大功率參量陣定向揚(yáng)聲器在地鐵應(yīng)急疏散引導(dǎo)中的應(yīng)用

陳嘉杰

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上海//工程師)

目前，城市軌道交通應(yīng)急疏散系統(tǒng)的指揮引導(dǎo)，主要依賴(lài)指示標(biāo)志與標(biāo)志燈來(lái)實(shí)施。但該系統(tǒng)存在技術(shù)缺陷和條件限制，因此亟需采用更好的技術(shù)手段來(lái)進(jìn)行突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)急疏散指揮與引導(dǎo)，以盡可能減少事件發(fā)生時(shí)造成的人員傷害。大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的技術(shù)較為成熟，為解決上述問(wèn)題提供了有效的技術(shù)手段。

1 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器原理介紹

大功率參量陣定向揚(yáng)聲器與傳統(tǒng)創(chuàng)造聲波的方式完全不同。它通過(guò)超聲波傳感器發(fā)出經(jīng)超聲波調(diào)制的聲音信號(hào)，利用波在空氣中的非線性傳播效應(yīng)，并通過(guò)信號(hào)自解調(diào)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(gè)遠(yuǎn)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(gè)確定的方向上，并把原始聲音無(wú)失真地傳給指定方向上的收聽(tīng)者[1]。

1962年，Brown University 的物理學(xué)教授Peter Westervelt首次提出了參量陣的概念。參量陣定向揚(yáng)聲器向空氣介質(zhì)中發(fā)出強(qiáng)烈調(diào)制的超聲波，在沿其傳播軸前進(jìn)的過(guò)程中產(chǎn)生差頻信號(hào)，不斷通過(guò)非線性作用解調(diào)出聲頻信號(hào)，這些不斷解調(diào)出來(lái)的聲頻波累積疊加起來(lái)，一個(gè)端射式虛擬聲源陣列就得以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)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(jìn)方向上不斷得到加強(qiáng)，而由于超聲波具有很強(qiáng)的指向性, 在傳播主軸方向以外這種疊加加強(qiáng)效應(yīng)很微弱，最終導(dǎo)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(chǎn)生高指向性聲頻波的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

2 現(xiàn)有應(yīng)急疏散引導(dǎo)技術(shù)的特點(diǎn)與問(wèn)題

2.1 突發(fā)事件人員疏散分析

應(yīng)對(duì)突發(fā)事件情況下的各種救援手段與技術(shù)層出不窮，目前突發(fā)事件發(fā)生的第一時(shí)間應(yīng)急疏散與引導(dǎo)，普遍采用各類(lèi)逃生指示牌，包括普通指示標(biāo)牌與發(fā)光指示標(biāo)牌。這兩種指示標(biāo)牌是目前最有效的應(yīng)急疏散通道人群引導(dǎo)設(shè)備。圖1表示突發(fā)事件發(fā)生時(shí)人員疏散各個(gè)階段的關(guān)系。圖1中，Tb表示從突發(fā)事件發(fā)生到人員感知危險(xiǎn)的時(shí)間間隔，Tc表示從人員感知危險(xiǎn)到開(kāi)始進(jìn)行疏散的時(shí)間間隔，Ts表示從人員開(kāi)始疏散到疏散結(jié)束的時(shí)間間隔，TRSE表示安全疏散時(shí)間，TASE表示可用的安全疏散時(shí)間。突發(fā)事件爆發(fā)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一般認(rèn)為，當(dāng)?shù)罔F建筑的TASE大于TRSE時(shí),地鐵建筑物人員能夠?qū)崿F(xiàn)安全疏散，即若要實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件的應(yīng)急疏散，必須使TRSE盡可能縮小[3]。

圖1 突發(fā)事件發(fā)生時(shí)人員疏散各階段關(guān)系圖

圖1中的Tb和Tc可采用現(xiàn)代化的信息物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)計(jì)算，而且目前該技術(shù)也越來(lái)越成熟，但對(duì)TRSE的貢獻(xiàn)并不大，關(guān)鍵是要降低Ts值。本文主要對(duì)此進(jìn)行展開(kāi)分析。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》8.3.10條給出了地鐵站臺(tái)突發(fā)事故逃生疏散時(shí)間的計(jì)算公式：

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

(1)

式中：

T——突發(fā)事件發(fā)生時(shí)疏散站臺(tái)乘客的時(shí)間，min；

Q1——列車(chē)載客數(shù)，人；

Q2——站臺(tái)上候車(chē)與工作人員數(shù)，人；

A1——自動(dòng)扶梯的通過(guò)能力(在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，多數(shù)狀況下自動(dòng)扶梯會(huì)停運(yùn)，并被當(dāng)作樓梯使用)，人/(min·m)；

A2——樓梯的通過(guò)能力，人/(min·m)；

N——自動(dòng)扶梯數(shù),臺(tái)；

B——人行樓梯的總寬度,m。

式(1)給出的是突發(fā)事件發(fā)生時(shí)理想狀況下最大疏散時(shí)間的理論計(jì)算值，如果結(jié)合乘客在突發(fā)事件下的諸多情況，如復(fù)雜的環(huán)境(換乘車(chē)站或地下綜合設(shè)施)、大量煙霧、群體性恐慌、大客流量等因素，疏散效率將會(huì)大幅度下降。

以上海典型的軌道交通車(chē)站為例，設(shè)定所有被疏散人員均按標(biāo)志方向疏散，對(duì)該車(chē)站進(jìn)行疏散仿真計(jì)算[4]，得到以下結(jié)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(guān)系如圖2所示。

(2) 簡(jiǎn)單燈光引導(dǎo)標(biāo)志的增加，可顯著提升疏散效率。標(biāo)準(zhǔn)站臺(tái)模擬仿真結(jié)果顯示，疏散通道增加1個(gè)引導(dǎo)標(biāo)志，人員疏散效率提升4.2%；增加2個(gè)引導(dǎo)標(biāo)志，人員疏散效率提升15%；增加3個(gè)引導(dǎo)標(biāo)志，人員疏散效率提升36%；增加4個(gè)標(biāo)志，人員疏散效率提升47%。具體關(guān)系如圖3所示。

圖2 客流密度對(duì)疏散效率的影響圖

圖3 添加引導(dǎo)標(biāo)志對(duì)疏散效率的影響圖

由圖3可知，在地下標(biāo)準(zhǔn)地鐵車(chē)站(簡(jiǎn)單空間結(jié)構(gòu))中，引導(dǎo)標(biāo)志對(duì)突發(fā)事件的引導(dǎo)作用非常顯著。

針對(duì)產(chǎn)生濃煙的情況，Honeywell公司于2001年8月，進(jìn)行了用黑暗代替濃煙霧，并在復(fù)雜陌生通道中進(jìn)行實(shí)際人員疏散的測(cè)試,測(cè)試采用紅外攝像機(jī)記錄人群疏散情況。測(cè)試結(jié)果顯示，在黑暗仿真濃煙和復(fù)雜環(huán)境通道的人群疏散效率將比理論計(jì)算值下降80%以上。由此可見(jiàn)，有效的引導(dǎo)標(biāo)志，在突發(fā)事件中有著極其重要的作用，但目前的指示標(biāo)志，存在較大的適用缺陷。

2.2 燈光引導(dǎo)標(biāo)志特點(diǎn)分析

現(xiàn)有的燈光引導(dǎo)標(biāo)志存在以下特點(diǎn)：①設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，易于推廣應(yīng)用；②設(shè)備維護(hù)成本低，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，系統(tǒng)工作可靠；③指示標(biāo)志技術(shù)成熟，社會(huì)接受度高。

現(xiàn)有的燈光引導(dǎo)標(biāo)志存在的問(wèn)題如下：

(1) 在人員密集的封閉空間內(nèi)，指示標(biāo)志只能安裝于空間頂部(安裝下部會(huì)被人群遮擋)，一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸而產(chǎn)生大量煙塵時(shí)，煙塵主要聚集在建筑內(nèi)頂部區(qū)域，指示標(biāo)志將無(wú)法看清，并失去指示效用。

(2) 目前使用的燈光引導(dǎo)標(biāo)志作為被動(dòng)接受載體，缺乏主動(dòng)引導(dǎo)作用。

(3) 人類(lèi)對(duì)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(fā)事件發(fā)生時(shí)，燈光指示往往被忽略而達(dá)不到應(yīng)有的指示作用。

3 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的引導(dǎo)研究

3.1 關(guān)于聲音引導(dǎo)的技術(shù)描述與研究

聲音引導(dǎo)作為引導(dǎo)標(biāo)志的主要功能，必須滿足以下條件：

(1) 需首先通過(guò)與有關(guān)職能部門(mén)論證后，設(shè)定廣播語(yǔ)言?xún)?nèi)容(包括語(yǔ)言種類(lèi)排序等)。

(2) 具有明確指向性，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的混亂狀況下，明確語(yǔ)音信息引導(dǎo)的有效性。

(3) 揚(yáng)聲器廣播內(nèi)容需提醒乘客注意指示標(biāo)志從而實(shí)現(xiàn)自助。

(4) 如果將聲音作為指示標(biāo)志，必須達(dá)到一定的音量。音量通常需達(dá)到100 dB或以上，以壓制由于人群在突發(fā)事件中所產(chǎn)生的噪音，同時(shí)符合已頒布執(zhí)行的HJ/T 403—2007《建設(shè)項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》的要求。

作為人類(lèi)感官的兩大來(lái)源(占所有外界信息感覺(jué)總量的95%以上)的聽(tīng)覺(jué)，由于不受視覺(jué)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(yīng)急疏散的指示標(biāo)志，來(lái)填補(bǔ)燈光指示標(biāo)志的缺陷。然而，在地鐵車(chē)站以及建筑物內(nèi)部，由于存在大量的聲音反射體而呈現(xiàn)無(wú)指向性。聲音在建筑物內(nèi)部的反射如圖4所示，聲音離開(kāi)揚(yáng)聲器后，在附近各個(gè)反射面反射，結(jié)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(guò)左右耳朵接收音源聲波，通過(guò)左右耳朵聲音聲強(qiáng)的微弱區(qū)別來(lái)判定聲源方向。但是太多的聲音反射(特別是近喇叭口的強(qiáng)反射)，嚴(yán)重干擾了人耳對(duì)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(dǎo)標(biāo)志的功能存在局限性，但也無(wú)任何國(guó)家與地區(qū)將聲音作為室內(nèi)突發(fā)事件的引導(dǎo)標(biāo)志。

2001年9月，Honeywell公司研究人員，利用脈沖聲波的音量聲強(qiáng)快速變換，讓人能夠在密閉空間的強(qiáng)反射環(huán)境下，大致分辨出聲源方向，并對(duì)濃煙情況下有指向性脈沖聲音引導(dǎo)與無(wú)聲音引導(dǎo)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，有方向引導(dǎo)作用脈沖指示音頻的引導(dǎo)效率，是無(wú)方向引導(dǎo)作用脈沖指示音頻引導(dǎo)效率的4倍以上。

圖4 聲音在室內(nèi)通道中的傳播與反射示意圖

3.2 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的聲學(xué)特性描述

相關(guān)廠家研發(fā)的一款大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的主要技術(shù)特征如表1所示。

表1 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的主要技術(shù)特征

大功率參量陣定向揚(yáng)聲器聲學(xué)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(yáng)聲器區(qū)別于普通揚(yáng)聲器的特性在于它有著極強(qiáng)的指向性，聲音發(fā)散角度達(dá)到±15°，在其指向區(qū)間范圍外幾乎無(wú)聲音；且定向揚(yáng)聲器的發(fā)聲強(qiáng)度超過(guò)100 dB，該指標(biāo)非常先進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)外類(lèi)似產(chǎn)品均未達(dá)到該水平。當(dāng)定向場(chǎng)聲器安裝于室內(nèi)空間通道內(nèi)時(shí)，沒(méi)有了致命的強(qiáng)近場(chǎng)聲音反射，僅僅產(chǎn)生遠(yuǎn)端反射(見(jiàn)圖6)。遠(yuǎn)端反射通常比直接傳播到聽(tīng)者的聲強(qiáng)要低2個(gè)dB左右，而人耳的定向能力則在0.1 dB范圍內(nèi)即可明確方向，因此在封閉的室內(nèi)空間，大功率參量陣定向揚(yáng)聲器有著極強(qiáng)的音源方向性。

注:100%、50%、<10%區(qū)域分別表示最大聲波強(qiáng)度區(qū)域、聲波強(qiáng)度衰減6 dB和聲波強(qiáng)度衰減20 dB區(qū)域

圖5 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器聲學(xué)空間覆蓋示意圖

圖6 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器在室內(nèi)空間傳播示意圖

3.3 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果

為驗(yàn)證上述分析，本文針對(duì)性地進(jìn)行了大量前期的地鐵站臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，后期將聯(lián)合地鐵消防支隊(duì)進(jìn)行后期測(cè)試工作。測(cè)試環(huán)境覆蓋了地鐵站臺(tái)的上下樓梯、拐彎通道、直行通道、進(jìn)站閘機(jī)大廳和列車(chē)到站站亭等區(qū)域，時(shí)間跨越24：00至09：00高峰時(shí)段。

通過(guò)數(shù)月的地鐵站臺(tái)實(shí)際測(cè)試，得到以下測(cè)試結(jié)論：

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

(2) 在地鐵站臺(tái)以及乘客通道，大功率參量陣定向揚(yáng)聲器具有極強(qiáng)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(fā)生濃煙狀況下，大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的音頻引導(dǎo)與疏散標(biāo)志，具有燈光標(biāo)志不可替代的作用，彌補(bǔ)了原有應(yīng)急疏散引導(dǎo)中的技術(shù)缺陷，并且疏散效率極其出色。

(4) 在處理突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)急疏散與引導(dǎo)，定向揚(yáng)聲器的喇叭口必須達(dá)到并超過(guò)100 dB，以保證對(duì)背景噪聲進(jìn)行壓制及其有效使用。

(5) 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器可在定向音頻中加載不同語(yǔ)音，這樣應(yīng)急處置系統(tǒng)才能發(fā)揮多種功能。

(6) 大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的研究成果，對(duì)于類(lèi)似封閉公共建筑的應(yīng)急處理疏散引導(dǎo)，均有極大的推廣與參考價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合前述測(cè)試以及論證，大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的定向音頻，在室內(nèi)復(fù)雜通道與空間的軌道交通車(chē)站，作為傳統(tǒng)應(yīng)急疏教引導(dǎo)標(biāo)志的補(bǔ)充，有著顯著的效果。其研究成果對(duì)大功率參量陣定向揚(yáng)聲器在其他類(lèi)似場(chǎng)景中的推廣應(yīng)用，也有著積極的意義。