長隧道公共廣播系統設計建議報告：雪山隧道

長隧道公共廣播系統設計建議報告：雪山隧道

報告編號： GETOP-2025-0307

日期： 2025 年 03 月 07 日

報告單位： GETOP Paul Chou

1. 專案概述

1.1 專案背景與挑戰

雪山隧道為台灣國道五號之關鍵路段（全長 12.942 公里），其聲學環境極為嚴苛，主要存在兩大挑戰：

1. 高混響環境： 隧道採用 5000 psi 高磅數混凝土結構，導致極高的聲波反射係數 (0.90) 與混響時間 (RT60 ≈ 4.5 秒)。此物理特性會使聲音能量在空間中過度殘響，降低清晰度。

2. 現有系統設計缺陷： 目前廣播系統最關鍵的問題，在於未使用全隧道一致性的 DSP 延時設計。這導致行駛中的駕駛人會同時接收到前方多個喇叭的聲音（即「多重音源嚴重重疊」）。這些來自不同距離的聲源產生嚴重的相位干涉，是造成語音廣播「模糊不清、無法辨識」的主因。

專案目標與安全重要性

上述兩大因素共同導致隧道內廣播的語音傳輸指數 (STI) 過低。在火災或事故等緊急疏散情境中，無法傳遞清晰指令的廣播系統將構成致命的安全隱患。

因此，本專案建議導入一個整合式解決方案：

• 使用定向喇叭（如 4.1 節所述）：將聲能集中於路面，以克服高混響問題。

• 導入 DSP 延時廣播系統（如 3.2 節所述）：透過 287 ms/段 的精確延時，使聲音波前與車輛同步推進，徹底解決「多重音源重疊」的核心缺陷。

本設計目的在克服高噪音 (80 dB)、高混響及音源重疊的複合挑戰，達成高清晰度的語音傳播。

1.2 設計目標

• 確保車輛僅接收最近 100 公尺區段的聲音，100 公尺外聲壓 <80 dB。

• 實現聲音波前與聲速同步，通過 DSP 延時設計支持全隧道一致性。

• 提供單一模式延時，手動通過軟體調整。

• 採用 Dante 協定作為主要網路傳輸標準，並與交通監控系統整合以支持即時廣播。

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2. 設計參數

隧道斷面示意圖

2.1 隧道參數

• 長度： 12,942 公尺。

• 截面： 馬蹄形，寬 11.7 公尺，高 4.6 公尺，面積 53.82 m²，體積 5382 m³/100 公尺。

• 內壁材質： 以 5000 psi 混凝土為設計條件，反射係數 0.90，混響時間 (RT60) ≈ 4.5 秒。

• 混凝土磅數對反射係數的影響：混凝土的磅數（psi，表示抗壓強度）影響其密度與表面硬度，進而影響聲波反射係數。一般而言，較高磅數的混凝土具有更高密度和硬度，反射係數也较高。以常見混凝土為例：

• 3000 psi 混凝土： 密度約 2300 kg/m³，反射係數約 0.80，表面較粗糙，吸收部分聲波。

• 4000 psi 混凝土： 密度約 2400 kg/m³，反射係數約 0.85，表面平滑度增加，反射更強。

• 5000 psi 混凝土： 密度約 2500 kg/m³，反射係數約 0.90，硬度更高，反射接近鏡面效應。雪山隧道採用 5000 psi 混凝土，反射係數 0.90，導致較高的混響時間（RT60 ≈ 4.5 秒）。相比 4000 psi（反射係數 0.85，RT60 ≈ 4 秒），5000 psi 混凝土的鏡面反射特性使聲波回聲更明顯，需依靠 45° 定向控制將 RT60 控制在 <2 秒。

• 噪音水平： 80 dB（交通 + 通風）。

• 聲速： 349 公尺/秒（30°C，考慮車輛廢氣影響）。

2.2 公共廣播系統參數

• 間距： 100 公尺，第一顆喇叭位於隧道出口前 10 公尺（從入口計算為 12,932 公尺）。

• 段數： 129 段。 (由 130 個喇叭構成)

• 總延時： 37,023 ms。

• DSP 延時能力： 目標 50,000 ms（含備援）。

• 網路協定： Dante 為主。

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3. 聲學設計

3.1 聲壓設計

• 功率： 40W。

• 初始聲壓： 110 dB (1W/1M)，40W 條件下 126 dB。

• 衰減率： 4.5 dB/倍距離 + 20 dB 平面衰減（90°）。

• 100 公尺處： 126 - 30 - 20 = 76 dB。

• 150 公尺處： 126 - 32.5 - 20 = 73.5 dB（<80 dB，符合單區段設計）。

3.2 延時設計

• 單一模式延時時間 50,000 ms。

• 每段延時 (100 m / 聲速 349 m/s × 1000 ms)：286.53 ms，四捨入 287 ms。

延時表：

喇叭序號	位置 (公尺，從入口計算)	延時 (ms)	延時 (秒)
1	12932	0	0.00
2	12832	287	0.29
3	12732	574	0.57
4	12632	861	0.86
5	12532	1148	1.15
6	12432	1435	1.44
7	12332	1722	1.72
8	12232	2009	2.01
9	12132	2296	2.30
10	12032	2583	2.58
11	11932	2870	2.87
12	11832	3157	3.16
13	11732	3444	3.44
14	11632	3731	3.73
15	11532	4018	4.02
16	11432	4305	4.31
17	11332	4592	4.59
18	11232	4879	4.88
19	11132	5166	5.17
20	11032	5453	5.45
21	10932	5740	5.74
22	10832	6027	6.03
23	10732	6314	6.31
24	10632	6601	6.60
25	10532	6888	6.89
26	10432	7175	7.17
27	10332	7462	7.46
28	10232	7749	7.75
29	10132	8036	8.04
30	10032	8323	8.32
31	9932	8610	8.61
32	9832	8897	8.90
33	9732	9184	9.18
34	9632	9471	9.47
35	9532	9758	9.76
36	9432	10045	10.04
37	9332	10332	10.33
38	9232	10619	10.62
39	9132	10906	10.91
40	9032	11193	11.19
41	8932	11480	11.48
42	8832	11767	11.77
43	8732	12054	12.05
44	8632	12341	12.34
45	8532	12628	12.63
46	8432	12915	12.91
47	8332	13202	13.20
48	8232	13489	13.49
49	8132	13776	13.78
50	8032	14063	14.06
51	7932	14350	14.35
52	7832	14637	14.64
53	7732	14924	14.92
54	7632	15211	15.21
55	7532	15498	15.50
56	7432	15785	15.79
57	7332	16072	16.07
58	7232	16359	16.36
59	7132	16646	16.65
60	7032	16933	16.93
61	6932	17220	17.22
62	6832	17507	17.51
63	6732	17794	17.79
64	6632	18081	18.08
65	6532	18368	18.37
66	6432	18655	18.66
67	6332	18942	18.94
68	6232	19229	19.23
69	6132	19516	19.52
70	6032	19803	19.80
71	5932	20090	20.09
72	5832	20377	20.38
73	5732	20664	20.66
74	5632	20951	20.95
75	5532	21238	21.24
76	5432	21525	21.52
77	5332	21812	21.81
78	5232	22099	22.10
79	5132	22386	22.39
80	5032	22673	22.67
81	4932	22960	22.96
82	4832	23247	23.25
83	4732	23534	23.53
84	4632	23821	23.82
85	4532	24108	24.11
86	4432	24395	24.39
87	4332	24682	24.68
88	4232	24969	24.97
89	4132	25256	25.26
90	4032	25543	25.54
91	3932	25830	25.83
92	3832	26117	26.12
93	3732	26404	26.40
94	3632	26691	26.69
95	3532	26978	26.98
96	3432	27265	27.27
97	3332	27552	27.55
98	3232	27839	27.84
99	3132	28126	28.13
100	3032	28413	28.41
101	2932	28700	28.70
102	2832	28987	28.99
103	2732	29274	29.27
104	2632	29561	29.56
105	2532	29848	29.85
106	2432	30135	30.14
107	2332	30422	30.42
108	2232	30709	30.71
109	2132	30996	31.00
110	2032	31283	31.28
111	1932	31570	31.57
112	1832	31857	31.86
113	1732	32144	32.14
114	1632	32431	32.43
115	1532	32718	32.72
116	1432	33005	33.01
117	1332	33292	33.29
118	1232	33579	33.58
119	1132	33866	33.87
120	1032	34153	34.15
121	932	34440	34.44
122	832	34727	34.73
123	732	35014	35.01
124	632	35301	35.30
125	532	35588	35.59
126	432	35875	35.88
127	332	36162	36.16
128	232	36449	36.45
129	132	36736	36.74
130	32	37023	37.02

最終延時：12,932 至 32 公尺 (共 129 段)，總延時 37,023 ms (約 37 秒)。

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4. 硬體規格

4.1 喇叭規格

• 數量： 130 個。

• 功率： 40W。

• 初始聲壓： 110 dB (1W/1M)。

• 覆蓋角度： 45° 水平，30° 垂直。

• 防護等級： IP66

• 安裝高度： 2.5-3 公尺。

4.2 DSP 延時能力

• 建議： 50,000 ms，含備援。

• 同步精度： ±1ms。

• 調整方式： 通過軟體群組控制並由控制中心人員手動切換。

4.3 網路

• 協定： 以 Dante 為主。

• 特性： 低延遲 (<1ms)，高同步性（IEEE 1588），支援 512 通道。

• 配置： 每台DSP喇叭放大器配 Dante RJ45 POE 網路埠，用銅線連接至具有透明時鐘的工業級 POE 交換機，再透過光纖連接到中央控制器。新增 Masterclock GMR5000 PTP 主時鐘含 GPS/GNSS，作為 PTP Grandmaster，提供高精度時間同步。GMR5000 支援 GPS/GNSS 同步（精度 ±15 ns 至 UTC），具備 Rubidium 振盪器（斷線時年誤差 ± .001 秒），支援 IEEE 1588v2 PTP 協定，與 Dante 網路整合，確保全隧道喇叭系統的時間同步精度。

• 備援： Dante 備援模式，斷線自動切換。（選項，如果預算許可可增加此功能）

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5. 實施建議

5.1 設備與安裝

• 設備：

• 喇叭：40W 定向喇叭。

• DSP ：客製化Glensound 4 輸入 Dante/AES67 主動式網路控制DSP喇叭放大器具有50,000 ms 及專用軟體。

• Dante 網路：工業級 POE 交換機及光纖。

• 主時鐘：Masterclock GMR5000 PTP 主時鐘含 GPS/GNSS。

5.2 監控

• 故障檢測： Dante 監控模組。

• 備援： A-B 佈局，UPS 備用 2.5 小時。

6. 結論

• 單一模式延時：287 ms/段（總 37,023 ms）。

• DSP 能力建議 50,000 ms，Dante 協定與 GMR5000 PTP 主時鐘確保同步。

• 設計滿足單區段覆蓋和公共廣播語聲音清晰需求。

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