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 темы. Большое внимание, уделяемое производству овощей, объясняется тем, что они содержат витамины, органические кислоты, минеральные соли, микроэлементы.
Зеленные овощные культуры имеют целебные и диетические свойства, предупреждают заболевания, повышают работоспособность. В группу зеленных овощей входит шпинат (Папонов А.Н., 2009; Литвинов С.С., 2013).
В листьях молодых растений содержатся витамины, белковые вещества, соли железа, фосфора, калия, кальция, йода. Хлорофилл по химическому составу близок к гемоглобину крови. Его используют в детском и диетическом питании, рекомендуется при сахарном диабете и малокровии, профилактике опухолей (Требухина К.А., Туленкова А.Г., 1988).
В условиях Тюменской области технология возделывания шпината изучена недостаточно. В связи с этим возникла необходимость изучения технологии возделывания шпината на продовольственные и семенные цели.
В повышении урожайности большое практическое значение имеет внедрение перспективных сортов, способов предпосевной подготовки семян, оптимальные нормы высева.
Цель исследований. Изучение элементов технологии возделывания шпината в северной лесостепи Тюменской области.
Задачи исследований:
-
Изучить сорта шпината по их продуктивности и качеству продукции.
-
Установить влияние обработки семян и растений раствором гумата калия/натрия с микроэлементами на урожайность шпината.
-
Выявить влияние нормы высева в сочетании с калибровкой семян на густоту стояния растений и урожайность шпината.
-
Определить урожайность шпината в зависимости от технологии его возделывания.
5. Рассчитать экономическую и энергетическую эффективность реко
мендуемых приёмов.
Научная новизна. Впервые для условий северной лесостепи Тюменской области дана оценка сортов шпината разных групп спелости по урожайности и качеству. Изучены влияние обработки семян и растений гуматом калия/натрия с микроэлементами на продуктивность и качество шпината. Установлено влияние нормы высева в сочетании с калибровкой семян на густоту стояния растений, обеспечивающих повышение урожайности. Дана оценка существующей и рекомендуемой технологии возделывания шпината, экономическое и энергетическое обоснование технологии возделывания.
Положения, выносимые на защиту. Обработка семян и растений 0,1%-ным раствором гумата калия/натрия, способствует повышению урожайности шпината. Калибровка семян позволяет рассчитывать норму высева с учетом массы 1000 шт.
Практическая значимость. Разработаны и рекомендованы производству элементы технологии возделывания шпината путем подбора сортов, обработки семян и растений гуматом калия/натрия с микроэлементами, способ определения нормы высева с учетом массы 1000 шт. и посевных качеств семян для расчета оптимальной густоты стояния растений. Результаты исследований могут быть использованы при разработке рекомендаций по технологии возделывания шпината, применяются в преподавании курса «Овощеводство» в Государственном аграрном университете Северного Зауралья.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на конференциях молодых ученых (Тюмень 2014, 2015; Омск 2014; Челябинск 2015), научно-практической конференции «Коняевские чтения» (Екатеринбург, 2013, 2015), международной научно-практической конференции «Инновационное развитие аграрного производства в современных условиях» (Екатеринбург, 2015), международной научной конференции Научные достижения и перспективы инновационного развития отрасли овощеводства (ВНИИО, 2015), заседании кафедры садоводства и ландшафтного дизайна ГАУ Северного Зауралья (2014, 2015, 2016).
Рекомендуемые приёмы прошли производственную проверку в ООО «Агро – овощ» Тюменского района Тюменской области.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен патент на изобретение от 06. 04. 2015 г. № 2598042 «Способ предпосевной обработки семян шпината». Подана заявка на патент «Способ определения нормы высева семян шпината».
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 118 страницах, состоит из введения, 4 глав, выводов, рекомендаций производству, содержит 43 таблицы, 8 рисунков. Список литературы включает 203 наименования, из них 14 на иностранном языке, в приложении приводится 7 таблиц.
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].