定向声波聚声系统在高速公路防疲劳中的应用分析

陈飞、陈月平、吕敏

（1.浙江省交通集团高速公路嘉兴管理中心，浙江 嘉兴 314000；2.杭州交通工程监理咨询有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

原有的防疲劳驾驶手段主要以通过视觉方式查看标志牌为主，需要主动去看，效果有限。声音是主动干预，主动刺激司机的听觉神经，听与不听，司机都能感受到。原有高速公路设置的号角喇叭，因为声音轻、扰民等情况，使用效率比较低，也起不到防疲劳预警的效果。参量阵定向声波聚声系统，利用定向声的声学特点，在浙江省高速公路上的应用，体现了预防为主的交通安全管理理念，并取得预期的效果[1]。

1 定向声波聚声系统的构造和机理

1.1 定向声波聚声系统的构造

定向声波也称聚声系统，由主机和发声单元组成。主机包含信号处理模块、定向声驱动模块、数据传输模块；发声单元包含声能换能器组阵（参量阵）的发声模块（单元）。信号捕捉传感器捕捉到机动车、非机动车或行人后发出指令，定向声驱动模块收到指令后驱动发声单元发出指定声音，其声音仅作用于设备正前方30°的锥角范围内，其中正前方15°的锥角范围内为强声区。聚声系统发出的声音，集中度高、强度大、传播距离远，但不扰民。临近隧道一般设置播放“临近隧道打开大灯”之类的诱导警示提醒语音；一般路面上设置播放“高速交警提醒你，发生事故车靠边人撤离即报警，安全带生命带，前排后排都要系，请勿疲劳驾驶”之类的诱导警示提醒语音；在驾驶员行车容易疲劳地段，播放轻松悦耳的音乐。图1 和图2 是实际设置示例，分别是白天和夜间的效果。

图1 高速公路聚声系统设置示例（白天）

图2 高速公路聚声系 统设置示例（夜间）

1.2 定向声波聚声系统的机理

传统扬声器利用换能器振片震动直接向空间发射可听声波。参量阵扬声器是一种新型的强指向性扬声器，又被称为音频聚光灯。参量阵扬声器发声的基本原理是将要传输的音频信号调制到超声载波，由于空气的非线性作用，会自解调生成音频信号，利用超声载波的超指向性，可以形成强指向性的音频信号波束[2]。

目前参量阵扬声器的发声原理有Westervelt 方程、Berktay 远 场解 以 及KZK 方 程三种。Westervelt 方程解释了如何产生高指向性差频波，Berktay 远场解解释了如何产生宽带高指向性声频波。1962 年Westervelt 通过研究两平面波的相互作用，提出参量声学阵的概念，并经Berktay 推导出在远场中参量阵扬声器发射的声波经过空气的非线性作用，其自解调信号的声压幅值与发射声波包络函数平方的二次导数成正比，这一理论被称为著名的“Berktay 远场解”：

式（1）中：p(τ)为发射声波的声压；p0为原声波的声压；S为声源面积；α0为原声波吸收系数；β为非线性系数；ρ0为密度平均值；c0为声波传播速度；z为声波传播距离；E(τ)为调制包络函数；τ=t-z.c0，t为发射声波的传播时间。

2 定向声波聚声系统参数

2.1 实测声压衰减情况

表1 聚声系统GSXY-5100 标准声压114 dB 衰减测试数据

2.2 行车驾驶员可听定向声波时长

按图3 设置的聚声系统，表2 为一组聚声系统定向声波时长与驾驶员行车时可听到语音个数表。

表2 驾驶员行车可听聚声系统定向声波发声时长（s）和语音个数表

图3 聚声系统设置示意图

2.3 路面发声声压级与环境噪声的信噪比

2.3.1 高速公路实测环境噪声

据测算，高速公路沿线高峰交通量的交通噪声平均声压超过70dB。图4 对浙江省某高速公路实测桩号G60 127K+700 噪声检测，高峰流量2300 辆/h 的噪声为71～80dB。

图4 聚声系统定向声波设置区域噪声监测

2.3.2 行驶车辆关闭车窗车内声压

经测试，在车辆车窗密闭较好的条件下，驾驶员关闭车窗的声压降低10～20dB，一般行车时关闭车窗条件下驾驶员听到60dB 语音声压为宜。

2.4 噪声环境下驾驶员辨别语音能力

人耳所能听到的声压级在0～140dB。声音识别系统的研究是目前的热门课题。早在1988 年，英国就进行了多码本离散隐马尔可夫模型用于含噪声语音识别的研究，在低噪声环境下可达100%，在高噪声环境下（信噪比-7dB）为63.9%。在噪声环境下，驾驶员对语音识别性能会大幅度下降。例如，在一个典型的孤立词识别系统中，用纯净语音训练，误识率不到1%；但在以100km/h 的速度行驶的小车上，其识别率将下降70%左右；在喧闹的自助餐厅里，误识率也高达50%[3]。

据有关文献显示，人耳所能听到的不仅与信噪比有关，还与收听的语音个数有关。某公司利用开发的“用于教育玩具生产的语音识别装置”作为背景，研究制作用于在生产线上替代人工完成玩具发音功能检测的声音识别系统。测试在-10dB 噪声环境下语音识别的正确率见表3。

表3 -10dB 噪声环境下的测试玩具识别语音正确率结果表

一般认为，信噪比10dB 对语音识别达到95%以上较为理想，因此高速公路声波聚声系统发生声压级高于环境噪声10～15dB，行车驾驶员可正常收听诱导警示语音提醒。过高的信噪比既不经济环保，还可能导致驾驶员的听觉损伤。

3 定向声波聚声系统设置方法

以聚声系统设置组数由聚声系统标准声压114dB、行车条件下驾驶员关闭车窗听到60dB 语音声压和可听39 个字为例说明聚声系统的设置方法。

3.1 定向声波聚声系统设置组数

高速公路聚声系统按行车速度120km/h、驾驶员听到“高速交警提醒你，发生事故车靠边人撤离即报警，安全带生命带，前排后排都要系，请勿疲劳驾驶”39 个语音个数，由表2 可知需400m 的声走廊长度，聚声系统GSXY-5100 的114dB 的声压传输50m 后声压为80dB，至少需要设置8 组聚声系统，若考虑信噪比10dB 对语音识别95%的折减系数，应设置9 组聚声系统，方能达到驾驶员关闭车窗情况下听到60dB 的语音信号[4]。

3.2 定向声波聚声系统技术要求

聚声系统标准声压114dB、3000Hz 频率声压级检验方法如图5 所示，聚声系统技术要求见表4。

表4 聚声系统技术要求

图5 聚声系统声压级测试示意图

3.3 安装方法

3.3.1 路面安装位置

如图1 和图2 所示，在沿高速公路长下坡、长直线、多弯道、事故多发地等容易使驾驶员疲劳的区域设置聚声系统，每隔一定距离设置一组聚声系统，组数视聚声系统标准声压、声压衰减行情况、行车条件下驾驶员关闭车窗听到60dB 语音声压和可听语音个数等条件确定，安装在路肩边缘（紧急停车带）或边坡顶，聚声系统的外轮廓不侵占路肩（紧急停车带）界限。

3.3.2 隧道口安装位置

如图6、图7 所示，在距隧道口前150m 外应设置一组或多组聚声系统，播放“临近隧道打开大灯”之类的诱导警示提醒语音。聚声系统安装在路肩边缘（紧急停车带）或边坡顶，定向声音装置应不侵占路肩（紧急停车带）界限。

图6 聚声系统安装位置模拟图

图7 聚声系统安装位置实例图

3.4 定向声波聚声系统与自发光标识和显示屏组合安装

如图1 和图2 所示，聚声系统与自发光标识和显示屏组合安装，可以发挥语音和视觉的多功能作用。通过自发光地标、诱导多彩屏，形成视觉上的差异，刺激司机的视觉神经，同样可以起到预防疲劳驾驶的综合作用。

4 结语

目前，定向声波聚声系统在沪杭高速公路、G60 沪昆高速公路进行试点应用，播放防止驾驶疲劳等警示语音，还播放《在希望的田野上》等轻松悦耳的古筝乐曲，收到了预期效果。

为了进一步发挥定向声波聚声系统的作用，拟在现有的基础上增加信息管理功能：通过PC 端或移动端对设备进行实时管理；提供API 接口，可与现有的指挥系统对接；通过物联网自动感知设备，增加自动报警功能；巡逻车后方加装聚声系统，避免传统警报音的声音污染，保护人员安全；优化报警手势识别、报警语音识别，提高事故处理及救援的效率；实现报警功能音画同步，实时提供贴心帮助，也可实现实时拒绝车辆非法停留等功能。