Определение требуемой акустической эффективности экранов с учетом звукопоглощения

3.1. Одним из наиболее эффективных строительно-акустических средств защиты от транспортного шума селитебной территории и застройки является сооружение придорожных шумозащитных экранов.

3.2. Основным оценочным параметром экрана является его акустическая эффективность, на которую оказывают влияние многие факторы, характеризующие как сам экран, так и источник шума, и параметры окружающей среды.

Особую роль при этом играют факторы, связанные со звукопоглощением в среде. Механизмы этого поглощения могут быть различными, связанными с поглощением звука атмосферой, влиянием ветра, влажности воздуха, температурных градиентов, турбулентностей, зеленых насаждений и т.п.

3.3. Факторный анализ условий распространения шума автотранспортных потоков в окружающей среде при наличии экранов и с учетом звукопоглощения характеризует рассматриваемый сложный процесс во взаимосвязи с физическими явлениями, к числу которых в первую очередь следует отнести: расхождение звуковой энергии или дивергенцию, интерференцию, дифракцию, поглощение звука элементами внешней среды и др. Все эти явления оказывают существенное влияние на звуковое поле на селитебной территории и в застройке и должны учитываться при его расчете.

Картина значительно усложняется, когда на пути звуковых лучей от транспортной магистрали до расчетной точки имеются экранирующие сооружения. В качестве таких сооружений могут выступать холмы, насыпи, овраги, выемки, здания, искусственные стенки и т.п., за которыми образуется акустическая тень. Теоретически уровень звука в акустической тени должен быть значительно ниже уровня шума источника (на величину звукоизоляции экранирующей конструкции). Однако в зоне звуковой тени шум от магистрали, экранируемой экраном, исключается не полностью.

Проникание звуковой энергии за экран зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны. Чем больше длина звуковой волны (λ), тем меньше при данном размере препятствия область тени.

3.4. Проникание звука за экран обусловлено дифракцией звука на верхней и боковых (при не очень длинных экранах) кромках экрана. Строгий расчет дифракции звука на экране в общем виде представляет очень сложную задачу, разрешимую лишь для отдельных частных случаев. Одно из таких частных решений было получено Зоммерфельдом и Макдональдом [1] применительно к полубесконечному экрану:

, (3.1)

где

;

;

, при ,

и , - в остальных случаях;

, при ,

и , - в остальных случаях;

;

;

;

- функция Ганкеля первого рода первого порядка;

, , - цилиндрические координаты точечного источника шума;

, , - цилиндрические координаты расчетной точки.

Несколько более точные результаты, в том числе и для линейных источников, могут быть получены с помощью теории дифракции Френкеля-Кирхгофа [2]:

∆ L_экр. = -10 lg[DF]², (3.2)

где

,

(3.3)

где , , , - интегралы Френеля.

Впоследствии Маекавой [3] на основании обобщения многочисленных экспериментальных данных была разработана более удобная для практического применения формула, дающая небольшую погрешность:

, (3.4)

где N - число Френеля.

Сравнение результатов расчетов по (3.4) с экспериментальными данными показало, что погрешность не превышает 3 дБ, что является достаточно хорошей точностью при акустических расчетах.

3.5. Для повышения точности расчетов в математическую модель экранирующего эффекта (3.4) должны быть внесены некоторые поправки в зависимости от типа экрана.

При экране в виде вертикальной стенки:

N = 2δ /λ, δ = α + в – с, (3.5)

где δ - разность хода звуковых лучей через кромку экрана и через сам экран непосредственно,

; (3.6)

; (3.6)

; (3.6)

α – кратчайшее расстояние между акустическим центром источника шума и верхней кромкой экрана;

в - то же, но для расчетной точки за экраном;

с - расстояние между акустическим центром источника шума и расчетной точкой.

Найденное по (3.5) значение N подставляется в формулу (3.4).

3.6. При расчете акустической эффективности экрана-здания его дворовый фасад рассматривают как экран-стенку (расчеты по формулам (3.4) - (3.8), подставляя вместо r₁ (r₁ + ∆ w), ∆ w - ширина здания). К найденной величине добавляют поправку (К), учитывающую дифракцию звука на верхних и боковых кромках экрана. Величина этой поправки определяется по графикам из [4].

В случае экрана-насыпи или экрана-выемки необходимо учесть дополнительно влияние DL склонов на снижение уровней звука, которое определяется по табл. 3.1 в зависимости от угла (θ) между склоном и горизонтальной площадкой насыпи (выемки).

Таблица 3.1

ПОПРАВКА НА ВЛИЯНИЕ КРУТИЗНЫ СКЛОНОВ НАСЫПИ (ВЫЕМКИ) НА СНИЖЕНИЕ УРОВНЕЙ ШУМА

3.7. Математическая модель экранирующего эффекта насыпи описывается формулой:

∆ L_{экр.нас.} = ∆ L_ст. + K(lg∆ w + 0, 7) – DL, (3.9)

для выемки:

∆ L_экр.в. = ∆ L_ст. – DL, (3.10)

3.8. Автотранспортные магистрали можно рассматривать как линейный источник шума, т.е. в виде равномерно излучающей прямой линии большой длины. Такой источник излучает цилиндрические волны, в которых уменьшение уровня звука при удвоении расстояния составляет всего лишь 3 дБА и определяется уравнением:

L = L₀ – 10 lg(r/r₀), (3.11)

где r₀ = 7, 5 м.

В дальнем свободном звуковом поле, создаваемом транспортным потоком в безграничной однородной атмосфере без поглощения, звук распространяется по прямым линиям-лучам, перпендикулярным фронту волны. С увеличением расстояния от источника поверхность фронта также увеличивается, вследствие чего интенсивность звука падает.

Однако в реальной атмосфере интенсивность звука снижается в большей степени, чем величина, зависящая только от расстояния до транспортной магистрали. Дополнительное снижение интенсивности вызвано поглощением звука, обусловленным различными причинами.

Одна из них связана с поглощением звука в спокойной атмосфере за счет обмена импульсами между молекулами воздуха в результате их теплового движения (классическое поглощение, происходящее вследствие вязкости и теплопроводности воздуха), а также за счет перераспределения энергии между молекулами с различными степенями свободы (молекулярное поглощение).

Последний фактор играет основную роль в снижении интенсивности звука. Классическим поглощением в большинстве случаев можно пренебречь. Величина молекулярного поглощения звука зависит от частоты звука, а также от температуры и влажности воздуха.

3.9. Реальная атмосфера находится в непрерывном движении. Плотность, температура, давление и влажность атмосферы непрерывно изменяются как во времени, так и в пространстве. Поэтому звуковые волны, распространяясь вдоль земной поверхности и преодолевая преграду - экран, претерпевают воздействия этих изменений на пути распространения, а также частично поглощаются и отражаются земной поверхностью. Это приводит к появлению существенной зависимости уровня звука за экраном от перечисленных факторов, т.е. к зависимости акустической эффективности экрана от звукопоглощения и других факторов.

Измерения плотности и температуры приводят к изменению волнового сопротивления атмосферы и скорости звука в ней. Существенную роль играет то обстоятельство, что в определенный момент времени температура в разных точках атмосферы непостоянна и возникает температурный градиент, который в общем случае является функцией координат. Появление градиента температуры обусловлено теплообменом между поверхностью земли и атмосферой.

Существо происходящих явлений проще всего понять в случае слоистой атмосферы, в которой установился постоянный (положительный или отрицательный) температурный градиент, и, следовательно, при возрастании высоты температура уменьшается или увеличивается на постоянную величину.

3.10. Любой звуковой луч, который исходит из источника шума (транспортного потока), испытывает преломление - рефракцию (точно так же, как световой луч в оптически неоднородных средах), распространяется криволинейно и в отличие от случая однородной атмосферы уже не представляет собой прямую линию.

В силу этого могут создаваться условия, приводящие к образованию " зоны молчания" - зоны звуковой тени. В такую теневую зону не попадает ни один из прямых звуковых лучей, исходящих от источника звука.

В дневное время температура обычно уменьшается с высотой, и происходит рефракция звука вверх; в тихую ночную погоду в приземном слое атмосферы нередко наблюдается инверсия температуры, и звуковые лучи прижимаются к земле.

3.11. Градиент звука подвержен также влиянию ветра. Появление градиента ветра чаще всего обусловливается трением между поверхностью земли и движущимся потоком воздуха. При распространении звука скорость ветра добавляется к скорости звуковых волн в неподвижной среде и всякое изменение скорости ветра вызывает изменение скорости звука.

Следовательно, скорость распространения звука в атмосфере равна векторной сумме скорости звука в неподвижной атмосфере и скорости ветра. Звуковые лучи, распространяющиеся против ветра, загибаются кверху, что служит причиной появления зоны молчания, в которую не может проникнуть прямой звук. При распространении звука в направлении ветра зона молчания отсутствует, поскольку звуковые лучи прижимаются к земле.

Днем с наветренной стороны от источника звука влияние ветра и температуры складываются и вызывают искривление лучей кверху. С подветренной стороны эти влияния вычитаются, так что искривление лучей происходит либо книзу, либо кверху, в зависимости от того, какая из величин преобладает. Ночью с подветренной стороны оба градиента складываются и вызывают искривление книзу, в то время как с наветренной стороны оба эффекта вычитаются.

Отсюда следует, что образование зоны звуковой тени, которое сопровождается наиболее сильным отклонением от обычного распространения звука, можно наблюдать преимущественно днем с наветренной стороны от источника звука. Ночью же теневая зона образуется лишь в очень редких случаях (главным образом, с подветренной стороны). Последнее обстоятельство является одной из причин хорошей слышимости ночью.

3.12. Большое влияние на распространение звука оказывает турбулентность атмосферы (порывы ветра и т.п.). Вызываемые ею изменения скорости распространения звука приводят к кратковременным флуктуациям уровня звукового давления, которые могут составлять до 20 дБА при сильном порывистом ветре.

3.13. Во многих случаях при распространении автотранспортного шума источник звука и точка наблюдения находятся на высоте всего лишь нескольких метров или даже дециметров над поверхностью земли. Следовательно, звук распространяется параллельно земле или отражается от нее под небольшим углом. Поэтому можно предположить, что акустические свойства земной поверхности оказывают влияние на уровень звука в месте приема и что, в частности, грунт, сильно поглощающий звук, вызывает большее падение уровня звука, чем это имело бы место только из-за геометрического расхождения звуковых волн.

3.14. В некоторых случаях затухание, обусловленное поглощающим действием поверхности земли, играет заметную роль наряду с другими факторами. При этом влиянием низкого растительного покрова земли (травы, кустарника) практически можно пренебречь. Однако при наличии более высокого растительного покрова, например, в случае зеленых насаждений, наблюдается значительное затухание.

3.15. Эффект снижения шума в зеленых насаждениях зависит от характера посадок, пород деревьев и кустарников, времени года, а также от спектрального состава шума. Рядовые посадки деревьев на улицах и бульварах городов с открытым подкронным пространством оказывают незначительное влияние на улучшение шумового режима. Звук, особенно низкочастотный, беспрепятственно проходит сквозь такие посадки, и лишь высокочастотные составляющие шума частично рассеиваются и поглощаются. Для обеспечения существенного снижения шума посадки зеленых насаждений должны состоять из деревьев с густыми кронами, смыкающимися между собой, а пространство под кронами должно быть заполнено кустарником так, чтобы не было просветов.

3.16. Учет поглощения звука в атмосфере и его рассеивания на атмосферных неоднородностях

Как было отмечено выше, при распространении шума за экранами происходит дополнительное снижение его уровней за счет вязкости и теплопроводности воздуха (классическое поглощение, обусловленное обменом импульсами между движущимися молекулами) и за счет перераспределения энергии между различными степенями свободы молекул (молекулярное поглощение). Эти виды поглощения звука зависят от частоты, температуры и влажности воздуха. В общем случае эта зависимость носит сложный характер, который не поддается описанию аналитической формулой. Поэтому для более точных расчетов следует пользоваться табличными значениями коэффициентов поглощения звука (бета) в атмосфере, установленными экспериментально (табл. 3.2).

Таблица 3.2

КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКА В ВОЗДУХЕ β ·10² дБ/м

Как видно из таблицы, с ростом частоты, при постоянных температуре и влажности, коэффициент поглощения увеличивается, т.е. более высокие частоты затухают сильнее. При фиксированной частоте зависимость коэффициента поглощения от температуры и влажности воздуха носит нелинейный характер, достигая минимума при некоторых их сочетаниях, различных для разных частот. При выполнении ориентировочных акустических расчетов, связанных с санитарно-гигиенической оценкой зашумленности территории транспортными и промышленными источниками, можно пользоваться упрощенной аналитической зависимостью коэффициента звука в воздухе [5]:

β = 0, 375 · lg(f/63), (3.12)

где f - среднегеометрическая частота октавной полосы в нормируемом диапазоне от 63 до 8000 Гц.

Так как формула (3.12) получена на основании статистического усреднения эмпирических данных (табл. 3.2), то в ней в скрытом виде учтены усредненные зависимости коэффициента поглощения от температуры и влажности воздуха.

При распространении звука на большие расстояния существенную роль играет затухание, связанное с турбулентностью воздуха. Оно определяется рассеянием звука на неоднородностях атмосферы, обусловленных порывами ветра, потоками воздуха в вертикальном направлении из-за разности температур земли и воздуха, а также разности давлений по высоте. Ввиду случайного характера этих флюктуаций нельзя установить единую аналитическую формулу, охватывающую все случаи.

Полагая частоту фиксированной, можно найти, что затухание из-за турбулентности воздуха изменяется с расстоянием (r) от источника по законам:

β _тур. = 0, 00295 · f · r, при 100 ≤ f ≤ 1600 Гц, (3.13)

β _тур. = 0, 0105 · f · r, при 1600 < f ≤ 4000 Гц, (3.14)

где r выражено в км.

Из анализа этих формул и на основании экспериментов установлено, что турбулентное затухание звука в атмосфере на низких частотах слабо зависит от расстояния. На средних и высоких частотах оно наиболее сильно меняется для расстояний до 2 км, после чего дальнейший его прирост сильно замедляется. Для расстояний менее 500 м турбулентное затухание может играть существенную роль, а при расстояниях свыше 4 км его можно уже не учитывать, так как при таких расстояниях шум практически спадает до фоновых уровней.

3.16. Учет влияния градиентов температуры и скорости ветра

На распространение шума транспортных потоков при наличии придорожных экранов существенное влияние может оказывать ветер, так как при достаточно большой скорости ветра и на достаточно больших расстояниях проявляются особые эффекты, связанные с искривлением хода звуковых лучей.

В однородной атмосфере без ветра звуковые лучи представляют собой прямые линии, проведенные из центра источника шума, скорость звука во всех направлениях одинакова. При наличии ветра его скорость геометрически складывается со скоростью звука в направлении каждого луча. Поэтому при распространении звука в направлении ветра суммарная скорость увеличивается, а против направления ветра - уменьшается. Скорость ветра в нижних слоях атмосферы уменьшается за счет трения воздушного потока о поверхность земли, влияния растительности и застройки. С увеличением высоты движение воздуха становится беспрепятственным, и скорость ветра увеличивается. В силу этого, с увеличением высоты скорость звука увеличивается по направлению ветра, и звуковые лучи искривляются по направлению к земле. Это приводит к тому, что на больших расстояниях от источника шума наблюдаются повышенные уровни шума, а акустическая эффективность экрана уменьшается по сравнению со случаем спокойной атмосферы.

При распространении звука навстречу ветру (против ветра) скорость звука с высотой уменьшается и звуковые лучи искривляются кверху. В силу этого, начиная с некоторого расстояния, звуковые лучи не достигают поверхности земли и образуется зона звуковой тени или зона молчания, которая отсутствовала бы при спокойной атмосфере.

Учет влияния градиента ветра на распространение звуковых волн целесообразно проводить вместе с учетом влияния градиента температуры атмосферы.

В каждый конкретный момент времени температура воздуха в различных точках даже одной и той же местности неодинакова. Это связано, в первую очередь, с неравномерным теплообменом поверхности земли и атмосферы, зависящим от характеристик поверхностного слоя земли и неравномерности прогрева атмосферы по высоте. Разница в температурах различных участков атмосферы приводит к появлению градиента температуры, а следовательно, к изменению скорости звука и к искривлению звуковых лучей. Так как температура является скалярной величиной, то она воздействует на распространение звука равномерно во все стороны.

При неустойчивых состояниях погоды земная поверхность обычно имеет большую температуру и вследствие этого температура воздуха и скорость звука в нем с высотой уменьшаются. При этом звуковые лучи отклоняются по направлению от земли и на некотором расстоянии от источника возникает зона молчания.

При устойчивых состояниях погоды часто наблюдается инверсия температуры (положительный градиент температуры), т.е. возрастание температуры воздуха с высотой. Это вызывает искривление звуковых лучей по направлению к земле, что создает благоприятные условия для распространения звука на большие расстояния. Инверсия температуры воздуха обычно наблюдается в ночное время.

В отдельных случаях возможно такое сочетание погодных условий, что на некоторой высоте (обычно вблизи поверхности земли) образуется так называемый воздушный волновой канал - слои воздуха с пониженной скоростью звука, окруженные со всех сторон слоями воздуха с повышенной скоростью звука. Звуковые лучи от транспортных источников шума, попадающие в волновой канал, испытывают достаточно сильное отражение от граничных слоев канала, в результате чего звук слабо затухает и способен распространяться на сверхдальние расстояния.

Неустойчивые состояния погоды, приводящие к неустойчивой слоистости воздуха, обычно наблюдаются при солнечной погоде днем и в летний период года.

Устойчивые состояния погоды (устойчивая слоистость воздуха) наблюдаются чаще зимой вечером и ночью при ясной безветренной погоде.

При равновероятной частоте всех направлений ветра и при усреднении по различным температурным условиям поправка к расчетным уровням звука за экраном может быть вычислена по формуле:

∆ L_в/т = 3/[1, 6 + 10⁵(r₀/r)²], дБ, (3.15)

где: r - расстояние от акустического центра автотранспортного потока до расчетной точки, м;

r₀ = 1 м - опорное расстояние.

Расстояние от транспортной магистрали до границы зоны молчания (звуковой тени) r_тен. рассчитывается по формуле:

(3.16)

где: с₀ и Т₀ - скорость звука и абсолютная температура воздуха непосредственно около поверхности земли;

дс/дh, дТ/ дh - градиенты скорости звука и температуры воздуха;

Н_и.ш. , Н_р.т. - высоты акустического центра транспортного потока и расчетной точки над уровнем поверхности земли.

Знак " +" в формуле (3.16) берется при совпадающем действии градиентов, знак " -" при их противоположном действии.

3.17. Учет влияния поглощения и отражения звука покрытием территории

Так как автотранспортный поток и точка наблюдения находятся обычно на небольшой высоте над поверхностью территории, то звук распространяется, в основном, в приземном слое. При этом в точку наблюдения приходят три составляющие: прямой звук; звук отраженный от поверхности земли и так называемая " земная" волна. Математическая модель этого процесса описывается уравнением:

,

(3.17)