轨道交通地下车站站台公共广播系统语音清晰度分析

费琳琳1 ，曾钦娥1 ，侯博文*1    ，李佳静1

（1.北京交通大学土木建筑工程学院 ，北京 100044）

        摘  要：为分析地下车站站台不同位置处的广播系统的语音清晰度，选取某典型车站站台展开现场测试，以标准语音信号为广播系统声源输入，采集站台不同位置处的脉冲响应，采用Dirac6.0对广播语言传输指数STIPA 进行分析，分析了站台不同位置处STIPA的分布规律，分析了早期衰减时间（EDT）、明晰度（C50）等声学参数与STIPA的关系，最后，分析声源音量对站台语音清晰度的影响。结果表明，（1）站台内不同测点位置处的语音清晰度STIPA差异显著，语音声源音量至60dB(A)时，在扬声器附近测点位置的STIPA 值≥0.45，随着与站台扬声器安装位置距离的增大，测点位置的STIPA 值逐渐越小，站台两端位置处的STIPA 小于 0.4 ，乘客很难获取清晰的广播语音。站台不同测点位置处的明晰度C50与STIPA 分布规律呈现良好的正相关关系。（3）增大语音声源音量至 72dB(A)时，站台不同测点位置处的STIPA值均有所增大，站台两端位置处的STIPA值变化微小。该研究结果 对地铁车站的广播系统设计、站台声学设计和改善地下车站站台语音清晰度具有较高的现实意义和应用价值。

        关键词：地下车站站台；广播语音系统；语音清晰度；声学参数；音量；

        中文图分类号：TU112.2            文献标识码：A

        广播系统是地铁车站的重要组成部分，主要功能是向乘客广播列车到发、乘车安全、 向导等服务信息，同时也向工作人员发布相应的作业通知。当车站发生紧急情况时，广播具有指导疏散乘客的功能。因此，广播语音信息准确、清晰的传达至站内人员对于提高地铁车站 乘客候车满意度具有非常重要的意义。

        室内语音清晰度通常受到声场条件及干扰噪声水平影响， 由于直达声与混响声的相互掩蔽作用，造成部分语音信息的丢失与畸变，降低了语音清晰度。 尚楠[1]通过室内实验，拟合得到了语音清晰度与混响时间、信噪比的关系，发现语音清晰度与混响时间呈对数下降趋势， 而与噪声信噪比呈对数上升趋势。彭健新[2]探讨了不同室内声学特性、不同信噪比条件下三种干扰噪声对汉语语言清晰度的影响，发现听音位置的声场特性和信噪比 因素对汉语语言清晰度有显著影响。地下车站站台为封闭长空间结构，站台内建筑表面多为大理石等硬质材料， 吸声性能小，造成站台内混响时间长、声场环境差，地下车站站台内的混响时间为1.3s~2.2s ，显然会降低站台内广播语音的语言清晰度。对于地下车站站台内广播语音清晰度的研究主要通过仿真和现场实测展开， 国外Kim[3]通过仿真模型分析了站台内语音清晰度，认为小尺寸站台及墙面使用高吸声材料后的站台具有更好的站台语音清晰度。Shimokura[4]采用无指向性声源代替广播喇叭系统声源，测试分析了与声源不同距离处的语音清晰度，表明随着距声源距离的增大，语言传输指数STI呈下降趋势，当距离声源超过15m时，语音清晰度将会变的很差（poor）。国内对于站台的语音清晰度研究工作起步较晚，袁莉[5]等对多个既有铁路客运站候车厅的语音清晰度展开了现场测试，不同客运站候车厅的广播语言传输指数（STI）在0.18~0.43范围内，个别车站语音清晰度较差，通过声学仿真软件分析了不同广播系统方案对广播语音清晰度的影响，表明有效的扩声系统设计可以提高站房语音清晰度。综上分析，语言传输指数是广播语音系统的重要评价指标， 目前较少的研究针对实际条件地下车站站台广播系统传输至站台乘客的语音清晰度展开。而语言清晰度直接影响乘客获取广播信息的准确度，当站台内发生意外时，广播广播语言清晰度直接影响站台的疏散秩序，因此有必要对站台的广播语言清 晰度进行分析。

        本文针对典型地下车站站台的广播系统进行现场语音清晰度测试，以标准语音信号为广播系统输入声源， 采集站台不同位置处的脉冲响应，采用Dirac对站台不 同位置处的语言传输指数进行分析，分析站台不同声学参数与STIPA的相互关系，并分析语音信号音量对站台语音清晰度的影响，该研究可为地下车站站台扩声系统的设计、语音清晰度的改善提供依据。

1 评价指标的选取

1.1 语言传输指数

        语言传输指数STI（Speech Transmission Index）是客观评估语音清晰度的重要参数，可以较为全面的反映房间混响时间、信噪比和回声等对语言清晰度的影响。 其测量方法为，以携带人声学特性的标准语音信号作为测试信号，经过系统传输、空间混响及背景噪声作用后， 到达不同位置后的语音信号会发生不同程度的模糊，通过分析所接收信号与原信号之间调制频率幅值深度的降低程度，得到语言传输指数的STI 。调制频率幅值深度的降低程度可通过声传输系统的脉冲响应计算[6] ，其表达式为：

其中， fm为调制频率, h(t)为室内脉冲响应，SNR 为信噪比。

        公共广播系统的语言传输指数STIPA参数由语言传输指数STI简化而来，标准IEC 60268-16[7]给出了STIPA的计算方法，对每个载波采用两个调制频率调制，采用部分调制数据点进行计算得到，减少了计算工作量。

1.2 语音清晰度评价方法

        标准IEC 60268-16[7]针对不用应用环境的的STI给出了相应的值，如表一所示，语言传输指数取值范围为 0-1，值越大说明清晰度越好，0 表示完全无法理解，1 表示完美理解，并针对不同的典型应用场景给出了相应的STI的范围。

表一 不同范围内 STI 的典型应用

        中国国家标准《公共广播系统工程技术规范》（GB 50526-2010）[8] 引入扩声系统语言传输指数STIPA作为广播系统音质评价的评价指标之一，不同公共广播系统提出了不用语言传输指数要求，如表二所示：

表二 公共广播系统语言传输指数

2 现场测试

2.1 测点布置方案

        本文选取某典型地下站站台进行语音清晰度测试， 站台型式为典型侧式台，站台长×宽×高为120m×3m×2.9m ，站台高度为站台净高，站台门为全高半封闭站台门，站台空间主要为扶梯和直梯等基础设施。站台地面采用大理石铺面，墙体表面采用瓷砖贴面，顶 棚为吊顶格栅结构，站台门为钢化玻璃与不锈钢门框组合而成，站台现场布局如图 1 所示。

        由于站台长度为120m，长度较大，可视为长廊结构，将站内空间划分为3个区域进行语音清晰度测试，其中，区域1和区域3位于站台两端，同时存在扶梯、直梯等设施 ，参 照《 公 共 广 播 系 统 工 程 技 术 规 范》（ GB  50526-2010）[8]的要求，每5m布置一个测点，两区域分别布置4个测点；区域2位于站台中部，无其他结构物，每10m布置一个测点，共布置5个测点，如图 2 所示，各测点位置距离周围边界面的横向距离大于1.2m，困难条件下与周围边界面的距离相应减小，如扶梯侧距离扶梯侧面的距离约1m。

图 1 车站现场照片

图 2 站内测点位置示意图

2.2 测试方法

        测试所采用的测试设备包括B&K 4720型语音声源、B&K2250 便携式手持声级计、B&K 4231声校准器(1kHz、94dB) 、B&K ZE0948声卡、Dirac 6.0软件。在测试开始之前采用声校准器对传声器进行校准，保证传声器与前 一次的校准差不超过1dB。

        为避免测试过程广播信号对站台乘客的影响，选择地铁停止运营后00:00-03：00的站台展开测试，测试时站内广播系统的扬声器数量与正常运营时播放数量一致。测试流程图如图3所示，在车站综控室内采用 B&K 4720 型回声语音源播放标准语音信号，并将其放置在距离广播麦克风0.5m处，在站台区内，将声级计放置于测点位置，传声器距离地面高度为1.6m，通过导线、声卡与电脑PC连接，通过电脑端DIRAC 6.0 软件采集脉冲响应信号，如图4所示。总控室与站台区测试人员同时进行操作，每个测点位置重复播放语音信号3次，完成后进行下一个测点测试。

        同时对不同广播语音音量下站台所获得的清晰度对进行测试，分别选择回声语音源播放声压级水平为60 dB(A)（小音量）和 72dB(A)（大音量）的语音信号。

图 3 车站广播系统语言传输指数测量流程图

图 4 现场试验示意图

3 结果分析与讨论

3.1 站台广播语言传输指数STIPA

        本文采用Dirac 6.0对站台内13个测点的语言传输指数STIPA值，Dirac 6.0基于标准IEC 60268-16[7]推荐的间接测量法进行声学参数计算，结果如图 5所示。

图 5 各测点位置处语言传输指数

        从图5可以看出，沿站台长度方向，不同位置的STIPA值差异显著，R5、R10、R11处存在显著峰值，小音量时的STIPA值分别为0.51 、0.47 、0.47，处于范围 0.45~0.55之间，满足《公共广播系统工程技术规范》（GB50526-2010）[8]规定的二级业务广播系统的限值，通过分析站台扬声器安装位置，发现R5上方、R10与R11之间的上方为扬声器安装位置。随着与扬声器的距离增大，站台内其他测点的STIPA值以R5 、R10及R11为中心向两端逐渐减小，均小于0.45 ，低于二级业务广播系统的限值，特别是两端最边缘处测点R1和R13，STIPA值小于0.4 ，已低于三级业务广播系统的限值，表明乘客在此位置处无法清晰获得广播所播放的信息，这主要是由于此位置处距离站台扬声器位置较远，语言传输指数下降，同时该位置处距离端部墙体较近，反射作用加强，声音信号的混叠作用加强，从而导致语言传输指数下降。

3.2 站台声学参数对广播语音清晰度的影响

        为分析站台声学参数对不同位置处广播语音清晰度 的影响，进一步对小音量时站台不同测点位置的声学参数进行分析，包括信噪比（SNR）、早期衰减时间（EDT）、明 晰 度 （ C50 ）, 结果如表三所示，其中C50为 400Hz~4000Hz的加权平均值。各声学参数与STIPA值进 行对比如图 6所示。

表三  不同测点位置处的声学参数

（a）早期衰减时间EDT

（b）明晰度C50

图 6  站台不同测点位置处的声学参数

        从表四和图6可以看出，整体上早期衰减时间EDT与STIPA值呈负相关关系，但不同测点位置处存在较大的离散性，如EDT在R4与R11出现极小值，而STIPA的极大值出现其邻近位置R5与R10处，EDT在R7~R10明显大于站台两端位置处R1和R13的EDT，而其STIPA值却略大于R1和R13。

        各测点位置的明晰度C50与STIPA呈现良好的正相关关系，不同测点位置分布规律与STIPA的分布规律一致，在R5与R11位置处出现极大值，在站台两端位置处出现最小值。

 3.3 声源音量对广播语音清晰度的影响

        对不同音量条件下站台不同位置处的语言传输指数进行分析，结果如图7所示。

图 7  不同音量条件语言传输指数

        对比图7不同音量条件下站台不同位置处的STIPA，发现增大语音声源播放音量后，不同测点位置处的语言传输指数均有所增大，其中在R5、R10、R11位置附近的STIPA增大最显著，分别为0.04、0.03、0.03，R3、R4、R6位置处的STIPA值提高至二级业务广播限值以上，而在站台两端位置R1、R13处，STIPA基本无变化，说明增大广播语音的音量对该处置处语音清晰度基本无影响， 需采取其他措施改善此处的语音清晰度。

4  结论

        为对地铁车站站台内语音广播系统播放的语音清晰度进行分析，本文以某地铁车站站台为例，对站台内的语音清晰度进行了现场测试，分析了站台不同位置广播 语言传输指数 STIPA ，并分析了增大语音声源音量对站台语音清晰度的影响，最后对不同声学参数与STIPA的相互关系进行分析，得到以下几点结论：

（1）站台内不同测点位置处的语音清晰度STIPA差异显著，语音声源音量为60dB(A)各测点的STIPA值在0.38~0.51范围内，其中仅扬声器附近测点位置的STIPA值≥0.45，随着与站台扬声器安装位置距离的增大，测点位置的STIPA值逐渐越小，站台两端位置处的STIPA小于0.4 ，乘客很难获取清晰的广播语音。

（2）站台不同测点位置处的STIPA值与早期衰减时间EDT呈负相关关系，但不同测点位置处存在差异。站台不同测点位置处的 STIPA 分布规律与明晰度C50呈现良好的正相关关系。

（3）增大语音声源音量至 72dB(A)时，站台不同测点位置处的STIPA 值均有所增大，更多的测点位置处的STIPA值满足标准规定的二级业务广播系统的限值，但站台两端位置处的STIPA值未变化。

参考文献

[ 1]  尚楠，章斯宇，孟子厚.混响和噪声对汉语语音清晰度影响的等效关系[J].声学技术.2015 ，34（6）：446-449；

[2]  彭健新.三种干扰噪声对汉语语言清晰度的影响[J].振动与冲击.2005 ，24（6）：96-101；

[3] Yong Hee Kim, Yoshiharu Soeta. Architectural treatments for improving sound fields for public address announcements in underground station platforms[J].Applied acoustics (74)2013:1205-1220；

[4] Ryota Shimokura ，Yoshiharu Soeta. Evaluation of speech intelligibility of sound fields in underground stations[J]. Acoustical Science and Technology.2011，32(2) ：73-75；

[5]  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；

[6]  祝培生,莫方朔,路晓东等.  语言清晰度客观评价方法—对 IEC 60268-16 规范的解读[J].   电声技术，2012 ，36(5):40-45.

[7] International Electrotechnical Commission. Sound system equipment：Objective rating of speech intelligibility by speech transmission index :IEC 60268-16[S].IEC Catalogue ofpublications ，2011；

[8]  中华人民共和国工业和信息化部.公共广播系统工程技术规范:GB 50526-2010[S].北京:中国计划出版社，2010.