Расчет речевых оповещателей. Выбор и расчёт акустических систем оповещения. Требования к расстановке
Нормативами предусмотрено наличие подсистем светового и предупреждения в системах пожарной сигнализации. И если места размещения, габаритные размеры приборов их яркость и цвет для подсистемы светового предупреждения строго прописаны. То для звуковой сигнализации указаны только исходные данные, на которые необходимо опираться в процессе самостоятельного расчета количества, мощности и размещения устройств оповещения.
Входные данные (нормативы)
Согласно СП 6.13130.2009 и НПБ 104-03 сила (СЗС) для системы оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) должна отвечать следующим параметрам:
- СЗС на расстоянии 3 м от оповещателя должна составлять не менее 75 дБ;
- СЗС не должна превышать 120 дБ в любой точке помещения;
- СЗС должна быть на 15 дБ выше, чем максимально допустимый уровень шума, который может быть создан в помещении одновременным включением всех приборов;
- СЗС в спальне должна быть на 15 Дб выше уровня шума в помещении, но не ниже 70 Дб.
При определении максимального шумового загрязнения в помещении эмпирическим способом, замер необходимо производить на высоте 1,5 от уровня пола. В спальных помещениях замеры производятся на уровне головы спящего.
Немного теории
При произведении расчетов системы речевого оповещения может встретиться терминология звуковое давление устройства. Термин произошел от SPL «sound pressure level» он фактически характеризует работоспособность и эффективность каждого устройства (оповещателя). Определяется с расстояния 1м в направлении оси излучения, измеряется в Дб. Однако мощность аппаратуры звукового излучателя дана в Ваттах (Вт). Эти два параметра имеют соответствие которое выражается в формуле. Однако в среде инженеров приняты упрощения и было решено, что для ненаправленного стандартного извещателя это соотношение будет составлять 95 Дб звукового давления на 1 Вт мощности оборудования.
Каждое изменение мощности устройства в два раза (неважно, увеличение или уменьшение) изменяет уровень давления всего на 3 Дб. Примером может послужить устройство мощностью в 2 Вт, которое имеет громкость 98 Дб, при увеличении мощности до 4 Вт, звуковое давление будет 101 Дб и т.д.
При расчете звукового давления системы оповещения следует учитывать факторы, влияющие на подбор установок акустического излучения:
Естественно, что в помещении происходит более чем одно событие, но величины шумов при этом не складываются, а поглощаются. Накладываясь синфазно, что дает незначительное повышение общего уровня на 1-3 Дб.
Методология проведения расчетов
Методика расчета звукового давления для систем оповещения производится в 5 этапов:
- Снять первичную информацию о помещении, где планируется установка системы оповещения:
- Размеры;
- Планировка;
- Типовые шумы;
- Определить допустимый уровень шумового давления;
- Исходя из параметров, вычислить уровень падения сигнала от точки предполагаемой установки, до наиболее удаленных участков помещения;
- Выбрать более подходящие параметры конкретного типа оповещателя и определить уровни его сигнала в оборудуемом помещении, с учетом диаграммы направленности;
- Определить потребление электроэнергии в режиме максимального функционирования (тревога, пожар и т.п.).
Нужно быть готовым к тому, что пункты 3 и 4 нужно будет переделывать несколько раз. Действия, которые необходимо предпринять если уровень сигнала в отдаленной точке помещения ниже установленного значения.
Задание на проектирование (исходные данные)
По ТЗ есть помещение размерами 12,5 х 25 м. необходимо установить звуковые излучатели в соответствии со всеми приведенными нормативами.
Для начала определим имеющееся оборудование:
Извещатель серии ЕМА с низкопрофильной базой ELPB, а также его полный аналог, но со стробоскопической световой вспышкой. Оба устройства имеют звуковое давление на расстоянии 1 м в 100 Дб:
Изначально понятно, что установив один звуковой извещатель в начале помещения, длинной 25 м, в конце будет получено звуковое давление гораздо меньше требуемого по нормативам минимального 70 Дб. Следовательно, произведя приблизительный расчет количества речевых оповещателей, примем рабочую версию о необходимости установки 2 устройств по одному на каждую сторону помещения.
Как видно из расчетов, на расстоянии до центра комнаты, равное 12,5 м, падение звукового давления в соответствии с таблицей составило 22 Дб, а до средины стены 14 м — 23 Дб. Расстояние от устройства до ближнего угла всего 6 м что уменьшило силу звука на 16 Дб.
Следовательно, до средины помещения одним звуковым излучателем полностью покрывается вся потребность в громкости. В центре комнаты происходит наложение двух равных синфазных сигналов, что в итоге даст увеличение звукового давления всего на 3Дб.
Взяв самый простой пример, прямоугольного помещения, мы получили искомый результат всего за один прогон алгоритма. Количество звуковых оповещателей мощностью 100Дб – 2 шт. При этом следует отметить, что максимально допустимая громкость звука в 120 Дб не превышена. А звуки офиса: компьютер, кондиционер, шелест страниц даже размещенные в центре помещения, перекрываются с необходимым превышением 15 Дб.
О пределение необходимой мощности и уровня звукового давления акустических устройств в системах оповещения всегда представляло значительную проблему для проектировщиков. Некоторые производители систем оповещения, стараясь облегчить их труд, приводят всевозможные графики, таблицы или программы для расчета этих параметров. Чаще всего попытка практического применения подобных рекомендаций или программ порождает больше вопросов, чем ответов, или ставит в тупик абсурдностью полученных решений.
Для самостоятельного изучения проблем акустики у большинства проектировщиков просто нет времени, поэтому имеет смысл изложить здесь базовые принципы акустических расчетов и выбора звуковоспроизводящих устройств.
Расчет акустических параметров звуковоспроизводящих устройств предполагает выбор необходимых громкоговорителей в зависимости от действующего уровня фонового шума и выбранной схемы озвучивания. Действующий уровень фонового шума зависит от назначения помещения. Полагается, что для качественного восприятия речи (диспетчерских передач) уровень звукового давления громкоговорителя должен на 10-15 дБ превышать уровень фонового шума в наиболее удаленной точке помещения.
При относительно низких фоновых шумах (менее 75 дБ) необходимо обеспечить избыточный уровень полезного сигнала 15 дБ, при высоких (более 75 дБ) — достаточно 10 дБ. То есть требуемый уровень звукового давления составляет: Lmax=La+15, дБ — для помещения с относительно низким уровнем фоновых шумов; Lmax=La+10, дБ — для помещения с высоким уровнем фоновых шумов, где Lа — действующий уровень фонового шума в помещении.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ
К основным характеристикам громкоговорителей относятся их направленность, диапазон частот и уровень звукового давления,
развиваемого на расстоянии 1 м от излучателя.
Ненаправленными громкоговорителями являются динамики, потолочные громкоговорители, а также всевозможные звуковые колонки (хотя необходимо отметить, что колонки занимают промежуточное положение между направленными и ненаправленными системами). Область распространения звука ненаправленных громкоговорителей (диаграмма направленности) достаточно широка (около 60°), а уровень звукового давления относительно невелик.
К направленным громкоговорителям в первую очередь относятся рупорные излучатели, так называемые «колокольчики». В рупорных громкоговорителях происходит концентрация акустической энергии за счет особенностей конструкции самого рупора, они отличаются узкой диаграммой направленности (около 30°) и высоким уровнем звукового давления. Работают рупорные громкоговорители в узкой полосе частот и потому плохо подходят для качественного воспроизведения музыкальных программ, хотя за счет высокого уровня звукового давления хорошо подходят для озвучивания больших площадей, в том числе открытых пространств.
Выбор громкоговорителей по диапазону частот зависит от назначения системы. Для диспетчерских передач и создания музыкального фона вполне достаточным является диапазон 200 Гц — 5 кГц, который обеспечивается практически любыми акустическими устройствами (рупорные излучатели имеют несколько меньший диапазон, но для речевых передач его вполне хватает). Для высококачественного озвучивания следует использовать громкоговорители, имеющие диапазон частот не менее 100 Гц — 10 кГц.
Необходимый уровень звукового давления является единственной характеристикой громкоговорителя, которая определяется по результатам расчетов. Сданной характеристикой возникает наибольшее количество проблем, которые чаще всего связаны с путаницей между электрической мощностью и звуковым давлением. Между этими величинами существует косвенная зависимость, поскольку громкость звучания определяется звуковым давлением, а мощность обеспечивает работу громкоговорителя. Из подводимой мощности только часть преобразуется в звук и величина этой части зависит от коэффициента полезного действия конкретного громкоговорителя. Большинство производителей акустических систем указывает в технической документации звуковое давление в Паскалях или уровень звукового давления в децибелах на расстоянии 1 м от излучателя. Если указано звуковое давление в Паскалях, в то время как необходимо получить уровень звукового давления в децибелах, перевод одной величины в другую осуществляется по следующей формуле:
Для типичного ненаправленного громкоговорителя можно принять, что 1 Вт электрической мощности соответствует уровню звукового давления примерно 95 дБ. Каждое увеличение (уменьшение) мощности вдвое приводит к увеличению (уменьшению) уровня звукового давления на 3 дБ. То есть 2 Вт — 98 дБ, 4 Вт — 101 дБ, 0,5 Вт — 92 дБ, 0,25 Вт — 89 дБ и т.д. Существуют громкоговорители, имеющие звуковое давление на 1 Вт мощности менее 95 дБ, и громкоговорители, обеспечивающие на 1 Вт 97 и даже 100 дБ, при этом громкоговоритель мощностью 1 Вт с уровнем звукового давления
100 дБ заменяет громкоговоритель мощностью 4 Вт с уровнем 95 дБ/Вт (95 дБ — 1 Вт, 98 дБ — 2 Вт, 101 дБ — 4 Вт), очевидно, что применение такого громкоговорителя более экономично. Можно добавить, что при одной и той же электрической мощности уровень звукового давления потолочных громкоговорителей на 2-3 дБ ниже, чем настенных. Это связано с тем, что настенный громкоговоритель расположен либо в отдельном корпусе, либо у хорошо отражающей задней поверхности, поэтому звук, излучаемый назад, практически полностью отражается вперед. Потолочные громкоговорители, как правило, крепятся на фальшпотолках или подвесах, поэтому звук, излучаемый назад, не отражается и не влияет на повышение фронтального звукового давления. Рупорные громкоговорители при мощности 10-30 Вт обеспечивают звуковое давление 12-16 Па (115-118 дБ) и более, имея, тем самым, наиболее высокое соотношение децибел к ваттам.
В заключение следует отметить, что при расчетах громкоговорителей необходимо обращать внимание на развиваемое ими звуковое давление, а не на электрическую мощность, и только при отсутствии этой характеристики в описании руководствоваться типовой зависимостью — 95 дБ/Вт.
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ СИСТЕМ
Расчет мощности громкоговорителей для сосредоточенных систем осуществляется в следующем порядке:
1) определяется необходимый уровень звука в удаленной точке озвучиваемого помещения:
где La — действующий уровень фонового шума в помещении, 10 — превышение требуемого уровня звукового давления над фоном;
где L — расстояние от громкоговорителя до крайней точки.
Если в сосредоточенной системе используется несколько громкоговорителей, то:
где n — число громкоговорителей в сосредоточенной системе;
величина 2 х 10-5, стоящая в знаменателе, соответствует уровню абсолютной тишины в Паскалях;
5) по значению Lгp или р 1 выбирается необходимый громкоговоритель или находится его необходимая типовая мощность.
При выборе типовой мощности используется соотношение 95 дБ/Вт.
Пример 1:
Необходимо рассчитать мощность громкоговорителя в сосредоточенной системе с двумя громкоговорителями.
Исходные данные:
Расстояние от громкоговорителя до удаленной точки L
-15 м, уровень фонового шума в помещении — La
— 75 дБ.
Требуемый уровень звука
в удаленной точке —
Требуемое звуковое давление
в удаленной точке:
Необходимое звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя:
Типовой громкоговоритель мощностью 1 Вт обеспечивает уровень звукового давления примерно 95 дБ, мощностью 2 Вт —
97 дБ, 4 Вт — 101 дБ, 8 Вт — 104 дБ. Следовательно, каждый из двух громкоговорителей должен иметь мощность около 8 Вт.
Пример 2:
Рассчитать мощность громкоговорителя в сосредоточенной системе с направленным громкоговорителем.
Исходные данные:
расстояние от громкоговорителя до удаленной точки L
— 80 м,
уровень фонового шума — La
— 70 дБ.
Требуемый уровень звука в удаленной точке –
Требуемое звуковое давление в удаленной точке:
Необходимое звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя:
Уровень звукового давления, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1 м:
Громкоговоритель типа 50ГРД-3 мощностью 50 Вт имеет уровень звукового давления 118 дБ, т.е. достаточный для озвучивания участка на заданном расстоянии.
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ
Расчет мощности громкоговорителей для одинарной и двойной настенной цепочки:
где La — действующий уровень фонового шума в помещении
2) рассчитывается звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель в удаленной точке:
3) определяется
— для одиночной цепочки или цепочки, расположенной в шахматном порядке:
— для двойной цепочки:
где b —
ширина помещения, D —
расстояние между громкоговорителями в цепочке.
Вместо D можно подставить выражение:
где L
— длина помещения, N
— количество громкоговорителей вдоль одной стены;
4) определяется уровень звукового давления, которое должен обеспечивать каждый громкоговоритель:
5) по значению L2p выбирается необходимый громкоговоритель или находится его необходимая типовая мощность. При выборе по типовой мощности используется соотношение — 95 дБ/Вт.
Пример 3.
Операционный зал банка:
Длина помещения — 18 м, ширина — 7,5 м, высота — 4,5 м.
Рекомендуется использовать два громкоговорителя — по одному на каждую сторону.
Шаг громкоговорителей: D =
6 м.
По назначению помещения ожидаемый уровень фонового шума — 60-63 дБ;
звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1 м:
уровень звукового давления громкоговорителя:
Такой уровень звукового давления соответствует типовым громкоговорителям с мощностью, намного меньшей 0,5 Вт.
Торговый зал магазина:
длина помещения: L-25 м, ширина: b —
18 м, высота: h —
5 м, люди преимущественно стоят — добавочная высота: hd —
1,5 м. Рекомендуется двойная настенная цепочка, по три громкоговорителя на каждую сторону, шаг цепочки D —
8 м.
По назначению и площади объекта ориентировочный уровень фонового шума следует ожидать в диапазоне 65-70 дБ;
необходимый уровень звука в помещении:
звуковое давление, которое должны развивать громкоговорители:
звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1 м:
уровень звукового давления громкоговорителя:
Такой уровень звукового давления соответствует типовому громкоговорителю мощностью немного меньше 1 Вт,
следовательно, можно использовать громкоговорители по 1 Вт каждый.
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ ОДИНОЧНОЙ И ДВОЙНОЙ ПОТОЛОЧНОЙ ЦЕПОЧКИ И ПОТОЛОЧНОЙ РЕШЕТКИ:
1) определяется необходимый уровень звука в помещении:
где Lа — действующий уровень фонового шума в помещении (при уровне фонового шума более 75 дБ — Lmax = La + 7, дБ);
2) рассчитывается звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель в удаленной точке:
3) определяется звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1 м:
— для одиночной цепочки, расположенной по средней линии помещения:
— для двойной цепочки:
— для потолочной решетки:
где b — ширина помещения, D — расстояние между громкоговорителями в цепочке;
4) определяется уровень звукового давления, которое должен обеспечивать каждый громкоговоритель:
5) по значению выбирается необходимый громкоговоритель или находится его необходимая типовая мощность. При выборе по типовой мощности используется соотношение 95 дБ/Вт.
Несмотря на кажущуюся сложность, приведенные формулы не представляют значительного труда при расчетах и не требуют специальной математической подготовки. Более того, после нескольких расчетов проектировщик будет определять необходимые характеристики акустических устройств без дополнительных вычислений, интуитивно.
В заключение можно указать причину большинства решений, противоречащих практическому опыту, получаемых в результате специализированных программ по акустике или при использовании вышеприведенных формул. Как правило, она кроется в некорректном задании действующего уровня фонового шума. В ряде справочных и технических изданий приводятся примерные уровни фоновых шумов для помещений различного функционального назначения. Относиться к этим данным следует крайне осторожно, поскольку в разных источниках для одних и тех же помещений они могут отличаться на 5-10 дБ (что дает очень существенный разброс по звуковому давлению), кроме того, необходимо учитывать, что при пожаре из-за возникшей паники или обрушения конструкций требуемый уровень фоновых шумов следует принимать большим, чем для обычных диспетчерских передач.
А. Пинаев к.т.н.,
М. Альшевский
с.н.с. НИИ ПБ и ЧС МЧС РБ
Отсутствие общепринятых методик расчёта звукового давления при проектировании систем оповещения часто приводит к ошибкам проектирования (недостаточный уровень звукового давления), т.к. количество и места установки оповещателей определяются проектировщиком «на глазок». Соответственно, в случае недостаточного уровня звукового сигнала, приходится переделывать уже смонтированную систему.
Мы попробовали упростить задачу проектировщикам и монтажникам — разработали ПО для расчёта необходимого количества звуковых оповещателей в помещении, которое доступно для скачивания . Программа автоматически расчитывает минимально необходимое количество оповещателей и места их установки для настенного и потолочного вариантов крепления.
Кроме отсутствия методик, сложность при расчётах представляет отсутствие технических параметров — амплитудно-частотной харрактеристики и диаграммы направленности у подавляющего большинства звуковых и речевых оповещателей. Поэтому данное ПО предназначено только для звуковых извещателей, поскольку у большинсва из них уровень звукового давления при отклонении от оси оповещателя 90° известен и составляет -5 ÷ -10 дБ (можно изменить в программе).
Методика расчёта
Зная звуковое давление источника звука в заданном направлении Р 0 , можно определить звуковое давление в этом направлении в расчетной точке Р 1 , находящейся на расстоянии L>1 м от этого источника по формуле:
Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать уровень звука не менее чем на 15 дБ выше допустимого уровня звука постоянного шума (N ) в защищаемом помещении. Измерение уровня звука должно проводиться на расстоянии 1,5 м от уровня пола.
где Р 0 и Р 90 - звуковое давление оповещателя на расстоянии 1 м в 0° и 90° соответственно.
В соответствии с (1) и (2) получаем неравенство:
Рассмотрим эквивалентное неравенство
| (6) |
Функция, стоящая в левой части неравенства (6), на интересующем нас интервале φ°}
