Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и постановка задач исследования .14
1.1. Объекты исследования .14
1.2. Характеристики шума высокоскоростных поездов и параметры их оценки 15
1.3. Нормирование шума высокоскоростных поездов .17
1.3.1. Российская Федерация .17
1.3.2. Соединенные Штаты Америки 17
1.3.3. Япония 19
1.3.4. Китай .20
1.3.5. Европейский Союз 20
1.4. Процессы шумообразования при движении высокоскоростных поездов 23
1.4.1. Источники шума высокоскоростных поездов 23
1.4.2. Механический шум .24
1.4.3. Шум качения 25
1.4.4. Аэродинамический шум .28
1.4.5. Экспериментальные исследования процессов шумообразования высокоскоростных поездов 29
1.5. Методы снижения шума от высокоскоростных магистралей 30
1.5.1. Общие положения 30
1.5.2. Снижение шума в источнике его образования .31
1.5.3. Снижение шума на пути его распространения .41
1.6. Расчеты образования и распространения шума на местности .42
1.6.1. «Оценка шума и вибрации от высокоскоростных поездов» (США) .42
1.6.2. «Звук 03 2006» («Schall03», Германия) .46
1.7. Постановка задач исследования 49
ГЛАВА 2. Описание математических моделей и уточнение расчетных методов определения шумовых характеристик высокоскоростных поездов .51
2.1. Основные допущения и границы исследования .51
2.1.1. Положения и основные допущения теории 51
2.1.2. Границы исследования 56
2.2. Математические модели расчета максимального и эквивалентного уровней звука 56
2.2.1. Максимальные уровни звука 56
2.2.2. Эквивалентные уровни звука .63
2.3. Уравнения линейной регрессии 65
2.3.1. Теоретическое обоснование 65
2.3.2. Генеральная совокупность экспериментальных данных .68
2.3.3. Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии 74
2.3.4. Вывод уравнений для расчета максимальных и эквивалентных уровней звука 77
2.4. Расчет снижения шума на пути распространения .94
2.4.1. Расчет снижения эквивалентного уровня звука 94
2.4.2. Расчет снижения максимального уровня звука .95
Выводы по главе 2 96
Глава 3. Расчет акустической эффективности малых локальных экранов на подвижном составе .99
3.1. Основные допущения и условия применения теории 99
3.1.1. Положения и основные допущения теории 99
3.1.2. Физические принципы снижения шума ШЭ 100
3.1.3. Условия применения и ограничения 102
3.2. Алгоритм вывода формул и описание расчетных схем 103
3.2.1. Алгоритм вывода формул 103
3.2.2. Эффективность шумозащитных экранов 104
3.2.3. Описание расчетных схем 104
3.3. Расчет эффективности малых локальных шумозащитных экранов и крыши поезда 106
3.3.1. Расчет эффективности экранирования шума пантографа крышей поезда 107
3.3.2. Расчет эффективности экранирования шума пантографа малыми локальными шумозащитными экранами 111
Выводы по главе 3 114
Глава 4. Методика проведения экспериментальных исследований 116
4.1. Общие положения 116
4.2. Методика проведения измерений шума от высокоскоростных поездов в натурных условиях 1 4.2.1. Измерение шумовых характеристик высокоскоростных поездов 117
4.2.2. Определение вклада источников шума высокоскоростного поезда 122
4.2.3. Исследование снижения шума высокоскоростного железнодорожного транспорта в зависимости от расстояния 124
4.3. Исследования малых локальных шумозащитных экранов на опытном стенде 125
4.3.1. Описание опытного стенда 125
4.3.2. Определение акустической эффективности малых локальных шумозащитных экранов 126
4.3.3. Определение показателя дифракции 128
4.4. Условия измерений и акустическая аппаратура 129
4.4.1. Условия измерений шумовых характеристик высокоскоростных поездов и снижения шума с расстоянием 129
4.4.2. Условия измерений эффективности шумозащитных экранов и показателя дифракции 131
4.4.3. Акустическая аппаратура 131
4.5. Определение погрешности измерений 132
Выводы по главе 4 134
Глава 5. Экспериментальные исследования шума высокоскоростных поездов и средств шумозащиты 135
5.1. Общие положения 135
5.2. Особенности шумообразования высокоскоростных поездов 135
5.3. Экспериментальные исследования вкладов источников шума высокоскоростных поездов 139
5.4. Снижение шума на пути распространения 140
5.5. Экспериментальное исследование эффективности малых локальных шумозащитных экранов на опытном стенде
5.5.1. Исследования показателя дифракции 143
5.5.2. Исследования акустической эффективности шумозащиты 145
5.5.3. Сравнение результатов расчетов акустической эффективности с данными экспериментов 146
Выводы по главе 5 150
Глава 6. Разработка рекомендаций и апробация предложенных методов расчета и внедрение результатов иследования 152
6.1. Разработка рекомендаций по расчету шумовых характеристик высокоскоростных поездов и распространения шума на местности 152
6.2. Апробация предложенных методов расчета 154
6.3. Разработанная нормативно-техническая документация 161
Выводы по главе 6 162
Заключение 163
Литература 166
- Соединенные Штаты Америки
- Математические модели расчета максимального и эквивалентного уровней звука
- Расчет эффективности малых локальных шумозащитных экранов и крыши поезда
- Определение вклада источников шума высокоскоростного поезда
Введение к работе
Актуальность проблемы
Последние несколько лет объемы строительства высокоскоростных железнодорожных магистралей (со скоростью движения 250-400 км/ч) в мире непрерывно растут, создавая серьезную конкуренцию другим видам транспорта, сохраняя при этом низкую себестоимость перевозок и большой объем пассажиропотока.
Максимальная эксплуатационная скорость ВСМ в мире достигнута в Китае и составляет 350 км/ч между Пекином и Тяньцзинь (действует с 2008 г.). При проектировании линии Пекин-Шанхай предполагается движение поездов со скоростью до 380 км/ч. Поезда TGV французской национальной железной дороги (SNCF), курсирующие между Парижем и Страсбургом, достигают максимальной скорости 320 км/ч. В Японии сверхскоростные поезда были первыми высокоскоростными поездами и сегодня ездят со скоростью более 300 км/ч, так же как в Испании, Южной Корее и на Тайване.
В России первая высокоскоростная магистраль со скоростью движения до 400 км/ч планируется к запуску в 2020 г., соединяя Москву и Казань с последующим ее продлением до Екатеринбурга.
Вопросам оценки и снижения шума поездов посвятили свои работы Аистов В.А., Иванов Н.И., Куклин Д.А., Матвеев П.В., Хасс Р.Р., Цукерни-ков И.Е., Шубин И.Л., Юдин Е.Я., в нашей стране, Разе Е.Д. (Rathe E.J.), Ремингтон П.Д. (Remington P.J.), Талотте С. (Talotte C.), Томпсон Д. (Thompson D.), за рубежом. В основном эти работы относились к поездам со скоростями движения до 250 км/ч, где основным источником является шум качения. Исследованию процессов шумообразования высокоскоростных поездов, где основным источником является аэродинамический шум, посвятили свои работы такие зарубежные авторы как Жанг К. (Zhang X.), Китагава Т. (Kitagawa T.), Крылов В.В. (Krylov V.V.), Летурне Ф. (Ltourneaux F.), Меллет С. (Mellet C.), Нагакура К. (Nagakura K.), Пойсон Ф. (Poisson F.), Фодиман П. (Fodiman P.).
На основании этих исследований в США, Франции, Китае, Германии и других странах разработаны и действуют нормативные документы, по которым проводятся расчеты шума высокоскоростных поездов, где, однако, есть ряд недостатков, среди которых ограничение их применения по скоростному режиму до 300-320 км/ч и отсутствие возможности учета конструкционных особенностей поезда. В России научных работ, посвященных высокоскоростному железнодорожному движению, до выполнения настоящей работы не было, и Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова совместно с ООО «Институт акустических конструкций» и Петербургским государственным университетом путей сообщения Императора Александра I оказались практически первыми организациями, где занялись глубоким изучением данного вопроса.
Целью исследования является разработка научных основ процессов образования шума при движении высокоскоростных поездов (со скоростью движения до 400 км/ч) и методов прогнозирования их шумовых характеристик с учетом применяемых средств снижения шума в источнике его образования или вблизи источника, а также методов расчета уровней шума на прилегающей к высокоскоростной железнодорожной магистрали селитебной территории.
Методология и методы исследования: для решения поставленных задач используются анализ и обобщение данных литературных источников, аналитические и экспериментальные методы.
Научная новизна
-
Разработаны математические модели, описывающие зависимость шумовых характеристик поезда от скорости его движения.
-
Разработана новая методика расчета эквивалентных и максимальных уровней звука высокоскоростного поезда на опорном расстоянии 25 м от оси железнодорожного пути, посредством выделения отдельных источников шума (ходовая часть поезда, корпус и носовая часть поезда, пантограф) и учитывающая характерные особенности каждого из них.
-
Уточнена методика расчета шума на прилегающей территории с выделением характерных для каждого источника шума правил распространения звука на местности. Такой подход позволяет учитывать высоту каждого источника шума и достоверно определять эффективность придорожных шумозащитных экранов для каждого из них.
-
Выведена формула для расчета эффективности малых локальных экранов, устанавливаемых вблизи пантографа на крыше поезда, в которой учтено расположение экранов на подвижном составе, их акустические свойства и геометрические параметры.
Практическая полезность
-
Изучены закономерности возрастания шума с увеличением скорости движения высокоскоростного поезда на скоростях от 250 до 400 км/ч.
-
Выявлены превалирующие источники шума высокоскоростных поездов.
-
Разработаны методики расчета шума от высокоскоростных поездов, на основании которых созданы следующая нормативно-техническая документация: Специальные технические условия «Шумозащитные мероприятия для участка Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству» (редакции 2014 и 2016 г.), Свод правил «Защита от шума для высокоскоростных железнодорожных линий. Правила проектирования и строительства» (2016 г.).
-
Получены значения акустической эффективности малых локальных экранов, устанавливаемых на крыше поезда.
Достоверность результатов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием обоснованных аналитических методов исследования и удовлетворительным совпадением результатов выполненных расчетов с экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается использованием прецизионной акустической аппаратуры, а также современных методик акустических испытаний и обработки информации.
Апробация работы
Основные результаты исследований доложены на XXVII сессии Российского акустического общества, посвященной памяти ученых-акустиков (г. Санкт-Петербург, 2014 г.), 1-ой Всероссийской акустической конференции (г. Москва, 2014 г.), V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (2015 г.), пятом международном экологическом конгрессе (седьмой Международной науч-2
но-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2015» (г. Самара, 2015 г.), Международной научной конференции, VII Академических чтений, посвященных памяти академика РААСН Осипова Г.Л. «Техническое регулирование в строительстве. Актуальные вопросы строительной физики» (г. Москва, 2016 г.), заседаниях кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (2014, 2015, 2016 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, 5 работ выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных работах составляет от 40 до 70 %. В журналах, рекомендованных ВАК, опубликовано 3 работы.
Внедрение результатов работы
На основании исследований разработана научно-техническая документация:
Специальные технические условия. Шумозащитные мероприятия для участка Москва - Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Казань - Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству - Санкт-Петербург: ФГБОУ ПГУПС, 2014 - 70 с, 2016 -127 с. (Утверждены Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации).
Свод правил ХХХ.1325800.2016. Защита от шума для высокоскоростных железнодорожных линий. Правила проектирования и строительства (проект). -Санкт-Петербург, 2016 - 130 с.
По разработанным документам выполнено проектирование первой в России высокоскоростной магистрали «Участок Москва - Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали «Москва - Казань - Екатеринбург» (ВСМ2), включая расчет шумовых характеристик высокоскоростных поездов, и определение эффективности шумозащитных экранов.
На защиту выносятся:
математические и расчетные модели основных источников шума высокоскоростных поездов (далее - ВСП) (линейных или точечных): условия аппроксимации, вид создаваемого шума, тип источника, направленность, пространственный угол излучения;
уравнения линейной регрессии зависимости максимальных и эквивалентных УЗ от скорости движения поезда; полученные коэффициенты, а также расчетное обоснование принимаемой регрессионной модели;
уравнения для прогнозирования эквивалентных и максимальных УЗ на стандартном расстоянии в зависимости от скорости движения поезда, его длины и времени прохождения в диапазоне скоростей 250-400 км/ч;
полученные значения поправок на конструкционные особенности ВСП;
формулы расчета снижения шума на местности в результате дивергенции, с примерами расчетов и данными для определения зоны акустического дискомфорта;
математическая модель расчета шумовых характеристик высокоскоростных поездов со скоростью движения 250-400 км/ч и расчет распространения шума на местности;
расчетно-математическая модель акустической эффективности малых локальных экранов на крыше поезда, учитывающая их место установки, материал, из которого изготовлен ШЭ, тип источника звука и пр.;
методики испытаний ВСП по определению акустических характеристик источников шума и шумовых характеристик поездов;
результаты полученных расчетом акустических характеристик ВСМ и эффективности средств защиты от шума с данными экспериментов;
результаты исследований шума ВСП в зависимости от скорости и расстояния;
результаты апробации предложенных решений при проектировании ВСМ «Москва - Казань».
научно-техническая документация по расчетам шума при проектировании ВСМ и методам выбора и проектирования шумозащиты.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 169 наименований, трех приложений. Основной материал изложен на 178 страницах, включая 36 таблиц и 59 рисунков. Объем приложений - 32 страницы.
Соединенные Штаты Америки
Причиной аэродинамического шума является турбулентный пограничный слой в области подвагонного пространства [158].
Принимается, что рельс является большим излучателем, чем колесо [138, 158].
Интенсивность излучения шума колесом падает с увеличением длины волны, что особенно быстро происходит при достижении длины волны размера, большего, чем диаметр колеса. Интенсивность излучения шума рельсом зависит как от скорости волн изгиба в рельсе, так и от диаметра рельса. Интенсивность излучения становится пренебрежимо малой, если скорость волн изгиба в рельсе меньше, чем скорость звука. Для очень низких частот, эффективность излучения уменьшается как куб частоты и четвертой степени диаметра рельса [158].
Некоторые авторы также говорят о наличии в шуме качения вибрации корпуса поезда, которая передается путям и имеет значение на низких частотах [123, 153, 163]. Вибрации вызваны нарушениями в зоне контакта между колесом и рельсом. Вибрации колеса и рельса возбуждают окружающий воздух, и звук излучается в окружающую среду. Вибрации также передаются в салон поезда через структурный и воздушный шум [148].
На поворотах в кривых может наблюдаться появления визга, что связано со скольжением между рельсом и колесом [148].
Эффективная высота источника шума качения составляет 0,4-0,6 м над уровнем головки рельса [69, 153, 158, 163]. В спектральной характеристике шума качения пики наблюдаются в диапазоне 2000-4000 Гц, шум является высокочастотным. Принято, что шум качения возрастает с увеличением скорости в соотношении 30 logV [69].
Направленность. При условии, что измерения производятся на достаточном расстоянии от источника, чтобы избежать эффекта ближнего поля (как правило, больше, чем 1 м), звуковое давление может быть определено с учетом показателя направленности Q, который описывает отношение интенсивности в заданном направлении к среднему значению интенсивности [51, 54, 84, 152, 168]. Показатель направленности может быть определен по формуле (1.1) [51, 152]: DI = 101og14JQe (1.1) где QQ определяется по формуле (1.2): (1.2) где IQ - интенсивность звука в заданном направлении, Вт/м2; Iav - среднее значение интенсивности звука, Вт/м2.
Петерс (Peters) определил, что диаграмма направленности звука, излучаемого рельсовыми транспортными средствами, прежде всего, определяется дипольными излучателями [123]. Для дипольного излучателя, интенсивность звука через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения, изменяется пропорционально квадрату косинуса угла между направлением максимального излучения и направленного излучения [124].
Излучение диполем соответствует излучению шума колеса, и, по этой причине, Петерс (Peters) предполагает, что колесо является доминантным источником шума [123, 124].
Систематическое исследование излучения шума колесами железнодорожного транспорта в 1976 опубликовал Ремингтон (Remington) [136, 163]. Ремингтон пришел к выводу о том, что колесное излучение является всенаправленным в пределах 5 дБ А как для радиальной, так и для осевой составляющей. Радиус измерения составлял 3,1 м [163].
Вольде (Wolde) и ван Руитен (van Ruiten) опубликовали различные результаты о направленности шума качения в 1982 г и сообщили о наличии неравномерного излучения на различных частотах [163].
Интересно, что только данные, опубликованные в работах Реминтгона, показали четкую диаграмму направленности в одна треть октавных полосах частот [164]. Различия, представленные в работах исследователей, могут быть объяснены двумя аспектами: колеса, которые использовал Ремингтон в своих работах, были меньшими по диаметру (0,76 м по сравнению с 0,92 м); расстояния, на котором проводились измерения, были различны с тоски зрения их отношения к радиусу колеса (4,08 против 2,66). В результате исследований направленности была получена формула [163, 164]: ALMAed( ) = 101g[0.4 + 0.6cos( )] (1.3) Представленная функция дает разницу между значениями при 00 и 900 в 4 дБ А. Определение углов направленности определяется согласно рисунку 1.6 [163].
Однако, в связи с тем, что высокоскоростные поезда имеют специальные фальшборты, ограничивающие распространение шума качения, вертикальная направленность будет сильно отличаться от значений, получаемый по данной формуле [163], что необходимо учесть при разработке методики расчета шума от ВСП.
Аэродинамические источники шума становятся превалирующими при скорости движения поезда 250-300 км/ч [69, 148]. Аэродинамический шум генерируется за счет высокой скорости воздушного потока вдоль поезда. Компоненты аэродинамического шума образуются в виде неустановившегося потока в области первого и последнего вагонов, а также на структурных элементах поезда (в основном в областях межвагонного и подвагонного пространств, пантографа, носовой части поезда, стен вагонов, решеток). Турбулентный пограничный слой генерируется по всей поверхности поезда.
Аэродинамические источники в основном излучают звук в среднегеометрических полосах частот ниже 500 Гц, шум является низкочастотным. Аэродинамический шум возрастает с увеличением скорости движения поездов намного быстрее, чем механический шум или шум качения, и определяется соотношением 60 logV …701ogV [69].
Последние 15 лет эксперименты по измерению уровней звука от различых моделей ВСП регулярно проводились во Франции, Германии, Италии, Японии, Испании, Китае и других странах. Важные результаты исследований были опубликованы в работах, описывающих результаты международных проектов, таких как совместный проект Франции и Германии под названием «Deufrako cooperation К» [79], а также в других проектах [2, 30, 49, 50, 80, 121, 125, 150, 165].
Математические модели расчета максимального и эквивалентного уровней звука
В условиях настоящей работы принимается, что одним из основных источников шума поездов, движущихся со скоростью более 250 км/ч, является аэродинамический шум, порождаемый обтеканием воздухом корпуса поезда и его отдельных частей, таких как пантограф. На значение удельного корректированного уровня звуковой мощности Lw в этом случае влияют следующие параметры: - скорость движения поезда v, км/ч; - длина поезда, м, определяющая длительность воздействия на точку наблюдения; - конструкционные особенности поезда (тип пантографа, форма носовой части поезда, наличие малых локальных экранов на крыше поезда, наличие заполнения межвагонного и подвагонного пространств и др.) и др.
Предполагается, что зависимость корректированного уровня звуковой мощности, а соответственно и корректированного уровня звука, от скорости движения поезда является превалирующей.
Одним из способов предсказания значений переменной (в условиях настоящей задачи - уровня звука) является метод регрессионного анализа. Его целью является разработка статистической модели, позволяющей прогнозировать значения зависимой переменной (уровня звука) по значениям независимой переменной (скорости движения поезда) исходя из известной выборки событий. В работе рассматривается простая линейная регрессия, учитывающая зависимость одной переменной от одного параметра, и позволяющая найти прямую линию, максимально приближенную к результатам фактических измерений. В качестве критерия соответствия задается разность между фактическими измеренными значениями у, и предсказанными значениями у. Поскольку эти разности могут быть как положительными, так и отрицательными, для получения абсолютной оценки используется сумма их квадратов. Таким образом, корректированный уровень звука LWkiiCI, дБА, можно выразить через следующее регрессионное уравнение [39]: LAzs = algV + b, дБА (2.24) где a и b - параметры, подлежащие определению. Выражение (2.24) можно выразить через соотношения относительно следующих величин: xt = lgVt; yt = axt + b, где под параметром b подразумевается константа.
Как видно из выражений (2.20), (2.23) уровень звука также может зависеть от длины поезда и времени воздействии.
При определении максимального уровня звука от линейного источника шума параметр Ь, помимо константы, значение которой будет определено в результате решения регрессионного уравнения, также должен включать в себя значение, определяемое из выражения 10lq arctq— , а при определении эквивалентного уровня звука линейного источника - помимо члена 10lq arctq— должен включать в себя еще и 101а—. Таким образом, общим уравнением при определении уровней звука является уравнение вида [39]: Уі = axt + b (2.25) Для того чтобы найти значения параметров а и b, минимизирующих сумму квадратов разностей, применяется метод наименьших квадратов [35]. Так, коэффициенты уравнения линейной регрессии а и b определяются формулами [39]: ах и о- - дисперсии, определяемые по формулам (2.29)-(2.30); МхиМу - математические ожидания, определяемые по формулам (2.31) (2.32).
Для определения характера зависимости и меры ее соответствия линейной зависимости рассчитывается коэффициент корреляции. Коэффициент корреляции Пирсона для двух величин и- определяется следующим соотношением [35, 39]: COV(JC,V,) Rxy= (2.28) х у где cov(x,.Уі) - ковариация, рассчитываемая по формуле (3.10), " иV_ дисперсии, определяющиеся из соотношений для дисперсной оценки иУі [35, 39]. п п г=1 2 1 " П г=1 х,2 =-( ,-Mj2, (2.29) Zfc -Му)2 (2.30) Mx My xi yi где и - математические ожидания случайных величин и , которые определяются соотношениями [35, 39]: 1 п n х / ,i П г=1 Мх=-2_,хп (2.31) МУ= ХУ, (2.32) п г=1 где п - объем генеральной совокупности. Ковариация характеризует степень линейной зависимости двух случайных величин и У вычисляется по формуле [35, 39]: со\(хиу,) = -2( / -Мх)(уг -Му) (2.33) п г=1 где п - порядок выборки. Погрешность предсказания - по значениям определяется формулой для остаточного среднеквадратичного отклонения [35, 39]: ay/x=ayfJl-Rly (2.34) 2.3.2. Генеральная совокупность экспериментальных данных
В качестве выборки событий, составляющих генеральную совокупность, рассматривались результаты экспериментальных данных по измерениям максимальных и эквивалентных уровней звука, выполненных в Китае, Франции, Японии, Германии, Южной Корее и других странах [41, 53, 57, 69, 72, 74, 76, 83, 87, 98, 104, 106-108, 111, 127, 128, 140, 156, 169].
Результаты измерений приводились к единообразным исходным параметрам: расстояние от оси железнодорожного пути Ro = 25 м, высота над уровнем головки рельса h = 3,5 м. В случае, если измерения проводились на другом расстоянии Ro, уровни звука на требуемом расстоянии 25 м находились путем вычитания или прибавления из измеренного исходного значения, соответствующего уровня звука, теряемого за счет дивергенции на этих расстояниях (при аппроксимации источника шума линейным) по выражению: 10(—). В используемой литературе измерения проводились или на 25 м, или на 30,5 м. Во втором случае для получения значения уровня звука на 25 м исходные уровни увеличивались на 0,9 дБА, согласно вышеописанной формуле: 10 (—) = 0,9 дБА. Максимальные уровни звука. Результаты обработки генеральной совокупности максимальных уровней звука на расстоянии 25 м от оси железнодорожного пути и на высоте 3,5 м, а также перечень соответствующих источников литературы, представлены в Таблице 2.4. Выборка, участвующая в расчете, получена путем исключения аномальных значений.
Следует также отметить, что при обработке результатов измерений максимальный уровень звука определялся по параметру LАmax slow (временная характеристика детектора усреднения - «медленно», каждые 1 с), а не L А max fast (временная характеристика детектора усреднения - «быстро», каждые 0,125 с). Принималось, что разница между Lmax slow и Lmax fast составляет 2 дБА согласно [69].
Расчет эффективности малых локальных шумозащитных экранов и крыши поезда
Разработана модель расчета эффективности малых локальных экранов, устанавливаемых на крыше поезда, а также непосредственно крыши поезда, как экранирующего сооружения, снижающих шум пантографа, как наиболее высокого относительно уровня головки рельса источника шума высокоскоростного поезда. Используется классическая модель, предложенная Д. Маекавой, когда свободное ребро шумозащитного экрана, через которое дифрагирует звук, представлено линейным излучателем цилиндрических звуковых волн [28, 38]. Пантограф аппроксимирован точечным источником шума.
Основными положениями теории являются: - шумозащитный экран рассматривается как набор вторичных линейных излучателей звука - свободные ребра ШЭ; - для учета явления дифракции на свободных ребрах ШЭ вводится коэффициент дифракции ШЭ [Рдиф) и показатель дифракции ( ПД = ); \ экр / оДиф "экр - учитываются явления отражения, поглощения и дифракции звука, связанные с ШЭ и вблизи него; - ШЭ принимается звуконепроницаемым; - при учете отражения звука используется метод мнимых источников, а отражающая поверхность характеризуется коэффициентом звукопоглощения (экр, кр).
Шумозащитные экраны работают на двух основных принципах акустической защиты: отражение и поглощение звука. Для ШЭ характерна дифракция. Явление дифракции - это огибание волнами препятствия (для ШЭ - его свободного ребра). Дифракция снижает эффективность ШЭ. За ШЭ образуется звуковая тень, в которой наблюдается снижение звука за ШЭ. Основные явления преобразования звука ШЭ показаны на рисунке 3.2 [23, 40].
Описание физических процессов, учитываемых в предлагаемой расчетной модели, можно представить следующим образом: уровень звука, излучаемый источником шума, снижается за счет звукопоглощения и звукоотражения ограждающих конструкций (малых локальных экранов и крыши поезда, при этом заданные поверхности являются звукопоглощающими или звукоотражающими).
Далее звук дифрагирует через свободные ребра шумозащитного сооружения и попадает в расчетную точку, теряя часть энергии за счет дивергенции.
Для возможности учета описанных физических процессов введены коэффициенты, представленные в таблице 3.1. Так, коэффициент звукопоглощения (ссэкр) показывает, какая часть энергии звука, падающая на ШЭ, поглощается при наличии в его конструкции звукопоглощающих материалов. Коэффициент дифракции ШЭ (/?диф) показывает, какая доля энергии дифрагирует на свободных ребрах ШЭ. Дополнительно в работах [28, 38] вводится такое понятие, как показатель дифракции ПД = , который показывает уровень снижения звука за счет Условиями применения разработанной теории являются следующие критерии: - малый локальный шумозащитный экран имеет прямую форму; экраны Z-образные и других форм не рассматриваются; - малый локальный шумозащитный экран имеет обтекаемую форму и не является самостоятельным источником аэродинамического шума; угол обтекания шумозащитного экрана не учитывается; - материал малых локальных шумозащитных экранов и крыши поезда является звукопоглощающим и звукоотражающим; - малый локальный шумозащитный экран является плоским и условно не имеет толщины; свободное ребро малого локального шумозащитного экрана и свободное ребро крыши поезда находятся на одной оси и отличаются только ординатой; - ограждающие конструкции являются звуконепроницаемыми; - расчетная модель не учитывает интерференционные явления за шумозащитным экраном.
Техническим инструментом, при помощи которого осуществляется вывод формул, является последовательное описание всех акустических процессов. При этом рассматривается исходная величина - акустическая мощность источника звука, а получаемая конечная величина - интенсивность звука в расчетной точке с учетом изменения звукового поля при внесении в него ШЭ (рис.3.3). wn где Wист - акустическая мощность источника, Вт; h - интенсивность звука на первой поверхности с первым импедансом, Вт/м2; Wi– акустическая мощность звука, излучаемого этой поверхностью, Вт; I2 иW2 - то же для второй поверхности с новым импедансом; 1„ и W„ - то же для п-й поверхности; ТРТ - интенсивность звука в расчетной точке (РТ).
Расчет эффективности малых локальных ШЭ, устанавливаемых на крыше высокоскоростного поезда, выполняется по схеме, в которой рассматривается падение прямого звука от ИШ-пантографа на крышу подвижного состава, имеющую экранирующие свойства, а также на малые локальные ШЭ, установленные на крыше. Расчет ведется для РТ, расположенной за ШЭ или краем крыши на высоте 1,5 м над поверхностью земли. В расчете принимается расстояние r от точечного ИШ-пантографа до края крыши или свободного ребра ШЭ. В расчет принимаются звукопоглощающие свойства ШЭ и звукоотражающие свойства крыши. Дифракция характеризуется коэффициентом дифракции ШЭ (/? ) или крыши (/? ).
При рассмотрении крыши как экранирующего сооружения в качестве высоты ШЭ принимается расстояние г, равное половине ширины крыши поезда. Длина ШЭ для такого случая принимается равной длине вагона, на котором установлен пантограф.
Определение вклада источников шума высокоскоростного поезда
В процессе выполнения настоящей работы были разработаны рекомендации к методам расчета шумовых характеристик высокоскоростных поездов и методам расчета снижения шума с расстоянием.
Выполненные исследования позволили определить параметры, от которых зависит создаваемый высокоскоростным поездом уровень звука и предложить ряд рекомендаций по расчету шумовых характеристик:
1. Общий уровень звука в расчетной точке (на расстоянии 25 м от оси магистрального железнодорожного пути и на высоте 3,5 м над уровнем головки рельса) можно разделить на отдельные вклады основных источников шума – ходовая часть поезда, корпус и носовая часть поезда, пантограф. Данное разделение позволяет наиболее достоверно определять эффективность устанавливаемых вдоль железных дорог шумозащитных экранов, т.к. учитывает высоту каждого отдельного источника шума.
2. При расчете шумовых характеристик высокоскоростных поездов необходимо учитывать конструкционные особенности подвижного состава, в числе которых форма носовой части поезда, тип подвагонного и межвагонного пространств, тип пантографа, наличие малых локальных шумозащитных экранов на крыше поезда, исполнение оборудования, наличие шумопоглощающей облицовки на фальшбортах и на дне поезда и другое.
Снижение уровней звука, излучаемых высокоскоростными поездами, может быть достигнуто путем уменьшения скорости движения подвижного состава (снижение на каждые 20 км/ч обеспечивают сокращение зоны санитарного разрыва в среднем на 50 м), приданием аэродинамически обтекаемой формы первому и последнему вагонам поезда, а также пантографу, установкой на крыше поезда малых локальных шумозащитных экранов, ограничивающих распространение шума от пантографа, применением шумопоглощающей облицовки.
Также результатом проведенного исследования являются рекомендации к выполнению расчетов по вычислению снижения уровней звука с расстоянием, а именно:
1. При проведении расчетов распространения шума на местности необходимо учитывать тип источника шума. Так, затухание максимального уровня звука, излучаемого пантографом, происходит в 2 раза быстрее, чем затухание максимального уровня звука корпуса и ходовой части поезда, т.к. первый источник шума является точечным, а второй и третий – линейными (при рассмотрении расчетной точки на расстоянии 25 м от оси магистрального железнодорожного пути).
2. Также при прогнозировании уровней звука на примагистральной территории следует учитывать, что затухание вследствие поглощения звука подстилающей поверхностью следует учитывать в расчетах только для низких источников шума, таких, как ходовая часть поезда (источник шума на высоте 0,5 м над уровнем головки рельса). Для высоких источников шума (корпус и носовая часть поезда на высоте 2,0 м, пантограф на высоте 5,0 м над уровнем головки рельса) затухание из-за влияния земли не учитывается.
3. При проведении расчетов для точки, расположенной на расстоянии до 100 м от оси магистрального железнодорожного пути, необходимо учитывать направленность источника шума. Из источников шума высокоскоростного поезда к ним относится ходовая часть поезда ввиду наличия кузова подвижного состава, который ограничивает пространственный угол излучения шума.
Корректный расчет шумовых характеристик отдельных источников шума высокоскоростного поезда, и подвижного состава в целом, а также достоверное определение снижения шума с расстоянием, обеспечивают условия для качественной разработки эффективных шумозащитных мероприятий с учетом всех особенностей процессов шумообразования при высокоскоростном железнодорожном движении.
Разработанные рекомендации и методы расчетов шумовой характеристики высокоскоростных поездов были использованы при проектировании первой в России высокоскоростной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург по заказу ОАО «Скоростные магистрали». Проектная документация данного объекта разрабатывается консорциумом проектировщиков во главе с ОАО «Мосгипротранс» при участии ОАО «Нижегородметропроект» и группой компаний по проектированию китайских железных дорог (China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd.) (CREEC) [13]. Первым этапом в реализации проекта является строительство участка Москва-Казань, который пройдет по территории 7 субъектов Российской Федерации: Москва и Московская область, Владимирская и Нижегородская области, Чувашская Республика, Республика Марий Эл и Республика Татарстан (рисунок 6.1) и сократит время в пути с 14 часов до 3,5 часов [13].
По формулам (2.39)-(2.83), приведенным во 2 главе настоящей работы, был выполнен расчет шумовых характеристик потоков высокоскоростных поездов по всей проектируемой трассе протяженностью 770 км со скоростью движения поезда до 400 км/ч в дневное время суток.
В качестве примера приведен расчет шумовых характеристик потоков высокоскоростных поездов в дневной период времени на одном из участков строительства ВСМ в границах населенных пунктов Ногинск – Владимир. Исходными данными для расчетов являлись ведомость скоростей и интенсивность движения поездов, длина подвижного состава, конструкционные особенности поезда, тип верхнего строения пути. Скорость движения поездов в дневное время суток в зависимости от категории и участка в границах рассматриваемого участка варьируется от 120 до 360 км/ч. Интенсивность движения составляет от 3 до 10 высокоскоростных поездов в час суммарно в оба направления. Путь проходит по бетонным плитам.
Для высокоскоростных поездов со скоростью движения более 250 км/ч рассчитывались три шумовых характеристики на соответствующей каждому источнику шума высоте. Для высокоскоростных поездов со скоростью движения до 250 км/ч рассчитывалась одна шумовая характеристика для поезда в целом на высоте 0,5 м согласно ГОСТ Р 56394-2015 «Шум. Карты шума оперативные для железнодорожного транспорта. Общие требования и методы составления» [22] по ГОСТ 33325-2015 «Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом» [20].