户外广播系统扬声器的布点优化

郑 磊 吴 琼

1.北京市环境保护局 2.北京市劳动保护科学研究所

随着现代化建设的飞速发展，对与之相配套的背景音乐系统提出了更高的要求，不仅要求公共广播系统正常情况下可以实现最基本的广播功能，更主要的是当发生重大、突发事件与社会安全等突发公共危机时，可以迅速快捷的传达信息，达到紧急广播紧急疏散的目的，紧急广播时要求声音全面覆盖而且音质清晰，争取每个角落可以及时接收到最新的信息。

以往户外扬声器的分布是根据扬声器功率和灵敏度来求得达到规定声压级所需的大约距离[1]，无法确定需要扬声器的最小准确数目以及最佳的分布方式[2]。而且在户外声传播过程中，当扬声器的布局不合理时，声波多次反射会形成超过50ms以上的延时引起双重声或多重声，不能保证声音的全面覆盖和音质的清晰度，而且发生紧急情况时，环境较嘈杂，声音效果会更差。

本文通过排列组合的方式,对户外扬声器的分布进行优化。在计算区域平均声压级时，考虑各扬声器间的相互作用，而且像在大型购物区和高档住宅区，建筑物比较密集时，考虑建筑物间的反射以及绕射，并考虑大气吸收和地面效应等周围环境因素的影响[3]。在使用扬声器数目最小的情况下达到最好的声音效果。

从声学指标入手，户外公共广播系统应满足的要求：

（1）平均声压级、响度。每一个场所因其使用的功能不同，对声场强度大小也有不同的要求。设计时必须要符合使用要求设计适当的场强大小；过小的声场强度达不到使用要求，而过大的声场强度又会造成不必要的高投资成本。另外，在紧急疏散路线上混乱时背景噪声值较大，可适当增大声场强度。

（2）声场均匀度。过于密集的扬声器布置，虽然走过扬声器之间时，听到的声音音量不会发生很大的变化，但是音色会因为声音重叠区域过大而造成音色差别，并且分布密集的扬声器会增加成本。而过于松散的扬声器分布又会导致听众在走过扬声器之间时，听到声音的音量和音色变化很多，声音起伏较大，声音效果较差，因而要选择适当的扬声器分布方式以达到最好的听音效果[4]。

1 扬声器优化布点模型步骤

1.1 网格划分[5]

按照实际大小，将小区按一定大小的网格进行划分并编号，形成m×n的阵列，编号为D(i,j)，（i=1、2、3…m，j=1、2、3…n）。在单个网格中，如果建筑物的面积占网格面积的二分之一以上时，则不在此类网格中安放扬声器，只计算来自其他网格的接收量。

1.2 确定声压级限值[6]

在整个小区广播范围内，整体要达到的目标声压级定义为声压级限值，表示为Ls，即每个网格所要达到的平均声压级。声压级限值的确定与小区或者公园所在的位置有关，如果所在位置较繁华或靠近交通要道，周围环境的背景声压级本身就较高，声压级限值设置应较大，小区内道路或者应急通道上也应设置较大的限值。若周围背景声压级较小，则设置相对较小的声压级限值[4]。

1.3 构建衰减矩阵[7-8]

在网格中心位置安放扬声器，以扬声器所在网格为原点，定义为源网格。计算声音从源网格传播到其他网格的衰减量，构成衰减矩阵，即：E(i，j)。矩阵内元素e(i,j)(i',j')代表源网格D(i,j)到其他网格D(i',j')对应的衰减量。e(i,j)(i,j)=0表示扬声器所在的源网格衰减量为0。

在计算衰减矩阵的过程中，根据标准ISO9613第2部分中户外声传播衰减中的计算方法，将几何发散、反射、绕射、大气衰减以及地面效应考虑进去。接收网格处的声压级可根据源网格的声压级大小得到：

A表示传播过程中从源网格到接收网格的衰减总和：

1.4 排列组合，确定最佳扬声器的最小数目和分布方式

扬声器数目按照从小到大的顺序，在m×n个网格中进行排列组合。例如，预定扬声器数目为1个时，就有（m×n）种分布方式，若预定扬声器的数目为2个时，C2m×n=(m×n)×(m×n-2)÷2种分布方式。当扬声器的数目为k时，分布方式就有Ckm×n种 。将扬声器所在网格的衰减矩阵进行叠加，最终得到一个总能量衰减矩阵Ef：

选择最终能量矩阵中元素满足限值的声源分布方式，从而确定最佳扬声器的最小数目和分布方式。

1.5 平均值、方差确定最佳分布方式[9-10]

在确定扬声器的最小数目后，存在多种分布方式时，通过比较不同分布方式下各个网格声压级的平均值和标准差，平均值越大说明可达到的声压级越大，标准差越小说明声场均匀度越高，从而确定最佳的分布方式。

2 实例分析

选取北京某居民小区，平面图，如图1所示。面积为200×200m2,将小区划分为40×40m2的网格，简化成为5×5的阵列。

根据GB 3096-2008 《城市区域环境噪声标准》，规定等效连续A声级（等效声级）LAeq值是：

1类（居住、文教机关为主区）：噪声标准为 LAeq=55dB (白天)。

2类（居住、商业、工业混杂区）：噪声标准为 LAeq=60dB (白天)。

考虑到小区背景噪声对户外扩声系统的可能影响，背景广播等效声压级LAeq值按照至少60dB考虑，也就是声压级限值Ls=60dB。

选定额定功率下可达到100dB的扬声器，当扬声器分别分布在各个网格时，考虑反射绕射以及大气地面，计算源网格对其他网格的衰减矩阵：

当网格中1/2以上的面积为建筑物时，忽略此网格，不在此网格中布置扬声器。所以当i=1时j≠4；i=2,j≠5；i=5,j≠5，即只对22个网格进行组合。

扬声器数目从小到大，对这22个网格进行排列组合，得到最终的能量衰减矩阵Ef，将网格需达到的限值进行声压级与能量的转换后求得与无衰减时的差值与Ef比较大小，选出符合条件的分布方式。经过编程计算，当扬声器数目分别为1、2、3…时，不能满足所有网格的平均声压级达到60dB，一直到扬声器数目为12时满足条件。

用网格表示，如图2、3。

比较两种情况下所有网格的平均值和标准差，见表1。

表1 两种分布方式的比较

由上表可看出：两种分布方式的标准差相等，即两种方式可达到相同的声场均匀度，但是第一种较第二种可以得到更大的平均声压级，声音效果更好，所以这里最终选择第一种分布方式。

本案例仅为说明本文优化布点方法的原理，实际工作中需要对网格分布进一步细化，可以获得更为均衡可靠的声场分布。

3 结论

本文提出了针对户外公共场所扬声器布置的一种优化方法，此方法用以指导配置扬声器的数量和位置，通过此方法可实现整个场地内的声学关键指标达成。该方法由于考虑到场地物理环境对声传播的影响，适用于各种复杂的户外环境，对于户外广播系统的设计以及突发事件时信息的快速清晰传达具有广阔的应用前景。

[1]顾媛珅.基于地铁的公共广播系统的方案设计与实现[D].北京邮电大学,2012

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