Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование формирования внешнего шума автомобилей на автомобильных дорогах 16
1.1. Нормируемые характеристики транспортного шума в жилой застройке, прилегающей к автомобильным дорогам. Методы прогнозирования транспортного шума 16
1.2. Методика исследования внешнего шума автомобилей в реальных дорожных условиях и перспективы его снижения 25
1.3. Влияние скорости движения на уровни звука внешнего шума автомобилей. Классификация автомобилей по внешнему шуму. Группы автомобилей 35
1.4. Влияние продольных уклонов автомобильных дорог на уровни звука внешнего шума автомобилей 49
1.5. Влияние шероховатости и типа дорожного покрытия на уровни звука внешнего шума автомобилей 54
Глава 2. Прогнозирование шума транспортных потоков на автомобильных дорогах 69
2.1. Детерминистическая модель прогнозирования шума транспортных потоков 69
2.2. Теоретические основы имитационного моделирования шума транспортных потоков 89
2.3. Алгоритм и описание расчетов шума транспортных потоков в имитационной модели "NOISE" 94
2.4. Оптимизация параметров имитационной модели для расчетов транспортного шума и анализ соответствия результатов моделирования шуму транспортных потоков в реальных условиях... 114
2.5. Имитационные эксперименты на модели "NOISE" для разработки метода расчета уровней шума транспортных потоков 124
2.6. Распространение шума от транспортных потоков на автомобильных дорогах в свободном пространстве 139
Глава 3. Теоретическое исследование распространения шума за шумозащитными экранами на автомобильных дорогах 150
3.1. Шумозащитные экраны как средство защиты жилой застройки от транспортного шума. Особенности расчетов эффективности снижения шума экранами 150
3.2. Направления исследований эффективности снижения шума экранами . 166
3.3. Теории дифракции в методах расчета эффективности снижения шума экранами 187
3.4. Теоретическое рассмотрение распространения шума от точечного источника над поверхностью земли 214
3.5. Акустические характеристики поверхности земли в расчетах снижения шума экранами с учетом интерференции звуковых волн 221
3.6. Теоретическое обоснование метода расчета снижения шума от точечного источника экраном, расположенным на поверхности земли 227
Глава 4. Реализация теоретического метода расчета снижения шума экранами с учетом интерференции звуковых волн в имитационной модели "NOISE" 230
4.1. Теория дифракции Макдональда в расчетах снижения шума экранами 230
4.2. Расчет уровней звукового давления и уровней звука в модели "NOISE". 244
4.3. Алгоритм расчетов снижения шума на основе теории дифракции Макдональда в модели "NOISE" 255
4.4. Исследование снижения шума одиночных автомобилей экранами на имитационной модели "NOISE" 269
4.5. Исследование снижение шума транспортных потоков экранами на имитационной модели "NOISE" 288
Глава 5. Технико-экономическое обоснование эффективности капиталовложений в осуществление мероприятий по снижению уровней транспортного шума от автомобильных дорог в жилой застройке 308
5.1. Расчетные эквивалентные уровни звука транспортного шума в дневное и ночное время в проектах защиты от шума на автомобильных дорогах 308
5.2. Оценка ущерба населения от транспортного шума в технико-экономическом обосновании эффективности капиталовложений в осуществление шумозащитных мероприятий в проектах автомобильных дорог 320
5.3. Модель технико-экономического обоснования эффективности капиталовложений в шумозащитное мероприятие в проектах автомобильных дорог 331
5.4. Шумозащитные экраны в проектах автомобильных дорог 345
Общие выводы 357
Литература 361
Приложение 384
- Методика исследования внешнего шума автомобилей в реальных дорожных условиях и перспективы его снижения
- Теоретические основы имитационного моделирования шума транспортных потоков
- Направления исследований эффективности снижения шума экранами
- Расчет уровней звукового давления и уровней звука в модели "NOISE".
Введение к работе
Среди всех факторов негативного воздействия автомобильных дорог с движущимися потоками автомобилей на окружающую среду и человека, в последние. годы уделяется наибольшее внимание транспортному шуму. Во многом это происходит из-за того, что транспортный шум является одним из наиболее раздражающих факторов физического воздействия на человека. В мире и у нас в стране накоплен опыт снижения шума в жилой застройке при проектировании автомобильных дорог и их реконструкции. После осуществления ряда крупных проектов по строительству шумозащитных экранов - реконструкция Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД), реконструкция Киевского шоссе, строительство дороги "Дон" и кольцевой автомобильной дороги вокруг г. Санкт-Петербург, отношение к проблеме изменилась, довольно быстро начала развиваться отечественная промышленность по производству элементов шумозащитных экранов различных конструкций, назначения и внешнего вида. До 90-х годов необходимость создания нормальных условий для труда и отдыха человека лишь только декларировалась, и, несмотря на самые жесткие в мире санитарные нормы, на протяжении десятилетий ничего не делалось для решения этой проблемы. В настоящее время защита жилой застройки от шума стала одним из элементов проекта автомобильной дороги, а шумозащитные экраны - таким же естественным элементом автомобильной дороги, как ограждения или разметка проезжей части.
Обеспечению снижения шума в жилой застройке способствовали многочисленные исследования ученых отечественной школы градостроительной и архитектурной акустики. Представителями этой школы были решены такие важные проблемы как прогнозирование шума на улицах и дорогах городов, в населенных пунктах, формирование градостроительной политики, направленной на реализацию методов снижения шума за счет планировочных градостроительных средств, внедрение методов защиты от шума в жилых домах. Среди основателей школы градостроительной акустики необходимо отме-
тить следующих ученых: Г.ЛІОсипова, В.Н.Луканина, Н.И.Иванова И.Л.Ка-рагодиной, Б.Г.Пруткова, О.С.Расторгуева, Е.П.Самойлюка, И.А.Шишкина, Е.Я.Юдина. Развитие методы градостроительной акустики получили в более поздних исследованиях М.М.Болховитиной, А.С.Проходы, В.И.Денисенко, В.Е.Коробкова, Н.К.Кирюшиной, И.Ю.Колпаковой, И.Д.Котовой, А.О.Крузе, О.О.Крузе, И.Л.Шубина и многих других, а также исследованиях, выполненных аспирантами кафедры изысканий и проектирования дорог МАДЩГТУ) - В.Н.Покидько, А.В.Яковченко, З.И.Худайбердиевым под руководством автора настоящей диссертационной работы. Внедрению методов защиты от шума, как части обеспечения экологической устойчивости автомобильных дорог, способствовали работы В.Ф.Бабкова, М.В.Немчинова, И.Е.Евгеньева и многих других.
В последние годы высокая интенсивность движения еще больше усугубляет проблему воздействия шума на человека, которая стала проявляться в особенности там, где загрузка в "часы пик" приблизилась к пропускной способности. Происходит перераспределение интенсивности движения по часам суток. Жители, пригородных районов, населенных пунктов, располагающихся вдоль автомобильных дорог, стали отдавать предпочтение передвижению в более ранние утренние и поздние вечерние часы. Это связано с ненормируемым рабочим временем, с желанием двигаться по дорогам без задержек и с более высоким уровнем комфорта и безопасности. Таким образом, загрузка автомобильных дорог в вечерние и утренние часы значительно возросла по сравнению с таковой, традиционные в "часы пик".
Постоянное, круглосуточное воздействие шума повышает нервное напряжение жителей придорожных населенных пунктов, снижает производительность труда и эффективность отдыха населения, отражается на их здоровье. Актуальной эта проблема осталась и для магистральных автомобильных дорог старой постройки (новых транспортных коридоров, обеспечивающих соблюдение санитарных норм, больше не стало). Сегодня 40% протяжения магистральных автомобильных дорог в Московской области находится в зо-
7 не влияния городов и сельских населенных пунктов, и строительство жилой
застройки вдоль автомобильных дорог продолжается. Наметившаяся тенденция к увеличению подвижности населения привела к отставанию в развитии сети автомобильных дорог (особенно магистральных и многополосных), что привело к резкому увеличению интенсивности движения: к примеру - на Ярославском шоссе на подходах к г. Москве этот показатель уже превышает 103 тыс. авт/сут, а на недавно сравнительно "тихом" Рублевском шоссе он превысил цифру 29 тыс. авт/сут. Жители, проживающие рядом с автомобильными дорогами, стали сталкиваться в последние годы с проблемами, каких они раньше не знали. Если еще совсем недавно основной проблемой была транспортная доступность мест проживания и отдыха, что способствовало формированию загородного рынка жилья, то сегодня размещение жилой застройки вдоль перегруженных транспортом автомобильных дорог является фактором, негативно сказывающимся на качестве жизни населения. Транспортный шум в таких условиях становится причиной обесценивания земли вдоль автомобильных дорог, в зонах акустического дискомфорта. Важным элементом обеспечения акустического комфорта является разделение ответственности между дорожниками и градостроителями. Первые должны отвечать за обеспечение санитарных норм при проектировании автомобильных дорог, вторые - размещать застройку в районах проложения дорог, соблюдая требования установленных санитарных норм.
Отсутствие в нормативных документах по проектированию автомобильных дорог технически и экономически обоснованных величин буферных зон до застройки, законодательных требований по запрету на ее размещение у построенных дорог, привело к тому, что во многих населенных пунктах уровни звука превышают допустимые величины, регламентируемые санитарными нормами "Шум на рабочих метах, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки". Расходы на обеспечение акустического комфорта пытаются отнести в статью капитальных вложений, выделяемых на реконструкцию автомобильных дорог.
-.8.-
Отставание в методах проектирования шумозащитных экранов, обоснования их геометрических размеров и акустических характеристик при проектировании автомобильных дорог привело к ряду проблем, требующих тщательного научного изучения и последующего решения. Отсутствие такого обоснования приводит к нерациональному использованию и без того ограниченных денежных средств, выделяемых на строительство и реконструкцию автомобильных дорог, а также способствует частичному решению проблемы создания акустического комфорта в жилой застройке.
Опыт автора в проектировании шумозащитных экранов при реконструкции МКАД и других объектов, а также анализ их эффективности с позиций обеспечения акустического комфорта в жилой застройке, изменения закономерностей движения транспортных потоков их состава, потребности в экономическом обеспечении мероприятий по снижению шума, позволили определить круг следующих проблем, требующих решения с целью повышения качества акустического обоснования шумозащитных мероприятий при проектировании автомобильных дорог.
В обоснованиях проектов защиты от шума полностью отсутствует программа и перспективы снижения внешнего шума автомобилей. Все сооружения рассчитывают на шум транспортных потоков, формируемый автомобилями, выпускавшимися в 70-е годы, когда и выполнялись в большом объеме исследования шумовых характеристик транспортных потоков. С учетом показателей 20-летней перспективной интенсивности движения для расчета основных элементов автомобильных дорог, уже сейчас прогнозы внешнего шума автомобилей в обоснованиях защиты от шума в проектах автомобильных дорог отстают на 40 лет.
Важной проблемой является акустическое обоснование размеров шумозащитных экранов, что будет показано ниже. Используя в расчетах модифицированные графики Маекавы ("Руководство по расчету и проектированию средств защиты застройки от транспортного шума" и др.), проектировщик в расчетах попадает в "опасную " зону, где акустическая эффектив-
9 ность шумозащитных экранов, теоретически недостаточно обоснованная,
оказывается завышенной и на практике редко достигается. После строительства экрана жители прилегающих районов получают снижение уровней шума меньше расчетного уровня.
3. Важной проблемой в акустическом обосновании также является изучение закономерностей формирования транспортного шума, как в части изучения влияния дорожных условий, шероховатости дорожного покрытия, так и закономерностей формирования интенсивности движения по часам суток, по полосам движения и т.д.
Настоящее исследование автора было направлено на изучение шума транспортных потоков, как фактора, определяемого взаимодействием автомобиля и дороги. В основу работы положено представление автомобиля как точечного источника шума, формирование внешнего шума которого определяется как эксплуатационными характеристиками самого автомобиля, так и дорожными условиями и режимом движения транспортного потока. Под эксплуатационными характеристиками автомобиля в данной работе подразумеваются, модель автомобиля с соответствующими конструктивными особенностями (двигатель, его мощность, система впуска и выпуска, шины, грузоподъемность и т.д.), техническое состояние автомобиля после определенного срока эксплуатации и пробега^ загрузка автомобиля и т.д. В понятие "дорожные условия" включены геометрические характеристики участка автомобильной дороги (ширина полосы движения, количество полос движения, наличие разделительной полосы и т.д.), шероховатость дорожного покрытия, наличие участок, влияющих на режим движения (торможение и разгон), интенсивность движения транспортного потока и его состав.
Целью исследования является разработка новых методов расчета и прогнозирования транспортного шума и шумозащитных сооружений на автомобильных дорогах в системе автомобильная дорога - транспортный поток - жилая застройка.
10 Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
разработать методику и экспериментально исследовать закономерности изменения внешнего шума автомобилей. Основу составляет представления автомобиля в качестве точечного источника шума, формирование шума которого определяется как его эксплуатационными характеристиками, так и дорожными условиями и режимом движения транспортного потока;
разработать математическую имитационную модель формирования транспортного шума на автомобильных дорогах на основе теории движения транспортных потоков, закономерностях изменения внешнего шума отдельных автомобилей и его распространения от автомобильных дорог;
исследовать применимость теорий дифракции для расчета шумозащитных экранов на автомобильных дорогах;
провести на основе разработанных моделей имитационные эксперименты для исследования основных закономерностей формирования шума на автомобильных дорогах;
разработать модели закономерностей формирования уровней звука в течение суток, расчета ущерба населения от транспортного шума, экономической эффективности капиталовложений в осуществление шумозащитных мероприятий;
изучить практическую возможность реализации математических моделей посредством имитационных вычислительных экспериментов и их сопоставления с измерениями на автомобильных дорогах.
Научная новизна состоит в создании принципиально нового подхода к исследованию транспортного шума на единой методологической основе, позволяющей изучать сложный процесс формирования шума транспортных потоков на автомобильных дорогах. Основу метода составляют результаты экспериментальных исследований внешнего шума автомобилей, теория движения транспортных потоков, теоретический анализ выбора точного решения теории дифракции и теории распространения звука над поверхностью земли.
Новая методология и предложенный на ее основе программный комплекс позволяют выполнять имитационные эксперименты на компьютере для решения практических задач при проектировании автомобильных дорог и при определении размеров шумозащитных экранов для обеспечения акустического комфорта в жилой застройке.
Разработаны модели изменения расчетных уровней звука и оценки экономического ущерба по часам суток, а также модель оценки эффективности
капиталовложений для защиты населения от высоких уровней транспортного
і шума.
Объектом исследований является транспортный шум на автомобильных дорогах, методы его прогнозирования и расчета снижения шумозащит-ными сооружениями.
Методы исследований - теоретические и экспериментальные, включающие методы математического моделирования и математической статистики.
Достоверность теоретических решений определяется строгостью используемых методов расчета дифракции за экранами, положениями теории движения транспортных потоков, представлениями физических характеристик источника шума. Достоверность теоретических моделей подтверждается примерами из практики, результатами специальных экспериментов, выполненных на опытных участках автомобильных дорог.
Реализация результатов работы. Результаты исследований были реализованы при разработке раздела технико-экономического обоснования проекта реконструкции Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД), при проектировании шумозащитных экранов на ней (построено более 13 км экранов по проектам автора), при реконструкции Киевского шоссе, при проектировании пересечения Волоколамского шоссе и ул. Свободы в г. Москве и многих других. Результаты исследований поэтапно внедряются для практического использования при решении инженерно-технических задач в норма-
12 тивные документы дорожной отрасли России и в учебный процесс при подготовке специалистов.
]
Нормативно-технические документы
Бабков В.Ф., Дивочкин О.А., Поспелов П.И. и др. Указания по организации и обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах (ВСН 25-76). Минавтодор РСФСР.- М.: Транспорт, 1977. -176с.
Поспелов П.И. Рекомендации по снижению шума на автомобильных дорогах,- Алма-Ата: Минавтодор Каз.ССР, 1979.- 60с.
Бабков В.Ф., Пуркин В.И., Поспелов П.И. и др. Указания по учету требований защиты окружающей среды и землепользования при реконструкции автомобильных дорог в условиях Молдавской ССР (ВСН 9-79).- Кишинев: Минавтодор МССР, 1980.-149с.
Васильев А.П., Белов В.Д., Поспелов П.И. и др. Методические рекомендации по проектированию и оборудованию автомагистралей для обеспечения безопасности движения. - М.: Транспорт, 1983. -120с.
Залуга В.П., Пуркин В.И., Поспелов П.И. и др. Рекомендации по обстановке автомобильных дорог Молдавской ССР.- Кишинев: Реклама, 1984. -150с.
Лавренов А.Н., Осипов Г.Л., Поспелов П.И. и др. Пособие к нормам проектирования и застройки Москвы (ВСН-2-85) по применению градостроительных, планировочных и конструктивных решений по борьбе с городскими шумами. - М.: НИИиПИ Генплана г. Москвы, 1985. -40с.
Бабков В.Ф., Васильев А.П.Поспелов П.И. и др. Указания по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах (ВСН 25-86). Минавтодор РСФСР. - М.:Транспорт, 1988. -183 с.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Мое-
13 ковского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) в 1994-2002 гг., Пятом совещании специалистов-дорожников социалистических стран (г. Балашиха, 1974 г.), Ш (г. Киев, 1978 г.) и У1 (г. Тбилиси, 1987 г.) Всесоюзных конференциях "Пути повышения безопасности дорожного движения", ХУ (г. Мехико, 1975 г.) и ХУШ (г. Брюссель, 1987 г.) Международных дорожных конгрессах Международной ассоциации дорожных конгрессов (PIARC), Всесоюзной научно-технической конференции "Комплексное развитие автомобильного транспорта крупных городов на примере г. Москвы" (г. Москва, 1981г.), Всесоюзной конференции "Борьба с шумом и вибрацией в городах" (г. Днепропетровск, 1982 г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Охрана окружающей среды при содержании и ремонте автомобильных дорог" (г. Тула, 1984 г.), У научной конференции "Проблемы охраны труда" (г. Рубежное, 1986 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Акустическая экология - 90" (г. Ленинград, 1990 г.), Международной научно-практической конференции "Проблемы развития автотранспорта и транзитных коммуникаций в центрально-азиатском регионе" (г. Ташкент, 1996г.), Научно-практической конференции "Промышленная экология-97" (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), Международной научно-практической конференции "Проблемы транспортного строительства и транспорта" (г. Саратов, 1997 г.), Международном симпозиуме "Транспортный шум и вибрация" (г. Таллинн, 1998 г.), 3-ей международной научно-практической конференции "Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе" (г. Москва, 1999 г.), Международной научно-практической конференции "Реконструкция и ремонт транспортных сооружений в климатических условиях Севера" (г. Архангельск, 1999 г.), Научно-практической конференции "Скоростные магистрали в мегаполисах" (г. Москва, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы транспортного комплекса России" (г. Краснодар, 1999 г.), Международной научно-практической конференции "Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития" (г. Москва, 1999 г.), 5-ом международном
14 симпозиуме "Транспортный шум и вибрация" (г. Санкт-Петербург, 2000 г.),
Первой Российско-Германской конференции "Проблемы безопасности дорожного движения" (г.Омск, 2002 г.), Пятой международной конференции "Организация и безопасность движения в крупных городах" (г. Санкт-Петербург, 2002 г.).
Публикации. Результаты исследований автора опубликованы в 65 печатных работах, в том числе 7 нормативных документах, 5 монографиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Основной текст изложен на 390 страницах, включает 119 рисунков, 54 таблицы и список литературы из 273 наименований.
Первая глава посвящена основным положениям, касающимся проблемы обеспечения акустического комфорта в районах жилой застройки, прилегающих к автомобильным дорогам, характеристикам транспортного шума, методам их измерений. В главе приведены результаты исследования внешне-го шума автомобилей в различных дорожных условиях, послужившие основой для разработки метода прогнозирования шума транспортных потоков. В этой главе автором предложена классификация автомобилей в транспортном потоке по внешнему шуму.
Во второй главе приводится анализ формул для прогнозирования шума транспортных потоков в городских условиях и на автомобильных дорогах. Представлено описание разработанных автором моделей формирования транспортного шума (детерминистической и имитационной) и приведены результаты оптимизации параметров модели а также результаты выполненных на имитационной модели экспериментов, исследования влияния дорожных условий и характеристик транспортного потока на эквивалентные уровни звука.
Третья глава посвящена разработке теоретической модели расчета снижения шума за шумозащитным экраном с учетом интерференции звуковых волн вследствие отражения от поверхности земли. Проведен анализ тео-
15 рий дифракции, послуживших основой для разработки метода обоснования
размеров шумозащитных экранов. Приведен анализ теоретического решения для расчета распространения шума от точечного источника при наличии поверхности земли.
Четвертая глава посвящена описанию алгоритма расчета акустической эффективности шумозащитных экранов, расположенных на поверхности земли, на основе модели формирования шума транспортного потока "NOISE", теории дифракции Макдональда и решения для распространения
шума от точечного источника шума над поверхностью земли с учетом ее им-
I педанса. Приведены результаты имитационного моделирования транспортного потока для акустического обоснования размеров шумозащитных экранов.
Пятая глава посвящена вопросам влияния закономерностей изменения интенсивности движения транспортного потока на расчетные показатели транспортного шума; оценке экономического ущерба от превышения требо-ваний санитарных норм и оценке экономической эффективности капиталовложений в осуществление шумозащитных мероприятий на автомобильных дорогах.
Методика исследования внешнего шума автомобилей в реальных дорожных условиях и перспективы его снижения
Основными источниками шума автомобиля являются: двигатель, коробка передач, задний мост, автомобильные шины, вибрация кузова и трансмиссии воздухом, завихрения воздуха (аэродинамический шум).
Внешний шум автомобилей, шумовые характеристики, методы их измерений и допустимые уровни шума автомобилей (мотоциклов) всех образцов, принятых на государственные, междуведомственные и периодически контрольные испытания, осуществляли вначале в соответствии с требованиями ГОСТа 19358-74 [14], затем-ГОСТа 27436-87 [17] и ГОСТа Р 41.51.99 [18], введенного с 1 июля 2000 г.( табл. 1.2).
Транспортные средства, официально утвержденные на основании настоящих правил, должны быть изготовлены таким образом, чтобы они соответствовали официально утвержденному типу, удовлетворяя требованиям, изложенным в вышеприведенной таблице.
Стандарты устанавливают не только допустимые (предельные, как оговорено в стандартах) значения уровней звука, но тщательно регламентируют требования, как к месту производства измерений (вплоть до "гранулометрической кривой скелета асфальтобетонной смеси"), так и к режиму движения автомобиля на измерительном участке.
Частота вращения двигателя и скорость транспортного средства на испытательном участке должны определяться с точностью не менее 3 %.
Участок проведения измерений должен быть горизонтальным с асфальтобетонным покрытием, без отражающих звук поверхностей.
При измерениях уровень звука, соответствующий кривой А при измерениях уровней звука в ДБА, от источников звука, иных, чем транспортное средство, подвергаемое испытанию, а также уровень звука воздействия ветра, должен быть по меньшей мере, на 10 дБА ниже уровня шума, производимого транспортным средством.
Микрофон на измерительном участке устанавливают на расстоянии 7,5 + 0,2 м от оси движения транспортного средства и на высоте 1,2 м над поверхностью. Автомобиль должен двигаться с постоянной скоростью, затем за 10 м до точки измерения следует полностью и возможно быстрее открыть дроссельную заслонку, которая остается в этом положении до тех пор, пока задняя часть транспортного средства не пересечет линию на расстоянии 10 м от плоскости измерения.
Максимальный уровень звука, выраженный в децибелах по кривой А (дБА), измеряют в тот момент, когда транспортное средство проходит между двумя линиями, расположенными на расстоянии 10 м от точки измерения. Выбор скорости приближения к измерительному участку определяется наличием в транспортном средстве коробки передач, мощностью двигателя, типом двигателя (внутреннего сгорания, электродвигатель). Скорость может быть равна 50 км/ч, либо составлять три четверти от максимальной скорости, либо зависеть от частоты вращения двигателя. Измерения шума, производимого движущимся транспортным средством, считаются действительными, если отклонение между двумя последовательными измерениями с одной и той же стороны транспортного средства не превышает 2 дБА.
ГОСТы призваны обеспечивать государственную техническую политику в снижении внешнего шума автомобилей, как основного источника шума на автомобильных дорогах. Снижение шума автомобилей в транспортном потоке является наиболее экономичной мерой снижения шума в застройке, так как снижение шума отдельных автомобилей приводит к снижению шума сразу на всей сети автомобильных и городских дорог.
Таким образом, за последние 25 лет в ГОСТах предельные уровни звука внешнего шума для легковых автомобилей уменьшены на 10 дБ А, для грузовых автомобилей этот показатель еще больше [180]. Введение стандартов внешнего шума автомобилей должно было бы привести к заметному снижению шума транспортных потоков, однако этого не происходит по ряду причин, среди которых можно отметить следующие: - рост интенсивности движения на автомобильных дорогах компенси рует снижение внешнего шума автомобилей, при этом совершенствование тормозных систем приводит к сокращению безопасной дистанции между ав томобилями и формированию более плотных потоков; - с совершенствованием конструкции автомобилей увеличивается и срок их службы, появление в транспортном потоке малошумных автомоби лей не компенсирует увеличение уровней внешнего шума во время эксплуа тации автомобилей; - на российском рынке продаются автомобили со значительным сроком эксплуатации (в 2001 г. было продано только около 4% новых иномарок на автомобильном рынке, в 2002 г. доля продаж всех иномарок на российском рынке достигла 30%), выпущенные по старым стандартам и имеющие достаточно большой пробег; - условия движения, при которых происходят испытания автомобилей, не соответствуют реальным условиям движения на дорогах (скорее соответствуют городским условиям, где в основном движение происходит с ускорениями), дорожным условиям, загрузке автомобилей, условиям эксплуатации и т.д. Водители на автомобильных дорогах стараются выдерживать постоянные, высокие скорости движения, что не соответствует условиям испытаний с полностью открытым дросселем.
В связи с этим на автомобильных дорогах отклонение уровней звука внешнего шума от среднего значения намного превышает точность измерений, приведенную в стандартах. Так как гистограммы распределения частостей уровней звука транспортных потоков формируются уровнями звука внешнего шума автомобилей, то на первом этапе разработки метода прогнозирования транспортного шума была поставлена цель - разработать методику и исследовать количественные характеристики внешнего шума автомобилей при движении в различных дорожных условиях. Факторы, которые определяют внешний шум автомобилей, можно разделить на несколько групп.
Первая группа связана с конструктивными особенностями автомобилей и их движением по автомобильной дороге: модель, скорость движения, техническое состояние, степень загрузки автомобиля, автомобильные шины и их износ.
Вторая группа связана с дорожными условиями: наличие продольного уклона, тип дорожного покрытия и его шероховатость, наличие участков разгона и торможения, интенсивность движения, которая определяет режим движения, реализуемый водителем.
Теоретические основы имитационного моделирования шума транспортных потоков
Поскольку аналитического решения формирования транспортного шума для всех характеристик транспортного потока и дорожных условий в виде единого уравнения получить не удалось, а упрощение задачи привело к недопустимо грубым результатам, пришлось отказаться от аналитического исследования и перейти к другим способам использования математической модели.
При построении имитационной модели формирования шума транспортного потока были поставлены следующие задачи: модель должна быть как можно более гибкой, без значительных дополнительных изменений, хорошо описывать любые дорожные условия (проложение дороги в плане и продольном профиле, изменение состояния дорожного покрытия и условий распространения шума), соответствовать основным закономерностям движения транспортных потоков: распределению автомобилей по полосам движения, функции распределения интервалов между автомобилями и скоростей движения автомобилей в транспортном потоке.
Поток автомобилей и комплекс условий, в которых он движется, представляют собой типичный пример сложной системы. Эта система характеризуется наличием большого количества взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, сложностью функции выполняемой системой, возможностью разбиения на подсистемы, наличием управления, взаимодействием с внешней средой и функционированием в условиях воздействия случайных факторов [101].
Типичным примером исследования сложных систем является их компьютерное моделирование с использованием имитационных моделей, представляющих формализованное описание изучаемого явления во всей его полноте в соответствии со степенью современной изученности [48]. В зависимости от целей моделирования и уровня решаемых задач имитационная модель может быть построена по принципу "особых состояний", или по принципу анализа изменения потока через выбранное время ("принцип At") или отрезок времени ("принцип As ").
Моделирование по принципу "особых состояний" отличается от "принципа Л " тем, что включает в себя процедуру определения времени соответствующего следующему "особому состоянию". При выборе схемы формализации функционирования сложной системы основное значение играет только обеспечение требуемой простоты и точности решения задачи.
Наиболее удобной, унифицированной схемой для описания таких процессов является агрегат [9, 10].
Взаимодействия между элементами системы подчиняются определенным ограничениям, важнейшими из которых являются следующие [10]: передача сигналов между агрегатами осуществляется мгновенно и без искажений, агрегат не может воспринимать входных сигналов, одновременно поступающих на одни и те же входные полюса из различных источников. Модель сложной системы, составленная на основе совокупности взаимодействующих агрегатов, может вызывать сигналы во вне и воспринимать внешние сигналы.
Модель формирования транспортного шума, представляющая собой типичный пример сложной системы, была создана автором на основе схемы кусочно-линейного агрегата [10].
Под агрегатом понимается объект, определенный множествами T,X,Y,Z и операторами (вообще говоря, случайными) Н и G . Элементы указанных множеств называются следующим образом: tеТ - момент времени; JC є X - входной, yeY- выходной сигналы; z є Z - состояние. Состояния, входные и выходные сигналы рассматриваются как функции времени. Операторы переходов Я и выходов G реализуют функции z{t) и y{t). Оператор выходов G представляется в виде совокупности операторов G и G", в общем случае случайных. Оператор G вырабатывает очередные моменты выдачи выходных сигналов, а оператор G" - содержание сигналов.
Состояние агрегата представляет собой вектор \y,z"), где v = v(t) - элемент множества {0,1,2,...}, обозначающий количество автомобилей на полосе движения в момент времени t, a zv =zv(t) - вектор размерности 5v + 3 с элементами, обозначающими следующее: zvSi+3{t) - пройденный /-ым автомобилем путь от начала участка; zv5/+2(t) - скорость движения і -го автомобиля по участку автомобильной дороги; z5/+i(0 " тип /_г0 автомобиля; zy5i(t) - полоса движения на дороге; 25,-(0 " характеристика внешнего шума автомобиля; а также z (t),z2(t) и z\ (t), значения, которые будут определены ниже.
Направления исследований эффективности снижения шума экранами
Если известно положение источника шума, точки расчета и шумоза-щитного экрана и его геометрические размеры, то снижение шума будет зависеть от частоты звука источника шума или его длины волны. В практических расчетах диапазон изменения этих геометрических параметров весьма широк. В связи с этим метод расчета снижения шума экранами должен пре 168 дусматривать возможность реализации широкого спектра геометрических положений.
Редферн [225], рассмотрев теорию дифракции Зоммерфельда, получил величину снижения звукового давления полубесконечным экраном для случаев распространения плоской и сферической волн, используя безразмерную переменную Я, определяемую по формуле (3.3).
Редферн [225] показал, что снижение уровня звукового давления за экраном зависит от отношения длины перпендикуляра, опущенного из вершины экрана на линию, соединяющую источник шума и точку расчета, (кэфф) к длине волны (рис.3.5). Угол дифракции в является одним из параметров на номограмме (рис.3.5) для случая распространения сферической волны. В соответствии с этим рисунком, при угле дифракции в = 0, т.е. в случае, когда вершина экрана В, центр источника шума S и точка расчета шума R расположены на одной прямой, снижение равно 6 дБ, такое же как и при качественном рассмотрении рис.3.4.
Фер [149] выполнил экспериментальные исследования снижения шума трансформаторов, и при условии, что источник шума S и точка расчета R находятся на поверхности земли, определил величину снижения шума как функцию числа Френеля, задаваемого уравнением (3.4). На рис. 3.6 при расположении экрана на поверхности земли величина снижения уровней звукового давления зависит от высоты экрана h над прямой, соединяющей источник шума и точку расчета. В схеме расчета, предложенной Фером, количественно определить влияние поверхности земли невозможно. Однако, в отличие от предыдущего метода расчета, при расположении источника шума S, вершины экрана В и точки расчета R на одной прямой величина снижения составляет 0 дБ. Этот результат совпадает с величиной снижения, получаемой при рассмотрении рис. 3.4.
Все факторы, определяющие шумозащитную эффективность экранов, сложно учесть на основании той или иной теории. В практических расчетах снижения шума экраном от точечного источника шума часто используют график Маекавы [206], для линейного источника (основу которого составляет метод Маекавы), графики Курзе [195]. Маекава [207] выполнил экспериментальное исследование на моделях экранов и сопоставил результаты моделирования с расчетами в соответствии с теорией дифракции Кирхгоффа. Он 170 упорядочил результаты экспериментальных исследований и представил их в зависимости от параметра Френеля N, также как и Фер.
Данная зависимость предусматривает возможность ее использования для всех случаев геометрического расположения источника шума, экрана и точки расчета. Расчет снижения уровней звукового давления представлен на графике для чисел Френеля N 0,3. Отрицательные значения числа Френеля принимают в случаях, когда точка расчета R расположена вне области акустической тени. Ось абсцисс представлена в логарифмическом масштабе, но так как на ней невозможно отразить случай, когда число Френеля обращается в 0, то в области значений N 1 масштаб выбран таким образом, что график снижения уровней звукового давления представлен прямой линией. При числе Френеля N = 0 (источник шума S, вершина экрана В и точка расчета R расположены на одной прямой) в соответствии с графиком на рис. 3.7 величина снижения уровня звукового давления равна 5 дБ. Маекава на своем графике также разместил результаты расчетов по приближенной теории Кирх-гоффа. Сравнение двух методов расчета показало, что кривая, полученная экспериментально, дает примерно на 3 дБ меньшие значения, чем теоретическое решение. Можно считать, что это различие обусловлено акустическими характеристиками экранов, использованных в исследованиях Маекавы и рассматриваемых в теории дифракции Кирхгоффа.
Экспериментальные данные Ратэ можно использовать для прогнозирования снижения шума не только от точечных, но и от линейных источников шума (железные дороги). На частотах ниже 100 гЦ, при малых значениях параметра Френеля, измеренные величины снижения уровней звукового давления от железных дорог располагаются ниже предложенной зависимости. Кроме того, следует иметь в виду, что при увеличении расстояния между источником шума и точкой расчета, кроме поглощения звука, возникающего в атмосфере, следует принимать во внимание влияние поверхности земли на снижение уровней звукового давления.
Расчет уровней звукового давления и уровней звука в модели "NOISE".
При расчетах размеров шумозащитньгх экранов обычно вычисляют их эффективность в уровнях звукового давления только для центральных частот октавных полос: 63, 125, 250, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц или в уровнях звука в дБА. Такой подход не позволяет точно оценить картину формирования шума за экраном, так как на центральных частотах октавных полос уровни звукового давления могут значительно отличаться от уровней на частоте, расположенной рядом с центральной, и оценка эффективности экран будет отличаться от реальной. Простота прогнозирования спектра внешнего шума автомобилей в октавных частотах и уровнях звука представляет возможность выполнения расчетов во всем спектре слышимых частот. Переход от уровней звукового давления на каждой отдельной частоте к центральным полосам частот может сказаться на точности вычисления эффективности экрана. Вычисление уровней звука на основании известного спектра может быть выполнено только с использованием представленной ниже методики. То есть, уровни звука можно рассчитывать либо на основании спектра внешнего шума автомобиля, полученного после проведения расчетов в модели, либо интегрируя интерференционную картину до расчета внешнего спектра.
В результате расчетов шумозащитного экрана в модели от каждого одиночного автомобиля в фиксированный момент времени в компьютере формируется картина аналогичная, изображенной на рис.4.10. На представленном графике (рис.4.10) приведено дополнительное снижение звука экраном при следующих условиях: высота источника шума над уровнем проезжей части автомобильной дороги составляет 0,4 м, высота экрана - 3 м, высота точки расчета над уровнем поверхности земли - 1,2 м, расстояние от точечного источника шума до оси экрана - 10 м, от экрана до точки расчета - 20 м. Акустические характеристики поверхности экрана со стороны источника шума, прилегающей территории со стороны источника шума и точки расчета принимали в данном примере равными 20000 рэл/см, что соответствует асфальтобетонному покрытию. Как отмечалось выше, вычисления в компьютере производятся последовательно, начиная с частоты 31,5 Гц, а затем на частоте, увеличенной в К раз (для графика на рис.4.10 К был принят равным 1,15). Значение коэффициента К определяет точность представления интерференционной картины в модели: чем меньше величина К, тем более точная картина, исключающая провалы в интерференционной картине. Но уменьшение коэффициента
Для условий, когда изменение уровней звукового давления в пределах одной октавной полосы велико и может достигать 20 дБ (на рис.4.10 это октавная частота с центральной частотой, равной 500 Гц), необходимо было разработать метод вычислений уровней звукового давления и уровней звука, учитывающий появление интерференционных пиков. Для реализации этой задачи была разработана программа "FILTR", позволяющая вычислять уровни звукового давления в октавных полосах частот и уровни звука по результатам расчета, исходя из того, что полученные величины представляют собой уровни спектральной плотности звука.
При измерениях шума используют реальные фильтры шумомеров, отличающиеся от идеальных фильтров. Затухание октавного фильтра шумомера в относительных частотах (1-идеального, 2 - реального) и дополнительное снижение шума за счет поверхности земли и шумозащитного экрана в октавнои полосе с центральной частотой 1кГц (нижняя часть рисунка) 247 Характеристики реальных октавных фильтров шумомеров приведены в ГОСТе 17168-82 [100], который распространяется на октавные фильтры, предназначенные для спектрального анализа шумов при акустических измерениях, и устанавливает требования и методы их испытаний. В зависимости от точности фильтры подразделяются на 3 класса: 1 - фильтры для точных лабораторных и натурных измерений; 2,3 - фильтры, соответственно, для измерений нормальной точности и ориентировочных измерений. Для реализации был выбран фильтр 1-го класса с затуханием в дБ для относительных частот, представленных в табл.4.1. Характеристики фильтров дают затухание в довольно широких пределах, а расчеты на компьютере требуют точного и однозначного значения, и, следовательно, формализации характеристик затухания.
