公共廣播系統(tǒng)聲學設計及其相關標準概

公共播送系統(tǒng)聲學設計及其相關標準

一、公共播送系統(tǒng)設計的相關標準

隨著我國經(jīng)濟開展及有關平安法律法規(guī)的日益完善，公共播送〔包括背景音樂和緊急播送〕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播送制訂的技術標準。

國家建設部JGJ/T16-92?民用建筑電氣設計標準?中設有“有線播送〞〔公共播送的舊稱〕一章，對播送系統(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?火災自動報警設計標準?中對火災事故播送的揚聲器和功率放大器等也有一些規(guī)定。但上述兩個標準均未有專門對公共播送系統(tǒng)的功能、分類、平安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2024年6月發(fā)布的?2024年度電子工程建設標準定額制訂修訂方案?中，提出在2024年6月起著手制訂?公共播送系統(tǒng)工程技術標準?，并要求2024年6月完成報批稿。根據(jù)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?公共播送系統(tǒng)工程技術標準?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，與以往公布的JGJ/T162-92及GBJ116-88中相關的條款作一些比照〔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公共播送系統(tǒng)新舊設計標準部份條款對照表

附件：?公共播送系統(tǒng)標準?〔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，與前兩個標準相比雖有少量調(diào)整，但變化不大。而作出較重要變動的內(nèi)容主要有兩個：

第一是將“火災事故播送〞改為“突發(fā)公共事件緊急播送〞，即把緊急播送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，對緊急播送用功率放大器的額定功率相應地作了大幅度的提高。舊標準規(guī)定“火災事故播送〞設備用的擴音機要求“其容量不應小于火災事故播送揚聲器容量最大的3層中揚聲器容量總和的1.5倍〞。而“草案〞那么要求“功率總?cè)萘勘仨殱M足所有播送分區(qū)同時發(fā)布緊急播送的要求，而不是只滿足假設干個相鄰分區(qū)的要求〞，從而確保各類突發(fā)公共事件緊急播送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播送系統(tǒng)標準，從而使公共播送系統(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GB50371-2024?廳堂擴聲系統(tǒng)設計標準?的模式，對不同類型的公共播送系統(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。

另一種意見那么認為公共播送所處聲學環(huán)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10~15dB〞〔見表1〕進行設計，可能效果會好一些。至于背景噪聲數(shù)值確實定那么有“實地測量〞和“經(jīng)驗估算〞兩種途徑：實地測量的方法適用于已經(jīng)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；而對于未建成或未投入使用的場所那么只能采用經(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。

本文在討論公共播送系統(tǒng)設計方法時，對上述兩種意見的方案均有舉例，供讀者比照參考。

二、公共播送系統(tǒng)聲學指標的工程設計

公共播送系統(tǒng)聲學指標的工程設計追求最根本的目標，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)域到達標準要求的聲壓級和聲場不均勻度等根本聲學指標。

公共播送與一般廳堂擴聲的一個最大不同點是采用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可以忽略，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)能獲得均勻的聲音分布，即具有根本相同的響度。

實踐證明，對于未經(jīng)過聽覺專門訓練的人群，當聲壓級的變化在3dB以內(nèi)，人耳根本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播送系統(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正確定位的計算公式：

揚聲器間距dS=2dLtanθ/2

式中：dL=收聽距離，

θ=揚聲器有效覆蓋角。

工程上常用的天花揚聲器覆蓋角多在90°左右。將θ=90°代入上式可得

dS=2dL·tan〔90°/2〕=2dL

椐此可總結出公共播送天花揚聲器最正確定位〔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，那么需要確定揚聲器覆蓋角θ的數(shù)值，再代入上式，即可算出最正確的dS值。如θ=70°，可算出dS=1.4dL；

如θ=100°，可算出dS=2.384dL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：某餐廳的天花板離地面高度為2.9m，對于坐姿的人群，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，由此可推算出適宜的揚聲器間距約為2×1.8=3.6m。

上述計算結果還必需對照“草案〞的第〔4.3.8〕條款，如果未能到達緊急播送強制性要求的15m、8m等間距〔見表1〕，那么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]：

根據(jù)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以及聽音點與揚聲器的距離r等有如下關系：

SPL=Lm＋10lgP－20lgrdB

設計時，通常是根據(jù)該公共播送系統(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奉獻。在室內(nèi)，早期反射聲群和鄰近揚聲器的奉獻可使聲壓級增加2~3dB左右。

2、查表計算法[5]：

根據(jù)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10~15dB，即取82~87dB。而本例比較特殊，用戶要求該辦公室到達極佳的可聞度，為此需要再增加10dB，即聲壓級設計為72+25=97dB。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。

上述計算結果還必需對照“草案〞的第〔4.3.7〕條款，如果未能到達緊急播送強制性要求的3W功率〔見表1〕，那么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。