城市数据管理运行中心扩声系统设计

余晖良

(北京奥特维科技有限公司，北京 100015)

1 引言

城市数据管理运行中心是城市数据监测、管理、调度和指挥的重要平台，推动政府公共数据共享、开发、开放和应用。通过建设参观区、指挥厅、办公坐席和显示屏，并全面接入政务信息网络、数据、平台和应用系统，实现城市政务数据汇集、共享、展现和公共安全管理与应急的会商、指挥、联动等。

该中心建设的扩声系统是为运行中心大厅工作人员和指挥人员在协同、指挥、展示的工作中提供优质的拾音或扩声效果，有效保证指令清晰、准确传达，可靠保障大厅内部信息交流、大厅与外部之间的信息交流。

2 设计目标

系统需要提供均匀、清晰、优质的扩声效果，满足国家标准关于会议类一级指标的具体要求，具体要满足《GBT 28049-2011 厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》会议类一级指标对于声场均匀度、最大声压级、传声增益、传输频率特性和语言清晰度的相关要求[1]；在此基础上，系统需提供声像一致的扩声效果，要求大幕中图像显示的位置应与其播出声音的方位一致；此外，要求大厅核心设备可靠、稳定运行。

3 扩声系统设计

数据管理运行中心大厅天花吊顶高度8.8米，长约32米，宽约21.6米，面积约704，容积约为5 534 m3。设计中，充分考虑中心大厅席位方位复杂，拾音要求范围大，均匀度高，对扩声系统的指向性要求高，尤其是垂直覆盖角度要求小，要求声场均匀、系统传声增益高、不易啸叫、语言清晰度高等要求。

3.1 系统设计概述

数据管理运行中心的扩声系统由拾音部分、信号传输部分、信号处理部分和扩声部分组成。

3.1.1 拾音部分

每个业务席位配备一支阵列话筒进行拾音。该话筒具备30～80 cm左右的拾音距离，具备“走廊式”拾音效果，非常适合于汇报席或操作席；指挥席采用双音头拾音话筒，双音头话筒既能实现较大范围的拾音，又能实现高质量拾音效果，并且具备模拟和数字双链路备份功能，能保证系统的可靠性和稳定性。

为了实现话筒的供电、增益、控制、模数转换、编组、混音等处理，并实现了话筒的状态监测，每2支话筒配备一台网络分路器，经过模数转换和简单的音频处理，实现网络传输、分发、复用、切换和混音等处理，根据需要分组处理后混合的信号由音频解码器送入数字调音台和音频处理器，经过编程处理后使每组音频信号能与呈现的画面实现声像定位。

3.1.2 信号传输部分

由于本大厅席位较多，分组复杂，如果采用纯模拟传输，需要大量的模拟音频线，增大了工程量，不易于后期维护，因此需要采用模拟话筒拾音+数字信号传输的方式，一方面实现了良好的拾音音质，另一方面也实现了预期的声像定位及更多的功能。

所有话筒的模拟信号首先经过网络分路器进行音频信号编码，借助可视化一体化管控平台系统进行统一平台的数字信号传输，在传输系统内可以进行简单的均衡、增益、分配和混合等处理，处理完毕后，最后分别进入信号处理系统。

3.1.3 信号处理系统

数据管理中心大厅话筒数量较多，分组复杂，应用模式多样，并且要实现声像定位，因此技术实现难度大，需要在音频系统的信号处理部分进行大量的编程处理。首先需要用数字调音台对不同的信号进行前级放大、均衡、增益、编组、混合处理。然后将其送入数字音频处理器，数字音频处理器根据系统的需要进行分组处理，每组处理包含均衡、分配、延时、压限等处理，每组处理完毕后经过混音最后输送至每组扬声器的功率放大器。此外，数字调音台还根据需求分组输出给硬盘录像机、特技切换台、数字录播机和信号传输系统等。本系统调音台采用Soundcraft Si Performer1。

信号处理部分是整个音频系统的核心，一旦出现故障，整个音频系统将处于瘫痪状态，所以数字音频处理采用两台QSC CORE110F进行双机备份，对系统进行接口扩展，并需要对它进行双网络无缝自动切换，可靠保证系统的稳定运行。

3.1.4 扩声部分

扩声部分首先要确保大厅每个部位的声场均匀覆盖，国家标准规范要求达到的声压级，还需保证系统的传声增益和语言清晰度，使每个席位能听得见、听得清，这需要进行科学、专业的扩声设计，此外为了实现声像定位，更需要对音箱合理布局，经过分析计算，音箱布置和选型如下：在屏幕两侧上方布置线阵列音柱和超低音箱实现全场主扩，在大屏上方和下方配备若干拉声像扬声器，实现声像定位，在后区两侧布置有源线阵音柱作为辅助扬声器，实现后场补声；主扩扬声器采用JBL CBT70，定位扬声器采用美高的M-F3 SAT，超低频扬声器选用美高的M-F3 SUB，辅助扬声器采用FBT 604A。

3.2 关键问题和要点

设计中面临如下几个关键问题和要点。

(1)混响时间较长

设计前期对原多功能厅进行现场混响时间测试，测试选用DIRAC软件，测量数据如表1所示。

表1 设计前现场混响时间

频率/Hz1252505001 0002 0004 000混响时间/s1.831.651.531.21.181.11

很明显，该厅的混响时间普遍偏长，较长的混响声会影响直达声辐射，进而造成语言清晰度下降，同时不利于整个电声系统的工作。

(2)系统传声增益难处理

根据使用需求，前面业务席每个席位需布置一个阵列话筒，由于阵列话筒具有“走廊式”拾音特性，拾音范围比较广，容易形成声音的声反馈，造成话筒的传声增益上不去，不能起到很好的拾音效果。

(3)存在颤动回声

数据管理中心大厅呈规则的长方形，原来的两侧墙面非常平整，且大量采用了大理石材，这样势必会造成声音在两侧墙之间形成镜面反射，经相互多次反射之后，容易形成颤动回声等声学缺陷，经现场检查，确实存在较明显的颤动回声，严重影响听声效果。

(4)声像一致的要求

数据管理中心大厅正面大屏跨度较大，大屏在指挥调度时经常需要显示多个画面，仅靠左右两组主扩扬声器无法使声音和图像做到一致性，指挥人员无法判断声音来自哪幅画面，因此需要在扩声设计时充分考虑拉声像扬声器的布局，并在音频处理器进行编程处理，确保做到声像一致。

(5)系统稳定性的要求

数据管理中心大厅功能定位是全省政务数据汇集、共享、展现和公共安全管理与应急的会商、指挥、联动，对扩声系统的稳定性有很高的要求，领导临场指挥时，严禁出现扩声功能性故障，因此本系统的设计需充分考虑关键环节的冗余备份。

3.3 关键问题的解决途径

(1)混响时间较长的解决方案及验证

在尽量少改变原装修条件下，吊顶采用纸面石膏板吊顶和GRG造型相结合的设计方式，部分墙面采用木质穿孔吸声板，后敷设玻璃棉板进行吸声处理以降低室内混响时间值，减少两侧墙之间的反射，避免可能产生的“颤动回声”，地面采用吸声性能较好的绒毛地毯进行铺设，并全部配备软座椅。

根据大厅实际情况，建立精确度相同的三维立体模型，通过建筑声学模拟软件ODEON模拟分析进行混响时间模拟预测，计算结果如图1所示。

容积为5 534 m3数据管理中心大厅的混响时间，根据模拟中频500 Hz混响时间1.1～1.2 s，和预估值吻合，能够满足设计要求。

(2)系统传声增益的解决方案及验证

由于功能布局已确定，上文对装修环境已做了针对性的修改，增加了墙面的吸声处理，减少声音的声反馈，另外需要对扬声器选型和布局做好设计。为避免声音的多次反射和无效投射，本系统设计不再采用传统扬声器扩声，而是采用强指向性的线阵音柱和线阵列扬声器进行扩声，将扬声器的主要能量投射在所需的听音区内，减少了吊顶和两侧墙的声音反射，从而减少了入射话筒声音的声反馈，从而达到预期的扩声效果。

(3)颤动回声的解决方案及验证

为解决声场易出现颤动回声和不稳定、不均匀的问题，首先需要对四周墙壁进行声学处理。首先对两侧墙壁进行漫反射处理，改变原来平整的墙面，修改为凸凹不平的墙面材料，使声音投射到墙壁上之后形成漫反射，无法形成镜面反射，另外两侧墙壁采用穿孔吸声材料，吸音板后紧贴填充玻璃棉板，并在吸音棉后面留有100 mm以上的空腔，对投射过来的声音进行吸声处理，减少了反射的声音，进一步避免了颤动回声的可能，从而保证了声场的稳定性和均匀性。另一方面为了保证前后场的均匀性，在后场设置辅助扬声器对后场声能弱区进行弥补，进一步加强了前后场的均匀性。

(4)声像一致的解决方案及验证

为解决声像一致性的问题，在大屏上下等比例设置3组定像扬声器，每组定像扬声器由上面2只线阵列扬声器和下方1只线阵列扬声器组成，扬声器角度覆盖大厅有效区域，并根据大屏显示画面的模式，给音频处理器触发指令，调用相应模式，迅速将各组扬声器的电平值进行调节，从而使整体声像定位于发出声音的图像中央，精准做到声像一致，确保指挥中心的可靠调度。

(5)系统稳定性的保障

为保障专业扩声系统的安全稳定性，系统充分考虑了关键设备的冗余备份，系统架构图如图2所示。

音源通过网络分路器进行模数转换和简单的音频处理，实现网络传输、分发、复用、切换和混音等处理，根据需要分组处理后混合的信号由编解码器解码成主备两路信号送入智能切换器；智能切换器经过主备选择输出一路信号，再由无源分配器分成两路独立信号，一路主信号进入调音台再到主数字音频处理器，一路直接进入备用数字音频处理器，进行编程处理；主备数字音频处理器输出的信号均再次进入智能切换器进行智能选择，输出一路信号，然后再由无源分配器分配成两路信号进入功放的不同通道，最终分别给到主备主扩扬声器进行扩声。整个环节信号全部热备，充分的保障了系统的稳定性。

4 仿真及测量结果

根据设计方案，运用EASE4.3和Autocad等专业软件工具对大厅进行建模，并将选用的扬声器模型放置在设计的位置、高度，设置好角度，进行声场模拟和渲染，计算得到数据如图3所示。

通过EASE软件的仿真计算[2]验证了声场设计的各项声学特性指标完全满足并优于设计指标。

按照 GB/T 50076-2013《室内混响时间测量规范》和GB/T4959-2011《厅堂扩声特性测量方法》，随机选择该厅堂听众区内中轴线一侧区域内的9个测量点如图4所示。

在数据管理中心大厅装饰面和地毯铺设完成，并做完清洁处理后，首先对该厅的混响时间进行测量，测量结果如表2所示。

表2 设计实施后现场混响时间

中心频率/Hz1252505001 0002 0004 000平均混响时间/s1.301.271.131.101.010.90

通过数据可以看出混响时间满足设计要求的中频(500 Hz)混响时间RT=(1.1±0.1)s，很好地达到了预期效果。

扩声系统测量结果如表3所示。

表3 设计实施后测量指标与目标指标对比表

测量项目实测结果一级指标最大声压级105 dB≥98 dB传输频率特性125～4 000 Hz为+1.73～-1.64 dB以125～4 000 Hz的平均声压级为0 dB,在此频带内允许范围:-6 dB～+4 dB声场不均匀度声场不均匀度在1 kHz为3.37 dB,4 kHz为2.78 dB≤+8 dB传声增益125～4 000 Hz的平均值为-8 dB125～4 000 Hz的平均值≥-10 dB语言传输指数STIPA0.69>0.5

根据上述初步测量的结果，笔者根据使用需求对系统数字音频处理器相应输出通道进行了多次均衡器等调整和系统测量，反复调整，最后使系统到达了最优状态。

5 结语

扩声系统安装调试完成后，用户进行实际使用状态的听音评价，一致认为，城市数据管理运行中心大厅声音清晰、自然，并且具有良好的声像一致性。随着国家大力推进智慧城市建设，智慧城市运营管理中心、政务管理中心、社会治理中心、公安指挥中心、大数据控制中心、应急指挥中心等建设需求越来越迫切，此类场所的扩声系统都要求性能稳定可靠，扩声效果均匀清晰，本文所采用的设计方法可用于此类场所的设计之中，具有较高的参考价值。