng)設計是建設和諧鐵路的重要內容，是鐵路行業(yè)的重要窗口，鐵路車站候車室是以語言為主的擴聲場合。通過聲場模擬軟件的模擬，為客運廣播系統(tǒng)設計提供有力的數(shù)據(jù)支撐，為廣大工程設計人員順利地完成工程設計提供幫助，從而規(guī)避因決策失誤導致的工程失誤，并通過本課題的研究，總結出旅客車站聲場設計的方案，為以后其他旅客車站廣播系統(tǒng)設計和建設提供指導作用。

3 聲場模擬主要研究參數(shù)

3.1 室內聲學特性

對音響效果有決定作用的室內聲學特性包括3個方面，即室內聲場分布、隔音效果和混響效果。

聲場分布。理想的室內聲場分布應該是均勻的，即室內空間各點的聲能密度均勻一致。如果室內聲場不均勻，在發(fā)出猝發(fā)聲后，會有嗡嗡聲不絕于耳，如同洞穴里的拖尾音效果，將影響正常聽音。

混響效果決定于混響時間，與室內吸聲能力的強弱有關，是影響音響效果的主要因素。

3.2 混響時間

混響時間與房間的容積、面積、墻面、地面及天花板材料的吸聲系數(shù)有關，還與房間內物件擺設及人員多少等因素有關。在聲場均勻分布的封閉室內的混響時間，可用賽賓公式進行工程估算［3］：

T60= 0.16V/S·α

式中，T60為混響時間，下標表示衰減60dB 所需的時間；V 為房間的容積，單位為m3；S 為室內總表面積，包括地面、四周墻面及天花板，單位為m2；α 為室內表面的平均吸聲系數(shù)，可由下式求得：α = ∑αiSi/∑Si。

3.3 聲壓級

聲音測量最常用的物理量是聲壓，但描述聲壓的大小通常用聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）。人耳可聽的聲壓范圍為2×10-5～20Pa，對應的聲壓級范圍為0～120dB，因此，聲壓級可以使用線性及數(shù)字的方式來更直觀地展示聲壓的大小及變動。

3.4 輔音損失率

Alcons 定義為美語輔音清晰度損失率，以百分比的形式表征語言的清晰度。通常，Alcons值越小，代表語言清晰度越高。

3.5 快速語音清晰度

RaSTI 意為快速語音傳輸指數(shù)，是測量語言可懂度的另一方式。與Alcons 表示關系如下：RaSTI=0.9482-0.1845ln（Alcons%）。RaSTI 以0-1 的比例尺表達可懂度，1是最理想的。

4 聲場模擬分析

本課題以重慶西站候車大廳為例，搭建模擬仿真聲場效果，模擬分析確定終端設備的性能選擇及安裝位置，根據(jù)裝修實際情況，對現(xiàn)場的音響聲學特性模擬狀況進行分析測試，以保證終端揚聲器的分布、安裝角度合理，最大限度地保證場內各處聲壓均等。

設計的過程可分解為：針對特定聽音區(qū)域進行三維空間建模、了解裝修裝飾材料吸聲特性、確定揚聲器具體安裝位置及角度調整、選擇合適的揚聲器放入三維模型中進行模擬分析、模擬測試分析并滿足聲學設計指標［4］。

4.1 重慶西站站房建筑聲學環(huán)境分析

重慶西站站房東西長150m，南北長300m，設計最高聚集人數(shù)12 000 人，站房主體建筑面積面積11.9萬㎡。

高架候車層站房裝修方案：以灰麻石材鋪墊地面，墻面以白麻/玻璃幕墻為主，頂棚為波浪起伏型金屬鋁單板/鋁合金條板裝飾。

4.2 設備平面布置分析

重慶西站高架候車大廳東西兩側檢票口相距不超過60m 距離，但因候車層空間廣闊，根據(jù)經(jīng)驗，應使用線陣列揚聲器。設計考慮如下兩種方案進行比較。

方案一：采用60W 揚聲器均勻布置在各檢票口上方，每套揚聲器高度與檢票口高度一致約4.0m，詳見表1。

表1 方案一揚聲器參數(shù)

方案二：候車廳立柱分別安裝850W 揚聲器及500W 揚聲器。每套850W 揚聲器安裝高度距離地面7.5m，500W 揚聲器安裝高度距離地面2.5m，各揚聲器平均間距42m，詳見表2。

表2 方案二揚聲器參數(shù)

4.3 建模的流程與參數(shù)的調整

（1）以站房高架層為例，創(chuàng)建模型各基準點；（2）將各基準點繪制成面域，并對面域進行封閉性檢查，形成閉合空間；（3）補充設置門、窗、進站口等位置，并將旅客的聽音面按照1.2m進行設置；（4）根據(jù)施工圖位置，確定揚聲器的位置，并根據(jù)需要對揚聲器進行型號選擇；（5）對各面域的材質進行設置；（6）以上參數(shù)設置完成后，通過演算菜單，可得出聲壓級等相關覆蓋曲線［5］。

4.4 高架候車廳層模擬仿真結果

4.4.1 方案一（采用F-2000BT/WT 60W揚聲器）

聲壓級范圍為78.9～83.64dB，不均勻度為4.74dB，詳見圖1。

圖1 方案一總聲壓柱狀圖

最大聲壓級為83.64dB，平均聲壓級為80.95dB。

4.4.2 方案二（采用850W和500W揚聲器）

聲壓級范圍為86.69～90.72dB，不均勻度為4.03dB，詳見圖2。

圖2 方案二總聲壓柱狀圖

最大聲壓級為90.72dB，平均聲壓級為88.57dB。

在滿足聲壓級這一基本要求后，進一步計算其他相關數(shù)據(jù)，得出重慶西站以下仿真結果。

語音清晰度：最小0.343，最大0.698，平均0.54。

輔音度損失率分析：最小3.88%，最大26.63%，平均9.51%。

結果：由上述兩個方案對比可以看出，方案二聲場模擬數(shù)據(jù)相比方案一聲場模擬數(shù)據(jù)聲場覆蓋效果更佳，更能滿足旅客的聽音需求；方案二廣播系統(tǒng)更為簡潔，施工方式更加容易、方便，設備管理和維護更加便捷，省去大量人力、物力及時間；方案二不會占用太多車站空間，給予其他旅服設備更多的安裝空間。

不難看出，聲場模擬能夠幫助設計人員在對鐵路旅客車站的廣播設計時，對廣播設備的選型及布置起到關鍵的輔助判斷；同時，通過EASE 模擬聲場的設計，也能達到改進聲場預測準確度方法的有效性和實用性。

5 聲學模擬的優(yōu)勢

5.1 與BIM的接軌

目前的施工設計已經(jīng)往可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性方向發(fā)展，這也正是詮釋了未來施工設計必定逐步與BIM 接軌，而EASE 聲場模擬則正是BIM 中的一個部分［6］，可以使建筑工程在其整個進程中顯著提高效率，大量減少風險。

5.2 精益化設計

通過使用EASE 聲場模擬，將聲音在室內空間的傳播及覆蓋轉換成數(shù)據(jù)或者圖片，給施工人員提供直觀和直接方式來判斷揚聲器的正確布放位置、角度及功率設置，進而在實際施工中給予指導意義，最終實現(xiàn)精益化設計，增加效率及施工成本控制，同時，調整聽音效果達到最佳。

6 結語

在面對日益增加的鐵路客流量及對旅客對廣播質量的需求的提高情況下，聲學擴音建設及廣播系統(tǒng)細化設計對于廣播系統(tǒng)設計人員來說已是刻不容緩，同時，廣播系統(tǒng)的設計也需要達到一個新的高度，應更易接軌國際化及現(xiàn)代化，真正實現(xiàn)廣播系統(tǒng)的高效設計及廣播信號的全方位良好覆蓋。

目前，聲場模擬在大型鐵路旅客車站空間的應用已經(jīng)有了較多應用，但隨著旅客量的增加，更加智能化、集成化、現(xiàn)代化的廣播系統(tǒng)設計技術將會更廣地應用于各個旅客車站。