Характеристики звука и его распространения

ЛЕКЦИЯ 5. Шумовое воздействие транспортных сооружений

Источники шума являются источниками энергии звуковых колебаний, или звукового давления, которое передается в атмосферу как волновое колебание и в виде вибрации. Это звуковое давление оценивается в микроньютонах на квадратный метр (мкН/м²) или в микропаскалях (мкПа) и изменяется от 20 до 200*10⁶ мкПа.

Из-за такого широкого диапазона звуковое давление измеряется при помощи логарифмической шкалы в децибелах (дБ). На логарифмической шкале 0 дБ соответствует звуковому давлению в 20 мкПа и соответствует порогу слышимости большинства людей. Значение в 140 дБ соответствует 200*10⁶ мкПа, что может привести к болевому шоку и глухоте.

Эквивалентный /по энергии/ уровень звука, L_А.экв., дБА, непостоянного шума - уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет такое же среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени.

Предельно допустимый уровень (ПДУ) шума - это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ шума не исключает нарушения здоровья у сверхчувствительных лиц.

Допустимый уровень шума - это уровень, который не вызывает у человека значительного беспокойства и существенных изменений показателей функционального состояния систем и анализаторов, чувствительных к шуму.

Максимальный уровень звука, L_А.макс., дБА - уровень звука, соответствующий максимальному показателю измерительного, прямопоказывающего прибора (шумомера) при визуальном отсчете, или значение уровня звука, превышаемое в течение 1% времени измерения при регистрации автоматическим устройством.

Ниже приведены источники шума с примерной оценкой их в дБ.

Таблица 1

Уровень звука
Сопоставимые звуки	Предел слышимости	Шелест листьев	Жилая зона ночью	Ресторан (без музыки)	АБЗ, студенты на лекции, МКАД на расстоянии 30 м	Реактивный самолет на высоте 300 м	Предельная нагрузка на ухо

Энергию звуковой волны можно выразить через давление звука (шум) по формуле (дБ):

Е = 10 lg(Р/Р₂₀)² (1)

где Р – оцениваемое давление звука, мкПа; Р₂₀ – давление звука в 20 мкПа.

Преобразовав это уравнение, получим:

(2)

Из-за того, что давление звука выражается в логарифмическом виде, при определении усиления или ослабления давления звука недопустимо прямое сложение или вычитание. Например, если одиночный автомобиль дает уровень давления звука на расстоянии 15 м от проезжей части 60 дБ, два автомобиля создадут шум не 120 дБ, а 63 дБ. Для сложения децибелов они сначала должны быть переведены в единицы энергии, затем над значениями энергии производятся необходимые действия (сложение, др.) и только после этого результат переводится в дБ.

Следующая характеристика звуковой волны – амплитуда. В упрощенном виде звуковая волна может быть представлена в виде синусоиды. Высота между пиками соседних волн называется «амплитудой», расстояние между соседними пиками одинакового знака называется длиной волны . Другой характеристикой является «частота» звука, измеряемая в герцах (Гц), т.е. в число колебаний в секунду. Большинство людей различают звуки с частотой 20-20000 Гц, на человека наиболее сильное воздействие оказывают звуки с частотой колебаний 1000 - 6300 Гц.

Шум транспортных средств при движении имеет три основных источника: привод, взаимодействие шин с дорожным покрытием, обтекание автомобиля потоком воздуха (аэродинамический шум).

Первый источник преобладает при трогании с места и ускорении, а также при малых скоростях движения и связан не со скоростью движения, а с числом оборотов и нагрузкой на двигатель. Уровень шума привода определяется техническими параметрами автомобиля, а его моментальный уровень - ситуацией на дороге и режимом движения. При типичных для магистральных дорог скоростях - для легкового автомобиля с летними шинами при движении по ровной проезжей части на высшей передаче без ускорения, начиная примерно с 50 км/ч, и для грузовых автомобилей, начиная с 80 км/ час, преобладает шум качения - контакт колеса с проезжей частью. Уровень шума возрастает с увеличением скорости движения примерно в 2,5-4-ой степени и зависит как от колеса, так и от покрытия проезжей части. Необходимое для безопасности движения профилирование колеса вызывает дополнительное увеличение шума вследствие ударов выступов профиля о поверхность дороги.

Звуковое давление увеличивается с ростом амплитуды звуковой волны. Но это не распространяется на частоты выше 1000 Гц. Даже поверхности с большей шероховатостью при высоких частотах так же «тихи», как гладкие поверхности, что объясняется т.н. «геометрическим фильтрованием».

Третий источник - широкополосный шум обтекающего автомобиль воздушного потока или ветра возникают вследствие отрыва потока воздуха от корпуса. Его акустическая мощность возрастает в 5-6 степени относительно скорости движения.

Уровень шума транспортного потока определяется скоростью, интенсивностью и составом потока, продольным уклоном дороги, типом покрытия, шириной разделительной полосы и другими факторами.

На шум, достигающий человека, воздействует множество факторов. В их числе рассеивание, тип подстилающей поверхности, метеорологические факторы, наличие природных и искусственных препятствий.

Уровень шума от точечного источника снижается примерно на 6 дБА при удвоении расстояния от источника.

Уровень шума от линейного источника снижается примерно на 3 дБА при удвоении расстояния от источника.

От типа подстилающей поверхности, вдоль которой распространяется звуковая волна, может зависеть ее ослабление или усиление. Поверхности по акустическим свойствам подразделяются на отражающие и поглощающие. Отражающие поверхности отражают звуковую волну практически без потерь (вода, асфальто- или цементобетон, металл, стекло). Поглощающие поверхности хорошо адсорбируют энергию звуковых волн. К таким поверхностям относятся трава, кустарник, свежевыпавший снег. Эти поверхности могут снижать уровень шума дополнительно на 1,5 дБА при удвоении расстояния от источника.

К метеорологическим факторам относятся: атмосферная адсорбция (поглощение звука воздухом и парами воды), атмосферная рефракция (отражение звуковой волны под воздействием градиента температуры и ветра) и турбулентные потоки воздуха, непредсказуемо передающие звук.

Природные и искусственные препятствия в различной степени могут ослаблять шум. Наличие деревьев, другой растительности вдоль дороги, особенно в населенных пунктах, оказывает больше психологическое, чем физическое действие на людей, проживающих в «защищаемых» домах. Для снижения уровня шума на 5 дБА требуется, чтобы высота деревьев составляла не менее 5 м, ширина полосы посадок – 30 м (не менее 3-4 рядов) при условии смыкания крон. Если высота застройки менее 20 % от расстояния между домами, шумозащитный эффект от застройки практически отсутствует. При высоте зданий 80 % и выше от расстояния между ними первый ряд домов может рассматриваться как эффективный шумозащитный экран.

Уровень шума транспортного потока определяется скоростью, интенсивностью и составом потока, продольным уклоном дороги, типом покрытия, шириной разделительной полосы и других факторов. Оценивается в зоне влияния дороги мест, чувствительных к шуму: селитебных и промышленных территорий, санитарно-курортных зон, территорий сельхозназначения, заповедников, заказников и др.

На шум, достигающий человека, воздействует множество факторов. В их числе дивергенция, тип подстилающей поверхности, метеорологические факторы, наличие природных и искусственных препятствий.

Дивергенция – распространение звуковой волны от источника в свободном пространстве. В случае транспортного шума существует две разновидности дивергенции – сферическая и цилиндрическая.

Сферическая дивергенция возникает от точечного источника, например, от одиночного автомобиля. Распространение шума в этом случае описывается формулой (дБА):

L₂ = L₁ + 20lg(d₁/d₂) (3)

где L₁ – уровень шума на расстоянии d₁ от источника; L₂ – уровень шума на расстоянии d₂ от источника.

Исходя из формулы (3), уровень шума от точечного источника снижается примерно на 6 дБА при удвоении расстояния от источника.

Цилиндрическая дивергенция возникает при линейном источнике шума, например, в случае плотного транспортного потока или при нескольких близко расположенных точечных источниках. Распространение шума в этом случае описывается формулой (дБА):

L₂ = L₁ + 10lg(d₁/d₂) (4)

Т.е. уровень шума от линейного источника снижается примерно на 3 дБА при удвоении расстояния от источника.

От типа подстилающей поверхности, вдоль которой распространяется звуковая волна, может зависеть ее ослабление или усиление. Поверхности по акустическим свойствам подразделяются на отражающие и поглощающие. Отражающие поверхности отражают звуковую волну практически без потерь (вода, асфальто- или цементобетон, металл, стекло). Поглощающие поверхности хорошо адсорбируют энергию звуковых волн. К таким поверхностям относятся трава, кустарник, свежевыпавший снег, пенобетон, сотовые и пористые легкие конструкции. Эти поверхности могут снижать уровень шума примерно на 1,5 дБА при удвоении расстояния от источника. При увеличении угла наклона к фронту распространения звуковой волны до 20⁰ и более такие поверхности относятся к звукопоглощающим экранам. Приведенные данные верны для расстояний от источника звука 30 – 60 м.

К метеорологическим факторам относятся: атмосферная адсорбция (поглощение звука воздухом и парами воды), атмосферная рефракция (отражение звуковой волны под воздействием градиента температуры и ветра) и турбулентные потоки воздуха, непредсказуемо передающие звук. Атмосферная адсорбция на расстоянии свыше 30 м от источника звука при некотором сочетании атмосферных условий может значительно ослабить шум, особенно в области высоких (свыше 5000 Гц) частот. Атмосферная рефракция зависит от ветра и наличия слоев воздуха различной плотности. Приземный ветер обычно дает максимальный вклад в этот эффект. Различия в уровнях шума с подветренной и наветренной стороны дороги могут достигать 7 дБА на расстоянии 100 м. Поэтому натурные измерения уровней шума рекомендуется производить при скорости ветра не более 5 м/с. Также необходимо учитывать эффект розы ветров. На рефракцию влияет температура воздуха. В дневное время при повышенной температуре воздуха у поверхности земли и более холодном слое, расположенном выше, звуковая волна распространяется по теплому слою, отражаясь вверх, что приводит к снижению уровня шума. Ночью происходит противоположное явление, приводящее к усилению шума. Обычно этот эффект заметен на расстояниях до 60 – 70 м от дороги. Результаты распространения звука турбулентными потоками практически непредсказуемы, так как не существует точного описания движения этих потоков. Опытным путем установлено, что эти потоки могут усиливать или ослаблять уровень шума на расстоянии до 120-130 м от дороги.

Природные и искусственные препятствия в различной степени могут ослаблять шум. Наличие деревьев, другой растительности вдоль дороги, особенно в населенных пунктах, оказывает больше психологическое, чем физическое действие на людей, проживающих в «защищаемых» домах.

Для снижения уровня шума на 5 дБА требуется, чтобы высота деревьев составляла не менее 5 м, ширина полосы посадок – 30 м (не менее 3-4 рядов) при условии смыкания крон.

Для домов одинаковой высоты, стоящих один за другим, при высоте домов, равной 40 – 60 % от расстояния между ними, для второго ряда зданий снижение уровня шума составляет около 3 дБА, для следующих рядов – еще на 1,5 дБА для каждого ряда. Если высота застройки менее 20 % от расстояния между домами, шумозащитный эффект практически отсутствует. При высоте зданий 80% и выше от расстояния между ними первый ряд домов может рассматриваться как эффективный шумозащитный барьер.