Одной из основных задач, решаемых в процессе электроакустического расчета, выполняемого на начальной стадии проектирования систем оповещения о пожаре - СОУЭ является задача выбора и расстановка речевых оповещателей (далее громкоговорителей). Громкоговорители могут устанавливаться как на открытых площадках, так в закрытых (защищаемых) помещениях. Цель данной статьи - предложить и обосновать варианты оптимальной расстановки речевых оповещателей (далее громкоговорителей) в закрытых (защищаемых) помещениях.

В закрытых помещениях рекомендуется устанавливать громкоговорители внутреннего исполнения, как наиболее оптимальные по параметрам и качеству. В зависимости от конфигурации помещения это могут быть потолочные или настенные типы. Грамотная расстановка громкоговорителей позволяет обеспечить равномерное распределение звука в помещении, следовательно, добиться хорошей разборчивости. Если говорить о качестве звучания, то оно будет определяться преимущественно качеством выбранных громкоговорителей. Так, например, при использовании потолочных громкоговорителей необходимо учитывать, что звуковая волна от громкоговорителя распространяется перпендикулярно полу, следовательно, озвучиваемая площадь на высоте ушей слушателей представляет собой круг, радиус которого принимается равным разности высоты установки (крепления) громкоговорителя и расстояния до отметки 1,5 м от пола (согласно нормативной документации). В большинстве задач для расчетов потолочной акустики, звуковые волны отождествляются с геометрическими лучами, при этом диаграмма направленности (ДН) громкоговорителя определяет параметры (углы) прямоугольного треугольника, следовательно, для расчета радиуса круга (катета треугольника) достаточно теоремы Пифагора. Для равномерного озвучивания помещения громкоговорители следует устанавливать так, чтобы результирующие площади соприкасались или слегка перекрывали друг друга. В самом простом случае необходимое количество громкоговорителей получается из отношения величин озвучиваемой площади к площади, озвучиваемой одним громкоговорителем.

Одним из основных параметров, который необходимо определить в расчетах, является Шаг расстановки цепочки громкоговорителей. Он будет определяться размерами помещения, высотой установки громкоговорителей и их диаграммой направленности (ШДН).

При расстановке настенных громкоговорителей в коридорах вдоль одной стены рекомендуемый шаг расстановки:

без учета отражений от стен:

(Шаг расстановки, м) = (Ширина коридора, м) х 2

• с учетом отражений от стен:

  (Шаг расстановки, м) = (Ширина коридора, м) х 4

При расстановке настенных громкоговорителей в прямоугольных помещениях по двум стенам в шахматном порядке шаг расстановки:

При встречной расстановке настенных громкоговорителей в прямоугольных помещениях по двум стенам шаг расстановки:

Основные требования

Приведем основное требование нормативной документации (НД):

Количество звуковых и речевых (громкоговорителей) 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.

Проектирование систем оповещения сопровождается выполнением электроакустического расчета (ЭАР). Следствием грамотного ЭАР является оптимизация - минимизация технических средств, повышение качества восприятия. Качество восприятия, в свою очередь, характеризуется комфортностью звучания для музыкального фона и разборчивостью для речевых сообщений. Критерием правильности ЭАР являются требования нормативной документации (НД) , которые условно можно разделить на:

• требования к речевому оповещателю (громкоговорителю);

  требования к уровням звуковых сигналов;

  требования к расстановке речевых оповещателей (громкоговорителей).

Следует заметить, что в НД изложены лишь необходимые (минимальные) требования в то время, как достаточные (максимальные) требования обеспечиваются наличием грамотных методик, а при их отсутствии - грамотностью и ответственностью проектировщика.

Требования к громкоговорителю

В изложены следующие требования. Звуковые оповещатели должны обеспечивать уровень звукового давления такой, чтобы:

Звуковые сигналы СОУЭ обеспечили 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.

В данном пункте содержатся два требования - требование к минимальному и максимальному звуковому давлению.

Минимальное звуковое давление

Громкоговоритель должен обеспечивать (минимальный) уровень звукового сигнала на расстоянии 1м от геометрического центра:

Максимальное звуковое давление

Дадим определение расчетной точки :

Расчетная точка (РТ) - место возможного (вероятного) нахождения людей наиболее критичное с точки зрения положения и удаления от звукового источника (громкоговорителя). РТ выбирается на расчетной плоскости - (мнимой) плоскости, проведенной параллельно полу на высоте 1,5м.

Требование к уровням звуковых сигналов

Основное требование к (необходимому) уровню звукового сигнала изложено в НД :

Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать уровень звука не менее чем на 15 дБА выше допустимого уровня звука постоянного шума в защищаемом помещении. Измерение уровня звука должно проводиться на расстоянии 1,5 м от уровня пола.

Требования к расстановке

Основное требование к расстановке громкоговорителей изложено в НД :

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

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

Учет основных характеристик громкоговорителей

Согласно , расстановка громкоговорителей является частью организационных мероприятий, выполняемых при проектировании СОУЭ и называемых электроакустическим расчетом. Наиболее актуальной является не просто расстановка, а оптимальная расстановка громкоговорителей, позволяющая минимизировать количество расчетных ресурсов (времени) и материальных средств.

Способы расстановки громкоговорителей тесно связаны с их конструктивными особенностями. Наиболее обобщенной является следующая классификация:

по исполнению;

по конструктивным особенностям;

по характеристикам;

по способу согласования с усилителем.

Учет типа и конструктивных особенностей громкоговорителей

По исполнению громкоговорители можно разделить на внутренние и внешние. Характерным признаком внутреннего исполнения является класс защиты IP. Для громкоговорителей внутреннего исполнения достаточно IP-41, для внешнего - не ниже IP-54. Для помещений, прежде всего в целях экономии, используются громкоговорители внутреннего исполнения.

В зависимости от решаемых задач могут использоваться громкоговорители различного конструктивного исполнения. Так, например, в зависимости от конфигурации помещения могут применяться громкоговорители потолочного или настенного исполнения. Для озвучивания открытых площадок используются рупорные громкоговорители, благодаря таким их характеристикам, класс защиты, высокая степень направленности звука, высокий КПД.

Специфика учета основных параметров громкоговорителей

Для осуществления грамотной расстановки громкоговорителей нам понадобятся следующие характеристики (основные параметры) громкоговорителя:

Расчет звукового давления громкоговорителя

Громкость громкоговорителя нельзя измерить непосредственно, поэтому на практике ее выражают через уровни звукового давления, измеряемые в децибелах, дБ.

Звуковое давление громкоговорителя определяется как его чувствительностью, так и электрической мощностью, подведенной к его входу:

Чувствительность громкоговорителя P 0 , дБ (чувствительность громкоговорителя иногда называют SPL от англ. SPL - Sound Pressure Level) - уровень звукового давления, измеренного на рабочей оси громкоговорителя, на расстоянии 1м от рабочего центра на частоте 1кГц при мощности 1Вт.

Мощность громкоговорителя

Существует несколько основных видов мощностей:

Номинальная мощность громкоговорителя - электрическая мощность, при которой нелинейные искажения громкоговорителя не превышают требуемых значений.

Паспортная мощность громкоговорителя - определяется как наибольшая электрическая мощность, при которой громкоговоритель может длительное время удовлетворительно работать на реальном звуковом сигнале без тепловых и механических повреждений.

Синусоидальная мощность - максимальная синусоидальная мощность, при которой громкоговоритель должен проработать в течение 1 часа с реальным музыкальным сигналом без получения физических повреждений (ср. максимальная синусоидальная мощность).

В общем случае в качестве параметра мощности необходимо использовать значение, указанное производителем громкоговорителя.

Звуковое давление громкоговорителя рекомендуется рассчитывать в зависимости от мощности включения громкоговорителя.

Основные расчеты

Уменьшение звукового давления в зависимости от расстояния

Для расчета уровня звукового давления в расчетной точке остается определить еще один важный параметр - величину уменьшения звукового давления в зависимости от расстояния - дивергенции, Р 20 , дБ. В зависимости от того, где устанавливается громкоговоритель - во внутренних помещениях или на открытых площадках, используются различные формулы (подходы).

Расчет уровня звукового давления в РТ

Зная параметры громкоговорителя - его чувствительность- P 0 , дБ, подводимую звуковую мощность P вт, Вт, и расстояние до РТ, r, м, вычислим уровень звукового давления L 1 , дБ, развиваемого им в РТ:

Звуковое давление в РТ при одновременной работе n громкоговорителей:

Расчет эффективной дальности

Эффективная дальность звучания громкоговорителя - расстояние от громкоговорителя до точки, в которой звуковое давление, не превышает значения (УШ+15) дБ:

Эффективную дальность звучания (громкоговорителя) D, м, можно рассчитать:

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:

1. Снять первичную информацию о помещении, где планируется установка системы оповещения:
   • Размеры;
   • Планировка;
   • Типовые шумы;
2. Определить допустимый уровень шумового давления;
3. Исходя из параметров, вычислить уровень падения сигнала от точки предполагаемой установки, до наиболее удаленных участков помещения;
4. Выбрать более подходящие параметры конкретного типа оповещателя и определить уровни его сигнала в оборудуемом помещении, с учетом диаграммы направленности;
5. 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.

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

Функция, стоящая в левой части неравенства (6), на интересующем нас интервале φ°}