声场模拟在铁路旅客车站的应用

冯云杰

（中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司 四川成都 610031）

1 研究背景

声学研究的领域种类丰富，根据用途和应用领域的不同，大致可分为声学分析、扬声器设计、声场模拟测试及建筑声学设计。而其中声学分析及声场模拟测试又是声学研究领域中最重要的两个部分。通过由德国ADA公司开发的EASE（增加强声学工程模拟软件）软件建立精确的厅堂模型，计算厅堂混响时间，优化混响时间和调整扬声器各个参数来分析声场中的重叠效应、干涉效应，同时，计算出最大声压级、语言清晰度、声场不均匀度，以判断广播系统设计是否合理及符合国家标准。

2 声场建设现状分析

目前，通过利用EASE 声学模拟软件，模拟测试模块，对各车站听音区的各声学参数进行模拟，确定适当的声压级，保证声压均匀覆盖整个听音区，减少声压的重叠和干涉，保证较高的语言清晰度，使设计师能够看到模拟的数据，以便修改扬声器的参数及位置，来满足旅客的听音需求，以及达到并超过相关的广播国家标准［1］。为客运广播系统设计提供有力的数据支撑，从而判断扬声器的布放及功率的设置是否合理、是否能满足旅客的听音需求，而不是盲目地凭借工程经验来判定扬声器的布放位置及参数设置。

2.1 旅客车站广播系统声场建设现状

旅客车站候车室是以语言为主的扩声场合，语音清晰度决定了扩声系统的语音表现力是否良好，铁路客站的扬声系统既要做到旅客所在空间声场均匀分布，又要降低功放功率，减少上层空间的无效声功率。

现阶段，铁路旅客车站的建设无论从建筑面积尺寸还是空间高度，较之以前车站结构及其他国家城市的车站都有着很大的区别。特别是大型、特大型车站，它们是跨度宽、空间体积大的整体结构，大多具有规模大、空间高、通透等特点，而室内墙体、地面及墙柱更多采用硬质、具有强反射声的材料［2］，造成了声波在整个候车大厅内多次反射，导致混响时间很长，使候车旅客辨认所播放的广播信息时增加了难度。

2.2 旅客车站广播系统声场研究的目的

旅客服务信息系统中广播系统设计是建设和谐铁路的重要内容，是铁路行业的重要窗口，铁路车站候车室是以语言为主的扩声场合。通过声场模拟软件的模拟，为客运广播系统设计提供有力的数据支撑，为广大工程设计人员顺利地完成工程设计提供帮助，从而规避因决策失误导致的工程失误，并通过本课题的研究，总结出旅客车站声场设计的方案，为以后其他旅客车站广播系统设计和建设提供指导作用。

3 声场模拟主要研究参数

3.1 室内声学特性

对音响效果有决定作用的室内声学特性包括3个方面，即室内声场分布、隔音效果和混响效果。

声场分布。理想的室内声场分布应该是均匀的，即室内空间各点的声能密度均匀一致。如果室内声场不均匀，在发出猝发声后，会有嗡嗡声不绝于耳，如同洞穴里的拖尾音效果，将影响正常听音。

混响效果决定于混响时间，与室内吸声能力的强弱有关，是影响音响效果的主要因素。

3.2 混响时间

混响时间与房间的容积、面积、墙面、地面及天花板材料的吸声系数有关，还与房间内物件摆设及人员多少等因素有关。在声场均匀分布的封闭室内的混响时间，可用赛宾公式进行工程估算［3］：

T60= 0.16V/S·α

式中，T60为混响时间，下标表示衰减60dB 所需的时间；V 为房间的容积，单位为m3；S 为室内总表面积，包括地面、四周墙面及天花板，单位为m2；α 为室内表面的平均吸声系数，可由下式求得：α = ∑αiSi/∑Si。

3.3 声压级

声音测量最常用的物理量是声压，但描述声压的大小通常用声压级（Sound Pressure Level，SPL）。人耳可听的声压范围为2×10-5～20Pa，对应的声压级范围为0～120dB，因此，声压级可以使用线性及数字的方式来更直观地展示声压的大小及变动。

3.4 辅音损失率

Alcons 定义为美语辅音清晰度损失率，以百分比的形式表征语言的清晰度。通常，Alcons值越小，代表语言清晰度越高。

3.5 快速语音清晰度

RaSTI 意为快速语音传输指数，是测量语言可懂度的另一方式。与Alcons 表示关系如下：RaSTI=0.9482-0.1845ln（Alcons%）。RaSTI 以0-1 的比例尺表达可懂度，1是最理想的。

4 声场模拟分析

本课题以重庆西站候车大厅为例，搭建模拟仿真声场效果，模拟分析确定终端设备的性能选择及安装位置，根据装修实际情况，对现场的音响声学特性模拟状况进行分析测试，以保证终端扬声器的分布、安装角度合理，最大限度地保证场内各处声压均等。

设计的过程可分解为：针对特定听音区域进行三维空间建模、了解装修装饰材料吸声特性、确定扬声器具体安装位置及角度调整、选择合适的扬声器放入三维模型中进行模拟分析、模拟测试分析并满足声学设计指标［4］。

4.1 重庆西站站房建筑声学环境分析

重庆西站站房东西长150m，南北长300m，设计最高聚集人数12 000 人，站房主体建筑面积面积11.9万㎡。

高架候车层站房装修方案：以灰麻石材铺垫地面，墙面以白麻/玻璃幕墙为主，顶棚为波浪起伏型金属铝单板/铝合金条板装饰。

4.2 设备平面布置分析

重庆西站高架候车大厅东西两侧检票口相距不超过60m 距离，但因候车层空间广阔，根据经验，应使用线阵列扬声器。设计考虑如下两种方案进行比较。

方案一：采用60W 扬声器均匀布置在各检票口上方，每套扬声器高度与检票口高度一致约4.0m，详见表1。

表1 方案一扬声器参数

方案二：候车厅立柱分别安装850W 扬声器及500W 扬声器。每套850W 扬声器安装高度距离地面7.5m，500W 扬声器安装高度距离地面2.5m，各扬声器平均间距42m，详见表2。

表2 方案二扬声器参数

4.3 建模的流程与参数的调整

（1）以站房高架层为例，创建模型各基准点；（2）将各基准点绘制成面域，并对面域进行封闭性检查，形成闭合空间；（3）补充设置门、窗、进站口等位置，并将旅客的听音面按照1.2m进行设置；（4）根据施工图位置，确定扬声器的位置，并根据需要对扬声器进行型号选择；（5）对各面域的材质进行设置；（6）以上参数设置完成后，通过演算菜单，可得出声压级等相关覆盖曲线［5］。

4.4 高架候车厅层模拟仿真结果

4.4.1 方案一（采用F-2000BT/WT 60W扬声器）

声压级范围为78.9～83.64dB，不均匀度为4.74dB，详见图1。

图1 方案一总声压柱状图

最大声压级为83.64dB，平均声压级为80.95dB。

4.4.2 方案二（采用850W和500W扬声器）

声压级范围为86.69～90.72dB，不均匀度为4.03dB，详见图2。

图2 方案二总声压柱状图

最大声压级为90.72dB，平均声压级为88.57dB。

在满足声压级这一基本要求后，进一步计算其他相关数据，得出重庆西站以下仿真结果。

语音清晰度：最小0.343，最大0.698，平均0.54。

辅音度损失率分析：最小3.88%，最大26.63%，平均9.51%。

结果：由上述两个方案对比可以看出，方案二声场模拟数据相比方案一声场模拟数据声场覆盖效果更佳，更能满足旅客的听音需求；方案二广播系统更为简洁，施工方式更加容易、方便，设备管理和维护更加便捷，省去大量人力、物力及时间；方案二不会占用太多车站空间，给予其他旅服设备更多的安装空间。

不难看出，声场模拟能够帮助设计人员在对铁路旅客车站的广播设计时，对广播设备的选型及布置起到关键的辅助判断；同时，通过EASE 模拟声场的设计，也能达到改进声场预测准确度方法的有效性和实用性。

5 声学模拟的优势

5.1 与BIM的接轨

目前的施工设计已经往可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性方向发展，这也正是诠释了未来施工设计必定逐步与BIM 接轨，而EASE 声场模拟则正是BIM 中的一个部分［6］，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率，大量减少风险。

5.2 精益化设计

通过使用EASE 声场模拟，将声音在室内空间的传播及覆盖转换成数据或者图片，给施工人员提供直观和直接方式来判断扬声器的正确布放位置、角度及功率设置，进而在实际施工中给予指导意义，最终实现精益化设计，增加效率及施工成本控制，同时，调整听音效果达到最佳。

6 结语

在面对日益增加的铁路客流量及对旅客对广播质量的需求的提高情况下，声学扩音建设及广播系统细化设计对于广播系统设计人员来说已是刻不容缓，同时，广播系统的设计也需要达到一个新的高度，应更易接轨国际化及现代化，真正实现广播系统的高效设计及广播信号的全方位良好覆盖。

目前，声场模拟在大型铁路旅客车站空间的应用已经有了较多应用，但随着旅客量的增加，更加智能化、集成化、现代化的广播系统设计技术将会更广地应用于各个旅客车站。