Введение

Сирена — это устройство, издающее громкий звук. Сирены гражданской обороны устанавливаются стационарно и используются для предупреждения о стихийных бедствиях или нападениях. Сирены также используются на автомобилях экстренных служб, таких как машины скорой помощи, полицейские автомобили и пожарные машины. Существует два основных типа: механические и электронные. Многие пожарные сирены (используемые для вызова добровольных пожарных) выполняют двойную функцию, служа также сиренами для оповещения о торнадо или гражданской обороны, предупреждая всё население о надвигающейся опасности. Большинство пожарных сирен устанавливаются на крыше пожарной станции или на столбе рядом с ней. Пожарные сирены также могут быть установлены на или рядом с государственными зданиями, на высоких сооружениях, таких как водонапорные башни, а также в системах, где несколько сирен распределены по городу для лучшего звукового охвата. Большинство пожарных сирен однотональные и приводятся в действие механически электродвигателями с ротором, закреплённым на валу. Некоторые новые сирены представляют собой электронные динамики. Пожарные сирены часто называют пожарными свистками, пожарными сигнализациями или пожарными горнами. Хотя стандартной сигнализации для пожарных сирен не существует, некоторые используют коды для информирования пожарных о местонахождении пожара. Сирены гражданской обороны, используемые также в качестве пожарных сирен, часто могут издавать чередующийся сигнал «высокий-низкий» (похожий на сигнал автомобилей экстренных служб во многих европейских странах) в качестве пожарного сигнала или сигнал атаки (медленный вой), обычно трижды, чтобы не путать население со стандартными сигналами гражданской обороны – сигнал тревоги (постоянный тон) и быстрый вой (быстро меняющийся тон). Пожарные сирены часто проверяют один раз в день в полдень и также называют полдёнными сиренами или полдёнными свистками. Первые автомобили экстренной помощи использовали колокол. В 1970-х годах они перешли на двухтональный клаксон, который в 1980-х годах был вытеснен электронным воем.

История

Некоторое время до 1799 года сирена была изобретена шотландским естествоиспытателем Джоном Робисоном. Сирены Робисона использовались как музыкальные инструменты; в частности, они приводили в действие некоторые трубы органа. Сирена Робисона состояла из запорного крана, который открывал и закрывал пневматическую трубку. Запорный кран, по-видимому, приводился в движение вращением колеса. В 1819 году барон Шарль Каньяр де ла Тур разработал усовершенствованную сирену и дал ей название. Сирена де ла Тура состояла из двух перфорированных дисков, коаксиально установленных на выходе пневматической трубки. Один диск был неподвижным, а другой вращался. Вращающийся диск периодически прерывал поток воздуха через неподвижный диск, создавая тон. Сирена де ла Тура могла издавать звук под водой, что наводило на мысль о связи с сиренами греческой мифологии; отсюда и название, которое он дал инструменту. Вместо дисков большинство современных механических сирен используют два концентрических цилиндра с прорезями, параллельными их длине. Внутренний цилиндр вращается, а внешний остается неподвижным. Когда воздух под давлением выходит из прорезей внутреннего цилиндра и затем выходит через прорези внешнего цилиндра, поток периодически прерывается, создавая тон. Первые такие сирены были разработаны в 1877–1880 годах Джеймсом Дугласом и Джорджем Слайтом (1859–1934) из Trinity House; окончательная версия была впервые установлена в 1887 году на маяке Айлса-Крейг в шотландском Ферт-оф-Клайде. С появлением коммерческой электроэнергии сирены больше не приводились в действие внешними источниками сжатого воздуха, а электродвигателями, которые создавали необходимый поток воздуха с помощью простого центробежного вентилятора, встроенного во внутренний цилиндр сирены. Для направления звука сирены и увеличения ее мощности сирена часто оснащается рупором, который преобразует звуковые волны высокого давления в сирене в звуковые волны низкого давления в открытом воздухе. Самым ранним способом вызова добровольных пожарных на пожар был звон колокола, установленного на крыше пожарной станции или в колокольне местной церкви. С появлением электричества были изготовлены первые пожарные сирены. В 1886 году французский инженер-электрик Гюстав Труве разработал сирену для бесшумного оповещения о прибытии своих электрических лодок. Двумя первыми производителями пожарных сирен были William A. Box Iron Works, которая начала производить сирены "Denver" еще в 1905 году, и Inter State Machine Company (позже Sterling Siren Fire Alarm Company), которая производила повсеместно распространенную электрическую сирену Model "M" – первую двухтоновую сирену. Популярность пожарных сирен резко возросла к 1920-м годам, и многие производители, включая Federal Electric Company и Decot Machine Works, создали собственные сирены. С 1970-х годов многие населенные пункты отключили свои пожарные сирены, поскольку для использования пожарными стали доступны пейджеры. Некоторые сирены до сих пор остаются в качестве резервной системы для пейджерных систем. Во время Второй мировой войны британская служба гражданской обороны использовала сеть сирен для оповещения населения об угрозе воздушного налета. Один тон означал "отбой". Серия тонов означала воздушный налет.

Пневматические

Пневматическая сирена, являющаяся свободным аэрофоном, состоит из вращающегося диска с отверстиями (называемого ротором, диском сирены или вертолетом), при этом материал между отверстиями прерывает поток воздуха из неподвижных отверстий на внешней стороне устройства (называемых статором). Поскольку отверстия во вращающемся диске попеременно препятствуют и пропускают воздушный поток, это приводит к чередованию повышенного и пониженного давления воздуха, то есть к возникновению звука. Такие сирены могут потреблять значительное количество энергии. Для снижения энергопотребления без потери громкости звука, в некоторых конструкциях пневматических сирен используется усиление за счет подачи сжатого воздуха из резервуара, который может быть заполнен маломощным компрессором через диск сирены. В американском английском языке автомобильные пневматические сирены иногда называют механическими или "coaster" сиренами, чтобы отличать их от электронных устройств. Механические сирены, приводимые в действие электродвигателем, часто называют "электромеханическими". Примером является сирена Q2B, продаваемая компанией Federal Signal Corporation. Из-за высокого потребления тока (100 ампер при включении питания) ее применение обычно ограничено пожарной техникой, хотя она все чаще используется на машинах скорой помощи типа IV и автомобилях спасательных отрядов. Ее характерный срочный тон, высокий уровень звукового давления (123 дБ на расстоянии 10 футов) и прямоугольные звуковые волны объясняют ее эффективность. В Германии и некоторых других европейских странах пневматическая двухтональная (высоко-низкотональная) сирена состоит из двух комплектов звуковых клаксонов – одного высокого и одного низкого тона. Компрессор воздуха подает воздух в один комплект клаксонов, а затем автоматически переключается на другой. По мере этого переключения звук меняет тон. Звуковая мощность может варьироваться, но достигать примерно 125 дБ, в зависимости от компрессора и клаксонов. По сравнению с механическими сиренами, она потребляет гораздо меньше электроэнергии, но требует большего обслуживания. В пневматической сирене статор – это часть, которая перекрывает и открывает воздушный поток, когда вращающиеся лопасти ротора проходят мимо портов статора, генерируя звук. Высота звука сирены зависит от скорости вращения ротора и количества отверстий в статоре. Сирена с одним рядом портов называется однотональной. Сирена с двумя рядами портов известна как двухтональная. Установив второй статор над основным и подключив к нему соленоид, можно многократно закрывать и открывать все порты статора, создавая тем самым сигнал, называемый импульсом. Если это делается во время звучания сирены (а не постоянного тона), то это называется импульсным воем. Выполняя это отдельно для каждого ряда портов на двухтональной сирене, можно попеременно воспроизводить каждый из двух тонов, создавая сигнал, известный как Hi/Lo. Если это делается во время воя сирены, это называется Hi/Lo воем. Данное оборудование также может воспроизводить импульс или импульсный вой. Порты могут открываться и закрываться для передачи кода Морзе. Сирена, способная воспроизводить как импульс, так и код Морзе, известна как кодовая сирена.

Электронная

Электронные сирены содержат схемы, такие как генераторы, модуляторы и усилители, для синтеза выбранного сиренального тона (вой, завывание, пронзительный/приоритетный/фазер, высокий-низкий, сканирование, клаксон, ручной и несколько других), который воспроизводится через внешние громкоговорители. Не редкость, особенно в современных пожарных машинах, увидеть специальный автомобиль, оснащенный обоими типами сирен. Часто в полицейских сиренах также используется интервал тритона для привлечения внимания. Первая электронная сирена, имитирующая звук механической сирены, была изобретена в 1965 году сотрудниками Motorola Рональдом Х. Чепменом и Чарльзом В. Стивенсом.

Другие виды

Паровые свистки также использовались в качестве предупреждающего устройства, если был доступен запас пара, например, на лесопилке или фабрике. Они были распространены до широкого распространения пожарных сирен, особенно в бывшем Советском Союзе. Огневые рога – большие рога, работающие от сжатого воздуха – также использовались и до сих пор используются как альтернатива пожарной сирене. Многие системы пожарных рогов были подключены к пожарным извещателям, расположенным по всему городу, и при срабатывании извещателя передавали кодовый сигнал, соответствующий его местоположению. Например, при срабатывании извещателя номер 233, пожарный рог издавал два сигнала, затем паузу, затем три сигнала, затем паузу и еще три сигнала. В те времена, когда телефонов не было, это был единственный способ для пожарных узнать местонахождение пожара. Кодированные сигналы обычно повторялись несколько раз. Эта технология также применялась и к многим паровым свисткам. Некоторые пожарные сирены оснащены тормозами и демпферами, позволяющими им передавать кодовые сигналы. Эти устройства, как правило, были ненадежными и сейчас встречаются редко.

Физика звука

Механические сирены продувают воздух через прорезной диск или ротор. Циклические волны воздушного давления являются физической формой звука. Во многих сиренах центробежный вентилятор и ротор интегрированы в единую деталь, приводимую в движение электродвигателем. Электронные сирены – это высокоэффективные громкоговорители со специализированными усилителями и генераторами тона. Они обычно имитируют звуки механических сирен, чтобы быть узнаваемыми. Для повышения эффективности сирены используется относительно низкая частота, как правило, несколько сотен герц. Звуковые волны низкой частоты лучше огибают углы и проходят сквозь отверстия. Сирены часто используют рупоры для направления волн давления, что позволяет более эффективно использовать энергию сирены. Экспоненциальные рупоры достигают аналогичной эффективности при меньшем количестве материала. Частота, то есть количество циклов в секунду звука механической сирены, контролируется скоростью вращения ротора и числом отверстий. Воющий звук механической сирены возникает при изменении скорости вращения ротора. Вой обычно сигнализирует о нападении или чрезвычайной ситуации. Характерный тембр или музыкальное качество механической сирены обусловлен тем, что её звуковая волна представляет собой треугольник при графическом отображении давления во времени. При расширении отверстий излучаемое давление увеличивается, а при их закрытии – уменьшается. Таким образом, характерное частотное распределение звука содержит гармоники, кратные нечетным числам (1, 3, 5) основной частоте. Мощность гармоник уменьшается обратно пропорционально квадрату их частоты. Далекие сирены звучат более "мягко" или "тепло", поскольку их резкие высокие частоты поглощаются окружающими предметами. Двухтональные сирены часто разрабатываются для излучения малой терции, которая в музыке считается "грустным" звуком. Для этого они оснащены двумя роторами с разным количеством отверстий. Верхний тон генерируется ротором с числом отверстий, кратным шести, а нижний тон – ротором с числом отверстий, кратным пяти. В отличие от органа, малая терция механической сирены почти всегда является физической, а не темперированной. Для достижения темперированных интервалов в механической сирене роторы должны быть соединены зубчатой передачей, приводиться в движение разными двигателями или иметь очень большое количество отверстий. Электронные сирены могут легко генерировать темперированную малую терцию. Механическая сирена, способная переключаться между тонами, использует соленоиды для перемещения вращающихся заслонок, перекрывающих подачу воздуха к одному, а затем к другому ротору. Это часто используется для идентификации сигнала пожарной тревоги. При тестировании нежелателен пугающий звук, поэтому электронные сирены обычно воспроизводят музыкальные тоны, например, вестминстерские переливы. Механические сирены иногда проводят самотестирование, издавая "рычание", то есть работая на низких скоростях.

В музыке

Сирены также используются в качестве музыкальных инструментов. Они заметно фигурируют в произведениях композиторов авангарда и современной классической музыки. Примерами служат композиции Эдгара Вареза «Америка» (1918–21, переработанная в 1927), «Гиперпризм» (1924) и «Ионизация» (1931); «Симфония заводских сирен» Арсения Авраамова (1922); «Балет Механик» Джорджа Антейла (1926); Симфония № 2 Дмитрия Шостаковича (1927) и «Клаксон: Марш автомобилей» Генри Филлмора (1929), в которой используется клаксофон. В популярной музыке сирены использованы в композиции «Song to the Siren» (1992) группы The Chemical Brothers и в сегменте программы CBS News 60 Minutes, где на них играла перкуссионистка Эвелин Гленни. Вариация сирены, исполняемая на клавишных, звучит в первых тактах песни REO Speedwagon «Ridin' the Storm Out». Некоторые хэви-метал группы также используют в начале своих выступлений сирены, имитирующие сигнал воздушной тревоги. В начале песни «Money City Maniacs» (1998) канадской группы Sloan используется несколько наложенных друг на друга сирен.

Утверждения или сертификаты

У правительств могут существовать стандарты для сирен, устанавливаемых на транспортных средствах. Например, в Калифорнии сирены классифицируются как класс А или класс В. Сирена класса А достаточно громкая, чтобы её можно было установить практически в любом месте на транспортном средстве. Сирены класса В менее громкие и должны быть установлены на плоскости, параллельной уровню дорожного полотна и направлению движения транспортного средства при движении по прямой. В некоторых случаях сирены также должны быть одобрены местными органами. Например, Калифорнийская дорожная полиция утверждает конкретные модели для использования на автомобилях экстренных служб в штате. Одобрение важно, поскольку оно гарантирует надлежащую работу устройств. Более того, использование неутвержденных устройств может учитываться при определении вины в случае столкновения. Комитет SAE International по аварийным сигнальным огням и устройствам осуществляет надзор за практикой освещения автомобилей экстренных служб SAE и практикой использования сирен, J1849. Эта практика была обновлена в результате сотрудничества между SAE и Национальным институтом стандартов и технологий. Хотя эта версия остаётся в значительной степени схожей со стандартом Калифорнии Title 13 в отношении звуковой мощности под разными углами, обновленная практика позволяет акустической лаборатории тестировать двухдинамичную систему сирен на соответствие требованиям к звуковому давлению.

Лучшая практика

Сирены, или механические сирены, всегда должны устанавливаться в передней части пассажирского отсека. Это снижает уровень шума для находящихся в салоне и повышает разборчивость радиосвязи и звука мобильного телефона во время работы сирены. Кроме того, это обеспечивает эффективное распространение звука. Исследование 2007 года показало, что уровень звука в пассажирском отсеке может превышать 90 дБ(A). Исследования также показали, что сирены, установленные за решеткой радиатора или под колесными арками, создают меньше нежелательного шума внутри салона, а также сбоку и сзади транспортного средства, при этом сохраняя достаточный уровень предупреждающего сигнала. Добавление широкополосного звука к сиренам может улучшить их локализацию, подобно направленной сирене, поскольку широкий спектр частот использует три способа, которыми мозг определяет направление звука: разницу в уровне между ушами, разницу во времени между ушами и передаточную функцию головы. Наихудшие варианты установки – это когда звук сирены исходит сверху и немного сзади от пассажиров, например, при использовании динамика, установленного на световой панели седана или пикапа. Транспортные средства со скрытыми сиренами также, как правило, имеют высокий уровень шума внутри. В некоторых случаях скрытая или некачественная установка может привести к уровням шума, способным вызвать необратимое повреждение слуха пассажиров. Механические сирены с электроприводом могут потреблять от 50 до 200 ампер при 12 вольт (DC) при разгоне до рабочей скорости. Соответствующая проводка и защита от переходных процессов для блоков управления двигателем являются обязательными элементами установки. Сечение проводов должно быть аналогично сечению проводов стартера двигателя. Механические устройства, устанавливаемые на транспортные средства, обычно оснащены электрическим тормозом – соленоидом, который прижимает фрикционный накладку к ротору сирены. Это позволяет оператору быстро остановить сирену по прибытии на место происшествия или при отмене вызова. Многоканальные электронные сирены часто подвергаются критике за наличие "мертвых зон" под определенными углами к направлению движения транспортного средства. Это вызвано фазовыми сдвигами. Звук, излучаемый динамиками, в некоторых ситуациях может подвергаться фазовой компенсации. Эта фазовая компенсация происходит на отдельных частотах, в зависимости от расстояния между динамиками. Эти фазовые сдвиги также объясняют увеличение громкости на определенных частотах и при определенном расстоянии между динамиками. Однако сирены спроектированы таким образом, чтобы изменять частоту выходного сигнала, как правило, в диапазоне не менее одной октавы. Это изменение частоты минимизирует эффект фазовой компенсации. В результате средний уровень звукового давления от системы с двумя динамиками на 3 дБ выше, чем от системы с одним динамиком.