聲場模擬在鐵路旅客車站的應(yīng)用

馮云杰

（中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 四川成都 610031）

1 研究背景

聲學(xué)研究的領(lǐng)域種類豐富，根據(jù)用途和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，大致可分為聲學(xué)分析、揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)、聲場模擬測試及建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)。而其中聲學(xué)分析及聲場模擬測試又是聲學(xué)研究領(lǐng)域中最重要的兩個(gè)部分。通過由德國ADA公司開發(fā)的EASE（增加強(qiáng)聲學(xué)工程模擬軟件）軟件建立精確的廳堂模型，計(jì)算廳堂混響時(shí)間，優(yōu)化混響時(shí)間和調(diào)整揚(yáng)聲器各個(gè)參數(shù)來分析聲場中的重疊效應(yīng)、干涉效應(yīng)，同時(shí)，計(jì)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(shè)計(jì)是否合理及符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 聲場建設(shè)現(xiàn)狀分析

目前，通過利用EASE 聲學(xué)模擬軟件，模擬測試模塊，對各車站聽音區(qū)的各聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，確定適當(dāng)?shù)穆晧杭墸ＷC聲壓均勻覆蓋整個(gè)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(shè)計(jì)師能夠看到模擬的數(shù)據(jù)，以便修改揚(yáng)聲器的參數(shù)及位置，來滿足旅客的聽音需求，以及達(dá)到并超過相關(guān)的廣播國家標(biāo)準(zhǔn)［1］。為客運(yùn)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而判斷揚(yáng)聲器的布放及功率的設(shè)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(yàn)來判定揚(yáng)聲器的布放位置及參數(shù)設(shè)置。

2.1 旅客車站廣播系統(tǒng)聲場建設(shè)現(xiàn)狀

旅客車站候車室是以語言為主的擴(kuò)聲場合，語音清晰度決定了擴(kuò)聲系統(tǒng)的語音表現(xiàn)力是否良好，鐵路客站的揚(yáng)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(shè)無論從建筑面積尺寸還是空間高度，較之以前車站結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，大多具有規(guī)模大、空間高、通透等特點(diǎn)，而室內(nèi)墻體、地面及墻柱更多采用硬質(zhì)、具有強(qiáng)反射聲的材料［2］，造成了聲波在整個(gè)候車大廳內(nèi)多次反射，導(dǎo)致混響時(shí)間很長，使候車旅客辨認(rèn)所播放的廣播信息時(shí)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(wù)信息系統(tǒng)中廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)是建設(shè)和諧鐵路的重要內(nèi)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(kuò)聲場合。通過聲場模擬軟件的模擬，為客運(yùn)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，為廣大工程設(shè)計(jì)人員順利地完成工程設(shè)計(jì)提供幫助，從而規(guī)避因決策失誤導(dǎo)致的工程失誤，并通過本課題的研究，總結(jié)出旅客車站聲場設(shè)計(jì)的方案，為以后其他旅客車站廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)提供指導(dǎo)作用。

3 聲場模擬主要研究參數(shù)

3.1 室內(nèi)聲學(xué)特性

對音響效果有決定作用的室內(nèi)聲學(xué)特性包括3個(gè)方面，即室內(nèi)聲場分布、隔音效果和混響效果。

聲場分布。理想的室內(nèi)聲場分布應(yīng)該是均勻的，即室內(nèi)空間各點(diǎn)的聲能密度均勻一致。如果室內(nèi)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(shí)間，與室內(nèi)吸聲能力的強(qiáng)弱有關(guān)，是影響音響效果的主要因素。

3.2 混響時(shí)間

混響時(shí)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(guān)，還與房間內(nèi)物件擺設(shè)及人員多少等因素有關(guān)。在聲場均勻分布的封閉室內(nèi)的混響時(shí)間，可用賽賓公式進(jìn)行工程估算［3］：

T60= 0.16V/S·α

式中，T60為混響時(shí)間，下標(biāo)表示衰減60dB 所需的時(shí)間；V 為房間的容積，單位為m3；S 為室內(nèi)總表面積，包括地面、四周墻面及天花板，單位為m2；α 為室內(nèi)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(yīng)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(guān)系如下：RaSTI=0.9482-0.1845ln（Alcons%）。RaSTI 以0-1 的比例尺表達(dá)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(shè)備的性能選擇及安裝位置，根據(jù)裝修實(shí)際情況，對現(xiàn)場的音響聲學(xué)特性模擬狀況進(jìn)行分析測試，以保證終端揚(yáng)聲器的分布、安裝角度合理，最大限度地保證場內(nèi)各處聲壓均等。

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

4.1 重慶西站站房建筑聲學(xué)環(huán)境分析

重慶西站站房東西長150m，南北長300m，設(shè)計(jì)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(shè)備平面布置分析

重慶西站高架候車大廳東西兩側(cè)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(yàn)，應(yīng)使用線陣列揚(yáng)聲器。設(shè)計(jì)考慮如下兩種方案進(jìn)行比較。

方案一：采用60W 揚(yáng)聲器均勻布置在各檢票口上方，每套揚(yáng)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(yáng)聲器參數(shù)

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

表2 方案二揚(yáng)聲器參數(shù)

4.3 建模的流程與參數(shù)的調(diào)整

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

4.4 高架候車廳層模擬仿真結(jié)果

4.4.1 方案一（采用F-2000BT/WT 60W揚(yáng)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(yáng)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(jìn)一步計(jì)算其他相關(guān)數(shù)據(jù)，得出重慶西站以下仿真結(jié)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(jié)果：由上述兩個(gè)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(shè)備管理和維護(hù)更加便捷，省去大量人力、物力及時(shí)間；方案二不會占用太多車站空間，給予其他旅服設(shè)備更多的安裝空間。

不難看出，聲場模擬能夠幫助設(shè)計(jì)人員在對鐵路旅客車站的廣播設(shè)計(jì)時(shí)，對廣播設(shè)備的選型及布置起到關(guān)鍵的輔助判斷；同時(shí)，通過EASE 模擬聲場的設(shè)計(jì)，也能達(dá)到改進(jìn)聲場預(yù)測準(zhǔn)確度方法的有效性和實(shí)用性。

5 聲學(xué)模擬的優(yōu)勢

5.1 與BIM的接軌

目前的施工設(shè)計(jì)已經(jīng)往可視化、協(xié)調(diào)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(shè)計(jì)必定逐步與BIM 接軌，而EASE 聲場模擬則正是BIM 中的一個(gè)部分［6］，可以使建筑工程在其整個(gè)進(jìn)程中顯著提高效率，大量減少風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 精益化設(shè)計(jì)

通過使用EASE 聲場模擬，將聲音在室內(nèi)空間的傳播及覆蓋轉(zhuǎn)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(yáng)聲器的正確布放位置、角度及功率設(shè)置，進(jìn)而在實(shí)際施工中給予指導(dǎo)意義，最終實(shí)現(xiàn)精益化設(shè)計(jì)，增加效率及施工成本控制，同時(shí)，調(diào)整聽音效果達(dá)到最佳。

6 結(jié)語

在面對日益增加的鐵路客流量及對旅客對廣播質(zhì)量的需求的提高情況下，聲學(xué)擴(kuò)音建設(shè)及廣播系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)對于廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說已是刻不容緩，同時(shí)，廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也需要達(dá)到一個(gè)新的高度，應(yīng)更易接軌國際化及現(xiàn)代化，真正實(shí)現(xiàn)廣播系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì)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(yīng)用已經(jīng)有了較多應(yīng)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(shè)計(jì)技術(shù)將會更廣地應(yīng)用于各個(gè)旅客車站。