Оконечные технические средства систем оповещения как наиважнейшее звено передачи извещений о чрезвычайной ситуации (доклад на XIII Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность»)

Цель доклада: Акцентировать внимание на необходимости более подробного изучения основных аспектов, касающихся специфики применения громкоговорителей как оконечных элементов систем оповещения о пожаре и чрезвычайных ситуациях.

 

Рис.1 - XIII Международная научно-практическая конференция «Пожарная и аварийная безопасность

Открытие совместной лаборатории

19 апреля 2018 года в Воронежском институте-филиале Ивановской пожарно-спасательной академии, в рамках IX Всероссийской научно-практической конференции, была открыта учебная лаборатория - “Системы оповещения и связи”. Лаборатория открыта и действует на базе кафедры пожарной и аварийно-спасательной техники, оснащена современными цифро-аналоговыми системами оповещения и связи, основная задача которых – доведение звуковой и речевой информации о пожаре или иных ЧС до людей и соответствующих служб. В рамках проекта планируется проведение курсов повышение квалификации обучаемых (технических специалистов, инженеров, проектировщиков) касающихся вопросов проектирования, монтажа, пуско-наладки, технического обслуживания и ремонта систем оповещения и связи, включая диспетчеризацию и мониторинг состояния данных систем. Предлагаемые курсы позволят подготовить обучаемых к самостоятельной профессиональной инженерно-технической деятельности посредством формирования у них целостного представления о системах оповещения как о комплексе предварительных, в том числе расчетных, сопутствуемых и сопровождаемых мероприятий.

 

 

26 сентября 2018 года, в рамках IX Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов и молодых ученых с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы», сотрудники группы компаний ESCORT совместно с преподавателями и студентами кафедры Пожарной и аварийно-спасательной техники провели испытания лабораторного оборудования на открытой площадке, с целью измерения характеристик направленности рупорных громкоговорителей и учета отражающих и поглощающих факторов, влияющих на распространение звуковой энергии на открытом воздухе.

 

Рис.2 - Монтаж и подключение рупорных громкоговорителей ROXTON HS-50T HP-30T к комбинированной системе

Специфика проектирования систем оповещения. Краткие сведения.

Практика показывает, что большинство проектировщиков не имеют четкого представления о методике выполнения электроакустических расчетов на открытых площадках, однако, необходимость такого расчета продиктована повсеместным внедрением систем оповещения: систем оповещения о пожаре, систем оповещения населения при чрезвычайных ситуациях, систем оповещения в сфере транспорта. Акустический расчет на открытых площадках актуален не только для объектовых (ОСО) и локальных (ЛСО) систем оповещения, но и для систем оповещения и управления эвакуацией людей (СОУЭ). По существующей нормативной документации СОУЭ должны осуществлять оповещение, как внутренней части защищаемого здания, так и внешней, прилегающей к нему территории. В сфере транспорта системы оповещения решают самый широкий круг задач, связанных с оповещением людей на ж/д платформах, вокзалах, автовокзалах, привокзальных площадках, метрополитенах. Озвучивание внешних территорий актуально при построении системы оповещения (СО) на автозаправках, в парках, зонах отдыха, выставочных территориях, и мн. др. Но главная, и наиболее ответственная задача – громкое оповещение опасных объектов и территорий, прилегающих к ним. Во всех вышеперечисленных задачах применяются системы речевого оповещения, проектирование которых должно сопровождаться электроакустическим расчетом, основная задача которого направлена на обеспечение:

  • требуемого уровня звукового давления;
  • минимально-необходимого качества – разборчивости речевой информации.

При обеспечении данных требований не следует забывать об оптимизации технических средств, необходимых для их реализации. Что касается второго требования, то ранее оно предусматривалось, но не конкретизировалось. Так, например, в своде правил на проектирование СОУЭ:

Количество звуковых и речевых пожарных оповещателей, их расстановка и мощность должны обеспечивать уровень звука во всех местах постоянного или временного пребывания людей в соответствии с нормами настоящего свода правил.

Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать общий уровень звука (уровень звука постоянного шума вместе со всеми сигналами, производимыми оповещателями) не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя, но не более 120 дБА в любой точке защищаемого помещения.

Установка громкоговорителей и других речевых оповещателей в защищаемых помещениях должна исключать концентрацию и неравномерное распределение отраженного звука.

Громкоговорители должны быть расположены таким образом, чтобы в любой точке защищаемого объекта, где требуется оповещение людей о пожаре, обеспечивалась разборчивость передаваемой речевой информации.

А вот в требованиях к системам оповещения, используемым в сфере транспорта, уже предложена количественная оценка речевой разборчивости.

Мы видим, что основные требования содержат две меры – количественную и качественную, являющиеся взаимосвязанными, так как основным критерием разборчивости является такая оценка, как отношение Сигнал / Шум, где под сигналом следует понимать уровень звукового давления в расчетной точке (РТ), точное значение которого в основном и определяет коэффициент речевой разборчивости, следовательно, и качество воспринимаемой информации – четкость и слышимость.

Но не менее важной, в этом смысле, является и точное определение величины шума. Практические измерения, проведенные в городских условиях (в условиях плотной застройки) показывают лишь частичное, а в некоторых случаях полное несоответствие результатам, полученным при выполнении расчетов по существующим методикам.

Частичного устранения несоответствий можно достигнуть использованием методов, указанных в СНиП 23-03-2003. Защита от шума (Sound protection) от 2004-01-01, но и этот источник, как показала практика, нуждается в адаптации. Казалось бы, что для разрешения проблем достаточно опираться на существующие госты, например СП 51.13330.2011 или ГОСТ 31295.2-2005 “Шум. Затухание звука при распространении на местности”, который можно (и нужно) рассматривать в качестве методики определения необходимого уровня звукового давления после его прохождения на открытой местности. Однако, для большинства практических задач, применение данного стандарта, оказывается весьма затруднительным. Так в нем, совершенно не определена специфика применения речевого оповещателя, в ГОСТ 42.3.01-2014 – оконечного технического средства оповещения.

Практические измерения, проведенные в условиях плотной застройки, подтверждают факт катастрофической недостаточности приводимых данных. Так, единственно присутствующие в данном СП значения уровня шума для внешних территорий (площадки отдыха, территории, прилегающие к общественным зданиям) – 55 дБА. Однако программа звукофикации крупных городов предполагает озвучивание улиц (например, Москвы), проходящих вдоль автотрасс. Проводимые измерения показали, что на улицах вблизи автострад среднее значение шума в Час Пик (усреднение по ГОСТ 12.1.003-2014) в течение 4-х часов составляет величину 75-80дБА. А элементарные расчеты показывают, что разница в 20дБА низводит слоговую разборчивость до уровня “плохая”.

Особенности использования рупорного громкоговорителя

Рупорный громкоговоритель – техническое средство, широко применяемое для озвучивания внешних территорий. К основным достоинствам рупорного громкоговорителя можно отнести следующие его характеристики:

  • высокую эффективность;
  • высокую надежность (прочность, вандало-устойчивость);
  • климатическое исполнение (не ниже IP-54);
  • морозостойкость.

Недостатками рупорного громкоговорителя являются:

  • зауженная амплитудно-частотная характеристика;
  • зауженная диаграмма направленности (ДН).

Однако даже недостатки при грамотном проектировании можно обратить в преимущества. Так, например, при правильной расстановке рупорных громкоговорителей узкая ДН становится мощным инструментом, позволяющим формировать акустический дизайн, см. далее.

Высокая эффективность (по сути КПД) обеспечивается конструктивными особенностями рупорного громкоговорителя, в котором рупор является согласующим элементом между драйвером (излучателем) и окружающей средой. Драйвер – электромагнитная катушка, жестко связанная с рупором, преобразует электрический сигнал в звуковую энергию, поступающую и дополнительно усиливаемую в рупоре. Усиление звуковой энергии осуществляется за счет специальной геометрической формы, обеспечивающей высокую концентрацию звуковой энергии внутри рупора. Использование в конструкции рупора дополнительного концентрического канала позволяет существенно уменьшить его размеры при сохранении качественных характеристик. Рупорный громкоговоритель работает следующим образом: электрический звуковой сигнал поступает на вход компрессионного драйвера, который преобразует его в акустический сигнал на выходе. Экспоненциальная форма рупора обеспечивает высокое звуковое давление. Драйвер состоит из жесткой металлической диафрагмы, приводимой в движение звуковой катушкой намотанной на цилиндрический или кольцевой магнит. Звук в данной системе, проходя через концентрический канал, распространяется от драйвера, экспоненциально усиливается в рупоре, после чего поступает на выход.

Перечислим наиболее важные характеристики громкоговорителей используемых в системах звуковой речевой трансляции:

  • P0, дБ – чувствительность громкоговорителя, уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем на рабочей оси на расстоянии 1 м, от раскрыва, при подведении к нему мощности 1 Вт;
  • Pвт, Вт – паспортная мощность громкоговорителя, как правило, максимально не искажаемая мощность, воспроизводимая громкоговорителем;
  • ШДН – ширина диаграммы направленности громкоговорителя приводимая в градусах;
  • Эффективно воспроизводимый диапазон частот – частотный диапазон, в пределах которого звуковое давление понижается не более чем на определенную величину, называемую неравномерностью АЧХ (и указываемую в паспорте);
  • Неравномерность АЧХ – разница между минимальным и максимальным давлением в указанном диапазоне частот.

Зная чувствительность и паспортную мощность громкоговорителя можно рассчитать звуковое давление, развиваемое громкоговорителем, при подведении к нему определенной мощности: Зависимость данной величины от частоты называется частотной характеристикой звукового давления (ЧХЗД), по простому АЧХ.

Одними из наиболее проблематичных для использования являются параметры, связанные с характеристиками направленности громкоговорителя. У большинства инсталляторов и проектировщиков на сегодняшний день нет, не только единого, но и достаточно четкого представления, о том в каком виде предоставляется и как учитывается характеристика направленности.

Рассмотрим определения из ГОСТ Р 53575-2009, пп.3,5,8:

Характеристика направленности: Зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем на частоте или в полосе частот со среднегеометрической частотой в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра, от угла между рабочей осью и направлением на указанную точку.

И многие производители действительно представляют характеристику направленности, как и положено, в полярных координатах, но как работать с этой характеристикой не вполне понятно. Проблему запутывает другая характеристика, сопряженная с данной, пп. 3.5.10:

Коэффициент осевой концентрации: Отношение квадрата звукового давления, развиваемого громкоговорителем, измеренного на частоте или в полосе частот со среднегеометрической частотой в условиях свободного поля на рабочей оси на определенном расстоянии от рабочего центра громкоговорителя, к среднему по сфере, в центре которой находится громкоговоритель, квадрату звукового давления, измеренному при тех же условиях и на том же расстоянии от рабочего центра.

Сложность использования данных определений заключается в отсутствии возможности их практического применения. Так, уровень звукового давления, учитывающий характеристики направленности источника (расчет уровня звукового давления в определенном направлении), согласно любому учебнику пропорционален логарифму от произведения коэффициента осевой концентрации и характеристики направленности. Однако на практике это не подтверждается. Многочисленные измерения показывают, что характеристика направленности в реальных условиях не только притупляется (чего от нас требует операция логарифмирования), но и наоборот обостряется, что в общем случае требует дополнительных изысканий. Для практики, очевидно, что для расчета звукового давления в любой точке пространства (при каком-либо угле отклонения от рабочей оси), необходим альтернативный метод, который мы готовы предложить. Так, например, очень удобным для практического использования является параметр называемый ширина диаграммы направленности – ШДН. В международной практике (IEC 268-5-2000) этот параметр носит название coverage angle – угол покрытия, иногда называемый beamwidth (-6dB) – ширина луча при спаде на -6дБ. Данный параметр можно интерпретировать, как угол, в пределах которого звуковое давление уменьшается не более чем на 6дБ, относительно рабочей оси. Параметр ШДН очень давно и активно используется на практике, например при расстановке громкоговорителей в помещении.

Однако, как мы уже не раз подчеркивали, самым проблематичным был и остается вопрос точного определения и указания в ГОСТах такой фундаментальной для расчетов величины, как уровень шума, без которой о какой-либо точности расчетов говорить нет смысла.