戶外廣播系統(tǒng)揚(yáng)聲器的布點(diǎn)優(yōu)化

鄭 磊 吳 瓊

1.北京市環(huán)境保護(hù)局 2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)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(shí)現(xiàn)最基本的廣播功能，更主要的是當(dāng)發(fā)生重大、突發(fā)事件與社會(huì)安全等突發(fā)公共危機(jī)時(shí)，可以迅速快捷的傳達(dá)信息，達(dá)到緊急廣播緊急疏散的目的，緊急廣播時(shí)要求聲音全面覆蓋而且音質(zhì)清晰，爭(zhēng)取每個(gè)角落可以及時(shí)接收到最新的信息。

以往戶外揚(yáng)聲器的分布是根據(jù)揚(yáng)聲器功率和靈敏度來求得達(dá)到規(guī)定聲壓級(jí)所需的大約距離[1]，無法確定需要揚(yáng)聲器的最小準(zhǔn)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(dāng)揚(yáng)聲器的布局不合理時(shí)，聲波多次反射會(huì)形成超過50ms以上的延時(shí)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(shí)，環(huán)境較嘈雜，聲音效果會(huì)更差。

本文通過排列組合的方式,對(duì)戶外揚(yáng)聲器的分布進(jìn)行優(yōu)化。在計(jì)算區(qū)域平均聲壓級(jí)時(shí)，考慮各揚(yáng)聲器間的相互作用，而且像在大型購(gòu)物區(qū)和高檔住宅區(qū)，建筑物比較密集時(shí)，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(yīng)等周圍環(huán)境因素的影響[3]。在使用揚(yáng)聲器數(shù)目最小的情況下達(dá)到最好的聲音效果。

從聲學(xué)指標(biāo)入手，戶外公共廣播系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求：

（1）平均聲壓級(jí)、響度。每一個(gè)場(chǎng)所因其使用的功能不同，對(duì)聲場(chǎng)強(qiáng)度大小也有不同的要求。設(shè)計(jì)時(shí)必須要符合使用要求設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膱?chǎng)強(qiáng)大??；過小的聲場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)不到使用要求，而過大的聲場(chǎng)強(qiáng)度又會(huì)造成不必要的高投資成本。另外，在緊急疏散路線上混亂時(shí)背景噪聲值較大，可適當(dāng)增大聲場(chǎng)強(qiáng)度。

（2）聲場(chǎng)均勻度。過于密集的揚(yáng)聲器布置，雖然走過揚(yáng)聲器之間時(shí)，聽到的聲音音量不會(huì)發(fā)生很大的變化，但是音色會(huì)因?yàn)槁曇糁丿B區(qū)域過大而造成音色差別，并且分布密集的揚(yáng)聲器會(huì)增加成本。而過于松散的揚(yáng)聲器分布又會(huì)導(dǎo)致聽眾在走過揚(yáng)聲器之間時(shí)，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(dāng)?shù)膿P(yáng)聲器分布方式以達(dá)到最好的聽音效果[4]。

1 揚(yáng)聲器優(yōu)化布點(diǎn)模型步驟

1.1 網(wǎng)格劃分[5]

按照實(shí)際大小，將小區(qū)按一定大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分并編號(hào)，形成m×n的陣列，編號(hào)為D(i,j)，（i=1、2、3…m，j=1、2、3…n）。在單個(gè)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(shí)，則不在此類網(wǎng)格中安放揚(yáng)聲器，只計(jì)算來自其他網(wǎng)格的接收量。

1.2 確定聲壓級(jí)限值[6]

在整個(gè)小區(qū)廣播范圍內(nèi)，整體要達(dá)到的目標(biāo)聲壓級(jí)定義為聲壓級(jí)限值，表示為L(zhǎng)s，即每個(gè)網(wǎng)格所要達(dá)到的平均聲壓級(jí)。聲壓級(jí)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(jí)本身就較高，聲壓級(jí)限值設(shè)置應(yīng)較大，小區(qū)內(nèi)道路或者應(yīng)急通道上也應(yīng)設(shè)置較大的限值。若周圍背景聲壓級(jí)較小，則設(shè)置相對(duì)較小的聲壓級(jí)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(yáng)聲器，以揚(yáng)聲器所在網(wǎng)格為原點(diǎn)，定義為源網(wǎng)格。計(jì)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(duì)應(yīng)的衰減量。e(i,j)(i,j)=0表示揚(yáng)聲器所在的源網(wǎng)格衰減量為0。

在計(jì)算衰減矩陣的過程中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO9613第2部分中戶外聲傳播衰減中的計(jì)算方法，將幾何發(fā)散、反射、繞射、大氣衰減以及地面效應(yīng)考慮進(jìn)去。接收網(wǎng)格處的聲壓級(jí)可根據(jù)源網(wǎng)格的聲壓級(jí)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(yáng)聲器的最小數(shù)目和分布方式

揚(yáng)聲器數(shù)目按照從小到大的順序，在m×n個(gè)網(wǎng)格中進(jìn)行排列組合。例如，預(yù)定揚(yáng)聲器數(shù)目為1個(gè)時(shí)，就有（m×n）種分布方式，若預(yù)定揚(yáng)聲器的數(shù)目為2個(gè)時(shí)，C2m×n=(m×n)×(m×n-2)÷2種分布方式。當(dāng)揚(yáng)聲器的數(shù)目為k時(shí)，分布方式就有Ckm×n種 。將揚(yáng)聲器所在網(wǎng)格的衰減矩陣進(jìn)行疊加，最終得到一個(gè)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(yáng)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(yáng)聲器的最小數(shù)目后，存在多種分布方式時(shí)，通過比較不同分布方式下各個(gè)網(wǎng)格聲壓級(jí)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，平均值越大說明可達(dá)到的聲壓級(jí)越大，標(biāo)準(zhǔn)差越小說明聲場(chǎng)均勻度越高，從而確定最佳的分布方式。

2 實(shí)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(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定等效連續(xù)A聲級(jí)（等效聲級(jí)）LAeq值是：

1類（居住、文教機(jī)關(guān)為主區(qū)）：噪聲標(biāo)準(zhǔn)為 LAeq=55dB (白天)。

2類（居住、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)）：噪聲標(biāo)準(zhǔn)為 LAeq=60dB (白天)。

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

選定額定功率下可達(dá)到100dB的揚(yáng)聲器，當(dāng)揚(yáng)聲器分別分布在各個(gè)網(wǎng)格時(shí)，考慮反射繞射以及大氣地面，計(jì)算源網(wǎng)格對(duì)其他網(wǎng)格的衰減矩陣：

當(dāng)網(wǎng)格中1/2以上的面積為建筑物時(shí)，忽略此網(wǎng)格，不在此網(wǎng)格中布置揚(yáng)聲器。所以當(dāng)i=1時(shí)j≠4；i=2,j≠5；i=5,j≠5，即只對(duì)22個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行組合。

揚(yáng)聲器數(shù)目從小到大，對(duì)這22個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行排列組合，得到最終的能量衰減矩陣Ef，將網(wǎng)格需達(dá)到的限值進(jìn)行聲壓級(jí)與能量的轉(zhuǎn)換后求得與無衰減時(shí)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(jì)算，當(dāng)揚(yáng)聲器數(shù)目分別為1、2、3…時(shí)，不能滿足所有網(wǎng)格的平均聲壓級(jí)達(dá)到60dB，一直到揚(yáng)聲器數(shù)目為12時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差相等，即兩種方式可達(dá)到相同的聲場(chǎng)均勻度，但是第一種較第二種可以得到更大的平均聲壓級(jí)，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(diǎn)方法的原理，實(shí)際工作中需要對(duì)網(wǎng)格分布進(jìn)一步細(xì)化，可以獲得更為均衡可靠的聲場(chǎng)分布。

3 結(jié)論

本文提出了針對(duì)戶外公共場(chǎng)所揚(yáng)聲器布置的一種優(yōu)化方法，此方法用以指導(dǎo)配置揚(yáng)聲器的數(shù)量和位置，通過此方法可實(shí)現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)的聲學(xué)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)成。該方法由于考慮到場(chǎng)地物理環(huán)境對(duì)聲傳播的影響，適用于各種復(fù)雜的戶外環(huán)境，對(duì)于戶外廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及突發(fā)事件時(shí)信息的快速清晰傳達(dá)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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