中鐵第四勘察設計院集團有限公司（王衛東）

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

1.前言

當交通運輸工具由隧道外進(jìn)入隧道中行駛時(shí)，司機與乘客都會(huì )很明顯的感受到車(chē)內的噪聲變大了，除非刻意提高聲音說(shuō)話(huà)或是必須縮短彼此的交談距離，否則難以聽(tīng)到清晰的交談聲音。如果在隧道內因事故發(fā)生，必須在隧道內進(jìn)行緊急救護或是搶救行動(dòng)，在隧道內的交談聲及聲學(xué)廣播系統也會(huì )因為隧道內的混響時(shí)間過(guò)長(cháng)，以致于過(guò)多過(guò)大的混響聲遮蔽了關(guān)鍵的語(yǔ)言信息，極有可能導致誤解、誤判或是延誤正確的搶救行動(dòng)，間接造成難以彌補的人員或是金錢(qián)損失。

由于國內山區頗多，在國內道路工程大幅增建的過(guò)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內壁的水泥表面以增加隧道內的光反射率等。然而，水泥或是目前多數的裝飾材料其吸聲系數皆很小，往往造成隧道內有較長(cháng)的混響時(shí)間，尤其是在低頻率部分有更長(cháng)的混響時(shí)間，對于語(yǔ)言遮蔽有更強烈的影響。然而正如前所述，較長(cháng)的混響時(shí)間會(huì )降低隧道內的語(yǔ)言清晰度，這對于在緊急狀況廣播下會(huì )誤判具有關(guān)鍵信息的聲音信號。

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

對于隧道內高混響時(shí)間所降低的語(yǔ)言清晰度，最佳的解決方法就是在隧道內壁增設具有高度吸聲系數的吸聲材料以減低混響時(shí)間。當然也可以依據交通流量的噪聲頻譜，來(lái)設計優(yōu)化的吸聲構造，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(shí)使得隧道內有較大的降噪量及較佳的語(yǔ)言清晰度。當然所使用的吸聲構造，除了必須要有較佳的吸聲系數，仍須符合隧道內裝修材料的相關(guān)規定，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吸聲構造前後所量測的混響時(shí)間，預估了裝設吸聲構造後隧道內的降噪量及語(yǔ)言清晰度（語(yǔ)言干擾級及語(yǔ)言傳輸指數）。分析結果顯示在本吸聲裝飾工程后，隧道內的語(yǔ)言傳輸指數可以達到0.5符合美國國家防火協(xié)會(huì )的火災警報法規(NFPA 72)，于滿(mǎn)意語(yǔ)言清晰度所容許的最大交談距離則可以增倍。

2. 在混響場(chǎng)中的降噪量

如前所述，隧道型公共設施內部表面多為剛性表面，隧道內的混響時(shí)間極長(cháng)，形成一混響聲場(chǎng)。對一隧道混響聲場(chǎng)，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:裝吸聲構造前的噪聲級;

Lp2:裝吸聲構造後的噪聲級;

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

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

S:室內總表面積;

a1:裝吸聲構造前的平均沙賓(Sabine)吸聲係數;

a2:裝吸聲構造後的平均沙賓(Sabine)吸聲係數。

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

a=(55.26V)/(cST)

此處

T:混響時(shí)間 (sec)

V:室內體積 (m3)

c:聲音速度 (m/s)

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

3. 語(yǔ)言干擾級

在評價(jià)語(yǔ)言清晰度時(shí)，使用標準ISO/TR 3352[5]的語(yǔ)言干擾級(speech interference level, SIL)指標是一個(gè)簡(jiǎn)易的評價(jià)方式，語(yǔ)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。依據此算術(shù)平均值的大小，來(lái)定義在正常交談聲音或是提高聲音交談下，令人可聽(tīng)清楚的最大距離，正如圖1所示?；旧?，語(yǔ)言干擾級數值愈大，令人可聽(tīng)清楚的最大距離就愈小。在語(yǔ)言干擾級每減少6 dB下，令人可聽(tīng)清楚的最大距離約可增加一倍距離。這對于在隧道內安排廣播系統時(shí)，可以有較多的選擇方案及較優(yōu)勢的設計環(huán)境，以及在隧道內緊急廣播時(shí)，可以有更多的人在更短的時(shí)間內，同步可以聽(tīng)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(dòng)），以減少可能潛在的損害。在計算語(yǔ)言干擾級時(shí)，雖然無(wú)法得知現場(chǎng)車(chē)流量下實(shí)際的噪聲級，但是可以利用鋪設吸聲構造前后的混響時(shí)間差異，計算語(yǔ)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(tīng)清楚的最大距離

3. 語(yǔ)言傳輸指數

在評價(jià)語(yǔ)言清晰度時(shí)，語(yǔ)言傳輸指數(Speech transmission index, STI)是一項客觀(guān)的預估指標。語(yǔ)言傳輸指數的數值在0與1之間，其中0表示最差的語(yǔ)言清晰度，1表示最佳的語(yǔ)言清晰度。在0與1之間的語(yǔ)言傳輸指數，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(huì )的火災警報法規(NFPA 72)中[3]，則規定了語(yǔ)言傳輸指數須不低于0.5。

表1 語(yǔ)言清晰度與語(yǔ)言傳輸指數的關(guān)系[7]

有關(guān)語(yǔ)言傳輸指數的計算在

其中，F為調制頻率(Hz)，T為混響時(shí)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，也就是當視噪聲比低于-15 dB則設定為 -15 dB, 比15 dB大的，則設定為 15 dB。

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

此處系分別計算每個(gè)(k)倍頻帶(octave band)內的14個(gè)調制頻率f(0.63 Hz  ~ 12.5 Hz)。

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

此處系將每個(gè)(k)倍頻帶(octave band)內的14個(gè)調制頻率f(0.63 Hz  ~ 12.5 Hz)的傳輸指數平均。

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

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

此處的ak及bk分別代表各倍頻帶的計權系數及修正系數，其中對于男聲及女聲的ak及bk各有其對應數值。

5. 結果與討論

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，利用其顆粒性及內部連通細孔構造產(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℃高溫以上預熱燒結、并經(jīng)過(guò)擠壓成型后所產(chǎn)生的多細孔、無(wú)機水泥組合物，因此該材料抗老化性能優(yōu)異，對自然界有很高的適應能力。由于其主要成分來(lái)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達到安全AQ1級。在對抗汽車(chē)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(guò)雨水進(jìn)行自潔或是使用清水清潔。CEMCOM材料的外觀(guān)及色彩也比傳統聲屏障外表饒富變化，可依照設計師的要求進(jìn)行適當變化，例如：商標或地標的圖案，或是依照隧道內規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0.751。由于CEMCOM高效吸聲材料符合上述標準，因此特別適用于有嚴格要求的海底隧道、鐵路隧道、公路隧道、公眾聚會(huì )場(chǎng)所、電廠(chǎng)、引擎試驗室等特殊場(chǎng)所。

正如前所敘述，利用鋪設吸聲構造前后的混響時(shí)間可以評估隧道內的降噪量、語(yǔ)言干擾級改善量及語(yǔ)言傳輸指數。本隧道的橫斷面圖如圖2所示，在本隧道混響時(shí)間現場(chǎng)檢測位置分布，則如圖3所示，總計有5個(gè)成一直線(xiàn)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)相距約8 m。此5個(gè)測點(diǎn)位置在裝鋪設吸聲構造前后的平均混響時(shí)間檢測結果如圖4所示。利用圖4的混響時(shí)間及在各頻帶的降噪級，即可分別計算語(yǔ)言傳輸指數及語(yǔ)言干擾級差異值。其中，語(yǔ)言干擾級降低了6.7 dB，此一數值在ISO/TR 3352中相當于可聽(tīng)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(shí)間實(shí)時(shí)的采取相同正確行動(dòng)，或是在隧道內的聲學(xué)廣播系統配置，其喇叭間距可以適度的增長(cháng)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標準以語(yǔ)言傳輸指數來(lái)評價(jià)語(yǔ)音清晰度，對于以男聲廣播的語(yǔ)言傳輸指數可由0.26(惡劣級)提升至0.50(普通級），或是以女聲廣播的語(yǔ)言傳輸指數則可由0.28(惡劣級)提升至0.52（普通級）?；旧?，在本吸聲裝飾工程后，不論男聲或女聲廣播皆可符合美國國家防火協(xié)會(huì )在火災警報法規NFPA 72中所要求的語(yǔ)言傳輸指數最低標準值0.5[3]。

圖2  隧道橫斷面圖

圖3 混響時(shí)間檢測位置示意圖

圖4 混響時(shí)間與降噪級

6. 結語(yǔ)

在使用隧道內裝修材料，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，亦應同時(shí)考慮與緊急搶救相關(guān)連的語(yǔ)音清晰度，以維護隧道安全及人民福祉。在本實(shí)際案例中，于隧道內壁鋪設大量吸聲構造后，除了可以明顯提升語(yǔ)音清晰度至符合一定的標準，例如：語(yǔ)言傳輸指數至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(tīng)清楚的最大范圍距離，使得有較多的人員及在最短時(shí)間內做出正確行動(dòng)以減少損害。此外，在隧道內壁鋪設大量吸聲構造后亦可有效降低隧道內及隧道出口噪聲，同時(shí)提高司機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

[1] 粱志堅、闕秀明，“公路隧道噪聲降噪案例研究“，噪聲與振動(dòng)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.