鄭 磊 吳 瓊

1.北京市環(huán)境保護局 2.北京市勞動保護科學研究所

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，對與之相配套的背景音樂系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅要求公共廣播系統(tǒng)正常情況下可以實現(xiàn)最基本的廣播功能，更主要的是當發(fā)生重大、突發(fā)事件與社會安全等突發(fā)公共危機時，可以迅速快捷的傳達信息，達到緊急廣播緊急疏散的目的，緊急廣播時要求聲音全面覆蓋而且音質(zhì)清晰，爭取每個角落可以及時接收到最新的信息。

以往戶外揚聲器的分布是根據(jù)揚聲器功率和靈敏度來求得達到規(guī)定聲壓級所需的大約距離[1]，無法確定需要揚聲器的最小準確數(shù)目以及最佳的分布方式[2]。而且在戶外聲傳播過程中，當揚聲器的布局不合理時，聲波多次反射會形成超過50ms以上的延時引起雙重聲或多重聲，不能保證聲音的全面覆蓋和音質(zhì)的清晰度，而且發(fā)生緊急情況時，環(huán)境較嘈雜，聲音效果會更差。

本文通過排列組合的方式,對戶外揚聲器的分布進行優(yōu)化。在計算區(qū)域平均聲壓級時，考慮各揚聲器間的相互作用，而且像在大型購物區(qū)和高檔住宅區(qū)，建筑物比較密集時，考慮建筑物間的反射以及繞射，并考慮大氣吸收和地面效應等周圍環(huán)境因素的影響[3]。在使用揚聲器數(shù)目最小的情況下達到最好的聲音效果。

從聲學指標入手，戶外公共廣播系統(tǒng)應滿足的要求：

（1）平均聲壓級、響度。每一個場所因其使用的功能不同，對聲場強度大小也有不同的要求。設(shè)計時必須要符合使用要求設(shè)計適當?shù)膱鰪姶笮?；過小的聲場強度達不到使用要求，而過大的聲場強度又會造成不必要的高投資成本。另外，在緊急疏散路線上混亂時背景噪聲值較大，可適當增大聲場強度。

（2）聲場均勻度。過于密集的揚聲器布置，雖然走過揚聲器之間時，聽到的聲音音量不會發(fā)生很大的變化，但是音色會因為聲音重疊區(qū)域過大而造成音色差別，并且分布密集的揚聲器會增加成本。而過于松散的揚聲器分布又會導致聽眾在走過揚聲器之間時，聽到聲音的音量和音色變化很多，聲音起伏較大，聲音效果較差，因而要選擇適當?shù)膿P聲器分布方式以達到最好的聽音效果[4]。

1 揚聲器優(yōu)化布點模型步驟

1.1 網(wǎng)格劃分[5]

按照實際大小，將小區(qū)按一定大小的網(wǎng)格進行劃分并編號，形成m×n的陣列，編號為D(i,j)，（i=1、2、3…m，j=1、2、3…n）。在單個網(wǎng)格中，如果建筑物的面積占網(wǎng)格面積的二分之一以上時，則不在此類網(wǎng)格中安放揚聲器，只計算來自其他網(wǎng)格的接收量。

1.2 確定聲壓級限值[6]

在整個小區(qū)廣播范圍內(nèi)，整體要達到的目標聲壓級定義為聲壓級限值，表示為Ls，即每個網(wǎng)格所要達到的平均聲壓級。聲壓級限值的確定與小區(qū)或者公園所在的位置有關(guān)，如果所在位置較繁華或靠近交通要道，周圍環(huán)境的背景聲壓級本身就較高，聲壓級限值設(shè)置應較大，小區(qū)內(nèi)道路或者應急通道上也應設(shè)置較大的限值。若周圍背景聲壓級較小，則設(shè)置相對較小的聲壓級限值[4]。

1.3 構(gòu)建衰減矩陣[7-8]

在網(wǎng)格中心位置安放揚聲器，以揚聲器所在網(wǎng)格為原點，定義為源網(wǎng)格。計算聲音從源網(wǎng)格傳播到其他網(wǎng)格的衰減量，構(gòu)成衰減矩陣，即：E(i，j)。矩陣內(nèi)元素e(i,j)(i',j')代表源網(wǎng)格D(i,j)到其他網(wǎng)格D(i',j')對應的衰減量。e(i,j)(i,j)=0表示揚聲器所在的源網(wǎng)格衰減量為0。

在計算衰減矩陣的過程中，根據(jù)標準ISO9613第2部分中戶外聲傳播衰減中的計算方法，將幾何發(fā)散、反射、繞射、大氣衰減以及地面效應考慮進去。接收網(wǎng)格處的聲壓級可根據(jù)源網(wǎng)格的聲壓級大小得到：

A表示傳播過程中從源網(wǎng)格到接收網(wǎng)格的衰減總和：

1.4 排列組合，確定最佳揚聲器的最小數(shù)目和分布方式

揚聲器數(shù)目按照從小到大的順序，在m×n個網(wǎng)格中進行排列組合。例如，預定揚聲器數(shù)目為1個時，就有（m×n）種分布方式，若預定揚聲器的數(shù)目為2個時，C2m×n=(m×n)×(m×n-2)÷2種分布方式。當揚聲器的數(shù)目為k時，分布方式就有Ckm×n種 。將揚聲器所在網(wǎng)格的衰減矩陣進行疊加，最終得到一個總能量衰減矩陣Ef：

選擇最終能量矩陣中元素滿足限值的聲源分布方式，從而確定最佳揚聲器的最小數(shù)目和分布方式。

1.5 平均值、方差確定最佳分布方式[9-10]

在確定揚聲器的最小數(shù)目后，存在多種分布方式時，通過比較不同分布方式下各個網(wǎng)格聲壓級的平均值和標準差，平均值越大說明可達到的聲壓級越大，標準差越小說明聲場均勻度越高，從而確定最佳的分布方式。

2 實例分析

選取北京某居民小區(qū)，平面圖，如圖1所示。面積為200×200m2,將小區(qū)劃分為40×40m2的網(wǎng)格，簡化成為5×5的陣列。

根據(jù)GB 3096-2008 《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》，規(guī)定等效連續(xù)A聲級（等效聲級）LAeq值是：

1類（居住、文教機關(guān)為主區(qū)）：噪聲標準為 LAeq=55dB (白天)。

2類（居住、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)）：噪聲標準為 LAeq=60dB (白天)。

考慮到小區(qū)背景噪聲對戶外擴聲系統(tǒng)的可能影響，背景廣播等效聲壓級LAeq值按照至少60dB考慮，也就是聲壓級限值Ls=60dB。

選定額定功率下可達到100dB的揚聲器，當揚聲器分別分布在各個網(wǎng)格時，考慮反射繞射以及大氣地面，計算源網(wǎng)格對其他網(wǎng)格的衰減矩陣：

當網(wǎng)格中1/2以上的面積為建筑物時，忽略此網(wǎng)格，不在此網(wǎng)格中布置揚聲器。所以當i=1時j≠4；i=2,j≠5；i=5,j≠5，即只對22個網(wǎng)格進行組合。

揚聲器數(shù)目從小到大，對這22個網(wǎng)格進行排列組合，得到最終的能量衰減矩陣Ef，將網(wǎng)格需達到的限值進行聲壓級與能量的轉(zhuǎn)換后求得與無衰減時的差值與Ef比較大小，選出符合條件的分布方式。經(jīng)過編程計算，當揚聲器數(shù)目分別為1、2、3…時，不能滿足所有網(wǎng)格的平均聲壓級達到60dB，一直到揚聲器數(shù)目為12時滿足條件。

用網(wǎng)格表示，如圖2、3。

比較兩種情況下所有網(wǎng)格的平均值和標準差，見表1。

表1 兩種分布方式的比較

由上表可看出：兩種分布方式的標準差相等，即兩種方式可達到相同的聲場均勻度，但是第一種較第二種可以得到更大的平均聲壓級，聲音效果更好，所以這里最終選擇第一種分布方式。

本案例僅為說明本文優(yōu)化布點方法的原理，實際工作中需要對網(wǎng)格分布進一步細化，可以獲得更為均衡可靠的聲場分布。

3 結(jié)論

本文提出了針對戶外公共場所揚聲器布置的一種優(yōu)化方法，此方法用以指導配置揚聲器的數(shù)量和位置，通過此方法可實現(xiàn)整個場地內(nèi)的聲學關(guān)鍵指標達成。該方法由于考慮到場地物理環(huán)境對聲傳播的影響，適用于各種復雜的戶外環(huán)境，對于戶外廣播系統(tǒng)的設(shè)計以及突發(fā)事件時信息的快速清晰傳達具有廣闊的應用前景。

[1]顧媛珅.基于地鐵的公共廣播系統(tǒng)的方案設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學,2012

[2]孫平.公共廣播系統(tǒng)中的揚聲器配置[J].電聲技術(shù),2002,（5）:27-28

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局. GBT17247.2-1998 聲學 戶外聲傳播的衰減 第2部分 一般計算方法[S].北京:中國標準出版社,1998

[4]李陽.奧林匹克森林公園公共廣播系統(tǒng)設(shè)計[J].只智能建筑.2009,（11）:70-74

[5]黃漢貴,曾維堅,鐘恭良.上海世博會園區(qū)公共廣播工程介紹[J].電聲技術(shù),2010,34(11):7-10

[6]顧景濤.鐵嶺市城市交通噪聲測點優(yōu)化的研究[J].黑龍江環(huán)境通報,2011,35(1):40-42

[7]謝永霞,胡素霞,葉曉彬. 物元分析進行噪聲監(jiān)測優(yōu)化布點[J]. 河南師范大學學報,2001,29(1):70-73

[8]汪清環(huán).模糊物元法在優(yōu)化噪聲監(jiān)測布點中的應用[J].電聲技術(shù),2011,35(9):55-57

[9]張存潔.模糊數(shù)學方法在城市環(huán)境噪聲監(jiān)測優(yōu)化布點中的應用[J].高原氣象,2002,21(3):333-336

[10]侯天蘭.應用統(tǒng)計分析方法優(yōu)化布點監(jiān)測區(qū)域環(huán)境噪聲[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2004,16(5):40-41