公共广播系统声学设计及其相关标准

公共广播系统声学设计及其相关标准一、公共广播系统设计的相关标准随着我国经济发展及有关安全法律法规的日益完善，公共广播（包括背景音乐和紧急广播）的应用日益广泛。但长期以来，国内尚未有一个专门为公共广播制订的技术标准。国家建设部JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》中设有“有线广播”（公共广播的旧称）一章，对广播系统的功放功率和天花扬声器功率及设置等作了一些规定。国标GBJ116-88《火灾自动报警设计规范》中对火灾事故广播的扬声器和功率放大器等也有一些规定。但上述两个规范均未有专门对公共广播系统的功能、分类、安全要求以及声学特性指标和测量方法等作出系统详尽的规定。国家信息产业部2006年6月发布的《2006年度电子工程建设标准定额制订修订计划》中，提出在2006年6月起着手制订《公共广播系统工程技术规范》，并要求2007年6月完成报批稿。根据上述安排，由中国电子学会声频工程分会、广州市迪士普公司主编，广州大学声像与灯光技术研究所等参编的《公共广播系统工程技术规范》近期已完成草案初稿（以下简称“草案”）。本文拟对“草案”中制定的部份条款，与以往颁布的JGJ/T162-92及GBJ116-88中相关的条款作一些对比（见表1），重点是对其中有关声学特性指标的内容和工程设计方法作一探讨。表1公共广播系统新旧设计规范部份条款对照表附件：《公共广播系统规范》（草案初稿）规定的最大声压级和声场不均匀度指标从上表可见，“草案”中有关功放功率、扬声器功率和扬声器配置等条款，与前两个规范相比虽有少量调整，但变化不大。而作出较重要变动的内容主要有两个：第一是将“火灾事故广播”改为“突发公共事件紧急广播”，即把紧急广播的功能由单纯的火灾事故扩展到包括火灾、地震、海啸、反恐…等突发事件，从而突出了时代特征。与此同时，对紧急广播用功率放大器的额定功率相应地作了大幅度的提高。旧规范规定“火灾事故广播”设备用的扩音机要求“其容量不应小于火灾事故广播扬声器容量最大的3层中扬声器容量总和的1.5倍”。而“草案”则要求“功率总容量必须满足所有广播分区同时发布紧急广播的要求，而不是只满足若干个相邻分区的要求”，从而确保各类突发公共事件紧急广播有足够充裕的功率贮备。第二是首次将最大声压级、声场不均匀度、总噪声级和传输频率特性等声学特性指标和测量方法列入公共广播系统规范，从而使公共广播系统从设计、施工到调试、测量、验收等整个过程都将有一个比较统一的标准。对“草案”中“最大声压级”一项指标，在讨论过程中有两种不同的意见，都具备相当充份的论据：一种意见已写入“草案”文件中，即是仿照GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》的模式，对不同类型的公共广播系统进行分类，划分等级，定出最大声压级的指标数值（如≥80dB，≥86dB等）。这种模式可做到设计、验收的指标统一，便于操作，也便于作横向比较。另一种意见则认为公共广播所处声学环境远比一般剧场、会议厅等复杂得多。一个会议室和一个工厂机械加工车间相比，其背景噪声可能相差数十个dB。如按旧标准（JGJ/T16-92）中的21.3.5条款“声压级比环境噪声大10~15dB”（见表1）进行设计，可能效果会好一些。至于背景噪声数值的确定则有“实地测量”和“经验估算”两种途径：实地测量的方法适用于已经投入使用的场所，使用声级计在现场按听者耳朵高度的位置去测量环境噪声；而对于未建成或未投入使用的场所则只能采用经验估算（查表）的方法。公共区域的典型噪声声压级数值见参考文献3，可供参考。本文在讨论公共广播系统设计方法时，对上述两种意见的方案均有举例，供读者对比参考。二、公共广播系统声学指标的工程设计公共广播系统声学指标的工程设计追求最基本的目标，是要在满足最有效且最经济这两个前提下，确定整个系统所需扬声器的数量、配置（布局）和功率，使覆盖区域达到规范要求的声压级和声场不均匀度等基本声学指标。公共广播与一般厅堂扩声的一个最大不同点是采用大量分散的扬声器布局，且扬声器通常都比较靠近听音者（最典型是天花扬声器），因此设计计算通常都以直达声场为主，对扩散声场仅略作估算甚至可以忽略，从而使整个计算过程简化。下面讨论天花扬声器定位、天花扬声器功率计算和功率放大器功率计算三项设计内容：(一)、天花扬声器定位设计：天花扬声器定位设计的任务，是使用最少数量的扬声器而能够使收听区域内能获得均匀的声音分布，即具有基本相同的响度。实践证明，对于未经过听觉专门训练的人群，当声压级的变化在3dB以内，人耳基本上觉察不出响度的变化[1]，以此可作为天花扬声器定位设计的参照依椐。图1示出由天花扬声器组成的公共广播系统[4]，图中扬声器的“有效覆盖角”是以离开扬声器轴心声压级下降6dB的范围。设计时使两个相邻的天花扬声器的覆盖角交点正好位于收听面（图中听者的耳朵）的高度。相同的两个天花扬声器在交叉点的合成使声压级增加3dB，从而使得在整个收听平面范围内的声压级的变化不超过3dB。从图中可得出选择扬声器最佳定位的计算公式：扬声器间距dS=2dLtanθ/2式中：dL=收听距离，θ=扬声器有效覆盖角。工程上常用的天花扬声器覆盖角多在90°左右。将θ=90°代入上式可得dS=2dL·tan（90°/2）=2dL椐此可总结出公共广播天花扬声器最佳定位（能获得良好均匀度）的一个经验规律：两个天花扬声器中点之间的距离约等于天花棚顶与收听点之间垂直距离的两倍[5]。如要作出更精确的设计，则需要确定扬声器覆盖角θ的数值，再代入上式，即可算出最佳的dS值。如θ=70°，可算出dS=1.4dL；如θ=100°，可算出dS=2.384dL等等。设计中还有一个收听距离dL的选择问题。通常收听距离dL是直接取天花与地面的垂直高度。较精确的计算应当取天花与收听者(立姿或坐姿)耳朵之间的垂直距离。下面举一实例：某餐厅的天花板离地面高度为2.9m，对于坐姿的人群，耳朵距地面平均高度约为1.1m，离天花棚顶平均高度约为2.9–1.1=1.8m，由此可推算出合适的扬声器间距约为2×1.8=3.6m。上述计算结果还必需对照“草案”的第（4.3.8）条款，如果未能达到紧急广播强制性要求的15m、8m等间距（见表1），则必需按该条款作出调整。本例算出的3.6m间距远小于上述要求，故无需改动。(二)、天花扬声器功率计算：决定扬声器的定位后，需要计算每个扬声器的功率。下面介绍公式计算和查表计算两种方法。1.公式计算法[3]：根据电声学理论，扬声器覆盖区的声压级SPL与扬声器的灵敏度级Lm、馈给扬声器的电功率P以及听音点与扬声器的距离r等有如下关系：SPL=Lm＋10lgP－20lgrdB设计时，通常是根据该公共广播系统的类型和等级（见表1）确定最大声压级SPL的值（dB），再将听音距离r和扬声器灵敏度级Lm（可预选或设定）代入上式，即可算出应馈给扬声器的电功率值。举例：设计一个背景音乐（二级）系统，要求最大声压级80dB，听音距离最远为8m，预选扬声器灵敏度级为90dB/W/m，代入上式即可算出扬声器功率约为6.3W。以上估算未考虑早期反射声群和邻近扬声器的贡献。在室内，早期反射声群和邻近扬声器的贡献可使声压级增加2~3dB左右。2、查表计算法[5]：根据图2可查出随供声距离（D）增加的声压级(dB)下降值。根椐图3可查出随功率（P）增加的声压级(dB)增加值。举例：一个灵敏度级为94dB/W/m的天花扬声器装在一间办公室覆盖一个区域，用声级计在现场测出环境噪声为72dBA。按JGJ/T16-92要求，设计的声压级应比环境噪声大10~15dB，即取82~87dB。而本例比较特殊，用户要求该办公室达到极佳的可闻度，为此需要再增加10dB，即声压级设计为72+25=97dB。已知天花扬声器距听者耳朵约1.8m，从图2查出约需增加5.2dB，这意味着扬声器必须提供97+5.2=102.2dB才能在1.8m距离处使听者的耳朵得到97dB的声压级。扬声器声压级从94dB增加到102.2dB，即增加了102.2-94=8.2dB。查图3可得出扬声器所需功率为6.6W，取整数选7W或8W。上述计算结果还必需对照“草案”的第（4.3.7）条款，如果未能达到紧急广播强制性要求的3W功率（见表1），则必需按该条款作出调整。本例算出的6.6W功率大于上述要求，故无需改动。(三)、功率放大器的功率计算：公共广播功率放大器的功率计算可参照“草案”第（4.2.8）条：“功率放大器的额定功率应不小于广播扬声器总功率的1.3倍”（见表1）设计。突发公共事件紧急广播功率放大器的功率计算则参照“草案”第（4.3.3）条：“紧急广播功率放大器的额定功率应不小于其所驱动的所有扬声器功率总和的1.5倍”（见表1）设计。此类计算比较简单，从略。