基于声场控制技术的铁路客站广播系统设计优化

何泉勃

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引 言

作为大型建筑音质设计的一项重要新技术，声场控制技术近年来在欧美、日本等发达地区日益引起人们的重视。该技术利用电声方法，结合建筑装修条件，对混响时间和反射声等室内声场特性进行控制，以追求更高的语言清晰度、均匀的声压分布以及良好的声音自然感。现代电声技术，尤其是数字信号处理技术的迅速发展，使得对声音信号附加混响和信号延迟更易实现，从而也使得声场控制技术获得愈加广泛的应用。

目前，国内外铁路已有声场控制的基础理论，但由于我国铁路客站尤其是特大型站空间体量巨大，通常可达百万立方米级别，属于超大体积空间，声音平均自由程远超一般厅堂，因此此类规模的声学理论研究与设计经验相对有限。此外，由于车站聚集人员众多、背景噪声大，加之实际设计建设中，扬声器的选型、布局有时不尽合理，造成声波多次反射延迟，会引起声音叠加、聚焦、共振甚至回声等现象，降低声音清晰度和声像定位，严重影响旅客的听觉感受和运营服务质量。因此，如何利用声场控制技术，通过声场模拟和仿真测试优化铁路客站广播系统设计，以保证较好的音响效果，显得极为重要。

1 声场控制技术

传统的扩声技术采用功率放大器将声源所发出的较弱声音信号进行接收、放大，并通过扬声器传播给听众。而声场控制作为一种先进的有源控制技术，是对厅堂音质进行电声控制，使之产生所需的声场特性。从广义上说，声场控制技术按照控制对象的不同可分为声场合成、声场效果以及声场支援3 类[1]。

1.1 声场合成

声场合成是一种基于物理声场精确重构的声音重现方法。它以惠更斯原理为基础，可在消声或强吸声处理的房间内创造任意声场，能够为听众带来沉浸式的音频体验[2]，主要应用于乐器研究开发、音响设计、专业录音及虚拟会议等。

1.2 声场效果

声场效果主要是指在音乐剧场或影院内获得一定声场的演出效果[1]。其控制对象包括舞台空间音质、剧场环绕感等，其研究方向专注于剧场影院自然而强烈的音效以及音视频同步控制等。

1.3 声场支援

声场支援定义为根据既成的室内建筑条件进行广播系统音响的音量感、混响感、空间感及自然感等的控制[1]。通常可从建筑声学和电声技术两方面对室内声场或音质进行有效控制，体现在具体技术参数上，则是结合建筑结构和装修材料，利用电声方法对厅堂内的各项声学评价指标进行控制，以达到与建筑条件和应用场景相适应的音响效果。对于工程设计建设，特别是铁路客站、体育馆、礼堂、多功能厅等大体积空间，声场控制往往是指声场支援。

2 声学评价指标

声学评价的主流指标包括混响时间、声压级、声场不均匀度、传输频率特性以及语音传输指数等。针对铁路客站大空间居多、背景噪声明显的特征，应备声压级、声场不均匀度、漏出声衰减以及语音清晰度是评价一个广播系统健壮性的主要标准。

2.1 应备声压级

在广播服务区内，稳态下应能具备的广播声压级的有效平均值，被称为应备声压级[3]。如该项指标不达标，将直接导致广播系统形同虚设，广播声音被背景噪声所抵消。一般情况下，要求应备声压级高于背景噪声9 dB 以上。

2.2 声场不均匀度

声场不均匀度是指在广播服务区各处测量声压级，所能测得的最大差值[3]。它用来反映音质差异。不均匀度越小，意味着听音区的声场强度一致性越好。在铁路客站，旅客聚集位置和高度是广播系统的重点听音区，要首先保证此类位置的均匀度。

2.3 漏出声衰减

漏出声衰减定义为：广播系统应备声压级与距离广播服务区界限以外30 m 处的声压级之间的差值[3]。该指标反映广播系统对服务区外的影响程度，指标设置的目的是将电声资源集中应用于服务区内，从而降低对服务区外的干扰。

2.4 语音传输指数

语音传输指数（Speech Transmission Index，STI）是评价语言可懂度的客观参量，是基于语言信号调制指数在传输过程中的变化而导出的[3]。该指标用以衡量人耳分辨语音的程度，决定了旅客是否能够听到有效音频，而不是无意义的噪声。语音传输指数STI 普遍使用Peutz 公式进行预测计算：

式中：D2为扬声器与最远听众距离，T60为混响时间，N为扬声器数量，Q为扬声器指向性因子，V为厅堂容积；M为临界距离Dr修正值，一般取值为1。

从公式可以看出，在站房空间、工程投资一定的情况下，可通过分散供声（即减小D2值），定向传声（即增大Q值）或增加总吸声量（即减小混响时间T60值）的方式提高语音清晰度。

现行《公共广播系统工程技术标准》（GB/T 50526—2021）对业务广播系统电声性能指标的规定如表1 所示。

表1 业务广播系统电声性能国家标准

目前，铁路行业暂无客站声场标准。根据原铁道部相关部门组织研究积累的基础数据，一般认为混响时间小于6 s，STI 值大于0.4，主观评价的广播语音效果就比较清晰。该评价大致可对应国标中的二级业务广播系统标准。

铁路客运部门采用主动广播模式实时向车站旅客和工作人员发布到发通告信息，并在发生火灾、地震等紧急情况下播放应急广播[4]，可引起包括视觉残疾在内的全体旅客注意，在旅客综合信息系统中扮演重要的角色。但如果播报信息音量小、音效差，则这些重要作用将无从谈起。因此，根据上述理论基础可知，铁路客站声学设计的原则是在保证声压级达标的前提下，尽量减少混响时间和不同广播分区之间的声音交叉干扰，降低声场不均匀度，提升语言清晰度，将关键信息清晰准确地传达给听众。

3 声场仿真设计

扬声器的数量、布点及选型直接影响服务区内的声场效果，并与工程投资紧密相关。广播系统的其他组成部分，诸如控制处理设备、功率放大器及系统布线等，也需基于扬声器的配置方案开展设计[5]。因此，设计广播系统时，应优先考虑扬声器选型及布点问题。

工程设计阶段，铁路客站尚未开始建设，但建筑装修的设计出图时间先于广播系统，因此可基于声学理论，采用计算机仿真软件构建建筑模型，贴附装修材质，模拟不同扬声器和布置方案下的客观声学指标，进行对比分析。依据分析结果评判声场音质概况，从而确定扬声器选型、布点及安装角度的合理性，优化设计方案。本文以南宁东站为例进行声场仿真设计。

4 仿真测试软件

优秀的仿真测试软件可充分还原建声环境，准确反映扬声器选型和布点方案所产生的声学评价指标，提供量化处理结果，并展示清晰的可视化界面。自20 世纪90 年代以来，国际知名的声学设计公司和高校研究所相继开发出多种声场仿真测试软件，并不断完善算法、更新换代。比较知名的软件有美国BOSE 公司的The BOSE Speaker，飞利浦公司的The PHD Program，丹麦技术大学的Odeon以及德国ADA 公司的EASE 等软件。

其中，EASE 软件的扬声器数据库涵盖了众多主流厂商的系列产品，在大空间环境下的计算结果与实际测试结果较为接近，较其他同类软件功能更为丰富、模拟精度高、操作维护简单，在近年来的国际声学行业对比论证中得到多方认可，具有较高的可信度，已得到广泛应用。因此，本文采用EASE软件进行南宁东站的声场建模和仿真测试。

5 建声环境分析

南宁东站站房面积约12 万m2，覆盖13 个站台，由高架层、站台层、出站层及高架夹层等构成，设有进站集散厅4 处、售票厅4 处、检票口22 个、候车区12 个，以及贵宾厅、旅客服务厅若干，旅客高峰小时发送量约1.8 万人。

其中，高架候车厅开间414 m，进深150 m，高度23 m，体积约142 万m3，运营期平均背景噪音约75 dB。室内以灰麻石材铺垫地面，墙面以白麻/玻璃幕墙为主，顶棚为铝合金面板装饰。主要装饰材料的吸音系数如表2 所示。

表2 主要装饰材料的吸音系数

模拟分析需考虑反射音、间接音、吸音材料及墙壁等影响因素，避免因装修条件不同而影响仿真测试结果。此处以典型的高架候车区为例建立三维模型，听声高度设定为1.2 m，完成对应备声压级、声场不均匀度、漏出声衰减以及语音清晰度等指标的仿真测试。南宁东站高架候车区实景如图1所示，三维建模如图2 所示。

图1 高架层实景图

图2 高架层三维建模

6 仿真测试比选

从声学评价指标要求可知，前端设备选型应根据所在区域的空间结构，尽量选择声压级较高、声场均匀度较好的扬声器；布置设备时，应符合分散供声和定向传声的原则，以提高语音清晰度。

由于南宁东站高架候车区室内空间巨大、吊顶高、开间宽，无法选用吸顶式扬声器，如采用传统的壁挂式扬声器，可能导致候车厅两侧声压级过大而中部声压级过低的情况出现。因此，考虑采用指向性或有源线阵列扬声器。其中，指向性扬声器能定向发射声波，传播距离较远，并可产生虚拟声源[6]；有源线阵列扬声器具有声场覆盖均匀、垂直指向性强及声能衰减较小等特点，可通过内置的DSP 数字音频处理器和多通道功率放大器有效控制频率均衡及延时，监测背景环境噪声，自动调节输出增益或衰减。两者的特性对比如表3 所示。

表3 扬声器特性对比

针对高架候车区建筑装饰材料特性，选择上述2 种扬声器作为比选方案，将其分别导入三维模型中进行布局，通过设定软件参数，选取对清晰度贡献较大（接近70%）的3 个倍频带500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz 作为仿真声波的输入频率完成测试，生成测试数据和声压分布图、柱状图以及辅音清晰度损失率分布图等指标性图表，用于选取声学评价更优的方案以指导工程设计，具体情况如下。

6.1 方案一——指向性扬声器

特大型站高架层候车厅扬声器多设于立柱、侧壁或高度适宜且便于安装的位置，一般不悬挂在吊顶处。根据分散供声原则，结合南宁东站候车区开间大小和旅客听声高度，统一选用50 W 指向性扬声器，设置在检票口结构顶部（高度约5 m），角度调向各站台候车区进行对射，相邻扬声器横向间距为63 m，纵向间距为22 m/33 m，使得服务区与声源的平均距离较短，能充分获得直达声。由于声场内由扬声器发出的声能中，对语言清晰度起主导作用的是直达声部分，因此采用此布局更有利于削弱混响声的干扰，保障语言清晰度。方案一在仿真测试软件内的截图如图3 所示，其中小方格示意50 W指向性扬声器，放射状粗线段示意声场覆盖范围及指向。

图3 方案一在仿真测试软件的截图

软件参数的设置选项较为丰富，主要包括声压级（SPL）、相位（Phase）、滤波、扬声器类型及坐标等参数，如图4 所示。

图4 方案一软件参数设置

通过仿真测试可自动生成直达声声压级、应备声压级、语音传输指数（STI）及漏出声衰减等各项声学评价指标数据，结果如表4 所示，并以直观的分布图、柱状图的形式加以呈现，如图5、图6 所示。

表4 方案一声场模拟结果比照

图5 1 000 Hz 应备声压级分布图

图6 1 000 Hz 应备声压柱状图

由表4 可知，方案一应备声压级偏小，声场不均匀度偏高，漏出声衰减偏小，语音清晰度偏低，仿真测试结果不满足国标二级业务广播系统标准要求。

6.2 方案二——有源线阵列扬声器方案

相邻扬声器的布设间距会对声场不均匀度、语言清晰度及混响时间等产生影响。通常情况下，布设间距越大，扬声器之间的交叉影响越小，混响时间越短，语言清晰度也就越高。然而，在增大间距的同时，也会带来声场均匀度变差、服务区内信噪比降低等问题。

因此，综合考虑扬声器功率、指向特性、覆盖角度、声场均匀度以及语音清晰度等因素，选用 500 W 线阵列扬声器，安装在结构柱4 m 高处，以减小收听区域与声源间的距离，达到声源有效半径之内。扬声器采用“Z”字型排列分散式布局，在保证声场均匀度和信噪比的前提下适当拉开间距，相邻设置点的柱间距在108～122 m，设备布置如图7 所示，图中小方格用于示意500 W 线阵列扬声器，放射状粗线段用于示意声场覆盖范围及指向。如此布局，既能保证候车厅内各听音位置都能获得均匀的响度和语音清晰度，又可为工程节约成本。此外，在线阵列扬声器声场覆盖较弱的区域，适当增加小型辅助扬声器作为补充，从而实现高架候车区声场全覆盖。

图7 方案二仿真测试软件截图

采用前文所述的仿真测试过程，方案二通过软件参数设定，即可生成各项声学评价指标数据，结果如表5 所示，相应的指标分布图和柱状图如图8、图9 所示。

图8 方案二语音传输指数分布图

图9 方案二语音传输指数柱状图

由表5 可知，方案二的应备声压级、声场不均匀度、漏出声衰减及语音清晰度等性能指标的仿真测试结果均满足国标二级业务广播系统标准要求。仿真测试结果说明，方案二的各项电声性指标均优于方案一，设备选型和布局更适合高架候车区应用场景，可指导该区域扬声器选型和布点设计。

表5 方案二声场模拟结果比照

7 设计优化及声场检测验证

类似地，利用EASE 软件对进站集散厅、售票厅及出站厅等大空间区域的扬声器比选方案依次进行仿真测试，即可根据测试结果实现对南宁东站广播系统的整体设计优化。优化后，站房各区域扬声器选型及布点原则总结如表6 所示。

表6 南宁东站各区域扬声器选型布点表

南宁东站广播系统的优化设计方案现已付诸实施，并通过国家建筑工程质量监督检验中心的专业检测，声场覆盖范围、应备声压级、声场不均匀度以及语音传输指数等指标的实测数据均满足国家标准相关要求，系统运行至今语音清晰、声场效果良好。

8 结 语

通过南宁东站的工程实践证明，声场控制技术可为铁路客站广播系统设计提供标准化、低成本、依据性较强的理论参考，并利用计算机模拟仿真得到充分论证，能够很大程度上修正盲目依靠经验、脱离实际、刀耕火种的传统做法，提升声学设计水平；同时保证了基建工程一步到位的声场效果，避免运营使用中因不满足实际需要而导致的工程二次投资，因此具有广阔的应用前景。然而，由于目前铁路客站墙面和地面多采用大理石、玻璃幕墙、金属型材等吸音系数较低的装饰材质，导致大空间混响时间长，驻波严重，建声环境较差。建议在今后的工程设计建设中，适时将声场分析结论反馈建筑装修专业，争取在满足功能及美观要求的基础上，尽量选用吸音效果较好的材质或进行吸音处理，从而改善铁路客站室内声环境，进一步提升广播音效，为旅客提供更好的服务。