軌道交通地下車站站臺(tái)公共廣播系統(tǒng)語音清晰度分析

費(fèi)琳琳1 ，曾欽娥1 ，侯博文*1    ，李佳靜1

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 ，北京 100044）

        摘  要：為分析地下車站站臺(tái)不同位置處的廣播系統(tǒng)的語音清晰度，選取某典型車站站臺(tái)展開現(xiàn)場測試，以標(biāo)準(zhǔn)語音信號(hào)為廣播系統(tǒng)聲源輸入，采集站臺(tái)不同位置處的脈沖響應(yīng)，采用Dirac6.0對(duì)廣播語言傳輸指數(shù)STIPA 進(jìn)行分析，分析了站臺(tái)不同位置處STIPA的分布規(guī)律，分析了早期衰減時(shí)間（EDT）、明晰度（C50）等聲學(xué)參數(shù)與STIPA的關(guān)系，最后，分析聲源音量對(duì)站臺(tái)語音清晰度的影響。結(jié)果表明，（1）站臺(tái)內(nèi)不同測點(diǎn)位置處的語音清晰度STIPA差異顯著，語音聲源音量至60dB(A)時(shí)，在揚(yáng)聲器附近測點(diǎn)位置的STIPA 值≥0.45，隨著與站臺(tái)揚(yáng)聲器安裝位置距離的增大，測點(diǎn)位置的STIPA 值逐漸越小，站臺(tái)兩端位置處的STIPA 小于 0.4 ，乘客很難獲取清晰的廣播語音。站臺(tái)不同測點(diǎn)位置處的明晰度C50與STIPA 分布規(guī)律呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。（3）增大語音聲源音量至 72dB(A)時(shí)，站臺(tái)不同測點(diǎn)位置處的STIPA值均有所增大，站臺(tái)兩端位置處的STIPA值變化微小。該研究結(jié)果 對(duì)地鐵車站的廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)、站臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)和改善地下車站站臺(tái)語音清晰度具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

        關(guān)鍵詞：地下車站站臺(tái)；廣播語音系統(tǒng)；語音清晰度；聲學(xué)參數(shù)；音量；

        中文圖分類號(hào)：TU112.2            文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

        廣播系統(tǒng)是地鐵車站的重要組成部分，主要功能是向乘客廣播列車到發(fā)、乘車安全、 向?qū)У确?wù)信息，同時(shí)也向工作人員發(fā)布相應(yīng)的作業(yè)通知。當(dāng)車站發(fā)生緊急情況時(shí)，廣播具有指導(dǎo)疏散乘客的功能。因此，廣播語音信息準(zhǔn)確、清晰的傳達(dá)至站內(nèi)人員對(duì)于提高地鐵車站 乘客候車滿意度具有非常重要的意義。

        室內(nèi)語音清晰度通常受到聲場條件及干擾噪聲水平影響， 由于直達(dá)聲與混響聲的相互掩蔽作用，造成部分語音信息的丟失與畸變，降低了語音清晰度。 尚楠[1]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，擬合得到了語音清晰度與混響時(shí)間、信噪比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)語音清晰度與混響時(shí)間呈對(duì)數(shù)下降趨勢， 而與噪聲信噪比呈對(duì)數(shù)上升趨勢。彭健新[2]探討了不同室內(nèi)聲學(xué)特性、不同信噪比條件下三種干擾噪聲對(duì)漢語語言清晰度的影響，發(fā)現(xiàn)聽音位置的聲場特性和信噪比 因素對(duì)漢語語言清晰度有顯著影響。地下車站站臺(tái)為封閉長空間結(jié)構(gòu)，站臺(tái)內(nèi)建筑表面多為大理石等硬質(zhì)材料， 吸聲性能小，造成站臺(tái)內(nèi)混響時(shí)間長、聲場環(huán)境差，地下車站站臺(tái)內(nèi)的混響時(shí)間為1.3s~2.2s ，顯然會(huì)降低站臺(tái)內(nèi)廣播語音的語言清晰度。對(duì)于地下車站站臺(tái)內(nèi)廣播語音清晰度的研究主要通過仿真和現(xiàn)場實(shí)測展開， 國外Kim[3]通過仿真模型分析了站臺(tái)內(nèi)語音清晰度，認(rèn)為小尺寸站臺(tái)及墻面使用高吸聲材料后的站臺(tái)具有更好的站臺(tái)語音清晰度。Shimokura[4]采用無指向性聲源代替廣播喇叭系統(tǒng)聲源，測試分析了與聲源不同距離處的語音清晰度，表明隨著距聲源距離的增大，語言傳輸指數(shù)STI呈下降趨勢，當(dāng)距離聲源超過15m時(shí)，語音清晰度將會(huì)變的很差（poor）。國內(nèi)對(duì)于站臺(tái)的語音清晰度研究工作起步較晚，袁莉[5]等對(duì)多個(gè)既有鐵路客運(yùn)站候車廳的語音清晰度展開了現(xiàn)場測試，不同客運(yùn)站候車廳的廣播語言傳輸指數(shù)（STI）在0.18~0.43范圍內(nèi)，個(gè)別車站語音清晰度較差，通過聲學(xué)仿真軟件分析了不同廣播系統(tǒng)方案對(duì)廣播語音清晰度的影響，表明有效的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提高站房語音清晰度。綜上分析，語言傳輸指數(shù)是廣播語音系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)， 目前較少的研究針對(duì)實(shí)際條件地下車站站臺(tái)廣播系統(tǒng)傳輸至站臺(tái)乘客的語音清晰度展開。而語言清晰度直接影響乘客獲取廣播信息的準(zhǔn)確度，當(dāng)站臺(tái)內(nèi)發(fā)生意外時(shí)，廣播廣播語言清晰度直接影響站臺(tái)的疏散秩序，因此有必要對(duì)站臺(tái)的廣播語言清 晰度進(jìn)行分析。

        本文針對(duì)典型地下車站站臺(tái)的廣播系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場語音清晰度測試，以標(biāo)準(zhǔn)語音信號(hào)為廣播系統(tǒng)輸入聲源， 采集站臺(tái)不同位置處的脈沖響應(yīng)，采用Dirac對(duì)站臺(tái)不 同位置處的語言傳輸指數(shù)進(jìn)行分析，分析站臺(tái)不同聲學(xué)參數(shù)與STIPA的相互關(guān)系，并分析語音信號(hào)音量對(duì)站臺(tái)語音清晰度的影響，該研究可為地下車站站臺(tái)擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、語音清晰度的改善提供依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

1.1 語言傳輸指數(shù)

        語言傳輸指數(shù)STI（Speech Transmission Index）是客觀評(píng)估語音清晰度的重要參數(shù)，可以較為全面的反映房間混響時(shí)間、信噪比和回聲等對(duì)語言清晰度的影響。 其測量方法為，以攜帶人聲學(xué)特性的標(biāo)準(zhǔn)語音信號(hào)作為測試信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)傳輸、空間混響及背景噪聲作用后， 到達(dá)不同位置后的語音信號(hào)會(huì)發(fā)生不同程度的模糊，通過分析所接收信號(hào)與原信號(hào)之間調(diào)制頻率幅值深度的降低程度，得到語言傳輸指數(shù)的STI 。調(diào)制頻率幅值深度的降低程度可通過聲傳輸系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)計(jì)算[6] ，其表達(dá)式為：

其中， fm為調(diào)制頻率, h(t)為室內(nèi)脈沖響應(yīng)，SNR 為信噪比。

        公共廣播系統(tǒng)的語言傳輸指數(shù)STIPA參數(shù)由語言傳輸指數(shù)STI簡化而來，標(biāo)準(zhǔn)IEC 60268-16[7]給出了STIPA的計(jì)算方法，對(duì)每個(gè)載波采用兩個(gè)調(diào)制頻率調(diào)制，采用部分調(diào)制數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算得到，減少了計(jì)算工作量。

1.2 語音清晰度評(píng)價(jià)方法

        標(biāo)準(zhǔn)IEC 60268-16[7]針對(duì)不用應(yīng)用環(huán)境的的STI給出了相應(yīng)的值，如表一所示，語言傳輸指數(shù)取值范圍為 0-1，值越大說明清晰度越好，0 表示完全無法理解，1 表示完美理解，并針對(duì)不同的典型應(yīng)用場景給出了相應(yīng)的STI的范圍。

表一 不同范圍內(nèi) STI 的典型應(yīng)用

        中國國家標(biāo)準(zhǔn)《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50526-2010）[8] 引入擴(kuò)聲系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)STIPA作為廣播系統(tǒng)音質(zhì)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，不同公共廣播系統(tǒng)提出了不用語言傳輸指數(shù)要求，如表二所示：

表二 公共廣播系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)

2 現(xiàn)場測試

2.1 測點(diǎn)布置方案

        本文選取某典型地下站站臺(tái)進(jìn)行語音清晰度測試， 站臺(tái)型式為典型側(cè)式臺(tái)，站臺(tái)長×寬×高為120m×3m×2.9m ，站臺(tái)高度為站臺(tái)凈高，站臺(tái)門為全高半封閉站臺(tái)門，站臺(tái)空間主要為扶梯和直梯等基礎(chǔ)設(shè)施。站臺(tái)地面采用大理石鋪面，墻體表面采用瓷磚貼面，頂 棚為吊頂格柵結(jié)構(gòu)，站臺(tái)門為鋼化玻璃與不銹鋼門框組合而成，站臺(tái)現(xiàn)場布局如圖 1 所示。

        由于站臺(tái)長度為120m，長度較大，可視為長廊結(jié)構(gòu)，將站內(nèi)空間劃分為3個(gè)區(qū)域進(jìn)行語音清晰度測試，其中，區(qū)域1和區(qū)域3位于站臺(tái)兩端，同時(shí)存在扶梯、直梯等設(shè)施 ，參 照《 公 共 廣 播 系 統(tǒng) 工 程 技 術(shù) 規(guī) 范》（ GB  50526-2010）[8]的要求，每5m布置一個(gè)測點(diǎn)，兩區(qū)域分別布置4個(gè)測點(diǎn)；區(qū)域2位于站臺(tái)中部，無其他結(jié)構(gòu)物，每10m布置一個(gè)測點(diǎn)，共布置5個(gè)測點(diǎn)，如圖 2 所示，各測點(diǎn)位置距離周圍邊界面的橫向距離大于1.2m，困難條件下與周圍邊界面的距離相應(yīng)減小，如扶梯側(cè)距離扶梯側(cè)面的距離約1m。

圖 1 車站現(xiàn)場照片

圖 2 站內(nèi)測點(diǎn)位置示意圖

2.2 測試方法

        測試所采用的測試設(shè)備包括B&K 4720型語音聲源、B&K2250 便攜式手持聲級(jí)計(jì)、B&K 4231聲校準(zhǔn)器(1kHz、94dB) 、B&K ZE0948聲卡、Dirac 6.0軟件。在測試開始之前采用聲校準(zhǔn)器對(duì)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)，保證傳聲器與前 一次的校準(zhǔn)差不超過1dB。

        為避免測試過程廣播信號(hào)對(duì)站臺(tái)乘客的影響，選擇地鐵停止運(yùn)營后00:00-03：00的站臺(tái)展開測試，測試時(shí)站內(nèi)廣播系統(tǒng)的揚(yáng)聲器數(shù)量與正常運(yùn)營時(shí)播放數(shù)量一致。測試流程圖如圖3所示，在車站綜控室內(nèi)采用 B&K 4720 型回聲語音源播放標(biāo)準(zhǔn)語音信號(hào)，并將其放置在距離廣播麥克風(fēng)0.5m處，在站臺(tái)區(qū)內(nèi)，將聲級(jí)計(jì)放置于測點(diǎn)位置，傳聲器距離地面高度為1.6m，通過導(dǎo)線、聲卡與電腦PC連接，通過電腦端DIRAC 6.0 軟件采集脈沖響應(yīng)信號(hào)，如圖4所示?？偪厥遗c站臺(tái)區(qū)測試人員同時(shí)進(jìn)行操作，每個(gè)測點(diǎn)位置重復(fù)播放語音信號(hào)3次，完成后進(jìn)行下一個(gè)測點(diǎn)測試。

        同時(shí)對(duì)不同廣播語音音量下站臺(tái)所獲得的清晰度對(duì)進(jìn)行測試，分別選擇回聲語音源播放聲壓級(jí)水平為60 dB(A)（小音量）和 72dB(A)（大音量）的語音信號(hào)。

圖 3 車站廣播系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)測量流程圖

圖 4 現(xiàn)場試驗(yàn)示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 站臺(tái)廣播語言傳輸指數(shù)STIPA

        本文采用Dirac 6.0對(duì)站臺(tái)內(nèi)13個(gè)測點(diǎn)的語言傳輸指數(shù)STIPA值，Dirac 6.0基于標(biāo)準(zhǔn)IEC 60268-16[7]推薦的間接測量法進(jìn)行聲學(xué)參數(shù)計(jì)算，結(jié)果如圖 5所示。

圖 5 各測點(diǎn)位置處語言傳輸指數(shù)

        從圖5可以看出，沿站臺(tái)長度方向，不同位置的STIPA值差異顯著，R5、R10、R11處存在顯著峰值，小音量時(shí)的STIPA值分別為0.51 、0.47 、0.47，處于范圍 0.45~0.55之間，滿足《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50526-2010）[8]規(guī)定的二級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，通過分析站臺(tái)揚(yáng)聲器安裝位置，發(fā)現(xiàn)R5上方、R10與R11之間的上方為揚(yáng)聲器安裝位置。隨著與揚(yáng)聲器的距離增大，站臺(tái)內(nèi)其他測點(diǎn)的STIPA值以R5 、R10及R11為中心向兩端逐漸減小，均小于0.45 ，低于二級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，特別是兩端最邊緣處測點(diǎn)R1和R13，STIPA值小于0.4 ，已低于三級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，表明乘客在此位置處無法清晰獲得廣播所播放的信息，這主要是由于此位置處距離站臺(tái)揚(yáng)聲器位置較遠(yuǎn)，語言傳輸指數(shù)下降，同時(shí)該位置處距離端部墻體較近，反射作用加強(qiáng)，聲音信號(hào)的混疊作用加強(qiáng)，從而導(dǎo)致語言傳輸指數(shù)下降。

3.2 站臺(tái)聲學(xué)參數(shù)對(duì)廣播語音清晰度的影響

        為分析站臺(tái)聲學(xué)參數(shù)對(duì)不同位置處廣播語音清晰度 的影響，進(jìn)一步對(duì)小音量時(shí)站臺(tái)不同測點(diǎn)位置的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，包括信噪比（SNR）、早期衰減時(shí)間（EDT）、明 晰 度 （ C50 ）, 結(jié)果如表三所示，其中C50為 400Hz~4000Hz的加權(quán)平均值。各聲學(xué)參數(shù)與STIPA值進(jìn) 行對(duì)比如圖 6所示。

表三  不同測點(diǎn)位置處的聲學(xué)參數(shù)

（a）早期衰減時(shí)間EDT

（b）明晰度C50

圖 6  站臺(tái)不同測點(diǎn)位置處的聲學(xué)參數(shù)

        從表四和圖6可以看出，整體上早期衰減時(shí)間EDT與STIPA值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同測點(diǎn)位置處存在較大的離散性，如EDT在R4與R11出現(xiàn)極小值，而STIPA的極大值出現(xiàn)其鄰近位置R5與R10處，EDT在R7~R10明顯大于站臺(tái)兩端位置處R1和R13的EDT，而其STIPA值卻略大于R1和R13。

        各測點(diǎn)位置的明晰度C50與STIPA呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系，不同測點(diǎn)位置分布規(guī)律與STIPA的分布規(guī)律一致，在R5與R11位置處出現(xiàn)極大值，在站臺(tái)兩端位置處出現(xiàn)最小值。

 3.3 聲源音量對(duì)廣播語音清晰度的影響

        對(duì)不同音量條件下站臺(tái)不同位置處的語言傳輸指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖 7  不同音量條件語言傳輸指數(shù)

        對(duì)比圖7不同音量條件下站臺(tái)不同位置處的STIPA，發(fā)現(xiàn)增大語音聲源播放音量后，不同測點(diǎn)位置處的語言傳輸指數(shù)均有所增大，其中在R5、R10、R11位置附近的STIPA增大最顯著，分別為0.04、0.03、0.03，R3、R4、R6位置處的STIPA值提高至二級(jí)業(yè)務(wù)廣播限值以上，而在站臺(tái)兩端位置R1、R13處，STIPA基本無變化，說明增大廣播語音的音量對(duì)該處置處語音清晰度基本無影響， 需采取其他措施改善此處的語音清晰度。

4  結(jié)論

        為對(duì)地鐵車站站臺(tái)內(nèi)語音廣播系統(tǒng)播放的語音清晰度進(jìn)行分析，本文以某地鐵車站站臺(tái)為例，對(duì)站臺(tái)內(nèi)的語音清晰度進(jìn)行了現(xiàn)場測試，分析了站臺(tái)不同位置廣播 語言傳輸指數(shù) STIPA ，并分析了增大語音聲源音量對(duì)站臺(tái)語音清晰度的影響，最后對(duì)不同聲學(xué)參數(shù)與STIPA的相互關(guān)系進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）站臺(tái)內(nèi)不同測點(diǎn)位置處的語音清晰度STIPA差異顯著，語音聲源音量為60dB(A)各測點(diǎn)的STIPA值在0.38~0.51范圍內(nèi)，其中僅揚(yáng)聲器附近測點(diǎn)位置的STIPA值≥0.45，隨著與站臺(tái)揚(yáng)聲器安裝位置距離的增大，測點(diǎn)位置的STIPA值逐漸越小，站臺(tái)兩端位置處的STIPA小于0.4 ，乘客很難獲取清晰的廣播語音。

（2）站臺(tái)不同測點(diǎn)位置處的STIPA值與早期衰減時(shí)間EDT呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同測點(diǎn)位置處存在差異。站臺(tái)不同測點(diǎn)位置處的 STIPA 分布規(guī)律與明晰度C50呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。

（3）增大語音聲源音量至 72dB(A)時(shí)，站臺(tái)不同測點(diǎn)位置處的STIPA 值均有所增大，更多的測點(diǎn)位置處的STIPA值滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，但站臺(tái)兩端位置處的STIPA值未變化。

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