數字模塊化廣播系統的應用

曹 磊 / 劉征崢 / 孟慶祝

(1.中國建筑設計研究院，北京 100044；2.北京國安電氣有限責任公司，北京 100190)

數字模塊化廣播系統的應用

曹 磊1/ 劉征崢1/ 孟慶祝2

(1.中國建筑設計研究院，北京 100044；2.北京國安電氣有限責任公司，北京 100190)

1 概述

數字式模塊化公共廣播系統是使用現代數字及網絡技術，實現音頻信號的數字化處理(數字編碼、數據壓縮、數字調制等)和網絡傳輸。與傳統的公共廣播系統相比，從音頻質量、節目源數量、系統容量、系統擴展及兼容性、管理等方面均體現出了數字化廣播的先進性。

本項目為大型綜合體，是集大型 ShoppingMall、高端品質住宅、頂級酒店公寓和甲級寫字樓等一系列功能于一體的地標性建筑，是當地最繁華的商業中心。針對商業區的不同功能規劃廣播系統：商業區公共區及商鋪區域設置背景音樂廣播兼消防廣播，商鋪內只設消防廣播；地下超市、地上電影院、KTV、健身中心考慮外租，只考慮消防廣播，并預留廣播接口；商業步行街設置背景音樂，滿足事務性語音廣播的要求及背景音樂全天播放需求；商業步行街鋪內揚聲器和通道揚聲器分不同回路設置；在總服務臺設置分區遙控話筒和電腦音源接入；室外周邊道路或室內指定區域適當設置景觀音箱等。該項目需求的多元化恰恰體現了數字式模塊化公共廣播系統的各項優勢和特點。

2 設計依據及設計指標

2.1 聲場強度

聲場強度：聲場強度的具體確定與所處背景環境的噪音強度相關。參考不同環境下的噪聲強度表(KLARK TEKNIK提供)可知，噪聲強度在停車場聲場強度為55dB～56dB，屬于較高的強度，除此以外，一般建筑環境的噪音強度為25dB～45dB。

聲場均勻度：聲場均勻度是指聲壓級均勻度，浮動范圍在8dB左右比較理想。

可懂度：可懂度是一個主觀評定指標，是用來檢測和判定聲音清晰度的指標。

揚聲器頻響范圍：揚聲器的頻響范圍即傳輸頻率特性，設計一般在100Hz～14kHz內，具體指標根據EASE聲場分析軟件結合建筑物的不同場合、揚聲器的不同用途進行分析和計算后確定，揚聲器對應功放的頻響范圍應該優于揚聲器的頻響范圍。

揚聲器的設計選型和點位設置主要根據最大聲壓級(空場穩態準峰值聲壓級)、聲場的不均勻度、傳輸頻率特性(頻響范圍)和所處的建筑物空間大小等確定。根據《廳堂擴聲系統聲學特性指標》和《民用建筑電氣設計規范》的技術標準，本系統按“語言和音樂兼用擴聲系統三級”標準進行規劃，具體指標詳見表1。

表1 “語言和音樂兼用擴聲系統三級”聲學特性指標

沿著單個廣播揚聲器投射方向垂直軸線的聽音點位置的聲壓級計算公式如式(1)。

LP=LO+10lgPS-20lgr

(1)

式中，LP為聽音點位置的聲壓級(dB)；L0為揚聲器聲壓級(dB SPL)；PS為聲源的聲壓功率，即揚聲器的額定功率(W)；r為揚聲器與聽音點位置的垂直距離。

背景音樂：背景音樂系統以聽音樂的人意識不到聲源的位置為最佳，以柔和、清晰的音質作為設計目標，其設計指標為：室內聲壓級均勻，平均聲壓級=噪聲等級+(3～5)dB，頻帶在100Hz～12 kHz，重放特性比較平直。

緊急廣播：緊急廣播系統是以聽音的人在任何地方都能夠聽到清晰、準確的聲音作為設計目的，其設計指標為：室內聲壓級均勻，平均聲壓級為88～94dB，頻帶在100Hz～6 kHz，重放特性比較平直。

根據前面所述噪聲級可以確定本設計的平均聲壓級：背景音樂聲壓級為60dB～70dB，緊急廣播聲壓級為88dB～94dB。

2.2 功放容量

(2)

式中，P為功放設備輸出總電功率(W)；K1為線路衰耗補償系數：線路衰耗1dB時取1.26，線路衰耗2dB時取1.58；K2為老化系數，一般取1.2～1.4。

P0為Ki·Pi每分路同時廣播時最大電功率；Pi為第i支路的用戶設備額定容量；Ki為第i分路的同時需要系數。

服務性廣播時，會議室節目每套Ki=0.2～0.4；背景音樂系統Ki=0.5～0.6。

業務性廣播時，Ki=0.7～0.8；火災事故廣播時，Ki取1.0(同時廣播范圍應符合國家規范規定)。

3 設備選型

本項目廣播系統具有背景音樂廣播、火災緊急廣播、業務性廣播和服務性廣播等功能。系統整體設計為平時播放重要通知和背景音樂及業務和服務性廣播，建筑物發生火災時，強制切換至火災緊急廣播狀態。因此，該系統既可為整個大樓提供良好的工作環境，又保障了火災發生時語音報警及指導疏散的音頻播放。

本次設計選用的數字、模塊化廣播系統，可提供先進的、高水平、多元化的廣播功能，具有擴展和升級方便的系統特征，采用模塊化配置，可通過不同的模塊組合配置達到理想的最優化的系統設計。數字廣播系統總結構如圖1所示。

圖1 數字廣播系統總結構圖

該系統采用定壓輸出方式，定壓輸出采用全數字化設備。消防廣播系統的音源、數字式控制器、功放、呼叫站、揚聲器及電纜等應符合設計要求和國家現行有關標準的規定。

4 系統具體設計

4.1揚聲器選型設計

1)揚聲器間距設計

揚聲器間距計算：T=tan(a/2)×(h-L)×2

式中，T為揚聲器間距；h為天花板的高度(m)；L為人耳的高度(站立時為1.5m，坐時為1m)；a為喇叭擴散角(90°～120°)。

揚聲器間距設計如圖2所示。

2)揚聲器功率設計

揚聲器功率設計如圖3所示。

本項目中，根據區域和用途的不同，分別設置不同類型的揚聲器，如：地下停車場、設備機房、變電所等處設置6W壁掛式揚聲器，商業區、超市、辦公區等區域設置6W吸頂揚聲器，部分商業區域設置15W壁掛號角式揚聲器，室外景觀部分設置30W草坪揚聲器。

圖2 揚聲器間距設計示意圖

圖3 揚聲器功率設計圖

4.2 系統組成

系統根據建筑整體性管理原則，設置背景音樂、業務廣播及應急廣播功能供管理中心統一管理。在消防控制中心設置緊急廣播呼叫話筒(遙控話筒)，以便在建筑物火災發生或突發事故時對建筑物內特定的區域進行人工廣播，對現場人群進行安全疏散指揮。

該廣播系統平時播放內容根據建筑群的不同功能，主要以背景音樂、業務性廣播及服務性廣播內容為主，發生火災時廣播系統會自動切換并播放消防緊急廣播(廣播系統所設計的功放容量滿足全區同時進行緊急廣播的播放)，完成火災自動報警及消防聯動切換的控制(一般按照N、N±1消防分區的聯動方式)。

5 主要功能

本廣播系統專為建筑物廣播設計，完全符合中國消防法規及國際IEC60849/EN60849火災自動報警相關規范要求，為數字式廣播系統，具有背景音樂廣播、公共信息(業務)廣播、服務性廣播和火災事故緊急廣播等功能。

5.1 故障檢測、顯示功能

系統主機具有自檢功能，可自動檢測廣播系統主機、前端功率放大器狀態以及對現場揚聲器信號線路的短路、斷路、接地等故障實時監測；系統通過標準通信接口，能實時監聽不同廣播回路中各組揚聲器實時工作狀態。廣播中心遙控話筒、按鍵，用戶可自定義功能：1)廣播系統故障報警指示燈，功放、主機和揚聲器回路故障指示(包括短路、接地、開路等)；2)用定義的不同按鍵發出不同故障的聲光報警指示；3)可設置系統功能按鍵，如音源選擇、分區音量加減、遠程監聽等。內部故障自動檢測原理如圖4所示。

圖4 內部故障自動檢測示意圖

5.2 數字音頻矩陣管理功能

廣播系統數字音頻矩陣中央管理器設置在總控機房，配備系統中央管理工控計算機進行日常管理。系統由系統控制軟件、功率放大器、輸入信號矩陣、輸出信號矩陣、消防專用話筒、遙控話筒(緊急用或業務用)、系統供電單元模塊、緊急供電單元等各部分構成。系統具有基本98路信號輸入(8個信號輸入插槽)，8支遙控話筒(含消防話筒)，80路本地LINE信號輸入，2路EV(數碼語音廣播卡)聲音，80路音頻矩陣輸出(可擴展至1 600路以上音頻輸出)。8通道網絡音頻輸入單元用于連接音源及遙控呼叫站，可根據多個遙控呼叫站分別處于不同位置時方便連接，可擴展連接音源輸入。由于功放均放置在遠離中控室的分控機房內，設置8通道網絡音頻輸出單元，通過光纖網絡控制不同的分區功放播送不同的背景音樂及管理信息。

5.3 廣播系統的優先權

無論本系統內正在播放音樂還是廣播通知，緊急廣播具有最高優先權，并以最大音量傳輸至所選擇之廣播區。

5.4 功放自動倒備

系統配置熱備份功放，當系統中某臺功放發生故障時可自動替換，并在故障功放修復時自動恢復正常設置狀態。本系統采用4用1備進行備份。

5.5 疏散廣播語音

廣播系統的數字語音卡可錄制足夠多不同內容、多語言的語音信息，語音信息內容可根據不同管理功能由用戶自行定義。語音信息內容可以包括消防緊急廣播所需要的廣播語言，如各建筑群內不同的引導疏散、逃生或解除警報的語音信息。無論是來自火災自動報警系統自動切換聯動方式還是控制中心手動切換方式，均可由數字語音合成系統發出聲音警報信息，應急語音信息語種一般包括漢語、英語、法語和日語四種基本語言，用戶可根據實際需求預先錄制相應的語言。

5.6 節目源

背景音樂源包括計算機錄制語音音頻輸出4路、DVD/CD/MP3音源播放機1路、廣播主機內可定時播放的預先錄制的語音信息1路。管理中心操作人員可以根據具體需要手動控制播放背景音樂、業務性及服務性廣播信息，也可預先編輯好相關播放內容播放程序，通過廣播系統主機內的定時器定時啟動相應的播放內容。

5.7 定時自動播放功能

廣播系統具有強大的自動定時廣播功能，能滿足背景音樂定時廣播、重要節日的歡慶語音廣播等。通過編程，廣播系統能對1年365天的活動進行設置，有10個定時廣播模式可選擇，每個模式可設定32個活動程序，即24h內某個時刻或某段時間的定時啟動設定，主機內置的語音記憶卡可實現語音訊息內容啟動播放，重要內容的中斷插播，外置音源的控制播放，廣播音量的定時控制，控制輸出的定時啟動等。廣播系統軟件還可以每年設定40個重要節日的定時廣播模式，如某一節日或一段假期(如春節、國慶節、圣誕節等節日期間)。

5.8 緊急廣播功能

自動/手動強切功能：當建筑物發生火災時，廣播系統會在2s內自動切換至緊急廣播狀態，以最大的音量實現緊急疏散廣播和相關引導信息的播放，或通過遙控話筒(消防話筒)手動人工廣播火災相關信息及疏散信息，正在播放的背景音樂廣播、信息業務廣播或服務性廣播會立即被暫停，直至緊急廣播狀態解除后方可恢復。

緊急廣播系統所播放的語音信息，主要是預設的火災狀態下的警報信號及疏散信息，以數字音頻文件的方式存儲，不容易損壞和丟失；系統可以實現至少2種以上預先錄制的不同內容的緊急廣播信息，語言種類完全可以滿足需求，并且可以自由編輯和控制，以應變不同場合使用和面對不同的受眾。

系統設置備用功率放大器，確保系統的某一臺功放發生故障時，系統可以實現自動備份切換，無需人工方式轉接和調換功率放大器的輸入、輸出線路。

系統具有輸出線路故障檢測功能，任一廣播輸出線路出現短路、斷線均可迅速顯示故障，能使系統操作人員采取相應措施以保證系統運轉正常。

來自消防控制中心的火災報警系統聯動信號采用無源干觸點方式，聯動回路與建筑物的消防分區數量相一致。

5.9 背景音樂功能

滿足用戶的功能需求。

不同的分區可以播放不同的背景音樂，能夠獨立控制不同分區背景音樂和總體音量及其啟停。

自動定時分區預設內容廣播功能。

通過業務呼叫站，能夠對選擇分區進行業務呼叫廣播。

6 與其他系統的接口功能

6.1 與火災自動報警及消防聯動控制系統接口技術要求

按火災自動報警及消防聯動控制系統監控點及圖紙要求提供無源接點，以實現與消防報警及聯動控制系統聯動。

提供RS-232/485/422標準接口或網絡接口連接，并提供完整的通訊協議，能據此編程實現通訊，通訊協議的版本和服務器版本一致。

6.2 與智能化系統集成接口技術要求

Windows操作系統所支持的動態數據交換(DDE)功能或用于過程控制的對象的鏈接和嵌入(OPC：OLE for Process Control)技術。

支持TCP/IP協議的應用程序接口API函數或其他類似的應用程序接口。

提供ODBC接口，開放的數據庫。

6.3 遠程電話移動指揮廣播功能接口

系統可設置遠程電話移動指揮廣播功能接口，通過手機、集群電話、掌上移動電腦等便攜式終端，通過預先編程設定的用戶密碼，遠程登錄到廣播系統服務平臺上，按照現場的實際情況，配合電視保安監控系統對特定的區域進行廣播指揮，包括演講、通知、預警、救援、疏導和疏散等多方位的應用。

6.4 平安城市應急指揮中心廣播接口

廣播系統設計可與城市應急指揮中心連接，實現與城市安保監控系統相結合，在城市應急總控中心和區域分級控制中心實現對監控點的緊急語音呼叫，進行疏導人群或者現場指揮處理工作，為市民提供高效、快速、可靠的實時語音幫助。

6.5 廣播物聯網管理平臺接口

廣播系統通過廣播物聯網平臺，為廣播系統提供24h遠程診斷維護服務，通過廣播物聯網平臺將廣播系統運行狀態及設備工作情況實時傳輸到遠程客戶運行信息管理平臺中心，能夠在第一時間了解客戶系統出現的問題和工作狀態，并能夠在最短的時間內找到問題原因并及時處理，保證客戶系統的穩定運行。

6.6 環境噪聲自動控制功能

系統設置環境噪聲自動控制功能，對周圍環境噪音電平實時進行檢測分析，自動調整廣播系統的音量、音質和頻率特性，提高廣播系統的語言可懂度和聲壓級。環境噪聲自動控制功能示意圖如圖5所示。

6.7 LED信息發布系統開放接口

在有LED信息發布屏的區域必須設置配套的揚聲器，LED視頻服務器將同步音頻信號送入廣播系統預留的音頻接口，調整音頻和視頻同步播出，當遇有緊急情況時，緊急廣播能夠進行切換優先播出。

圖5 環境噪聲自動控制功能示意圖

6.8 本地商業音源切換接口(電影院、超市、KTV、娛樂城、兒童活動中心等)

在較大的本地商業區域內，廣播系統必須設置本地音源節目輸入口，通過該輸入口可以實現本地音源和系統中其他音源的選擇。當有消防強切信號輸入時，本地音源被切斷，消防應急廣播優先播出。

6.9 流動演出預留接口避免聲干擾

系統預留現場設計專業音頻接口插座引入廣播系統為臨時活動演出音頻接口，在廣播揚聲器和臨時活動演出需同時播放時，只需要擴聲系統調音臺的音頻信號接入現場的地插或墻插，廣播控制室在操作平臺軟件上打開音頻通道即可，在舉辦活動的區域內都可以進行擴聲和廣播同步播放。

6.10 環境景觀聲場設計

地下公共空間及地下停車場等重點區域，通過完善的聲場分析說明，廣播區域模擬分析測試標準：平均聲壓級要求不低于80dB，聲場不均勻度小于12dB；地下停車場區域模擬分析測試標準：平均聲壓級要求不低于90dB，聲場不均勻度小于12dB。6.11 現場指揮疏導管理語音系統

系統預留無線尋呼系統留音頻和控制接口，現場工作人員隨身攜帶無線領夾話筒，在控制室有配套的無線話筒接收機與廣播主機連接，通過軟件預先設置，現場安保人員通過打開領夾話筒，人工切斷當前正在播放的背景音樂廣播或服務性廣播，切換至緊急廣播狀態，現場指揮和引導人群的安全疏散。在商場扶梯及旋轉門范圍內，設置獨立的廣播回路，播放安全信息等重要通知。

6.12 停車場應急呼叫功能

在地下停車場內主要區域設計安裝緊急呼叫站，當車主遇到危險時，如急病、搶劫等情況，可以通過緊急呼叫站進行呼救，在安保控制室設置的揚聲器會實時播放現場求助語音，車場內求助人員可以告知安保工作人員出現的緊急情況，現場緊急呼叫站自動向電視保安監控系統發出信號，攝像機可自動將現場影像記錄并在監控室進行畫面自動切換顯示，安保工作人員通過現場音頻和視頻全面了解現場情況，作出快速準確的處理。

6.13 主機擴展功能

廣播主機采用模塊化結構，充分考慮到后期項目的擴展情況，為后期其他建筑群的接入做好充分準備。

7 結束語

本項目廣播系統的設計既采用標準的模塊化結構和通用的網絡連接，又運用全數字信號處理以及先進的網絡音頻傳輸技術，極大地提高了系統的可操作性、應用性與可維護性，綜合了標準化、模塊化、數字化及網絡化的特性，構成了一個先進、多功能、智能化、高效的公共廣播系統。

Application of Digital and Modular Broadcasting Systems

Cao Lei / Liu Zhengzheng / Meng Qingzhu

本文以某城市綜合體項目廣播系統的設計為例，從聲場強度、廣播揚聲器選型設計、功率放大器設計等方面對廣播系統進行了詳細介紹，闡述了該數字模塊化廣播系統的功能特點。

背景音樂 數字模塊化廣播系統 緊急廣播

This paper takes the design of a broadcasting system in a urban complex project for example, from the intensity of the sound field, radio speaker selection and design, power amplifier design, it detailed introduces a broadcasting system, describes the functions and charecteristics of the digital modularity broadcasting system.

background music, digital and modular broadcasting system, emergency broadcast