定向聲波聚聲系統(tǒng)在高速公路防疲勞中的應(yīng)用分析

陳飛、陳月平、呂敏

（1.浙江省交通集團(tuán)高速公路嘉興管理中心，浙江 嘉興 314000；2.杭州交通工程監(jiān)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(biāo)志牌為主，需要主動(dòng)去看，效果有限。聲音是主動(dòng)干預(yù)，主動(dòng)刺激司機(jī)的聽覺神經(jīng)，聽與不聽，司機(jī)都能感受到。原有高速公路設(shè)置的號(hào)角喇叭，因?yàn)槁曇糨p、擾民等情況，使用效率比較低，也起不到防疲勞預(yù)警的效果。參量陣定向聲波聚聲系統(tǒng)，利用定向聲的聲學(xué)特點(diǎn)，在浙江省高速公路上的應(yīng)用，體現(xiàn)了預(yù)防為主的交通安全管理理念，并取得預(yù)期的效果[1]。

1 定向聲波聚聲系統(tǒng)的構(gòu)造和機(jī)理

1.1 定向聲波聚聲系統(tǒng)的構(gòu)造

定向聲波也稱聚聲系統(tǒng)，由主機(jī)和發(fā)聲單元組成。主機(jī)包含信號(hào)處理模塊、定向聲驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊；發(fā)聲單元包含聲能換能器組陣（參量陣）的發(fā)聲模塊（單元）。信號(hào)捕捉傳感器捕捉到機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車或行人后發(fā)出指令，定向聲驅(qū)動(dòng)模塊收到指令后驅(qū)動(dòng)發(fā)聲單元發(fā)出指定聲音，其聲音僅作用于設(shè)備正前方30°的錐角范圍內(nèi)，其中正前方15°的錐角范圍內(nèi)為強(qiáng)聲區(qū)。聚聲系統(tǒng)發(fā)出的聲音，集中度高、強(qiáng)度大、傳播距離遠(yuǎn)，但不擾民。臨近隧道一般設(shè)置播放“臨近隧道打開大燈”之類的誘導(dǎo)警示提醒語音；一般路面上設(shè)置播放“高速交警提醒你，發(fā)生事故車靠邊人撤離即報(bào)警，安全帶生命帶，前排后排都要系，請(qǐng)勿疲勞駕駛”之類的誘導(dǎo)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(shí)際設(shè)置示例，分別是白天和夜間的效果。

圖1 高速公路聚聲系統(tǒng)設(shè)置示例（白天）

圖2 高速公路聚聲系 統(tǒng)設(shè)置示例（夜間）

1.2 定向聲波聚聲系統(tǒng)的機(jī)理

傳統(tǒng)揚(yáng)聲器利用換能器振片震動(dòng)直接向空間發(fā)射可聽聲波。參量陣揚(yáng)聲器是一種新型的強(qiáng)指向性揚(yáng)聲器，又被稱為音頻聚光燈。參量陣揚(yáng)聲器發(fā)聲的基本原理是將要傳輸?shù)囊纛l信號(hào)調(diào)制到超聲載波，由于空氣的非線性作用，會(huì)自解調(diào)生成音頻信號(hào)，利用超聲載波的超指向性，可以形成強(qiáng)指向性的音頻信號(hào)波束[2]。

目前參量陣揚(yáng)聲器的發(fā)聲原理有Westervelt 方程、Berktay 遠(yuǎn) 場(chǎng)解 以 及KZK 方 程三種。Westervelt 方程解釋了如何產(chǎn)生高指向性差頻波，Berktay 遠(yuǎn)場(chǎng)解解釋了如何產(chǎn)生寬帶高指向性聲頻波。1962 年Westervelt 通過研究?jī)善矫娌ǖ南嗷プ饔?，提出參量聲學(xué)陣的概念，并經(jīng)Berktay 推導(dǎo)出在遠(yuǎn)場(chǎng)中參量陣揚(yáng)聲器發(fā)射的聲波經(jīng)過空氣的非線性作用，其自解調(diào)信號(hào)的聲壓幅值與發(fā)射聲波包絡(luò)函數(shù)平方的二次導(dǎo)數(shù)成正比，這一理論被稱為著名的“Berktay 遠(yuǎn)場(chǎng)解”：

式（1）中：p(τ)為發(fā)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(shù)；β為非線性系數(shù)；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(diào)制包絡(luò)函數(shù)；τ=t-z.c0，t為發(fā)射聲波的傳播時(shí)間。

2 定向聲波聚聲系統(tǒng)參數(shù)

2.1 實(shí)測(cè)聲壓衰減情況

表1 聚聲系統(tǒng)GSXY-5100 標(biāo)準(zhǔn)聲壓114 dB 衰減測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 行車駕駛員可聽定向聲波時(shí)長(zhǎng)

按圖3 設(shè)置的聚聲系統(tǒng)，表2 為一組聚聲系統(tǒng)定向聲波時(shí)長(zhǎng)與駕駛員行車時(shí)可聽到語音個(gè)數(shù)表。

表2 駕駛員行車可聽聚聲系統(tǒng)定向聲波發(fā)聲時(shí)長(zhǎng)（s）和語音個(gè)數(shù)表

圖3 聚聲系統(tǒng)設(shè)置示意圖

2.3 路面發(fā)聲聲壓級(jí)與環(huán)境噪聲的信噪比

2.3.1 高速公路實(shí)測(cè)環(huán)境噪聲

據(jù)測(cè)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(duì)浙江省某高速公路實(shí)測(cè)樁號(hào)G60 127K+700 噪聲檢測(cè)，高峰流量2300 輛/h 的噪聲為71～80dB。

圖4 聚聲系統(tǒng)定向聲波設(shè)置區(qū)域噪聲監(jiān)測(cè)

2.3.2 行駛車輛關(guān)閉車窗車內(nèi)聲壓

經(jīng)測(cè)試，在車輛車窗密閉較好的條件下，駕駛員關(guān)閉車窗的聲壓降低10～20dB，一般行車時(shí)關(guān)閉車窗條件下駕駛員聽到60dB 語音聲壓為宜。

2.4 噪聲環(huán)境下駕駛員辨別語音能力

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

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)顯示，人耳所能聽到的不僅與信噪比有關(guān)，還與收聽的語音個(gè)數(shù)有關(guān)。某公司利用開發(fā)的“用于教育玩具生產(chǎn)的語音識(shí)別裝置”作為背景，研究制作用于在生產(chǎn)線上替代人工完成玩具發(fā)音功能檢測(cè)的聲音識(shí)別系統(tǒng)。測(cè)試在-10dB 噪聲環(huán)境下語音識(shí)別的正確率見表3。

表3 -10dB 噪聲環(huán)境下的測(cè)試玩具識(shí)別語音正確率結(jié)果表

一般認(rèn)為，信噪比10dB 對(duì)語音識(shí)別達(dá)到95%以上較為理想，因此高速公路聲波聚聲系統(tǒng)發(fā)生聲壓級(jí)高于環(huán)境噪聲10～15dB，行車駕駛員可正常收聽誘導(dǎo)警示語音提醒。過高的信噪比既不經(jīng)濟(jì)環(huán)保，還可能導(dǎo)致駕駛員的聽覺損傷。

3 定向聲波聚聲系統(tǒng)設(shè)置方法

以聚聲系統(tǒng)設(shè)置組數(shù)由聚聲系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)聲壓114dB、行車條件下駕駛員關(guān)閉車窗聽到60dB 語音聲壓和可聽39 個(gè)字為例說明聚聲系統(tǒng)的設(shè)置方法。

3.1 定向聲波聚聲系統(tǒng)設(shè)置組數(shù)

高速公路聚聲系統(tǒng)按行車速度120km/h、駕駛員聽到“高速交警提醒你，發(fā)生事故車靠邊人撤離即報(bào)警，安全帶生命帶，前排后排都要系，請(qǐng)勿疲勞駕駛”39 個(gè)語音個(gè)數(shù)，由表2 可知需400m 的聲走廊長(zhǎng)度，聚聲系統(tǒng)GSXY-5100 的114dB 的聲壓傳輸50m 后聲壓為80dB，至少需要設(shè)置8 組聚聲系統(tǒng)，若考慮信噪比10dB 對(duì)語音識(shí)別95%的折減系數(shù)，應(yīng)設(shè)置9 組聚聲系統(tǒng)，方能達(dá)到駕駛員關(guān)閉車窗情況下聽到60dB 的語音信號(hào)[4]。

3.2 定向聲波聚聲系統(tǒng)技術(shù)要求

聚聲系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)聲壓114dB、3000Hz 頻率聲壓級(jí)檢驗(yàn)方法如圖5 所示，聚聲系統(tǒng)技術(shù)要求見表4。

表4 聚聲系統(tǒng)技術(shù)要求

圖5 聚聲系統(tǒng)聲壓級(jí)測(cè)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(zhǎng)下坡、長(zhǎng)直線、多彎道、事故多發(fā)地等容易使駕駛員疲勞的區(qū)域設(shè)置聚聲系統(tǒng)，每隔一定距離設(shè)置一組聚聲系統(tǒng)，組數(shù)視聚聲系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)聲壓、聲壓衰減行情況、行車條件下駕駛員關(guān)閉車窗聽到60dB 語音聲壓和可聽語音個(gè)數(shù)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(tǒng)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(yīng)設(shè)置一組或多組聚聲系統(tǒng)，播放“臨近隧道打開大燈”之類的誘導(dǎo)警示提醒語音。聚聲系統(tǒng)安裝在路肩邊緣（緊急停車帶）或邊坡頂，定向聲音裝置應(yīng)不侵占路肩（緊急停車帶）界限。

圖6 聚聲系統(tǒng)安裝位置模擬圖

圖7 聚聲系統(tǒng)安裝位置實(shí)例圖

3.4 定向聲波聚聲系統(tǒng)與自發(fā)光標(biāo)識(shí)和顯示屏組合安裝

如圖1 和圖2 所示，聚聲系統(tǒng)與自發(fā)光標(biāo)識(shí)和顯示屏組合安裝，可以發(fā)揮語音和視覺的多功能作用。通過自發(fā)光地標(biāo)、誘導(dǎo)多彩屏，形成視覺上的差異，刺激司機(jī)的視覺神經(jīng)，同樣可以起到預(yù)防疲勞駕駛的綜合作用。

4 結(jié)語

目前，定向聲波聚聲系統(tǒng)在滬杭高速公路、G60 滬昆高速公路進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)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(yù)期效果。

為了進(jìn)一步發(fā)揮定向聲波聚聲系統(tǒng)的作用，擬在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上增加信息管理功能：通過PC 端或移動(dòng)端對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)管理；提供API 接口，可與現(xiàn)有的指揮系統(tǒng)對(duì)接；通過物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)感知設(shè)備，增加自動(dòng)報(bào)警功能；巡邏車后方加裝聚聲系統(tǒng)，避免傳統(tǒng)警報(bào)音的聲音污染，保護(hù)人員安全；優(yōu)化報(bào)警手勢(shì)識(shí)別、報(bào)警語音識(shí)別，提高事故處理及救援的效率；實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能音畫同步，實(shí)時(shí)提供貼心幫助，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拒絕車輛非法停留等功能。