CC BY
23
УДК 614.842.42
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В СИСТЕМАХ ОПОВЕЩЕНИЯ О ПОЖАРЕ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
О. В. КОЧНОВ1, М. А. КОЛБАШОВ2, А. А. ДЕСНИЦКИЙ2, А. В. МАЛЬЦЕВ3, А. А. КРАСНОВ2
1 Группа компаний «ESCORT», Российская Федерация, г. Москва 2Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново 3Российская Федерация, г. Воронеж E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
В работе сделана попытка акцентирования внимания на качественном изучении элементов систем оповещения о пожаре, а именно специфике использования громкоговорителей. Показана актуальность применения систем оповещения и речевой трансляции в технической системе пожарной безопасности.
Авторы в статье отмечают, что современные нормативные документы содержат требования к двум видам характеристик — количественным и качественным, которые взаимосвязаны между собой. Основным критерием разборчивости является отношение «сигнала» к «шуму», где «сигнал» — это уровень давления звуковых волн в расчетном месте, конкретное значение которого в целом определяет коэффициент голосовой разборчивости, от которого зависит качество информации при оповещении (четкость, разборчивость).
Приведены результаты практических измерений параметров воспроизводимой речевой информации, конкретные значения слоговой и словесной разборчивости.
Рассмотрены основные особенности применения рупорных громкоговорителей (акустических модулей) в технических системах обеспечения пожарной безопасности. Изучены основные понятия и определения, установленные нормативными правовыми актами и нормативными документами. Выявлено, что актуальным остается вопрос отсутствия точного и единообразного определения понятия «уровень шума», поэтому возникают проблемы при выполнении расчетов.
В результате описанной работы имеются все необходимые данные для того, чтобы создать автоматизированные средства, обеспечивающие точный расчет уровней звукового давления на открытых площадках, в том числе в условиях плотной городской застройки, в соответствии с требованиями нормативных документов.
Ключевые слова: системы оповещения, акустические модули, пожарные оповещатели, громкоговорители, разборчивость речи, диаграмма направленности, акустические расчеты, автоматизированные средства расчета.
PECULIARITIES OF APPLICATION OF ACOUSTIC MODULES IN FIRE ALARM SYSTEMS AND EMERGENCY SITUATIONS
O. V. KOCHNOV1, M. A. KOLBASHOV2, A. A. DESNITSKY2, A. V. MALTSEV3, А. А. KRASNOV2
1Group of companies «ESCORT», Russian Federation, Moscow 2Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo 3Russian Federation, Voronezh E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
The paper attempts to focus on the qualitative study of the elements of fire warning systems, namely, the specifics of the use of loudspeakers. The relevance of the use of warning systems and voice broadcasting in the technical fire safety system is shown.
© Кочнов О. В., Колбашов М. А., Десницкий А. А., Мальцев А. В., Краснов А. А., 2021
The authors note in the article that modern regulatory documents contain requirements for two types of characteristics — quantitative and qualitative, which are interrelated. The main criterion of intelligibility is the ratio of «signal» to «noise», where «signal» is the level of pressure of sound waves in the calculated place, the specific value of which generally determines the coefficient of voice intelligibility, on which the quality of information during notification (clarity, intelligibility) depends.
The results of practical measurements of the parameters of the reproduced speech information, specific values of syllabic and verbal intelligibility are presented.
The main features of the use of horn loudspeakers (acoustic modules) in technical systems for ensuring fire safety are considered. The basic concepts and definitions established by normative legal acts and normative documents are studied. It is revealed that the issue of the lack of an accurate and uniform definition of the concept of «noise level» remains relevant, so there are problems when performing calculations.
As a result of the described work, all the necessary data are available to create automated tools that provide accurate calculation of sound pressure levels in open areas, including in conditions of dense urban development, in accordance with the requirements of regulatory documents.
Key words: warning systems, acoustic modules, fire alarms, loudspeakers, speech intelligibility, directional pattern, acoustic calculations, automated calculation tools.
Применение современных технических средств для обеспечения пожарной безопасности объектов различного назначения на сегодняшнем этапе развития науки и техники получило массовое распространение. К таким техническим системам относятся автоматические системы пожарной сигнализации, оповещения, пожаротушения и т.д. Основная задача технической системы пожарной безопасности — своевременное оповещение и организация эвакуации людей с объекта, что невозможно без правильно организованной и функционирующей системы оповещения [1].
Цель данной работы заключается в изучении особенностей использования акустических модулей как оконечных элементов систем оповещения о пожаре и ЧС и определения перечня параметров наиболее важных для проектирования систем противопожарной защиты.
Основные задачи, решаемые в работе: определение основных требований к акустическим модулям и особенностям их установки, определение зависимостей между слоговой и словесной разборчивостью, анализ основных параметров акустических модулей.
Для обучения специалистов в области проектирования, разработки, эксплуатации и технического обслуживания систем оповещения в 2018 году на базе Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России была создана и внедрена в учебный процесс лаборатория — «Системы экстренного оповещения и проводной связи». В лаборатории имеются современные цифро-аналоговые системы оповещения и связи, предназначенные для доведения речевой и звуковой информации, связанной с пожаром или иными чрезвычайными ситуациями (ЧС), до людей и соответствующих оперативных служб.
В настоящее время у большего количества проектировщиков отсутствует четкое представление о методике решения электроакустических расчетов на незакрытых площадках. Однако, данный расчет необходим, что обуславливается массовым внедрением систем оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре (СОУЭ), систем оповещения людей при ЧС, систем оповещения на различных видах транспорта. Расчет акустики на открытых территориях может быть применен как для объектовых систем оповещения (ОСО) и локальных систем оповещения (ЛСО), так и для СОУЭ [2]. В соответствии с актуальными нормативными актами СОУЭ должны оповещать как внутреннюю часть контролируемого здания, так и внешнюю, прилегающую к нему территорию. В области транспорта системы оповещения охватывают широкий спектр задач, которые связаны с оповещением людей на железнодорожных платформах, автовокзалах, вокзалах, метрополитенах, привокзальных площадках. Оповещение внешних территорий применяется при разработке системы оповещения (СО) на автозаправочных станциях, выставочных территориях, в зонах отдыха и парках. В решении каждой из вышеперечисленных задач используются системы речевого оповещения, при проектировании которых необходимо проведение электроакустического расчета. Основной задачей электроакустического расчета является определение таких параметров, как:
- нормативный уровень звукового давления;
- минимально требуемое качество — ясность речевой информации [3].
Требование к ясности речевой информации ранее предусматривалось нормативными документами, но конкретные значения не
предъявлялись. В своде правил1 содержатся следующие требования к разработке СОУЭ:
1. Количество звуковых и речевых опо-вещателей, их расстановка и мощность должны обеспечивать уровень звука во всех местах постоянного или временного пребывания людей в соответствии с нормами.
2. Звуковые сигналы системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре должны обеспечивать общий уровень звука (уровень звука постоянного шума вместе со всеми сигналами, производимыми опове-щателями) не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя, но не более 120 дБА в любой точке защищаемого помещения.
3. Установка громкоговорителей и других речевых оповещателей в контролируемых помещениях не должна создавать концентрацию и неравномерное распределение отраженного звука. Громкоговорители необходимо монтировать так, чтобы в каждой точке защищаемого объекта, где должно производиться оповещение людей о пожаре, речевая информация от этих громкоговорителей была разборчива.
При этом в требованиях к системам оповещения, применяемым в области транспорта, предусмотрена количественная характеристика речевой разборчивости.
К главным требованиям относятся две характеристики — количественная и качественная, которые взаимосвязаны друг с дру-
гом. Приоритетным критерием разборчивости определяется соотношение «сигнал»/»шум», где в качестве сигнала служит уровень звукового давления в расчетной точке (РТ), точная информация которого в основном и поясняет коэффициент речевой разборчивости. Исходя из этого, качество полученной информации определяется такими параметрами, как четкость и досягаемость.
При этом существенным критерием является и чёткое определение величины уровня шума. Практические измерения, произведенные в городе в условиях большого количества зданий и сооружений, показали либо частичное соответствие, либо полное несоответствие выводам, которые были получены при проведении расчетов в соответствии с существующими методиками.
26 сентября 2018 года сотрудники группы компаний ESCORT совместно с преподавателями и курсантами ФГБОУ ВО Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России проводили испытания оборудования на открытой площадке с целью измерения характеристик направленности рупорных громкоговорителей и учета отражающих и поглощающих факторов, которые оказывают влияние на распространение звуковой энергии на открытом воздухе [2].
На рис. 1 приведена зависимость между слоговой (S) и словесной (W) разборчивостью.
Рис. 1. Зависимость между слоговой (S) и словесной (W) разборчивостью
1 СП 3.13130.2009 Системы противопожарной защиты. Система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре. Требования пожарной безопасности (утв. Приказом МЧС РФ от 25.03.2009 № 173).
62
В Постановлении Правительства2 приведены основные требования к достоверности воспроизводимой речевой информации, конкретные значения слоговой и словесной разборчивости.
Практические измерения, которые были проведены в условиях плотной застройки, подтверждают факт наличия существенных недостатков. Требуемое значение уровня шума для уличных территорий составляет 55 дБА. Между тем, программа звукофикации больших городов предполагает речевое со-
провождение улиц, проходящих вдоль шоссе. Проведенные измерения показали, что на улицах, находящихся рядом с автострадами, средний показатель шума в час-пик в течение 4-х часов составляет 75-80 дБА. При этом в соответствии с расчетами разница значений среднего показателя шума в 20 дБА соответствует отметке «плохая» для слоговой разборчивости.
Результаты расчетов речевой и слоговой разборчивости приведены на рис. 2.
Рис. 2. Слоговая разборчивость для различных критериев качества звукового тракта
и условий измерения
Рассмотрим основные особенности применения рупорных громкоговорителей (акустических модулей) в технических системах обеспечения пожарной безопасности.
Рупорный громкоговоритель - техническое устройство, массово используемое в целях озвучивания внешних территорий. Основные достоинства:
- высокая эффективность;
- высокая надежность (прочность);
2 Постановление Правительства РФ от 26 сентября 2016 г. № 969 «Об утверждении требований к функциональным свойствам технических средств обеспечения транспортной безопасности и Правил обязательной сертификации технических средств обеспечения транспортной безопасности».
- климатическое исполнение (не ниже
Р-54);
- морозостойкость.
- Недостатками рупорного громкоговорителя являются:
- зауженная амплитудно-частотная характеристика;
- зауженная диаграмма направленности (ДН).
Тем не менее, при грамотной расстановке рупорных громкоговорителей зауженная ДН дает возможность формирования акустического дизайна [3].
Высокая эффективность объясняется конструктивными преимуществами рупорного громкоговорителя, где рупор служит в качестве согласующего элемента между драйвером (излучателем) и окружающей средой. Драйвер -электромагнитная катушка, которая жестко
связана с рупором и преобразует электрический сигнал в звуковую энергию, дополнительно усиливаемую в рупоре. Усиление производится благодаря специальной геометрической форме, которая обеспечивает высокую концентрацию звуковой энергии внутри рупора. Работа в конструкции рупора дополнительного концентрического канала дает возможность существенного уменьшения его размеров при условии сохранения качественных характеристик. Рупорный громкоговоритель функционирует по следующему алгоритму: электрический звуковой сигнал поступает на вход компрессионного драйвера, преобразующего его в акустический сигнал. Экспоненциальная форма рупора создает высокое звуковое давление. Жесткая металлическая диафрагма драйвера приводится в процесс движения звуковой катушкой, намотанной на цилиндрический или кольцевой магнит. Звук в данной системе, проходя через концентрический канал, распространяется от драйвера, экспоненциально усиливается в рупоре, после этого поступает на выход.
Перечислим наиболее необходимые характеристики громкоговорителей, которые используются в системах оповещения и 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;
- РВт, Вт — паспортная мощность громкоговорителя — 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 снижается не более чем на конкретную величину, называемую неравномерностью амплитудно-частотной характеристики АЧХ (указывается в паспорте);
- Неравномерность АЧХ — разница между минимальным и максимальным давлением в указанном диапазоне частот.
Если знать чувствительность и указанную паспортную мощность данного громкоговорителя, можно рассчитать, какое звуковое давление развивает громкоговоритель при подведении к нему заданной мощности.
Наличие идеализированных диаграмм направленности [3] позволяет создать автоматизированные программные средства для выполнения акустических расчетов на открытых
территориях согласно межгосударственному стандарту3.
Для получения точного результата расчет необходимо выполнять в дБА, для чего требуется информация по всем октавным частотам в требуемых диапазонах - 500-3500 Гц согласно4 и 250-5000.
Рассмотрим определения из нормативно-технической документации5:
1. Характеристика направленности -зависимость звукового давления, которое развивает громкоговоритель на частоте или же в полосе конкретных частот со среднегеометрической частотой в точке свободного поля, которая находится на некоторой дистанции от рабочего центра, от угла между рабочей осью и направлением на данную точку.
2. Коэффициент осевой концентрации — отношение квадрата звукового давления, которое развивает громкоговоритель и которое было измерено на частоте, или, например, в полосе частот со среднегеометрической частотой в условиях свободного поля на рабочей оси на некоторой дистанции от рабочего центра громкоговорителя, к среднему по сфере, в центре которой находится громкоговоритель, квадрату звукового давления, который измеряется при таких же условиях и на такой же дистанции относительно рабочего центра.
Большинство производителей представляют характеристику направленности в полярных координатах, однако в дальнейшем искажают полученные данные в процессе работы. Проблему грамотной интерпретации результатов осложняет наличие коэффициента осевой концентрации.
Использование таких показателей, как характеристика направленности и коэффициент осевой концентрации, вызывает сложность при их интерпретации. Так, уровень звукового давления, который учитывает характеристики направленности исходного источника, пропорционален логарифму от произведения коэффициента осевой концентрации и характеристики направленности. Однако значительное количество проведенных измерений показы-
3 ГОСТ 31295.2-2005 Шум. Затухание звука при распространении на местности. Часть 2. Общий метод расчета. Введ. 20.05.2011. М., 2011. 46 с.
4 ГОСТ Р 42.3.01-2014. Гражданская оборона. Технические средства оповещения населения. Классификация. Общие технические требования. Введ. 01.01.2015. М., 2015. 12 с.
5 ГОСТ Р 53575-2009. (МЭК 60268-5:2003). Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний. Введ. 01.12.2010. М., 2010. 46 с.
вают, что данные направленности в реальных условиях не только искажаются, что обуславливает необходимость дополнительных исследований. Для практического применения в целях расчета звукового давления в любой точке пространства необходимо использовать альтернативный метод, который предлагается в данной работе. Так, например, достаточно удобным в целях практического применения является такой параметр, как ширина диаграммы направленности — ШДН. В мировой практике данный параметр называется «coverage angle» — угол покрытия, нередко называемый beamwidth (-6dB) — ширина луча при снижении на -6дБ [4,5]. Такой параметр можно интерпретировать как угол, в пределах которого звуковое давление уменьшается в пределах 6дБ относительно рабочей оси. Параметр ШДН давно и часто применяется на практике при расстановке громкоговорителей в помещении.
Таким образом, в работе определены требования к акустическим модулям и специфике их применения, представлена графическая зависимость между слоговой и словесной разборчивостью, определен перечень характеристик для акустических расчетов при проектировании систем противопожарной защиты. И в завершении необходимо отметить, что одним из проблемных вопросов остается задача создания методики для расчета значений уровня звука и закрепления ее в нормативных документах.
В настоящее время имеются необходимые данные для того, чтобы в соответствии с требованиями стандартов создать автоматизированные системы, обеспечивающие точный расчет уровней звукового давления на открытых площадках, в том числе в условиях плотной городской застройки.
Список литературы
1. Колбашов М. А., Десницкий А. А., Вдовин О. В. Современное состояние организации оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре на объектах защиты // Современные наукоемкие технологии. 2020. Т. 62. № 2. C. 109-113.
2. Специфика проектирования систем оповещения / О. В. Кочнов, А. В. Мальцев, А. В. Кочегаров [и др.] // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской защиты). 2018. № 1 (26). C. 64-71.
3. Результаты испытаний рупорных громкоговорителей ROXTON / О. В. Кочнов, А. В. Кочегаров, А. В. Мальцев [и др.] // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской защиты). 2018. № 3(28). C. 27-30.
4. Шильдс Дж. Т., Бойс К. Е., Самошин Д. А. Исследование эвакуации из торговых комплексов // Пожаровзрывобезопасность. 2002. № 2. С. 5766.
5. Tabirca Т., Brown K. N., Sreenan C. J. A Dynamic Model for Fire Emergency Evacuation Based on Wireless Sensor Networks ISPDC. Eighth International Symposium on Parallel and Distributed Computing, 2009. P. 29-36.
References
1. Kolbashov M. A., Desnickij A. A., Vdo-vin O. V. Sovremennoe sostoyanie organizacii opoveshcheniya i upravleniya evakuaciej lyudej pri pozhare na ob»ektah zashchity [The current state of the organization of notification and management of evacuation of people in case of fire at the objects of protection]. Sovremennye nau-koemkie tekhnologii, 2020, vol. 62, issue 2, pp. 109-113.
2. Specifika proektirovaniya sistem opo-veshcheniya [The specifics of the design of warning systems] / O. V. Kochnov, A. V. Mal'cev, A. V. Kochegarov [et al.]. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii (Sovremennye prob-lemy grazhdanskoj zashchity), 2018, vol. 26, issue 1, pp. 64-71.
3. Rezul'taty ispytanij rupornyh grom-kogovoritelej ROXTON [Test results of ROXTON horn loudspeakers] / O. V. Kochnov, A. V. Koche-garov, A. V. Mal'cev [et al.]. Vestnik Voronezh-skogo instituta GPS MChS Rossii (Sovremennye problemy grazhdanskoj zashchity), 2018, vol. 28, issue 3, pp. 27-30.
4. Shil'ds Dzh. T., Bojs K. E., Samoshin D. A. Issledovanie evakuacii iz torgovyh kompleksov [Research on evacuation from shopping malls]. Pozharovzryvobezopasnost', 2002, issue 2, pp. 57-66.
5. Tabirca T., Brown K. N., Sreenan C. J. A Dynamic Model for Fire Emergency Evacuation Based on Wireless Sensor Networks ISPDC. Eighth International Symposium on Parallel and Distributed Computing, 2009, pp. 29-36.
Кочнов Олег Владимирович Группа компаний «ESCORT», Российская Федерация, г. Москва
заместитель генерального директора по научно-производственной работе
E-mail: [email protected]
Kochnov Oleg Vladimirovich
ESCORT group of companies,
Russian Federation, Moscow
Deputy Director General for Research and Production
E-mail: [email protected]
Колбашов Михаил Александрович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: [email protected]
Kolbashov Mikhail Alexandrovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: [email protected]
Десницкий Александр Александрович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
аспирант
E-mail: [email protected] Desnitsky Alexandr Alexandrovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
graduate student
E-mail: [email protected]
Мальцев Александр Владимирович Российская Федерация, г. Воронеж кандидат технических наук E-mail: [email protected] Maltsev Alexandr Vladimirovich Russian Federation, Voronezh candidate of technical sciences E-mail: [email protected]
Краснов Александр Алексеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор кафедры естественнонаучных дисциплин E-mail: [email protected] Krasnov Alexander Alekseevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Doctor of Science, Professor of the Department of Natural Sciences E-mail: [email protected]
