深圳城市运营管理中心指挥大厅扩声系统设计与调试

雷 鸣 ，谢海啸，顾克明，李媛敏，魏 民，刘随强，朱向前

（1.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015；2.北京奥特维科技有限公司，北京 100015）

指挥大厅空间跨度大，人员分布复杂。为确保指挥过程中语言清晰、指令传达精准，它对系统的传声增益、语言清晰度、声场不均匀度和声像定位等都有很高的要求。因此，在设计过程中需要给予充分考虑，才能达到预期的效果。笔者有幸参与了深圳城市运管中心指挥大厅扩声系统的设计、实施、调试、测量和验收过程，为了确保指挥大厅的扩声系统能达到预期效果，前期进行了大量理论计算，运用先进的软件工具进行了模拟仿真，并组织专家进行了评审和论证。实施过程中，严格按照设计方案执行，严格把控每道工序的施工质量。调试过程中，根据使用需求进行专业的设置和编程，并通过多轮测试和调整，使指挥大厅最终达到了优质效果。因此，下面将主要阐述系统的设计、实施和调试过程，并展现指挥大厅最后测量的结果和实际达到的效果。

1 工程概况

该指挥大厅位于建筑的第3 层，项目总建筑面积约3 250 m2，装修楼层总高度为12 m。如图1所示，大厅主要功能区域建筑面积为2 230 m2，主要由6个圆形岛区功能席、2 个3 人业务席、1 个条形业务席、1 个半圆形指挥席、1 个圆形指挥洽商席和沙盘区组成，共92 席。

由于该指挥大厅建成后主要用于开展日常数据监控管理和应急重大事件应急联动处置，因此平时会与全市各部委进行大量数据、通信、音视频和其他信息互联互通。为了保障指挥大厅各项重要工作的顺利开展，它的扩声系统结构必须具备较高的稳定性、可靠性和冗余性。此外，要保证指挥大厅的各项指令能及时、精准地传达，扩声系统必须既要具备较好的声场不均匀度，还要具备较高的语言清晰度和系统传声增益，做到清晰、自然和不易啸叫。

2 系统设计

2.1 系统要求

城市运营管理中心是智慧城市运行管理的“大脑”与“中枢”，负责城市状态的实时监测（Observe）、城市异常的智能预警（Orient）、关键问题的智慧决策（Decision）以及重大事件的协同处置（Act），实现数据资产的运营增值，提升城市治理体系和治理能力现代化水平。指挥大厅是城市运营管理中心展开各项工作的重要枢纽，因此设计扩声系统时不仅结构上要稳定、可靠以及有充分的冗余，而且要便于操作人员使用，能在不同场景模式下进行快速切换。在设备选型上，要结合大厅的空间布局、声学环境和使用需要合理选型，最终满足高质量、高标准和高性能的要求，从基础设施的层面衬托出指挥大厅使用上的智能和技术上的先进。

2.2 设计要求

该指挥大厅建筑声学设计的主要原则为前场反射、中场扩散、后场吸声、顶棚强吸以及门窗隔音，通过科学、专业的建筑声学设计，达到合理的混响时间，有利于语言扩声获得较好的语言清晰度和系统传声增益，同时有利于音乐重放时获得足够的响度和较好的传输频率特性。此外，要求声场分布均匀，没有振颤回声等声学缺陷，无明显干扰缺陷，同时背景噪声达到允许的标准［1］。

根据指挥大厅的尺寸，首先详细计算大厅的容积。该厅容积约为10 500 m3，由此参照GB/T 50356—2005《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》对会议厅堂的建声设计要求，并结合大厅的使用需求，设定指挥大厅混响时间设计值为（1.0±0.2）s 中频（500 Hz），125～4 000 Hz 的RT60 范围应在0.8～1.2 s，低频（125 Hz）时的混响时间设计允许控制在中频混响时间的1.3 倍之内［2-4］。

在电声设计方面，指挥大厅的扩声系统理应按照国标GB/T 28049—2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》会议类一级指标设计，具体指标如表1 所示。

考虑到该厅的重要性，设计方面提出了更高要求，尤其是在声场不均匀度和语言清晰度方面，即声场不均匀度在125～4 000 Hz 频率范围内小于6 dB，STIPA≥0.6。

2.3 设计难点

由于指挥大厅是智慧城市的指挥枢纽，承载着城市监测、预警、决策和应急处置等重大功能，因此扩声系统必须稳定、可靠，保证各种渠道音频交互信息清晰、精准传达。结合使用场景，认为设计中存在以下难点。

（1）指挥大厅空间大，容积已超过10 000 m3，且整个区域跨越近3 层的高度，结构复杂。因此，如何进行建声设计和如何精准把控好建筑声学装修效果，对扩声系统发挥作用具有重要影响。

（2）指挥大厅正前方是一块跨度36.6 m 的小间距LED 大屏，在显示多幅高清画面时如何实现精准的声像一致性，并能随着画面移动而变化是一大难点。

（3）指挥大厅共有6 个圆形岛区功能席和1 个圆形指挥洽商席，而工作人员就座的方向各异，如何确保任何一名工作人员发言都不会啸叫，提高系统传声增益是一大难题。

（4）指挥大厅所有工作席位需要一边操作一边进行对话，既要求话筒的形态不能干扰正常工作，又要求话筒能够具备大范围拾音性能，还要考虑提到的系统传声增益，因此话筒的选型是一件极其重要且困难的工作。

（5）指挥大厅面积大，人员分散，分布范围广，为使每位人员都能清晰、自然地听到指挥席指令，必须使整个声场分布均匀，这也是一个难点。

为解决好以上5 方面难题，达到预期的设计目标，从建声设计、传声器选型、扬声器选型、扬声器布局、扬声器投射角度和音频信号自动跟随处理等多方面进行综合考虑，最终得到了一套合理的方案。

2.4 混响时间

为了使指挥大厅的声场均匀覆盖且具备较好的声像一致效果，在电声设计过程中，除了设计主扩扬声器之外，往往需要配备多组辅助扬声器进行组合才能实现。但是，随着扬声器数量的增多，STIPA 值随之会下降，从而带来语言清晰度下降的负面影响，如式（1）和式（2）所示［2-5］：

其中：STIPA为语言传输指数；ALCONS%为辅音清晰度损失率百分比；D2为扬声器至最远观众席距离；T60为混响时间；Q为扬声器的指向性因子；为会场体积；M为临界距离修正系数，一般取1；N为扬声器数量。

为避免这个问题，在容积不变的情况下，需要从降低混响时间T60和提高扬声器指向性因子Q两个方面着手解决。下面先从建声设计的角度选择合适的混响时间。

前面已经提到，按照以往建筑声学设计的思路，根据指挥大厅的容积10 500 m3，参照GB/T 50356—2005《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》的对会议厅堂的建声设计要求，容积与混响时间存在如图2 所示的关系。

指挥大厅的混响时间设计值理应落在1.0～1.4 s。但是，大厅主要应用于应急指挥调度，对语言清晰度有很高要求，同时要结合混响时间对清晰度的影响。混响时间对清晰度的影响，如图3 所示。

从图3 可以看出：混响时间在2～5 s 时，对清晰度的影响最大；当混响时间在1～2 s 时，对清晰度的影响有所缓和，但依旧比较明显；当混响时间低于1 s 后，尤其是0.6 s 以下时，对清晰度的影响已经不明显。为了使指挥大厅能获得较好的语言清晰度，最终设定混响时间的设计值RT为（1.0±0.2）s 中频（500 Hz）［2-5］。

为了达到这个设计值，在建声设计中采取了以下吸声措施。

2.4.1 吊顶声处理

顶棚的吸声面积非常大，对整个室内的吸声起着关键作用。因此，处理好顶棚吸声对整个礼堂的声学设计至关重要。经计算分析，如图4 所示，在吊顶内安装100 mm 厚的吸声结构（容重37.5 kg/m3），下铺钢丝网喷黑。此措施对增加低频吸声量、改善混响时间以及提高语言清晰度和语音明晰度具有很好的作用。

2.4.2 墙面声处理

房间平行墙面极易产生颤动回声，引起共振和声染色，破坏听音效果。所以，要对四面墙体装修面进行科学计算和有效推算，预防上述现象的发生。

指挥大厅LED 大屏为充分照顾人眼视角的感受，采用了微弧形的设计方案，从物理上形成了一个声学放射腔。扩声音箱主要暗装在大屏两侧和上下方，因此LED 大屏面墙体的处理极为重要。如图5 所示，LED 大屏面墙体下部及两侧采用强吸音结构——木质吸音板。为照顾美观，选用白枫材质。墙体内部采用100 厚吸音棉处置。LED 大屏面墙体上部选用穿孔吸音板，墙体内部同样采用100 厚吸音棉处理（外包黑色无纺布）。

两侧墙体采用木板共振吸声结构，对防止声音共振和吸收低频具有良好的作用。依据“中场扩散”的原则，为使整个声场更加均匀，防止低频共振，侧墙体使用3 种不同的声学构件，并按照不同的方式有机组合起来，采用穿孔板结构（如图6 所示），通过赫姆霍兹共振原理，将无效的声音通过墙面传递到墙体内，通过墙体内的吸声结构进行吸声，增加吸声量。采用薄木板共振吸声结构具有两个作用：一是使声音扩散，增加早期反射声的能量，使参会人员听到的声音更加自然和舒服；二是增加低频段的吸收力度，利于提高语言清晰度。墙体下方采用木条装饰结构，目的是拓展吸收频带，使整个环境吸收趋于均衡，从而达到良好的扩声环境。

后墙墙面采用数论扩散结构，部分材料开孔率大于25%，内填10 cm 吸声材料，将大厅内的无效的反射声、混响声吸收掉，防止因多次反射造成混响时间过长致使语言浑浊不清，影响语言清晰度指数。

2.4.3 地面声处理

地面采用吸声地毯，主要用于增加高频带吸收量，一定程度上抑制系统的高频啸叫。工程前期进行了大量详细和科学的建声设计，同时实施过程中进行了严格的工艺控制，最终该指挥大厅的混响时间如表2 所示。

表2 指挥大厅最终混响时间

从表2 可以看出，该指挥大厅的实际混响时间完全达到了设计的预期要求，有利于获得较好的语言清晰度。

2.5 扬声器选型

从指挥大厅的空间布局可以看出，大厅宽度近45 m，径深20 m，形状扁宽，主扩扬声器的水平角度需要在122°以上才能充分覆盖全场。因此，为保证大厅实现声场均匀覆盖，不能采用传统点声源进行覆盖。此外，为了提高系统传声增益和语言清晰度，要尽量减少扬声器直达声在墙壁和吊顶的反射。因此，要控制好主扩扬声器的垂直指向性，将直达声控制在有效覆盖区域内。根据以上分析，选择行业内性价比非常高的某线性音柱，将两支线性音柱进行叠加，有效延展了扩声距离，能为会议厅提供优秀的传输频率特性，水平角度可达150°，垂直角度可控制在30°左右，完全满足系统的需求。它的频响特性曲线、阻抗曲线和波束角度随频率的变化曲线如图7 所示。

此外，该厅正前方是一块36.6 m 宽、5.81 m 高的LED 大屏。主扩扬声器组虽能实现较均匀的声场覆盖，但大厅跨度太大，大厅工作人员最终无法识别声音从哪一幅画面出来的，会给应急指挥等工作带来严重的影响。为此，在大屏上下各布置了共5 组声像定位线阵列扬声器，每组扬声器组水平角度可达110°，下方扬声器组垂直角度约10°，上方扬声器组垂直角度约15°，使大厅工作人员可以充分感受到声像一致的效果。尤其是通过数字音频处理器编程，声音可根据画面操控轨迹进行联动，制造出声随画动的立体声效。

由于指挥大厅整个面积已超过1 000 m2，为了便于中央圆形指挥席与6 个圆形岛区功能席的工作人员进行一对一交互，同时不影响其他区域的工作人员，在中央圆形指挥席和功能岛区分别布置了3 组近场交互扬声器，每组水平角度约120°，以实现指挥席人员与功能席人员的快速交互。

2.6 传声器选型

根据用户的使用需求，指挥大厅的发言模式主要有3 种：一是半圆形指挥席人员现场指挥调度功能席、业务席及外场人员；二是中央圆形指挥席人员与圆形岛区功能席人员进行一对一交互；三是指挥人员通过无线话筒在大屏前方的沙盘区进行模拟仿真和讨论交流。因此，选型原则如下：一是确保半圆形指挥席发言的音质和可靠性，确保指令精准传达；二是为其他所有功能席和业务席提供舒适的拾音条件，确保操作和发言两不误；三是在大空间范围内确保无线发言全覆盖，无盲区。

最终，该厅的传声器选型情况如下。

半圆形指挥席采用大振膜双音头电容话筒。该话筒使用2 个14 mm 镀金振膜音头，一个采用数字传输，一个采用模拟传输，可实现单话筒双备份功能，确保在应急指挥过程中指令能得到精准、可靠传达。

功能席和业务席人员配备模拟阵列话筒。该话筒采用麦克风阵列技术，可实现走廊式拾音（如图8所示），最佳拾音范围为30～80 cm。在恒定的声音条件下，它的音量变化仅3 dB 左右。尤其是在发言人转头、前后移动、站立和物体遮挡等情况下，仍能清晰、自然地拾取声音，大大增强了功能席和业务席发言的舒适性，实现了操作和发言两不误。

在大厅配备了2 套无线领夹和4 套无线手持话筒。为确保无线话筒实现全场覆盖、无盲区，在大厅安装了4 个无线话筒接收天线，通过信号混合和分配，可以实现全场无死角覆盖。

2.7 系统结构

由于指挥大厅在新型智慧城市治理中具有非常重要的作用，因此对扩声系统的稳定性、可靠性提出了很高的要求，需要在设计过程中重点设计系统结构。

2.7.1 传声系统

半圆形指挥席的大振膜双音头话筒拾取发言人的声音后，如图9 所示，一方面通过手拉手的连接方式将数字音频信号传输给数字会议主机，数字会议主机经过混音处理后向系统数字调音台输出音频信号，最后输送给主用数字音频处理器进行场景编程和设置，以满足席位的扩声需求。另一方面，每只大振膜双音头话筒的模拟音频信号一一输送给音频网络传输器转换成数字音频网络信号，通过网络传输给控制室的音频网络解码器，经混音后输出给备用数字音频处理器，从而实现两套系统互为备份的目的，大大提升了系统的可靠性。

功能席和业务席人员配备的模拟阵列话筒，是根据项目特殊需求研发的一款新产品。它除了具备模拟话筒的优点之外，在与音频网络传输器和一体化管控平台进行适配后，如图10 所示，可以实现每路话筒的电平监测、数字音频处理、发言模式设置、发言权限管理、故障检测和远程控制等功能，具备了一般模拟话筒和数字会议话筒都不具备的智能管控性能，是扩声系统数字化、网络化和智能化的一个成功应用。

此外，系统配备了2 套无线领夹和4 套无线手持话筒。由于该厅面积很大，为了确保信号的接收质量，系统将2 对接收天线安装于会场，传回控制室后混合，再经放大分配给6 台接收机，从而保证无线话筒在大厅全场使用无盲区，系统连接如图11所示。

2.7.2 音频处理系统

根据指挥大厅扩声系统对输入输出通道和场景模式的使用需求，采用基于集中式的信号处理架构的数字音频处理器，可实现信号分布式接入，并支持均衡、延时、混音、压限以及滤波等各种音频处理插件。最大32 路可路由回声抑制，8 个本地通道卡槽，可实现32 路模拟输入或输出通道，支持64×64 个数字网络音频通道。模块化编程，可根据用户使用场景进行不同模式编程，还可以根据信号源的使用方式进行不同程序处理。尤其是可根据图像移动的轨迹，在处理器内部进行编程，使声音自动追随图像移动，大大方便了系统使用，并大幅提升了系统的扩声质量和效果。

2.7.3 扬声器系统

为实现声场的均匀覆盖，指挥大厅选择线阵音柱为主、辅助扬声器为辅的方式。在提高语言清晰度和系统传声增益方面，选择指向性强的音柱和线阵列辅助扬声器。在实现声像定位方面，采用多组线阵列辅助扬声器来实现。此外，音柱和辅助扬声器之间实际上也是互为备份的关系，一旦某个扬声器出现故障，不会影响整体，仍能维持大厅扩声系统的正常工作。

2.8 扬声器布局

根据指挥大厅的使用需求，考虑语言清晰度、系统传声增益和声场不均匀度等因素，对主扩线阵音柱和声像定位线阵列扬声器进行了科学、合理布局，具体位置如图12 所示。

2.9 声场模拟设计

除了用AUTOCAD 设计扬声器布局之外，还利用先进的EASE 4.3 软件对布局方案进行模拟仿真和效果验证，混响时间则采用指挥大厅的实测值，最后声场模拟情况如图13 所示。

扬声器在指挥大厅仿真模型中渲染后，可以得到一系列的混响声场数据。经过计算与分析，最终得到系统的传输频率特性曲线，如图14 所示。

由传输频率特性曲线图可以看出，在频带125～4 000 Hz内完全满足+4～-6 dB的设计要求。同样，在EASE 中可以逐一验证最大声压级、声场不均匀度和语言清晰度。

3 系统调试

通过EASE 模拟仿真，在对扩声系统设计方案的各项指标进行逐一验证后，确定了扬声器和布局的可行性。在系统实施过程中，严格按照设计的安装高度、位置和角度进行安装。在经过一系列系统初步设置后，下面进行系统调试工作。

3.1 声场实际测量

在对系统进行初步调试后，需全面测量系统发现系统存在的不足，从而为系统下一步的优化调试提供指导。按照国家标准GB/T 4959—1995《厅堂扩声特性测量方法》声场测量点规定，在指挥大厅中轴线一侧区域内的8 个测量点，具体分布如图15所示，测量仪器采用NTi XL2 音频分析仪。

在对扩声系统经过全面测量后，整理和分析了所有数据。

3.1.1 系统传输频率特性

通过电输入法将120～4 000 Hz 的声压级进行算术平均，以此为0 dB 可以得到指挥大厅实际的传输频率特性曲线如图16 所示。

由曲线图可以看出，在120～4 000 Hz 频带内的变化为+3.7～-3.0 dB，结果符合国标GBT28049—2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》会议类一级指标要求的+4～-6 dB 范围，满足设计要求。

另外，将这个曲线与模拟仿真得到的曲线进行对比可以发现，曲线整体走向大致相同，但在个别点出现了较大差异。这是由于模拟仿真输入的混响时间值是实测的平均值，并不能全面、真实反映指挥大厅的建声环境。在今后的模拟仿真过程中，要想使模拟仿真值更接近真实值，需在大厅建声材料上下功夫，使之与真实环境保持一致，以使得到的模拟曲线与实际曲线更接近，更具参考价值。

最后，将实际传输频率特性曲线与混响时间实测值进行对比分析发现，传输频率特性曲线与混响时间的走向保持一致。由于低频测量时存在少量误差和扬声器在高频的较快衰减，导致实际曲线略有误差，属于正常范围。可见，建声环境对传输频率特性的影响非常大，再次印证了建声设计对扩声系统的重要性，是电声设备发挥作用的坚实基础。此外，要达到预期的建声效果，声学装修实施过程中对材料和工艺的严格把控也至关重要［6-10］。

3.1.2 系统传声增益

在系统传声增益测量过程中采用的是声输入法。计算测量数据，可以得到125～4 000 Hz 的平均值为-8.8 dB，满足GB/T 28049—2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》会议类一级指标要求的大于或等于-10 dB 的要求。系统的传声增益的提高主要得益于两个方面：一方面是混响时间得到了较好控制，为扩声系统提供了良好的建声环境，减少了扩声系统对话筒的混响声反馈；另一方面是合理的扬声器选型和布局，即选用了指向性较强、频响特性较好的线阵音柱和线阵列辅助扬声器，并通过合理的布局及组合，大幅降低了扬声器对话筒直达声的反馈。

3.1.3 声场不均度

同样，数据整理后得到了声场不均匀度情况——1 kHz 为5.6 dB，2 kHz 为6.0 dB，4 kHz 为5.3 dB。该结果符合GB/T 28049—2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》会议类一级指标要求的8 dB，同时符合更严格的设计要求6 dB。这个结果主要归结于两个原因：一是扬声器选用线阵音柱和线阵列扬声器，其突出的波束控制特性有利于声音传播得更远，使声场更均匀；二是线阵音柱和线阵列扬声器的合理组合，有效弥补了声场弱区，使全场声压级分布均匀，使工作人员的听感舒适。

3.1.4 最大声压级

测量过程中，为了保护扩声系统，在留有一定余量的情况下，对扩声系统的最大声压级进行测量，较为轻松地获得了有效平均声压级101.4 dB。该值明显高于GBT28049—2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》会议类一级指标要求的98 dB（最大峰值声压级）。

3.1.5 语言清晰度

设计过程中，反复强调指挥大厅重在语言扩声，整个系统的设计也紧紧围绕语言清晰度展开。因此，在测量过程中，语言清晰度是最重要的一个测试项，主要通过测量语言传输指数STIPA来体现，最终测量结果如表3 所示。

表3 语言清晰度测量值表

从测量得到的数值可以看出，STIPA 值最低的是第8 点的0.6，主要是因为多组扬声器交叉覆盖所致，STIPA 值最高的是第7 点的0.75。按照IEC标准及测量仪器NTi XL2 的定义，指挥大厅的语言清晰度属于良（国际标准0.6～0.75 之间属良，国标0.65 以上属优）。指挥大厅建成使用后，全场声音清晰且自然［3-5］。

3.2 系统调整

通过初步测量和数据分析发现了一些问题，通过数字音频处理器，根据使用需求进行细致、深入的调整和优化，并再次测量进行了验证。个别问题经过多次反复测量和调整，最终使系统达到了最佳状态。

3.3 最终效果

经过团队辛勤的设计、实施、测量和调试，指挥大厅的建声环境和扩声效果均达到了设计预期。除自身测量验证通过外，扩声系统也通过了第三方机构的检验，系统运行稳定、可靠，扩声效果优良，得到了用户的高度认可。指挥大厅最终实际效果如图17 所示。

4 结语

通过对深圳城市运营管理中心指挥大厅扩声系统设计、实施、测量和调试的全面叙述可知：建声环境是扩声系统的基础，建声设计对扩声系统设计起着至关重要的作用；扩声系统的结构设计至关重要，是保证系统稳定、可靠运行的关键；传声器和扬声器的选型和布局，是电声设计的重点，直接影响系统的传声增益、语言清晰度和声场不均匀度［6-10］。