對不同標準中音頻系統(tǒng)聲學特性指標的分析和討論

張利濱，陳盛玉，徐文學

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）［1］在會議電視系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，積極推動了我國會議電視會場系統(tǒng)工程建設(shè)。近年來，我國會議電視系統(tǒng)發(fā)展非常迅猛，而標準發(fā)布至今已有十余年的時間。因此，《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）將在廣泛征求意見的基礎(chǔ)上，與國家和相關(guān)行業(yè)標準相協(xié)調(diào)進行標準的修訂工作。其中，有關(guān)音頻系統(tǒng)聲學特性指標的參數(shù)與會議電視會場本身的擴聲特性指標密切相關(guān)。本文旨在根據(jù)以往會議電視會場的使用效果和音頻系統(tǒng)聲學特性指標的測量結(jié)果經(jīng)驗，對國內(nèi)相關(guān)現(xiàn)行標準中有關(guān)的音頻系統(tǒng)聲學特性指標進行對比分析，提出會議電視會場系統(tǒng)工程中“音頻系統(tǒng)聲學特性指標”的修改建議。

1 國內(nèi)現(xiàn)行標準中指標的對比

1.1 最大聲壓級

國內(nèi)現(xiàn)行標準對于最大聲壓級都有具體的規(guī)定?！稄d堂擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50371—2006）［2］和《廳堂、體育場館擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 28049—2011）［3］中，最大聲壓級用峰值表示。在測量時，以峰值因數(shù)（1.8～2.2）限制的額定通帶粉紅噪聲為信號源，測得各窄帶有效值的平均值后加上峰值因數(shù)（5.1～6.8 dB），也就是峰值聲壓級比有效值（均方根值）聲壓級高6 dB 左右。

《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中，最大聲壓級用有效值（均方根值）表示。測得的有效值聲壓級比峰值聲壓級低6 dB左右。指標對比如表1 所示。

表1 會議類廳堂最大聲壓級指標對比表

最大聲壓級指標用于衡量音頻擴聲系統(tǒng)所能提供的最大聲壓數(shù)，數(shù)值的大小與音頻系統(tǒng)的使用功能、造價直接相關(guān)。

1.2 傳輸頻率特性

傳輸頻率特性也是擴聲系統(tǒng)的重要特性指標。根據(jù)相關(guān)標準的規(guī)定，不同類型、不同級別的擴聲系統(tǒng)，有不同的傳輸頻率特性指標要求。表2 為會議類廳堂傳輸頻率特性指標對比。

表2 會議類廳堂傳輸頻率特性指標對比

1.3 傳聲增益

會議類廳堂的傳聲增益指標對比如表3 所示。由表3 可以看出，《多媒體教學環(huán)境設(shè)計要求》（GB/T 36447—2018）［4］演示型一級中對于傳聲增益的要求最高?！稄d堂擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50371—2006）的會議類、《廳堂、體育場館擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 28049—2011）的會議類和《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）的傳聲增益聲學特性指標是基本一致的。

表3 會議類廳堂傳聲增益指標對比表

1.4 聲場不均勻度

會議類擴聲系統(tǒng)的聲場不均勻度目前多以高頻來衡量，以1 000 Hz 和4 000 Hz 的聲場不均勻度指標為基本要求，基本可以滿足設(shè)計和使用要求。會議類廳堂聲場不均勻度指標對比如表4 所示。

由表4 可以看出，《多媒體教學環(huán)境設(shè)計要求》（GB/T 36447—2018）演示型中對于聲場不均勻度的要求最高?！稄d堂擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50371—2006）的會議類、《廳堂、體育場館擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 28049—2011）的會議類和《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）的聲場不均勻度聲學特性指標是基本一致的，僅《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）相較于另外兩個標準的會議類不均勻度指標增加了2 000 Hz 的聲場不均勻度指標。

表4 會議類廳堂聲場不均勻度指標對比表

1.5 語言傳輸指數(shù)（STIPA）

語言傳輸指數(shù)是音質(zhì)評價的重要指標，可以反映廳堂或擴聲系統(tǒng)的聲音傳輸質(zhì)量，是評價語言傳輸系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的重要依據(jù)。會議類廳堂語言傳輸指數(shù)指標對比如表5 所示。

由表5 可以看出，《多媒體教學環(huán)境設(shè)計要求》（GB/T 36447—2018）演示型中對于語言傳輸指數(shù)的要求最高，其后排序是《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）和《廳堂、體育場館擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 28049—2011）。

表5 會議類廳堂語言傳輸指數(shù)指標對比表

1.6 總噪聲級

總噪聲級在國內(nèi)現(xiàn)行標準中有兩種定義方式。一種是系統(tǒng)總噪聲級，指的是擴聲系統(tǒng)達到最高可用增益時，聽眾區(qū)各測量點由擴聲系統(tǒng)所產(chǎn)生的各頻帶的噪聲聲壓級（扣除環(huán)境背景噪聲影響）平均值，因此在測量時需要扣除環(huán)境背景噪聲的影響。另一種是總噪聲級，指的是擴聲系統(tǒng)達到最高可用增益、無有用聲信號輸入時，聽眾區(qū)各測量點噪聲聲壓級的平均值，包含了擴聲設(shè)備自身產(chǎn)生噪聲和系統(tǒng)所在聲環(huán)境背景噪聲的總和。

會場背景噪聲是建筑聲學設(shè)計的重要內(nèi)容。噪聲控制設(shè)計的好壞，直接影響會場背景噪聲的數(shù)值大小。會議類廳堂總噪聲級指標對比如表6所示。

由表6 可以看出，《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）和《廳堂、體育場館擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 28049—2011）的總噪聲級中包括背景噪聲，要求NR 評價曲線數(shù)值相同。《廳堂擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50371—2006）和《多媒體教學環(huán)境設(shè)計要求》（GB/T 36447—2018）規(guī)定的是系統(tǒng)總噪聲級（扣除環(huán)境背景噪聲），其中《多媒體教學環(huán)境設(shè)計要求》（GB/T 36447—2018）對于系統(tǒng)總噪聲級要求最低。

表6 會議類廳堂總噪聲級指標對比表

2 會議電視會場系統(tǒng)工程的音頻系統(tǒng)聲學特性指標

2.1 最大聲壓級

2.1.1 語言類擴聲和音樂類擴聲的需求差異性

最大聲壓級指標是衡量音頻擴聲系統(tǒng)所能提供的最大聲壓數(shù)，數(shù)值的大小與音頻系統(tǒng)的使用場所、功能以及造價直接相關(guān)。根據(jù)本文章節(jié)1.1 的內(nèi)容分析，擴聲系統(tǒng)工程的等級（檔次）越高，最大聲壓級指標要求也越高。但是演出類和會議類的擴聲系統(tǒng)使用功能不同，對于最大聲壓級的要求也不盡相同。

用于演出類的擴聲系統(tǒng)，應(yīng)兼具音樂擴聲和語言擴聲的功能，既要有一定的音樂動態(tài)范圍，從而達到震撼人心的效果，突出演出的水平，又要有一定的語言清晰度。其中，音樂類擴聲的音樂信號峰值因數(shù)約為5～7，而一些古典音樂和一些交響樂的信號峰值因數(shù)甚至可以達到20。

用于會議類的擴聲系統(tǒng)，主要用于語言類擴聲，主要需滿足語言清晰度的要求，在聽聞范圍內(nèi)滿足聲像一致性、良好的語言清晰度以及聽者良好的主觀感受，即具備長時間的聽覺舒適性即可。其中，語言類擴聲的語音信號峰值因數(shù)約為3～4，而優(yōu)秀的播音員語音信號峰值可以達到10。

2.1.2 語言清晰度與聲壓級的關(guān)系

根據(jù)國際標準IEC 60268-16［5］文件的介紹，聲音的語言清晰度與聲壓級有密切關(guān)系。一般來說，聲壓級愈高，室內(nèi)語言清晰度也會愈高，但并非聲壓級無限增大。

人耳聽覺系統(tǒng)在聲壓級較低或者較高時，敏感度降低。聲壓級較低時（如20～50 dB SPL），聽覺閾值作用導致人耳敏感度降低。當聲壓級較高（如大于80 dB SPL），掩蔽效應(yīng)導致人耳敏感度降低。

聽覺掩蔽功能曲線隨IEC 60268-16 標準各版本的發(fā)展如下：

（1）1998 年發(fā)布的版本，edition 2.0，含固定的聽覺掩蔽功能（＞80 dB 范圍為平直不衰減的曲線）；

（2）2003 年發(fā)布的版本，edition 3.0，含連續(xù)的聽覺掩蔽功能（＞80 dB 范圍為階梯狀衰減的曲線）；

（3）2011 年發(fā)布的版本，edition 4.0，含連續(xù)的聽覺掩蔽功能（＞80 dB 范圍為平滑衰減的曲線）。

標準各版本中，語言清晰度與聲壓級的關(guān)系如圖1 所示。從圖1 中可清楚地看到，語言清晰度隨著聲壓級的變化存在很大的差異，但是語言清晰度在聲壓級50～80 dB 之間是基本穩(wěn)定不變的，而聲壓級升高到80 dB 以上時，語言清晰度急劇下降。因此，聲壓級并非越大越好，而是要根據(jù)不同的使用場景和要求來確定具體的聲壓級數(shù)值。對于會議系統(tǒng)這種語言類使用的廳堂來說，聲壓級控制在50～80 dB 時，聽聞效果最佳。

圖1 語言清晰度與聲壓級的關(guān)系

2.1.3 高聲壓級的危害

國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）提出的噪聲暴露引起聽力損傷的百分數(shù)（ISO 1999-1975）如表7 所示。

由表7 可以看出，等效連續(xù)A 聲級≤80 dB 時，暴露年數(shù)為45 年時，對應(yīng)的噪聲暴露引起聽力損傷的百分數(shù)為50%；等效連續(xù)A 聲級為95 dB 時，暴露年數(shù)為30 年時，對應(yīng)的噪聲暴露引起聽力損傷的百分數(shù)為45%。由此看出，經(jīng)過常年累月的積累，大聲級對聽力的損傷較大，同樣大聲級增加對擴聲區(qū)域外的干擾也不容忽視。

表7 ISO 提出的噪聲暴露引起聽力損傷的百分數(shù)

2.1.4 盲目追求高聲壓級的資源浪費

表8 為功率比與分貝的變化關(guān)系，可以看出，聲壓級增加3 dB，功率增加一倍；聲壓級增加10 dB，功率增加十倍，相應(yīng)的造價也會極大提高。因此，盲目追求高聲壓級是對資源的極大浪費，是不可取的。

表8 功率比與分貝變化的關(guān)系

2.2 傳輸頻率特性

由于語言擴散系統(tǒng)的傳輸頻率特性在1～2 kHz 保持平直，2～4 kHz 的跌落不大于3 dB/oct（分貝/倍頻程），即可保持較高的清晰度。

2.3 傳聲增益

會議音頻系統(tǒng)傳聲增益的一級指標為125～6 300 Hz 的平均值大于或等于-10 dB，二級指標為125～4 000 Hz 的平均值大于或等于-12 dB。這基本符合實測值和實際使用情況。并且，傳聲增益在-10～-12 dB，在應(yīng)用中屬于優(yōu)或良，在工程實踐中屬于正常水平。

2.4 聲場不均勻度

目前，國內(nèi)會議室設(shè)計多選用性能優(yōu)異的音箱并且都有合理的音箱布置。根據(jù)以往會議室的實際測量結(jié)果來看，國內(nèi)會議室的聲場不均勻度基本都能滿足要求，甚至有些會議室的空間聲場不均勻度指標還留有余量。

2.5 語言傳輸指數(shù)

語言傳輸指數(shù)在0～1 之間，按主觀感覺分為5 檔，如表9 所示。

從表9 可以看出，語言傳輸指數(shù)0.45～0.60為五級評價表的“中”，0.60～0.75 為五級評價表的“良”。從以往一些會議室的實際測量結(jié)果來看，語言傳輸指數(shù)大部分在0.50～0.60 之間。

表9 語言傳輸指數(shù)分級對應(yīng)主觀感覺

IEC 60268-16 標準規(guī)定了語言傳輸指數(shù)與主觀評價的對應(yīng)關(guān)系，如表10 所示。

由表10 可以看出，對于“復雜信息，熟悉的語境”，語言傳輸指數(shù)在0.50～0.60 的范圍內(nèi)是合適的。

表10 語言傳輸指數(shù)與主觀評價對應(yīng)關(guān)系表

2.6 總噪聲級

音頻系統(tǒng)總噪聲級的一級指標為NR-30，二級指標為NR-35，符合我國的實際情況。

3 音頻特性指標建議

3.1 最大聲壓級

對于室內(nèi)語言類擴聲系統(tǒng)來說，平均聲壓級約為68～74 dB。根據(jù)會場語言擴聲系統(tǒng)輔音清晰度損失率的相應(yīng)計算（即會場混響時間為1.0 s，信噪比大于等于18 dB 情況下時），得出輔音清晰度損失小于15%。也就是在要求輔音清晰度損失小于15%時，會場的信噪比必須大于18 dB。結(jié)合會場系統(tǒng)總噪聲要求，會場的本底噪聲約為30～40 dB，即可推算出會場較佳聲場動態(tài)的下限約為48～58 dB，與室內(nèi)語言擴聲平均聲壓級具備10～20 dB 的動態(tài)下限。

就語言的動態(tài)而言，根據(jù)國標《漢語標準頻譜》（GB/T 7347—1987），自然狀態(tài)發(fā)音（指既非高喊亦非輕聲的發(fā)音）的自由場聲壓級在口前1 m 遠處的平均值，男聲為67 dB，女聲為63 dB。

男生在自由場1 m 處聲壓級平均值為67 dB，推算在傳聲器處（距男生嘴巴10 mm 處）的平均聲壓級為87 dB。結(jié)合擴聲系統(tǒng)傳聲增益（按一級指標-10 dB 最大值計算），會場此時的平均有效聲壓級約為77 dB。

男生長時間講話的平均功率變化范圍約10～91 μW，其平均值為34 μW，換算之后即可得到，最小聲壓級與平均聲壓級相差-10.6 dB，最大聲壓級與平均聲壓級相差8.5 dB。同樣，對于女生，長時間講話的平均功率變化范圍約8～51 μW，其平均值為18 μW，換算之后即可得到，最小聲壓級與平均聲壓級相差-7 dB，最大聲壓級與平均聲壓級相差9 dB。據(jù)此推算，會場具備平均有效聲壓級的范圍在66～85.5 dB。在設(shè)計會場平均聲壓級下限時，還需要考慮會場的不均勻度指標（按一級指標8 dB 計算）。據(jù)此估算，會場聲壓級下限指標能夠滿足較佳聲場動態(tài)下限48～58 dB 的指標要求。

在考慮會場聲壓級上限指標時，需要結(jié)合功率放大器的儲備功率和語音信號峰值因數(shù)等因素，需要一定的冗余量。

對于會議電視會場這種語言類的擴聲系統(tǒng)來說，提高聲壓級并非難事，只需增加揚聲器的數(shù)量或放大器的功率和數(shù)量即可，但是相應(yīng)的預算造價會隨之增加。因此，對于最大聲壓級的指標，建議在不影響語言清晰度的前提下可以適當?shù)亟档停赃_到最大的投資性價比，從而滿足綠色、節(jié)能、環(huán)保、舒適、健康的音頻系統(tǒng)設(shè)計理念。

因此，對于《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中規(guī)定的最大聲壓級，建議在原先基礎(chǔ)上下調(diào)3 dB，一級指標和二級指標更改為表11 的建議值。

表11 最大聲壓級特性指標（建議修訂值）

3.2 傳輸頻率特性

對于《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中規(guī)定的傳輸頻率特性指標，建議更改為表12 的建議值。

表12 傳輸頻率特性指標（建議修訂值）

3.3 傳聲增益

對于《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中規(guī)定的傳聲增益指標建議不作變更。

3.4 聲場不均勻度

對于《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中規(guī)定的聲場不均勻度，建議在原先基礎(chǔ)上上調(diào)2 dB，一級指標和二級指標更改為表13 的建議值。

表13 聲場不均勻度特性指標（建議修訂值）

3.5 語言傳輸指數(shù)

對于《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中規(guī)定的語言傳輸指數(shù)指標，建議不作變更。

3.6 總噪聲級

對于《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）中規(guī)定的總噪聲級指標，建議不作變更。

4 結(jié)語

《會議電視會場系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50635—2010）歷經(jīng)多年的考驗和實踐，已廣為本行業(yè)所采用。行業(yè)相關(guān)人員應(yīng)該在設(shè)計、施工、調(diào)試和使用過程中結(jié)合主觀聽音試驗不斷總結(jié)經(jīng)驗，以此不斷修正完善標準，以擴展其使用范圍。