公共廣播系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

一、公共廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及有關(guān)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(yīng)用日益廣泛。但長期以來，國內(nèi)尚未有一個(gè)專門為公共廣播制訂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

國家建設(shè)部JGJ/T16-92《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中設(shè)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(yáng)聲器功率及設(shè)置等作了一些規(guī)定。國標(biāo)GBJ116-88《火災(zāi)自動報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》中對火災(zāi)事故廣播的揚(yáng)聲器和功率放大器等也有一些規(guī)定。但上述兩個(gè)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(xué)特性指標(biāo)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月發(fā)布的《2006年度電子工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定額制訂修訂計(jì)劃》中，提出在2006年6月起著手制訂《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，并要求2007年6月完成報(bào)批稿。根據(jù)上述安排，由中國電子學(xué)會聲頻工程分會、廣州市迪士普公司主編，廣州大學(xué)聲像與燈光技術(shù)研究所等參編的《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)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(guān)的條款作一些對比（見表1），重點(diǎn)是對其中有關(guān)聲學(xué)特性指標(biāo)的內(nèi)容和工程設(shè)計(jì)方法作一探討。

表1 公共廣播系統(tǒng)新舊設(shè)計(jì)規(guī)范部份條款對照表

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(biāo)

從上表可見，“草案”中有關(guān)功放功率、揚(yáng)聲器功率和揚(yáng)聲器配置等條款，與前兩個(gè)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)容主要有兩個(gè)：

第一是將“火災(zāi)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(zāi)事故擴(kuò)展到包括火災(zāi)、地震、海嘯、反恐…等突發(fā)事件，從而突出了時(shí)代特征。與此同時(shí)，對緊急廣播用功率放大器的額定功率相應(yīng)地作了大幅度的提高。舊規(guī)范規(guī)定“火災(zāi)事故廣播”設(shè)備用的擴(kuò)音機(jī)要求“其容量不應(yīng)小于火災(zāi)事故廣播揚(yáng)聲器容量最大的3層中揚(yáng)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(shí)發(fā)布緊急廣播的要求，而不是只滿足若干個(gè)相鄰分區(qū)的要求”，從而確保各類突發(fā)公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(xué)特性指標(biāo)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(shè)計(jì)、施工到調(diào)試、測量、驗(yàn)收等整個(gè)過程都將有一個(gè)比較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

對“草案”中“最大聲壓級”一項(xiàng)指標(biāo)，在討論過程中有兩種不同的意見，都具備相當(dāng)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(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的模式，對不同類型的公共廣播系統(tǒng)進(jìn)行分類，劃分等級，定出最大聲壓級的指標(biāo)數(shù)值（如≥80dB，≥86dB等）。這種模式可做到設(shè)計(jì)、驗(yàn)收的指標(biāo)統(tǒng)一，便于操作，也便于作橫向比較。

另一種意見則認(rèn)為公共廣播所處聲學(xué)環(huán)境遠(yuǎn)比一般劇場、會議廳等復(fù)雜得多。一個(gè)會議室和一個(gè)工廠機(jī)械加工車間相比，其背景噪聲可能相差數(shù)十個(gè)dB。如按舊標(biāo)準(zhǔn)（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(jìn)行設(shè)計(jì)，可能效果會好一些。至于背景噪聲數(shù)值的確定則有“實(shí)地測量”和“經(jīng)驗(yàn)估算”兩種途徑：實(shí)地測量的方法適用于已經(jīng)投入使用的場所，使用聲級計(jì)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則只能采用經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)3，可供參考。

本文在討論公共廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)，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(xué)指標(biāo)的工程設(shè)計(jì)

公共廣播系統(tǒng)聲學(xué)指標(biāo)的工程設(shè)計(jì)追求最基本的目標(biāo)，是要在滿足最有效且最經(jīng)濟(jì)這兩個(gè)前提下，確定整個(gè)系統(tǒng)所需揚(yáng)聲器的數(shù)量、配置（布局）和功率，使覆蓋區(qū)域達(dá)到規(guī)范要求的聲壓級和聲場不均勻度等基本聲學(xué)指標(biāo)。

公共廣播與一般廳堂擴(kuò)聲的一個(gè)最大不同點(diǎn)是采用大量分散的揚(yáng)聲器布局，且揚(yáng)聲器通常都比較靠近聽音者（最典型是天花揚(yáng)聲器），因此設(shè)計(jì)計(jì)算通常都以直達(dá)聲場為主，對擴(kuò)散聲場僅略作估算甚至可以忽略，從而使整個(gè)計(jì)算過程簡化。

下面討論天花揚(yáng)聲器定位、天花揚(yáng)聲器功率計(jì)算和功率放大器功率計(jì)算三項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：

(一)、天花揚(yáng)聲器定位設(shè)計(jì)：

天花揚(yáng)聲器定位設(shè)計(jì)的任務(wù)，是使用最少數(shù)量的揚(yáng)聲器而能夠使收聽區(qū)域內(nèi)能獲得均勻的聲音分布，即具有基本相同的響度。

實(shí)踐證明，對于未經(jīng)過聽覺專門訓(xùn)練的人群，當(dāng)聲壓級的變化在3dB以內(nèi)，人耳基本上覺察不出響度的變化[1]，以此可作為天花揚(yáng)聲器定位設(shè)計(jì)的參照依椐。

圖1示出由天花揚(yáng)聲器組成的公共廣播系統(tǒng)[4]，圖中揚(yáng)聲器的“有效覆蓋角”是以離開揚(yáng)聲器軸心聲壓級下降6dB的范圍。設(shè)計(jì)時(shí)使兩個(gè)相鄰的天花揚(yáng)聲器的覆蓋角交點(diǎn)正好位于收聽面（圖中聽者的耳朵）的高度。相同的兩個(gè)天花揚(yáng)聲器在交叉點(diǎn)的合成使聲壓級增加3dB，從而使得在整個(gè)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(yáng)聲器最佳定位的計(jì)算公式：


揚(yáng)聲器間距 dS = 2dLtanθ/2

式中： dL=收聽距離，

θ=揚(yáng)聲器有效覆蓋角。

工程上常用的天花揚(yáng)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(jié)出公共廣播天花揚(yáng)聲器最佳定位（能獲得良好均勻度）的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：兩個(gè)天花揚(yáng)聲器中點(diǎn)之間的距離約等于天花棚頂與收聽點(diǎn)之間垂直距離的兩倍[5]。

如要作出更精確的設(shè)計(jì)，則需要確定揚(yáng)聲器覆蓋角θ的數(shù)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= 2.384 dL 等等。

設(shè)計(jì)中還有一個(gè)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(jì)算應(yīng)當(dāng)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(shí)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，由此可推算出合適的揚(yáng)聲器間距約為 2×1.8=3.6m。

上述計(jì)算結(jié)果還必需對照“草案”的第（4.3.8）條款，如果未能達(dá)到緊急廣播強(qiáng)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(yuǎn)小于上述要求，故無需改動。


(二)、天花揚(yáng)聲器功率計(jì)算：

決定揚(yáng)聲器的定位后，需要計(jì)算每個(gè)揚(yáng)聲器的功率。下面介紹公式計(jì)算和查表計(jì)算兩種方法。

1. 公式計(jì)算法[3]：

根據(jù)電聲學(xué)理論，揚(yáng)聲器覆蓋區(qū)的聲壓級SPL與揚(yáng)聲器的靈敏度級Lm、饋給揚(yáng)聲器的電功率P以及聽音點(diǎn)與揚(yáng)聲器的距離r等有如下關(guān)系：

SPL=Lm＋10lg P－20lgr dB

設(shè)計(jì)時(shí)，通常是根據(jù)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(yáng)聲器靈敏度級Lm（可預(yù)選或設(shè)定）代入上式，即可算出應(yīng)饋給揚(yáng)聲器的電功率值。

舉例：設(shè)計(jì)一個(gè)背景音樂（二級）系統(tǒng)，要求最大聲壓級80dB，聽音距離最遠(yuǎn)為8m，預(yù)選揚(yáng)聲器靈敏度級為90dB/W/m，代入上式即可算出揚(yáng)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(yáng)聲器的貢獻(xiàn)。在室內(nèi)，早期反射聲群和鄰近揚(yáng)聲器的貢獻(xiàn)可使聲壓級增加2~3dB左右。

2、查表計(jì)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(gè)靈敏度級為94dB/W/m的天花揚(yáng)聲器裝在一間辦公室覆蓋一個(gè)區(qū)域，用聲級計(jì)在現(xiàn)場測出環(huán)境噪聲為72dBA。按JGJ/T16-92要求，設(shè)計(jì)的聲壓級應(yīng)比環(huán)境噪聲大10~15dB，即取82 ~87dB。而本例比較特殊，用戶要求該辦公室達(dá)到極佳的可聞度，為此需要再增加10dB，即聲壓級設(shè)計(jì)為72+25=97dB。已知天花揚(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)聲器所需功率為6.6W，取整數(shù)選7W或8W。

上述計(jì)算結(jié)果還必需對照“草案”的第（4.3.7）條款，如果未能達(dá)到緊急廣播強(qiáng)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。


(三)、功率放大器的功率計(jì)算：

公共廣播功率放大器的功率計(jì)算可參照“草案”第（4.2.8）條：“功率放大器的額定功率應(yīng)不小于廣播揚(yáng)聲器總功率的1.3倍”（見表1）設(shè)計(jì)。

突發(fā)公共事件緊急廣播功率放大器的功率計(jì)算則參照“草案”第（4.3.3）條：“緊急廣播功率放大器的額定功率應(yīng)不小于其所驅(qū)動的所有揚(yáng)聲器功率總和的1.5倍”（見表1）設(shè)計(jì)。

此類計(jì)算比較簡單，從略。

參考文獻(xiàn)：

[1]管善群《電聲技術(shù)基礎(chǔ)》[M].北京人民郵電出版社

[2]鐘恭良《公共廣播的過去和現(xiàn)在》電聲技術(shù)2005年5~6期

[3]DSPPA《公共消防廣播工程設(shè)計(jì)》

[4]AEX System《公共廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊》

[5]QSC《Designing the Distributed Sound System》

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