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以吸聲構造提升隧道內聲學系統的語言清晰度
作者:管理员    发布于:2016-08-29 15:33:59    文字:【】【】【

                     中铁第四勘察设计院集团有限公司(王卫东)

                      香港新光国际有限公司(梁志坚、阙秀明)

 

摘要:在本文中以长715m隧道为例,在铺设具有高度吸声能力的隧道内壁装修材料后,得以提升与紧急抢救有关的隧道内语言清晰度。如以国际标准ISO/TR 3352的语言干扰级SIL(speech interference level)进行评价则有6.7 dB降噪量,此ㄧ降噪量相当于在满意的语言清晰度下的最大沟通距离增加了一倍以上。若依照IEC 60268-16标准进行语言清晰度评价后,对于以男声广播的语言传输指数由0.26(恶劣级)提升至0.50(普通级),或是以女声广播的语言传输指数则由0.28(恶劣级)提升至0.52(普通级)。在铺设具有高度吸声能力的隧道内壁装饰构造后,不论男声或女声的声音广播皆可符合美国国家防火协会在火灾警报法规NFPA 72中所要求的语言传输指数最低标准值0.5

 

关键词:语言清晰度(speech intelligibility), 语言传输指数(speech transmission index), 混响时间(reverberation time), 隧道噪声(tunnel noise), 语言干扰级(speech interference level), 吸声结构(acoustical absorption structure)

Improving the speech intelligibility in a traffic tunnel with acoustically 

                                     absorptive structures

 

Abstract:  The speech intelligibility is significantly improved after applying 3.5 m height of the 

CEMCOM acoustical material on the curved concrete side wall of 715 m long traffic tunnel. 

 The maximum communication distance is more than doubled in the tunnel as the speech

 interference level is reduced 6.7 dB according to ISO/TR 3352 standard.  According to

 IEC 6026816, by considering the reverberation only in the highway tunnel, the revised 

speech transmission index for male voice is increased from 0.26 (bad rating) to 0.50 (fair rating)

 and for female voice is increased from 0.28 (bad rating) to 0.52 (fair rating).  After the acoustica

l engineering project, the speech transmission index for both male and female voices in the tunnel 

is no less than 0.5 as a minimum requirement in NFPA 72.

keywords: speech intelligibility, speech transmission index, reverberation time, tunnel noise,

speech interference level, acoustical absorption structure

 


1.前言

当交通运输工具由隧道外进入隧道中行驶时,司机与乘客都会很明显的感受到车内的噪声变大了,除非刻意提高声音说话或是必须缩短彼此的交谈距离,否则难以听到清晰的交谈声音。如果在隧道内因事故发生,必须在隧道内进行紧急救护或是抢救行动,在隧道内的交谈声及声学广播系统也会因为隧道内的混响时间过长,以致于过多过大的混响声遮蔽了关键的语言信息,极有可能导致误解、误判或是延误正确的抢救行动,间接造成难以弥补的人员或是金钱损失。

由于国内山区颇多,在国内道路工程大幅增建的过程中,隧道工程极多。在目前相关的隧道工程中,因为用路安全等因素,常常使用涂料或是表面装饰工程覆盖于隧道两侧内壁的水泥表面以增加隧道内的光反射率等。然而,水泥或是目前多数的装饰材料其吸声系数皆很小,往往造成隧道内有较长的混响时间,尤其是在低频率部分有更长的混响时间,对于语言遮蔽有更强烈的影响。然而正如前所述,较长的混响时间会降低隧道内的语言清晰度,这对于在紧急状况广播下会误判具有关键信息的声音信号。

在隧道内壁铺设具有吸声功能的装修材料可以大幅降低隧道内及隧道出口噪声[1],但是更重要的是对隧道内语音清晰度的改善。在荷兰对于隧道内的语言清晰度已经有了最低要求的标准,而对于语言清晰度的判定标准则是以语言传输指数(sound transmission index, STI)作为指标[2]。在美国,于國家防火協會的火灾警报法规(NFPA 72)中,则规定在紧急状况下的语言清晰度CIS (Common Intelligibility Scale)指标须不得低于0.7,此一指标数值相当于对于单字有80%的理解力及对于句子有95%的理解力[3]。在CIS指标等于0.7时,等同于语言传输指数为0.5[4]另外一种简易评价语言清晰度的指针,则是以标准ISO/TR 3352[5]语言干扰级(speech interference level, SIL)进行评价,此一指标可表示在不同背景噪声于满意语言清晰度下所容许的最大交谈距离。

对于隧道内高混响时间所降低的语言清晰度,最佳的解决方法就是在隧道内壁增设具有高度吸声系数的吸声材料以减低混响时间。当然也可以依据交通流量的噪声频谱,来设计优化的吸声构造,使得在相同的隧道装饰工程费用下,除了具有反光性或装饰性效果,同时使得隧道内有较大的降噪量及较佳的语言清晰度。当然所使用的吸声构造,除了必须要有较佳的吸声系数,仍须符合隧道内装修材料的相关规定,例如:反光率、防火等级与不燃性等级等。在本論文中,利用湖南省常張高速公路關口啞隧道道拱壁装设吸聲構造前後所量测的混響時間,預估了装设吸聲構造後隧道內的降噪量及语言清晰度(语言干扰级及语言传输指数)分析结果显示在本吸声装饰工程后,隧道内的语言传输指数可以达到0.5符合美国國家防火協會的火灾警报法规(NFPA 72),于满意语言清晰度所容许的最大交谈距离则可以增倍。

 

2. 在混响场中的降噪量

如前所述,隧道型公共设施内部表面多为刚性表面,隧道内的混响时间极长,形成一混响声场。对一隧道混响声场,其降噪量NR(noise reduction)估算可以使用下列公式[6]

NR=Lp1-Lp2=10 log (RT2/RT1)

此處:

Lp1:裝吸聲構造前噪聲級;

Lp2:裝吸聲構造後噪聲級;

RT1:裝吸聲構造前室內常數(room constant), Sa1/(1-a1);

RT2:裝吸聲構造前室內常數(room constant)Sa2/(1-a2);

S:室內表面積;

a1:裝吸聲構造前平均沙賓(Sabine)吸聲係數;

a2:裝吸聲構造後平均沙賓(Sabine)吸聲係數

 

其中平均沙宾吸声系数a,亦可以藉由现场量测的混响时间以下列方式计算:

a=(55.26V)/(cST)

此處

T:混響時間 (sec)

V:室內體積 (m3)

c:聲音速度 (m/s)

 

由以上公式可以看出,在隧道内的降噪量与室内常数有密切关系。当室内常数愈大,降噪量则愈大。而室内常数愈大,表示隧道内表面所需要覆盖的吸声构造愈多。当隧道内的平均吸声系数愈大时,也就表示隧道内的混响时间愈短。因此,量测隧道内的混响时间,即可估算隧道内的降噪量。当然,当隧道内的噪声降低时,隧道出口的噪声也会随之降低,例如:若以全频域噪音评估后,本案的降噪量可达到6.3 dB(A)[1]

 

3. 语言干扰级

在评价语言清晰度时,使用标准ISO/TR 3352[5]语言干扰级(speech interference level, SIL)指标是一个简易的评价方式,语言干扰级的定义是在500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz 4000 Hz 1/1倍频带声压级的算术平均值。依据此算术平均值的大小,来定义在正常交谈声音或是提高声音交谈下,令人可听清楚的最大距离,正如图1所示。基本上,语言干扰级数值愈大,令人可听清楚的最大距离就愈小。在语言干扰级每减少6 dB下,令人可听清楚的最大距离约可增加一倍距离。这对于在隧道内安排广播系统时,可以有较多的选择方案及较优势的设计环境,以及在隧道内紧急广播时,可以有更多的人在更短的时间内,同步可以听取清晰的关键声学信息(例如:紧急疏散方向与正确采取行动),以减少可能潜在的损害。在计算语言干扰级时,虽然无法得知现场车流量下实际的噪声级,但是可以利用铺设吸声构造前后的混响时间差异,计算语言干扰级的改善量。

 


1  在正常声音交谈下及提高声音交谈下可听清楚的最大距离

 

3. 语言传输指数

在评价语言清晰度时,语言传输指数(Speech transmission index, STI)是一项客观的预估指标。语言传输指数的数值在01之间,其中0表示最差的语言清晰度,1表示最佳的语言清晰度。在01之间的语言传输指数,总计分为五等分[7],依序为恶劣级(0.0~0.30, bad), 贫乏级(0.30~0.45, poor), 普通级(0.45~0.6, fair), 良好级(0.6~0.75, good), 优良级(0.75~1.0, excellent)。在美国國家防火協會的火灾警报法规(NFPA 72)[3],则规定了语言传输指数须不低于0.5

语言清晰度与语言传输指数的关系[7]


有关语言传输指数的计算在
IEC 60268-16 [7]标准中,有较详细的说明,在仅考虑混响因素及假设混响时间为指数衰减时,可以下列步骤计算语言传输指数。 (1) 计算调制转移函数m(F), (MTF, modulation transfer function)在假设设理论混响时间为指数衰减时,调制转移函数可以如下计算

其中,F为调制频率(Hz)T为混响时间(s)

 

(2)计算视噪声比(apparent signal-to-noise ratio, SNR)


此处的视噪声比被限制在 -15 dB ~ 15 dB,也就是当视噪声比低于-15 dB则设定为 -15 dB, 15 dB大的,则设定为 15 dB

 

(3)计算不同倍频带的传输指数 TIk,f (transmission index)


此处系分别计算每个(k)倍频带(octave band)内的14个调制频率f(0.63 Hz  ~ 12.5 Hz)

 

(4)计算调制传输指数 (modulation transmission index)


此处系将每个(k)倍频带(octave band)内的14个调制频率f(0.63 Hz  ~ 12.5 Hz)的传输指数平均。

 

(5) 计算语言传输指数STIr (revised speech transmission index)


此处系将7个倍频带(125 Hz ~ 8k Hz)以不同计权的方式进行加总。

此处的akbk分别代表各倍频带的计权系数及修正系数,其中对于男声及女声的akbk各有其对应数值。

 

5. 结果与讨论

在本吸声装饰墙工程中使用了由新光国际有限公司于国内所生产制造具有高效吸声能力的CEMCOM材料,利用其颗粒性及内部连通细孔构造产生了吸声作用。由于CEMCOM高效吸声材料,基本上是以水泥及天然矿物质火山熔岩经1000℃高温以上预热烧结、并经过挤压成型后所产生的多细孔、无机水泥组合物,因此该材料抗老化性能优异,对自然界有很高的适应能力。由于其主要成分来自于高温天然火山熔岩,它不含污染物且其防火性能极其优异,可达GB8624防火A级与GB/T5464不燃材料。对于燃烧后的烟气毒性按GB/T20285达到安全AQ1级。在对抗汽车尾气及尘埃下,CEMCOM材料也可在使用纳米表面涂层下,轻易的经过雨水进行自洁或是使用清水清洁。CEMCOM材料的外观及色彩也比传统声屏障外表饶富变化,可依照设计师的要求进行适当变化,例如:商标或地标的图案,或是依照隧道内规定所要求的反光功能,依GB 11942GB/T 3979测定后的光反射比达0.751。由于CEMCOM高效吸声材料符合上述标准,因此特别适用于有严格要求的海底隧道、铁路隧道、公路隧道、公众聚会场所、电厂、引擎试验室等特殊场所。

 

正如前所叙述,利用铺设吸声构造前后的混响时间可以评估隧道内的降噪量、语言干扰级改善量及语言传输指数。本隧道的横断面图如图2所示,在本隧道混响时间现场检测位置分布,则如图3所示,总计有5个成一直线测点,每个测点相距约8 m。此5个测点位置在装铺设吸声构造前后的平均混响时间检测结果如图4所示。利用图4的混响时间及在各频带的降噪级,即可分别计算语言传输指数及语言干扰级差异值。其中,语言干扰级降低了6.7 dB,此一数值在ISO/TR 3352中相当于可听清楚的最大距离增加了一倍以上,此一距离增加表示有更多的人员可以在同一时间实时的采取相同正确行动,或是在隧道内的声学广播系统配置,其喇叭间距可以适度的增长且其位置配置可以有更多的选择方式。

于本吸声装饰工程前后,若依照IEC 60268-16标准以语言传输指数来评价语音清晰度,对于以男声广播的语言传输指数可由0.26(恶劣级)提升至0.50(普通级),或是以女声广播的语言传输指数则可由0.28(恶劣级)提升至0.52(普通级)。基本上,在本吸声装饰工程后,不论男声或女声广播皆可符合美国国家防火协会在火灾警报法规NFPA 72中所要求的语言传输指数最低标准值0.5[3]

2  隧道横断面图

 

 

混响时间检测位置示意图

 

混响时间与降噪级

 

6. 结语

在使用隧道内装修材料,除了考虑目前为大家所熟知的装饰效果、反光率、不燃及防火等特性,亦应同时考虑与紧急抢救相关连的语音清晰度,以维护隧道安全及人民福祉。在本实际案例中,于隧道内壁铺设大量吸声构造后,除了可以明显提升语音清晰度至符合一定的标准,例如:语言传输指数至0.5以上,并可在发生紧急状况广播的声学信息下,倍增可听清楚的最大范围距离,使得有较多的人员及在最短时间内做出正确行动以减少损害。此外,在隧道内壁铺设大量吸声构造后亦可有效降低隧道内及隧道出口噪声,同时提高司机与乘客的舒适性及减低噪音对隧道出入口周遭环境居民的干扰。

 

7. 参考文献

[1] 粱志堅、闕秀明,公路隧道噪聲降噪案例研究,噪聲與振動控制,2007, 27(S1):327-330.

[2] Sander J. van Wijngaarden, Jan A. Verhave, Prediction of speech intelligibility for public 

address systems in traffic tunnels, Applied Acoustics, 2006, 67:306–323.

[3] National Fire Protection Association, NFPA 72: National Fire Alarm Code,

2007 ed., 235 p.

[4] Jacob, K. 2001, understanding speech intelligibility and the fire alarm code.

[5] ISO/TR 3352 Acoustics-Assessment of Noise with Respect to its Effect on the Intelligibility of Speech.

[6] Noise and Vibration Control Engineering, Principles and Applications,

 edited by Leo L. Beranek and Istvan L Ver , 1992.

[7] IEC 60268-16 (2003) Sound system equipment-Part 16: Objective rating of speech intelligibility by speech transmission index.




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