長隧道公共廣播系統設計建議報告：雪山隧道
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- 10月27日
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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：
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。
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。
2. 設計參數
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。
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：
最終延時：12,932 至 32 公尺 (共 129 段)，總延時 37,023 ms (約 37 秒)。
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）
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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