軌道交通地下車站站臺公共廣播系統(tǒng)語音清晰度分析

費琳琳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展開現(xiàn)場測試，以標(biāo)準(zhǔn)語音信號為廣播系統(tǒng)聲源輸入，采集站臺不同位置處的脈沖響應(yīng)，采用Dirac6.0對廣播語言傳輸指數(shù)STIPA 進行分析，分析了站臺不同位置處STIPA的分布規(guī)律，分析了早期衰減時間（EDT）、明晰度（C50）等聲學(xué)參數(shù)與STIPA的關(guān)系，最后，分析聲源音量對站臺語音清晰度的影響。結(jié)果表明，（1）站臺內(nèi)不同測點位置處的語音清晰度STIPA差異顯著，語音聲源音量至60dB(A)時，在揚聲器附近測點位置的STIPA 值≥0.45，隨著與站臺揚聲器安裝位置距離的增大，測點位置的STIPA 值逐漸越小，站臺兩端位置處的STIPA 小于 0.4 ，乘客很難獲取清晰的廣播語音。站臺不同測點位置處的明晰度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，站臺不同測點位置處的STIPA值均有所增大，站臺兩端位置處的STIPA值變化微小。該研究結(jié)果 對地鐵車站的廣播系統(tǒng)設(shè)計、站臺聲學(xué)設(shè)計和改善地下車站站臺語音清晰度具有較高的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

        關(guān)鍵詞：地下車站站臺；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：TU112.2            文獻標(biāo)識碼：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，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)實驗，擬合得到了語音清晰度與混響時間、信噪比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)語音清晰度與混響時間呈對數(shù)下降趨勢， 而與噪聲信噪比呈對數(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 因素對漢語語言清晰度有顯著影響。地下車站站臺為封閉長空間結(jié)構(gòu)，站臺內(nèi)建筑表面多為大理石等硬質(zhì)材料， 吸聲性能小，造成站臺內(nèi)混響時間長、聲場環(huán)境差，地下車站站臺內(nèi)的混響時間為1.3s~2.2s ，顯然會降低站臺內(nèi)廣播語音的語言清晰度。對于地下車站站臺內(nèi)廣播語音清晰度的研究主要通過仿真和現(xiàn)場實測展開， 國外Kim[3]通過仿真模型分析了站臺內(nèi)語音清晰度，認(rèn)為小尺寸站臺及墻面使用高吸聲材料后的站臺具有更好的站臺語音清晰度。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，語音清晰度將會變的很差（poor）。國內(nèi)對于站臺的語音清晰度研究工作起步較晚，袁莉[5]等對多個既有鐵路客運站候車廳的語音清晰度展開了現(xiàn)場測試，不同客運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)方案對廣播語音清晰度的影響，表明有效的擴聲系統(tǒng)設(shè)計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)的重要評價指標(biāo)， 目前較少的研究針對實際條件地下車站站臺廣播系統(tǒng)傳輸至站臺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)站臺內(nèi)發(fā)生意外時，廣播廣播語言清晰度直接影響站臺的疏散秩序，因此有必要對站臺的廣播語言清 晰度進行分析。

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

1 評價指標(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間、信噪比和回聲等對語言清晰度的影響。 其測量方法為，以攜帶人聲學(xué)特性的標(biāo)準(zhǔn)語音信號作為測試信號，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會發(fā)生不同程度的模糊，通過分析所接收信號與原信號之間調(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的計算方法，對每個載波采用兩個調(diào)制頻率調(diào)制，采用部分調(diào)制數(shù)據(jù)點進行計算得到，減少了計算工作量。

1.2 語音清晰度評價方法

        標(biāo)準(zhǔn)IEC 60268-16[7]針對不用應(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] 引入擴聲系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)STIPA作為廣播系統(tǒng)音質(zhì)評價的評價指標(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 測點布置方案

        本文選取某典型地下站站臺進行語音清晰度測試， 站臺型式為典型側(cè)式臺，站臺長×寬×高為120m×3m×2.9m ，站臺高度為站臺凈高，站臺門為全高半封閉站臺門，站臺空間主要為扶梯和直梯等基礎(chǔ)設(shè)施。站臺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)，站臺門為鋼化玻璃與不銹鋼門框組合而成，站臺現(xiàn)場布局如圖 1 所示。

        由于站臺長度為120m，長度較大，可視為長廊結(jié)構(gòu)，將站內(nèi)空間劃分為3個區(qū)域進行語音清晰度測試，其中，區(qū)域1和區(qū)域3位于站臺兩端，同時存在扶梯、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布置一個測點，兩區(qū)域分別布置4個測點；區(qū)域2位于站臺中部，無其他結(jié)構(gòu)物，每10m布置一個測點，共布置5個測點，如圖 2 所示，各測點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 便攜式手持聲級計、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)器對傳聲器進行校準(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對站臺乘客的影響，選擇地鐵停止運營后00:00-03：00的站臺展開測試，測試時站內(nèi)廣播系統(tǒng)的揚聲器數(shù)量與正常運營時播放數(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，并將其放置在距離廣播麥克風(fēng)0.5m處，在站臺區(qū)內(nèi)，將聲級計放置于測點位置，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，如圖4所示。總控室與站臺區(qū)測試人員同時進行操作，每個測點位置重復(fù)播放語音信號3次，完成后進行下一個測點測試。

        同時對不同廣播語音音量下站臺所獲得的清晰度對進行測試，分別選擇回聲語音源播放聲壓級水平為60 dB(A)（小音量）和 72dB(A)（大音量）的語音信號。

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)場試驗示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 站臺廣播語言傳輸指數(shù)STIPA

        本文采用Dirac 6.0對站臺內(nèi)13個測點的語言傳輸指數(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行聲學(xué)參數(shù)計算，結(jié)果如圖 5所示。

圖 5 各測點位置處語言傳輸指數(shù)

        從圖5可以看出，沿站臺長度方向，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)定的二級業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，通過分析站臺揚聲器安裝位置，發(fā)現(xiàn)R5上方、R10與R11之間的上方為揚聲器安裝位置。隨著與揚聲器的距離增大，站臺內(nèi)其他測點的STIPA值以R5 、R10及R11為中心向兩端逐漸減小，均小于0.45 ，低于二級業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，特別是兩端最邊緣處測點R1和R13，STIPA值小于0.4 ，已低于三級業(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揚聲器位置較遠(yuǎn)，語言傳輸指數(shù)下降，同時該位置處距離端部墻體較近，反射作用加強，聲音信號的混疊作用加強，從而導(dǎo)致語言傳輸指數(shù)下降。

3.2 站臺聲學(xué)參數(shù)對廣播語音清晰度的影響

        為分析站臺聲學(xué)參數(shù)對不同位置處廣播語音清晰度 的影響，進一步對小音量時站臺不同測點位置的聲學(xué)參數(shù)進行分析，包括信噪比（SNR）、早期衰減時間（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 行對比如圖 6所示。

表三  不同測點位置處的聲學(xué)參數(shù)

（a）早期衰減時間EDT

（b）明晰度C50

圖 6  站臺不同測點位置處的聲學(xué)參數(shù)

        從表四和圖6可以看出，整體上早期衰減時間EDT與STIPA值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同測點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明顯大于站臺兩端位置處R1和R13的EDT，而其STIPA值卻略大于R1和R13。

        各測點位置的明晰度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，在站臺兩端位置處出現(xiàn)最小值。

 3.3 聲源音量對廣播語音清晰度的影響

        對不同音量條件下站臺不同位置處的語言傳輸指數(shù)進行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖 7  不同音量條件語言傳輸指數(shù)

        對比圖7不同音量條件下站臺不同位置處的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值提高至二級業(yè)務(wù)廣播限值以上，而在站臺兩端位置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

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

（1）站臺內(nèi)不同測點位置處的語音清晰度STIPA差異顯著，語音聲源音量為60dB(A)各測點的STIPA值在0.38~0.51范圍內(nèi)，其中僅揚聲器附近測點位置的STIPA值≥0.45，隨著與站臺揚聲器安裝位置距離的增大，測點位置的STIPA值逐漸越小，站臺兩端位置處的STIPA小于0.4 ，乘客很難獲取清晰的廣播語音。

（2）站臺不同測點位置處的STIPA值與早期衰減時間EDT呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同測點位置處存在差異。站臺不同測點位置處的 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，站臺不同測點位置處的STIPA 值均有所增大，更多的測點位置處的STIPA值滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二級業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)的限值，但站臺兩端位置處的STIPA值未變化。

參考文獻

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