CC BY
72
УДК 625.7/.8
Васильев Юрий Эммануилович
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Доктор технических наук, профессор E-Mail: vashome@yandex.ru
Беляков Александр Борисович
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Аспирант E-Mail: roadscan@narod.ru
Субботин Игорь Валентинович
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Кандидат технических наук, научный сотрудник E-Mail: subbotin-iv@rambler.ru
Малофеев Александр Сергеевич
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Студент
E-Mail: a733333377@mail.ru
Анализ шума в ультразвуковом диапазоне в сочетание с инфракрасной съёмкой как способ обнаружения шипованной резины на транспортном средстве
Аннотация: В статье описаны исследования по возможности обнаружения
шипованной резины с помощью инфракрасной съёмки и измерения шума. На данный момент не существует требуемого инструмента для надежного обнаружения шипованной резины. Для этой цели может быть использована система на основе микрофона для фиксации шума шипованной резины в ультразвуковом диапазоне, а также инфракрасная съёмка в качестве средства визуальной фиксации шипов. Рассмотрены механизмы инфракрасной съёмки, обоснована возможность её применения для обнаружения шипованной резины. Выполнены лабораторные эксперименты с применением инфракрасной камеры. Рассмотрены факторы, влияющие на структуру шума от транспортного средства. Установлено, что каждый компонент транспортного шума оказывает влияние на определенный диапазон частот. Установлено также, что решающим фактором, определяющим уровень шума, является скорость движения транспортного средства. Для выполнения экспериментов на комплексе для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов была разработана схемы, позволяющая одновременно оценивать уровень шума и выполнять инфракрасную съёмку. Полученные результаты экспериментов показывают, что система на основе измерения шума и инфракрасной съёмки может быть эффективно применена для обнаружения транспортных средств, оборудованных шипованной резиной.
Ключевые слова: Шипованные шины; колееобразование; шум; ультразвук;
амплитудно-частотная характеристика; асфальтобетон; автомобильные дороги; инфракрасная съёмка; дорожное покрытие; комплекс для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов.
Идентификационный номер статьи в журнале 43TVN613
Yuri Vasiliev
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: vashome@yandex.ru
Alexander Belyakov
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: roadscan@narod.ru
Igor Subbotin
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: subbotin-iv@rambler.ru
Alexander Malofeev
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: a733333377@mail.ru
Ultrasound noise analysis in combination with infrared shooting as a method of studded tire equipped vehicle detection
Abstract: Researches of studded tires detection possibility with use of infrared shooting and noise measurement are described in article. There is no such instrument for studded tire detection at present time. For this aim studded tire ultrasound noise measurement microphone based system could be used with combination with infrared shooting as studd visual fixation aid. Infrared shooting mechanisms are considered, possibility its use for studded tires is justified. Laboratory experiments were performed with use of infrared camera. There are considered noise structure effecting factors. There is revealed that every noise component effects on specific frequency range. There was developed a scheme allowing to perform noise measurements and infrared shooting simultaneously for experiments with use of accelerated road building materials testing complex. Delivered results show that ultrasound measurement and infrared shooting based system could be used for studded tires detection effectively.
Keywords: Studded tires; rutting; noise; ultrasound; frequency response function; asphalt concrete; automobile roads; infrared shooting; road pavement; accelerated road-building materials
В рамках организации мониторинга состояния дорожных покрытий и безопасности дорожного движения появляется вопрос о возможности фиксации наличия шипованной резины на транспортном средстве.
Возможность обнаружения шипованной резины на транспортных средствах с помощью комплекса специализированного оборудования рассматривается в различных странах в последнее десятилетие [1]. При этом на данный момент не разработано требуемого инструмента для выполнения поставленной задачи. Это делает невозможным контроль использования шипованной резины в теплое время года, в условиях отсутствия снега, гололеда и гололедицы на автомобильных дорогах, а также фискальный контроль использования шипованной резины на платных дорогах с гарантированными параметрами коэффициента трения дорожного покрытия.
Применение шипованной резины вне разрешенного периода способствует возникновению ряда последствий [1, 2]:
возникновение колейности дорожного покрытия;
истирание зерен дорожных бетонов и асфальтобетонов, что ухудшает сцепные характеристики покрытия;
снижает управляемость транспортным средством при движении по сухой поверхности без льда и снега;
снижает сцепление колеса транспортного средства с покрытием на влажной поверхности;
способствует повышенному пылеобразованию; увеличение уровня шума.
Таким образом, шипованная резина может является причиной не только дефектов и разрушений дорожного покрытия, но также снижать безопасность движения.
Среди разрабатываемых методик можно рассмотреть несколько примеров, основанных на анализе шума, формирующегося при взаимодействии шипованной резины с дорожным покрытием. Наличие шипов может быть установлено с помощью пьезоэлектрических датчиков, фиксирующих колебания в мостовых сооружениях и их элементах при проезде транспортных средств [1]. Но такая методика позволяет только фиксировать факт проезда транспортного средства с шипованной резиной, при этом наличие ошиповки фиксируется только акустическим методом, без визуального подтверждения, поэтому больший интерес представляют комбинированные системы с применением оборудования, как для фиксации шума, так и для визуального подтверждения наличия ошиповки. Примером может служить рассмотренная в работе [3] система на основе сочетания микрофонов и видеокамер. Из недостатков системы можно отметить фиксацию шума только в слышимом диапазоне частот, в то время, как шипованная резина способствует возникновению шума в ультразвуковом спектре, также проезд транспортного средства фиксируется на обычную камеру, не позволяющую получить контрастного изображения шипов на автомобильной резине. При условии ряда модификаций, подобная система может быть взята за основу для разработки комплекса для определения шипованной резины. Помимо микрофона для фиксации шума шипованной резины в ультразвуковом диапазоне, необходимо рассмотреть средство визуальной фиксации шипов. В качестве такого инструмента может быть использована инфракрасная съёмка. В предлагаемой системе дублирование методов измерений позволяет с высокой надежностью определять наличие шипованной резины.
Большинство оптических свойств веществ (таких как прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасном диапазоне, в основном, значительно отличаются от оптических свойств тел в видимой и ультрафиолетовой областях [4]. Многие
вещества, прозрачные для видимого спектра света, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного диапазона.
Большинство полимеров поглощает излучение с длиной волны более 2,5 мкм [5], что справедливо и для резины, применяемой при изготовлении автомобильных шин. При этом отражательная способность большинства металлов в инфракрасном диапазоне значительно выше, чем в видимом свете, поэтому данное явление может быть эффективно использовано для обнаружения шипов на автомобильных шинах. С помощью камер, оборудованных средствами инфракрасной подсветки, можно получить контрастное изображение шипов.
Были выполнены лабораторные эксперименты по инфракрасной съёмке шипованной резины. Производилась съёмка образца шипованной резины с расстояния 1, 2, 3 метра в стандартном и инфракрасном режиме. Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что инфракрасная съёмка позволяет получить контрастное изображение металлических шипов на фоне резины на расстоянии до нескольких метров, что подтверждает возможность применение инфракрасной съёмки для визуального подтверждения наличия шипов.
Таблица 1
Образец ошипованной автомобильной резины при искусственном и инфракрасном
освещении на различных расстояниях
Выполнены ранее исследования [6] показали эффективность анализа шума в ультразвуковом диапазоне для обнаружения шипованной резины. Но в проведенных экспериментальных работах для сравнения шума обычной и шипованной резины принимался одинаковый набор факторов, влияющих на формирование шума. Для эффективной работы системы обнаружения шипованной резины необходимо изучить, как различные условия влияют на структуру шума.
Установлено, что каждый компонент транспортного шума действует в определенном диапазоне частот: текстура покрытия оказывает влияние на диапазон до 800 Гц, протектор шины действует в области от 800 до 1200 Гц, аэродинамические процессы оказывают влияние на область выше 1200 Гц. Зарубежные исследования [7] также показывают, что уровень звукового давления на частотах ниже 1 кГц увеличивается с ростом амплитуды неровностей при длине волны от 10 до 500 мм, но при этом на покрытиях с длиной волны от 0,5 до 10 мм с ростом амплитуды уровень звукового давления уменьшается.
В соответствие с изученными исследованиями [8] уровень шума снижается при повышении температуры воздуха. Также установлено, что температура автомобильной резины не оказывает такого же влияния на шум как температура воздуха и дорожного покрытия. При этом температурный эффект сильнее выражен для покрытий на основе крупнозернистых минеральных материалов. При исследовании руководствовались методикой А.В.Кочеткова в отношении испытания макрошероховатых дорожных покрытий [9-11].
При рассмотрении влияния скорости движения транспортного средства на уровень шума, установлено, что при движении со скоростью свыше 48 км/ч шум от взаимодействия колеса с покрытием является преобладающим. Наблюдается увеличение уровня шума на 2,5 дБ на каждые 16 км/ч [8].
На основании рассмотренных механизмов образования шума, сделан вывод о решающей роли скоростного режима движения транспортного средства. Поэтому, необходимо выполнить измерения шума стандартной и шипованной резины при различных скоростях.
При проведении экспериментов на комплексе для ускоренных испытаний дорожностроительных материалов «КУИДМ-2» было необходимо оценить влияние скоростного фактора на уровень и структуру транспортного шума. Для проведения экспериментов была использована схема (рисунок 1), позволяющая одновременно фиксировать наличие шипов посредством инфракрасной съёмки и измерять шум. При этом известно [7], что шум, возникающий при взаимодействии колеса с дорожным покрытием, во много определяется материалом покрытия. По этой причине выполнять измерения необходимо строго в одной точке комплекса.
1 - измерительный микрофон 2 - ИК-камера 3 - интерфейс для снятия показаний Рис. 1. Схема для измерения шума и инфракрасной съёмки на комплексе КУИДМ-2
Система работает следующим образом. Ультразвуковой микрофон по приводной линии связи, способной пропускать шум звукового и ультразвукового диапазона без потерь, передает сигнал микрофона на спектральный анализатор. Одновременно с измерением спектра взаимодействия шипа асфальтобетонным покрытием ведется инфракрасная съемка камерой. Инфракрасная камера располагается на высоте 0,7 метра над поверхностью покрытия, спереди-сбоку колеса таким образом, чтобы охватывать в поле зрения шину по всей ширине на всю высоту от точки контакта с поверхностью дорожного покрытия.
Для получения инфракрасного изображения шипов на резине комплекса КУИДМ-2 проводилась съёмка колеса при естественно освещении, затем применялась инфракрасная съёмка. Для получения сопоставимых изображений стандартная и инфракрасная съёмка проводились при статичном положении колеса (таблица 2).
Результаты инфракрасной съёмки шипованной резины в условиях комплекса КУИДМ-2 подтверждают данные, полученные в лабораторных экспериментах. Инфракрасная съёмка позволяет получить контрастное изображение шипов на автомобильной резине.
Таблица 2
Результаты ИК-съёмки на комплексе КУИДМ-2
Были выполнены измерения при различных скоростях движения. Для испытаний на легковом стенде был выбран диапазон скоростей от 40 до 80 км/ч с шагом 20 м/ч, для того, чтобы обеспечить возможность сравнения полученных данных с имеющими источниками [7, 8]. Сначала были проведены измерения шума с применением стандартной резины.
90
80
70
60
Ш 50 ■о
40
30
20
10
470
1000
2000
5000
10000 21000
□ 40 км/ч □ 60 км/ч □ 80 км/ч Частоты, Гц
Рис. 2. Уровень шума при различных скоростях движения (стандартная резина)
Как видно из результатов измерений (рисунок 2), уровень шума при движении легкового стенда со стандартной резиной увеличивается преимущественно на характерном для транспортных средств интервале 800-1000 Гц при росте скорости движения. Величина шума возрастает приблизительно на 4,5 дБ при увеличении скорости на 20 км/ч. Также на всех скоростях движения при использовании стандартной резины не наблюдается ультразвуковой составляющей шума.
Далее легковой стенд был оборудован шипованной резиной для выполнения аналогичных измерений.
0
90
80
70
60
т 50 ■о
40
30
20
10
0
470
1000
2000
5000
10000 21000
□ 40 км/ч □ 60 км/ч □ 80 км/ч Частоты, Гц
Рис. 3. Уровень шума при различных скоростях движения (шипованная резина)
Анализ результатов (рисунок 3) подтверждает, что величина ультразвуковой составляющей шума, вызванной шипами, зависит от скорости движения транспортного средства, как и общий шум. Шум в ультразвуковом диапазоне наиболее заметно начинает проявляться при скорости от 60 км/ч. При этом сохраняется общая тенденция увеличения уровня шума на 4-4,5 дБ на каждые 20 км/ч скорости. Таким образом, размещать оборудование для измерения шума следует на тех участках автомобильных дорог, где разрешены скорости как минимум от 60 км/ч.
Исследования показывают, что разработанная система может быть эффективно модифицирована для внедрения на транспортные объекты. В частности система может быть оборудована датчиками, позволяющими фиксировать скорость проезжающих транспортных средств, что в сочетание с полученными измерениями амплитудно-частнотной характеристики шума, позволит получить косвенные данные не только о факте наличия шипов, но и о массе шипа, а также о его разрушающей способности способом анализа спектра шума, возникающего при удара шипа по покрытию.
На основании выполненных исследований и проведенных работ были сделаны следующие выводы:
• система для фиксации наличия шипов на автомобильной резине позволит снизить негативный эффект применения ошиповки вне установленного периода эксплуатации;
• наиболее оптимальным вариантом системы является комбинация из средств измерения шума и визуальной фиксации шипов;
• ИК-съёмка является эффективным инструментом для определения наличия шипованной резины вследствие способности металлических шипов отражать ИК-излучение;
• для измерения шума от шипованной резины микрофоны целесообразно размещать на участках автомобильных дорог с разрешенным скоростным режимом от 60 км/ч, а наиболее оптимально - на участках со скоростью от 80 км/ч;
• измерения шума от шипованной резины в сочетание с инфракрасной съёмкой в условиях стенда КУИДМ-2 «Карусель» показывают эффективность данной
технологии для определения наличия на транспортном средстве шипованной резины;
• разработанная система может быть интегрирована в биллинговые системы, эксплуатационные АСУ, АСУДД, а также систему мониторинга образования колейности и нарушения продольной ровности дорожных покрытий для повышения достоверности данных о фактических воздействиях на дорожное покрытие.
ЛИТЕРАТУРА
1. Detection of Vehicles with Studded Tires Using Acoustic Emission Sensors Mounted
to Highway Bridges / Thomas Schumacher; Christopher C. Higgins; and Steven C. Lovejoy //
Journal of transportation engineering © ASCE - May 2010
2. Robert R. Scheibe. An overview of studded and studless tire traction and safety / Research report - Washington State Department of Transportation - October 2002
3. Wuttiwat Kongrattanaprasert. Studies of the detection of road surface states using tire noise from passing vehicles / Dissertation for the degree of doctor of engineering - the University of Communications - September 2010
4. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
5. Купцов А.Х., Жижин Г.Н. Фурье-спектры комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения полимеров - М.: Физматлит, 2001. - 656 с.
6. Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Субботин И.В., Малофеев А.С. Исследование шума в ультразвуковом диапазоне при движении шипованной шины на стенде «Карусель». // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
7. Klein P., JF Hamet Road texture and rolling noise - Laboratoire Transports et Environnement (LTE) - November 2004/
8. Mogrovejo, Flintsch, de Leon Izeppi and McGhee. Effect of Air Temperature and Vehicle Speed on Tire/Pavement Noise Measured with On-Board Sound Intensity Methodology -TRB 2013 Annual Meeting.
9. Анализ срока службы современных цементных бетонов / Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. - С. 92.
10. Стандартизация испытаний строительных, дорожных материалов и изделий / Челпанов И.Б., Евтеева С.М., Талалай В.В., Кочетков А.В., Юшков Б.С. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2011. № 2. - С. 57-68.
11. Шероховатые поверхности: нормирование, проектирование и устройство / Кочетков А.В., Суслиганов П.С. // Автомобильные дороги. 2005. № 1. - С. 54.
Рецензент: Кочетков Андрей Викторович, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Профессор, доктор технических наук.
REFERENCES
1. Detection of Vehicles with Studded Tires Using Acoustic Emission Sensors Mounted to Highway Bridges / Thomas Schumacher; Christopher C. Higgins; and Steven C. Lovejoy // Journal of transportation engineering © ASCE - May 2010
2. Robert R. Scheibe. An overview of studded and studless tire traction and safety / Research report - Washington State Department of Transportation - October 2002
3. Wuttiwat Kongrattanaprasert. Studies of the detection of road surface states using tire noise from passing vehicles / Dissertation for the degree of doctor of engineering - the University of Communications - September 2010
4. Fizicheskaja jenciklopedija. V 5-ti tomah. — M.: Sovetskaja jenciklopedija. Glavnyj redaktor A. M. Prohorov. 1988.
5. Kupcov A.H., Zhizhin G.N. Fur'e-spektry kombinacionnogo rassejanija i infrakrasnogo pogloshhenija polimerov - M.: Fizmatlit, 2001. - 656 s.
6. Vasil'ev Ju.Je., Beljakov A.B., Subbotin I.V., Malofeev A.S. Issledovanie shuma v ul'trazvukovom diapazone pri dvizhenii shipovannoj shiny na stende «Karusel'». // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №4 (17) [Jelektronnyj resurs].-M. 2013. -Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn413.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
7. Klein P., JF Hamet Road texture and rolling noise - Laboratoire Transports et Environnement (LTE) - November 2004/
8. Mogrovejo, Flintsch, de Leon Izeppi and McGhee. Effect of Air Temperature and Vehicle Speed on Tire/Pavement Noise Measured with On-Board Sound Intensity Methodology - TRB 2013 Annual Meeting.
9. Analiz sroka sluzhby sovremennyh cementnyh betonov / Rapoport P.B., Rapoport N.V., Poljanskij V.G., Sokolova E.R., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Jankovskij L.V. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2012. № 4. - S. 92.
10. Standartizacija ispytanij stroitel'nyh, dorozhnyh materialov i izdelij / Chelpanov I.B., Evteeva S.M., Talalaj V.V., Kochetkov A.V., Jushkov B.S. // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Ohrana okruzhajushhej sredy, transport, bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2011. № 2. - S. 5768.
11. Sherohovatye poverhnosti: normirovanie, proektirovanie i ustrojstvo / Kochetkov A.V., Susliganov P.S. // Avtomobil'nye dorogi. 2005. № 1. - S. 54.
