公共廣播系統(tǒng)聲學設計及其相關標準概述

1、公共廣播系統(tǒng)聲學設計及其相關標準一、公共廣播系統(tǒng)設計的相關標準隨著我國經(jīng)濟進展及有關安全法律法規(guī)的日益完善，公共廣播（包括背景音樂和緊急廣播）的應用日益廣泛。但長期以來，國內(nèi)尚未有一個專門為公共廣播制訂的技術標準。國家建設部JGJ/T16-92民用建筑電氣設計規(guī)范中設有“有線廣播”（公共廣播的舊稱）一章，對廣播系統(tǒng)的功放功率和天花揚聲器功率及設置等作了一些規(guī)定。國標GBJ116-88火災自動報警設計規(guī)范中對火災事故廣播的揚聲器和功率放大器等也有一些規(guī)定。但上述兩個規(guī)范均未有專門對公共廣播系統(tǒng)的功能、分類、安全要求以及聲學特性指標和測量方法等作出系統(tǒng)詳盡的規(guī)定。國家信息產(chǎn)業(yè)部2006年6月公布的

2、2006年度電子工程建設標準定額制訂修訂打算中，提出在2006年6月起著手制訂公共廣播系統(tǒng)工程技術規(guī)范，并要求2007年6月完成報批稿。依照上述安排，由中國電子學會聲頻工程分會、廣州市迪士普公司主編，廣州大學聲像與燈光技術研究所等參編的公共廣播系統(tǒng)工程技術規(guī)范近期已完成草案初稿（以下簡稱“草案”）。本文擬對“草案”中制定的部份條款，與以往頒布的JGJ/T162-92及GBJ116-88中相關的條款作一些對比（見表1），重點是對其中有關聲學特性指標的內(nèi)容和工程設計方法作一探討。表1 公共廣播系統(tǒng)新舊設計規(guī)范部份條款對比表附件：公共廣播系統(tǒng)規(guī)范（草案初稿）規(guī)定的最大聲壓級和聲場不均勻度指標從上表可

3、見，“草案”中有關功放功率、揚聲器功率和揚聲器配置等條款，與前兩個規(guī)范相比雖有少量調(diào)整，但變化不大。而作出較重要變動的內(nèi)容要緊有兩個：第一是將“火災事故廣播”改為“突發(fā)公共事件緊急廣播”，即把緊急廣播的功能由單純的火災事故擴展到包括火災、地震、海嘯、反恐等突發(fā)事件，從而突出了時代特征。與此同時，對緊急廣播用功率放大器的額定功率相應地作了大幅度的提高。舊規(guī)范規(guī)定“火災事故廣播”設備用的擴音機要求“其容量不應小于火災事故廣播揚聲器容量最大的3層中揚聲器容量總和的1.5倍”。而“草案”則要求“功率總?cè)萘勘仨殱M足所有廣播分區(qū)同時公布緊急廣播的要求，而不是只滿足若干個相鄰分區(qū)的要求”，從而確保各類突發(fā)公

4、共事件緊急廣播有足夠充裕的功率貯備。第二是首次將最大聲壓級、聲場不均勻度、總噪聲級和傳輸頻率特性等聲學特性指標和測量方法列入公共廣播系統(tǒng)規(guī)范，從而使公共廣播系統(tǒng)從設計、施工到調(diào)試、測量、驗收等整個過程都將有一個比較統(tǒng)一的標準。對“草案”中“最大聲壓級”一項指標，在討論過程中有兩種不同的意見，都具備相當充份的論據(jù)：一種意見已寫入“草案”文件中，即是仿照GB 50371-2006廳堂擴聲系統(tǒng)設計規(guī)范的模式，對不同類型的公共廣播系統(tǒng)進行分類，劃分等級，定出最大聲壓級的指標數(shù)值（如80dB，86dB等）。這種模式可做到設計、驗收的指標統(tǒng)一，便于操作，也便于作橫向比較。另一種意見則認為公共廣播所處聲學環(huán)

5、境遠比一般劇場、會議廳等復雜得多。一個會議室和一個工廠機械加工車間相比，其背景噪聲可能相差數(shù)十個dB。如按舊標準（JGJ/T16-92）中的21.3.5條款“聲壓級比環(huán)境噪聲大1015dB”（見表1）進行設計，可能效果會好一些。至于背景噪聲數(shù)值的確定則有“實地測量”和“經(jīng)驗估算”兩種途徑：實地測量的方法適用于差不多投入使用的場所，使用聲級計在現(xiàn)場按聽者耳朵高度的位置去測量環(huán)境噪聲；而關于未建成或未投入使用的場所則只能采納經(jīng)驗估算（查表）的方法。公共區(qū)域的典型噪聲聲壓級數(shù)值見參考文獻3，可供參考。本文在討論公共廣播系統(tǒng)設計方法時，對上述兩種意見的方案均有舉例，供讀者對比參考。二、公共廣播系統(tǒng)聲學

6、指標的工程設計公共廣播系統(tǒng)聲學指標的工程設計追求最差不多的目標，是要在滿足最有效且最經(jīng)濟這兩個前提下，確定整個系統(tǒng)所需揚聲器的數(shù)量、配置（布局）和功率，使覆蓋區(qū)域達到規(guī)范要求的聲壓級和聲場不均勻度等差不多聲學指標。公共廣播與一般廳堂擴聲的一個最大不同點是采納大量分散的揚聲器布局，且揚聲器通常都比較靠近聽音者（最典型是天花揚聲器），因此設計計算通常都以直達聲場為主，對擴散聲場僅略作估算甚至能夠忽略，從而使整個計算過程簡化。下面討論天花揚聲器定位、天花揚聲器功率計算和功率放大器功率計算三項設計內(nèi)容：(一)、天花揚聲器定位設計：天花揚聲器定位設計的任務，是使用最少數(shù)量的揚聲器而能夠使收聽區(qū)域內(nèi)能獲得

7、均勻的聲音分布，即具有差不多相同的響度。實踐證明，關于未通過聽覺專門訓練的人群，當聲壓級的變化在3dB以內(nèi)，人耳差不多上覺察不出響度的變化1，以此可作為天花揚聲器定位設計的參照依椐。圖1示出由天花揚聲器組成的公共廣播系統(tǒng)4，圖中揚聲器的“有效覆蓋角”是以離開揚聲器軸心聲壓級下降6dB的范圍。設計時使兩個相鄰的天花揚聲器的覆蓋角交點正好位于收聽面（圖中聽者的耳朵）的高度。相同的兩個天花揚聲器在交叉點的合成使聲壓級增加3dB，從而使得在整個收聽平面范圍內(nèi)的聲壓級的變化不超過3dB。從圖中可得出選擇揚聲器最佳定位的計算公式：揚聲器間距 dS = 2dLtan/2 式中： dL=收聽距離， =揚聲器有

8、效覆蓋角。工程上常用的天花揚聲器覆蓋角多在90左右。將=90代入上式可得dS=2dLtan（90/2）=2dL椐此可總結(jié)出公共廣播天花揚聲器最佳定位（能獲得良好均勻度）的一個經(jīng)驗規(guī)律：兩個天花揚聲器中點之間的距離約等于天花棚頂與收聽點之間垂直距離的兩倍5。如要作出更精確的設計，則需要確定揚聲器覆蓋角的數(shù)值，再代入上式，即可算出最佳的dS值。如=70，可算出dS=1.4dL ； 如=100，可算出dS= 2.384 dL 等等。設計中還有一個收聽距離dL的選擇問題。通常收聽距離dL是直接取天花與地面的垂直高度。較精確的計算應當取天花與收聽者(立姿或坐姿)耳朵之間的垂直距離。下面舉一實例：某餐廳的

9、天花板離地面高度為2.9m，關于坐姿的人群，耳朵距地面平均高度約為1.1m，離天花棚頂平均高度約為2.9 1.1 =1.8m，由此可推算出合適的揚聲器間距約為 21.8=3.6m。上述計算結(jié)果還必需對比“草案”的第（4.3.8）條款，假如未能達到緊急廣播強制性要求的15m、8m等間距（見表1），則必需按該條款作出調(diào)整。本例算出的3.6m間距遠小于上述要求，故無需改動。(二)、天花揚聲器功率計算：決定揚聲器的定位后，需要計算每個揚聲器的功率。下面介紹公式計算和查表計算兩種方法。1. 公式計算法3：依照電聲學理論，揚聲器覆蓋區(qū)的聲壓級SPL與揚聲器的靈敏度級Lm、饋給揚聲器的電功率P以及聽音點與揚

10、聲器的距離r等有如下關系：SPL=Lm10lg P20lgr dB設計時，通常是依照該公共廣播系統(tǒng)的類型和等級（見表1）確定最大聲壓級SPL的值（dB），再將聽音距離r和揚聲器靈敏度級Lm（可預選或設定）代入上式，即可算出應饋給揚聲器的電功率值。舉例：設計一個背景音樂（二級）系統(tǒng)，要求最大聲壓級80dB，聽音距離最遠為8m，預選揚聲器靈敏度級為90dB/W/m，代入上式即可算出揚聲器功率約為6.3W。以上估算未考慮早期反射聲群和鄰近揚聲器的貢獻。在室內(nèi)，早期反射聲群和鄰近揚聲器的貢獻可使聲壓級增加23dB左右。2、查表計算法5：依照圖2可查出隨供聲距離（D）增加的聲壓級(dB)下降值。根椐圖3

11、可查出隨功率（P）增加的聲壓級(dB)增加值。舉例：一個靈敏度級為94dB/W/m的天花揚聲器裝在一間辦公室覆蓋一個區(qū)域，用聲級計在現(xiàn)場測出環(huán)境噪聲為72dBA。按JGJ/T16-92要求，設計的聲壓級應比環(huán)境噪聲大1015dB，即取82 87dB。而本例比較專門，用戶要求該辦公室達到極佳的可聞度，為此需要再增加10dB，即聲壓級設計為72+25=97dB。已知天花揚聲器距聽者耳朵約1.8m，從圖2查出約需增加5.2dB，這意味著揚聲器必須提供97+5.2=102.2dB才能在1.8m距離處使聽者的耳朵得到97dB的聲壓級。揚聲器聲壓級從94dB 增加到102.2dB，即增加了102.2-94=8.2dB。查圖3可得出揚聲器所需功率為6.6W，取整數(shù)選7W或8W。上述計算結(jié)果還必需對比“草案”的第（4.3.7）條款，假如未能達到緊急廣播強制性要求的3W功率（見表1），則必需按該條款作出調(diào)整。本例算出的6.6W功率大于上述要求，故無需改動