Применение акустических экранив в условиях городской застройки

ВВЕДЕНИЕ

      Одной из наиболее глобальных проблем современности является обеспечение экологической безопасности населения, особенно в промышленно развитых регионах и городах.

      Экологическая ситуация в городах и населенных пунктах Российской Федерации близка к критической, десятки млн. человек ежедневно подвергаются сверхнормативным воздействиям, в том числе, повышенного шума.

     Об актуальности снижения шума, например, в городе Москве свидетельствуют такие цифры, как нахождение 70% территории города Москвы в зоне шумового дискомфорта, при наблюдаемой величине превышений допустимого уровня шума на отдельных территориях города и в квартирах жилых домов до 15-25 дБА. В структуре жалоб населения на негативнее факторы окружающей среды 32 % жалоб связано с повышенным шумом (по данным социологических опросов шум попадает в «тройку » наиболее актуальных экологических проблем). Последствия массового воздействия повышенного шума проявляются в росте заболеваний слухового аппарата, нервной системы, нарушения режима сна.

      Проблема негативного воздействия шума носит глобальный характер, и об этом свидетельствуют данные, приведенные в докладе Европейской зеленой комиссии [2]: более 20% населения ЕС проживают на территории с уровнями шума свыше 65 дБА, и еще около 40% проживают на территории с уровнями шума от 55 до 65 ДБА. Основным источником акустического загрязнения является транспортный шум.

     Одним из наиболее эффективных и, в то же время, относительно недорогих средств защиты жилой застройки и селитебных территорий от транспортного шума являются шумозащитные экраны, установленные вдоль магистралей, железных дорог, которые называются акустическими экранами.

      Применение акустических  экранов позволяют решить или заметно облегчить решение шумовой проблемы, и, кроме того, дают возможность повысить эффективность использования дефицитной городской территории, позволяя вести строительство жилых и общественных зданий в тех местах, которые без экранов были бы  непригодны под строительство ввиду чрезмерного превышения санитарных норм по шуму.

1. Характеристика  транспортного шума в условиях городской застройки

 
 
Шумом называются любые нежелательные  для человека звуки, мешающие труду  или отдыху и создающие акустический дискомфорт.

Звук, или звуковые волны, — это  механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах под воздействием возмущения. Пространство, в котором присутствуют звуковые волны, называется звуковым полем.

Шум транспортных средств  по временным характеристикам относится  к непостоянному шуму. Поэтому  для измерения и нормирования транспортного шума используют показатель, называемый эквивалентным уровнем  звука. На железных дорогах внешний  шум от подвижного состава (магистральные  и маневровые тепловозы) измеряют на расстоянии 25 м от оси пути при  скорости движения, равной 2/3 конструкционной  скорости. Шум движущихся поездов  определяют на расстоянии 7,5 м от оси  колеи, ближней к расчетной точке.

Для автомобилей шум измеряется на расстоянии 7,5 м при движении на второй передаче со скоростью в начале измерительного участка, равной 3/4 максимальной, или 50 км/ч, в режиме максимального  газа.

На воздушном транспорте в районах аэропортов и их окрестностях организуют контрольные пункты измерения  уровня шума на местности, в которых  используют стационарные и передвижные  измерительные системы. Контроль уровней  шума согласно международным и отечественным  нормам проводится в следующих точках аэродрома. Первая контрольная точка (при взлете) находится сбоку от взлетно-посадочной полосы на линии, параллельной ее оси и удаленной от нее на расстояние 450 м для новых типов  самолетов и 650 м — для дозвуковых самолетов старых типов и сверхзвуковых  самолетов. Вторая контрольная точка (при наборе высоты) располагается  на продолжении осевой линии взлетно-посадочной полосы на расстоянии 6500 м от начала разбега самолета. Третья контрольная точка (при снижении на посадку) размещается на продолжении осевой линии взлетно-посадочной полосы на расстоянии 2000 м от ее порога. Высота полета над этой точкой составляет примерно 115 м.

Шум, производимый транспортными  средствами, зависит в основном от следующих факторов:

•  типа и модели подвижного состава (грузовой транспорт создает большее шумовое воздействие по сравнению с пассажирским);

•  типа двигателя (сравнение двигателей соизмеримой мощности позволяет расположить их по возрастанию уровня шума: электродвигатель, карбюраторный двигатель, дизель, паровой, газотурбинный двигатель);

•  технического состояния подвижного состава (степень износа, состояние глушителей выпуска отработавших газов, качество регулировки систем двигателя и др.);

•  типа и качества дорожного полотна и верхнего строения пути (наименьший шум создает асфальтобетонное покрытие, затем — брусчатое, каменное и гравийное; шум происходит от скрежета колес железнодорожных составов на криволинейных участках пути, при проходе колес по стыкам рельсов и стрелкам);

•  скорости движения (при увеличении скорости возрастает шум двигателей, шум от качения колес и аэродинамический шум);

•  условий распространения шума (наличие отражающих преград, стенок, экранов);

•  условий эксплуатации (движение с постоянной скоростью, ускорением, замедлением, длина состава).

По среде распространения  различают шум воздушный и  структурный.

Воздушный шум излучается в окружающее пространство и распространяется в воздушной среде при движении транспортных средств на открытых участках, эстакадах и мостах, а также  от звуковых сигнальных устройств, стационарного  оборудования, при производстве работ по ремонту и содержанию путей и дорог, перегрузочных работах, техническом обслуживании и ремонте подвижного состава на территории транспортных организаций и т.д.

Структурный шум возбуждается динамическими силами в точке  контакта колеса с дорогой или  рельсом при движении. Он распространяется по верхнему строению пути, несущим  конструкциям дорожного полотна  и передается через грунт близлежащим  строениям. Особенно сильно структурный  шум проявляется при движении транспорта в тоннелях, под землей.

Для ограничения транспортного  шума наряду с нормированием осуществляется проведение инженерно-технических  и организационных мероприятий. Они имеют целью ограничение  звукового давления до приемлемых уровней, при которых воздействие шума не влияет на безопасность жизнедеятельности  человека. На транспорте меры борьбы с  шумом включают в себя акустическое совершенствование подвижного состава  и разработку средств снижения шума на открытом пространстве и в рабочих  зонах помещений.

На автомобильном транспорте улучшение акустических характеристик  подвижного состава достигается  посредством ослабления шума от основных источников его образования: силовой  установки (корпус двигателя, системы  впуска и выпуска), вентилятора системы  охлаждения двигателя, трансмиссии (коробка  передач и задний мост), колес, тормозов и кузова. Технические решения, осуществляемые при проектировании и производстве автомобилей, направлены на защиту от шума в источнике его возникновения. Они включают в себя выбор схем отдельных элементов, узлов и  механизмов с использованием малошумного  косозубого зацепления шестерен, широкое  применение пластмасс, клиноременных  передач вместо зубчатых и цепных, размещение агрегатов и узлов  на шумопоглощающих элементах и амортизаторах, применение демпфирования соударяющихся металлических элементов и шумопоглощающих покрытий. Важную роль играет улучшение конструкций дорог и их трассирования, регулирование транспортных потоков, применение шумозащитных экранов и барьеров.

На железнодорожном транспорте важнейшими составляющими шума, излучаемого  в окружающее пространство поездом, являются шум от его движения и  шум, возникающий внутри подвижного состава. В целях борьбы с первой составляющей шумового воздействия  применяются глушители шума на тепловозных  силовых установках, стыковой путь заменяется на бесстыковой, используются резиновые подрельсовые прокладки, ограничивается скорость движения и запрещаются мощные звуковые сигналы в районах городской застройки. Для снижения шума внутри подвижного состава (в кабинах локомотивов и пассажирских вагонах) проводятся конструкторские мероприятия, связанные с внедрением шумоизоляции в обшивку вагонов, совершенствованием тормозных и сцепных устройств, совершенствованием систем вентиляции и кондиционирования и др.

На воздушном транспорте основным источником шума самолета при  взлете и посадке является его  силовая установка. Шумовое воздействие  оказывает и воздушный поток, обтекающий фюзеляж и крыло самолета. Главным внешним источником является шум, возникающий при смешении реактивной струи с атмосферным воздухом за пределами двигателя. Вместе с  тем самолеты с турбовентиляторными  двигателями генерируют значительную часть своей акустической энергии  внутри двигателя, т.е. создают внутренний шум. Причем с ростом мощности двигателей растут уровни шума, генерируемого  вентилятором, компрессором и турбиной. Для его снижения реализован ряд  инженерных мероприятий по модернизации компрессора, эжектора, рассекателей потока и лепестковых смесителей, созданы звукопоглощающие конструкции с использованием акустической облицовки.

На водном транспорте меры по снижению шумового воздействия направлены на защиту пассажиров и команды судов. С этой целью при конструировании  судов их компоновочные схемы  и внутренняя планировка разрабатываются  с учетом требований максимального  удаления кают и салонов от источников шума — машинного отделения, вентиляционных установок, гребных винтов и др. Осуществляется звуко- и виброизоляция помещений, вводится дистанционное и автоматизированное управление работой агрегатов и механизмов повышенной шумности. Уровень шума в машинном отделении снижают благодаря использованию звукоизолирующих кожухов, которыми закрывают двигатели. Структурный шум, передаваемый на корпус судна главным и вспомогательным двигателями, снижается с помощью амортизаторов, посредством которых двигатель изолируют от корпуса судна. Соединение главного двигателя с гребным валом выполняют через эластичные муфты.

3. Факторы определяющие уровни шума

Акустический дискомфорт, создаваемый транспортом, испытывают до 40% городского населения. Шум воздействует на центральную нервную систему, приводя к ее расстройству, хроническому переутомлению, гипертонии и язвенной болезни, гастриту в результате нарушения  секреторной и моторной функции  желудка, а также к преждевременному старению и сокращению продолжительности  жизни жителей крупных городов  на 8-12 лет.

Уровни шума от городских (преимущественно транспортных) источников, проникающие в помещения жилых  и общественных зданий, часто превышают  на 20-30 децибел действующие нормы, что означает превышение потока проникающей  звуковой энергии в 100-1000 раз.

Источником шума являются двигатели автомобилей и взаимодействие шин с дорожным покрытием, которое  зависит от шероховатости покрытия, нагрузки на колесо, износа протектора, скорости движения и характеристик  самой шины на контакте с покрытием, рисунка протектора, качества резины и технологических процессов  при ее изготовлении. Кроме того, уровень шума также зависит от характера груза и характера  его закрепления в кузове. Разность уровня шума порожнего и груженого  автомобиля составляет для легкового 2-3 дБА, для грузового - 8-9 дБА.

К настоящему времени установлена  взаимосвязь различных факторов и их влияние на общий уровень  транспортного шума и разработана  систематизация всех факторов по четырем  группам:

1)   транспортные факторы, создающие уровень шума;

2)   дорожные факторы, определяющие уровень шума;

3)   природно-климатические факторы, влияющие на уровень шума;

4) защитные факторы, снижающие  уровень шума.

Наибольшее влияние на состояние акустического комфорта оказывают транспортные факторы:

•     интенсивность движения и скорость транспортного потока;

•     средняя скорость движения автомобилей;

•     эксплутационное состояние автомобилей, двигающихся по дороге;

•     объем и характер перевозимых грузов;

• подача звуковых сигналов.

В таблице 1 представлены значения уровня шума в зависимости от скорости движения для транспортных потоков  разной интенсивности.

Таблица 1. Уровень шума в  зависимости от скорости движения для  потоков различной интенсивности

К факторам, определяющим уровень  шума на прилегающей территории (дорожные факторы), относятся:

•    продольный профиль дороги;

•    поперечный профиль земляного полотна;

•    наличие и размеры разделительной полосы;

•    наличие пересечения на одном или нескольких уровнях;

•    вид и состояние покрытия, его шероховатость.

Так, например, при движении под уклон автомобиль создает  большие шумы.

Для автодороги с уклоном 20%о уровень шума вычисляется по следующей зависимости:

L = 171gV + k_y20, (2)

где L - уровень шума в придорожной  полосе, дБА; V - скорость движения автомобиля, км/час; к_у2о - коэффициент, зависящий от модели автомобиля и продольного уклона.

Для уклона 40%с применяется  следующая зависимость:

L = 61gV + k_y40. (3)

Значения коэффициента к_у указаны в таблице 2

При изменении характера  движения, например, на перекрестке  с регулируемым движением, уровень  шума повышается на 3 дБа. Для различных видов покрытий разница в уровне шума может составлять до 10 дБа. В последнее время за рубежом получило распространение покрытие из шумопоглощающего асфальтобетона ("шепот-асфальт" по типу дренирующего асфальтобетона), которое обеспечивает снижение шума на 4,1-5,6 дБа.

Таблица 2 Значения поправочного коэффициента

Для обеспечения безопасного  движения автомобилей с высокой  скоростью применяют способ увеличения шероховатости с помощью поверхностной  обработки щебнем трудно полируемых пород, что приводит к увеличению внешнего шума. Оптимальная шероховатость, которая обеспечивает безопасное движение на расчетную скорость с минимальным  уровнем шума без повышения износа шин, составляет 0,8-1,2 мм.

Величина поправки к значению уровня шума для различных покрытий ∆Lα приведена в таблице 3

Таблица 3. Поправки к значению уровня шума

На уровень шума оказывает  влияние следующие природные  и климатические факторы: атмосферное  давление, влажность, температура, направление  и сила ветра, осадки, окружающий ландшафт, состояние поверхности придорожной  полосы.

К защитным от шумового воздействия  автотранспорта факторам относятся  шумопонижающие технические мероприятия шумозащитного зонирования.

Акустические экраны (барьеры) представляют собой препятствие между источником шума и защищаемой зоной, которые не допускают прямолинейного распространения звука. Для акустических экранов применяются железобетон, бутовый камень, дерево, кирпич, габионные кладки, прозрачный пластик, шумопоглащающие пластмассы, алюминий и черные металлы; поглощающие материалы – пористые заполнители (вермикулит, перлит), минеральное стекловолокно, стекловата и стеклоткань, геотекстиль. Приемы шумозащитного зонирования используются при условии, что уровень транспортного шума не превышает 70 дБа.

       Акустический  экран представляет собой протяженное препятствие на пути; распространения звуковых лучей от источника шума до защищаемого от шума .объекта. В общем случае . в; качестве экрана могут служить придорожные, подпорные, ограждающие и специальные защитные стенки; искусственные и естественные элементы рельефа местности - валы из грунта, насыпи, холмы, откосы выемок, террас, оврагов; шумозащитные здания: и сооружения типа галерей, тоннелей; здания; нежилого назначения, в помещениях которых допускаются уровни звука свыше 45 дБА (здания-предприятий коммунально-бытового обслуживания населения, торговли, общественного питания и т.п.). Кроме того, возможны экраны в виде комбинации вышеуказанных типов (например, вертикальная стенка на насыпи).

     Экраны в виде шумозащитных зданий, зданий нежилого назначения, располагаемых в первом эшелоне застройки, галереи, тоннели являются самостоятельным направлением в шумозащите и обладают рядом специфических свойств и в данном раферате не рассматриваются.,

     В условиях стесненной городской застройки наиболее перспективными являются акустические экраны в виде вертикальных стенок различного поперечного профиля; устанавливаемые вдоль автомобильных и железных дорог. В загородных условиях могут применяться экраны в виде выемок, насыпей, земляных кавальеров, а также использоваться особенности естественного1 рельефа местности. Назначение акустических экранов состоит в создании зоны акустической тени за ним, при этом форма, размеры и материал экрана варьируются в широких пределах. Для создания эффекта экранирования защищаемые объекты должны располагаться ниже границы зоны акустической тени.

      Акустические экраны - универсальная конструкция, обеспечивающая одновременно защиту от шума территории и объектов жилой застройки.

Во многих Европейских странах, Японии, США еще в конце 1960-х годов XX в. начали широко применяться акустические экраны для снижения шума в городах и населенных пунктах. К середине 2000-х годов в мире были построены десятки тыс. км ШЭ, на производство которых были затрачены сотни млрд. долларов (только ЕС тратит на шумозащиту в-городах, в т.ч. сооружение экранов до €50 млрд. в год - около 1% ВВП). ШЭ - достаточно заметный продукт в объемах строительства и промышленности, в- их производстве заняты в мире сотни фирм. ■

До недавнего времени в нашей  стране экраны для- шумозащиты использовались очень мало, опыта расчета; проектирования^ испытаний-экранов^ не было. Первые массовые ШЭ в большом количестве были установлены при строительстве Московской кольцевой автомобильной дороги - МКАД (более 13 км) во второй половине 90-х годов, и их проектирование и производство потребовали очень серьезных усилий ученых, проектировщиков, производителей и строителей.

      Проблема создания акустических экранов многогранна. Она не ограничивается только созданием конструкции экрана. Эти конструкции могут эффективно работать только при реализации всего технологического цикла , включающего оценку требуемой эффективности экрана, подбор архитектурно-строительных решений, вписывающих акустические экраны в окружающий ландшафт, проведение испытаний, гарантирующих требуемую его эффективность, когда он разрабатывается и изготовляется не в форме усредненного типового решения, а в виде сооружения, востребованного в конкретных условиях и в конкретном месте.

      В настоящее время по результатам этих исследований предложены к практическому применению различные конструкции акустических экранов и разработаны методы оценки их акустической/ эффективности.   

      Однако, как показывает-практика их применения, реальная эффективность акустических экранов» оказывается значительно, ниже расчетных, величин. Связано это, в первую очередь, с недостаточным учетом влияния на эффективность акустических экранов их конструктивных и планировочных решений и положению в объемно-планировочной структуре застройки. Данное обстоятельство приводит к появлению у проектировщиков обоснованного отказа в отношении применения акустических экранов.

Вторым обстоятельством, затрудняющим широкое внедрение акустических экранов, является отсутствие обоснованной методики архитектурно-конструктивного проектирования акустических экранов с учетом окружающей застройки. Зачастую акустических экранов! воспринимаются инородными сооружениями, насильственно внедренными в застройку и разрушающими ее функциональные и архитектурно-художественные качества.

В связи с этим совершенствование  акустического расчета и проектирования конструкций акустических экранов с учетом их реального размещения в застройке, является актуальным направлением строительной акустики, создающим основы для эффективного проектирования застройки и зданий по условиям защиты от транспортного шума при применении на транспортных магистралях акустических экранов.

Лесопосадки предназначены  для рассеивания, поглощения и экранирования  звуковой волны. Эффективность лесополосы повышается до25 м, далее она снижается и уменьшение уровня шума происходит за счет увеличения расстояния. Оптимальной считается ширина лесополосы 10-25 м. Для таких лесопосадок наилучшим образом подходят хвойные породы деревьев – ель, пихта, туя; лиственные породы – липа, граб, шелковица, ильмовые с подлеском из бирючины, гордовины, спиреи, которые должны располагаться в шахматном порядке, высота деревьев должна быть не менее 7-8 м, кустарников – 1,5-2 м. При этом уровень шума в пределах создаваемой ими звуковой тени снижается на 5-6 дБа.

7. Селитебные территории  городов и населенных пунктов

Планировку и застройку селитебных территорий городов, поселков и сельских населенных пунктов следует осуществлять с учетом обеспечения допустимых уровней шума норм и правил.

Расчетные точки на площадках отдыха микрорайонов и групп жилых домов, на площадках детских дошкольных учреждений, на участках школ и больниц  следует выбирать на ближайшей к  источнику шума границе площадок на высоте 1,5 м от поверхности земли. Если площадка частично находится в  зоне звуковой тени от здания, сооружения или какого-либо другого экранирующего  объекта, а частично в зоне действия прямого звука, то расчетная точка должна находиться вне зоны звуковой тени.

Расчетные точки на территории, непосредственно  прилегающей к жилым домам  и другим зданиям, в которых уровни проникающего шума нормируются разделом 6 настоящих норм и правил, следует  выбирать на расстоянии 2 м от фасада здания, обращенного в сторону  источника шума, на уровне 12 м от поверхности земли; для малоэтажных  зданий - на уровне окон последнего этажа.

На стадии разработки технико-экономического обоснования и генерального плана  населенного пункта с целью снижения воздействия шума на селитебную территорию следует применять следующие  меры:

•           функциональное зонирование территории с отделением селитебных и рекреационных зон от промышленных, коммунально-складских зон и основных транспортных коммуникаций;

•           трассировку магистральных дорог скоростного и грузового движения в обход жилых районов и зон отдыха;

•           дифференциацию улично-дорожной сети по составу транспортных потоков с выделением основного объема грузового движения на специализированных магистралях;

•           концентрацию транспортных потоков на небольшом числе магистральных улиц с высокой пропускной способностью, проходящих по возможности вне жилой застройки (по границам промышленных и коммунально-складских зон, в полосах отвода железных дорог);

•           укрупнение межмагистральных территорий для отдаления основных массивов застройки от транспортных магистралей;

•           создание системы парковки автомобилей на границе жилых районов и групп жилых домов;

Заключение

Развитие транспорта, промышленности обусловливает шумовое загрязнение  среды современного города, проявляющееся  в превышении естественного уровня шума, изменении спектра шума, появлении  новых частот звуковых колебаний, не характерных для окружающей среды.

Фактически любые звуки, генерируемые неприродными источниками, могут рассматриваться  как шумовые, поскольку подобные источники отсутствовали в период эволюции человека.

Шумовое загрязнение снижает производительность труда, вызывает различные заболевания. Шум губительно действует не только на слуховой аппарат, но и на центральную  нервную систему человека, работу сердца, служит причиной многих других заболеваний. Одним из наиболее мощных источников шума являются вертолеты  и самолеты особенно сверхзвуковые.

Проведение инженерно-технических  и организационных мероприятий  позволяет минимизировать негативное воздействие шума. Проблема городского шума является сегодня актуальной экологической  проблемой. В связи с этим, разработка инженерных решений данной проблемы в каждом конкретном городе представляется особенно важным и перспективным  направлением.

 
Список использованной литературы

1.         Безопасность жизнедеятельности/ Э.А. Арустамов. – М.: Дашков и К, 2003. – 493с.

2.         Васильев А.В. Снижение шума транспортных потоков в условиях современного города//Экология и промышленность России – 2004. №6-с.7-41.

3.         Воздействие шума ультразвука на орган зрения//Медицина труда и промышленная экология. – 2001-№-с.34-38.

4.         Воробьев А.Е. Человек и биосфера. Глобальное изменение климата. – М.: РУДН, 2006. ч. 2. 912с.