大功率參量陣定向揚聲器在地鐵應急疏散引導中的應用

陳嘉杰

(上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海//工程師)

目前，城市軌道交通應急疏散系統的指揮引導，主要依賴指示標志與標志燈來實施。但該系統存在技術缺陷和條件限制，因此亟需采用更好的技術手段來進行突發事件時的應急疏散指揮與引導，以盡可能減少事件發生時造成的人員傷害。大功率參量陣定向揚聲器的技術較為成熟，為解決上述問題提供了有效的技術手段。

1 大功率參量陣定向揚聲器原理介紹

大功率參量陣定向揚聲器與傳統創造聲波的方式完全不同。它通過超聲波傳感器發出經超聲波調制的聲音信號，利用波在空氣中的非線性傳播效應，并通過信號自解調形成具有高度指向性的聲波。如同激光裝置可以把光束聚集在一個遠距離的很小截面上一樣，聲頻定向裝置可以把聲束聚集在一個確定的方向上，并把原始聲音無失真地傳給指定方向上的收聽者[1]。

1962年，Brown University 的物理學教授Peter Westervelt首次提出了參量陣的概念。參量陣定向揚聲器向空氣介質中發出強烈調制的超聲波，在沿其傳播軸前進的過程中產生差頻信號，不斷通過非線性作用解調出聲頻信號，這些不斷解調出來的聲頻波累積疊加起來，一個端射式虛擬聲源陣列就得以實現。這個虛擬聲源陣即所謂的參量陣。參量陣使得聲頻波的能量在聲波前進方向上不斷得到加強，而由于超聲波具有很強的指向性, 在傳播主軸方向以外這種疊加加強效應很微弱，最終導致聲頻波在主傳播軸方向具有了極高的指向性。參量陣的提出為產生高指向性聲頻波的實現提供了理論依據。

2 現有應急疏散引導技術的特點與問題

2.1 突發事件人員疏散分析

應對突發事件情況下的各種救援手段與技術層出不窮，目前突發事件發生的第一時間應急疏散與引導，普遍采用各類逃生指示牌，包括普通指示標牌與發光指示標牌。這兩種指示標牌是目前最有效的應急疏散通道人群引導設備。圖1表示突發事件發生時人員疏散各個階段的關系。圖1中，Tb表示從突發事件發生到人員感知危險的時間間隔，Tc表示從人員感知危險到開始進行疏散的時間間隔，Ts表示從人員開始疏散到疏散結束的時間間隔，TRSE表示安全疏散時間，TASE表示可用的安全疏散時間。突發事件爆發時的風險評估一般認為，當地鐵建筑的TASE大于TRSE時,地鐵建筑物人員能夠實現安全疏散，即若要實現突發事件的應急疏散，必須使TRSE盡可能縮小[3]。

圖1 突發事件發生時人員疏散各階段關系圖

圖1中的Tb和Tc可采用現代化的信息物聯網技術來計算，而且目前該技術也越來越成熟，但對TRSE的貢獻并不大，關鍵是要降低Ts值。本文主要對此進行展開分析。

GB 50157—2013《地鐵設計規范》8.3.10條給出了地鐵站臺突發事故逃生疏散時間的計算公式：

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

(1)

式中：

T——突發事件發生時疏散站臺乘客的時間，min；

Q1——列車載客數，人；

Q2——站臺上候車與工作人員數，人；

A1——自動扶梯的通過能力(在突發事件發生時，多數狀況下自動扶梯會停運，并被當作樓梯使用)，人/(min·m)；

A2——樓梯的通過能力，人/(min·m)；

N——自動扶梯數,臺；

B——人行樓梯的總寬度,m。

式(1)給出的是突發事件發生時理想狀況下最大疏散時間的理論計算值，如果結合乘客在突發事件下的諸多情況，如復雜的環境(換乘車站或地下綜合設施)、大量煙霧、群體性恐慌、大客流量等因素，疏散效率將會大幅度下降。

以上海典型的軌道交通車站為例，設定所有被疏散人員均按標志方向疏散，對該車站進行疏散仿真計算[4]，得到以下結論：

(1) 被疏散人員密度越高，則疏散效率越低，被疏散人員密度與疏散效率關系如圖2所示。

(2) 簡單燈光引導標志的增加，可顯著提升疏散效率。標準站臺模擬仿真結果顯示，疏散通道增加1個引導標志，人員疏散效率提升4.2%；增加2個引導標志，人員疏散效率提升15%；增加3個引導標志，人員疏散效率提升36%；增加4個標志，人員疏散效率提升47%。具體關系如圖3所示。

圖2 客流密度對疏散效率的影響圖

圖3 添加引導標志對疏散效率的影響圖

由圖3可知，在地下標準地鐵車站(簡單空間結構)中，引導標志對突發事件的引導作用非常顯著。

針對產生濃煙的情況，Honeywell公司于2001年8月，進行了用黑暗代替濃煙霧，并在復雜陌生通道中進行實際人員疏散的測試,測試采用紅外攝像機記錄人群疏散情況。測試結果顯示，在黑暗仿真濃煙和復雜環境通道的人群疏散效率將比理論計算值下降80%以上。由此可見，有效的引導標志，在突發事件中有著極其重要的作用，但目前的指示標志，存在較大的適用缺陷。

2.2 燈光引導標志特點分析

現有的燈光引導標志存在以下特點：①設備簡單，造價低廉，易于推廣應用；②設備維護成本低，運營費用低，系統工作可靠；③指示標志技術成熟，社會接受度高。

現有的燈光引導標志存在的問題如下：

(1) 在人員密集的封閉空間內，指示標志只能安裝于空間頂部(安裝下部會被人群遮擋)，一旦發生火災或爆炸而產生大量煙塵時，煙塵主要聚集在建筑內頂部區域，指示標志將無法看清，并失去指示效用。

(2) 目前使用的燈光引導標志作為被動接受載體，缺乏主動引導作用。

(3) 人類對于日常一直看到的東西，有一種將其自然忽略與屏蔽的慣性，所以在突發事件發生時，燈光指示往往被忽略而達不到應有的指示作用。

3 大功率參量陣定向揚聲器的引導研究

3.1 關于聲音引導的技術描述與研究

聲音引導作為引導標志的主要功能，必須滿足以下條件：

(1) 需首先通過與有關職能部門論證后，設定廣播語言內容(包括語言種類排序等)。

(2) 具有明確指向性，在突發事件發生時的混亂狀況下，明確語音信息引導的有效性。

(3) 揚聲器廣播內容需提醒乘客注意指示標志從而實現自助。

(4) 如果將聲音作為指示標志，必須達到一定的音量。音量通常需達到100 dB或以上，以壓制由于人群在突發事件中所產生的噪音，同時符合已頒布執行的HJ/T 403—2007《建設項目竣工環境保護驗收技術規范》的要求。

作為人類感官的兩大來源(占所有外界信息感覺總量的95%以上)的聽覺，由于不受視覺的限制，可全方位接收外界信息，因此人們不斷嘗試將聲音作為應急疏散的指示標志，來填補燈光指示標志的缺陷。然而，在地鐵車站以及建筑物內部，由于存在大量的聲音反射體而呈現無指向性。聲音在建筑物內部的反射如圖4所示，聲音離開揚聲器后，在附近各個反射面反射，結合直接傳播，都混合傳送到人的左右耳朵。人耳辯別方向的原理是通過左右耳朵接收音源聲波，通過左右耳朵聲音聲強的微弱區別來判定聲源方向。但是太多的聲音反射(特別是近喇叭口的強反射)，嚴重干擾了人耳對聲音方向的辨別，并且音量越高，方向可辨別性越差。因此,目前雖然燈光引導標志的功能存在局限性，但也無任何國家與地區將聲音作為室內突發事件的引導標志。

2001年9月，Honeywell公司研究人員，利用脈沖聲波的音量聲強快速變換，讓人能夠在密閉空間的強反射環境下，大致分辨出聲源方向，并對濃煙情況下有指向性脈沖聲音引導與無聲音引導進行了對比測試。測試結果顯示，有方向引導作用脈沖指示音頻的引導效率，是無方向引導作用脈沖指示音頻引導效率的4倍以上。

圖4 聲音在室內通道中的傳播與反射示意圖

3.2 大功率參量陣定向揚聲器的聲學特性描述

相關廠家研發的一款大功率參量陣定向揚聲器的主要技術特征如表1所示。

表1 大功率參量陣定向揚聲器的主要技術特征

大功率參量陣定向揚聲器聲學空間覆蓋特性如圖5所示。由圖5可知，大功率參量陣定向揚聲器區別于普通揚聲器的特性在于它有著極強的指向性，聲音發散角度達到±15°，在其指向區間范圍外幾乎無聲音；且定向揚聲器的發聲強度超過100 dB，該指標非常先進，目前國內外類似產品均未達到該水平。當定向場聲器安裝于室內空間通道內時，沒有了致命的強近場聲音反射，僅僅產生遠端反射(見圖6)。遠端反射通常比直接傳播到聽者的聲強要低2個dB左右，而人耳的定向能力則在0.1 dB范圍內即可明確方向，因此在封閉的室內空間，大功率參量陣定向揚聲器有著極強的音源方向性。

注:100%、50%、<10%區域分別表示最大聲波強度區域、聲波強度衰減6 dB和聲波強度衰減20 dB區域

圖5 大功率參量陣定向揚聲器聲學空間覆蓋示意圖

圖6 大功率參量陣定向揚聲器在室內空間傳播示意圖

3.3 大功率參量陣定向揚聲器聲學現場測試與結果

為驗證上述分析，本文針對性地進行了大量前期的地鐵站臺現場測試工作，后期將聯合地鐵消防支隊進行后期測試工作。測試環境覆蓋了地鐵站臺的上下樓梯、拐彎通道、直行通道、進站閘機大廳和列車到站站亭等區域，時間跨越24：00至09：00高峰時段。

通過數月的地鐵站臺實際測試，得到以下測試結論：

(1) 將大功率參量陣定向揚聲器運用于突發事件逃生引導和疏散指示標志的效果很好，其亦可作為燈光疏散指示標志的補充。將大功率參量陣定向揚聲器與其它疏散指示標志綜合使用，可發揮其最大效用。

(2) 在地鐵站臺以及乘客通道，大功率參量陣定向揚聲器具有極強的音頻方向性，且不受封閉空間音頻反射干擾，較脈沖音頻有著更好的方向性。

(3) 在發生濃煙狀況下，大功率參量陣定向揚聲器的音頻引導與疏散標志，具有燈光標志不可替代的作用，彌補了原有應急疏散引導中的技術缺陷，并且疏散效率極其出色。

(4) 在處理突發事件時的應急疏散與引導，定向揚聲器的喇叭口必須達到并超過100 dB，以保證對背景噪聲進行壓制及其有效使用。

(5) 大功率參量陣定向揚聲器可在定向音頻中加載不同語音，這樣應急處置系統才能發揮多種功能。

(6) 大功率參量陣定向揚聲器的研究成果，對于類似封閉公共建筑的應急處理疏散引導，均有極大的推廣與參考價值。

4 結語

綜合前述測試以及論證，大功率參量陣定向揚聲器的定向音頻，在室內復雜通道與空間的軌道交通車站，作為傳統應急疏教引導標志的補充，有著顯著的效果。其研究成果對大功率參量陣定向揚聲器在其他類似場景中的推廣應用，也有著積極的意義。