Расстановка громкоговорителей системы оповещения. Особенности акустического расчета на промышленных предприятиях. Расчет площади, озвучиваемой одним громкоговорителем

Являются наиважнейшей составляющей систем противопожарной защиты. В процессе проектирования систем оповещения выполняется электроакустический расчет. Основанием для электроакустического расчета является свод правил, разработанный в соответствии со статьей 84 федерального закона ФЗ-123 СП 3.13130.2009 от 22 июля 2008 г. Данная статья опирается на следующие основные пункты свода правил.

• 4.1. Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать общий уровень звука (уровень звука постоянного шума вместе со всеми сигналами, производимыми оповещателями) не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя, но не более 120 дБА в любой точке защищаемого помещения
• 4.2. Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать уровень звука не менее чем на 15 дБА выше допустимого уровня звука постоянного шума в защищаемом помещении. Измерение уровня звука должно проводиться на расстоянии 1,5 м от уровня пола
• 4.7. Установка громкоговорителей и других речевых оповещателей в защищаемых помещениях должна исключать концентрацию и неравномерное распределение отраженного звука
• 4.8. Количество звуковых и речевых пожарных оповещателей, их расстановка и мощность должны обеспечивать уровень звука во всех местах постоянного или временного пребывания людей в соответствии с нормами настоящего свода правил

Смысл электроакустического расчета сводится к определению уровня звукового давления в расчетных точках – в местах постоянного или временного (вероятного) пребывания людей и сравнению данного уровня с рекомендованными (нормативными) значениями.

В озвучиваемом помещении присутствует различного рода шум. В зависимости от назначения и особенностей помещения, а также времени суток, уровень шума варьируется. Наиболее важным параметром при расчете, является величина среднестатистического шума. Шум можно измерить, но правильней и удобней взять его из готовых шум-таблиц:

Для того чтобы услышать звуковую или речевую информацию, она должна быть громче шума на 3дБ, т.е. в 2 раза. Величину 2 называют запасом звукового давления. В реальных условиях шум меняется, поэтому для отчетливого восприятия полезной информации на фоне шума, запас давления д.б не менее чем в 4 раза – 6 дБ, по нормативам – 15дБ.

Удовлетворение условий изложенных в пунктах 4.6, 4.7 свода правил, достигается организационными мероприятиями – правильной расстановкой громкоговорителей, предварительным расчетом:

• звукового давления громкоговорителя,
• звукового давления в расчетной точке,
• эффективной площади озвучиваемой одним громкоговорителем,
• общего количества громкоговорителей необходимого для озвучивания определенной территории.

Критерием правильности электроакустического расчета, является выполнение следующих условий:

1. Звуковое давление выбранного громкоговорителя д.б. "не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя", что соответствует величине звукового давления громкоговорителя не ниже 85дБ.
2. Звуковое давление в расчетной точке д.б. выше уровня среднестатистического шума в помещении на 15дБ.
3. Для потолочных громкоговорителей необходимо учитывать высоту их установки (высоту потолков).

Если все 3 условия выполнены – электроакустический расчет выполнен, если нет, то возможны следующие варианты:

• выбрать громкоговоритель с большей чувствительностью (звуковым давлением, дБ),
• выбрать громкоговоритель с большей мощностью (Вт),
• увеличить количество громкоговорителей,
• изменить схему расстановки громкоговорителей.

2. Входные параметры для расчета

Входные параметры для расчетов берутся из технического задания (ТЗ) (предоставляемого заказчиком) и технических характеристик на проектируемое оборудование. Список и количество параметров может варьироваться в зависимости от ситуации. Примерные входные данные приведены ниже.

Параметры громкоговорителей:

• SPL
• Pгр – мощность громкоговорителя, Вт,
• ШДН – Ширина диаграммы направленности, град.

Параметры помещения:

• N – Уровень шума в помещении, дБ,
• Н – Высота потолков, м,
• a – Длина помещения, м,
• b – Ширина помещения, м,
• Sп – Площадь помещения, м2.

Дополнительные данные:

• ЗД – Запас звукового давления, дБ
• r – Расстояние от громкоговорителя до расчетной точки.

Площадь озвучиваемого помещения:

Sп = a * b

3. Расчет звукового давления громкоговорителя

Зная номинальную мощность громкоговорителя (Рвт) и его чувствительность SPL (SPL от англ. Sound Pressure Level – уровень звукового давления громкоговорителя измеренного на мощности 1Вт, на расстоянии 1м), можно рассчитать звуковое давление громкоговорителя, развиваемое на расстоянии 1м от излучателя.

• SPL – чувствительность громкоговорителя, дБ,
• Рвт – мощность громкоговорителя, Вт.

Второе слагаемое в (1) называется правилом "удвоения мощности" или правилом "трех децибел". Физическая интерпретация данного правила – при каждом удвоении мощности источника, уровень его звукового давления увеличивается на 3дБ. Данную зависимость можно представить таблично и графически (см. рис.1).

Рис.1. Зависимость звукового давления от мощности

4. Расчет звукового давления

Для расчета звукового давления в критической (расчетной) точке, необходимо:

1. Выбрать расчетную точку
2. Оценить расстояние от громкоговорителя до расчетной точки
3. Рассчитать уровень звукового давления в расчетной точке

В качестве расчетной точки выберем место возможного (вероятного) нахождения людей, наиболее критичное с точки зрения положения или удаления. Расстояние от громкоговорителя до расчетной точки (r) можно рассчитать или измерить прибором (дальномером).

Рассчитаем зависимость звукового давления от расстояния:

• r – расстояние от громкоговорителя до расчетной точки, м;
• 1

ВНИМАНИЕ: формула (2) справедлива при r > 1 .

Зависимость (2) называется правилом "обратных квадратов” или правилом “шести децибел”. Физическая интерпретация данного правила – при каждом удвоении удаления от источника, уровень звука уменьшается на 6дБ. Данную зависимость можно представить таблично и графически, рис.2:

Рис.2. Зависимость звукового давления от расстояния

Уровень звукового давления в расчетной точке:

• N – Уровень шума в помещении, дБ (N от англ. Noise – шум),
• ЗД – Запас звукового давления, дБ.

При ЗД=15дБ:

Если звуковое давление в расчетной точке выше уровня среднестатистического шума в помещении на 15дБ – расчет выполнен правильно.

5. Расчет эффективной дальности

Эффективная дальность звучания (L) – расстояние от источника звука (громкоговорителя) до геометрического места расположения расчетных точек, находящихся в пределах ШДН, звуковое давление в которых остается в пределах (N+15дБ). На техническом сленге - “расстояние, которое громкоговоритель пробивает”.

В англоязычной литературе эффективная дальность звучания (effective acoustical distance (EAD)) – расстояние, при котором сохраняется четкость и разборчивость речи (1).

Рассчитаем разность между звуковым давлением громкоговорителя, уровнем шума и запасом давления.

• p – разность звукового давления громкоговорителя, уровня шума и запаса давления, дБ.
• 1 – коэффициент учитывающий, что чувствительность громкоговорителя измеряется на 1м.

6. Расчет площади, озвучиваемой одним громкоговорителем

Основанием для оценки величины озвучиваемой площади, является следующая установка:

Расчет будем вести из следующих допущений: Диаграмму направленности (излучения) громкоговорителя, можно представить в виде конуса (звукового поля сконцентрированного в конусе) с телесным углом в вершине конуса, равным ширине диаграммы направленности.

Площадь, озвучиваемая громкоговорителем – проекция звукового поля, ограниченного углом раскрыва на плоскость, проведенную параллельно полу на высоте 1,5м. По аналогии с эффективной дальностью: Эффективная площадь, озвучиваемая громкоговорителем – площадь звуковое давление в пределах которой не превышает значение N+15дБ (ф-ла 5).

ПРИМЕЧАНИЕ: Громкоговоритель излучает во всех направлениях, но мы будем опираться на входные данные – уровни звукового давления в пределах диаграммы направленности. Правильность данного подхода подтверждается статистической теорией.

Разобьем громкоговорители на 3 класса (типа):

1. потолочные,
2. настенные,
3. рупорные.

8. Расчет эффективной площади, озвучиваемой настенным громкоговорителем

9. Расчет эффективной площади озвучиваемой рупорным громкоговорителем

10. Расчет количества громкоговорителей необходимого для озвучивания определенной территории

Рассчитав эффективную площадь, озвучиваемую одним громкоговорителем, зная общие размеры озвучиваемой территории, рассчитаем общее количество громкоговорителей:

• Sп – озвучиваемая площадь, м2,
• Sгр – эффективная площадь, озвучиваемая одним громкоговорителем, м2,
• Int – результат округления до целого значения.

11. Электроакустический калькулятор

Общий полученный результат в виде блок-схемы:

Рис.6. Блок-схема электроакустического калькулятора

Пример программирования

В данном калькуляторе (написанном в программе Microsoft Excel) реализована элементарная краткая методика – алгоритм электроакустического расчета, изложенный выше. Данную программу можно скачать с нашего сайта .

Рис.7. Электроакустический калькулятор в программе Microsoft Excel

На основе разработанного алгоритма расчета работает и ON-LINE электроакустический калькулятор на нашем сайте .

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список и краткие характеристики громкоговорителей ROXTON

Li2 = Li1 - 20 Lg r
где:
Li2 – уровень звукового давления в проверяемой точке, дБ;
Li1 – уровень звукового давления, создаваемого акустическим излучателем на расстоянии 1 м, дБ;
r – расстояние от излучателя до проверяемой точки, м.

Li3 = Li2 - Liр
Li3 = Li1 - 20 Lg r - Liр
где:
Li3 – уровень звукового давления в проверяемой точке с учетом промежуточных перегородок с дверью, дБ;
Liр – затухание сигнала при наличии промежуточных перегородок с дверью, дБ;
Необходимо учитывать промежуточные перегородки с дверью (затухание сигнала Liр около 5 дБ - в помещениях производственных цехов и 10 дБ – в помещениях административных зданий) расположенные между излучателем и проверяемой точкой. Максимальное расстояние от излучателя до проверяемой точки с учетом промежуточной перегородки с дверью (1-ой – в производственных цехах, 2-х – в административных зданиях) составляет около 10 м. В защищаемых помещениях устанавливаются оповещатели охранно-пожарные звуковые типа "ОПОП2-35", с уровнем звукового давления на расстоянии 1м – не менее 100 дБ.

Li3 = 100 - 20 Lg 10 – 5 = 75 дБ (в помещениях производственных цехов)

Li3 = 100 - 20 Lg 10 – 20 = 60 дБ (в помещениях административных зданий)

В точках проверяемых помещений, наиболее удаленных от звуковых оповещателей, уровень звукового давления соответствует требованиям СП3. 13130.2009. В остальных помещениях расстояние от оповещателя до наиболее удаленных точек (с учетом промежуточных перегородок с дверью) меньше величин, использованных в расчетах. Результаты расчетов уровней звукового давления на различных расстояниях от звуковых оповещателей в помещениях производственных цехов и помещениях административных зданий (значение приводится в скобках) приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Номер расчета
Li1, дБ Расстояние r, м Затухание сигнала 20 Lg r, дБ
Lоп, дБ
LN, дБ Уровень
зв. давления
Li2, дБ
1 100 1 0 60(45) 75(60) 100
2 100 2 6,02 60(45) 75(60) 93,98
3 100 4 12,04 60(45) 75(60) 87,96
4 100 6 15,56 60(45) 75(60) 84,44
5 100 7 16,90 60(45) 75(60) 83,10
6 100 8 18,06 60(45) 75(60) 81,4
7 100 10 20 60(45) 75(60) 80
8 100 15 23,52 60(45) 75(60) 76,48
9 100 17 24,61 60(45) 75(60) 75,35

Требование п. 4.2 СП3. 13130.2009 выполняется на расстоянии не более 10 м от излучателя звукового оповещателя, с учетом промежуточных перегородок с дверью в помещениях производственных цехов (одна перегородка) и административных зданий (две перегородки) соответственно.

Нормативами предусмотрено наличие подсистем светового и предупреждения в системах пожарной сигнализации. И если места размещения, габаритные размеры приборов их яркость и цвет для подсистемы светового предупреждения строго прописаны. То для звуковой сигнализации указаны только исходные данные, на которые необходимо опираться в процессе самостоятельного расчета количества, мощности и размещения устройств оповещения.

Входные данные (нормативы)

Согласно СП 6.13130.2009 и НПБ 104-03 сила (СЗС) для системы оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) должна отвечать следующим параметрам:

• СЗС на расстоянии 3 м от оповещателя должна составлять не менее 75 дБ;
• СЗС не должна превышать 120 дБ в любой точке помещения;
• СЗС должна быть на 15 дБ выше, чем максимально допустимый уровень шума, который может быть создан в помещении одновременным включением всех приборов;
• СЗС в спальне должна быть на 15 Дб выше уровня шума в помещении, но не ниже 70 Дб.

При определении максимального шумового загрязнения в помещении эмпирическим способом, замер необходимо производить на высоте 1,5 от уровня пола. В спальных помещениях замеры производятся на уровне головы спящего.

Немного теории

При произведении расчетов системы речевого оповещения может встретиться терминология звуковое давление устройства. Термин произошел от SPL «sound pressure level» он фактически характеризует работоспособность и эффективность каждого устройства (оповещателя). Определяется с расстояния 1м в направлении оси излучения, измеряется в Дб. Однако мощность аппаратуры звукового излучателя дана в Ваттах (Вт). Эти два параметра имеют соответствие которое выражается в формуле. Однако в среде инженеров приняты упрощения и было решено, что для ненаправленного стандартного извещателя это соотношение будет составлять 95 Дб звукового давления на 1 Вт мощности оборудования.

Каждое изменение мощности устройства в два раза (неважно, увеличение или уменьшение) изменяет уровень давления всего на 3 Дб. Примером может послужить устройство мощностью в 2 Вт, которое имеет громкость 98 Дб, при увеличении мощности до 4 Вт, звуковое давление будет 101 Дб и т.д.

При расчете звукового давления системы оповещения следует учитывать факторы, влияющие на подбор установок акустического излучения:

Естественно, что в помещении происходит более чем одно событие, но величины шумов при этом не складываются, а поглощаются. Накладываясь синфазно, что дает незначительное повышение общего уровня на 1-3 Дб.

Методология проведения расчетов

Методика расчета звукового давления для систем оповещения производится в 5 этапов:

1. Снять первичную информацию о помещении, где планируется установка системы оповещения:
   • Размеры;
   • Планировка;
   • Типовые шумы;
2. Определить допустимый уровень шумового давления;
3. Исходя из параметров, вычислить уровень падения сигнала от точки предполагаемой установки, до наиболее удаленных участков помещения;
4. Выбрать более подходящие параметры конкретного типа оповещателя и определить уровни его сигнала в оборудуемом помещении, с учетом диаграммы направленности;
5. Определить потребление электроэнергии в режиме максимального функционирования (тревога, пожар и т.п.).

Нужно быть готовым к тому, что пункты 3 и 4 нужно будет переделывать несколько раз. Действия, которые необходимо предпринять если уровень сигнала в отдаленной точке помещения ниже установленного значения.

Задание на проектирование (исходные данные)

По ТЗ есть помещение размерами 12,5 х 25 м. необходимо установить звуковые излучатели в соответствии со всеми приведенными нормативами.

Для начала определим имеющееся оборудование:

Извещатель серии ЕМА с низкопрофильной базой ELPB, а также его полный аналог, но со стробоскопической световой вспышкой. Оба устройства имеют звуковое давление на расстоянии 1 м в 100 Дб:

Изначально понятно, что установив один звуковой извещатель в начале помещения, длинной 25 м, в конце будет получено звуковое давление гораздо меньше требуемого по нормативам минимального 70 Дб. Следовательно, произведя приблизительный расчет количества речевых оповещателей, примем рабочую версию о необходимости установки 2 устройств по одному на каждую сторону помещения.

Как видно из расчетов, на расстоянии до центра комнаты, равное 12,5 м, падение звукового давления в соответствии с таблицей составило 22 Дб, а до средины стены 14 м — 23 Дб. Расстояние от устройства до ближнего угла всего 6 м что уменьшило силу звука на 16 Дб.

Следовательно, до средины помещения одним звуковым излучателем полностью покрывается вся потребность в громкости. В центре комнаты происходит наложение двух равных синфазных сигналов, что в итоге даст увеличение звукового давления всего на 3Дб.

Взяв самый простой пример, прямоугольного помещения, мы получили искомый результат всего за один прогон алгоритма. Количество звуковых оповещателей мощностью 100Дб – 2 шт. При этом следует отметить, что максимально допустимая громкость звука в 120 Дб не превышена. А звуки офиса: компьютер, кондиционер, шелест страниц даже размещенные в центре помещения, перекрываются с необходимым превышением 15 Дб.

Отсутствие общепринятых методик расчёта звукового давления при проектировании систем оповещения часто приводит к ошибкам проектирования (недостаточный уровень звукового давления), т.к. количество и места установки оповещателей определяются проектировщиком «на глазок». Соответственно, в случае недостаточного уровня звукового сигнала, приходится переделывать уже смонтированную систему.

Мы попробовали упростить задачу проектировщикам и монтажникам — разработали ПО для расчёта необходимого количества звуковых оповещателей в помещении, которое доступно для скачивания . Программа автоматически расчитывает минимально необходимое количество оповещателей и места их установки для настенного и потолочного вариантов крепления.

Кроме отсутствия методик, сложность при расчётах представляет отсутствие технических параметров — амплитудно-частотной харрактеристики и диаграммы направленности у подавляющего большинства звуковых и речевых оповещателей. Поэтому данное ПО предназначено только для звуковых извещателей, поскольку у большинсва из них уровень звукового давления при отклонении от оси оповещателя 90° известен и составляет -5 ÷ -10 дБ (можно изменить в программе).

Методика расчёта

Зная звуковое давление источника звука в заданном направлении Р 0 , можно определить звуковое давление в этом направлении в расчетной точке Р 1 , находящейся на расстоянии L>1 м от этого источника по формуле:

Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать уровень звука не менее чем на 15 дБ выше допустимого уровня звука постоянного шума (N ) в защищаемом помещении. Измерение уровня звука должно проводиться на расстоянии 1,5 м от уровня пола.

где Р 0 и Р 90 - звуковое давление оповещателя на расстоянии 1 м в 0° и 90° соответственно.
В соответствии с (1) и (2) получаем неравенство:

Рассмотрим эквивалентное неравенство

Функция, стоящая в левой части неравенства (6), на интересующем нас интервале φ°}