Основы электроакустического расчета

Введение
Входные параметры для расчета
Расчет звукового давления громкоговорителя
Расчет звукового давления
Расчет эффективной дальности
Расчет площади, озвучиваемой одним громкоговорителем
Расчет эффективной площади, озвучиваемой потолочным громкоговорителем
Расчет эффективной площади, озвучиваемой настенным громкоговорителем
Расчет эффективной площади, озвучиваемой рупорным громкоговорителем
Расчет количества громкоговорителей, необходимого для озвучивания определенной территории
Электроакустический калькулятор

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список и краткие характеристики громкоговорителей ROXTON
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Требования пожарной безопасности к звуковому и речевому оповещению и управлению эвакуацией людей

1. Введение

Системы оповещения 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:

Таблица 1

Назначение помещений	N, дБ
Медицинские кабинеты, палаты	35
Учебные заведения, классы, конференц-залы	40
Административные здания, офисы, холлы	50
Общепит, кафе, рестораны, тихая улица	55
Здание вокзала, спортивные залы, улица	60
Автостоянки, автостанции	70
Железнодорожная станция	80
Метрополитен	85
Промышленное предприятие	90

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:

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.
Звуковое давление в расчетной точке д.б. выше уровня среднестатистического шума в помещении на 15дБ.
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 – чувствительность громкоговорителя, дБ,
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.

Рдб = SPL + 10lg(Pвт)

(1)

где:

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:

Выбрать расчетную точку
Оценить расстояние от громкоговорителя до расчетной точки
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:

Р20 = 20lg(r-1)

(2)

где:

r – расстояние от громкоговорителя до расчетной точки, м;
1 – коэффициент учитывающий, что чувствительность громкоговорителя измеряется на 1м.

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:

Р = Рдб – Р20

(3)

где:

Pдб – звуковое давление громкоговорителя, дБ,
P20 – зависимость звукового давления от расстояния, дБ.

Проверка правильности расчета:

Р > N + ЗД

(4)

где:

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

При ЗД=15дБ:

Р > N + 15

(5)

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.

р = Рдб – (N + ЗД)

(6)

где:

Pдб – звуковое давление громкоговорителя, дБ,
N – уровень шума в помещении, дБ,
ЗД – запас звукового давления, дБ.

Эффективную дальность громкоговорителя можно получить (вывести) из обратной зависимости (2), подставив вместо P20 величину p из формулы (6):

L = 10 ^p/20 + 1

(7)

где:

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):

потолочные,
настенные,
рупорные.

Потолочные – класс громкоговорителей, характеризующихся способом излучения, в котором излучаемая звуковая энергия направлена перпендикулярно полу.

Настенные – класс громкоговорителей, характеризующихся способом излучения, в котором излучаемая звуковая энергия направлена параллельно полу.

Рупорные – класс громкоговорителей, характеризующихся способом излучения, в котором излучаемая звуковая энергия направлена под некоторым углом по направлению к полу.

Для каждой группы громкоговорителей эффективная озвучиваемая площадь, рассчитывается по разному. Для 1 группы она зависит от высоты установки (потолков), для групп 2 и 3 – от громкости, по сути от эффективной дальности (ф-ла 7).

Расчет проведем отдельно для каждой группы.

7. Расчет эффективной площади, озвучиваемой потолочным громкоговорителем

Потолочные громкоговорители – класс громкоговорителей, характеризующихся способом излучения, в котором излучаемая звуковая энергия направлена перпендикулярно полу. Эффективная площадь озвучиваемая громкоговорителем – круг, являющийся пересечением конуса (звукового поля сконцентрированного в конусе), с плоскостью проведенной параллельно полу на высоте 1,5м.

На рис.3 изображена элементарная геометрическая интерпретация данного представления.

Рис.3. Геометрическое представление диаграммы направленности потолочного громкоговорителя

Площадь, озвучиваемая потолочным громкоговорителем – площадь круга:

S = 3,14 R 2

(8)

где: R – радиус круга, м.

R = (H – 1,5) * tg (ШДН / 2)

(9)

где:

H – высота потолков, м,
ЩДН – ширина диаграммы направленности, град.

Для потолочного громкоговорителя, дополнительным критерием правильности электроакустического расчета, является проверка условия:

L > C

(10)

где: С – гипотенуза – образующая конуса, рис.2, м.

С = (Н - 1,5) / cos (ШДН/2)

(11)

Смысл данного условия: звук (звуковое поле) распространяющийся вдоль гипотенузы (вдоль образующей звукового конуса) должен достигать до плоскости, проведенной параллельно полу на высоте 1,5 м.

Более подробно данный вопрос освещен в (1).

8. Расчет эффективной площади, озвучиваемой настенным громкоговорителем

Настенные громкоговорители – класс громкоговорителей, характеризующихся способом излучения, в котором излучаемая звуковая энергия направлена параллельно полу. Эффективная площадь озвучиваемая настенным громкоговорителем – сектор, являющийся пересечением образующей и основания конуса (звукового поля сконцентрированного в конусе), с плоскостью проведенной параллельно полу на высоте 1,5м. (1).

На рис.4 изображена элементарная геометрическая интерпретация данного представления.

Рис.4. Геометрическое представление диаграммы направленности настенного громкоговорителя

Площадь, озвучиваемая настенным громкоговорителем – площадь сектора:

S = ШДН * (3,14 L2) / 360

(12)

где:

ЩДН – ширина диаграммы направленности, град,
L – эффективная дальность, м.

Более подробно данный вопрос освещен в (1).

9. Расчет эффективной площади озвучиваемой рупорным громкоговорителем

Рупорные громкоговорители – класс громкоговорителей, характеризующихся способом излучения, в котором излучаемая звуковая энергия направлена под некоторым углом по направлению к полу. Эффективная площадь озвучиваемая рупорным громкоговорителем – эллипс являющийся пересечением конуса (звукового поля сконцентрированного в конусе), с плоскостью проведенной параллельно полу на высоте 1,5м, пересекающей обе образующие конуса (1).

На рис.5 изображена элементарная геометрическая интерпретация данного представления.

Рис.5. Геометрическое представление диаграммы направленности рупорного громкоговорителя

Площадь, озвучиваемая рупорным громкоговорителем – площадь эллипса:

S = 3,14 А * В

(13)

где:

А – большая полуось эллипса, м;
В – малая полуось эллипса, м.

A = L / 2
В = L / 2 * tg (ШДН / 2)

(14)

где:

L – эффективная дальность, м,
ЩДН – ширина диаграммы направленности, град.

S = 3,14 tg (ШДН / 2) * (L / 2 )2

(15)

Более подробно данный вопрос освещен в (1).

10. Расчет количества громкоговорителей необходимого для озвучивания определенной территории

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

К = int(Sп / Sгр)

(16)

где:

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

Громкоговоритель ROXTON	SPL, дБ	Ргр, Вт	ШДН, гр.	Рдб, дБ
Потолочные громкоговорители
PA-03T - Потолочный громкоговоритель	91	3	90	93
PC-06T - Потолочный громкоговоритель	92	6	90	100
PA-610T - Потолочный громкоговоритель	91	6	90	96
PA-620T - Потолочный громкоговоритель	91	6	90	96
PA-20T - Потолочный громкоговоритель	91	20	90	101
WP-10T - Потолочный громкоговоритель	91	10	90	98
T-200 - Подвесной громкоговоритель	92	10	90	102
SP-20T - Подвесной громкоговоритель	94	10	90	104
Настенные громкоговорители
WP-03T - Настенный громкоговоритель	91	2	90	91
WP-06T - Настенный громкоговоритель	91	6	90	96
WS-06T - Настенный громкоговоритель	92	6	90	100
SW-20T - Звуковой прожектор	92	20	40	105
CN-10T - Звуковая колонна	92	10	90	102
CN-20T - Звуковая колонна	95	20	90	108
CN-30T - Звуковая колонна	96	30	90	111
CCN-40T - Звуковая колонна	98	40	90	114
CS-810T - Звуковая колонна	92	10	90	102
CS-820T - Звуковая колонна	95	20	90	108
CS-830T - Звуковая колонна	96	30	90	111
CS-840T - Звуковая колонна	98	40	90	114
MS-40T - Акустическая система	91	40	90	104
S-80T - Акустическая система	91	80	90	107
LA-200 - Линейный массив	96	200	120	119
Рупорные громкоговорители
HP-01T - Рупорный громкоговоритель	99	10	40	109
HP-10T - Рупорный громкоговоритель	112	100	40	132
HP-15T - Рупорный громкоговоритель	102	15	40	114
HP-30T - Рупорный громкоговоритель	105	30	40	120
HS-30T - Рупорный громкоговоритель	105	30	40	120
HS-50T - Рупорный громкоговоритель	107	50	40	124
MP-30T - Рупорный громкоговоритель	90	30	60	105
MP-50T - Рупорный громкоговоритель	104	50	60	121

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Требования пожарной безопасности к звуковому и речевому оповещению и управлению эвакуацией людей

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.

4.3. В спальных помещениях звуковые сигналы СОУЭ должны иметь уровень звука не менее чем на 15 дБА выше уровня звука постоянного шума в защищаемом помещении, но не менее 70 дБА. Измерения должны проводиться на уровне головы спящего человека.

4.4. Настенные звуковые и речевые оповещатели должны располагаться таким образом, чтобы их верхняя часть была на расстоянии не менее 2,3 м от уровня пола, но расстояние от потолка до верхней части оповещателя должно быть не менее 150 мм.

4.5. В защищаемых помещениях, где люди находятся в шумозащитном снаряжении, а также в защищаемых помещениях с уровнем звука шума более 95 дБА, звуковые оповещатели должны комбинироваться со световыми оповещателями. Допускается использование световых мигающих оповещателей.

4.6. Речевые оповещатели должны воспроизводить нормально слышимые частоты в диапазоне от 200 до 5000 Гц. Уровень звука информации от речевых оповещателей должен соответствовать нормам настоящего свода правил применительно к звуковым пожарным оповещателям.

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.

Основы электроакустического расчета

Оглавление

1. Введение

2. Входные параметры для расчета

3. Расчет звукового давления громкоговорителя

4. Расчет звукового давления

5. Расчет эффективной дальности

6. Расчет площади, озвучиваемой одним громкоговорителем

7. Расчет эффективной площади, озвучиваемой потолочным громкоговорителем

8. Расчет эффективной площади, озвучиваемой настенным громкоговорителем

9. Расчет эффективной площади озвучиваемой рупорным громкоговорителем

10. Расчет количества громкоговорителей необходимого для озвучивания определенной территории

11. Электроакустический калькулятор

Пример программирования

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список и краткие характеристики громкоговорителей ROXTON

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Требования пожарной безопасности к звуковому и речевому оповещению и управлению эвакуацией людей

ПРОДУКЦИЯ

ITC ESCORT

ДИЛЕРЫ

КОНТАКТЫ