Utrymningslarm med talat meddelande i svåra akustiska miljöer

Höga krav på taluppfattbarhet i svåra akustiska miljöer skapar problem för projektering av utrymningslarm med talat meddelande.

Boverkets byggregler (BBR) kräver utrymningslarm med talat meddelande (nu kallat UTM – tidigare TUL) i vissa offentliga miljöer med rumskapacitet för över 150 personer. Det är tillåtet att använda UTM i mindre lokaler också men det finns inget krav på det. Rumsakustiken och omgivningsljudnivåer är avgörande för taluppfattbarheten. BBR tar ingen hänsyn till rumsakustik eller bullernivåer utan ansvaret för detta åligger entreprenören. Inte sällan saknas kunskap om rumsakustik och ljudanläggningen uppfyller ofta inte de krav som ställs.
Utöver detta, är svenska byggregler betydligt högre ställda än europiska krav gällande taluppfattbarhet och hörbarhet. Konsekvensen blir att ljudsystemet som installeras ofta blir ett standardsystem som inte möter gällande krav. Ett korrekt projekterat ljudsystem som tar hänsyn till rumsakustiken betyder ökade kostnader för slutanvändaren som i sin tur kan leda till en konflikt i ett byggprojekt.

Byggrelgerna
”BBR 25 (fram till BFS 2017:5)
5:2512 Utrymningslarm

För ett talat meddelande bör tal-överföringsindex, STI på minst 0,55 upp-nås. Ljudtrycksnivån bör vara minst 70 dB, dock minst 15 dB över omgivningen”
Kravet på Speech Transmission Index (STI) ligger 0,05 över europiska standarden på 0,50 STI. Det kan ju verka som en försumbar ökning av kravet så vad är problemet med detta kan man undra? Ökningen innebär att man måste se över hela signalflödet, inklusive hur ljudet från högtalaren överförs genom luften och påverkas av rumsakustiken och omgivningsljudet.
Denna förändring i byggreglerna in-fördes år 2012 och helt utan dokumenterad motivering så som brukligt är, en så kallad konsekvensutredning. Efter en dialog med Boverket konstaterades att förändringen infördes eftersom ett antal tillfrågade akustikkonsulter tyckte att kravet borde höjas eftersom deras uppfattning var att 0,50 STI inte är tillräckligt bra i samlingslokaler. Ytterligare ett skäl att införa förändringen var enligt uppgift att uppnå en mer jämlik nivå i förhållande till tillgänglighets- och komfortkrav som ställs på högtalaranläggningar i samlingssalar och receptioner.

”BBR25 (BFS2017:5)
3:1451 Ljudmiljö

Om högtalarsystem används kan tal-uppfattbarheten verifieras enligt SS-EN 60268-16. Talöverföringsindex STI bör överstiga 0,60 i hela lokalen och 0,70 i mer än hälften av lokalen.”

Att ställa högre krav på konferensanläggningar där publiken förväntas lyssna under längre perioder är rimligt. Man säkerställer att talaren uppfattas tydligt och att lyssnaren inte måste lägga stor energi på att uppfatta vad som sägs.
I samma avsnitt av BBR ställs krav på efterklangstid (rumsakustik) samt bakgrundsljudnivå från installationer (ventilation, hissar och så vidare). Dessa krav beskrivs dock inte i avsnittet som handlar om utrymningslarm. Och där uppstår konflikten!
Att öka krav på utrymningslarm där människor ska lyssna och uppfatta ett meddelande under en mycket begränsad tid (det vill säga utrymningstiden) är orimligt och helt utan grund.
Större samlingslokaler har ofta längre efterklangstid än mindre rum och därför kräver sådana lokaler en mer omsorgsfull projektering av UTM. Det är dock inte alla samlingslokaler som har en konferensanläggning installerad och då har förbättrade förutsättningar för rumsakustiken och bakgrundsbullernivån ej varit nödvändiga för den lokalen, vilket i sin tur påverkar möjligheterna för ett adekvat UTM.

Kvantifiering av taluppfattbarhet
Det finns en rad olika metoder att få fram ett objektiv indikation av hur bra tal överförs från ljudkällan till örat och hjärnan.

Subjektiva lyssningsprov utgår från att ett antal lyssnare blir exponerade för upplästa ordlistor och de ska skriva ned det som uppfattas. Statistiska beräkningar utförs sedan på resultatet. Till exempel:
• MRT (modified rhyme test)
• PBW (phonetically balanced word scores)
• ALCONS (CVC (consonent vowel consonant) ordlista) [1]
Lyssningsprov är svåra och relativt dyra att utföra på grund av den tid man måste lägga ner på att utbilda lyssnaren, testa lyssnarens hörsel, ordna ljudmaterial (inspelning av ordlistor), utföra lyssningsproven i objektrummet samt utvärdera statistiken i efterhand.

Objektiva prov utgår från mätningar av olika ljudnivåer och ljudkällor för att räkna fram en indexsiffra.
• SII (Speech Intelligibility Index) beräknas från ett antal olika mätningar av ljudnivåer och ljudspektra.
• STI (Speech Transmission Index) en speciell framtagen ljudsignal direkt med ett mätinstrument (direktmetoden) eller beräknas från ett rums impulssvar (indirektmetoden).

Speech Intelligibility Index är en flexibel metod att beräkna ett objektivt resultat från uppmätta ljuddata men det är väldigt tidskrävande. Smidigast är Speech Transmission Index (STI) som ger ett resultat inom några få sekunder givet att man använder STIPA metoden (STI för Public Address). STI metoden är fram-tagen av Houtgast and Steeneken år 1971 [2] och finns beskriven i standarden IEC60268:16. Metoden är inspirerad av konceptet inom ljusforskning för moduleringsöverföringsindex och började utvecklas som ett praktiskt ljudverktyg 1971.
STI direktmetoden utgår från att en brussignal filtreras till flera oktavband och amplituden moduleras i olika frekvenser.
Det är 7 oktavband från 125Hz till 8kHz med 14 moduleringar var. Samtliga modulerade brussignaler spelas upp genom en ljudanläggning. De olika moduleringarna mäts direkt med ett instrument för att kontrollera inverkan från ljudanläggningen, rums-akustiken och omgivningsljudnivån. Slutresultatet är ett index mellan 0 och 1 där 1 är bästa resultat.
STI indirektmetoden används för att beräkna STI från ett uppmätt rums impulssvar – detta tas oftast fram med en svept sinuston eller MLS (maximum length sequence) eller någon form av tvåkanals FFT analysator.
STI direktmetoden är att föredra eftersom den tar hänsyn till absolut ljudnivå på mätpunkten, ljudanläggningens frekvensgång och distorsion samt inverkan av rumsakustiken och omgivningsljudnivån.
STI indirektmetoden måste hanteras omsorgsfullt eftersom impulssvaren är normaliserade och därmed tas inte hänsyn till absolut ljudnivå. Dessutom har metoden ett för högt signalbrusförhållande och under mätningen måste signalöverföringen vara lineär och ”time invariant”. En mätning med STI indirektmetoden kan alltså visa ett bättre resultat än det verkligen är. Mätosäkerheten i STI direkt metoden betyder att det kan uppstår en skillnad av upp till 0.03 STI mellan två mätningar på samma position; dels på grund av den slumpmässiga brussignalen, dels på grund av matematiken. Man brukar ta ett genomsnitt av flera mätningar på en punkt för att ge ett säkrare resultat.
Detta ger upphov till frågan om hur de absoluta gränsvärdena i byggreglerna och regelverk hanteras. Varje mätning har en statistisk osäkerhet och kan därför förväntas att variera från mätning till mätning. Vad händer om ett fåtal mätningsresultat ligger under gränsen men de flesta ligger över? Svaret är tydligt men också problematiskt, BBR tillåter inga resultat under gränsvärdet.

Att projektera för bra taluppfattbarhet
Två saker som har störst påverkan på STI, utöver val av högtalare samt deras placering och distribution, är rumsakustik (efterklang och eko) samt omgivningsljudnivåer. Rumsakustiken försämrar taluppfattbarhet genom påverkan på de olika kortvariga ljud som tal består av. Rumsefterklangen påverkar enskilda talljud, ”hänger kvar” och blir högre i ljudnivå än de talljud som följer tätt efter. Se figur 1. Detta är frekvens- och tidsberoende och det är oftast de viktigaste elementen i talleverans som påverkas (figur 2), nämligen konsonanter. Ju längre efterklangstiden är, desto sämre blir taluppfattbarheten.
För att åtgärda lång efterklangstid finns två huvudstrategier. Den första är att montera absorption i form av porösa material (till exempel undertaksplattor, väggabsorbenter). Den andra är att använda högtalare med en högre riktningsgrad. Det är den förstnämnda strategin som har mest effekt i rum med efterklangstid längre än 1,5 sekunder. Att installera absorbenter kan dock bli problematiskt om byggnaden är skyddad mot arkitektoniska förändringar. Då är det bästa valet att använda moderna digitala styrbara ’line array’-högtalare eller stora hornhögtalare. Med dessa kan man skapa ljudspridning med hög riktningsgrad och på så sätt minska efterklangens påverkan på taluppfattbarheten.

Vi kan använda dator och programvara för att simulera ett exempel. I exemplet har vi ett kvadratiskt rum med en genomsnittlig efterklangstid av 3 sekunder och en standard tvåvägshögtalare vid en riktningsgrad (Q) av 5 till 8 mellan 1kHz och 4kHz – figur 3. Om vi byter ut hög-talaren till en stor hornhögtalare med Q av 15 till 20 ser vi att taluppfattbarheten blir en aning bättre och även över en större yta (figur 4). Om vi istället lägger till absorption för att sänka efterklangstiden till 1 sekund ser vi att taluppfattbarheten förbättras på ett dramatiskt sätt över hela ytan (figur 5).
Det som händer när man sänker efterklangstid eller väljer en högtalare med hög Q är att rumsradius blir längre. Det vill sägas kan man vara längre bort från högtalaren innan efterklangen börjar dominera ljudfältet.

Arkitektoniskt skyddade byggnader begränsar starkt möjliga åtgärder. Ofta gäller väldigt restriktiva villkor, till exempel att högtalare inte får synas och/eller att inga rumsytor får förändras. Då är det svårt att uppnå STI kravet med en teknisk lösning.
Man måste också ta hänsyn till omgivningsljudnivåer i lokalen. Inte bara statiska nivåer orsakade av ventilation utan också dynamiska nivåer från människor, kontorsmaskiner och den allra viktigaste; ljudnivå från brandlarm vid rökgasevakuering. Den sista glöms ofta bort under projektering och det är först när ljudanläggningen testas i ett samordnadsprov med brand entreprenören som brister i taluppfattbarhet upptäcks. Om det är en befintlig byggnad med verksamhet kan man mäta omgivningsljudnivåer. Om det gäller en icke befintlig byggnad måste man använda andra metoder och beprövad erfarenhet, till exempel projektera efter ljudeffekt för fläktaggregat och möjligtvis mäta i en liknande lokal och verksamhet.

Man kan välja att placera högtalare så att det skapas en jämn spridning av ljud över hela ytan där människor vistas, samt på ett sådant sätt att efterklang aktiveras så lite som möjligt. Samtidigt måste högtalarna överrösta allt annat buller som förekommer under en utrymning. Det är viktigt att den akustiska signalen vid början av ett talat utrymningsmeddelande för lyssnarens öra är högre än omgivningsljudet, men hur mycket högre är en debattfråga. Enligt BBR ska det vara 15dB högre. Egentligen är dock frågan om den akustiska signalen inte lika viktig som frågan om talnivån. Under ideala förutsättningar skulle alla frekvensband ligga minst 6dB över omgivningsljudnivån. Då måste man givetvis veta hur bullerspektrumet ser ut och förstå hur talspektrumet ser ut. Det kan vara acceptabelt att ha en lägre skillnad i de lågfrekventa oktavbanden men 1,2 och 4kHz måste kunna höras tydligt.
En högtalare som kan leverera högt ljudtryck vid 800Hz till 1kHz (de föreskrivna frekvenserna för akustisksignalen) kan ibland inte leverera samma ljudtryck för en bredbandig talsignal. En sinuston har en Crest faktor av 3dB men en talsignal kan variera upp till 20dB mellan den genomsnittliga nivån och topparna. Konsekvensen blir att om man enbart projekterar efter den akustiska signalen, så kan det talade meddelandet som ju innehåller de viktiga instruktionerna för publiken, vara så pass lågt att det inte hörs över bakgrundsljudet.
Entreprenören måste också kunna förstå förutsättningarna. Ofta sker inte projekteringen med hänsyn till det som beskrivits ovan. Det är vanligt att en schablonmässig strategi appliceras; man installerar en högtalare per antal kvadratmeter av golvytan. Då uppstår stora glapp i täckningen vid 2kHz och 4kHz och taluppfattbarheten blir dålig i delar av lokalen. Vid en utrymning kommer alltså de som befinner sig i ett område med dålig täckning att ha svårt att uppfatta det talade meddelandet.
Inspelningen av det talade meddelandet måste vara av bra kvalitet för att inte försämra systemets prestanda. Det är av yttersta vikt att inspelningen är gjord på ett professionellt sätt. Man bör använda måttlig kompression för att jämna ut talnivån samt ett filter för att ta bort frekvenserna under den lägsta tonen som talaren kan producera – ungefär 100Hz för manlig röst och 200Hz för kvinnlig röst. Bakgrundsljudnivån i inspelningsrummet måste också vara väldig låg.

Besiktning
Besiktningsorganisationens jobb är att besikta mot entreprenadshandlingar och kontrakt. Det är upp till entreprenören att bevisa att anläggningen uppfyller gällande krav genom att utföra objektiva mätningar. Det förekommer ofta stora skillnader i kunskapsnivå hos entreprenör och besiktningsman Det blir ibland svårt för entreprenören att lyckas uppnå gällande krav och att övertyga besiktningsmannen att UTM-systemet faktiskt fungerar väldigt bra och hörs klart och tydligt även med resultat under föreskrivna 0,55 STI. I vissa akustiska miljöer är 0,45 acceptabelt. Tyvärr är besiktningsmannens händer bundna och inget utrymme för kompromisser finns.
Sådana situationer borde kunna undvikas genom att man kommer överens om avvikelser vid utformningen av förfrågningsunderlaget. Det förutsätter att man förstår de akustiska förutsättningarna redan innan man börja tänka på utrymningslarm med talat meddelande. Datorsimuleringar kan vara ett bra hjälpmedel där resultatet ofta stämmer väldigt bra med verkligheten.

SBF502:1
Det nya regelverk som togs fram av Svenska Brandskyddsföreningen erbjuder ett sätt att öka kunskapen hos både besiktningsman och entreprenör. Båda parter måste vara sakkunniga och bevisa sin kunskap genom en certifieringsprocess. Den ska också
tydliggöra hur man ska mäta ljudtrycksnivån för akustiska signalen samt STI. Behöriga ingenjörer för utrymningslarm med talat meddelande måste gå igenom utbildningar i ljudsystemprojektering, entreprenadjuridik etc, och godkännas på ett antal prov. På så vis jämnas kunskapsnivån ut mellan besiktningsman och entreprenör. Risken för konflikter kommer då att minska.
Utförda objektiva STI-mätningar tar oftast inte hänsyn till de faktorer som inte är uppenbart under mättillfällen såsom buller från rökgasevakuering. Mätningen utförs ibland på just de punkter som ger bästa resultat. Ett sätt att försöka undvika detta är beskrivningen i SBF502:1 av vilka och hur många mätpunkter som ska väljas. Bakgrundsljudnivån kan läggas in i instrumentet eller göras i efterhand. Då finns det inget behov av att mäta medan bullerkällan är igång.

Sammanfattning
Det är direkt avgörande att beställaren har en god förståelse för hur arkitektoniska beslut påverkar rumsakustiken innan de beställer ett utrymningslarm med talat meddelande. Taluppfattbarheten påverkas kraftigt av längre efterklangstid.
Kostnaden för slutanvändaren blir högre eftersom både rumsakustiken och ljudanläggningen måste fungera ihop som ett system. En kombinatinon av dyrare högtalare och rumsakustisk behandling ökar slutpriset.
SBFs utbildning för behöriga ingenjörer ger en översikt av rumsakustik samt validering av STI genom mätning på korrekt sätt. Den ger inte en omfattande utbildning i rumsakustik men kan hjälpa entreprenören identifiera när hjälp behövs av en akustikkonsult.

Slutsats
0.55 STI är svårt eller omöjligt att uppnå för stora lokaler med lång efterklangstid.
• Rumsakustik måste projekteras med hänsyn till UTM i ett tidigt stadium vid projektering.
• Ta in hjälp från akustiker vid behov.
• Avvikelse på STI krav i antikvariska objekt måste överenskommas vid början av projektering om man ska ha UTM.
• Förenklat lyssningsprov måste kunna accepteras om STI-resultat inte stämmer med upplevelsen.

Läs mer:
www.brandskyddsforeningen.se
www.boverket.se

Referenser
[1] Peutz, Articulation Loss of Consonants as a Criterion for Speech Transmission in a Room, AES Journal 1971
[2] H.J.M. Steeneken, SJ. Van Wijngaarden, J:A: Verhave, AES Convention Paper 8315, The evolution of the Speech Transmission Index., 2011.
[3] Barron, M., Auditorium Acountics and Architectural Design, Spon Press 2nd Ed. 2010.
[4] Mapp, P. Templeton, D., Acountics in the Built Environment, Architectural Press, 2nd Ed. 1997.

Artikelförfattare:
Steven Liddle
Springwell Audio AB

Ingemar Ohlsson
Audio Data Lab

Läs hela artikeln i Bygg & teknik 3/18

Dela på: