余暉良

(北京奧特維科技有限公司，北京 100015)

1 引言

城市數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心是城市數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、管理、調(diào)度和指揮的重要平臺(tái)，推動(dòng)政府公共數(shù)據(jù)共享、開發(fā)、開放和應(yīng)用。通過建設(shè)參觀區(qū)、指揮廳、辦公坐席和顯示屏，并全面接入政務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市政務(wù)數(shù)據(jù)匯集、共享、展現(xiàn)和公共安全管理與應(yīng)急的會(huì)商、指揮、聯(lián)動(dòng)等。

該中心建設(shè)的擴(kuò)聲系統(tǒng)是為運(yùn)行中心大廳工作人員和指揮人員在協(xié)同、指揮、展示的工作中提供優(yōu)質(zhì)的拾音或擴(kuò)聲效果，有效保證指令清晰、準(zhǔn)確傳達(dá)，可靠保障大廳內(nèi)部信息交流、大廳與外部之間的信息交流。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)需要提供均勻、清晰、優(yōu)質(zhì)的擴(kuò)聲效果，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于會(huì)議類一級(jí)指標(biāo)的具體要求，具體要滿足《GBT 28049-2011 廳堂、體育場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》會(huì)議類一級(jí)指標(biāo)對(duì)于聲場(chǎng)均勻度、最大聲壓級(jí)、傳聲增益、傳輸頻率特性和語言清晰度的相關(guān)要求[1]；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)需提供聲像一致的擴(kuò)聲效果，要求大幕中圖像顯示的位置應(yīng)與其播出聲音的方位一致；此外，要求大廳核心設(shè)備可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心大廳天花吊頂高度8.8米，長(zhǎng)約32米，寬約21.6米，面積約704，容積約為5 534 m3。設(shè)計(jì)中，充分考慮中心大廳席位方位復(fù)雜，拾音要求范圍大，均勻度高，對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的指向性要求高，尤其是垂直覆蓋角度要求小，要求聲場(chǎng)均勻、系統(tǒng)傳聲增益高、不易嘯叫、語言清晰度高等要求。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心的擴(kuò)聲系統(tǒng)由拾音部分、信號(hào)傳輸部分、信號(hào)處理部分和擴(kuò)聲部分組成。

3.1.1 拾音部分

每個(gè)業(yè)務(wù)席位配備一支陣列話筒進(jìn)行拾音。該話筒具備30～80 cm左右的拾音距離，具備“走廊式”拾音效果，非常適合于匯報(bào)席或操作席；指揮席采用雙音頭拾音話筒，雙音頭話筒既能實(shí)現(xiàn)較大范圍的拾音，又能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量拾音效果，并且具備模擬和數(shù)字雙鏈路備份功能，能保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)話筒的供電、增益、控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編組、混音等處理，并實(shí)現(xiàn)了話筒的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，每2支話筒配備一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分路器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)單的音頻處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、分發(fā)、復(fù)用、切換和混音等處理，根據(jù)需要分組處理后混合的信號(hào)由音頻解碼器送入數(shù)字調(diào)音臺(tái)和音頻處理器，經(jīng)過編程處理后使每組音頻信號(hào)能與呈現(xiàn)的畫面實(shí)現(xiàn)聲像定位。

3.1.2 信號(hào)傳輸部分

由于本大廳席位較多，分組復(fù)雜，如果采用純模擬傳輸，需要大量的模擬音頻線，增大了工程量，不易于后期維護(hù)，因此需要采用模擬話筒拾音+數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，一方面?shí)現(xiàn)了良好的拾音音質(zhì)，另一方面也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的聲像定位及更多的功能。

所有話筒的模擬信號(hào)首先經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分路器進(jìn)行音頻信號(hào)編碼，借助可視化一體化管控平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)傳輸，在傳輸系統(tǒng)內(nèi)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的均衡、增益、分配和混合等處理，處理完畢后，最后分別進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。

3.1.3 信號(hào)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理中心大廳話筒數(shù)量較多，分組復(fù)雜，應(yīng)用模式多樣，并且要實(shí)現(xiàn)聲像定位，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，需要在音頻系統(tǒng)的信號(hào)處理部分進(jìn)行大量的編程處理。首先需要用數(shù)字調(diào)音臺(tái)對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大、均衡、增益、編組、混合處理。然后將其送入數(shù)字音頻處理器，數(shù)字音頻處理器根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行分組處理，每組處理包含均衡、分配、延時(shí)、壓限等處理，每組處理完畢后經(jīng)過混音最后輸送至每組揚(yáng)聲器的功率放大器。此外，數(shù)字調(diào)音臺(tái)還根據(jù)需求分組輸出給硬盤錄像機(jī)、特技切換臺(tái)、數(shù)字錄播機(jī)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)等。本系統(tǒng)調(diào)音臺(tái)采用Soundcraft Si Performer1。

信號(hào)處理部分是整個(gè)音頻系統(tǒng)的核心，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)音頻系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，所以數(shù)字音頻處理采用兩臺(tái)QSC CORE110F進(jìn)行雙機(jī)備份，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行接口擴(kuò)展，并需要對(duì)它進(jìn)行雙網(wǎng)絡(luò)無縫自動(dòng)切換，可靠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.4 擴(kuò)聲部分

擴(kuò)聲部分首先要確保大廳每個(gè)部位的聲場(chǎng)均勻覆蓋，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求達(dá)到的聲壓級(jí)，還需保證系統(tǒng)的傳聲增益和語言清晰度，使每個(gè)席位能聽得見、聽得清，這需要進(jìn)行科學(xué)、專業(yè)的擴(kuò)聲設(shè)計(jì)，此外為了實(shí)現(xiàn)聲像定位，更需要對(duì)音箱合理布局，經(jīng)過分析計(jì)算，音箱布置和選型如下：在屏幕兩側(cè)上方布置線陣列音柱和超低音箱實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)主擴(kuò)，在大屏上方和下方配備若干拉聲像揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)聲像定位，在后區(qū)兩側(cè)布置有源線陣音柱作為輔助揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)后場(chǎng)補(bǔ)聲；主擴(kuò)揚(yáng)聲器采用JBL CBT70，定位揚(yáng)聲器采用美高的M-F3 SAT，超低頻揚(yáng)聲器選用美高的M-F3 SUB，輔助揚(yáng)聲器采用FBT 604A。

3.2 關(guān)鍵問題和要點(diǎn)

設(shè)計(jì)中面臨如下幾個(gè)關(guān)鍵問題和要點(diǎn)。

(1)混響時(shí)間較長(zhǎng)

設(shè)計(jì)前期對(duì)原多功能廳進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混響時(shí)間測(cè)試，測(cè)試選用DIRAC軟件，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)前現(xiàn)場(chǎng)混響時(shí)間

頻率/Hz1252505001 0002 0004 000混響時(shí)間/s1.831.651.531.21.181.11

很明顯，該廳的混響時(shí)間普遍偏長(zhǎng)，較長(zhǎng)的混響聲會(huì)影響直達(dá)聲輻射，進(jìn)而造成語言清晰度下降，同時(shí)不利于整個(gè)電聲系統(tǒng)的工作。

(2)系統(tǒng)傳聲增益難處理

根據(jù)使用需求，前面業(yè)務(wù)席每個(gè)席位需布置一個(gè)陣列話筒，由于陣列話筒具有“走廊式”拾音特性，拾音范圍比較廣，容易形成聲音的聲反饋，造成話筒的傳聲增益上不去，不能起到很好的拾音效果。

(3)存在顫動(dòng)回聲

數(shù)據(jù)管理中心大廳呈規(guī)則的長(zhǎng)方形，原來的兩側(cè)墻面非常平整，且大量采用了大理石材，這樣勢(shì)必會(huì)造成聲音在兩側(cè)墻之間形成鏡面反射，經(jīng)相互多次反射之后，容易形成顫動(dòng)回聲等聲學(xué)缺陷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，確實(shí)存在較明顯的顫動(dòng)回聲，嚴(yán)重影響聽聲效果。

(4)聲像一致的要求

數(shù)據(jù)管理中心大廳正面大屏跨度較大，大屏在指揮調(diào)度時(shí)經(jīng)常需要顯示多個(gè)畫面，僅靠左右兩組主擴(kuò)揚(yáng)聲器無法使聲音和圖像做到一致性，指揮人員無法判斷聲音來自哪幅畫面，因此需要在擴(kuò)聲設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮拉聲像揚(yáng)聲器的布局，并在音頻處理器進(jìn)行編程處理，確保做到聲像一致。

(5)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求

數(shù)據(jù)管理中心大廳功能定位是全省政務(wù)數(shù)據(jù)匯集、共享、展現(xiàn)和公共安全管理與應(yīng)急的會(huì)商、指揮、聯(lián)動(dòng)，對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很高的要求，領(lǐng)導(dǎo)臨場(chǎng)指揮時(shí)，嚴(yán)禁出現(xiàn)擴(kuò)聲功能性故障，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需充分考慮關(guān)鍵環(huán)節(jié)的冗余備份。

3.3 關(guān)鍵問題的解決途徑

(1)混響時(shí)間較長(zhǎng)的解決方案及驗(yàn)證

在盡量少改變?cè)b修條件下，吊頂采用紙面石膏板吊頂和GRG造型相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，部分墻面采用木質(zhì)穿孔吸聲板，后敷設(shè)玻璃棉板進(jìn)行吸聲處理以降低室內(nèi)混響時(shí)間值，減少兩側(cè)墻之間的反射，避免可能產(chǎn)生的“顫動(dòng)回聲”，地面采用吸聲性能較好的絨毛地毯進(jìn)行鋪設(shè)，并全部配備軟座椅。

根據(jù)大廳實(shí)際情況，建立精確度相同的三維立體模型，通過建筑聲學(xué)模擬軟件ODEON模擬分析進(jìn)行混響時(shí)間模擬預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

容積為5 534 m3數(shù)據(jù)管理中心大廳的混響時(shí)間，根據(jù)模擬中頻500 Hz混響時(shí)間1.1～1.2 s，和預(yù)估值吻合，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)系統(tǒng)傳聲增益的解決方案及驗(yàn)證

由于功能布局已確定，上文對(duì)裝修環(huán)境已做了針對(duì)性的修改，增加了墻面的吸聲處理，減少聲音的聲反饋，另外需要對(duì)揚(yáng)聲器選型和布局做好設(shè)計(jì)。為避免聲音的多次反射和無效投射，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不再采用傳統(tǒng)揚(yáng)聲器擴(kuò)聲，而是采用強(qiáng)指向性的線陣音柱和線陣列揚(yáng)聲器進(jìn)行擴(kuò)聲，將揚(yáng)聲器的主要能量投射在所需的聽音區(qū)內(nèi)，減少了吊頂和兩側(cè)墻的聲音反射，從而減少了入射話筒聲音的聲反饋，從而達(dá)到預(yù)期的擴(kuò)聲效果。

(3)顫動(dòng)回聲的解決方案及驗(yàn)證

為解決聲場(chǎng)易出現(xiàn)顫動(dòng)回聲和不穩(wěn)定、不均勻的問題，首先需要對(duì)四周墻壁進(jìn)行聲學(xué)處理。首先對(duì)兩側(cè)墻壁進(jìn)行漫反射處理，改變?cè)瓉砥秸膲γ妫薷臑橥拱疾黄降膲γ娌牧?，使聲音投射到墻壁上之后形成漫反射，無法形成鏡面反射，另外兩側(cè)墻壁采用穿孔吸聲材料，吸音板后緊貼填充玻璃棉板，并在吸音棉后面留有100 mm以上的空腔，對(duì)投射過來的聲音進(jìn)行吸聲處理，減少了反射的聲音，進(jìn)一步避免了顫動(dòng)回聲的可能，從而保證了聲場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性。另一方面為了保證前后場(chǎng)的均勻性，在后場(chǎng)設(shè)置輔助揚(yáng)聲器對(duì)后場(chǎng)聲能弱區(qū)進(jìn)行彌補(bǔ)，進(jìn)一步加強(qiáng)了前后場(chǎng)的均勻性。

(4)聲像一致的解決方案及驗(yàn)證

為解決聲像一致性的問題，在大屏上下等比例設(shè)置3組定像揚(yáng)聲器，每組定像揚(yáng)聲器由上面2只線陣列揚(yáng)聲器和下方1只線陣列揚(yáng)聲器組成，揚(yáng)聲器角度覆蓋大廳有效區(qū)域，并根據(jù)大屏顯示畫面的模式，給音頻處理器觸發(fā)指令，調(diào)用相應(yīng)模式，迅速將各組揚(yáng)聲器的電平值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使整體聲像定位于發(fā)出聲音的圖像中央，精準(zhǔn)做到聲像一致，確保指揮中心的可靠調(diào)度。

(5)系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障

為保障專業(yè)擴(kuò)聲系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，系統(tǒng)充分考慮了關(guān)鍵設(shè)備的冗余備份，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

音源通過網(wǎng)絡(luò)分路器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)單的音頻處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、分發(fā)、復(fù)用、切換和混音等處理，根據(jù)需要分組處理后混合的信號(hào)由編解碼器解碼成主備兩路信號(hào)送入智能切換器；智能切換器經(jīng)過主備選擇輸出一路信號(hào)，再由無源分配器分成兩路獨(dú)立信號(hào)，一路主信號(hào)進(jìn)入調(diào)音臺(tái)再到主數(shù)字音頻處理器，一路直接進(jìn)入備用數(shù)字音頻處理器，進(jìn)行編程處理；主備數(shù)字音頻處理器輸出的信號(hào)均再次進(jìn)入智能切換器進(jìn)行智能選擇，輸出一路信號(hào)，然后再由無源分配器分配成兩路信號(hào)進(jìn)入功放的不同通道，最終分別給到主備主擴(kuò)揚(yáng)聲器進(jìn)行擴(kuò)聲。整個(gè)環(huán)節(jié)信號(hào)全部熱備，充分的保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 仿真及測(cè)量結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用EASE4.3和Autocad等專業(yè)軟件工具對(duì)大廳進(jìn)行建模，并將選用的揚(yáng)聲器模型放置在設(shè)計(jì)的位置、高度，設(shè)置好角度，進(jìn)行聲場(chǎng)模擬和渲染，計(jì)算得到數(shù)據(jù)如圖3所示。

通過EASE軟件的仿真計(jì)算[2]驗(yàn)證了聲場(chǎng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)聲學(xué)特性指標(biāo)完全滿足并優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

按照 GB/T 50076-2013《室內(nèi)混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范》和GB/T4959-2011《廳堂擴(kuò)聲特性測(cè)量方法》，隨機(jī)選擇該廳堂聽眾區(qū)內(nèi)中軸線一側(cè)區(qū)域內(nèi)的9個(gè)測(cè)量點(diǎn)如圖4所示。

在數(shù)據(jù)管理中心大廳裝飾面和地毯鋪設(shè)完成，并做完清潔處理后，首先對(duì)該廳的混響時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)實(shí)施后現(xiàn)場(chǎng)混響時(shí)間

中心頻率/Hz1252505001 0002 0004 000平均混響時(shí)間/s1.301.271.131.101.010.90

通過數(shù)據(jù)可以看出混響時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求的中頻(500 Hz)混響時(shí)間RT=(1.1±0.1)s，很好地達(dá)到了預(yù)期效果。

擴(kuò)聲系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)實(shí)施后測(cè)量指標(biāo)與目標(biāo)指標(biāo)對(duì)比表

測(cè)量項(xiàng)目實(shí)測(cè)結(jié)果一級(jí)指標(biāo)最大聲壓級(jí)105 dB≥98 dB傳輸頻率特性125～4 000 Hz為+1.73～-1.64 dB以125～4 000 Hz的平均聲壓級(jí)為0 dB,在此頻帶內(nèi)允許范圍:-6 dB～+4 dB聲場(chǎng)不均勻度聲場(chǎng)不均勻度在1 kHz為3.37 dB,4 kHz為2.78 dB≤+8 dB傳聲增益125～4 000 Hz的平均值為-8 dB125～4 000 Hz的平均值≥-10 dB語言傳輸指數(shù)STIPA0.69>0.5

根據(jù)上述初步測(cè)量的結(jié)果，筆者根據(jù)使用需求對(duì)系統(tǒng)數(shù)字音頻處理器相應(yīng)輸出通道進(jìn)行了多次均衡器等調(diào)整和系統(tǒng)測(cè)量，反復(fù)調(diào)整，最后使系統(tǒng)到達(dá)了最優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)語

擴(kuò)聲系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，用戶進(jìn)行實(shí)際使用狀態(tài)的聽音評(píng)價(jià)，一致認(rèn)為，城市數(shù)據(jù)管理運(yùn)行中心大廳聲音清晰、自然，并且具有良好的聲像一致性。隨著國(guó)家大力推進(jìn)智慧城市建設(shè)，智慧城市運(yùn)營(yíng)管理中心、政務(wù)管理中心、社會(huì)治理中心、公安指揮中心、大數(shù)據(jù)控制中心、應(yīng)急指揮中心等建設(shè)需求越來越迫切，此類場(chǎng)所的擴(kuò)聲系統(tǒng)都要求性能穩(wěn)定可靠，擴(kuò)聲效果均勻清晰，本文所采用的設(shè)計(jì)方法可用于此類場(chǎng)所的設(shè)計(jì)之中，具有較高的參考價(jià)值。