道路施工區域限高報警定向聲揚聲器安裝傾角研究

摘" 要：在高架橋梁等大型市政工程施工期間，存在施工區域穿越社會車輛通行道路的問題。為保護施工支架或構筑物，通常需要在車輛通行方向上設置限高門架。為及時提醒車輛駕駛員前方限高，除了交通標志、爆閃燈等視覺警示措施，已有工程項目應用定向聲報警作為聽覺輔助措施。該研究通過采集定向聲報警數據，應用數學工具擬合歸納其變化規律，即在凈高4.5 m的限高門架上布置定向聲揚聲器時，當其傾角為10～15°時，對超高車輛駕駛員能起到較好的警示作用。該研究可以為類似設備安裝提供借鑒。

關鍵詞：道路施工區域；限高報警；定向聲；數據擬合；安裝傾角

中圖分類號：U495" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0059-05

Abstract： During the construction of large-scale municipal projects such as viaducts， there is a problem of crossing social vehicles in the construction area. In order to protect the construction support or structure， it is usually necessary to set up a height-limited gantry in the traffic direction of the vehicle. In order to timely remind vehicle drivers of the high limit ahead， in addition to traffic signs， flashing lights and other visual warning measures， directional sound alarm has been used as an auditory auxiliary measure in some engineering projects. In this study， the directional acoustic alarm data are collected and fitted by mathematical tools， and its changing rules are summarized： When directional acoustic loudspeakers are arranged on the height-limiting gantry with a net height of 4.5 m， when the inclination angle is 10°～15°， it can play a good warning role to the drivers of ultra-high vehicles. This study can provide reference for the installation of similar equipment.

Keywords： road construction area; height limit alarm; directional sound; data fitting; installation inclination angle

在高架橋梁等大型市政工程施工期間，存在施工區域穿越社會車輛通行道路的問題。在進入施工區域前的道路上設置限高門架，可以保護施工支架或構筑物免受超高車輛撞擊。傳統的限高門架采用交通標志、爆閃燈等視覺警示措施提醒超高車輛，隨著技術進步，已有工程案例應用定向聲作為限高警告措施。

定向聲利用參量陣聲學技術，將聲波凝聚為波束寬度極為狹窄聲柱，只有特定區域的人群才能聽得到相關的聲音傳輸信息，具有距離遠、衰減慢、語音清晰和不擾民的特點。

道路限高系統中增加定向聲揚聲器后，在疲勞駕駛、惡劣天氣或夜間等場景下，可以更有效地提醒駕駛員前方有限高措施，達到減少交通安全隱患、保護施工支架的目的，同時避免了普通大功率揚聲器可能造成的噪音污染問題。

1" 國內外研究成果

國內外學者對定向聲在駕駛車輛時聲音警告做了大量研究。其中陳素華等[1-2]研究聽覺的反應時間為120～182 ms，快于視覺的反應時間，是緊急狀況下的最優提示選擇；國外學者[3-4]認為好的車內提示音設計能夠快速、準確地提醒駕駛員道路狀況以及車輛信息，減小事故概率以及提高安全性；劉長生等[5-6]利用人機工程學對交通信號燈指示亮度及聲音報警系統進行了優化設計；梁靖茹等[7-10]首次對紅外線、定向聲對道路向高設置進行系統研究，并對線上實際應用進行驗證，得到了良好的實際應用效果。

國內外學者對定向聲在道路限高應用方面的研究缺少量化成果，難以對工程項目進行指導。本文的研究目標是通過在模擬限高場景下的實測數據，總結定向聲揚聲器安裝位置、角度與聲音強度之間的規律，從而為工程應用提供借鑒。

2" 帶有定向聲警告裝置的施工臨時道路限高系統設計

帶有定向聲警告裝置的道路限高系統由6個主要部分組成，主要部分包括限高門架結構體、限高警示標志和燈帶、定向聲揚聲器、橡膠減速帶、限高檢測激光雷達（激光發射器和接收器分立于道路兩側，檢測高度與限高門架凈高相同）和智能終端服務器。布置形式如圖1所示。

限高門架一般為組合式鋼結構，由鋼筋砼基礎、鋼結構立柱、鋼桁架大橫桿組成，起到阻攔超高車輛進入施工區域、保護施工支架的作用，同時也作為安裝限高警示標志和定向聲揚聲器的平臺。

《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》第五十四條規定：重型、中型載貨汽車，半掛車載物，高度從地面起不得超過4 m，載運集裝箱的車輛不得超過4.2 m。JTG B01—2014《公路工程技術標準》3.6.1條規定：高速公路、一級公路、二級公路的凈高應為5 m；三級公路、四級公路的凈高應為4.5 m。綜上，施工臨時道路限高門架凈高通常為4.5～5 m，一般在制定交通組織方案中明確，并經過當地交通管理部門審批通過。

激光雷達布置在減速帶前方，用于檢測經過的機動車凈高度是否超過限高門架要求。定向聲揚聲器安裝在限高門架頂部，每個車道對應一臺，傾角可調，面向車輛行駛方向發射聲波，對超高車輛駕駛員播報高聲強的語音警告。

3" 定向聲強度數據的采集

3.1" 本研究作出如下假設

1）在用于采集聲強數據的車輛駕駛室兩側車窗打開的條件下，聲音強度實測值忽略具體車型的影響，只考慮駕駛員與定向聲揚聲器之間的高差。

2）僅以聲音強度作為定向聲提示是否有效的評價標準，不考慮提示音的頻率、音調、音色和響度等聽覺特性指標。

3.2" 數據采集環境及設備

為模擬道路限高環境，本研究選擇浙江省某醫院工程場內一段50 m長的直線道路，在道路盡頭集裝箱頂部安裝一個可變傾角的定向聲揚聲器，主要參數為功率65 W、電壓220 V。

為準確模擬限高門架揚聲器與車輛的高差，分別以一部馬自達6轎車和一部別克GL8商務車作為試驗車輛，在靠近前擋風玻璃處安裝聲音強度測試儀，與地面的垂直凈距分別為1.0 m和1.2 m，聲強測試儀的精度為0.1 dB。測量時的環境氣溫為20 ℃，空氣濕度50%，揚聲器中心與地面的垂直凈距為3.05 m。

3.3" 數據采集方法

測量時揚聲器先固定好傾角，反復播放提示音。試驗車輛由道路起點向集裝箱方向行駛，如圖2所示。每前進3～4 m停車記錄聲音強度數據，每個傾角記錄14個數據。然后改變傾角，如圖3所示，試驗車輛回到起點重復前述過程。每種車型記錄3個傾角的數據，總計測得84個聲音強度數據，變量之間的關系見式（1），即

D=f（L，h，tanα）， （1）

式中：D為聲音強度，單位dB；L為聲強測試儀與揚聲器的水平凈距，單位m；h為聲強測試儀與揚聲器的垂直凈距，單位m；tanα為揚聲器與垂線傾角α的正切值。

4" 數據分析及擬合

4.1" 聲強變化趨勢

聲強測試儀在轎車和商務車中與揚聲器的高差分別為h1=2.05 m、h2=1.85 m，在揚聲器傾角正切值分別為0.5、0.43、0.33時得到的聲音強度值變化趨勢見圖4和圖5。聲強變化規律總體趨勢接近單調遞增的二次多項式，越靠近揚聲器聲強值越大。揚聲器的傾角正切值tanα越小在起始位置的聲強越大。

4.2" 數據擬合及評價指標

將原始數據中高差h與傾角正切值tanα相乘，得到一個新的變量htanα，式（1）變為

D=g（L，htanα），" " （2）

采用MATLAB的曲線擬合工具箱，將式（2）中的2個自變量L、htanα和因變量D進行2次多項式擬合，得到

D=0.015 79×L2-0.150 6×L×htanα-10.53×htanα-1.16×L+91.97。" （3）

擬合評價指標：R2=0.923；RMSE=2.216，由于聲音強度測量受環境影響較大，有一定的隨機性，該擬合評價指標基本在可接受范圍內，能夠滿足進一步分析的需要，如圖6所示。

4.3" 確定合理傾角

將自變量L和htanα分別按照表1的范圍帶入式（3），計算得到聲音強度D的擬合值，詳見表1。考慮到在道路環境下的背景噪音及不同車型對外界噪音的屏蔽作用，提示音低于60 dB的效果不顯著。可以觀察到，當htanα取值小于0.7時，在水平距離10～50 m范圍內定向聲強度基本都大于或接近60 dB。

大量案例和生活常識表明，工程臨時道路的超高事故通常是由貨運車輛違章載貨引起的。貨車駕駛員通過耳朵接收提示音，耳朵與揚聲器之間的高差受到車型、座椅、坐姿和身高等因素的影響，為一個隨機數。為便于工程計算，駕駛員耳朵到地面的垂直距離取值范圍為1.8～2.8 m，限高門架揚聲器距離地面的凈高為4.5 m，則高差h的取值范圍為1.7～2.7 m，與不同傾角α取值后相乘計算htanα值見表2。

由表2可知，當傾角α=10～15°時，htanα在高差1.7～2.7 m范圍內的計算值大部分小于0.7。

由表1和表2可知，在凈高4.5 m的限高門架上布置定向聲揚聲器時，當其傾角為10～15°時，可以保證超高貨車在觸發檢測雷達報警并行駛進入距離限高門架50 m范圍時，接收到的提示音強度基本不小于60 dB，并隨著距離縮短不斷增大，達到警示駕駛員的目的。

5" 結論

針對道路限高定向聲警告設施安裝位置研究得到以下結論：在凈高4.5 m的限高門架上布置定向聲揚聲器，當其傾角為10～15°時，對超高車輛駕駛員能起到較好的警示作用。本研究成果可用于指導工程應用，但還需根據不同功率的定向聲設備做進一步的研究，同時應注意使用時的限高門架凈高、車型等其他限定條件。

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