大功率参量阵定向扬声器在地铁应急疏散引导中的应用

2019-01-07陈嘉杰

城市轨道交通研究 2018年12期

陈嘉杰

(上海申通地铁集团有限公司，201103，上海//工程师)

目前，城市轨道交通应急疏散系统的指挥引导，主要依赖指示标志与标志灯来实施。但该系统存在技术缺陷和条件限制，因此亟需采用更好的技术手段来进行突发事件时的应急疏散指挥与引导，以尽可能减少事件发生时造成的人员伤害。大功率参量阵定向扬声器的技术较为成熟，为解决上述问题提供了有效的技术手段。

1 大功率参量阵定向扬声器原理介绍

大功率参量阵定向扬声器与传统创造声波的方式完全不同。它通过超声波传感器发出经超声波调制的声音信号，利用波在空气中的非线性传播效应，并通过信号自解调形成具有高度指向性的声波。如同激光装置可以把光束聚集在一个远距离的很小截面上一样，声频定向装置可以把声束聚集在一个确定的方向上，并把原始声音无失真地传给指定方向上的收听者[1]。

1962年，Brown University 的物理学教授Peter Westervelt首次提出了参量阵的概念。参量阵定向扬声器向空气介质中发出强烈调制的超声波，在沿其传播轴前进的过程中产生差频信号，不断通过非线性作用解调出声频信号，这些不断解调出来的声频波累积叠加起来，一个端射式虚拟声源阵列就得以实现。这个虚拟声源阵即所谓的参量阵。参量阵使得声频波的能量在声波前进方向上不断得到加强，而由于超声波具有很强的指向性, 在传播主轴方向以外这种叠加加强效应很微弱，最终导致声频波在主传播轴方向具有了极高的指向性。参量阵的提出为产生高指向性声频波的实现提供了理论依据。

2 现有应急疏散引导技术的特点与问题

2.1 突发事件人员疏散分析

应对突发事件情况下的各种救援手段与技术层出不穷，目前突发事件发生的第一时间应急疏散与引导，普遍采用各类逃生指示牌，包括普通指示标牌与发光指示标牌。这两种指示标牌是目前最有效的应急疏散通道人群引导设备。图1表示突发事件发生时人员疏散各个阶段的关系。图1中，Tb表示从突发事件发生到人员感知危险的时间间隔，Tc表示从人员感知危险到开始进行疏散的时间间隔，Ts表示从人员开始疏散到疏散结束的时间间隔，TRSE表示安全疏散时间，TASE表示可用的安全疏散时间。突发事件爆发时的风险评估一般认为，当地铁建筑的TASE大于TRSE时,地铁建筑物人员能够实现安全疏散，即若要实现突发事件的应急疏散，必须使TRSE尽可能缩小[3]。

图1 突发事件发生时人员疏散各阶段关系图

图1中的Tb和Tc可采用现代化的信息物联网技术来计算，而且目前该技术也越来越成熟，但对TRSE的贡献并不大，关键是要降低Ts值。本文主要对此进行展开分析。

GB 50157—2013《地铁设计规范》8.3.10条给出了地铁站台突发事故逃生疏散时间的计算公式：

T=1+(Q1+Q2)/(0.9(A1(N-1)+A2B))

(1)

式中：

T——突发事件发生时疏散站台乘客的时间，min；

Q1——列车载客数，人；

Q2——站台上候车与工作人员数，人；

A1——自动扶梯的通过能力(在突发事件发生时，多数状况下自动扶梯会停运，并被当作楼梯使用)，人/(min·m)；

A2——楼梯的通过能力，人/(min·m)；

N——自动扶梯数,台；

B——人行楼梯的总宽度,m。

式(1)给出的是突发事件发生时理想状况下最大疏散时间的理论计算值，如果结合乘客在突发事件下的诸多情况，如复杂的环境(换乘车站或地下综合设施)、大量烟雾、群体性恐慌、大客流量等因素，疏散效率将会大幅度下降。

以上海典型的轨道交通车站为例，设定所有被疏散人员均按标志方向疏散，对该车站进行疏散仿真计算[4]，得到以下结论：

(1) 被疏散人员密度越高，则疏散效率越低，被疏散人员密度与疏散效率关系如图2所示。

(2) 简单灯光引导标志的增加，可显著提升疏散效率。标准站台模拟仿真结果显示，疏散通道增加1个引导标志，人员疏散效率提升4.2%；增加2个引导标志，人员疏散效率提升15%；增加3个引导标志，人员疏散效率提升36%；增加4个标志，人员疏散效率提升47%。具体关系如图3所示。

图2 客流密度对疏散效率的影响图

图3 添加引导标志对疏散效率的影响图

由图3可知，在地下标准地铁车站(简单空间结构)中，引导标志对突发事件的引导作用非常显著。

针对产生浓烟的情况，Honeywell公司于2001年8月，进行了用黑暗代替浓烟雾，并在复杂陌生通道中进行实际人员疏散的测试,测试采用红外摄像机记录人群疏散情况。测试结果显示，在黑暗仿真浓烟和复杂环境通道的人群疏散效率将比理论计算值下降80%以上。由此可见，有效的引导标志，在突发事件中有着极其重要的作用，但目前的指示标志，存在较大的适用缺陷。

2.2 灯光引导标志特点分析

现有的灯光引导标志存在以下特点：①设备简单，造价低廉，易于推广应用；②设备维护成本低，运营费用低，系统工作可靠；③指示标志技术成熟，社会接受度高。

现有的灯光引导标志存在的问题如下：

(1) 在人员密集的封闭空间内，指示标志只能安装于空间顶部(安装下部会被人群遮挡)，一旦发生火灾或爆炸而产生大量烟尘时，烟尘主要聚集在建筑内顶部区域，指示标志将无法看清，并失去指示效用。

(2) 目前使用的灯光引导标志作为被动接受载体，缺乏主动引导作用。

(3) 人类对于日常一直看到的东西，有一种将其自然忽略与屏蔽的惯性，所以在突发事件发生时，灯光指示往往被忽略而达不到应有的指示作用。

3 大功率参量阵定向扬声器的引导研究

3.1 关于声音引导的技术描述与研究

声音引导作为引导标志的主要功能，必须满足以下条件：

(1) 需首先通过与有关职能部门论证后，设定广播语言内容(包括语言种类排序等)。

(2) 具有明确指向性，在突发事件发生时的混乱状况下，明确语音信息引导的有效性。

(3) 扬声器广播内容需提醒乘客注意指示标志从而实现自助。

(4) 如果将声音作为指示标志，必须达到一定的音量。音量通常需达到100 dB或以上，以压制由于人群在突发事件中所产生的噪音，同时符合已颁布执行的HJ/T 403—2007《建设项目竣工环境保护验收技术规范》的要求。

作为人类感官的两大来源(占所有外界信息感觉总量的95%以上)的听觉，由于不受视觉的限制，可全方位接收外界信息，因此人们不断尝试将声音作为应急疏散的指示标志，来填补灯光指示标志的缺陷。然而，在地铁车站以及建筑物内部，由于存在大量的声音反射体而呈现无指向性。声音在建筑物内部的反射如图4所示，声音离开扬声器后，在附近各个反射面反射，结合直接传播，都混合传送到人的左右耳朵。人耳辩别方向的原理是通过左右耳朵接收音源声波，通过左右耳朵声音声强的微弱区别来判定声源方向。但是太多的声音反射(特别是近喇叭口的强反射)，严重干扰了人耳对声音方向的辨别，并且音量越高，方向可辨别性越差。因此,目前虽然灯光引导标志的功能存在局限性，但也无任何国家与地区将声音作为室内突发事件的引导标志。

2001年9月，Honeywell公司研究人员，利用脉冲声波的音量声强快速变换，让人能够在密闭空间的强反射环境下，大致分辨出声源方向，并对浓烟情况下有指向性脉冲声音引导与无声音引导进行了对比测试。测试结果显示，有方向引导作用脉冲指示音频的引导效率，是无方向引导作用脉冲指示音频引导效率的4倍以上。

图4 声音在室内通道中的传播与反射示意图

3.2 大功率参量阵定向扬声器的声学特性描述

相关厂家研发的一款大功率参量阵定向扬声器的主要技术特征如表1所示。

表1 大功率参量阵定向扬声器的主要技术特征

大功率参量阵定向扬声器声学空间覆盖特性如图5所示。由图5可知，大功率参量阵定向扬声器区别于普通扬声器的特性在于它有着极强的指向性，声音发散角度达到±15°，在其指向区间范围外几乎无声音；且定向扬声器的发声强度超过100 dB，该指标非常先进，目前国内外类似产品均未达到该水平。当定向场声器安装于室内空间通道内时，没有了致命的强近场声音反射，仅仅产生远端反射(见图6)。远端反射通常比直接传播到听者的声强要低2个dB左右，而人耳的定向能力则在0.1 dB范围内即可明确方向，因此在封闭的室内空间，大功率参量阵定向扬声器有着极强的音源方向性。