СУЧАСНІ СИСТЕМИ ОПОВІЩЕННЯ В МІСТІ

Проєкт передбачає:

— розміщення на вежах/дахах кілець з з вісьмома гучномовцями технологїї LRAD, розташованих по колу для рівномірного 360° покриття, що забезпечує стабільну чутність у міських умовах із забудовою 3–9 поверхів;
— розміщення на центральних вулицях та паркових зонах гучномовців Bosch LH1.

Іспити показують, що LRAD має вищий рівень звукового тиску, що дає більшу розбірливу дальність та рівномірність покриття без «мертвих зон».

Картограми ізоліній SNR +15 дБ для різних систем, оцінка STI, рекомендації щодо калібрування та розміщення гучномовців для досягнення оптимальної розбірливості та таблиці з розрахунками дальності для різних рівнів шуму (50–70 дБ) демонструють суттєву перевагу LRAD у реалістичних міських умовах із урахуванням атмосферного поглинання (α=0.005 дБ/м) та бар’єрних втрат (8 дБ).

Це дозволяє рекомендувати LRAD як більш ефективне рішення для систем оповіщення міських територій, що потребують надійного та рівномірного покриття.

Інтегрована схема застосування гучномовців

Воєнний час – оповіщення про повітряну тривогу

• LRAD (150 Вт, 1 шт, SPL ≈ 137.8 дБ, дальність в ідеалі ≈ 1370 м при шумі 60 дБ):
  • Найбільша дальність і спрямованість.
  • Оптимальний варіант для критичних сигналів тривоги, коли потрібна максимальна дальність і чіткість у шумному середовищі.
  • Частотний діапазон 340–6000 Гц добре підходить для сиренних сигналів, тонів та мовних сповыщень, що легко сприймаються на великій відстані.
• Digitex (щілинний, 2 × 150 Вт, SPL ≈ 132.5 дБ, дальність в ідеалі ≈ 751 м):
  • Менша дальність, але ширший фронт покриття завдяки щілинній конструкції.
  • Підходить для міських кварталів, де важливе покриття по площі, а не максимальна дальність.

Мирний час — інші надзвичайні ситуації

• Bosch LH1 (2 × 30 Вт, SPL ≈ 132.8 дБ, дальність в ідеалі ≈ 776 м):
  • Найширший діапазон частот (212–20000 Гц).
  • Забезпечує зрозумілу мову та музичні сигнали.
  • Енергоефективний (мале споживання), що важливо для щоденного використання.
• Vellez 100GR002 (2 × 100 Вт, SPL ≈ 131 дБ, дальність ≈ 631 м):
  • Діапазон 500–8000 Гц, краще для сигналів, але менш придатний для повноцінної передачі мови та музики.
  • Може бути використаний як додатковий варіант для сигналізації, але не оптимальний для мовних повідомлень.

Щоденні культурні та інформаційні сигнали

• Bosch LH1:
  • Завдяки широкому діапазону частот і низькому споживанню енергії є найкращим варіантом для щоденного відтворення музики та мовних повідомлень.
  • Забезпечує якісну передачу гімну та мовних сигналів без спотворень.
• Digitex та Vellez:
  • Їхні діапазони обмежені для музики та мови, тому вони більше підходять для сигналів тривоги, ніж для щоденного культурного використання.

Загальна стратегія з урахуванням вартості

• Для воєнного часу (повітряна тривога): найкраще використовувати LRAD як основний засіб далекого оповіщення, а Digitex — для рівномірного покриття кварталів.
• Для мирного часу (НС, інформування населення): оптимальним є Bosch LH1, який забезпечує зрозумілу мову та музичні сигнали при мінімальному енергоспоживанні.
• Для щоденного програвання хвилини мовчання та гімну України: найкращий вибір — Bosch LH1 завдяки широкому діапазону частот і якісній передачі музики.

Візуалізація покриття

• Digitex: формує 4 вузькі «пелюстки» по 90°, з піком у центрі і слабшими краями.
• LRAD: формує рівномірне кільце покриття 360°, ізолінії чутності — майже правильні кола.

Програмне забезпечення

• CadnaA (ISO 9613‑2): дозволяє моделювати реальні умови з урахуванням шуму, фасадів, поглинання, тощо.

Переваги LRAD та Bosch

• Економія: менше точок встановлення, нижча потужність.
• Рівномірність: стабільне покриття без «мертвих зон».
• Розбірливість: STI ≥ 0.5 у всіх напрямках.

                                 Мал.1. Порівняння Digitex та LRAD (основа – скріншот з ПЗ digitexarchitect.com)

Рекомендація

Для побудови ефективної системи оповіщення доцільно обрати LRAD та Bosch як основу — це забезпечить стабільну розбірливість, економію ресурсів та надійний супровід.

Короткі висновки

• Менше веж але більше покриття: LRAD забезпечує більшу розбірливу дальність та рівномірність 360° навколо вежі/місця встановлення, що напряму зменшує їхню кількість для повного покриття міста.
• Стійкість до міського шуму: у реальній геометрії це означає вдвічі більшу площу розбірливої чутності на кожну вежу.
• Просте масштабування: LRAD‑кільце легко адаптується під локальні вимоги (кут, нахил, баланс секторів), забезпечуючи STI на рівні вимог без «мертвих зон».

                                         Мал.2. Графічне представлення максимальної дальності (ідеальні умови без урахування розбірливості)
                                                                      для кожного комплекту гучномовців при рівні шуму 60 дБ із запасом 15 дБ.

На діаграмі видно, що для значення навколишнього шуму 60 дБ +15 дБ (запас) при простих розрахунках (ідеальний сценарій без врахування реальних умов):

• LRAD (1 шт) має найбільшу дальність — приблизно 1370 м.
• Bosch LH1‑UC30E (2 шт) досягає близько 776 м.
• Digitex (щілинний, 2 шт) забезпечує дальність близько 751 м.
• Vellez 100GR002 (щілинний, 2 шт) — близько 631 м.

                                 Мал.3. Залежність дальності від рівня фонового шуму.

                                                                                                                                                                   Мал.4.

                                                                                                                                    Мал.5.

Розбірливість мови (STI) vs Гучність (SPL)

                                                                               Мал.6.

• Суцільна довжина полоси показує максимальну дальність за SPL (тобто «чути»).
• Заштрихована частина всередині — це зона розбірливої мови за STI ≥ 0.45 (тобто «розуміти»).
• Біля кожної полоси підписані відстані та відсоток STI від SPL.

Наочно видно:

• Digitex: лише ~24% зони гучності реально зрозуміла.
• Vellez: ~22%.
• Bosch: ~26%.
• LRAD: ~57% — більша частина зони гучності є також зоною розбірливості.

Реальні розрахунки (а не розрахунки в ідеалі) набагато сложніші і можуть пригничувати мовні оповіщення на вулицях (приклад розрахунків по ISO 9613‑2) до 25%.
Реалістичні умови (ISO 9613‑2) розраховувались за допомогою програмного забезпечення CadnaА.

Пояснення «розбірливості оповіщення»

• SPL ≠ STI. Гучність не гарантує розбірливість. У міському середовищі навіть гучний звук може бути нерозбірливим через відбиття від фасадів, «вуличні каньйони», реверберацію та турбулентність.
• STI — це практичний показник ефективності оповіщення. Якщо STI < 0.45, люди можуть чути звук, але не розпізнають слова — тобто не виконають інструкцію. STI показує реальний радіус, де мова сприймається зрозуміло. Все, що поза зоною STI — лише шум.
• LRAD має значний запас по STI завдяки вузькій діаграмі направленості та високому корисному рівню в мовній смузі. Це скорочує ранні відбиття й підвищує SNR у приймача.
• Різниця між “чути” і “розуміти” становить ~2–4× по дальності для класичних рупорів та щілинних систем у щільній забудові.

Приклад із графіка

• Digitex:
  • SPL-дальність ≈ 385 м
  • STI-дальність ≈ 172 м. Різниця майже вдвічі — тобто тільки половина зони реально розбірлива.
• LRAD:
  • SPL-дальність ≈ 968 м
  • STI-дальність ≈ 775 м.  Тут STI зона охоплює майже всю SPL-зону, що свідчить про високу ефективність.

Візуалізація ефекту акустичної антени

                                                                                                                                                      Мал.7.

АКУСТИЧНІ АНТЕНИ

Тут є два різні сценарії:

• Енергетичне складання (звичайний випадок): Якщо два гучномовці працюють незалежно, але випромінюють однаковий сигнал у фазі, їхні потоки складаються по енергії. Подвоєння потужності дає приріст ≈ +3 дБ. Це базове правило акустики.
• Когерентне складання амплітуд (ідеальний випадок): якщо два джерела розташовані дуже близько, випромінюють абсолютно синхронно і фазово узгоджено, то амплітуди хвиль складаються. У такому випадку приріст може бути ≈ +6 дБ по осі. Але це ідеалізований випадок, який рідко реалізується у практиці на всьому діапазоні частот.

Як рахується?

• Правильним у більшості практичних випадків є варіант з +3 дБ (подвоєння потужності).
• Варіант з +6 дБ можливий лише при ідеальному когерентному сумуванні амплітуд у фазі, що в реальних системах досягається лише частково (на окремих частотах і в обмеженій зоні).

Тобто:

• Якщо ми говоримо про реальні гучномовці у системах оповіщення → приріст ≈ +3 дБ.
• Якщо ми розглядаємо теоретичний ідеал когерентного складання → приріст ≈ +6 дБ.

 ПРИКЛАД: здвоєні щілинні гучномовці КОЖЕН З ЯКИХ — 103 дБ дадуть 106 дБ
Чому саме +3 дБ

• Коли два ідентичні джерела звуку працюють одночасно і випромінюють в фазі (тобто синхронно, спрямовані в одну сторону), їхні звукові потоки складаються по енергії.
• Подвоєння акустичної потужності дає приріст: ΔSPL=10⋅lg(2)≈3 дБ
• Тобто, якщо один гучномовець має SPL = 103 дБ, то два таких у парі дадуть:

SPLпари≈103+3=106 дБ

Важливі нюанси: +3 дБ приріст можливий лише за умови:

• гучномовці розташовані поруч і випромінюють у одну й ту саму зону;
• сигнал подається синхронно (без фазових зсувів);
• немає значних інтерференцій чи відмінностей у відстані до слухача.

• Якщо гучномовці рознесені далеко або працюють у різні сторони, приріст може бути меншим або нерівномірним.
• Для масивів (line array) приріст може бути більшим у ближньому полі завдяки спрямованості, але у далекому полі все одно діє правило +3 дБ при подвоєнні джерел.
• Отже, два однакових гучномовці, спрямовані соосно, дадуть приблизно 106 дБ SPL замість 103 дБ.

Прийняті допущення

• Підсумування двох гучномовців: приріст ≈ +3 дБ по осі для двох однакових, близько розташованих і сонаправлених джерел.
• Цільовий рівень на слухачі: шум + 15 дБ запасу (пороги 70/75/80/85 дБ).
• Модель простору: вільне поле по осі, без урахування атмосферного поглинання, вітру, рельєфу і забудови.

Така конфігурація дозволяє:

• Досягати більшої дальності без збільшення потужності
• Зменшити шумове забруднення у непотрібних секторах
• Підвищити розбірливість мови у критичних напрямках

                                                                                                                                           Мал.8. Діаграми SPL та STI

Діаграми SPL та STI залежно від дальності (для гучномовців 1 та 3), побудовані за моделлю ISO 9613-2. Вони чітко показують, як акустична антена підвищує ефективність мовного оповіщення.

Що видно на графіках:

SPL (Sound Pressure Level)

• (1): рівень SPL падає до порогу 75 дБ приблизно на 905 м.
• (3): завдяки ефекту антени SPL тримається вище порогу до ≈1041 м.

STI (Speech Transmission Index)

• STI падає лінійно: від 1.0 на 1 м до 0.3 на межі SPL.
• (1): зона STI ≥ 0.45 — ≈ 711 м.
• (3): зона STI ≥ 0.45 — ≈ 818 м.

 SPL (Sound Pressure Level)

• Розшифровка: Рівень звукового тиску
• Це фізична величина, яка показує, наскільки сильний звук у певній точці простору.
• Вимірюється у децибелах (дБ) відносно стандартного тиску 20 μPa20.
• Формула: SPL=20⋅lg10(pp0)

де p — ефективний звуковий тиск, p0=20 μPa.

• Простими словами: SPL показує «гучність» звуку на відстані.

 STI (Speech Transmission Index)

• Розшифровка: Індекс передачі мовлення
• Це показник розбірливості мови у конкретному середовищі.
• Значення від 0 до 1.0:
  • 00–0.30 → мова нерозбірлива
  • 30–0.45 → погана розбірливість
  • 45–0.60 → задовільна
  • 60–0.75 → добра
  • 75–1.00 → відмінна
• Враховує:
  • рівень сигнал/шум (SNR),
  • реверберацію,
  • відбиття,
  • частотний діапазон мовлення.

Простими словами: STI показує, чи людина не лише чує звук, а й може зрозуміти слова.

 Взаємозв’язок

• SPL визначає, чи звук достатньо гучний.
• STI визначає, чи цей звук зрозумілий як мова.

У міських умовах часто буває так: SPL високий (чути), але STI низький (не зрозуміти).

Висновки щодо акустичної антени

• Акустична антена (3) дає майже вдвічі більшу зону розбірливої мови.
• Це дозволяє:
  • Зменшити кількість точок встановлення
  • Підвищити ефективність оповіщення
  • Знизити фонове навантаження на місто

Приклад використання вежі

                                                                                                                                             Мал.9.

Конфігурація: 8 гучномовців розміщені по колу діаметром 1,5-2 м

Покриття: 360° азимутальне покриття

Кут між гучномовцями: 45.0°

Монтаж: Металева конструкція з центральним хабом та радіальними спицями

КОРИСНА ІНФОРМАЦІЯ

Загальна таблиця рівнів шуму

• 15 дБ SPL — ледь чутно — шелест листя;
• 20 дБ SPL — рівень природного фону на відкритій місцевості за відсутності вітру, норма шуму житлових приміщень
• 25 дБ SPL — тихо – сільська місцевість далеко від доріг;
• 30 дБ SPL — тихо — настінний годинник;
• 35 дБ SPL — добре чутно — приглушена розмова; медичні кабінети, палати;
• 40 дБ SPL — добре чутно — тиха розмова, установа (офіс) без джерел шуму, рівень звукового фону днем у міському приміщенні із закритими вікнами, що виходять у двір; навчальні заклади, класи, конференц-зали;
• 50 дБ SPL — виразно чути — розмова середньої гучності, тиха вулиця, пральна машина; адмін. будівлі, офіси, холи;
• 55 дБ SPL — загальні місця, кафе, ресторани, вулиця;
• 60 дБ SPL — малий шум — звичайна розмова, норма для контор; будинок вокзалу, спортивні зали, вулиця;
• 65 дБ SPL — середній шум — гучна розмова на відстані 1 м;
• 70 дБ SPL — гучні розмови на 1 м, галаслива вулиця, пилосос на 3 м; автостоянки, автостанції;
• 80 дБ SPL — залізнична станція
• 85 дБ SPL — метрополітен
• 90 дБ SPL — промислове підприємство

ISO 9613-2 – це міжнародний стандарт з акустики, який описує інженерний метод прогнозування рівнів звукового тиску на місцевості, враховуювючи послаблення звуку при поширенні на відкритому просторі, зокрема за умов вітру чи нічної інверсії температури. Він допомагає розрахувати, як шум від джерел (наприклад, заводу чи дороги) зменшується з відстанню. 

 Ключові аспекти ISO 9613:

• Призначення: Розрахунок зниження рівня шуму (затухання звуку) при поширенні звукових хвиль на відкритій місцевості (наприклад, у місті, сільській місцевості).
• Методологія: Надає формули для розрахунку послаблення звуку в октавних смугах (від 63 Гц до 8000 Гц).
• Умови застосування: Стосується поширення звуку за вітром або під час помірної інверсії температури (часто вночі).
• Область застосування: Використовується для прогнозування рівнів навколишнього шуму від точкових або збіркових джерел шуму.
• Частини: Це друга частина стандарту ISO 9613, яка фокусується саме на інженерному методі прогнозування рівнів тиску звуку на місцевості. 

 Для чого це потрібно:
Цей стандарт використовується інженерами та спеціалістами з акустики для оцінки шумового забруднення, планування міст та створення систем контролю шуму. 

Висновки формувалися на аналізі наступних розрахункових таблиць

Порівняння гучномовців за SPL і дальністю

Ідеальні умови (попередній розрахунок)

Таблиця максимальної дальності чутності (в ідеальних умовах)

Технічне порівняння систем LRAD, Bosch та Digitex, розрахунки дальності чутності, картограми покриття

Розрахунки дальності (SNR ≥ 15 дБ)

Розрахунки реалістичних міських умов (ISO 9613‑2, α = 0.005 дБ/м, Pбар = 8 дБ)

Перерахунок таблиці з приростом +3 дБ для парних гучномовців (ідеальний варіант)

Інтелігiбельність: STI поріг

Бар-лінії SPL та бар-лінії STI ≥ 0.45

Модель розрахунку LRAD з поправками і вихідні припущення

Розрахунок впливу двох сусідніх LRAD на SPL у 90° секторі (розведення осей на 45°)

Приріст над SPL одного (на осі): ΔL=Lsum−L0=10lg(1+2⋅10−A3010)

Таблиці розбірливої дальності (55–70 дБ) для LRAD та Digitex

Таблиці Lmax з поправками міських умов (α = 0.005 дБ/м; Pбар = 8 дБ)

Розрахунок SPL для сонаправлених пар гучномовців

ISO 9613‑2 таблиці максимальної дальності 

 Деякі пояснення

Центральна осьова дальність: LRAD виграє завдяки вищому SPL одного гучномовця (137.76 дБ vs 129 дБ пари Digitex).

Рівномірність у секторі 90°

• Цільова умова. Запас над шумом для розбірливості мови:
  • Строгий резерв: 15 дБ.
  • Помірний резерв (для STI ≥ 0.5): 12 дБ, як орієнтир для підвищення дальності.
• Атмосферне поглинання: α=0.003 дБ/м (середній діапазон голосових частот у помірних умовах).
• Бар’єри. Дві сцени:
  • Без бар’єрів: Pперешкод=0 дБ.
  • З бар’єрами: Pперешкод=6 дБ (типовий частковий екран/дифракція).
• Рівні шуму: 55, 60, 65, 70 дБ.
• Поширення у вільному полі:

SPL(r)=SPL1 м−20lg10(r)−αr−Pперешкод

Умова виконання резерву: SPL(r)−Pшум≥резерв

Еквівалентно: 20 lg(r)+αr≤ SPL1 м−Pшум−Pперешкод−резерв

Рішення для rr проведено чисельно.

Дальність без бар’єрів, резерв 15 дБ, α = 0.003 дБ/м

 Прийняті допущення при розрахунках

• Умови: шум + 15 дБ запасу (тобто пороги 70/75/80/85 дБ).
• Розрахунок дальності: r=10L1 м−(Lшум+15)20r у вільному полі по осі, без урахування атмосферного поглинання, вітру, рельєфу та міських відбиттів.
• Bosch SPL при повній потужності: з 115 дБ на 1 Вт/1 м і 30 Вт: 115+10*lg(30)≈129.8115 дБ.
• Врахування бар’єрних втрат 6 дБ і атмосферного α=0.004 дБ/м зменшує дальності від «вільного поля» приблизно на 1.5–2× у зоні 600–1500 м, що узгоджується з міським середовищем на 1 кГц.
• STI й SNR: STI залежить не лише від SNR, але й від реверберації, маскування високих частот, фазових спотворень та динаміки шуму. Наведений резерв — спрощений спосіб відобразити вимогу по розбірливості.
• Атмосферне α: значення 0.003 дБ/м — усереднене; на високих частотах (2–4 кГц) у сухому повітрі α може бути вище (до 0.01 дБ/м), що ще зменшить дальність.
• Бар’єри: 6 дБ — орієнтовний середній сценарій; локальні екрани й забудова можуть давати 3–10+ дБ залежно від геометрії.
• Калібрування на місці: для проектів критичного озвучення краще проводити вимірювання шуму, STI і частотних характеристик на майданчику та коригувати потужність/направленість системи (включно з масивами, рупорними кластерами і delay‑зонами).

Маючи цільові вимоги по STI (наприклад, ≥0.6), частотну смугу оголошень і сценарій розміщення (вулиця/приміщення, висота встановлення, наявні фасади) можна зробити перерахунок Lmax з більш точними α і бар’єрними втратами та запропонувати конфігурацію (кількість гучномовців, кути, delay‑лінії).

• LRAD з додатковим внеском «сусідів» ±30° логічно зберігає лідерство за дальністю; ISO-модель показує ~1.7× перевагу над Bosch парою у цих умовах.
• Digitex через смугові обмеження та меншу ефективність у 1 кГц-діапазоні тут не виграє проти Bosch.

Формула дальності: r = 10^[(L1m – (Lшум +15))/20]; р = Рдб – (N + ЗД), де:

• Pдб – звуковий тиск гучномовця, дБ (SPLdigitex, SPLbosch та SPLLRAD),
• N – рівень шуму, дБ,
• ЗД – запас звукового тиску, дБ,

та формулу L = 10^(p/20) + 1, де:

• p – різниця звукового тиску гучномовця, рівня шуму та запасу тиску, дБ.
• 1 – коефіцієнт враховує, що чутливість гучномовця вимірюється на 1м

 

Модель ISO 9613‑2 (стандартна для зовнішньої акустики)

Lp(r)=Lw+Dc−Adiv−Aatm−Agr−Abar L_p(r) =

де:

• Lw — рівень звукової потужності джерела,
• Dc — поправка на спрямованість,
• Adiv — геометричне затухання,
• Aatm — атмосферне поглинання,
• Agr — вплив ґрунту,
• Abar — втрати на бар’єрах.
  Це найбільш точна інженерна модель для проєктування систем оповіщення.

 Модель з урахуванням STI (Speech Transmission Index)

Тут дальність визначається не лише за SNR, а й за інтегральним показником розбірливості мовлення. Формула складніша: STI=f(SNR,реверберація,маскування) і дальність береться як відстань, де STI ≥ 0.5 (мінімум для зрозумілого мовлення).