Снижение шума от автотранспортных потоков в городской жилой застройке использованием экранирующих свойств сооружений остановочных пунктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Павлова Ульяна Юрьевна

• Павлова Ульяна Юрьевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Павлова Ульяна Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ, СОЗДАВАЕМОГО АВТОТРАНСПОРТНЫМ ПОТОКОМ

1.1 Шумовой мониторинг сложившейся жилой застройки крупных городов, прилегающей к улично-дорожной сети

1.2 Пути и методы снижения акустического загрязнения жилой застройки, прилегающей к автомобильной дороге

1.3 Анализ приемлемых методов снижения акустического загрязнения в местах расположения остановочных пунктов общественного транспорта

1.3.1 Экранирование как метод снижения акустического загрязнения от автотранспортных потоков

1.3.2 Архитектурно-планировочные методы снижения акустического загрязнения жилой застройки

1.3.3 Выбор и обоснование строительной конструкции для снижения акустического загрязнения в местах расположения остановочных пунктов общественного транспорта

1.4 Выводы и постановка задач исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОТ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ «АВТОМОБИЛЬНАЯ ДОРОГА - ЖИЛАЯ ЗАСТРОЙКА»

2.1 Теоретическая оценка процессов формирования и распространения акустического загрязнения от автотранспортных потоков

2.1.1 Эмпирические методы анализа

2.1.2 Метод энергетического суммирования

2.2 Особенности моделирования процессов формирования и распространения автотранспортного шума

2.2.1 Представление в модели среды для распространения шума

2.2.2 Представление в модели СООТ, здания и грунта

2.2.3 Представление в модели источника шума и его приемника

2.2.4 Программная реализация модели

2.2.5 Постановка задачи на теоретическое исследование эффективности экранирования СООТ

2.3 Выводы по главе

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В СИСТЕМЕ «АВТОМОБИЛЬНАЯ ДОРОГА - ЖИЛАЯ ЗАСТРОЙКА»

3.1 Методика натурных экспериментальных исследований

3.2 Результаты экспериментальных натурных исследований и их обработка

3.3 Экспериментальное подтверждение адекватности разработанной модели

3.4 Выводы по главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОЗАЩИТНОГО ЭФФЕКТА СООТ

4.1 Особенности экранирования шума сооружениями остановочного пункта общественного автотранспорта

4.2 Влияние высоты СООТ на шумозащитный эффект

4.3 Влияние ширины СООТ на шумозащитный эффект

4.4 Влияние высоты ДЭП на шумозащитный эффект СООТ

4.5 Влияние угла наклона ДЭП на шумозащитный эффект СООТ

4.6 Влияние расположения источника шума на проезжей части

4.7 Влияние типа и конфигурации СООТ

4.8 Оптимизация технических параметров установки СООТ

4.9 Перспективы совершенствования и развития разработки

4.10 Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение шума от автотранспортных потоков в городской жилой застройке использованием экранирующих свойств сооружений остановочных пунктов»

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии со ст. 42 Конституции РФ каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, т.е. возможность жить в условиях, не наносящих вреда жизни и здоровью, а также право на получение достоверной информации о состоянии окружающей среды. Продолжающийся рост интенсивности автомобильного движения способствует возрастанию уровня шума от автотранспортных потоков, что приводит к увеличению территорий, подверженных акустическому загрязнению. Во всем мире решению вопроса обеспечения акустического комфорта населения уделяется огромное внимание. UNESCO: «Шум - это бедствие современного мира и нежелательный продукт его технической цивилизации». Общепризнан широкий диапазон негативного влияния шума на человеческий организм человека общепризнано и проявляется в широком диапазоне воздействий, начиная с субъективных психологических раздражений, заканчивая объективными патологическими и функциональными изменениями органов слуха, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем. Научные исследования показали, что шум снижает работоспособность людей. В Справочной энциклопедии дорожника [81] шум определен как сочетание звуков различной интенсивности и частоты, нежелательное для людей. Для современных городов характерны высокие уровни шума, причем преобладает шум от автотранспортных потоков, как на улично-дорожной сети, так и на объездных автомагистралях. Поэтому проблема снижения шумового загрязнения, создаваемого автотранспортными потоками и в городах, и других населенных пунктах, сегодня актуальна.

Так, согласно данным аналитического агентства «Автостат» в России зарегистрировано 43,5 млн легковых автомобилей, на первом месте выступает Москва - почти 3,7 млн., на втором - Санкт-Петербург (1,75 млн.). В России уровень автомобилизации составляет 306 ТС. В Воронеже зарегистрировано 330 тыс. единиц автотранспортных средств, причем на 1 тыс. жителей приходится 315 автомобилей [107].

Расширение городских территорий, рост плотности населения, интенсификация автомобильных перевозок являются причиной увеличения уровня акустического загрязнения селитебной зоны, находящейся вблизи автомобильных дорог.

Следует отметить, что особенности застройки в городах во многом находятся в причинно-следственной связи с негативной шумовой обстановкой в пространстве селитебной территории, прилегающей к улично-дорожной сети. Так, в зоне наибольшего шумового загрязнения находятся жилые дома, как правило, пониженной этажности, расположенные вблизи с дорогой. Далее, в глубь жилой застройки (более поздних лет) акустическое загрязнение меньше из-за экранирующего эффекта домов первой линии. Высокий уровень шума от автотранспортных потоков наблюдается на участках улично-дорожной сети со светофорными объектами - это регулируемые пересечения проезжих частей и пешеходные переходы, а также места остановок маршрутных транспортных средств.

Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена: во-первых, интенсивностью шумового воздействия на жилую застройку, прилегающую к участкам улично-дорожной сети (УДС) со светофорным регулированием, сопряженным с остановочными пунктами общественного транспорта, во-вторых, ограниченным выбором методов снижения шума от автотранспортных потоков в условиях уже сложившейся городской застройки, в-третьих, отсутствием научных разработок, методик и рекомендаций по использованию сооружений остановочных пунктов как экранирующего средства шумозащиты жилой застройки от автотранспортного шума.

Недостаточная изученность данной проблематики и ее практическая востребованность обусловили необходимость научного подхода и поиска конструктивных решений СООТ для достижения максимального эффекта снижения шума от автотранспортных потоков в части сложившейся жилой застройки, прилегающей к местам регулируемых пересечений проезжих частей и

пешеходных переходов, сопряженным с остановочными пунктами общественного транспорта.

Целью диссертационной работы является снижение шума от автотранспортного потока в сложившейся жилой застройке, прилегающей к участкам улично-дорожной сети со светофорным регулированием, использованием экранирующих свойств сооружений остановочных пунктов общественного транспорта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд следующих задач.

1) Провести анализ шумовой обстановки на основе теоретических и экспериментальных исследований в системе «автомобильная дорога - жилая застройка» на участках УДС со светофорным регулированием, сопряженных с остановочными пунктами общественного транспорта, и обосновать приемлемые методы для снижения шума в рассматриваемой системе.

2) Провести теоретический анализ процессов формирования и распространения шума от автотранспортного потока и их моделирование с программной компьютерной реализацией в системе «автомобильная дорога -СООТ - жилая застройка» на участках УДС со светофорным регулированием, сопряженных с остановочными пунктами общественного транспорта.

3) Провести натурные экспериментальные исследования процессов формирования и распространения шума от автотранспортного потока в системе «автомобильная дорога - СООТ - жилая застройка» для подтверждения адекватности теоретической модели и шумозащитного эффекта СООТ за счет их экранирующих свойств.

4) Разработать методику и компьютерную программу для расчета параметров СООТ и дополнительной экранирующей панели (ДЭП), размещаемой на их кровле, для достижения максимального шумозащитного эффекта конструкций.

5) Разработать номограммы для инженерных расчетов оптимальных параметров СООТ и ДЭП для достижения максимального шумозащитного эффекта в жилой застройке.

Степень разработанности темы. Решению задач снижения шума от транспортных автомагистралей и уменьшения шумового загрязнения прилегающей к ним жилой застройки уделено большое внимание в работах Аистова В.А., Климухина А.А., Коробкова В.Е., Самойлюк Е.П., Факторович

A.А., Осипова Г.Л., Юдина Е.Я., Иванова Н.И., Карагодиной И.Л., Мининой Н.В., Ковригина С.Д., Поспелова П.И., Подольского В.П., Пруткова Б.Г., Асминина

B.Ф., Шубина И.Л., Тюриной Н.В., Шашурина А.Е., Бакаевой Н.В., Леденева В.И. и других отечественных ученых, в том числе зарубежных - Маекава Д., Курце У., Андерсон Ж., Ретингер М. и др. В настоящее время разработаны различные методы расчета и средства снижения шума в селитебных зонах от наземных транспортных средств. Также, на сегодняшний день существует ряд программных продуктов для ЭВМ: Shum 2011 (используется при расчете защиты от шума), программная система «СТАР» (санитарно-технические акустические расчеты), EXNOISE (математическая модель распространения шума в объеме городской застройки) и т.п. К основным средствам снижения шума можно отнести придорожные шумозащитные экраны (ШЗЭ) различного исполнения. Значительная часть современных исследований направлена на совершенствование методик их проектирования и размещения, а также повышение точности результатов расчета акустической эффективности применения. Однако для решения поставленной цели возможность применения ШЗЭ ограничена рядом причин, к основным из которых можно отнести ограничение передвижения пешеходов и нарушение облика улиц города. Это побудило к поиску новых путей снижения акустического загрязнения части сложившейся жилой застройки, прилегающей к участкам УДС со светофорным регулирование, которые, как правило сопряжены с местами остановок общественного транспорта.

Объектом исследования являются участки жилой застройки, прилегающие к УДС и сопряженные с остановочными пунктами общественного транспорта.

Предмет исследования - экранирующие шумозащитные свойства сооружений остановочных пунктов общественного транспорта.

Методы - аналитические, теоретические и натурные экспериментальные исследования шумозащитных свойств сооружений остановочных пунктов, программное моделирование рассматриваемых процессов формирования и распространения шума от автотранспортного потока.

Обработка результатов исследования проведена методами математической статистики, а также на основе разработанного программного продукта (компьютерная программа «Программа для моделирования распространения шума через сооружения на остановках общественного транспорта» на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0).

Информационной базой диссертационной работы послужили ранее выполненные исследования ученых, а также результаты экспериментального изучения процессов формирования и распространения шума от автотранспортного потока в сложившейся в 1950-1970 гг. жилой застройке, прилегающей к улично-дорожной сети города Воронежа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- обоснована экранирующая эффективность сооружений остановочных пунктов общественного автотранспорта в снижении шума от автотранспортного потока в жилой застройке на основании теоретических и натурных экспериментальных исследований;

- разработаны модель формирования и распространения шума от автотранспортного потока в системе «автомобильная дорога - СООТ - жилая застройка» и ее программная компьютерная реализация, позволяющая визуализировать процесс распределения шумового воздействия по высоте защищаемого жилого здания с количественными характеристиками уровня акустического загрязнения;

- обоснованы основные параметры предложенной дополнительной экранирующей панели (высота и угол наклона), располагаемой на кровле СООТ, для повышения шумозащитного эффекта сооружения; выбор параметров

дополнительной экранирующей панели (ДЭП) осуществлен с использованием компьютерного моделирования;

- получены аналитические зависимости по результатам натурных экспериментальных исследований, на основе которых разработаны номограммы для инженерных расчетов по выбору оптимальных параметров ДЭП, обеспечивающих максимальный шумозащитный эффект в зависимости от расположения СООТ относительно автомобильной дороги и защищаемого жилого здания.

Достоверность результатов, приведенных в диссертации,

подтверждается результатами натурных экспериментальных исследований, проведенных на улично-дорожной сети г. Воронежа и их обработкой методами математической статистики; применением существующих теоретических представлений прикладной акустики; использованием современных измерительных приборов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложенное теоретическое представление процессов формирования и распространения автотранспортного шума в системе «автомобильная дорога - СООТ - жилая застройка» было использовано при разработке программы моделирования процесса распространения шума через СООТ. Созданная программа позволяет проектировать данные сооружения с заданными шумозащитными характеристиками относительно жилой застройки городов. Получено свидетельство о государственной регистрации компьютерной программы «Программа для моделирования распространения шума через сооружения на остановках общественного транспорта». Разработана методика по выбору параметров СООТ и ДЭП для их эффективного применения в качестве средства шумозащиты жилой застройки.

Теоретической и методологической основой исследования являются теоретические положения процесса шумообразования от автотранспортных потоков в жилой застройке, базирующиеся на современных представлениях прикладной акустики; методы анализа шумовых характеристик автотранспортных

потоков, методы математической статистики, многофакторный корреляционный анализ.

На защиту выносятся:

1) теоретическое и экспериментальное обоснование использования СООТ, обладающих экранирующим эффектом, в качестве средства защиты населения от акустического загрязнения в сложившейся жилой застройке, прилегающей к участкам улично-дорожной сети со светофорным регулированием, сопряженным с остановочными пунктами;

2) теоретическая модель процессов формирования и распространения шума от автотранспортного потока в системе «автомобильная дорога - СООТ - жилая застройка»;

3) компьютерная программа, реализующая теоретическую модель с визуализацией процесса распространения шума от автотранспортного потока, его прохождения через СООТ до жилой застройки и с количественной оценкой значений акустического загрязнения по высоте здания;

4) методика расчета оптимальных параметров СООТ и ДЭП, устанавливаемой на их кровле, обеспечивающих максимальный шумозащитный эффект в зависимости от расположения СООТ относительно автомобильной дороги и защищаемого жилого здания.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертации были доложены, рассмотрены и одобрены: на Международном конгрессе по охране труда (г. Москва, 2007 г.); II Международной научно-практической конференции (г. Невинномысск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: опыт, проблемы, поиски решения» (г. Казань, 26 февраля 2010 г.); III Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2010 г.); XII Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ» (г. Ухта, 18 марта 2011 г.); II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы БЖД и защиты населения и территорий в ЧС» (г. Ставрополь, 25 апреля 2011 г.);

IV Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы социально-политического и экономического развития России и мира» (г. Воронеж, 14 мая 2010 г.); V Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых «Социально-политические и экономические проблемы развития России и мира в первой четверти XXI века» (г. Воронеж, 4 декабря 2010 г.) и на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ВГЛТА в 2006-2009 гг.; на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы градостроительства. Инфраструктура, инженерные и дорожно-транспортные коммуникации» (г. Воронеж, 2014 г.).

Реализация работы. Основные инновационные элементы экранирующих конструкций были представлены на Воронежской промышленной выставке и отмечены дипломом Победителя конкурса «За инновационную привлекательность». Получен акт о внедрении ООО «Липецкницстройпроект», а также - одобрение от главного архитектора г. Липецка на использование рекомендаций представляемого исследования для технологического и конструктивного исполнения остановочных пунктов УДС г. Липецка.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 7 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа изложена на 1 26 страницах, содержит 9 таблиц, 46 рисунков, список литературы из 123 наименований и 7 приложений.

ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ, СОЗДАВАЕМОГО АВТОТРАНСПОРТНЫМ ПОТОКОМ

1.1 Шумовой мониторинг сложившейся жилой застройки крупных городов,

прилегающей к улично-дорожной сети

Комплекс звуков (шум), вызывающий неприятные ощущения у человека или причиняющий вред его здоровью, характеризуется понятием шумового или акустического загрязнения [81]. Последнее, как правило, обусловлено хозяйственной деятельностью человека и в современных условиях развития общества является актуальной проблемой обеспечения экологической безопасности городской среды. Диаметрально противоположным понятием шумового загрязнения является акустический (звуковой) комфорт. Следует отметить, что понятие комфорта субъективное, поскольку характеризуется громкостью (звуковым давлением), частотой и степенью привычности звуков для определенной группы людей. Для оценки звукового комфорта используют коэффициент акустической комфортности - это отношение количества жителей, проживающих на территории с эквивалентным уровнем звука, не превышающим допустимого значения, к общему числу жителей района (города, области и т.д.). По санитарным правилам СП 51.13330.2011 допустимым уровнем шума принято считать величину в 40 дБА в дневное время (с 7 до 23 ч.) и 30 дБА в ночное (с 23 до 7 ч.), максимальный уровень шума составляет соответственно 55 дБА и 45 дБА [14]. В случае, когда уровень шума как по эквивалентному, так и по максимальному уровню, не превышает данные значения, он считается допустимым.

В современных условиях актуальным является вопрос обеспечения акустического комфорта в зоне влияния автомобильных дорог, в том числе, в условиях города. На рубеже ХХ-ХХ1 вв. увеличение количества автомототранспорта, и как следствие, повышение интенсивности и плотности

транспортных потоков, способствовало росту уровня акустического загрязнения жилой застройки вблизи автомобильной дороги (эквивалентный уровень звука возрос на 15-20 дБА) [76].

Ниже, в таблице 1.1, приведены уровни шума от различных видов транспортных средств (ТС) [92, 103].

Таблица 1.1 - Уровни шума от различных транспортных средств

Вид ТС Уровень шума, дБА

Среднее значение Максимальное значение

мопед 73 82

мотоцикл 78 87

легковой автомобиль с бензиновым двигателем 70 77

легковой автомобиль с дизельным двигателем 72 78

автобус 80 86

мощный грузовой автомобиль 85 90

Следует отметить, что во многом особенности городской застройки способствовали возникновению зоны акустического дискомфорта в пространстве селитебной территории вблизи автомобильной дороги [52]. К таким особенностям можно отнести:

- достаточно близкое расположение жилых зданий к улично-дорожной сети (15-20 м);

- увеличение интенсивности автотранспортных потоков предусматривалось не более 3% на перспективу;

- малоэтажная застройка жилых кварталов (до 4-х этажей, уже позднее 9-ти этажные многоквартирные дома).

На рисунке 1.1 представлен пример подобной застройки, расположенной по улице «Ленинский проспект», г. Воронеж.

Рисунок 1.1 - Фотография жилой застройки по Ленинскому проспекту

г. Воронежа

В г. Воронеже, как и во многих других городах с численностью населения от 300 тыс. до 1 млн. человек, строительство жилой застройки осуществлялось в 50-70 е гг. ХХ в. В настоящее время она с характерными особенностями, перечисленными выше, определяет облик города и его улично-дорожную сеть.

Проведенный мониторинг уровня автотранспортного шума в «часы пик» на улично-дорожной сети г. Воронежа показал, что наиболее неблагоприятная обстановка по акустическому загрязнению сложилась в местах расположения остановок общественного транспорта. Измерения эквивалентного уровня шума от автотранспортного потока одновременно проводились в трех точках -непосредственно на самом остановочном пункте, а также на расстояниях в 50 и 100 метров до и от него. Доминирующие значения уровня шума (около 77 дБА) зафиксированы именно в местах расположения остановочного пункта в сравнении с удаленными точками измерений [74].

Полученные результаты измерений представлены в виде графика на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - График распределения усредненных значений уровня шума от автотранспортного потока на остановочных пунктах «Полины Осипенко»,

«Нижняя» г. Воронежа

Для данных участков улично-дорожной сети (УДС) города характерно наличие светофорного регулирования и наземных пешеходных переходов. Первое обстоятельство приводит к периодической максимальной концентрации транспортных средств на остановочных пунктах и циклическому изменению режимов их движения (торможение, начало движения, разгон). Второе обстоятельство также способствует скоплению людей, подвергающихся негативному шумовому воздействию.

Стабильные значения уровня шума в зависимости от времени суток в ходе акустического мониторинга наблюдались на перегонах УДС: 73-74 дБА в дневное время суток. При подъезде к светофорному объекту, в том числе оборудованному таймером, водители ТС стремятся осуществить проезд на разрешающий сигнал, при этом превышая установленный скоростной режим, что также способствует увеличению уровня шума.

Предлагаемая диссертационная работа направлена на поиск, а также теоретическое и экспериментальное обоснование путей и методов снижения акустического загрязнения в системе «автомобильная дорога - жилая застройка» в условиях города, где сложившаяся жилая застройка находится в

непосредственной близости с местами остановочных пунктов общественного автотранспорта.

1.2 Пути и методы снижения акустического загрязнения жилой застройки,

прилегающей к автомобильной дороге

01.01.2004 были введены в действие строительные нормы и правила РФ СНиП 23-03-2003 «Защита от шума», актуальной версией которых на сегодняшний день являются санитарные правила СП 51.13330.2011 [14]. Именно в нем, с целью защиты от акустического загрязнения и обеспечения нормативных параметров по шуму, в том числе, и на территории жилой застройки, содержатся обязательные требования, предъявляемые на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации зданий жилой застройки.

Снижение шума от автотранспортных потоков может быть осуществлено с помощью, как пассивных, так и активных мероприятий [15]. К первой группе относят: трассирование участков автомобильной дороги, находящейся вблизи населенных пунктов, что позволяет обеспечить акустический комфорт с учетом допустимых эквивалентных уровней звука для зданий различного назначения; использование малошумных составов дорожного покрытия; а также регулирование дорожного движения («зеленая волна», выравнивание скорости движения потока и его состава). Реализация таких мероприятий не требует существенных дополнительных материальных затрат. К активным - относят специальные шумозащитные сооружения, устройство которых требует дополнительных капитальных затрат.

Выбор мероприятий, направленных на защиту жилой застройки от автотранспортного шума, как правило, осуществляется, исходя из категории автомобильной дороги, интенсивности движения, а также с учетом назначения территории и ее застройки [64].

Таблица 1.2 - Мероприятия по защите территории, прилегающей к автомобильной дороге, от транспортного шума [15]

Тип (категория) дорог Характеристики застройки прилегающей территории Шумозащитные мероприятия

Городские улицы и дороги Плотная многоэтажная застройка - организация движения грузовых автомобилей вне селитебных территорий (обустройство объездных дорог, выделение городских дорог для движения грузовых ТС); - полное или частичное (по времени) ограничение или запрещение движения грузовых автомобилей; - ограничение скорости движения ТС, «успокоение движения»; - развитие общественного транспорта; - шумозащитные экраны средней и большой высоты; - полная или частичная изоляция проезжей части (тоннели, галереи); - комбинация указанных выше мероприятий.

Улицы и дороги в центральной части крупных городов Плотная многоэтажная застройка с малыми расстояниями между фасадами зданий - полное или частичное (по времени) ограничение или запрещение движения личных ТС; - шумозащитные экраны большой высоты; - полная изоляция проезжей части (тоннели, галереи); - комбинация указанных выше мероприятий.

В классической прикладной акустике основные пути снижения уровня шума осуществляются по следующим направлениям [40]:

1) в источнике его возникновения;

2) на пути распространения шума от источника до объекта защиты;

3) непосредственно на объекте шумозащиты.

Применительно к рассматриваемой системе данные направления схематично представлены на рисунке 1.3 [50].

Направления по снижению акустического загрязнения от автотранспортных потоков

Улучшение

акустических

характеристик ТС:

совершенствование

конструкции ТС на

стадиях

—► проектирования и

изготовления,

контроль за

техническим

состоянием ТС в

процессе их

эксплуатации

Улучшение

акустических

—► характеристик

дороги

Функциональное зонирование

Выведение из жилого фонда помещений наиболее подверженных негативному

шумовому воздействию

Применение специального

остекления жилых зданий

Применение звукопоглощающ их материалов в строительстве

Рисунок 1.3 - Направления по снижению шума от автотранспортного потока в

жилой застройке

В источнике возникновения снижение автотранспортного шума может быть достигнуто применением конструктивных методов (1, рисунок 1.3), которые реализуются на стадии проектирования и в процессе производства транспортных средств. Следует отметить, что внешний шум автомобиля создает совокупность звуков, производимых механизмами, системами и узлами автомобиля при его работе (функционировании), это волновое механическое движение частиц (акустические колебания) воздушной среды с большим числом частот различных амплитуд [7].

Основными источниками шума, создаваемого непосредственно самим транспортным средством, являются: силовая установка (корпус двигателя, системы впуска и выпуска), система охлаждения двигателя, трансмиссия (коробка передач и задний мост), колеса, тормозная система. Поэтому эффективность мероприятий по его снижению зависит от результатов научно-технического прогресса, применяемых на автотранспортном производстве [24]. Помимо стадий проектирования и производства ТС, проблема снижения шума от транспортного средства может быть решена в процессе его эксплуатации. Так, в ходе технического осмотра измеряется уровень внешнего шума ТС, что определяет его допуск к эксплуатации [4].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлова Ульяна Юрьевна, 2022 год

источник шума

Высокочастотный участок

Среднечастотный участок

Зона акустической тени

Низкочастотный

участок

б)

Рисунок 2.2 - Схематичное изображение зоны звуковой тени, образуемой экраном: ¡экрана - длина экрана, 1тени - длина звуковой тени

Экранирование звуковой волны не дает тени с резкими очертаниями, как указано на рисунке 2.2 а. Низкочастотные волны хуже поддаются экранированию, чем высокочастотные, так как длина волны низкочастотного звука часто равна или превышает размеры экрана. Так, при небольшой протяженности экрана он выступает как дифракционное препятствие, на краях которого наблюдаются явления дифракции и интерференции, в результате чего шум частично проникает в зону акустической тени.

Глубину зоны звуковой тени за экраном (рисунок 2.2 б) можно определить по формуле:

12

I тти = (2.10)

где 1э - длина экрана, X - длина волны источника шума.

Возможность проникновения звуковой энергии за экран определяется соотношением его размера и длины звуковой волны: чем больше длина звуковой волны, тем меньше область его акустической тени. Последняя определяет акустическую эффективность экрана. Это основной оценочный параметр, зависящий также от параметров источника шума и окружающей среды (звукопоглощение). Механизмы поглощения звука в окружающей среде могут быть связаны с поглощением звука атмосферой, а также влиянием ветра, влажности воздуха, температурных градиентов, турбулентностей, зеленых насаждений и т.п.

Необходимо также учитывать огибание экрана звуковыми волнами по его верхней и боковым (при незначительной длине экрана) кромкам. В основе расчета эффективности экранирующих сооружений (определение снижения уровней звука экранами) используются методы Маекавы или Реттингера и Редферна, основанные на геометрических построениях [16]. Так, Маекавой на основании обобщения многочисленных экспериментальных данных разработана следующая формула:

Мэкр = 201д ^ * +5, (2.11)

где N - число Френеля, величина которого зависит от типа экрана. Для вертикального экрана-стенки расчет числа Френеля производится по формуле:

и = 2£ = 2(а1Ь-£), (2.12)

Я я

где 5 - разность хода звуковых лучей через кромку экрана и через сам экран непосредственно:

кратчайшее расстояние между акустическим центром источника шума и верхней кромкой экран

кратчайшее расстояние между акустическим центром источника шума и верхней кромкой экран, для расчетной точки за экраном

расстояние между акустическим центром источника шума и расчетной точкой

Для расчета акустической эффективности экрана-здания в указанных выше формулах величина г: суммируется с шириной такого экрана (rl+Дw). Также учитывается определяемая графически величина поправки, учитывающая дифракцию звука на верхних и боковых кромках экрана [16].

Следует отметить, что существующие методы анализа процесса формирования автотранспортного шума в условиях городской застройки не охватывают всего разнообразия факторов, влияющих на него. Шумовой режим в жилой застройке, прилегающей к УДС города, в значительной степени определяется реверберационным фоном, возникающим по причине многократного отражения звука от поверхностей зданий. Его влияние изучено недостаточно ввиду нерегулярных отражающих поверхностей, а, следовательно, сложности пространственно-геометрической модели распространения [38, 85 ,99]. Кроме того, рассматривая места расположения остановочных пунктов общественного автотранспорта в непосредственной близости к жилой застройке, можно наблюдать наличие светофорных объектов и пешеходных переходов, влияющих на режим движения транспортных средств.

Таким образом, для проведения анализа процесса формирования акустического загрязнения от автотранспортных потоков прилегающей жилой застройки необходимо учитывать многочисленные факторы, относящиеся к элементам системы «автомобильная дорога - жилая застройка». Основными факторами элемента «автомобильная дорога» являются транспортные (состав потока, скорость его движения, интенсивность, техническое состояние ТС, объем перевозимого груза, использование звуковых сигналов) и дорожные (продольный и поперечный профили дороги, состояние дорожного покрытия, наличие пересечений, светофорного регулирования и разделительных полос). К основным факторам элемента «жилая застройка» можно отнести композиционные решения застройки (тип УДС, расположение относительно проезжей части дороги, этажность, наличие экранирующих зданий и сооружений), а также защитные факторы, понижающие уровень шума (материалы, используемые при строительстве зданий - звукопоглощающие, звукоотражающие; шумозащитные оконные блоки).

2.2 Особенности моделирования процессов формирования и распространения

автотранспортного шума

Распространение шума от автотранспорта, экранированное сооружениями, является чрезвычайно сложным процессом с точки зрения математического описания [88]. Сложность моделирования обусловлена наличием, как минимум, четырех сред (воздух, грунт, материал сооружения на остановочном пункте, материал здания), необходимостью воспроизведения в модели геометрической конфигурации СООТ с высоким пространственным разрешением, заданием сложного пространственного распределения для источника шума, необходимостью воспроизведения в среде дифракционных и интерференционных явлений [36]. Поэтому при выборе математического аппарата для моделирования было принято решение ориентироваться не на приближенные оценочные методы

инженерной акустики, а на высоко детализованную модель с использованием возможностей современной вычислительной техники.

2.2.1 Представление в модели среды для распространения шума

В последние десятилетия для моделирования распространении звука используют сеточные модели, с представлением моделируемой среда как совокупности множества упругих элементов [17, 36, 88].

Поэтому в данной работе используется один из вариантов метода моделирования с использованием разбиения среды распространения звука на множество однотипных упругих элементов.

Исходя из симметрии моделируемого объекта было принято решение использовать двумерную модель XZ, соответствующую поперечному срезу автодороги с прилегающими СООТ и экранируемым зданием.

Для моделирования распространения звука исследуемая среда была представлена в виде сеточной модели с сосредоточенными параметрами (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Сеточная модель (1 - элемент массы, 2- элемент жесткости (упругости), 3 - элемент вязкости (демпфирования)): а - индексация узлов сетки;

б - отдельное вязкоупругое взаимодействие; в - появление упругих сил при смещении узлов сетки из равновесных положений

Каждый узел сетки характеризуется следующими параметрами:

- тип среды ку (для воздушной среды принято обозначение ку = 1, для грунта ку = 2, для материала СООТ ку = 3, для материала здания ку = 4);

- масса ту, связанная с объемной плотностью среды р соотношением т = р^о3, где - шаг сетки;

- коэффициент жесткости взаимодействия с соседними элементами су;

- коэффициент вязкости (демпфирования) взаимодействия с соседними элементами ^у;

- декартовы составляющие смещения из равновесного положения ху, гу;

- декартовы составляющие скорости Уху, Угу.

Каждый узел сетки имеет четыре соседа, с которыми возможно механическое взаимодействие. В большинстве расчетов шаг дискретизации пространства составлял = 0,167 м, а размеры сетки составляли 300 х 240 ячеек, что соответствует реальному размеру 50 х 40 м2 (рисунки 2.4, 2.5). Ниже размеры сетки обозначаются п х т (г = 1 ... п, ] = 1 ... т). Если считать, что длина волны звука в модели не может быть меньше шага сетки 0,167 м, то при скорости звука в воздухе 335 м/с получаем оценку максимальной частоты звука, которую может воспроизводить модель: 335 / 0,167 = 2006 Гц. Это позволяет воспроизвести в модели распространение шумов широкого частотного диапазона (инфразвукового, низко- и среднечастотного).

При моделировании распространения звука физико-математическая модель должна отражать шесть физических эффектов:

- распространение звуковой волны;

- отражение;

- поглощение;

- преломление;

- дифракция;

- интерференция.

В разработанной модели учитываются все выше перечисленные эффекты.

Распространение звуковой волны. Если изначально все элементы системы, имитирующие среду, неподвижны, и одному из элементов сообщается колебательное движение, то через упруго-вязкое взаимодействие колебательное движение передается четырем ближайшим соседним элементам. Пришедшие в колебательное движение соседние элементы передают механическое возмущение последовательно дальше к другим элементам и т.д. Постепенно колебательное движение охватывает всю систему, при этом воспроизводится типичный процесс волнообразного движения. Несмотря на использование кубической сетки, не проявляется эффект анизотропии на масштабах длины более 2...3 шагов сетки: на рисунке 2.4 фронт волны имеет круглую форму.

б

Рисунок 2.4 - Компьютерная визуализации моделируемых процессов в системе «автомобильная дорога - СООТ - жилая застройка»: 1 - воздушная среда; 2 - грунт; 3 - жилое здание; 4 - источник шума; 5 - СООТ; смещения узлов воздушной среды: а - пропорциональны оттенкам серого цвета; б - показаны

непосредственно с увеличением смещений в 105 раз для наглядности

На рисунке 2.4 а оттенками серого цвета обозначено движение фронта звукового импульса, характеризующее процесс распространения шума от автотранспортных потоков в рассматриваемой системе.

Представление моделируемых сред, смещение их узлов, многократно усилено для наглядности и отражено на рисунке 2.4 б.

Так как в модели элементы воздушной и твердотельных сред существенно различаются в физических параметрах (сосредоточенная масса, коэффициенты жесткости и демпфирования), то модель с высокой физической адекватностью воспроизводит отражение звука в воздухе от твердотельных препятствий. Когда фронт волны, распространяясь по элементам воздуха, встречает твердотельное препятствие в виде элементов со значительно большей массой, то элементам препятствия передаются колебания незначительной амплитуды, а контактирующие с препятствием элементы воздуха в результате совместного взаимодействия формируют отраженную волну. На рисунке 2.4 можно увидеть фронт единичного звукового возмущения сферической формы, источником которого был автомобиль (4) и отраженный фронт от СООТ (5).

В модели учитываются поглощение и рассеивание звука, как в твердотельной среде, так и в воздушной, введением в сеточную модель элементов демпфирования, которые характеризуются коэффициентом вязкости среды. Следовательно, после прохождения звуковой волны через твердотельный экран ее энергия в результате рассеивания внутри структуры значительно снижается и уменьшается амплитуда колебаний.

Эффекты преломления при распространении волн обусловлены различием скоростей распространения волны в различных контактирующих средах. В данном случае, в грунте 2 (рисунок 2.4) волна распространяется значительно быстрее, чем в воздухе 1 из-за того, что упругие связи между элементами грунта имеют на много порядков больший коэффициент жесткости, чем между элементами воздуха. Поэтому разработанная модель благодаря своей физической

универсальности автоматически воспроизводит и эффекты преломления.

В физическом принципе в разработанной модели отражено воспроизведение эффектов дифракции и интерференции. Применительно к модели явление дифракции представлено так, что каждый элемент, смещенный от положения равновесия, превращается в локальный источник волн. Благодаря вычислительной технике рассчитывается волновое поведение всей системы, полученное от наложения колебательного движения всех элементов модели -первичных и вторичных источников колебаний.

Интерференция в модели находит отражение в результате наложения колебательного движения от различных источников. Благодаря упругой механической модели воспроизводятся аддитивные эффекты: при наложение нескольких смещений элемента от различных колебательных движения происходит результирующее аддитивное смещение. Благодаря этому происходит перераспределение волновой картины в соответствии с принципами классической интерференции. На рисунке 2.4 видно, что фронт волны, отраженный от СООТ 5наложился (интерферировал) с изначально распространяющимся фронтом волны от источника шума 4, в результате чего возмущение вблизи контакта фронтов стало более выраженным (интерференционное перераспределение энергии).

Таким образом, разработанная модель является физически достаточной для исследования распространения звука, воспроизведения эффектов дифракции и интерференции, отражения, поглощения, преломления. Это является причиной широкого использования моделей такого типа в задачах инженерной акустики.

В предложенной сеточной модели с сосредоточенными параметрами расчет механического поведения сред сводится к решению следующей системы из двух дифференциальных уравнений второго порядка для каждой из них:

=^^ ( 'о- тъ^^мт^ -С,, )2+

+^^('о-) х_)2+)2 +

д/1хг_ 11 хц) + 11 гц/

+ ^ло_ ^(х^- )2 + (г1+1_ ^ ^ ,( _Х1++2 ^ _ )2 +

+ Ц (' 0_ ) /( ^ _ ^ )2 +

"у/Цн хч) + Цн 1

+ '¡1 + '¡+11 Г'Х+11 1 + '¡1 + 'г_11 (_11 йха1 + '¡1 + ' ¡1+1 Г1+ '¡1 + аУ_ 1 Г_ йх1 •

2 [ 'г йг) 2 [ 'г 'г ) 2 [ 'г 'г1 2 [ 'г 'г ]; (2.13)

= ^ +2С+11 (' о_ л/(х+11_х1 Мг+11_г1)2 ) и _г+) ^ _ )2 +

V Ц+11 хчУ ++11 1

+с1 +_с_11 (¿о_^_11_х1 _1 -гу)2) к _) ^ _ )2

' д/^ _ 11 х ¡1> + ^ _ 11 ^¡1'

+ + С1+1 Г , _ // _х )2 +(_ )2 1 1

+ 2 ^"о V Vх ¡1+1 хч) +\гч+1 1 ) /7-)—(-)2

V Vх ¡1+1 _ хч) + 1^1+1 _ гц)

+Ц (' о_ ох^у-то^ ) /( 1 _ г1 )2 +

\\хц_1 1 + ¡1_ 1 1

4+4+1 / ( 'г+1 / '¿а 1. 4+4_11 г 'г _1, 1, 4+1 г 1, +d¡hl (йг^1 'г

2 I 'г 'г ) 2 I 'г 'г ) 2 I 'г 'г ) 2 I 'г 'г

+

Уравнения (2.13) решаются в процессе моделирования численным методом - методом Рунге-Кутта второго порядка [43]:

х^ = хЦ + гх1 -Дг + «х! • (Аг)2 /2; ух- = у^ + а^ • Дг; (2.14)

1 = ^ + у^ -дг + а;, • (дг )2 / 2; у-1 = у^ + а^ • Дг, где 1 - индексы узла,

т и т+1 - индексы текущего и следующего временного шага; Дг - шаг интегрирования по времени;

ху, уу, ау - соответственно координата, скорость, ускорение узла у.

2.2.2 Представление в модели СООТ, здания и грунта

Расположение исследуемых объектов в вертикальной плоскости представлено на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Геометрические параметры СООТ, источника шума, жилого здания

Для того, чтобы задать в модели грунт и воздушную среду, необходимо задать тип kj=1 узлам, попадающим в геометрическую область, соответствующую грунту (zij < 0) и тип kj = 2 узлам воздушной среды (zij > 0). Данное правило может быть записано следующим образом.

["1, если j < 0; 2, если j > 0.

k/Чо _ ;>Л (2.15)

Принадлежность узла жилому зданию, экранируемому СООТ задается условием:

\i > L3 /dо;

kij= 3, если | j > 0, (2.16)

где L3 - расстояние от основной полосы движения транспорта до здания.

Для того, чтобы определить принадлежность узла геометрической области й-образного сечения, представляющей в модели СООТ, используется следующее условие:

kij = 3, если

ij

L^c < i • d о < ^^С ^ d c ;

0 < j • d 0 < H - dC;

d с < i • d о

0 < j • d 0 < H - dC;

Lc + B - dC < i • d 0 < Lc + B;

Lc < i • d0 < Lc + B ; HH

— -dc < j • d0 <—, k = 1...Nэт; kk

(левая стенка СООТ)

(правая стенка СООТ)

(гориз. элементы СООТ)

(2.17)

Lc - (j • d0 - H )tga3 < i • d0 < Lc - (j • d0 - H )tga3 + H < j • d0 < H + h3 ео8аэ,

d Э

cosa4 (экран)

где H, B и NOT - высота, ширина и количество этажей СООТ (рисунок 2.4); dC - эффективная толщина элементов СООТ (стен, крыши, потолка), ЬЭ, d;3, аЭ - высота, толщина и угол наклона экрана; LC - расстояние от источника шума до СООТ; d0 - шаг сетки.

Задание типа узла необходимо для того, чтобы в процессе моделирования распространения механического возмущения в среде использовать значения массы узла, коэффициентов жесткости, вязкости, соответствующих типу узла (либо воздуху, либо твердотельной среде одного из типов).

2.2.3 Представление в модели источника шума и его приемника

Разработанная модель позволяет моделировать распространение шума с самыми разнообразными характеристиками. Для основных компьютерных экспериментов в модели воспроизводится распространение единичного звукового импульса (в приближении, что шум состоит из множества отдельных единичных импульсов) от распространенного в пространстве источника звука, имитирующего транспортное средство. Единичный импульс имеет гауссову форму:

^-ъ )2

Xij ^)= Ктe 2хИ , (2.18)

где Аиш - амплитуда импульса шума; е - основание натуральных логарифмов;

^ - момент времени, в который амплитуда импульса максимальна;

тИ - параметр, задающий длительность импульса (длительность импульса

приблизительно равна 6ти).

В ходе теоретического исследования геометрическая область источника шума задавалась в виде одного или нескольких прямоугольников, имитирующих сечение транспортного средства, движущегося по одной или нескольким полосам на автодороге. При имитировании шума все узлы, попадающие в данные прямоугольные области (имеющих индексы I и j), одновременно смещались в горизонтальном направлении на одинаковую величину, определяемую формулой (2.18). Таким образом, источник звука задается математическим выражением для функции ху(г). В предлагаемой модели автомобиль представлен в виде прямоугольной области (поперечное сечение автомобиля) высотой и шириной Ниш, Ьиш, центр которой смещен в горизонтальном направлении на расстояние ЬИШ от начала координат, при этом дорожный просвет составляет dИш. Тогда звуковое воздействие на среду осуществляется следующим образом.

(г ) =

Но!

2 х 2

Аите И , если

Ь Ь

т - Ьит < ;. d < Т - Ьит Тит ^ 1 " ^ Тит 2

d ит < j." о < " ит + Нит; (2.19)

0, в противном случае,

Для анализа спектральных особенностей экранирования шума используется синусоидальный звук, задаваемый формулой:

ХУ (г)= Аит ^п

—г

V /з у

(2.20)

где Аиш и /З - амплитуда и частота синусоидального звука.

В качестве приемника звука в модели выступает вертикальный ряд узлов, расположенный непосредственно перед фасадом здания жилой застройки. Модель позволяет получить зависимость амплитуды Аш шумового воздействия на фасад

здания от высоты h и времени t:

Аш (h, t)= max| x{h,do ][L3d,do ](t), (2.21)

где операция [...] означает округление до целого числа.

Из сравнения амплитуды шума на фасаде жилого здания для различных конструкций СООТ можно сделать вывод об эффективности шумоподавления. Уровень звука L в децибелах на фасаде здания рассчитывается по формуле

L = 20lg (Аш/Ан) = 20 lg Ашо + Lh, (2.22)

где Ан и Lh - амплитуда и уровень нормировки.

Уровень нормировки Lh определяется сопоставлением известного уровня шума L0 в дБА и известной при этом амплитуде АШ0 смещения среды (материал фасада здания):

Lh =Lo - 20-lg Ашо. (2.23)

Определенный таким образом нормировочный параметр Lh составил 66,02 дБ и был использован в дальнейших расчетах.

Предлагаемая модель является алгоритмической, выходные характеристики модели рассчитываются по входным характеристикам не путем аналитических преобразований (это в принципе невозможно из-за разрывности физических свойств пространства вблизи конструкций и разделов между средами), а с помощью пространственной и временной дискретизации, численного решения уравнений движения и соответствующего алгоритма расчета.

С алгоритмической точки зрения расчет по приведенным выше формулам включает в себя три цикла, вложенных один в другой: по номеру компьютерного эксперимента, по номеру временного шага и по номеру узла.

2.2.4 Программная реализация модели

Разработанная математическая модель представляет собой систему из нескольких тысяч дифференциальных и алгебраических уравнений. Для удобства исследования системы уравнений и проведения компьютерных экспериментов составлена компьютерная программа «Программа для моделирования распространения шума через сооружения на остановках общественного транспорта» на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0 (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Вывод на экран компьютера результатов моделирования в разработанной программе: 1 - картограмма распределения звуковой энергии воздушной среды; 2 - текущие значения амплитуд звука на высоте третьего этажа (Л:) и максимальной вдоль фасада жилого здания (А2); 3 - распределение вдоль оси ОХ амплитуды шума в воздушной среде на высоте источника шума;

4 - распределение вдоль оси 02 амплитуды шума на фасаде здания

Программа предназначена также и для моделирования процесса прохождения звука от автотранспортного потока через сооружения остановочных пунктов, она позволяет визуализировать распределение шумового воздействия по

высоте здании, расположенных за такими сооружениями, с количественной оценкой (рисунок 2.7). В тексте программы могут быть заданы геометрические и физические параметры моделируемых сооружений остановочных пунктов, амплитудно-частотные характеристики и пространственные характеристики нахождения источника шума.

г, м 1-20

15

-10

-5

0

© 1

40

45

50

60

65

70

55 L, дБА

Рисунок 2.7 - Вариант визуализации моделируемой системы: картограмма распределения максимального уровня акустического загрязнения L(x, z): 1 -воздушная среда; 2 - грунт; 3 - жилое здание (объект шумозащиты); 4 -автотранспортный поток (источник шума); 5 - СООТ

Проведение акустического анализа, в том числе оценка шумовых характеристик с учетом влияния разнообразных факторов, может быть осуществлено с помощью разработанных программных продуктов для ЭВМ, что является результатом многочисленных научных исследований [95, 100, 108, 118].

Отличительной особенностью разработанного программного продукта является возможность проектирования конструкции СООТ с использованием их экранирующих шумозащитных свойств для снижения акустического загрязнения городской среды. Таким образом, она может быть применена для решения

конкретной проблемы, а именно, для расчета снижения уровня шума от автотранспортного потока в части сложившейся жилой застройки, прилегающей к участкам УДС со светофорным регулированием, сопряженным с остановочными пунктами общественного автотранспорта.

Ориентировочное время проведения одного компьютерного эксперимента с помощью разработанной программы - около 2 минут при тактовой частоте процессора 3 ГГц. После завершения компьютерного эксперимента программа записывает пространственные распределения амплитуды звука с заданным интервалом времени в файлы на жестком диске компьютера.

2.2.5 Постановка задачи на теоретическое исследование эффективности

экранирования СООТ

Разработанная выше модель распространения звука позволяет исследовать влияние большого количества параметров СООТ и источников шума на эффективность шумоподавления. Взаимосвязь основных входных параметров модели и выходных характеристик представлена схемой (рисунок 2.8).

На рисунке 2.8 а, представлены все варианты входных параметров и выходных характеристик, которые позволяет учесть разработанная модель.

На рисунке 2.8 б, представлены только те входные параметры и выходные характеристики, которые были изменены в ходе дальнейших теоретических исследований.

Г

Особенности конструкции СООТ А

Геометричес- Акустические кие параметры параметры

СООТ материалов ^--^

Л Г H B L3 р

c

d dex

-Л

этажность .. внутренняя структура -форма крыши -остекление открытые стенки колонны дополнит. экраны -

\\\I!//

Модель прохождения звука через СООТ

Показатели акустической эффективности

Г >

-A(x,z,t) —►lg(A/Ao)

*~E(x z t)_^ Механизмы

^ ' ' ' шумозащиты

Параметры дополнительной H экранирующей панели

77ТТ\

Тип f Дг Lш А(х, г) V У

V

Параметры источника шума

а

Геометрические параметры СООТ

_ж_

Г

B L3

w\ /

Л

Конструкция

Нэ

аэ

Модель прохождения звука через СООТ

L

Т

Lш

Показатель акустической эффективности

Параметр источника шума б

Рисунок 2.8 - Входные параметры и выходные характеристики разработанной модели: а - все учитываемые моделью параметры; б - параметры, изменяемые

далее в ходе теоретического исследования

1)

H -

К входным параметрам относятся: геометрические параметры СООТ: высота СООТ;

B - ширина СООТ;

L - расстояние от СООТ до экранируемого жилого здания;

2) особенности конструкции СООТ (задаются в модели выбором узлов среды, принадлежащих геометрической области сечения СООТ):

этажность;

внутренняя структура; форма крыши; остекление; открытые стенки; колонны;

дополнительная экранирующая панель;

3) параметры дополнительной экранирующей панели (ДЭП): Нэ - высота ДЭП;

аЭ - угол наклона ДЭП от вертикального положения в сторону дороги;

4) параметры источника шума:

Ьш - расстояние от источника шума до СООТ;

тип (единичный гауссовый звуковой пик, синусоидальный звук);

f - частота синусоидального звука;

At - длительность единичного импульса;

A(x, t) - распределение звука в горизонтальном направлении по сечению дороги (по полосам движения автотранспорта);

5) акустические параметры материалов: р - объемная плотность;

с - коэффициент жесткости (рассчитывается через модуль упругости); d - коэффициент внутреннего трения; dст - толщина стен СООТ или толщина ДЭП.

В качестве показателей эффективности экранирования используются: A(x, z, t) - распределение в пространстве амплитуды смещений узлов, изменяющееся с течением времени;

E(x, z, t) - распределение в пространстве энергии звука, изменяющееся с

течением времени;

Ь = 20 lg (A/A0) - уровень шума (в дБА), определенный по амплитуде смещения узлов A и калибровочной амплитуде A0.

Таким образом, разработанная модель позволяет исследовать влияние большого количества геометрических и акустических параметров СООТ, а также параметров шума, на характер его распространения и эффективность экранирования жилого здания.

2.3 Выводы по главе 2

1. Определено, что в идеале для теоретического представления процессов формирования и распространения акустического загрязнения в прилегающей жилой застройке необходимо учитывать многочисленные факторы, относящиеся к элементам системы «автомобильная дорога - жилая застройка».

2. Анализ приведенных методик расчета уровня шума в рассматриваемой системе показал, что они не охватывают всего многообразия влияющих факторов, и, соответственно, не могут быть взяты за основу при достижении цели диссертационного исследования.

3. Разработана теоретическая модель с соответствующими допущениями и ограничениями для защиты от акустического загрязнения части сложившейся жилой застройки, прилегающей к местам расположения остановочных пунктов общественного автотранспорта.

4. Разработана программа для компьютерного моделирования процесса прохождения звука от автотранспортных потоков через сооружения остановочных пунктов.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В СИСТЕМЕ

«АВТОМОБИЛЬНАЯ ДОРОГА - ЖИЛАЯ ЗАСТРОЙКА»

3.1 Методика натурных экспериментальных исследований

Как было изложено ранее, закономерности распространения шума, создаваемого автомобильным транспортным потоком, за экранирующими сооружениями и в пространстве селитебной территории зависят от многих факторов. Поэтому в настоящее время в нашей стране и за рубежом наибольшее распространение получил экспериментальный метод исследования данных закономерностей в натурных условиях [16, 20, 25, 58, 82, 108, 114].

Для получения достоверной картины шумообразования в сложившейся жилой застройке, прилегающей к автомобильной дороге, были проведены экспериментальные натурные измерения акустического фона на Ленинском проспекте г. Воронежа, в частности, в местах расположения остановочных пунктов общественного автотранспорта: «П. Осипенко», «Нижняя», «пер. Гвардейский». Они совмещены со светофорными объектами и регулируемыми наземными пешеходными переходами, что обусловлено обеспечением безопасности участников дорожного движения, удобством пешеходов и пассажиров.

Проектные решения жилой застройки, прилегающей к Ленинскому проспекту, характерны для многих городов 50-70-х гг. ХХ в. с населением от 300 тыс. до 1 млн. человек, поэтому были выбраны в качестве типового натурного объекта для измерений. К таковым относятся такие города Центрального федерального округа, как Курск, Тамбов, Липецк и др.

Однако, существующая жилая застройка, прилегающая к автомобильной дороге, не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к объекту исследования. Наличие разнообразных шумовых помех дворовых территорий (крики детей, работа вентиляционных систем и т.п.), различные препятствия в

виде вспомогательных бытовых сооружений, зданий нежилого назначения, снижают достоверность полученных показаний. Для учета возможных отклонений экспериментальных данных от теоретических использовались методы математической статистики [19, 23].

Рисунок 3.1 - Остановочный пункт общественного автотранспорта «П. Осипенко»

на Ленинском проспекте г. Воронежа

Оценка уровней шума на территории, прилегающей к автомобильной дороге, производилась в соответствии с [10, 28]. В общем виде акустический расчет производится в следующей последовательности:

1) выявление источников шума и определение их шумовых характеристик;

2) выбор точек в помещениях и на территориях, для которых необходимо провести расчет (расчетных точек);

3) определение путей распространения шума от его источника (источников) до расчетных точек и потерь звуковой энергии по каждому из путей (снижение за счет расстояния, экранирования, звукоизоляции ограждающих конструкций, звукопоглощения и др.);

4) определение ожидаемых уровней шума в расчетных точках;

5) определение требуемого снижения уровней шума на основе сопоставления ожидаемых уровней шума с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) шума;

6) разработка мероприятий по обеспечению требуемого снижения уровней шума;

7) проверочный расчет достаточности выбранных шумозащитных мероприятий для обеспечения защиты объекта или территории от шума [16, 18, 92].

Для акустических измерений использовался шумомер-анализатор "ОКТАВА-110А", отвечающий современным требованиям к приборам данного типа и не уступающий зарубежным аналогам. В качестве источника звука выступал интенсивный двух полосный поток автотранспорта. По акустическим параметрам источник шума производил сигнал, близкий к «белому шуму», то есть шум охватывал с высокой степенью равномерности всю звуковую область спектра. Измерения шума на каждой высоте производили с пятикратной повторностью. В процессе каждого измерения производилось усреднение шума по времени в интервале 30 с.

3.2 Результаты экспериментальных натурных исследований и их обработка

На рисунке 3.2 представлена схема расположения точек измерения уровней звука по удаленности от проезжей части автомобильной дороги, которые были выбраны, исходя из следующего:

точка (А) - измерить уровень звука, создаваемого непосредственно транспортным потоком (Ьаэкб, дБА),

точка (Б) - измерить ЬАэкв с учетом экранирующего эффекта, создаваемого зданием первой линии жилой застройки,

точка (В) - измерить ЬАэкв по удаленности от проезжей части дороги (в горизонтальном направлении),

точка (Г) - измерить LАэкв по удаленности от проезжей части дороги (в вертикальном направлении).

Положение точек (А), (Б) и (В) в пространстве зафиксировано, высота их над поверхностью земли - около 1 м (это усредненное значение, т.к. основной источник шума ТС, как было установлено ранее - его двигатель, который может располагаться на уровне 0,4-0,8 м над поверхностью земли).

Рисунок 3.2 - Схема расположения точек измерения (А, Б, В, Г) уровня транспортного шума по удаленности от проезжей части автомобильной дороги: 1 - транспортный поток, 2 -тротуар, 3 - здание первой линии застройки, 4 - здание

второй линии застройки

Полученные значения уровней транспортного шума свидетельствуют о наличии зоны акустического дискомфорта на исследуемой территории, т.к. показатели шума в окружающей среде превышают предельные значения. Шум считают в пределах нормы, когда он как по эквивалентному (ЬАэкв), так и по максимальному уровню ^Амакс) не превышает установленные нормативные значения [10].

Таблица 3.1 Результаты измерения уровня транспортного шума по удаленности от проезжей части автомобильной дороги

уровень у края за зданием непосредственно на высоте 4 допустимый

транспортного проезжей первой у здания второй этажа /максимальный

шума в части (А) линии линии застройки здания уровень

различных застройки (В) второй транспортного

точках (Б) линии шума в

измерения застройки дневные часы,

(Г) Ьдоп, дБА

40 /

Ьдэкв, дБА 78,0 69,2 67,8 63,9 55,0

Также были проведены экспериментальные натурные измерения уровней автотранспортного шума за торговыми павильонами, расположенными на остановочном пункте общественного автотранспорта.

Проведенные измерения показали, что величина уровня звука вдоль внутреннего фасада павильона неодинакова во всех точках, что объясняется дифракцией звуковых волн. Длина павильона значительно влияет на зону акустической тени, которая укорачивается за счет проникновения звука в область тени за здание павильона. Также важное значение имеет наличие сквозных проходов между павильонами, что объясняется накоплением энергии в результате многократного отражения звуковых волн от стен павильона, поэтому для экранирующих сооружений подобные вторичные источники звуковой энергии нежелательны.

На рисунке 3.3 отображена схема расположения точек измерения (А, Б, В) уровня транспортного шума за экранирующими сооружениями, расположенными в непосредственной близости от проезжей части автомобильной дороги.

Автомобильная дорога

тротуар

1 Павильон № 1 в

1 г

J S- в

1 Павильон №2 1

* А

* Б

* В

Pi

Жилой дом

Рисунок 3.3 - Схема расположения точек измерения (А, Б, В) уровня транспортного шума за экранирующими сооружениями: Шт - ширина тротуара

(Шт=3 м), Шпав - ширина павильона (ШШв=2 м), R^ - расстояние между павильонами ^пав=0,8 м), R - расстояние между павильонами и жилой застройкой

(R=4 м).

Таким образом, при проектировании шумозащитных зданий следует стремиться к увеличению длины каждого отдельного здания и уменьшению количества разрывов между ними, а также следует обратить внимание на высоту, которую можно увеличить за счет установки рекламных щитов, выполняющих роль плоских шумозащитных экранов.

На рисунке 3.4 приведены спектральные характеристики шума от автотранспортных потоков, измеренные: у края проезжей части автомобильной дороги, за торговыми павильонами (СООТ), расположенными вдоль нее, а также в разрыве между данными СООТ.

Как видно, из приведенных спектральных характеристик автотранспортного шума, измеренный у края проезжей части, его уровень достигает наибольших значений, за павильонами и между ними - значительно ниже.

Ц дБ

f, Гц

■ у края проезжей части ■ за павильоном * между павильонами

Рисунок 3.4 - Спектральные характеристики шума от автотранспортных потоков в системе «автомобильная дорога - СООТ - жилая застройка»

Таким образом, применение в условиях стеснённой городской застройки и дефицита территории подобных сооружений в качестве акустических экранов эффективно, несмотря на то, что они обеспечивают заметное снижение шума лишь в зоне создаваемой ими тени, защищая нижние этажи жилой застройки.

В таблице 3.2 приведены данные об изменении уровня звука, создаваемого автотранспортным потоком в зависимости от его состояния (транспортный поток неподвижен, в движении, в момент начала движения и разгона).

Измерения проводились у края проезжей части на остановке общественного транспорта «П. Осипенко» Ленинского проспекта г. Воронежа (рисунок 3.1). Данный остановочный пункт расположен в непосредственной близости с регулируемыми наземным пешеходным переходом и Т-образным пересечением проезжих частей. Режим движения транспортных средств по трем полосам в каждом направлении регулирует светофорный объект без дополнительных секций.

Таблица 3.2. Результаты измерения уровня транспортного шума в частотном диапазоне в зависимости от состояния транспортного потока

Условия Частотный диапазон, Гц Уровень

движения 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 звука,

транспортного LАэкв,

потока дБА

Запрещающий 70 72 69 66 60 58 50 40 64

сигнал

светофора,

транспортный

поток

неподвижен

Разрешающий 82 70 71 70 74 66 56 48 77

сигнал

светофора,

транспортный

поток в

движении

Начало 86 82 86 74 78 74 62 58 79

движения,

разгон

На рисунке 3.5 представлены спектральные характеристики шума от автотранспортного потока в зависимости от его состояния. Из графиков видно, что минимальные значения измеренного уровня шума характерны для неподвижного транспортного потока (запрещающий сигнал светофора), максимальные - в движении.

Следует отметить, что на измеренный уровень шума, помимо режима движения транспортного потока, влияет его состав, представленный в основном легковыми автомобилями и пассажирским автотранспортом (автобусы средней и большой вместимости).

80 75 70 65 60 55 50 45

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Ъ Гц

-тр.поток трогается

-тр. поток в движении

-тр.поток неподвижен

Рисунок 3.5 - Спектральные характеристики автотранспортного шума в

зависимости от состояния потока

Установленные в ходе натурного экспериментального исследования на остановочном пункте доминирующие значения уровня автотранспортного шума в сравнении с удаленными точками измерений: до и от него по ходу движения на расстояниях 50 и 100 метров представлены на рисунке 1.2. Высокий уровень акустического загрязнения объясняется наличием в непосредственной близости к данным остановочным пунктам регулируемых пешеходных переходов, которые в значительной степени влияют на скоростной режим движения ТС. Безусловно, сказывается существующая культура вождения среди водителей. Одни из них, стремясь проехать на разрешающий сигнал светофора, увеличивают скорость движения автомобиля, другие, прогнозируя смену сигнала, а также возможное появление людей на проезжей части, наоборот, принимают меры к снижению скорости.

Следует отметить, что натурные экспериментальные исследования проводились в два этапа: первый этап описан выше, а второй заключался в измерении распределения акустического загрязнения от автотранспортного

потока по высоте здания в системе «автомобильная дорога - жилая застройка» с поэтажной фиксацией результатов.

3.3 Экспериментальное подтверждение адекватности разработанной модели

Для проверки адекватности предложенной модели были использованы результаты экспериментальных натурных исследований автотранспортного шума, проводимых во втором этапе. В данном случае измерения проводились по адресу: г. Воронеж, ул. Ломоносова, д. 87, на разной высоте девятиэтажного здания (рисунок 3.6).

Как было отмечено ранее, при проведении натурных исследований использовался шумомер - анализатор спектра «Октава 110А». Работа с прибором осуществлялась в строгом соответствии с инструкцией по его применению.

Для статистической обоснованности измеряемых показателей проводилась статистическая обработка данных. Обработка статистического материала производилась при помощи программ «Microcal Origin 7.0» и «Statistica 6.0». Предварительно были построены гистограммы распределения измеряемой интенсивности звука для оценки нормальности эмпирического распределения.

При статистической обработке находили среднее арифметическое значение, между повторными экспериментами, выходного параметра A, дисперсию S2, среднеквадратическое отклонение S, стандартную ошибку а, коэффициент вариации v, а также показатель точности p [19, 60].

Проверка достаточности количества повторных экспериментов производилась с помощью критерия Фишера [31]. Расчеты показали, что пяти повторений эксперимента достаточно для получения различия между экспериментальными амплитудно-частотными характеристиками со стандартной ошибкой менее 5 %. Это позволяет значимо сравнивать между собой результаты различных экспериментов.

Рисунок 3.6 - Фотография дома № 87, расположенного по ул. Ломоносова г. Воронежа в непосредственной близости к проезжей части автомобильной дороги

В ходе второго этапа измерений было также установлено, что с увеличением этажности уровень шума снижается в пределах ошибки измерения интенсивности транспортного потока. На верхних этажах возрастание уровня шума объясняется влиянием многократного отражения звука от дорожного покрытия и зданий, расположенных по обе стороны дороги. Результаты измерений представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 Распределение акустического загрязнения от автотранспортного потока по высоте здания, прилегающего к автомобильной дороге

Этаж г, м /, Гц Гаэкс, дБА

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

1 1,5 69,9 75,6 69,9 63,9 60,6 61,1 57,7 50,8 46,0 65,3

2 3,5 67,5 67,7 59,9 55,1 57,9 61,6 57,6 49,2 39,7 64,2

3 5,5 62,4 60,8 57,5 56,7 58,5 60,9 56,1 49,4 39,0 63,6

4 8,5 62,7 64,6 58,5 57,7 58,5 59,5 55,0 47,8 37,9 62,9

5 11,5 60,6 67,5 62,4 59,4 55,5 58,6 54,0 45,0 38,4 61,6

6 14,5 62,4 65,6 60,1 56,2 56,1 58,5 54,3 47,4 38,1 61,6

7 17,5 63,8 64,6 59,4 57,9 57,9 60,1 55,2 47,8 37,9 62,9

8 20,5 63,9 67,0 57,4 57,0 57,8 59,2 54,9 48,2 38,1 62,2

9 23,5 64,1 65,4 59,6 58,2 59,0 60,5 54,9 47,4 38,0 63,2

Полученные значения уровней автотранспортного шума свидетельствуют о наличии зоны акустического дискомфорта на исследуемой территории, поскольку показатели шума в окружающей среде превышают предельные значения.

По санитарным правилам СП 51.13330.2011, допустимым уровнем шума принято считать величину в 40 дБА в дневное время (с 7 до 23 ч.) и 30 дБА в ночное (с 23 до 7 ч.), максимальный уровень шума составляет соответственно 55 дБА и 45 дБА [10]. Уровень шума считается допустимым в пределах нормы, когда он как по эквивалентному, так и по максимальному уровню не превышает данные значения.

Требуемое снижение уровней звука автотранспортного потока (ЛLАтp) для всех расчетных точек представлено в 3.4.

этаж 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Гаэкс, 65,3 64,2 63,6 62,9 61,6 61,6 62,9 62,2 63,2

дБА

ДГатр!

Еадои 25,3 24,2 23,6 22,9 21,6 21,6 22,9 22,2 23,2

Г<Амакс 10,3 9,2 8,6 7,9 6,6 6,6 7,9 7,2 8,2

Ь, дБ7АА ■ 6050403020100 1000 10000 /, Гц

Рисунок 3.7 - Результаты эксперимента: частотные характеристики измеренного автотранспортного шума, распределение его уровня (Ь) по высоте фасада жилого

здания