定向聲波聚聲系統在高速公路防疲勞中的應用分析

陳飛、陳月平、呂敏

（1.浙江省交通集團高速公路嘉興管理中心，浙江 嘉興 314000；2.杭州交通工程監理咨詢有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

原有的防疲勞駕駛手段主要以通過視覺方式查看標志牌為主，需要主動去看，效果有限。聲音是主動干預，主動刺激司機的聽覺神經，聽與不聽，司機都能感受到。原有高速公路設置的號角喇叭，因為聲音輕、擾民等情況，使用效率比較低，也起不到防疲勞預警的效果。參量陣定向聲波聚聲系統，利用定向聲的聲學特點，在浙江省高速公路上的應用，體現了預防為主的交通安全管理理念，并取得預期的效果[1]。

1 定向聲波聚聲系統的構造和機理

1.1 定向聲波聚聲系統的構造

定向聲波也稱聚聲系統，由主機和發聲單元組成。主機包含信號處理模塊、定向聲驅動模塊、數據傳輸模塊；發聲單元包含聲能換能器組陣（參量陣）的發聲模塊（單元）。信號捕捉傳感器捕捉到機動車、非機動車或行人后發出指令，定向聲驅動模塊收到指令后驅動發聲單元發出指定聲音，其聲音僅作用于設備正前方30°的錐角范圍內，其中正前方15°的錐角范圍內為強聲區。聚聲系統發出的聲音，集中度高、強度大、傳播距離遠，但不擾民。臨近隧道一般設置播放“臨近隧道打開大燈”之類的誘導警示提醒語音；一般路面上設置播放“高速交警提醒你，發生事故車靠邊人撤離即報警，安全帶生命帶，前排后排都要系，請勿疲勞駕駛”之類的誘導警示提醒語音；在駕駛員行車容易疲勞地段，播放輕松悅耳的音樂。圖1 和圖2 是實際設置示例，分別是白天和夜間的效果。

圖1 高速公路聚聲系統設置示例（白天）

圖2 高速公路聚聲系 統設置示例（夜間）

1.2 定向聲波聚聲系統的機理

傳統揚聲器利用換能器振片震動直接向空間發射可聽聲波。參量陣揚聲器是一種新型的強指向性揚聲器，又被稱為音頻聚光燈。參量陣揚聲器發聲的基本原理是將要傳輸的音頻信號調制到超聲載波，由于空氣的非線性作用，會自解調生成音頻信號，利用超聲載波的超指向性，可以形成強指向性的音頻信號波束[2]。

目前參量陣揚聲器的發聲原理有Westervelt 方程、Berktay 遠 場解 以 及KZK 方 程三種。Westervelt 方程解釋了如何產生高指向性差頻波，Berktay 遠場解解釋了如何產生寬帶高指向性聲頻波。1962 年Westervelt 通過研究兩平面波的相互作用，提出參量聲學陣的概念，并經Berktay 推導出在遠場中參量陣揚聲器發射的聲波經過空氣的非線性作用，其自解調信號的聲壓幅值與發射聲波包絡函數平方的二次導數成正比，這一理論被稱為著名的“Berktay 遠場解”：

式（1）中：p(τ)為發射聲波的聲壓；p0為原聲波的聲壓；S為聲源面積；α0為原聲波吸收系數；β為非線性系數；ρ0為密度平均值；c0為聲波傳播速度；z為聲波傳播距離；E(τ)為調制包絡函數；τ=t-z.c0，t為發射聲波的傳播時間。

2 定向聲波聚聲系統參數

2.1 實測聲壓衰減情況

表1 聚聲系統GSXY-5100 標準聲壓114 dB 衰減測試數據

2.2 行車駕駛員可聽定向聲波時長

按圖3 設置的聚聲系統，表2 為一組聚聲系統定向聲波時長與駕駛員行車時可聽到語音個數表。

表2 駕駛員行車可聽聚聲系統定向聲波發聲時長（s）和語音個數表

圖3 聚聲系統設置示意圖

2.3 路面發聲聲壓級與環境噪聲的信噪比

2.3.1 高速公路實測環境噪聲

據測算，高速公路沿線高峰交通量的交通噪聲平均聲壓超過70dB。圖4 對浙江省某高速公路實測樁號G60 127K+700 噪聲檢測，高峰流量2300 輛/h 的噪聲為71～80dB。

圖4 聚聲系統定向聲波設置區域噪聲監測

2.3.2 行駛車輛關閉車窗車內聲壓

經測試，在車輛車窗密閉較好的條件下，駕駛員關閉車窗的聲壓降低10～20dB，一般行車時關閉車窗條件下駕駛員聽到60dB 語音聲壓為宜。

2.4 噪聲環境下駕駛員辨別語音能力

人耳所能聽到的聲壓級在0～140dB。聲音識別系統的研究是目前的熱門課題。早在1988 年，英國就進行了多碼本離散隱馬爾可夫模型用于含噪聲語音識別的研究，在低噪聲環境下可達100%，在高噪聲環境下（信噪比-7dB）為63.9%。在噪聲環境下，駕駛員對語音識別性能會大幅度下降。例如，在一個典型的孤立詞識別系統中，用純凈語音訓練，誤識率不到1%；但在以100km/h 的速度行駛的小車上，其識別率將下降70%左右；在喧鬧的自助餐廳里，誤識率也高達50%[3]。

據有關文獻顯示，人耳所能聽到的不僅與信噪比有關，還與收聽的語音個數有關。某公司利用開發的“用于教育玩具生產的語音識別裝置”作為背景，研究制作用于在生產線上替代人工完成玩具發音功能檢測的聲音識別系統。測試在-10dB 噪聲環境下語音識別的正確率見表3。

表3 -10dB 噪聲環境下的測試玩具識別語音正確率結果表

一般認為，信噪比10dB 對語音識別達到95%以上較為理想，因此高速公路聲波聚聲系統發生聲壓級高于環境噪聲10～15dB，行車駕駛員可正常收聽誘導警示語音提醒。過高的信噪比既不經濟環保，還可能導致駕駛員的聽覺損傷。

3 定向聲波聚聲系統設置方法

以聚聲系統設置組數由聚聲系統標準聲壓114dB、行車條件下駕駛員關閉車窗聽到60dB 語音聲壓和可聽39 個字為例說明聚聲系統的設置方法。

3.1 定向聲波聚聲系統設置組數

高速公路聚聲系統按行車速度120km/h、駕駛員聽到“高速交警提醒你，發生事故車靠邊人撤離即報警，安全帶生命帶，前排后排都要系，請勿疲勞駕駛”39 個語音個數，由表2 可知需400m 的聲走廊長度，聚聲系統GSXY-5100 的114dB 的聲壓傳輸50m 后聲壓為80dB，至少需要設置8 組聚聲系統，若考慮信噪比10dB 對語音識別95%的折減系數，應設置9 組聚聲系統，方能達到駕駛員關閉車窗情況下聽到60dB 的語音信號[4]。

3.2 定向聲波聚聲系統技術要求

聚聲系統標準聲壓114dB、3000Hz 頻率聲壓級檢驗方法如圖5 所示，聚聲系統技術要求見表4。

表4 聚聲系統技術要求

圖5 聚聲系統聲壓級測試示意圖

3.3 安裝方法

3.3.1 路面安裝位置

如圖1 和圖2 所示，在沿高速公路長下坡、長直線、多彎道、事故多發地等容易使駕駛員疲勞的區域設置聚聲系統，每隔一定距離設置一組聚聲系統，組數視聚聲系統標準聲壓、聲壓衰減行情況、行車條件下駕駛員關閉車窗聽到60dB 語音聲壓和可聽語音個數等條件確定，安裝在路肩邊緣（緊急停車帶）或邊坡頂，聚聲系統的外輪廓不侵占路肩（緊急停車帶）界限。

3.3.2 隧道口安裝位置

如圖6、圖7 所示，在距隧道口前150m 外應設置一組或多組聚聲系統，播放“臨近隧道打開大燈”之類的誘導警示提醒語音。聚聲系統安裝在路肩邊緣（緊急停車帶）或邊坡頂，定向聲音裝置應不侵占路肩（緊急停車帶）界限。

圖6 聚聲系統安裝位置模擬圖

圖7 聚聲系統安裝位置實例圖

3.4 定向聲波聚聲系統與自發光標識和顯示屏組合安裝

如圖1 和圖2 所示，聚聲系統與自發光標識和顯示屏組合安裝，可以發揮語音和視覺的多功能作用。通過自發光地標、誘導多彩屏，形成視覺上的差異，刺激司機的視覺神經，同樣可以起到預防疲勞駕駛的綜合作用。

4 結語

目前，定向聲波聚聲系統在滬杭高速公路、G60 滬昆高速公路進行試點應用，播放防止駕駛疲勞等警示語音，還播放《在希望的田野上》等輕松悅耳的古箏樂曲，收到了預期效果。

為了進一步發揮定向聲波聚聲系統的作用，擬在現有的基礎上增加信息管理功能：通過PC 端或移動端對設備進行實時管理；提供API 接口，可與現有的指揮系統對接；通過物聯網自動感知設備，增加自動報警功能；巡邏車后方加裝聚聲系統，避免傳統警報音的聲音污染，保護人員安全；優化報警手勢識別、報警語音識別，提高事故處理及救援的效率；實現報警功能音畫同步，實時提供貼心幫助，也可實現實時拒絕車輛非法停留等功能。