中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司（王衛(wèi)東）

                      香港新光國際有限公司(梁志堅、闕秀明)

1.前言

當(dāng)交通運輸工具由隧道外進(jìn)入隧道中行駛時，司機(jī)與乘客都會很明顯的感受到車內(nèi)的噪聲變大了，除非刻意提高聲音說話或是必須縮短彼此的交談距離，否則難以聽到清晰的交談聲音。如果在隧道內(nèi)因事故發(fā)生，必須在隧道內(nèi)進(jìn)行緊急救護(hù)或是搶救行動，在隧道內(nèi)的交談聲及聲學(xué)廣播系統(tǒng)也會因為隧道內(nèi)的混響時間過長，以致于過多過大的混響聲遮蔽了關(guān)鍵的語言信息，極有可能導(dǎo)致誤解、誤判或是延誤正確的搶救行動，間接造成難以彌補(bǔ)的人員或是金錢損失。

由于國內(nèi)山區(qū)頗多，在國內(nèi)道路工程大幅增建的過程中，隧道工程極多。在目前相關(guān)的隧道工程中，因為用路安全等因素，常常使用涂料或是表面裝飾工程覆蓋于隧道兩側(cè)內(nèi)壁的水泥表面以增加隧道內(nèi)的光反射率等。然而，水泥或是目前多數(shù)的裝飾材料其吸聲系數(shù)皆很小，往往造成隧道內(nèi)有較長的混響時間，尤其是在低頻率部分有更長的混響時間，對于語言遮蔽有更強(qiáng)烈的影響。然而正如前所述，較長的混響時間會降低隧道內(nèi)的語言清晰度，這對于在緊急狀況廣播下會誤判具有關(guān)鍵信息的聲音信號。

在隧道內(nèi)壁鋪設(shè)具有吸聲功能的裝修材料可以大幅降低隧道內(nèi)及隧道出口噪聲[1]，但是更重要的是對隧道內(nèi)語音清晰度的改善。在荷蘭對于隧道內(nèi)的語言清晰度已經(jīng)有了最低要求的標(biāo)準(zhǔn)，而對于語言清晰度的判定標(biāo)準(zhǔn)則是以語言傳輸指數(shù)(sound transmission index, STI)作為指標(biāo)[2]。在美國，于國家防火協(xié)會的火災(zāi)警報法規(guī)(NFPA 72)中，則規(guī)定在緊急狀況下的語言清晰度CIS (Common Intelligibility Scale)指標(biāo)須不得低于0.7，此一指標(biāo)數(shù)值相當(dāng)于對于單字有80%的理解力及對于句子有95%的理解力[3]。在CIS指標(biāo)等于0.7時，等同于語言傳輸指數(shù)為0.5[4]。另外一種簡易評價語言清晰度的指針，則是以標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 3352[5]的語言干擾級(speech interference level, SIL)進(jìn)行評價，此一指標(biāo)可表示在不同背景噪聲于滿意語言清晰度下所容許的最大交談距離。

對于隧道內(nèi)高混響時間所降低的語言清晰度，最佳的解決方法就是在隧道內(nèi)壁增設(shè)具有高度吸聲系數(shù)的吸聲材料以減低混響時間。當(dāng)然也可以依據(jù)交通流量的噪聲頻譜，來設(shè)計優(yōu)化的吸聲構(gòu)造，使得在相同的隧道裝飾工程費用下，除了具有反光性或裝飾性效果，同時使得隧道內(nèi)有較大的降噪量及較佳的語言清晰度。當(dāng)然所使用的吸聲構(gòu)造，除了必須要有較佳的吸聲系數(shù)，仍須符合隧道內(nèi)裝修材料的相關(guān)規(guī)定，例如：反光率、防火等級與不燃性等級等。在本論文中，利用湖南省常張高速公路關(guān)口啞隧道于隧道拱壁裝設(shè)吸聲構(gòu)造前後所量測的混響時間，預(yù)估了裝設(shè)吸聲構(gòu)造後隧道內(nèi)的降噪量及語言清晰度（語言干擾級及語言傳輸指數(shù)）。分析結(jié)果顯示在本吸聲裝飾工程后，隧道內(nèi)的語言傳輸指數(shù)可以達(dá)到0.5符合美國國家防火協(xié)會的火災(zāi)警報法規(guī)(NFPA 72)，于滿意語言清晰度所容許的最大交談距離則可以增倍。

2. 在混響場中的降噪量

如前所述，隧道型公共設(shè)施內(nèi)部表面多為剛性表面，隧道內(nèi)的混響時間極長，形成一混響聲場。對一隧道混響聲場，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(gòu)造前的噪聲級;

Lp2:裝吸聲構(gòu)造後的噪聲級;

RT1:裝吸聲構(gòu)造前的室內(nèi)常數(shù)(room constant), Sa1/(1-a1);

RT2:裝吸聲構(gòu)造前的室內(nèi)常數(shù)(room constant), Sa2/(1-a2);

S:室內(nèi)總表面積;

a1:裝吸聲構(gòu)造前的平均沙賓(Sabine)吸聲係數(shù);

a2:裝吸聲構(gòu)造後的平均沙賓(Sabine)吸聲係數(shù)。

其中平均沙賓吸聲系數(shù)a，亦可以藉由現(xiàn)場量測的混響時間以下列方式計算：

a=(55.26V)/(cST)

此處

T:混響時間 (sec)

V:室內(nèi)體積 (m3)

c:聲音速度 (m/s)

由以上公式可以看出，在隧道內(nèi)的降噪量與室內(nèi)常數(shù)有密切關(guān)系。當(dāng)室內(nèi)常數(shù)愈大，降噪量則愈大。而室內(nèi)常數(shù)愈大，表示隧道內(nèi)表面所需要覆蓋的吸聲構(gòu)造愈多。當(dāng)隧道內(nèi)的平均吸聲系數(shù)愈大時，也就表示隧道內(nèi)的混響時間愈短。因此，量測隧道內(nèi)的混響時間，即可估算隧道內(nèi)的降噪量。當(dāng)然，當(dāng)隧道內(nèi)的噪聲降低時，隧道出口的噪聲也會隨之降低，例如：若以全頻域噪音評估后，本案的降噪量可達(dá)到6.3 dB(A)[1]。

3. 語言干擾級

在評價語言清晰度時，使用標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 3352[5]的語言干擾級(speech interference level, SIL)指標(biāo)是一個簡易的評價方式，語言干擾級的定義是在500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz及 4000 Hz 的1/1倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均值。依據(jù)此算術(shù)平均值的大小，來定義在正常交談聲音或是提高聲音交談下，令人可聽清楚的最大距離，正如圖1所示?；旧?，語言干擾級數(shù)值愈大，令人可聽清楚的最大距離就愈小。在語言干擾級每減少6 dB下，令人可聽清楚的最大距離約可增加一倍距離。這對于在隧道內(nèi)安排廣播系統(tǒng)時，可以有較多的選擇方案及較優(yōu)勢的設(shè)計環(huán)境，以及在隧道內(nèi)緊急廣播時，可以有更多的人在更短的時間內(nèi)，同步可以聽取清晰的關(guān)鍵聲學(xué)信息（例如：緊急疏散方向與正確采取行動），以減少可能潛在的損害。在計算語言干擾級時，雖然無法得知現(xiàn)場車流量下實際的噪聲級，但是可以利用鋪設(shè)吸聲構(gòu)造前后的混響時間差異，計算語言干擾級的改善量。

圖1  在正常聲音交談下及提高聲音交談下可聽清楚的最大距離

3. 語言傳輸指數(shù)

在評價語言清晰度時，語言傳輸指數(shù)(Speech transmission index, STI)是一項客觀的預(yù)估指標(biāo)。語言傳輸指數(shù)的數(shù)值在0與1之間，其中0表示最差的語言清晰度，1表示最佳的語言清晰度。在0與1之間的語言傳輸指數(shù)，總計分為五等分[7]，依序為惡劣級(0.0~0.30, bad), 貧乏級(0.30~0.45, poor), 普通級(0.45~0.6, fair), 良好級(0.6~0.75, good), 優(yōu)良級(0.75~1.0, excellent)。在美國國家防火協(xié)會的火災(zāi)警報法規(guī)(NFPA 72)中[3]，則規(guī)定了語言傳輸指數(shù)須不低于0.5。

表1 語言清晰度與語言傳輸指數(shù)的關(guān)系[7]

有關(guān)語言傳輸指數(shù)的計算在

其中，F為調(diào)制頻率(Hz)，T為混響時間(s)。

(2)計算視噪聲比(apparent signal-to-noise ratio, SNR)

此處的視噪聲比被限制在 -15 dB ~ 15 dB，也就是當(dāng)視噪聲比低于-15 dB則設(shè)定為 -15 dB, 比15 dB大的，則設(shè)定為 15 dB。

(3)計算不同倍頻帶的傳輸指數(shù) TIk,f (transmission index)

此處系分別計算每個(k)倍頻帶(octave band)內(nèi)的14個調(diào)制頻率f(0.63 Hz  ~ 12.5 Hz)。

(4)計算調(diào)制傳輸指數(shù) (modulation transmission index)

此處系將每個(k)倍頻帶(octave band)內(nèi)的14個調(diào)制頻率f(0.63 Hz  ~ 12.5 Hz)的傳輸指數(shù)平均。

(5) 計算語言傳輸指數(shù)STIr ，(revised speech transmission index)

此處系將7個倍頻帶(125 Hz ~ 8k Hz)以不同計權(quán)的方式進(jìn)行加總。

此處的ak及bk分別代表各倍頻帶的計權(quán)系數(shù)及修正系數(shù)，其中對于男聲及女聲的ak及bk各有其對應(yīng)數(shù)值。

5. 結(jié)果與討論

在本吸聲裝飾墻工程中使用了由新光國際有限公司于國內(nèi)所生產(chǎn)制造具有高效吸聲能力的CEMCOM材料，利用其顆粒性及內(nèi)部連通細(xì)孔構(gòu)造產(chǎn)生了吸聲作用。由于CEMCOM高效吸聲材料，基本上是以水泥及天然礦物質(zhì)火山熔巖經(jīng)1000℃高溫以上預(yù)熱燒結(jié)、并經(jīng)過擠壓成型后所產(chǎn)生的多細(xì)孔、無機(jī)水泥組合物，因此該材料抗老化性能優(yōu)異，對自然界有很高的適應(yīng)能力。由于其主要成分來自于高溫天然火山熔巖，它不含污染物且其防火性能極其優(yōu)異，可達(dá)GB8624防火Ａ級與GB/T5464不燃材料。對于燃燒后的煙氣毒性按GB/T20285達(dá)到安全AQ1級。在對抗汽車尾氣及塵埃下，CEMCOM材料也可在使用納米表面涂層下，輕易的經(jīng)過雨水進(jìn)行自潔或是使用清水清潔。CEMCOM材料的外觀及色彩也比傳統(tǒng)聲屏障外表饒富變化，可依照設(shè)計師的要求進(jìn)行適當(dāng)變化，例如：商標(biāo)或地標(biāo)的圖案，或是依照隧道內(nèi)規(guī)定所要求的反光功能，依GB 11942及GB/T 3979測定后的光反射比達(dá)0.751。由于CEMCOM高效吸聲材料符合上述標(biāo)準(zhǔn)，因此特別適用于有嚴(yán)格要求的海底隧道、鐵路隧道、公路隧道、公眾聚會場所、電廠、引擎試驗室等特殊場所。

正如前所敘述，利用鋪設(shè)吸聲構(gòu)造前后的混響時間可以評估隧道內(nèi)的降噪量、語言干擾級改善量及語言傳輸指數(shù)。本隧道的橫斷面圖如圖2所示，在本隧道混響時間現(xiàn)場檢測位置分布，則如圖3所示，總計有5個成一直線測點，每個測點相距約8 m。此5個測點位置在裝鋪設(shè)吸聲構(gòu)造前后的平均混響時間檢測結(jié)果如圖4所示。利用圖4的混響時間及在各頻帶的降噪級，即可分別計算語言傳輸指數(shù)及語言干擾級差異值。其中，語言干擾級降低了6.7 dB，此一數(shù)值在ISO/TR 3352中相當(dāng)于可聽清楚的最大距離增加了一倍以上，此一距離增加表示有更多的人員可以在同一時間實時的采取相同正確行動，或是在隧道內(nèi)的聲學(xué)廣播系統(tǒng)配置，其喇叭間距可以適度的增長且其位置配置可以有更多的選擇方式。

于本吸聲裝飾工程前后，若依照IEC 60268-16標(biāo)準(zhǔn)以語言傳輸指數(shù)來評價語音清晰度，對于以男聲廣播的語言傳輸指數(shù)可由0.26(惡劣級)提升至0.50(普通級），或是以女聲廣播的語言傳輸指數(shù)則可由0.28(惡劣級)提升至0.52（普通級）?；旧希诒疚曆b飾工程后，不論男聲或女聲廣播皆可符合美國國家防火協(xié)會在火災(zāi)警報法規(guī)NFPA 72中所要求的語言傳輸指數(shù)最低標(biāo)準(zhǔn)值0.5[3]。

圖2  隧道橫斷面圖

圖3 混響時間檢測位置示意圖

圖4 混響時間與降噪級

6. 結(jié)語

在使用隧道內(nèi)裝修材料，除了考慮目前為大家所熟知的裝飾效果、反光率、不燃及防火等特性，亦應(yīng)同時考慮與緊急搶救相關(guān)連的語音清晰度，以維護(hù)隧道安全及人民福祉。在本實際案例中，于隧道內(nèi)壁鋪設(shè)大量吸聲構(gòu)造后，除了可以明顯提升語音清晰度至符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，例如：語言傳輸指數(shù)至0.5以上，并可在發(fā)生緊急狀況廣播的聲學(xué)信息下，倍增可聽清楚的最大范圍距離，使得有較多的人員及在最短時間內(nèi)做出正確行動以減少損害。此外，在隧道內(nèi)壁鋪設(shè)大量吸聲構(gòu)造后亦可有效降低隧道內(nèi)及隧道出口噪聲，同時提高司機(jī)與乘客的舒適性及減低噪音對隧道出入口周遭環(huán)境居民的干擾。

7. 參考文獻(xiàn)

[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.