公共广播系统声学设计及其相关标准.docx

公共广播系统声学设计及其相关标准一、公共广播系统设计的有关标准随着我国经济进展及有关安全法律法规的日益完善，公共广播（包含背景音乐与紧急广播）的应用日益广泛。但长期以来，国内尚未有一个专门为公共广播制订的技术标准。国家建设部JGJZTI6-92民用建筑电气设计规范中设有“有线广播”（公共广播的旧称）一章，对广播系统的功放功率与天花扬声器功率及设置等作了一些规定。国标GBJlI6-88火灾自动报警设计规范中对火灾事故广播的扬声器与功率放大器等也有一些规定。但上述两个规范均未有专门对公共广播系统的功能、分类、安全要求与声学特性指标与测量方法等作出系统详尽的规定。国家信息产业部2006年6月公布的2006年度电子工程建设标准定额制订修订计划中，提出在2006年6月起着手制订公共广播系统工程技术规范，并要求2007年6月完成报批稿。根据上述安排，由中国电子学会声频工程分会、广州市迪士普公司主编，广州大学声像与灯光技术研究所等参编的公共广播系统工程技术规范近期已完成草案初稿（下列简称“草案”）。本文拟对“草案”中制定的部份条款，与以往颁布的JGJ62-92及GBJII6-88中有关的条款作一些对比（见表1）,重点是对其中有关声学特性指标的内容与工程设计方法作一探讨。表1公共广播系统新旧设计规范部份条款参照表RJ/r1672<Rn版范美条依<At自鲂”&计图BIr美条就socm<公文Ie系统及亢条筑1.旗赊5<a.!3>Mtaf-JRttT<2u-rp=EP.:成中L6®没5*内电牍（u>!Rap.我分防Mrtrrw大龟5”:P,f1交BfiWSgg走KiTU分将的加茶舞系敖；&务比广播K多唐书a皆专E0.2-0.4；骨景音乐隔K.«0.57.6：tt*KKAo.70,：火式S凶广的tK.*1O:LuMlt能*GJKft:切衰题廿隼I26,2«rt<1»：工一物,系数.一到U214.（244®火灾事故广星系献直流通令思的故设Wtr台机9一直长阂AvMT容口的134HtSE.（2443.0火天事故广居”rH.寿不痛小千火灾事故广用帧J»g星大仙315«.（a&4）火灾军内广扃发石用/杏K.左容不应小于火我多的广”帧户WS大的三屉WSS的（4.1动如不咛逢突发公WftarK.剜公我广修6Kfif定怆出6极不小Ii广招悟户号&5率的I3号.（43金火发公共事件第3广届期功率放大UE定州不bf其所翊所育32）*W）J5«.突发公大S件紫金厂局用*大器&w淳总sitQ第蜴所Ir广I分区PH*家铲H的复水.漕不与只海星8千个粮分区的费米.2.除S%g,办公宣.生格*l.*a学.讨初1一榻的怯声也.机斤及2共由端场所的*我吉乐.*r*53一丸<X422>爱建.切.Iek等公攵摘没绒夫事故广KW易.36«不底小于近方w添不废小于加<112>WbWlttMI定协率3<4.&?双发公共作索金广ItflJfir）单个Wd*«$ti>8联动率不小于3R.大*<a.35><4)ew»,1«Sr)MiiiM帧声也吐山却S<it2>工业鱼值内收不的MH.GKie收圮雷内K"ffM激户压CM隔千甘泉所15e.SIfH伴不4度，<a&>及械观田所.*唬不的句度不亶大于&aJUHfteRN42D爱道、大/T、哀"3公文场所.没就故整,后从本层短向声IIe悻行髭离不题过ISU侬过交叉船、拐弯处均恍发愉声制.左道东后一H掘也不大于4<J32>火灾秘广格财险发<1>艮用领内好M）没我.3理和大片寻公文Mi其细B&般伊屏住所收则近F川函步行逐彩御13（43舒康斌.ff.第T等公众摘.悟声的正式,JSlHRitA趣任何邮桢”核打电B不勘115b.在理短文又也恢号处均应发好总A»和tM-H"大干4附件：公共广播系统规范（草案初稿）规定的最大声压级与声场不均匀度指标背景音乐（一级）背景音乐（二级）业务性厂持（一级）业务性厂排（二级）紧急广播（一级）紧急广播（R）最大声压级>80dB>83dB>0dB86dB>86dB声场不均匀度lk6.3KHz范围内(8dBIz4KMn范困内8dBH4KHn范围内48疝从上表可见，“草案”中有关功放功率、扬声器功率与扬声器配置等条款，与前两个规范相比虽有少量调整，但变化不大。而作出较重要变动的内容要紧有两个：第一是将“火灾事故广播”改为“突发公共事件紧急广播“，即把紧急广播的功能由单纯的火灾事故扩展到包含火灾、地震、海啸、反恐等突发事件，从而突出了时代特征。与此同时，对紧急广播用功率放大器的额定功率相应地作了大幅度的提高。旧规范规定“火灾事故广播”设备用的扩音机要求“其容量不应小于火灾事故广播扬声器容量最大的3层中扬声器容量总与的1.5倍”。而“草案”则要求“功率总容量务必满足所有广播分区同时公布紧急广播的要求，而不是只满足若干个相邻分区的要求“，从而确保各类突发公共事件紧急广播有足够充裕的功率贮备。第二是首次将最大声压级、声场不均匀度、总噪声级与传输频率特性等声学特性指标与测量方法列入公共广播系统规范，从而使公共广播系统从设计、施工到调试、测量、验收等整个过程都将有一个比较统一的标准。对，草案，中，最大声压级，一项指标，在讨论过程中有两种不一致的意见，都具备相当充份的论据：一种意见已写入“草案”文件中，即是仿照GB50371-2006厅堂扩声系统设计规范的模式，对不一致类型的公共广播系统进行分类，划分等级，定出最大声压级的指标数值（如N80dB,86dB等）。这种模式可做到设计、验收的指标统一，便于操作，也便于作横向比较。另一种意见则认为公共广播所处声学环境远比通常剧场、会议厅等复杂得多。一个会议室与一个工厂机械加工车间相比，其背景噪声可能相差数十个dB。如按旧标准（JGJ16-92）中的2135条款“声压级比环境噪声大1015dB”（见表1）进行设计，可能效果会好一些。至于背景噪声数值的确定则有“实地测量”与“经验估算''两种途径：实地测量的方法适用于已经投入使用的场所，使用声级计在现场按听者耳朵高度的位置去测量环境噪声；而关于未建成或者未投入使用的场所则只能使用经验估算（查表）的方法。公共区域的典型噪声声压级数值见参考文献3,可供参考。本文在讨论公共广播系统设计方法时，对上述两种意见的方案均有举例，供读者对比参考。二、公共广播系统声学指标的工程设计公共广播系统声学指标的工程设计追求最基本的目标,是要在满足最有效且最经济这两个前提下，确定整个系统所需扬声器的数量、配置（布局）与功率，使覆盖区域达到规范要求的声压级与声场不均匀度等基本声学指标。公共广播与通常厅堂扩声的一个最大不一致点是使用大量分散的扬声器布局，且扬声器通常都比较靠近听音者（最典型是天花扬声器），因此设计计算通常都以直达声场为主，对扩散声场仅略作估算甚至能够忽略，从而使整个计算过程简化。下面讨论天花扬声器定位、天花扬声器功率计算与功率放大器功率计算三项设计内容：（一）、天花扬声器定位设计:天花扬声器定位设计的任务,是使用最少数量的扬声器而能够使收听区域内能获得均匀的声音分布，即具有基本相同的响度。实践证明，关于未通过听觉专门训练的人群，当声压级的变化在3dB以内，人耳基本上觉察不出响度的变化1,以此可作为天花扬声器定位设计的参照依据。图1示出由天花扬声器构成的公共广播系统4,图中扬声器的“有效覆盖角”是以离开扬声器轴心声压级下降6dB的范围。设计时使两个相邻的天花扬声器的覆盖角交点正好位于收听面（图中听者的耳朵）的高度。相同的两个天花扬声器在交叉点的合成使声压级增加3dB,从而使得在整个收听平面范围内的声压级的变化不超过3dBo从图中可得出选择扬声器最佳定位的计算公式：扬声器间距dS=2dLtanO2式中：dL=收听距离，0=扬声器有效覆盖角。工程上常用的天花扬声器覆盖角多在90。左右。将0=90。代入上式可得dS=2dLtan(90o2)=2dL据此可总结出公共广播天花扬声器最佳定位（能获得良好均匀度）的一个经验规律：两个天花扬声器中点之间的距离约等于天花棚顶与收听点之间垂直距离的两倍5。如要作出更精确的设计，则需要确定扬声器覆盖角0的数值，再代入上式，即可算出最佳的dSffio如0=70。，可算出dS=1.4dL；=100o,可算出dS=2.384dL等等。设计中还有一个收听距离dL的选择问题。通常收听距离dL是直接取天花与地面的垂直高度。较精确的计算应当取天花与收听者（立姿或者坐姿）耳朵之间的垂直距离。下面举一实例：某餐厅的天花板离地面高度为2.9m,关于坐姿的人群，耳朵距地面平均高度约为Llm,离天花棚顶平均高度约为2.9-1.1=1.8m,由此可推算出合适的扬声器间距约为2×1.8=3.6mo上述计算结果还必需参照“草案”的第（4.3.8）条款，假如未能达到紧急广播强制性要求的15m、8m等间距（见表1）,则必需按该条款作出调整。本例算出的3.6m间距远小于上述要求，故无需改动。（二卜天花扬声器功率计算：决定扬声器的定位后,需要计算每个扬声器的功率。下面介绍公式计算与查表计算两种方法。1.公式计算法3：根据电声学理论，扬声器覆盖区的声压级SPL与扬声器的灵敏度级Lm、馈给扬声器的电功率P与听音点与扬声器的距离r等有如下关系：SPL=Lm+IOlgP-201grdB设计时，通常是根据该公共广播系统的类型与等级（见表1）确定最大声压级SPL的值（dB）,再将听音距离r与扬声器灵敏度级Lm（可预选或者设定）代入上式，即可算出应馈给扬声器的电功率值。举例：设计一个背景音乐（二级）系统，要求最大声压级80dB,听音距离最远为8m,预选扬声器灵敏度级为90dBWm,代入上式即可算出扬声器功率约为6.3Wo以上估算未考虑早期反射声群与邻近扬声器的奉献。在室内，早期反射声群与邻近扬声器的奉献可使声压级增加23dB左右。2、查表计算法5：根据图2可查出随供声距离（D）增加的声压级（dB）下降值。根据图3可查出随功率（P）增加的声压级（dB）增加值。举例：一个灵敏度级为94dBWm的天花扬声器装在一间办公室覆盖一个区域，用声级计在现场测出环境噪声为72dBA°按JGJ/T16-92要求，设计的声压级应比环境噪声大1015dB,即取8287dB.而本例比较特殊，用户要求该办公室达到极佳的可闻度，为此需要再增加IOdB,即声压级设计为72+25=97dB°已知天花扬声器距听者耳朵约1.8m,从图2查出约需增加5.2dB,这意味着扬声器务必提供97+5.2=102.2dB才能在1.8m距离处使听者的耳朵得到97dB的声压级。扬声器声压级从94dB增加到102.2dB,即增加了102.2-94=8.2dBi,查图3可得出扬声器所需功率为6.6W,取整数选7W或者8W。上述计算结果还必需参照“草案”的第（4.3.7）条款，假如未能达到紧急广播强制性要求的3W功率（见表1）,则必需按该条款作出调整。本例算出的6.6W功率大于上述要求，故无需改动。（三人功率放大器的功率计算：公共广播功率放大器的功率计算可参照“草案”第（4.2.8）条：“功率放大器的额定功率应不小于广播扬声器总功率的1.3倍”（见表1）设计。突发公共事件紧急广播功率放大器的功率计算则参照“草案”第（4.3.3）条：“紧急广播功率放大器的额定功率应不小于其所驱动的所有扬声器功率总与的L5倍”（见表1）设计。此类计算比较简单，从略。图1人花扬声器最佳定位14