鐵路車站候車廳混響控制及廣播清晰度影響分析

李志強(qiáng)，劉蘭華

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

車站候車廳屬于典型的大空間廳堂建筑，是鐵路人員密集的重要場所之一，其聲環(huán)境質(zhì)量對旅客候車體驗有重要影響。根據(jù)現(xiàn)場試驗和主觀調(diào)研情況，由于缺少聲學(xué)設(shè)計，我國部分鐵路車站候車廳存在噪聲水平高、混響時間長、廣播清晰度較差等聲環(huán)境問題[1-3]。文獻(xiàn)[2]通過分析旅客對背景噪聲、混響及廣播清晰度之間感受的關(guān)系認(rèn)為，混響聲是引起候車廳內(nèi)總體噪聲水平較高的重要因素，二者共同作用又是導(dǎo)致廣播清晰度較差的重要原因。因此，鐵路候車廳聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)重點對其混響影響進(jìn)行有效控制。

《鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范》(TB 10100—2018)[4]提出鐵路客運站應(yīng)根據(jù)站房規(guī)模進(jìn)行必要的聲學(xué)設(shè)計，對于容積不超過100萬m3的站房，500 Hz混響時間宜不超過4 s；容積超過100萬m3的站房，500 Hz混響時間宜不超過5.5 s。語言傳輸指數(shù)(STI)是反映廣播清晰度和廣播有效性的重要指數(shù)，雖然《鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范》未明確站房內(nèi)廣播STI設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但在《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50526—2021)[5]中規(guī)定，對于一級業(yè)務(wù)廣播STI應(yīng)不小于0.55，二級業(yè)務(wù)廣播STI不小于0.45，三級業(yè)務(wù)廣播STI不小于0.40。國內(nèi)學(xué)者對我國部分車站的試驗調(diào)研結(jié)果顯示，若不采取合理的聲學(xué)優(yōu)化措施，候車廳內(nèi)混響時間和STI均存在不滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求的情況[6-8]。本文以混響聲影響明顯的某車站候車廳為研究對象，通過現(xiàn)場試驗和仿真分析的方法研究了候車廳混響及其控制對廣播清晰度的影響規(guī)律，并分析了聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計對提升廣播系統(tǒng)清晰度的有效性。

1 候車廳內(nèi)部環(huán)境特征及聲學(xué)仿真模型

以國內(nèi)某線側(cè)站廳一體地面車站候車廳為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場走訪和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該車站候車廳內(nèi)混響聲較突出，車站工作人員及旅客均反映廣播較長或工作人員語速較快時難以聽清廣播內(nèi)容。該車站候車廳為典型的長方體對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部尺寸70 m×35 m×18 m(長×寬×高)，地面及南墻、北墻面以光滑的大理石板為主，東墻、西墻面主要由不同尺寸的玻璃門窗等組成，所使用的裝修材料吸聲系數(shù)低是導(dǎo)致該車站混響聲明顯的重要因素。該候車廳內(nèi)廣播系統(tǒng)是由對稱的8個揚聲器組成的分布式投射系統(tǒng)，揚聲器均位于東西兩墻面上，高度為6 m，聲軸斜向下約20°方向。根據(jù)候車廳尺寸和內(nèi)部聲學(xué)邊界條件，忽略候車廳內(nèi)部的小商店、安檢設(shè)備、座椅、圍欄、電梯等影響較小的結(jié)構(gòu)，建立該候車廳的三維聲學(xué)仿真模型如圖1所示(圖中白色部分為玻璃，其余部分為大理石)。

2 候車廳混響時間及STI現(xiàn)狀分析

由于該候車廳空間較大，單個球形聲源難以產(chǎn)生高于背景噪聲60 dB以上的混響聲場。因此，首先利用中斷聲源法測試該候車廳內(nèi)100～5 000 Hz的混響時間T30，進(jìn)而換算得到T60的值。現(xiàn)場測試照片如圖2所示，測試過程中使用1個球形聲源、4個接收傳感器，共進(jìn)行3次試驗，通過對12組混響時間頻譜做算數(shù)平均得到候車廳內(nèi)平均混響時間頻譜。同時，利用候車廳聲學(xué)仿真模型開展仿真計算，得到相應(yīng)頻段混響時間的計算結(jié)果，測試與計算結(jié)果對比如圖3所示。

圖2 候車廳內(nèi)混響時間測試照片

圖3 候車廳混響時間測試與計算結(jié)果對比

圖3中利用室內(nèi)聲學(xué)軟件仿真得到的混響時間與實測平均混響時間頻譜特性基本一致，均表現(xiàn)為低頻、高頻段混響時間相對較短，中頻段混響時間相對較長。根據(jù)賽賓公式，高頻段混響時間相對較短與空氣粘滯阻力導(dǎo)致高頻噪聲衰減較快有關(guān)，而低頻段混響時間相對較短可能與低頻聲更易由玻璃門窗透射至候車廳外有關(guān)。

在中心頻率125 Hz處實測混響時間大于仿真結(jié)果，與鄰近頻段相比也更長，根據(jù)夾膠玻璃隔聲量頻譜特性測試結(jié)果[9]分析，125 Hz位于模態(tài)共振控制區(qū)起始頻率附近，隔聲量呈上下劇烈起伏形態(tài)，該頻段易出現(xiàn)隔聲量極大值，此時聲能透射衰減相對較慢。

候車廳實測及仿真的混響時間在100～5 000 Hz頻段均大于4 s，在500 Hz處為10 s左右，大于《鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的不大于4 s標(biāo)準(zhǔn)要求，而且人語言聲主頻段315～2 000 Hz的混響時間為8～12 s，該候車廳混響時間的頻譜特性決定了混響聲會對廣播系統(tǒng)的清晰度產(chǎn)生較大影響。對當(dāng)前候車廳內(nèi)STI開展仿真計算并統(tǒng)計不同STI的面積占比，如圖4所示。候車廳內(nèi)各區(qū)域STI均低于《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》三級業(yè)務(wù)廣播STI的限值要求，反映了候車廳內(nèi)廣播系統(tǒng)清晰度較差，與旅客及車站人員的主觀感受一致。

圖4 候車廳內(nèi)STI面積分布

3 候車廳混響時間及STI控制及效果分析

《鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范》中給出了500 Hz處混響時間的推薦限值，對2種不同的混響時間優(yōu)化方法進(jìn)行對比，從混響時間控制頻段對STI的影響效果角度仿真分析不同方法的有效性。

方法一：候車廳頂部安裝鋁穿孔板吸聲吊頂。該方法的優(yōu)點是穿孔板與背襯均為薄金屬板，具有質(zhì)輕、阻燃、環(huán)保、可回收的優(yōu)點。所使用的鋁穿孔板穿孔率為1.4%，板后空腔為20 cm，其吸聲特性測試數(shù)據(jù)如圖5所示，主要在低頻段有較高的吸聲性能。

圖5 鋁穿孔板吊頂吸聲特性

方法二：候車廳頂部安裝玻纖瓦狀浮云板吊頂。所使用的浮云板內(nèi)吸聲材料為玻璃纖維吸聲板，其吸聲特性測試數(shù)據(jù)如圖6所示，主要在中高頻段有較高的吸聲系數(shù)。

圖6 浮云板吊頂吸聲特性

對上述2種候車廳吊頂聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計方法的效果進(jìn)行計算，得到優(yōu)化后的候車廳混響時間頻譜特性如圖7所示。根據(jù)圖7，采取方法一的鋁穿孔板吊頂和方法二的玻纖瓦狀浮云板吊頂均可使500 Hz處混響時間低于4 s，滿足《鐵路旅客車站設(shè)計規(guī)范》的限值要求，但方法一在中高頻段混響時間大于4 s，方法二在低頻段混響時間大于4 s。

圖7 聲學(xué)優(yōu)化后候車廳內(nèi)混響時間變化

為分析2種方法對改善候車廳內(nèi)廣播清晰度的有效性，對不同優(yōu)化方法下的廣播系統(tǒng)清晰度開展計算，得到候車廳內(nèi)STI分布結(jié)果(見圖8)。根據(jù)圖8可知，雖然2種聲學(xué)優(yōu)化方法均可實現(xiàn)500 Hz混響時間達(dá)標(biāo)，但受主要優(yōu)化頻段差異的影響，廣播系統(tǒng)清晰度有較大區(qū)別，即方法一優(yōu)化后中高頻段混響時間仍偏高，候車廳內(nèi)不到一半的區(qū)域達(dá)到了三級業(yè)務(wù)廣播STI標(biāo)準(zhǔn)要求；方法二的有效作用頻段與人語言聲的主要頻段吻合，優(yōu)化后廣播系統(tǒng)的清晰度有大幅改善，候車廳各區(qū)域均達(dá)到了二級業(yè)務(wù)廣播STI標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 不同聲學(xué)優(yōu)化方法的STI分布對比

4 全頻段的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計

上述候車廳聲學(xué)優(yōu)化方法二對提升候車廳廣播清晰度起到了顯著效果，但對低頻混響聲的控制并不理想，中高頻混響聲降低后可能導(dǎo)致旅客對低頻噪聲的感受突出，耳中產(chǎn)生不適感。為同時控制低頻段噪聲，擬在方法二的基礎(chǔ)上結(jié)合墻壁裝飾進(jìn)一步開展低頻優(yōu)化設(shè)計。木格柵是建筑設(shè)計中常用的結(jié)構(gòu)，其不僅可以美化建筑墻壁、降低廳堂墻壁的堅硬感，通過合理調(diào)整其木板寬度和間隔，還能起到調(diào)節(jié)光線和吸聲的作用。根據(jù)圖7中的混響時間曲線可知，使用玻纖瓦狀浮云板優(yōu)化后在250 Hz頻段附近的混響時間偏長，故對木格柵的設(shè)計主要以提升該頻段吸聲系數(shù)為主。最終設(shè)計和選用的木格柵吸聲特性如圖9所示。為避免應(yīng)用木格柵后中高頻段混響時間過短，全頻段聲學(xué)優(yōu)化方案中適當(dāng)減小浮云板面積，使其主要位于座椅區(qū)上方空間，圖10為該方案的示意。

圖9 木格柵吸聲系數(shù)

圖10 全頻段聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計方案示意

對該候車廳采取全頻段聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計后，計算得到其混響時間頻譜特性(見圖11)，在100～5 000 Hz頻段內(nèi)混響時間介于2～4 s之間，并隨頻率變化起伏較小。計算得到候車廳內(nèi)STI分布比例如圖12所示，在候車廳各位置處的STI均大于0.45，達(dá)到二級業(yè)務(wù)廣播STI要求，且STI不小于0.5的面積相對于方法二的優(yōu)化方案有所擴(kuò)大，候車廳內(nèi)廣播清晰度得到進(jìn)一步改善。

圖11 全頻段聲學(xué)優(yōu)化后混響時間特性

圖12 全頻段聲學(xué)優(yōu)化后STI分布占比

5 結(jié)論

通過對我國某鐵路車站候車廳混響影響和廣播系統(tǒng)清晰度開展試驗和仿真研究，得到以下主要結(jié)論。

（1）以吸聲系數(shù)較小的大理石、玻璃等作為主要裝修材質(zhì)的候車廳內(nèi)混響時間過長，會導(dǎo)致廣播系統(tǒng)清晰度較差，影響廣播播報質(zhì)量，需要進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計。

（2）僅考慮對500 Hz的混響時間進(jìn)行控制可能對廣播系統(tǒng)性能的提升效果有限，候車廳內(nèi)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用人語言聲的主要頻帶(325～2 000 Hz)內(nèi)吸聲系數(shù)較高的材料。

（3）為防止中高頻混響聲被抑制后低頻噪聲影響突出，可在候車廳墻壁處適當(dāng)選用低頻吸聲性能較好的材料作為補(bǔ)充優(yōu)化手段。

（4）雖然候車廳屬于大空間廳堂，通過合理的吸聲設(shè)計可以實現(xiàn)將候車廳內(nèi)混響時間控制在2～4 s，在該混響時間范圍內(nèi)廣播系統(tǒng)STI可達(dá)到二級業(yè)務(wù)廣播的標(biāo)準(zhǔn)要求。