数字模块化广播系统的应用

曹 磊 / 刘征峥 / 孟庆祝

(1.中国建筑设计研究院，北京 100044；2.北京国安电气有限责任公司，北京 100190)

数字模块化广播系统的应用

曹 磊1/ 刘征峥1/ 孟庆祝2

(1.中国建筑设计研究院，北京 100044；2.北京国安电气有限责任公司，北京 100190)

1 概述

数字式模块化公共广播系统是使用现代数字及网络技术，实现音频信号的数字化处理(数字编码、数据压缩、数字调制等)和网络传输。与传统的公共广播系统相比，从音频质量、节目源数量、系统容量、系统扩展及兼容性、管理等方面均体现出了数字化广播的先进性。

本项目为大型综合体，是集大型 ShoppingMall、高端品质住宅、顶级酒店公寓和甲级写字楼等一系列功能于一体的地标性建筑，是当地最繁华的商业中心。针对商业区的不同功能规划广播系统：商业区公共区及商铺区域设置背景音乐广播兼消防广播，商铺内只设消防广播；地下超市、地上电影院、KTV、健身中心考虑外租，只考虑消防广播，并预留广播接口；商业步行街设置背景音乐，满足事务性语音广播的要求及背景音乐全天播放需求；商业步行街铺内扬声器和通道扬声器分不同回路设置；在总服务台设置分区遥控话筒和电脑音源接入；室外周边道路或室内指定区域适当设置景观音箱等。该项目需求的多元化恰恰体现了数字式模块化公共广播系统的各项优势和特点。

2 设计依据及设计指标

2.1 声场强度

声场强度：声场强度的具体确定与所处背景环境的噪音强度相关。参考不同环境下的噪声强度表(KLARK TEKNIK提供)可知，噪声强度在停车场声场强度为55dB～56dB，属于较高的强度，除此以外，一般建筑环境的噪音强度为25dB～45dB。

声场均匀度：声场均匀度是指声压级均匀度，浮动范围在8dB左右比较理想。

可懂度：可懂度是一个主观评定指标，是用来检测和判定声音清晰度的指标。

扬声器频响范围：扬声器的频响范围即传输频率特性，设计一般在100Hz～14kHz内，具体指标根据EASE声场分析软件结合建筑物的不同场合、扬声器的不同用途进行分析和计算后确定，扬声器对应功放的频响范围应该优于扬声器的频响范围。

扬声器的设计选型和点位设置主要根据最大声压级(空场稳态准峰值声压级)、声场的不均匀度、传输频率特性(频响范围)和所处的建筑物空间大小等确定。根据《厅堂扩声系统声学特性指标》和《民用建筑电气设计规范》的技术标准，本系统按“语言和音乐兼用扩声系统三级”标准进行规划，具体指标详见表1。

表1 “语言和音乐兼用扩声系统三级”声学特性指标

沿着单个广播扬声器投射方向垂直轴线的听音点位置的声压级计算公式如式(1)。

LP=LO+10lgPS-20lgr

(1)

式中，LP为听音点位置的声压级(dB)；L0为扬声器声压级(dB SPL)；PS为声源的声压功率，即扬声器的额定功率(W)；r为扬声器与听音点位置的垂直距离。

背景音乐：背景音乐系统以听音乐的人意识不到声源的位置为最佳，以柔和、清晰的音质作为设计目标，其设计指标为：室内声压级均匀，平均声压级=噪声等级+(3～5)dB，频带在100Hz～12 kHz，重放特性比较平直。

紧急广播：紧急广播系统是以听音的人在任何地方都能够听到清晰、准确的声音作为设计目的，其设计指标为：室内声压级均匀，平均声压级为88～94dB，频带在100Hz～6 kHz，重放特性比较平直。

根据前面所述噪声级可以确定本设计的平均声压级：背景音乐声压级为60dB～70dB，紧急广播声压级为88dB～94dB。

2.2 功放容量

(2)

式中，P为功放设备输出总电功率(W)；K1为线路衰耗补偿系数：线路衰耗1dB时取1.26，线路衰耗2dB时取1.58；K2为老化系数，一般取1.2～1.4。

P0为Ki·Pi每分路同时广播时最大电功率；Pi为第i支路的用户设备额定容量；Ki为第i分路的同时需要系数。

服务性广播时，会议室节目每套Ki=0.2～0.4；背景音乐系统Ki=0.5～0.6。

业务性广播时，Ki=0.7～0.8；火灾事故广播时，Ki取1.0(同时广播范围应符合国家规范规定)。

3 设备选型

本项目广播系统具有背景音乐广播、火灾紧急广播、业务性广播和服务性广播等功能。系统整体设计为平时播放重要通知和背景音乐及业务和服务性广播，建筑物发生火灾时，强制切换至火灾紧急广播状态。因此，该系统既可为整个大楼提供良好的工作环境，又保障了火灾发生时语音报警及指导疏散的音频播放。

本次设计选用的数字、模块化广播系统，可提供先进的、高水平、多元化的广播功能，具有扩展和升级方便的系统特征，采用模块化配置，可通过不同的模块组合配置达到理想的最优化的系统设计。数字广播系统总结构如图1所示。

图1 数字广播系统总结构图

该系统采用定压输出方式，定压输出采用全数字化设备。消防广播系统的音源、数字式控制器、功放、呼叫站、扬声器及电缆等应符合设计要求和国家现行有关标准的规定。

4 系统具体设计

4.1扬声器选型设计

1)扬声器间距设计

扬声器间距计算：T=tan(a/2)×(h-L)×2

式中，T为扬声器间距；h为天花板的高度(m)；L为人耳的高度(站立时为1.5m，坐时为1m)；a为喇叭扩散角(90°～120°)。

扬声器间距设计如图2所示。

2)扬声器功率设计

扬声器功率设计如图3所示。

本项目中，根据区域和用途的不同，分别设置不同类型的扬声器，如：地下停车场、设备机房、变电所等处设置6W壁挂式扬声器，商业区、超市、办公区等区域设置6W吸顶扬声器，部分商业区域设置15W壁挂号角式扬声器，室外景观部分设置30W草坪扬声器。

图2 扬声器间距设计示意图

图3 扬声器功率设计图

4.2 系统组成

系统根据建筑整体性管理原则，设置背景音乐、业务广播及应急广播功能供管理中心统一管理。在消防控制中心设置紧急广播呼叫话筒(遥控话筒)，以便在建筑物火灾发生或突发事故时对建筑物内特定的区域进行人工广播，对现场人群进行安全疏散指挥。

该广播系统平时播放内容根据建筑群的不同功能，主要以背景音乐、业务性广播及服务性广播内容为主，发生火灾时广播系统会自动切换并播放消防紧急广播(广播系统所设计的功放容量满足全区同时进行紧急广播的播放)，完成火灾自动报警及消防联动切换的控制(一般按照N、N±1消防分区的联动方式)。

5 主要功能

本广播系统专为建筑物广播设计，完全符合中国消防法规及国际IEC60849/EN60849火灾自动报警相关规范要求，为数字式广播系统，具有背景音乐广播、公共信息(业务)广播、服务性广播和火灾事故紧急广播等功能。

5.1 故障检测、显示功能

系统主机具有自检功能，可自动检测广播系统主机、前端功率放大器状态以及对现场扬声器信号线路的短路、断路、接地等故障实时监测；系统通过标准通信接口，能实时监听不同广播回路中各组扬声器实时工作状态。广播中心遥控话筒、按键，用户可自定义功能：1)广播系统故障报警指示灯，功放、主机和扬声器回路故障指示(包括短路、接地、开路等)；2)用定义的不同按键发出不同故障的声光报警指示；3)可设置系统功能按键，如音源选择、分区音量加减、远程监听等。内部故障自动检测原理如图4所示。

图4 内部故障自动检测示意图

5.2 数字音频矩阵管理功能

广播系统数字音频矩阵中央管理器设置在总控机房，配备系统中央管理工控计算机进行日常管理。系统由系统控制软件、功率放大器、输入信号矩阵、输出信号矩阵、消防专用话筒、遥控话筒(紧急用或业务用)、系统供电单元模块、紧急供电单元等各部分构成。系统具有基本98路信号输入(8个信号输入插槽)，8支遥控话筒(含消防话筒)，80路本地LINE信号输入，2路EV(数码语音广播卡)声音，80路音频矩阵输出(可扩展至1 600路以上音频输出)。8通道网络音频输入单元用于连接音源及遥控呼叫站，可根据多个遥控呼叫站分别处于不同位置时方便连接，可扩展连接音源输入。由于功放均放置在远离中控室的分控机房内，设置8通道网络音频输出单元，通过光纤网络控制不同的分区功放播送不同的背景音乐及管理信息。

5.3 广播系统的优先权

无论本系统内正在播放音乐还是广播通知，紧急广播具有最高优先权，并以最大音量传输至所选择之广播区。

5.4 功放自动倒备

系统配置热备份功放，当系统中某台功放发生故障时可自动替换，并在故障功放修复时自动恢复正常设置状态。本系统采用4用1备进行备份。

5.5 疏散广播语音

广播系统的数字语音卡可录制足够多不同内容、多语言的语音信息，语音信息内容可根据不同管理功能由用户自行定义。语音信息内容可以包括消防紧急广播所需要的广播语言，如各建筑群内不同的引导疏散、逃生或解除警报的语音信息。无论是来自火灾自动报警系统自动切换联动方式还是控制中心手动切换方式，均可由数字语音合成系统发出声音警报信息，应急语音信息语种一般包括汉语、英语、法语和日语四种基本语言，用户可根据实际需求预先录制相应的语言。

5.6 节目源

背景音乐源包括计算机录制语音音频输出4路、DVD/CD/MP3音源播放机1路、广播主机内可定时播放的预先录制的语音信息1路。管理中心操作人员可以根据具体需要手动控制播放背景音乐、业务性及服务性广播信息，也可预先编辑好相关播放内容播放程序，通过广播系统主机内的定时器定时启动相应的播放内容。

5.7 定时自动播放功能

广播系统具有强大的自动定时广播功能，能满足背景音乐定时广播、重要节日的欢庆语音广播等。通过编程，广播系统能对1年365天的活动进行设置，有10个定时广播模式可选择，每个模式可设定32个活动程序，即24h内某个时刻或某段时间的定时启动设定，主机内置的语音记忆卡可实现语音讯息内容启动播放，重要内容的中断插播，外置音源的控制播放，广播音量的定时控制，控制输出的定时启动等。广播系统软件还可以每年设定40个重要节日的定时广播模式，如某一节日或一段假期(如春节、国庆节、圣诞节等节日期间)。

5.8 紧急广播功能

自动/手动强切功能：当建筑物发生火灾时，广播系统会在2s内自动切换至紧急广播状态，以最大的音量实现紧急疏散广播和相关引导信息的播放，或通过遥控话筒(消防话筒)手动人工广播火灾相关信息及疏散信息，正在播放的背景音乐广播、信息业务广播或服务性广播会立即被暂停，直至紧急广播状态解除后方可恢复。

紧急广播系统所播放的语音信息，主要是预设的火灾状态下的警报信号及疏散信息，以数字音频文件的方式存储，不容易损坏和丢失；系统可以实现至少2种以上预先录制的不同内容的紧急广播信息，语言种类完全可以满足需求，并且可以自由编辑和控制，以应变不同场合使用和面对不同的受众。

系统设置备用功率放大器，确保系统的某一台功放发生故障时，系统可以实现自动备份切换，无需人工方式转接和调换功率放大器的输入、输出线路。

系统具有输出线路故障检测功能，任一广播输出线路出现短路、断线均可迅速显示故障，能使系统操作人员采取相应措施以保证系统运转正常。

来自消防控制中心的火灾报警系统联动信号采用无源干触点方式，联动回路与建筑物的消防分区数量相一致。

5.9 背景音乐功能

满足用户的功能需求。

不同的分区可以播放不同的背景音乐，能够独立控制不同分区背景音乐和总体音量及其启停。

自动定时分区预设内容广播功能。

通过业务呼叫站，能够对选择分区进行业务呼叫广播。

6 与其他系统的接口功能

6.1 与火灾自动报警及消防联动控制系统接口技术要求

按火灾自动报警及消防联动控制系统监控点及图纸要求提供无源接点，以实现与消防报警及联动控制系统联动。

提供RS-232/485/422标准接口或网络接口连接，并提供完整的通讯协议，能据此编程实现通讯，通讯协议的版本和服务器版本一致。

6.2 与智能化系统集成接口技术要求

Windows操作系统所支持的动态数据交换(DDE)功能或用于过程控制的对象的链接和嵌入(OPC：OLE for Process Control)技术。

支持TCP/IP协议的应用程序接口API函数或其他类似的应用程序接口。

提供ODBC接口，开放的数据库。

6.3 远程电话移动指挥广播功能接口

系统可设置远程电话移动指挥广播功能接口，通过手机、集群电话、掌上移动电脑等便携式终端，通过预先编程设定的用户密码，远程登录到广播系统服务平台上，按照现场的实际情况，配合电视保安监控系统对特定的区域进行广播指挥，包括演讲、通知、预警、救援、疏导和疏散等多方位的应用。

6.4 平安城市应急指挥中心广播接口

广播系统设计可与城市应急指挥中心连接，实现与城市安保监控系统相结合，在城市应急总控中心和区域分级控制中心实现对监控点的紧急语音呼叫，进行疏导人群或者现场指挥处理工作，为市民提供高效、快速、可靠的实时语音帮助。

6.5 广播物联网管理平台接口

广播系统通过广播物联网平台，为广播系统提供24h远程诊断维护服务，通过广播物联网平台将广播系统运行状态及设备工作情况实时传输到远程客户运行信息管理平台中心，能够在第一时间了解客户系统出现的问题和工作状态，并能够在最短的时间内找到问题原因并及时处理，保证客户系统的稳定运行。

6.6 环境噪声自动控制功能

系统设置环境噪声自动控制功能，对周围环境噪音电平实时进行检测分析，自动调整广播系统的音量、音质和频率特性，提高广播系统的语言可懂度和声压级。环境噪声自动控制功能示意图如图5所示。

6.7 LED信息发布系统开放接口

在有LED信息发布屏的区域必须设置配套的扬声器，LED视频服务器将同步音频信号送入广播系统预留的音频接口，调整音频和视频同步播出，当遇有紧急情况时，紧急广播能够进行切换优先播出。

图5 环境噪声自动控制功能示意图

6.8 本地商业音源切换接口(电影院、超市、KTV、娱乐城、儿童活动中心等)

在较大的本地商业区域内，广播系统必须设置本地音源节目输入口，通过该输入口可以实现本地音源和系统中其他音源的选择。当有消防强切信号输入时，本地音源被切断，消防应急广播优先播出。

6.9 流动演出预留接口避免声干扰

系统预留现场设计专业音频接口插座引入广播系统为临时活动演出音频接口，在广播扬声器和临时活动演出需同时播放时，只需要扩声系统调音台的音频信号接入现场的地插或墙插，广播控制室在操作平台软件上打开音频通道即可，在举办活动的区域内都可以进行扩声和广播同步播放。

6.10 环境景观声场设计

地下公共空间及地下停车场等重点区域，通过完善的声场分析说明，广播区域模拟分析测试标准：平均声压级要求不低于80dB，声场不均匀度小于12dB；地下停车场区域模拟分析测试标准：平均声压级要求不低于90dB，声场不均匀度小于12dB。6.11 现场指挥疏导管理语音系统

系统预留无线寻呼系统留音频和控制接口，现场工作人员随身携带无线领夹话筒，在控制室有配套的无线话筒接收机与广播主机连接，通过软件预先设置，现场安保人员通过打开领夹话筒，人工切断当前正在播放的背景音乐广播或服务性广播，切换至紧急广播状态，现场指挥和引导人群的安全疏散。在商场扶梯及旋转门范围内，设置独立的广播回路，播放安全信息等重要通知。

6.12 停车场应急呼叫功能

在地下停车场内主要区域设计安装紧急呼叫站，当车主遇到危险时，如急病、抢劫等情况，可以通过紧急呼叫站进行呼救，在安保控制室设置的扬声器会实时播放现场求助语音，车场内求助人员可以告知安保工作人员出现的紧急情况，现场紧急呼叫站自动向电视保安监控系统发出信号，摄像机可自动将现场影像记录并在监控室进行画面自动切换显示，安保工作人员通过现场音频和视频全面了解现场情况，作出快速准确的处理。

6.13 主机扩展功能

广播主机采用模块化结构，充分考虑到后期项目的扩展情况，为后期其他建筑群的接入做好充分准备。

7 结束语

本项目广播系统的设计既采用标准的模块化结构和通用的网络连接，又运用全数字信号处理以及先进的网络音频传输技术，极大地提高了系统的可操作性、应用性与可维护性，综合了标准化、模块化、数字化及网络化的特性，构成了一个先进、多功能、智能化、高效的公共广播系统。

Application of Digital and Modular Broadcasting Systems

Cao Lei / Liu Zhengzheng / Meng Qingzhu

本文以某城市综合体项目广播系统的设计为例，从声场强度、广播扬声器选型设计、功率放大器设计等方面对广播系统进行了详细介绍，阐述了该数字模块化广播系统的功能特点。

背景音乐 数字模块化广播系统 紧急广播

This paper takes the design of a broadcasting system in a urban complex project for example, from the intensity of the sound field, radio speaker selection and design, power amplifier design, it detailed introduces a broadcasting system, describes the functions and charecteristics of the digital modularity broadcasting system.

background music, digital and modular broadcasting system, emergency broadcast