基于城市轨道交通场景的平面扬声器声场覆盖数字化分析.pdf
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1、2023 年 11 月基于城市轨道交通场景的平面扬声器声场覆盖数字化分析龚小聪袁牛晖萍(广州地铁集团有限公司,广东 广州 510000)【摘要】轨道交通广播系统普遍采用吸顶式扬声器袁其发声原理和布点方式导致出现系统施工布线复杂尧维护量大尧声场指向性差尧衰减大等不利因素遥平面扬声器的发声原理与吸顶式扬声器有本质区别袁平面扬声器通过嵌入电路的平面振动膜技术袁从理论上可以规避上述问题遥通过对平面扬声器在轨道交通车站的声场模型进行数据仿真袁对主要声学指标进行量化分析袁并结合数据仿真进行现场测试尧验证袁旨在为平面扬声器在轨道交通领域的应用提供理论及实践参考遥【关键词】交通曰扬声器曰数字化【中图分类号】T
2、N643【文献标识码】A【文章编号】1006-4222(2023)11-0184-030 引言广播系统是轨道交通通信系统的重要组成部分,除了负责日常运营信息发布,还负责紧急疏散语音信息发布。车站站厅、站台公共区通常采用吸顶式扬声器,以小功率、大密度的布置方式实现声场覆盖。吸顶式扬声器采用锥形音盆振膜震动发声、球面波传播,由于结构原因,振膜会造成前室效应、分割震动、相位差等,引起声场频响特性变化、声音失真等现象,对日常运营及紧急疏散语音信息发布造成不利影响1。平面扬声器的典型特征是采用平面振动膜技术,其振膜震动方向、声场传播方式与传统锥形振膜不同,具有指向性好、声场衰减小、保真度高等特点。由于平
3、面扬声器采用平面结构,平面扬声器外形较薄,安装时可以与导向、天花等结合。本文以 8A 编组车站为仿真对象,对平面扬声器、吸顶扬声器的主要声学特性指标进行量化分析、对比,得到理论上的声场特性评价,选取广州地铁 18 号线南村万博站进行现场测试。主要技术路线如下:淤建立8A 车站建筑模型,根据平面扬声器期望声学特性加载声源。于根据清晰度损失率数值仿真得到语言清晰度评价;根据快速语言清晰度指数进行数值仿真,得到语音可懂度评价;对不同频率下声压级进行数值仿真,得到声场平均声压级。盂根据上述仿真得到平面扬声器理想布置方案并进行现场测试。榆根据仿真及测试结果获得平面扬声器安装标准及相关建议。1 声学仿真理
4、论基础1.1 声学评价指标结合轨道交通场景,针对平面扬声器的数字化分析围绕以下 3 个关键指标进行。1.1.1 声压级分布要求声压级是反映声信号强弱的一个基本参量,其含义是负载中某一点的声压 P2与基准声压 P02的比值,计量单位为 dB。声压级的计算公式如下:SPL=10 log10P2P02。(1)只有听众听到的声源信息声压级高于背景噪声声压级 10 dB,才能获得比较高的信噪比,得到良好的语音清晰度。一般公共广播系统声压级应满足三级紧急广播系统不低于 86 dB 的要求2。1.1.2 辅音清晰度损失率人们讲话发声的元音(a、i、u、e、o 等)比辅音(b、p、m、f 等)能量高 6 dB
5、 左右(即 4 倍),辅音是比较短促的声音,发声时长一般在 20 ms 左右,而元音则在90 ms 左右,所以,往往会出现因辅音听不清楚而影响语言清晰度的情况。辅音损失率越小,清晰度越高。辅音清晰度损失率计算公式如式(2)所示。ALCONS%=200 D22T602 NQ v-M。(2)式中:ALCONS%辅音清晰度损失率百分比;D2扬声器至最远听众距离;T60建筑物建筑声学混响时间;Q扬声器的指向性因子;N扬声器数量;v建筑物容积;M临界距离修正系数,一般取 1。ALCONS%=15%为语言清晰度的临界值;辅音清晰度损失率参考值应小于 15%,才能达到清晰的效果。1.1.3 快速语言清晰度渊
6、RASTI冤要求RASTI 是一个重要的语音音质评价指标,是语音的接收者正确听到的音节数量总和与发声者发出的音节总和的比。所有广播应至少满足 RASTI 为0.45 的要求。为了方便测量和计算,在实际使用中往往将专题综述1842023 年 11 月500 Hz 和 2 000 Hz 声源的语言清晰度(STI)值进行平均,将得到的 RASTI 作为评估语言清晰度的通用指标。RASTI 指数达到 0.40.6 时,语言清晰度可以达到较好的状态,超过 0.6 则是极好的状态,若RASTI 指数低于 0.2,将很难分辨声源的语音内容。1.2 声学模型根据声音的产生及其在介质中传播形式(几何形态)的不同
7、,可以分为点声源、线声源和面声源。吸顶式扬声器产生声波在自由场中的传播可以看成典型的点声源声场,平面扬声器所产生声波在自由场中的传播可以看成线声源或面声源声场3。1.2.1 点声源点声源产生的声波在自由场中以球面波的方式传播,当测试点距圆心距离与参考点距圆心距离相比增加一倍时,其球体表面积为参考点处表面积的4 倍。以此为依据,测试点的声压级可按式(3)计算:SPLa=SPLb-20log10(Ra/Rb)。(3)式中:SPLa测试点 a 的声压级;SPLb参考点b 的声压级;Ra测试点 a 距扬声器的距离;Rb参考点 b 距扬声器的距离。1.2.2 线声源线声源产生的声波在自由场中以平面波的方
8、式传播,当测试点距圆心距离与参考点距圆心距离相比增加 1 倍时,其球体表面积为参考点处表面积的2 倍。以此为依据,测试点的声压级可按式(4)计算:SPLa=SPLb-10log10(Ra/Rb)。(4)2 车站声学仿真及分析以广州地铁 18 号线南村万博站为参考,站厅公共区按 150 m伊30 m 考虑,站台公共区按 180 m伊12 m考虑。平面扬声器横向间距约 35 m,车站建筑结构的站厅纵向间距为 11 m,站台纵向间距为 9 m。基于EASE 的建筑 3D 模型,仿真 70 dB 噪声标准环境下的辅音清晰度损失率、快速语言清晰度指数和 5002 000 Hz 声源的声压级。建筑环境地板
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