Расчёт уровня шума в зоне влияния автомобильных дорог (практическая работа №1).

1 Цель работы овладение методикой расчёта уровня шума автотранспортного потока.

2 Порядок выполнения работы

Практическая работа рассчитана на два аудиторных часа, то есть полностью выполняется и защищается в течение одного занятия.

На данном занятии по результатам ознакомления с методическими указаниями составляется конспект, который должен отражать следующие положения:

1) об актуальности транспортного шума как экологической проблемы (п. 3);

2) основы нормирования шума (п. 4).

Конспект должен быть составлен таким образом, чтобы в нём кратко, но достаточно полно, были представлены ответы на контрольные вопросы (п. 8). В конспекте приводятся результаты расчёта (по примеру п. 6) согласно выданному преподавателем варианту (п. 7).

Работа над конспектом завершается составлением по результатам расчёта плана шумозащитных мероприятий.

После подготовки по контрольным вопросам практическая работа защищается.

3 Об актуальности транспортного шума как экологической проблемы

Немецкие учёные, в качестве чрезвычайно важной экологической проблемы, второй после выброса канцерогенных веществ с отработавшими газами, рассматривают транспортный шум [1]. По данным медицинской статистики Германии риск умереть от последствий транспортного шума в 2 раза выше, чем от обусловленных автотранспортом онкологических заболеваний. Зафиксировано значительное число случаев смерти от сердечного приступа, вызванного именно шумом. Кроме того, доказано, что шум может стать причиной острых и хронических стрессовых расстройств. Поэтому разработка и проведение мероприятий, направленных на снижение уровня транспортного шума, является на сегодняшний день актуальной задачей, от эффективного решения которой зависит, прежде всего, здоровье жителей городов.

Шумовое поле вокруг автотранспортного средства при его движении формируется из шумов, сопутствующих работе двигателя, трансмиссии и ходовой части и взаимодействию шин с дорогой, а также шума аэродинамического происхождения (в результате взаимодействия кузова с атмосферой). Причём при низких скоростях движения преобладает шум двигателя (выпускной системы), а при высоких – шум шин [2].

Уровень шума автотранспортного потока определяется интенсивностью и составом потока, прежде всего, долей грузовых автомобилей и автобусов в потоке.

Транспортный шум усиливается: 1) при увеличении средней скорости потока; 2) при резком изменении режима движения транспорта (разгон, торможение, обгон, остановка влияют в пределах 2…3 дБА); 3) при пересечении в разных уровнях и слиянии потоков одинаковой интенсивности и состава на перекрёстках с регулируемым движением (в пределах 3 дБА).

4 Основы нормирования шума

Шум представляет собой сложный звук нестационарного характера, составляющие которого имеют различную частоту и интенсивность [3]. Известно, что звук как физическое явление – это волновое колебание упругой среды, поэтому волны его возникают всегда, когда в такой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы этой среды (газообразной, жидкой, твёрдой) совершают колебательные движения вследствие действия на них возмущающей силы. С точки зрения природы возникновения между звуками, шумом и вибрацией никакой разницы нет. Все они в основе своей складываются из гармонических колебаний. Разница состоит лишь в психофизиологическом их восприятии. Вибрация воспринимается осязанием, шум – слухом. Слуховое ощущение, возникающее у человека, называется звуком. Человек воспринимает звуковые раздражения в диапазоне частот 20…20000 Гц и способен выполнять тонкий анализ и синтез звуков, выбирать из большой массы полезные звуки и соответствующим образом реагировать на них. К звукам с частотой < 20 Гц – инфразвукам и > 20 кГц – ультразвукам человеческое ухо не чувствительно.

Обычные техногенные шумы возникают как следствие вибрации каких-либо поверхностей, причём с увеличением поверхностей и амплитуды их колебаний излучаемый шум усиливается. Исключение из этого составляют лишь аэродинамические шумы (вентиляторы, воздушные струи) и шумы, порождаемые трансформаторами, электрическими генераторами и двигателями.

Определяющими характеристиками источника колебаний являются частота f и интенсивность колебаний – звуковое давление p. Кроме того, звуковая волна характеризуется длиной λ и периодом Т:

(1)

где a – скорость распространения звукового колебания в исследуемой среде (скорость звука), которая для идеального газа при адиабатном процессе и плотности среды ρ будет (k – показатель адиабаты).

При исследовании вопросов излучения, отражения и распространения звука в разных средах важную роль играют акустическое сопротивление среды и такая энергетическая его характеристика, как сила J звука.

Под силой J звука понимают количество звуковой энергии, переносимое волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны. В случае плоской синусоидальной волны

(2)

Для практических целей введено понятие уровня L силы звука, выражаемого в логарифмических единицах – децибелах (дБ). А так как сила звука пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень силы звука определяют также через величины звукового давления

(3)

где J и p – измеряемые величины;

J₀ – пороговое значение силы звука, равное 10^-12 Вт/м²;

p₀ – звуковое давление, условно принятое за порог чувствительности уха человека (2·10^-5 Па).

Причём различают такие параметры, как уровень интенсивности звука L_J и уровень звукового давления L_p.

Спектры шума обуславливаются наличием в колебательном процессе синусоид с различными амплитудами, фазами и длинами волн, вследствие чего их делят на три вида: дискретные, или линейчатые, сплошные и смешанные. Дискретные спектры характеризуются наличием одной или нескольких частотных составляющих с высшими для них гармониками (например, спектры шума машин с вращающимися частями). Сплошные спектры – результат статистического сочетания большого количества случайных частотных составляющих (шумы ударного и взрывного происхождения). Смешанные спектры шумов наиболее распространены на практике и представляют собой сочетание дискретных составляющих и сплошного шумового фона.

Для оценки характера шума введена их классификация по спектральным и временным характеристикам [4].

По характеру спектра шумы делятся на широкополосные и тональные. Под широкополосными шумами понимают шумы, имеющие непрерывный спектр шириной более октавы (рисунок 1, а).

а – непрерывный спектр; б – тональный спектр; в – колеблющийся во времени спектр; г – импульсный спектр; д – прерывистый спектр

Рисунок 1 – Разновидности шумового спектра

В технике приняты октавные полосы со среднегеометрическими частотами, например, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Характерным примером широкополосного шума является шум турбореактивного двигателя.

Тональный шум характеризуется тем, что в спектре присутствуют отдельные слышимые дискретные тона (рисунок 1, б). Тональность шума определяют в процессе измерений уровня звукового давления L_p в третьоктавных полосах частот при превышении уровня в одной полосе над соседними более чем на 10 дБ. Пример тонального шума – шум осевого вентилятора.

По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные. Постоянные шумы в процессе измерения на временной характеристике шумомера «медленно» не изменяют уровень сигнала более чем на 5 дБА. В случае непостоянных шумов это изменение может быть более 5 дБА.

В свою очередь, непостоянные шумы делятся на импульсные, прерывистые и колеблющиеся во времени.

Импульсные шумы, состоящие из одного или нескольких звуковых импульсов, каждый длительностью менее 1 с и уровнями звука (L_p или L_J) отличающимися более чем на 7 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «импульс» и «медленно» (рисунок 1, г). Тяжёлый молот при ударе о наковальню издаёт импульсный шум.

Прерывистые шумы отличаются от импульсных тем, что уровень звука таких шумов изменяется на 5 дБА и более, несколько раз за время измерения, причём длительность импульса составляет 1 с и более и в момент действия импульса его амплитуда остаётся постоянной, превышающей фон (рисунок 1, д). Прерывистый шум образуется при сбрасывании воздуха из систем высокого давления.

Шумы, колеблющиеся во времени, отличаются от импульсных и прерывистых тем, что уровень таких шумов непрерывно меняется во времени (рисунок 1, в). К таким шумам относится, например, шум автотранспортного потока.

Для оценки степени шумового загрязнения окружающей среды необходимо знать как реальный шумовой фон, так и допустимый уровень шума, устанавливаемый санитарными нормами № 3077-84. В соответствии с этими нормами суммарный, фактический шум, создаваемый различными техногенными источниками, не должен превышать допустимого уровня шума.

Для нормирования постоянного шума выбраны следующие параметры:

• уровень звукового давления L_p, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц;

• уровень интенсивности звука L_J, дБА.

В случае непостоянного шума нормируемыми параметрами являются:

• эквивалентный уровень звука L_Jэкв, дБА;

• максимальный уровень звука L_Jmax, дБА.

Под эквивалентным (по звуковой энергии) уровнем звука L_Jэкв непостоянного шума понимается уровень звука постоянного широкополосного шума, значение звукового давления которого совпадает со значением среднеквадратичного звукового давления непостоянного шума за определённый временной интервал. Для оценки L_Jэкв уровни звука разбивают на диапазоны по 5 дБА. Каждый диапазон характеризуется средним значением . Тогда L_Jэкв определяется по следующей формуле, дБа:

(4)

где – среднее значение уровеня звука диапазона i, дБА;

n – число диапазонов;

t_i - относительное время действия шума диапазона i (в процентах от времени измерения), %.

За максимальный уровень интенсивности звука L_Jmax принят уровень интенсивности звука, соответствующий максимальному показанию шумомера, в течение 1 % времени измерения.

Звуки с низкой и высокой частотой кажутся тише, чем среднечастотные той же интенсивности. С учётом этого, неравномерную чувствительность человеческого уха к звукам разных частот модулируют с помощью специального электронного частотного фильтра, получая, в результате нормирования измерений, так называемый эквивалентный (по энергии, «взвешенный») уровень звука с размерностью дБА (дБ(А), то есть – с фильтром «А»). Уровень звука является важным фактором, определяющим восприимчивость и биологическое действие шума (таблица 1).

Таблица 1 – Шкала шумов [http://www.kakras.ru/doc/shum-decibel.html]

Децибел, дБА	Характеристика	Источники шума
0	ничего не слышно	-
5	почти не слышно	-
10	почти не слышно	тихий шелест листьев
15	едва слышно	шелест листвы
20	едва слышно	шепот человека (на расстоянии 1 м)
25	тихо	шепот человека (1м)
30	тихо	шепот, тиканье настенных часов (допустимый максимум по нормам для жилых помещений ночью с 23 до 7 часов (СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»))
35	довольно слышно	приглушенный разговор
40	довольно слышно	обычная речь (допустимая норма для жилых помещений днём с 7 до 23 часов (СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»))
45	довольно слышно	обычный разговор
50	отчётливо слышно	разговор, пишущая машинка
55	отчётливо слышно	верхняя норма для офисных помещений класса А (по европейским нормам)
60	шумно	норма для контор
65	шумно	громкий разговор (на расстоянии 1м)
70	шумно	громкий разговор (на расстоянии 1м)
75	шумно	крик, смех (на расстоянии 1м)
80	очень шумно	крик, мотоцикл с глушителем, шум пылесоса (с большой мощностью двигателя – 2 кВт).
85	очень шумно	громкий крик, мотоцикл с глушителем
90	очень шумно	громкие крики, грузовой железнодорожный вагон (на расстоянии 7 м)
95	очень шумно	вагон метро (на расстоянии 7 м снаружи или внутри вагона)
100	крайне шумно	оркестр, вагон метро (прерывисто), раскаты грома, визг работающей бензопилы (максимально допустимое звуковое давление для наушников плеера (по европейским нормам))
105	крайне шумно	в самолёте (до 80-х годов ХХ столетия)
110	крайне шумно	вертолёт
115	крайне шумно	пескоструйный аппарат (на расстоянии 1м)
120	почти невыносимо	отбойный молоток (на расстоянии 1м)
125	почти невыносимо	-
130	болевой порог	самолёт на старте
135	контузия	-
140	контузия	звук взлетающего реактивного самолета
145	контузия	старт ракеты
150	контузия, травма	-
155	контузия, травма	-
160	шок, травма	ударная волна от сверхзвукового самолёта
при уровнях звука свыше 160 дБА возможен разрыв барабанных перепонок и лёгких, больше 200 – смерть (шумовое оружие)

Для жилых помещений и помещений в общественных зданиях и учреждениях установлены допустимые уровни шума [https://zazdorovye.ru/normirovanie-shuma-v-zhilyx-i-obshhestvennyx-pomeshheniyax-dopustimyj-uroven-shuma/].

Допустимый уровень шума – это уровень, который не вызывает у человека значительного беспокойства и существенных изменений показателей функционального состояния систем и анализаторов, чувствительных к шуму.

Другими словами такой шум не только не заметен для человека, но и не вызовет абсолютно никаких физиологических эффектов со стороны организма. К такому шуму человеческому организму не приходится адаптироваться, а, значит, он не является стрессовым фактором.

При нормировании шума учитываются и различные состояния человека, как физиологические, так и вызванные различными заболеваниями. Поэтому для помещений, в которых люди могут находиться круглосуточно, установлены различные нормативы для дневного времени суток (с 7 до 23 ч) и для времени ночного (с 23 ч до 7 ч).

Шум, который не мешает здоровому человеку, может послужить причиной дискомфорта для человека больного. Поэтому для жилых помещений, и для помещений, приравненных к ним, нормы шума несколько выше, чем для палат больниц и санаториев (таблица 2).

Таблица 2 – Допустимые уровни шума для помещений жилых домов, общественных зданий и лечебно-профилактических учреждений (СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»)

В учебных помещениях допустимые уровни шума соизмеримы с нормами для жилых помещений, поскольку для того, чтобы сосредоточиться на учебном процессе какие либо отвлекающие факторы совершенно ни к чему.

Для общественных учреждений, в которых люди развлекаются, совершают покупки, получают какие либо услуги номы шума выше, чем для жилых помещений, учебных и лечебно-профилактических учреждений (таблица 3).

Таблица 3 – Допустимые уровни шума для помещений учебный и торгово-развлекательных учреждений (СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»)

Установлены допустимые уровни шума и для общественных территорий[https://zazdorovye.ru/normirovanie-shuma-v-zhilyx-i-obshhestvennyx-pomeshheniyax-dopustimyj-uroven-shuma/]. (таблица 4).

Таблица 4 – Допустимые уровни шума для общественных территорий (СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»)

Шумовыми характеристиками источников внешнего шума для автотранспортных потоков на улицах и дорогах является эквивалентный уровень звука L_Аэкв, дБА, на расстоянии 7,5 м от оси первой полосы движения (для трамваев - на расстоянии 7,5 м от оси ближнего пути).