铁路车站候车厅混响控制及广播清晰度影响分析_李志强.pdf

2022年第12卷第6期Vol.12No.62022铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生Railway Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Safety and Health环境保护Environment Protection2022年第12卷第6期铁路车站候车厅混响控制及广播清晰度影响分析李志强，刘兰华（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京100081）摘要：为改善铁路车站候车厅声环境，采用试验和仿真手段研究候车厅混响特性及控制方法，并从混响时间控制频段对广播清晰度的影响规律进行比较探讨，提出应重点对人语言声的主要频段(3152 000 Hz)开展混响时间控制。在此基础上提出了利用木格栅和玻纤瓦状浮云板组合的全频段候车厅声学优化设计方案。根据计算结果，通过合理的声学优化设计，大空间候车厅可实现混响时间降至24 s、广播语言传输指数(STI)大于0.45的相关标准要求。研究成果对于指导铁路候车厅开展有效的声学优化设计、提升广播清晰度、改善候车厅声环境具有积极意义。关键词：车站；候车厅；混响时间；语言传输指数中图分类号：U291.6文献标识码：ADOI：10.16374/ki.issn2095-1671.2022.00590引言车站候车厅属于典型的大空间厅堂建筑，是铁路人员密集的重要场所之一，其声环境质量对旅客候车体验有重要影响。根据现场试验和主观调研情况，由于缺少声学设计，我国部分铁路车站候车厅存在噪声水平高、混响时间长、广播清晰度较差等声环境问题1-3。文献2通过分析旅客对背景噪声、混响及广播清晰度之间感受的关系认为，混响声是引起候车厅内总体噪声水平较高的重要因素，二者共同作用又是导致广播清晰度较差的重要原因。因此，铁路候车厅声学优化设计应重点对其混响影响进行有效控制。铁路旅客车站设计规范(TB 101002018)4提出铁路客运站应根据站房规模进行必要的声学设计，对于容积不超过100万m3的站房，500 Hz混响时间宜不超过4 s；容积超过100万m3的站房，500 Hz混响时间宜不超过5.5 s。语言传输指数(STI)是反映广播清晰度和广播有效性的重要指数，虽然铁路旅客车站设计规范未明确站房内广播STI设计标准，但在公共广播系统工程技术标准(GB 505262021)5中规定，对于一级业务广播STI应不小于0.55，二级业务收稿日期：2022-08-22修订日期：2022-10-08基金项目：中国国家铁路集团有限公司科研开发计划科研试验(SY2021Z001)；中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金项目(2021YJ161)作者简介：李志强(1988)，男，山东临沂人，副研究员，博士，主要研究方向为高速铁路噪声、振动控制，减振、降噪材料、声学换能器设计。通信作者：刘兰华(1977)，男，研究员，博士，主要研究方向为高速铁路噪声振动及其控制、环境影响评价技术，E-mail：。文章编号：2095-1671（2022）06-0001-0501环境保护铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生2022年第12卷第6期广播STI不小于0.45，三级业务广播STI不小于0.40。国内学者对我国部分车站的试验调研结果显示，若不采取合理的声学优化措施，候车厅内混响时间和STI均存在不满足上述标准要求的情况6-8。本文以混响声影响明显的某车站候车厅为研究对象，通过现场试验和仿真分析的方法研究了候车厅混响及其控制对广播清晰度的影响规律，并分析了声学优化设计对提升广播系统清晰度的有效性。1候车厅内部环境特征及声学仿真模型以国内某线侧站厅一体地面车站候车厅为研究对象，根据现场走访和调研发现，该车站候车厅内混响声较突出，车站工作人员及旅客均反映广播较长或工作人员语速较快时难以听清广播内容。该车站候车厅为典型的长方体对称结构，内部尺寸70 m35 m18 m(长宽高)，地面及南墙、北墙面以光滑的大理石板为主，东墙、西墙面主要由不同尺寸的玻璃门窗等组成，所使用的装修材料吸声系数低是导致该车站混响声明显的重要因素。该候车厅内广播系统是由对称的8个扬声器组成的分布式投射系统，扬声器均位于东西两墙面上，高度为6 m，声轴斜向下约20方向。根据候车厅尺寸和内部声学边界条件，忽略候车厅内部的小商店、安检设备、座椅、围栏、电梯等影响较小的结构，建立该候车厅的三维声学仿真模型如图1所示(图中白色部分为玻璃，其余部分为大理石)。2候车厅混响时间及STI现状分析由于该候车厅空间较大，单个球形声源难以产生高于背景噪声60 dB以上的混响声场。因此，首先利用中断声源法测试该候车厅内1005 000 Hz的混响时间T30，进而换算得到T60的值。现场测试照片如图2所示，测试过程中使用1个球形声源、4个接收传感器，共进行3次试验，通过对12组混响时间频谱做算数平均得到候车厅内平均混响时间频谱。同时，利用候车厅声学仿真模型开展仿真计算，得到相应频段混响时间的计算结果，测试与计算结果对比如图3所示。图3中利用室内声学软件仿真得到的混响时间与实测平均混响时间频谱特性基本一致，均表现为低频、高频段混响时间相对较短，中频段混响时间相对较长。根据赛宾公式，高频段混响时间相对较短与空气粘滞阻力导致高频噪声衰减较快有关，而低频段混响时间相对较短可能与低频声更易由玻璃门窗透射至候车厅外有关。在中心频率125 Hz处实测混响时间大于仿真结果，与邻近频段相比也更长，根据夹胶玻璃隔声量频谱特性测试结果9分析，125 Hz位于模态共振控制区图1候车厅内部结构模型图2候车厅内混响时间测试照片频率/HzT60/s141210864201001251602002503154005006308001 0001 2501 6002 0002 5003 1504 0005 000仿真结果测试结果图3候车厅混响时间测试与计算结果对比02铁路车站候车厅混响控制及广播清晰度影响分析李志强 等2022年第12卷第6期环境保护起始频率附近，隔声量呈上下剧烈起伏形态，该频段易出现隔声量极大值，此时声能透射衰减相对较慢。候车厅实测及仿真的混响时间在1005 000 Hz频段均大于4 s，在500 Hz处为10 s左右，大于铁路旅客车站设计规范规定的不大于4 s标准要求，而且人语言声主频段3152 000 Hz的混响时间为812 s，该候车厅混响时间的频谱特性决定了混响声会对广播系统的清晰度产生较大影响。对当前候车厅内STI开展仿真计算并统计不同STI的面积占比，如图4所示。候车厅内各区域STI均低于公共广播系统工程技术标准三级业务广播STI的限值要求，反映了候车厅内广播系统清晰度较差，与旅客及车站人员的主观感受一致。3候车厅混响时间及STI控制及效果分析铁路旅客车站设计规范中给出了500 Hz处混响时间的推荐限值，对2种不同的混响时间优化方法进行对比，从混响时间控制频段对STI的影响效果角度仿真分析不同方法的有效性。方法一：候车厅顶部安装铝穿孔板吸声吊顶。该方法的优点是穿孔板与背衬均为薄金属板，具有质轻、阻燃、环保、可回收的优点。所使用的铝穿孔板穿孔率为1.4%，板后空腔为20 cm，其吸声特性测试数据如图5所示，主要在低频段有较高的吸声性能。方法二：候车厅顶部安装玻纤瓦状浮云板吊顶。所使用的浮云板内吸声材料为玻璃纤维吸声板，其吸声特性测试数据如图6所示，主要在中高频段有较高的吸声系数。对上述2种候车厅吊顶声学优化设计方法的效果进行计算，得到优化后的候车厅混响时间频谱特性如图7所示。根据图7，采取方法一的铝穿孔板吊顶和方法二的玻纤瓦状浮云板吊顶均可使500 Hz处混响时间低于4 s，满足铁路旅客车站设计规范的限值要求，但方法一在中高频段混响时间大于4 s，方法二在低频段混响时间大于4 s。为分析2种方法对改善候车厅内广播清晰度的有效性，对不同优化方法下的广播系统清晰度开展计算，得到候车厅内STI分布结果(见图8)。根据图8可知，虽然2种声学优化方法均可实现500 Hz混响时间面积占比/%504030201000.240.260.28STI2103925240.30.32图4候车厅内STI面积分布频率/Hz1001251 000 2 0002504 0005008 00010.80.60.40.20吸声系数图5铝穿孔板吊顶吸声特性频率/Hz1001251 000 2 0002504 0005008 00010.80.60.40.20吸声系数图6浮云板吊顶吸声特性铝穿孔板吊顶玻纤浮云板吊顶频率/HzT60/s141210864201001251602002503154005006308001 0001 2501 6002 0002 5003 1504 0005 000测试结果图7声学优化后候车厅内混响时间变化03环境保护铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生2022年第12卷第6期达标，但受主要优化频段差异的影响，广播系统清晰度有较大区别，即方法一优化后中高频段混响时间仍偏高，候车厅内不到一半的区域达到了三级业务广播STI标准要求；方法二的有效作用频段与人语言声的主要频段吻合，优化后广播系统的清晰度有大幅改善，候车厅各区域均达到了二级业务广播STI标准要求。4全频段的声学优化设计上述候车厅声学优化方法二对提升候车厅广播清晰度起到了显著效果，但对低频混响声的控制并不理想，中高频混响声降低后可能导致旅客对低频噪声的感受突出，耳中产生不适感。为同时控制低频段噪声，拟在方法二的基础上结合墙壁装饰进一步开展低频优化设计。木格栅是建筑设计中常用的结构，其不仅可以美化建筑墙壁、降低厅堂墙壁的坚硬感，通过合理调整其木板宽度和间隔，还能起到调节光线和吸声的作用。根据图7中的混响时间曲线可知，使用玻纤瓦状浮云板优化后在250 Hz频段附近的混响时间偏长，故对木格栅的设计主要以提升该频段吸声系数为主。最终设计和选用的木格栅吸声特性如图9所示。为避免应用木格栅后中高频段混响时间过短，全频段声学优化方案中适当减小浮云板面积，使其主要位于座椅区上方空间，图10为该方案的示意。对该候车厅采取全频段声学优化设计后，计算得到其混响时间频谱特性(见图11)，在1005 000 Hz频段内混响时间介于24 s之间，并随频率变化起伏较小。计算得到候车厅内STI分布比例如图12所示，在候车厅各位置处的STI均大于0.45，达到二级业务广播STI要求，且STI不小于0.5的面积相对于方法二的优化方案有所扩大，候车厅内广播清晰度得到进一步改善。面积占比/%方法一方法二504030201000.34 0.36 0.38STI222221119151737460.40.50.46 0.480.52 0.54图8不同声学优化方法的STI分布对比频率/Hz1001251 000 2 0002504 0005008 0000.60.40.20吸声系数图9木格栅吸声系数浮云板浮云板木格栅图10全频段声学优化设计方案示意全频段优化方案频率/HzT60/s141210864201001251602002503154005006308001 0001 2501 6002 0002 5003 1504 0005 000现状测试结果图11全频段声学优化后混响时间特性面积占比/%4030201000.460.480.5STI18143621110.520.54图12全频段声学优化后STI分布占比04铁路车站候车厅混响控制及广播清晰度影响分析李志强 等2022年第12卷第6期环境保护5结论通过对我国某铁路车站候车厅混响影响和广播系统清晰度开展试验和仿真研究，得到以下主要结论。（1）以吸声系数较小的大理石、玻璃等作为主要装修材质的候车厅内混响时间过长，会导致广播系统清晰度较差，影响广播播报质量，需要进行声学优化设计。（2）仅考虑对500 Hz的混响时间进行控制可能对广播系统性能的提升效果有限，候车厅内声学优化设计时应优先选用人语言声的主要频带(3252 000 Hz)内吸声系数较高的材料。（3）为防止中高频混响声被抑制后低频噪声影响突出，可在候车厅墙壁处适当选用低频吸声性能较好的材料作为补充优化手段。（4）虽然候车厅属于大空间厅堂，通过合理的吸声设计可以实现将候车厅内混响时间控制在24 s，在该混响时间范围内广播系统STI可达到二级业务广播的标准要求。参考文献：1 李志强，刘兰华，李晏良.高速铁路高架车站线下候车厅声环境研究J.中国铁路，2021(10)：112-118.2 李志强，郑永明，刘兰华.高速铁路车站候车厅声环境主观调研及测试分析J.铁路节能环保与安全卫生，2021，11(4)：13-17，25.3 刘培杰，赵越喆，吴硕贤.特大型高铁车站高架候车厅声环境主客观评价研究J.中国铁道科学，2015，36(2)：111-117.4 铁路旅客车站设计规范：TB 101002018S.北京：中国铁道出版社，2018：18-19.5 公共广播系统工程技术标准：GB/T 505262021S.北京：中国计划出版社有限公司，2021：8.6 琚佳.声场分析在高铁车站广播系统设计中的应用J.铁路通信信号工程技术，2014，11(6)：27-31.7 袁莉，张健.铁路客站声场现状分析及设计优化探讨J.中国铁路，2014(6)：44-47.8 叶年发，尹力军，潘立超，等.铁路车站大空间广播系统清晰度的实验研究J.铁道经济研究，2013(Z1)：49-53.9 蔡乐刚，朱杰，陈洋.不同结构型式与参数单层窗隔声性能试验分析J.噪声与振动控制，2018，38(1)：171-176.Reverberation Control andAnalysis of Broadcasting Clarityin Railway Station Waiting HallLI Zhiqiang，LIU Lanhua(Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy ofRailway Sciences Co.,Ltd.，Beijing 100081，China)Abstract:In order to improve the acoustic environment of railway station waiting hall,the reverberation characteristics andcontrol methods of waiting hall are studied by means of experiment and simulation.The influence of reverberation timecontrol frequency band on broadcast clarity is compared and discussed,and it is proposed that reverberation time controlshould be carried out in the main frequency band of human language sound(3152 000 Hz).On this basis,a full-bandacoustic optimization design scheme of waiting hall is proposed,which uses the combination of wood grid and glass fibertile floating cloud plate.According to the calculation results,the reverberation time can be reduced to 24 s and the broadcastspeech transmission index(STI)is greater than 0.45 by reasonable acoustic optimization design.The research results havepositive significance for guiding the effective acoustic optimization design,improving the broadcast clarity and acousticenvironment of waiting hall.Keywords:Railway station；Waiting hall；Reverberation time；STI05