Актуальность и необходимость данной тематики, касающейся обсуждению одной из важнейших проблем человечества — перенасыщение звуковых эффектов и шумов во внешней окружающей среде, посредствам которых возрастает общий уровень раздражителей. Учитывая довольно динамичный уровень жизни населения планеты — решение данной задачи, а именно максимально возможное уменьшение внешних шумовых раздражителей, и есть цель нашей работы. Рассмотрим основное изобретение человека по борьбе со звуком — Акустический экран.
Акустический экран — изобретение человека, запроектированное и сооружаемое в качестве звукового барьера. [1–22] Цель-снижение и защита жилых застроек от шума транспортных систем и других источников шума. Не менее важными являются и условиям безопасности движения, долговечность, эксплуатационные свойства, возможность быстрого и удобного монтажа, прекрасный внешний вид. Помимо шумозащитных свойств экран служит ещё и преградой от распространения вредных химических веществ и частиц тяжелых металлов [1].
Классификация
Кратко рассмотрим необходимость и возможность максимально выполнять тот спектр функций, который отведен Акустическим экранам.
Основной принцип акустической защиты экрана — отражение и поглощение звука. [4]Звуковая энергия на пути от источника шума к расчетной точке перераспределяется и уменьшается в результате следующих процессов:
- звуковая энергия отражается от поверхности и падает на акустический экран;
- энергия частично проходит через экран, а частично поглощается им (при наличии звукопоглощающей облицовки), или отражается от него;
- часть звуковой энергии дифрагирует на свободном ребре экрана.
Все существующие акустические экраны на данный момент на предмет используемого материала и принадлежащим им свойствам можно классифицировать по 3 группам:
- звукоотражающие — только отражают звуковую энергию. Отражающие свойства этих экранов определяются коэффициентом звукопоглощения равным от 0,01 до 0,04-они менее эффективны, в сравнении с экранами, смонтированными со звукопоглощающими материалами;
- звукопоглощающие — отражают и поглощают звуковую энергию. Коэффициенты звукопоглощения варьируются в пределах от 0,6 до 1,0;
- комбинированные — экраны выполнены из комплекса материалов, увеличивающие таким образом обзор и эстетику самого акустического экрана.
Акустические экраны — по сути сборная конструкция, включающая в себя 3 основных элемента: фундамента, опорные стойки и шумозащитные панели [8] и является индивидуальным для каждого конкретного случая и на то есть свои причины, а именно: место расположения, плечо от дороги до селитебной зоны, этажность, рельеф местности.
В свою очередь акустические экраны распределяются по своему назначению. Рассмотрим основные из них:
- защита от шума автотранспортных потоков;
- защита от шума железнодорожного транспорта;
- защита от шума стройплощадок, также трансформаторов, вентиляторов и холодильных камер.
Защита от шума автотранспортных потоков
Шум от автомобильных дорог зависит от интенсивности (количество и скорость) движения, состава потока (доля легкового и грузового автотранспорта), состояние дорожного покрытия (бетон или асфальт) и погодных условий (дождь, снег). Уровень звука автотранспортного патока в час пик достигают 65–80 дБА [20]. Эффект снижения шума транспортного экрана правильно спроектированного и смонтированного 15–20 дБА [22].
На эффективность экрана вдоль автомобильных дорог влияет его высота, длина и близость к источнику шума. На практике в основном устанавливают высоту от 2,0 до 6,0м, но в отдельных случаях, когда высотная жилая застройка приближена к источнику, высота экрана может достигать 7,0–8,0м. Для достижения высокой эффективности экранов их устанавливают с обеих сторон автомобильной дороги, обязательно предусматривая звукопоглощающие элементы конструкции.
Защита от шума железнодорожного транспорта
При движении железнодорожного транспорта возникает шум, интенсивность и частотные характеристики которого зависят от скорости движения, типа подвижного состава (грузовой или пассажирский), состояние рельсов и колесной пары, типа тормозов и типа железнодорожного пути. Уровень звука при движении подвижного состава при скорости 60–80 км/час составляет 80–90 дБА [20]. Эффективность акустического экрана достигает значения 8–12 дБА [22]. Экраны, устанавливаемые на железных дорогах, как правило, ниже, чем на автомобильных дорогах, так как они могут устанавливаться ближе к источнику шума. На практике в основном устанавливают высоту от 2,0 до 4,0м при минимальном расстоянии 1,0–1,5м. Они устанавливаются между железнодорожными путями и объектами защиты (жилыми домами, гостиницами, больницами, школами и пр.), обеспечивая снижение шума до санитарных норм или запроектированных значений. Конструктивные решения акустических экранов должны быть архитектурно-выразительными и учитывать тип местности, на которой устанавливаются акустические экраны. Следует применять такие конструкции и внешнюю отделку акустических экранов, которые позволяют органично вписывать акустический экран в окружающий ландшафт.
Снижение шума от действующих стройплощадок надо предусматривать на стадии проектирования. Шум при строительстве вызывает дискомфорт у населения, проживающего вблизи площадки. При проведении строительных работ используются самосвалы, краны, бульдозеры, компрессорные станции и другое оборудование. Шум на стройплощадках зависит, в первую очередь, от специфики работ и удаленности от жилой застройки. Наблюдения показывают, что шум колеблется в пределах от 63 до 85 дБА [7].
Уменьшение шума строительства возможно посредством установки мобильного экрана вокруг строительной площадки. Экран представляет собой сборно-разборную конструкцию, состоящую из вертикальных металлических стоек, бетонных оснований и звукопоглощающих панелей. С помощью экрана можно добиться эффекта снижения шума от 8 до 17 дБА [11].
Шумовые нормы устанавливаются компетентными органами на основе накопленного опыта, в первую очередь, исходя из того, на сколько уровень шума влияет на здоровье и самочувствие людей, не оставляя без внимания социальные и экономические факторы.
Таким образом, нормы шума подвержены влиянию многих природных и антропогенных факторов, например, продолжительности воздействия шума, деятельности защищаемых от шума людей, характер источника шума.
И, как следствие, выше описанного напрашивается вывод о том, что необходимо разработать нормы и описание условий соблюдения норм. Нормативные разработки полагаются на теоретический и экспериментальный опыт.
Необходимо учесть следующую информацию:
1) характеристики шума;
2) временные интервалы;
3) описание данной местности;
4) особенности зоны, где используют нормы шума;
5) источник шума, цикличность;
6) условия распространения звука от источника шума к микрофону;
7) соответствие нормативным значениям шума.
Мало кто задается вопросом, что такое шум и как его определить, а уж тем более предотвратить или, как минимум свести к допустимым значениям. Для измерения сего используют прибор — шумомер.
Шумомер
Шумомер — прибор, измеряющий уровень звука и имеющий частотные характеристики А, В, С, D, Лин и временные характеристики F, S, I, Пик [5].
Диапазон частот измерений звука образует классификацию шумомеров по 3 классам:
- шумомеры 0 и 1-го классов: от 20 до 12500 Гц;
- шумомер 2-го класса: от 20 до 8000 Гц;
- шумомер 3 класса: от 31,5 до 8000 Гц [5].
В свою очередь номинальный диапазон частот достигает 20000Гц. Шумомеры по условиям эксплуатации должны соответствовать 2, 3, 4, 5 или 6 группам по ГОСТ 22261–94 [3].
Звуки, например, вызываемые проезжающим автомобилем или пролетающим самолетом, носят характер однократных звуковых событий. Однократное звуковое событие характеризуется множеством физических величин, которым соответствуют уровни в децибелах. Характеристика частот не применяется для измерений шума, также источника импульсного шума высокой энергии или узкополосного шума. Большее применение получили следующие величины:
- воздействующий уровень шума при измерениях с заданной характеристикой частот;
- максимально принятый корректированный уровень давления звука;
- кульминационный уровень давления звука при измерениях с заданной характеристикой.
Время, в течение которого некоторая характеристика шума превышает какой-либо фиксированный уровень, является продолжительностью звукового события.
Как правило, единичные события имеют последовательное происхождение. Примером может служить шум пролетающего самолета возле аэропорта, шум поезда или автомобиля при транспортном потоке малой интенсивности. Оценочные эквивалентные уровни звукового давления определяют путем описания всех повторяющихся единичных событий, где используют уровни воздействия шума однократных событий и число этих событий.
Следовательно, уровень звукового давления источника непрерывного шума может быть постоянным, флуктуирующим или медленно изменяющимся в течение временного интервала. Яркими примерами источников непрерывного шума могут служить трансформаторы, вентиляторы и холодильные камеры. Непрерывный шум преимущественно характеризуют эквивалентным уровнем звука на заданном временном интервале. Флуктуирующий иначе прерывистый шум характеризует собой максимальный уровень звука, измеренный при заданной временной характеристике шумомера.
Имея представление, что же такое Акустический экран и область его применения плавно подходим к основному вопросу: на сколько эффективно применение акустических экранов, существующие методы расчета и возможные погрешности в расчетах.
Методы расчета шума. Погрешность
Рассмотрим основные моменты, влияющие на работоспособность Акустических экранов [15].
Требуемую акустическую эффективность экрана следует обеспечивать при проектировании за счет надлежащего выбора его основных параметров — высоты, длины, конструктивного решения его верхней части, применения в панелях звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов, обеспечения целостности конструкции Акустических экранов, не допускающей щелей и отверстий, а также за счет рационального расположения акустического экрана относительно автомобильной дороги и защищаемых объектов. Расчетов акустических экранов производится согласно СП 20.13330 «СНиП 2.01.07 Нагрузки и воздействия».
В свою очередь, при размещении акустического экрана необходимо учитывать требования по обеспечению безопасности и видимости транспортных средств и пешеходов в соответствии с нормами СП 78.13330; СП 42.13330. Звукоизоляция панелей экрана должна быть определена аккредитованной испытательной лаборатории по ГОСТ 27296. Заявленные значения звукоизоляции панелей, а также коэффициента звукопоглощения для панелей, содержащих звукопоглощающий материал, следует определять и контролировать по методам, установленным ОДМ 218.2.013 (Приложения Г и Д). Допустимый прогиб панелей под собственным весом и/или приложенной ветровой нагрузкой принимается в соответствии с СП20.13330.2011, но не должен превышать 20мм. Так, например, из партии панелей выбирают некоторое количество образцов и для каждого, создавая одинаковые условия, проводят до 25 измерений звукоизоляции по ГОСТ 27296 определяя значения звукоизоляции в октавных полосах частот.
Оценочный эквивалентный уровень звукового давления — есть основная характеристика шума. Не менее важны такие характеристики, как максимальный уровень звукового давления, пиковый (корректированный уровень воздействия шума) уровень звукового давления.
Частотные характеристики. Помимо источников импульсного шума высокой энергии или сильных низкочастотных источников шума в общем случае частотную характеристику используют для оценки всех источников шума.
Корректированный уровень воздействия шума. Следующий метод может быть использован в случае, если уровни воздействия единичных звуковых событий могут быть измерены по отдельности или рассчитаны. Кроме источников импульсного шума высокой энергии или сильных низкочастотных источников, для любого единичного звукового события i,, корректированный уровень воздействия шума LREij, дБ, определяется как сумму уровня воздействия шума LEij и коррекции Кj, для j-го источника шума (вида шума) по формуле [1]:
LREij = LEij + Кj (1)
В случае, если единичные звуковые события не могут быть выделены на фоне шума других источников.
Корректированный эквивалентный уровень звукового давления (или оценочный уровень) LReqi, Tn, дБ, j-го источника на временном интервале Тп определяется как сумма эквивалентного уровня звука LAeqj, Tn и коррекция Кj для j-го источника (вида шума) по формуле [1]:
LReqj = LAeqj, Tn + Kj. (2)
Только при наличии данного вида шума следует применять коррекции по видам шума. Например, если тональный шум заметен, то должна быть выполнена коррекция на тональность шума.
Оценочные уровни. Один источник шума. Если в течение временного интервала Тп действует только один источник шума j, то оценочный эквивалентный уровень звукового давления LReqj Тп, дБ, рассчитывают по формуле (3), подставляя в нее корректированный уровень [1]:
(3)
Комбинация источников. Оценочный уровень можно определить для любого временного интервала. Интервалы действия источников могут перекрываться, что не оказывает влияния на оценочный уровень. В общем случае временной интервал состоит из суммы интервалов Tnj; действия каждого из источников j. Продолжительность интервала Tnj; выбирают таким образом, чтобы коррекция в этом интервале при расчете LReqj, Tn была постоянной величиной. Для разных источников интервал Tnj может быть различным. Оценочный эквивалентный уровень звукового давления LReqT, дБ, рассчитывают по формуле [1]
(4)
где суммарное время работы Т всех источников j определяют по формуле
(5)
Комбинированные суточные оценочные уровни. На селитебной территории следующим широко используемым методом определения шума является метод оценки суточного уровня в различные периоды одних суток, как, например, оценочный уровень в периоде «день-ночь» LRdn, дБ, определяют по формуле [4]:
(6)
где d — продолжительность дня, ч;
LRd — дневной оценочный уровень с учетом коррекций на источник и характер шума, дБ;
LRn — ночной оценочный уровень с учетом коррекций на источник и характер шума, дБ;
Kd — коррекция на выходные дни, если применяется, дБ;
Кп — коррекция на ночь, дБ.
В периоде «день-вечер-ночь» LRden, дБ для определения оценочного уровня, может быть использована аналогичная формула [1]:
(7)
где е — число вечерних часов;
LRe — вечерний оценочный уровень с учетом коррекций на источник и характер шума, дБ;
Ке — коррекция на вечерние часы.
Компетентные органы определяют продолжительность дня и время его начала.
Итак, определяя заявленные значения звукоизоляции акустических панелей и коэффициент звукопоглощения панелей отражающее — поглощающих акустических экранов во внимание принимают следующее:
- погрешность метода измерений. Характеризуется погрешность стандартной неопределенностью повторяемости результатов измерений, которые получены на одном и том же образце акустической панели при одинаковых условиях (например, при повторном применении одного и того же метода измерений в течение короткого промежутка времени между измерениями в одном и том же испытательном помещении, одним и тем же оператором, с использованием одного и того же испытательного оборудования).
- нестабильность процесса производства, характеризуемая стандартной неопределенностью стабильности производства, для оценки которой проводят измерения звукоизоляции и коэффициента звукопоглощения панелей в одной лаборатории в одинаковых условиях, как они определены выше для оценки неопределенности повторяемости, на нескольких образцах акустических экранов из одной партии;
- суммарные стандартные неопределенности измеренных значений звукоизоляции и коэффициента звукопоглощения акустических панелей.
Расчёты по действующим нормативам для определения необходимой формы и высоты Акустических экранов не выполняются на практике. Этому есть несколько причин: множество допущений в нормативах, нарушение технологий возведения Акустических установок, нарушение эксплуатации, человеческий фактор.
А главное и основное, на что следует обратить внимание, что тех накопленных знаний и опыта в изучении уровня звука недостаточно для оценки тонального, импульсного или сильного низкочастотного шума. И, как следствие, для долгосрочного прогнозирования раздражающего воздействия некоторых из этих видов шума прибавляют соответствующую коррекцию в децибелах к уровню звука или эквивалентному уровню звука. И, совершенно справедливо сказать о том доказательстве, что различные транспортные или промышленные шумы оказывают неодинаковое раздражающее воздействие при одном и том же эквивалентном уровне звука.
Литература:
1. ГОСТ Р 51943–2002. «Экраны акустические для защиты от шума транспорта», Гостстандарт России, М., 2002г.;
2. ГОСТ 17187–81. «Шумомеры», М., 1981г.;
3. ГОСТ 22261–94. «Средства измерения электрических и магнитных величин. Общие технические условия», Минск, 1994г.;
4. ГОСТ 54931–2012. «Экраны акустические для железнодорожного транспорта», М., 2013г.;
5. ГОСТ 31296.1–2005 (ИСО 1996–1:2003). «Шум. Описание, измерение и оценка шума на местности», М., 2008г.;
6. ТРТС 014/2011. «Безопасность автомобильных дорог», Настоящий технический регламент Таможенного союза разработан на основании Соглашения о единых принципах и правилах технического регулирования в Республике Беларусь, Республики Казахстан и Российской Федерации от 18 ноября 2010 года.;
7. МГСН 2.04.97. «Допустимые уровни шума и вибрации и требования к звукоизоляции в жилых и общественных зданиях», М., 1997г., Москомархитектура;
8. Пособие к МГСН 2.04.97. «Проектирование защиты от шума и вибрации инженерного оборудования, в т. ч. во встроенные ИТП, в жилых и общественных зданиях», М., 1998г., Москомархитектура;
9. ГОСТ 30690–2000. «Экраны акустические передвижные. Методы определения ослабления звука в условиях эксплуатации», М., 2000г., ФГУП ЦПП;
10. СНиП 23.03–2003 «Защита от шума», М., 2004г., ФГУП ЦПП;
11. СП 13330.2010 Актуализированная редакция «Защита от шума», М., 2011г., ФГУП ЦПП;
12. ИСО 7196:1995 «Акустика. Частотные характеристики при измерении инфразвука»;
13. Berry B. F. and Bisping R. CEC joint project jn impulse noise: Physical quatification methods Proc. 5Th Intl. Congresson Noise as a Public Healhe Problem, 1998;
14. ГОСТ 20444–2005. «Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики», М., 2005г.;
15. ИСО 10847–97. «Акустика. Определение эффективности акустических экранов всех типов на месте установки на открытой местности», М., 1997г.;
16. Arenas J. P. Use of Barriers: Handbook Noise and Vibration Control/ Ed. Malcolm J. Crocker; John Willy, N/Y, 2007;
17. XXVII Сессия Российского Акустического общества, посвященная памяти ученых-акустиков. ФГУП «Крыловский государственный научный центр». А. В. Смольякова и
18. В. И. Попкова, Санкт-Петербург, 16–18 апреля 2014г. Н. В. Тюрина «Исследование акустических экранов»;
19. Иванов Н. И., Семенов Н. Г., Тюрина Н. В. «Акустические экраны для снижения шума в жилой застройке», «Безопасность жизнедеятельности», апрель № 4/2012;
20. Иванов Н. И. «Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом», 3-е издание, переработанное и дополненное, М, Логос, 2013г;
21. Министерство Транспорта Российской Федерации. Государственная компания «Российские автомобильные дороги», ООО «Прогресс Строй». Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка комплекса проектов межгосударственных стандартов: ГОСТ «Дороги автомобильные общего пользования. Акустические экран. Технические требования» и ГОСТ «Дороги автомобильные общего пользования. Акустические экраны. Методы контроля» (1 этап), М., 2013г;
22. Технический регламент Таможенного Союза «Безопасность автомобильных дорог» (ТР ТС 014/2011);
23. ОДМ 218.2.013–2011 «Методические рекомендации по защите от транспортного шума территорий, прилегающих к автомобильным дорогам», М., 2011г..
