CC BY
65Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"
УДК 534
Д.М. БЕНОВ1, инженер (benov@benov.org); Н.Д. НИКОЛОВ2, инженер; И.Л. ШУБИН3, д-р техн. наук; М.Г. МАЖдРАКОВ4, инженер
1 ООО БЕНОВИ ИНЖЕНЕРИНГ (1000, Болгария, София, ул. Скомбриус, 58) 2 АО ГАРАНТ ИНВЕСТ (6600, Болгария, Кырджали, ул. Волга, 4) 3 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, Москва, Локомотивный проезд, 21) 4 ГГУ «Св. Йоан Рилский» (1700, Болгария, София, ул. проф. Боян Каменов, 1)
Автоматизация вычислений в акустике городской среды
Акустические явления в городской среде описываются при помощи сложных математических моделей, в основе которых лежат уравнения распространения звуковых волн в свободном и/или застроенном пространстве. Это приводит к необходимости разработки соответствующего вычислительного аппарата. По традиции, проблема решается с помощью так называемых «инженерных расчетов». Анализ этого метода указывает необходимость его быстрой (радикальной) или поэтапной замены на автоматизированные вычисления с помощью соответствующих программ, включая и автоматизированные системы для акустических вычислений. На онове проведенных исследований нами разработан ряд программ для персонального компьютера. Авторы представляют разработку CAD - базированную систему для автоматизированных акустических вычислений Urban Acoustics, заменяющую традиционные способы вычисл ений, такие как номограммы, таблицы и т. п. Работа предложенной системы основывается на создании общей цифровой модели, которая включает отдельные модели для урбанизированной территории, для поверхности участка и для акустических явлений.
Ключевые слова: акустические расчеты, автоматизированная система.
D.M. BENOV1, Engineer(benov@benov.org); N.D. NIKOLOV2, Engineer; I.L. SHUBIN3, Doctor of Sciences (Engineering); M.G. MAZHDRAKOV4, Engineer 1 OOO BENOVI ENGINEERING (58, Skombrius Street, 1000, Sofia, Bulgaria) 2 AO GARANT INVEST (4, Volga Street, 6600, Kardzhali, Bulgaria) 3 Scientific-Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivny Passage, 127238, Moscow, Russian Federation) 4 MGU «St. Ivan Rilski» (1, Prof. Boyan Kamenov Street, 1700, Sofia, Bulgaria)
Automation of Calculations in Acoustics of Urban Environment
Acoustic phenomena in the urban environment are described with the help of complex mathematical models, their basis is equations of propagation of sound waves in the free and/or built-up space. This leads to the need to develop appropriate computing equipment. By tradition, this problem is solved with the help of so-called «engineering calculations». The analysis of this method shows the need for its quick (radical) or stage-by-stage replacement with automated calculations with the help of appropriate programs including automated systems for acoustic calculations. On the basis of conducted studies we have developed a number of programs for a personal computer. The authors present the development of CAD - a based system for automated acoustic calculations Urban Acoustics, which replaces traditional calculation methods, such as nomograms, tables, et.al. The operation of the system proposed is based on the creation of a general numerical model, which includes separate models for the urbanized territory, for the site surface, and for acoustic phenomena.
Keywords: acoustic calculations, automated systems.
Акустические явления в городской среде описываются при помощи сравнительно сложных математических моделей, в основе которых лежат уравнения о распространении звуковых волн в свободном и/или застроенном пространстве. Это приводит к необходимости разработки соответствующего вычислительного аппарата. По традиции проблема решается с помощью так называемых «инженерных расчетов».
Инженерные расчеты представляют собой отдельный класс вычислительных методов, широко используемый на практике при вычислениях для проектов, управления и т. п. Инженерные вычисления используются в акустике [1-5], при этом указываются их некоторые характерные черты.
Опишем следующие характерные черты инженерных расчетов [4]:
1. Инженерные расчеты базируются на рабочих формулах, полученных при упрощении строгих решений с определенными допущениями, статистической обработке аку-
62015 ^^^^^^^^^^^^^
стических замеров в экспериментальных и/или реальных условиях и т. д.
2. Для инженерных расчетов классического вида не нужны особенно мощные вычислительные средства.
3. Полученные решения, как правило, приблизительны.
Рис. 1. Уровень шума на фасадах зданий
23
Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 2. Определение шумовой характеристики от источника шума (автомобильный поток) с помощью софтуэра Urban Acoustics и вероятностным анализом по методу «Монте Карло»
...... —I
Рис. 3. 2Б-модель — поперечное сечение виадука с транспортными шумозащитны-ми экранами: а — при дневном трафике; б — при ночном трафике
4. Инженерные расчеты разработаны экспертами и для экспертов.
5. Вычисления происходят перед глазами специалиста, благодаря чему он может оценить воздействие отдельных факторов на конечный результат.
Описанные негативные стороны данного метода показывают необходимость его быстрой (радикальной) или поэтапной замены на автоматизированные вычисления с помощью соответствующих программ, включая и автоматизированные системы для акустических вычислений (Н. Николов. Пакет прикладных программ для акустических расчетов Sound BG. 2009).
Предлагаем краткое описание требований к программному обеспечению. На первом месте, естественно, качество заложенных в программные модули алгоритмов. Большое значение имеет также качество и так называемая «дружественность» программного обеспечения - легкий доступ, эргономичный выход, защита от формальных и логических ошибок при вводных данных. Автоматизация ни в коем случае не может быть сведена лишь до перекодировки известных формул от программных операторов.
Компьютерные технологии меняют содержание труда специалистов. Рутинные пересчеты и чертежи выполняют соответствующие машины. За счет этого появляется возможность увеличить количество вводных данных, а также разработать и оценить многочисленные варианты возможных решений. Это учитывается составителями программных модулей и систем, которые создают эргономичные процедуры входа-выхода и снабжают программы подходящей документацией, вплоть до так называемых «вспомогательных окошек». Кроме того, эффективное использование программ предполагает и соответствующее обучение для получения знаний по алгоритму и толкованию результатов.
На основе проведенных исследований разработан ряд программ для персонального компьютера. Наша разработка - CAD-базированная система для автоматизированных акустических вычислений Urban Acoustics, заменяющая традиционные способы вычислений, такие как номограммы, таблицы и т. п. (рис. 1).
Работа этой системы основывается на создании общей цифровой модели, которая включает отдельные модели дла урбанизированной территории, для поверхности участка и для акустических явлений.
Цифровая модель урбанизированной территории чаще всего берется из кадастра. При проектировании новых или ремонте уже существующих транспортных артерий цифровая модель должна обогатиться данными от дополнительной геодезической разведки или
24
6'2015
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"
данными от проекта. Модель может пополниться и данными с отлайн картографических ресурсов типа Google Maps, Bing Maps и т. п.
Отсутствие информации о высоте над уровнем моря может стать проблемой при создании цифровой модели урбанизированной территории. Геодезический снимок, или проект транспортной артерии, обычно включает только территорию сервитута сооружения, но не предоставляет достаточно данных о расположении зданий (защищаемых объектов) в пространстве.
Поэтому для интерпретации в 30-про-странстве можно использовать сателлитные изображения, дополняющие информацию об участке около защищаемых объектов.
У описанного метода следующие преимущества: актуальность использованной информации, скорость создания модели и пригодность созданной модели для автоматизированного проектирования.
При акустическом проектировании наиболее существенна модель акустических явлений.
Выбор акустическиой модели зависит от вида шумового источника. В большинстве случаев, когда источники шума - автомобили, железнодорожные составы и трамваи, модель основывается на нормативных актах, исследованиях авторитетных ученых и т. п. В остальных случаях специалист определяет, каким способом распространяются звуковые волны от источника: сферическим, квазицилиндрическим или цилиндрическим [5].
Система позволяет вычислять шумовые характеристики по различным методикам:
- для автомобильного транспорта - метод Осипова, метод Аистова, CoRTN (UK), RLS-90 (Германия), TemaNord (Скандинавия), SonRoad (Швейцария), CNR (Италия);
- для железнодорожного транспорта -ГОСТ Р 54933, метод Николова и др.;
- для трамваев - метод Осипова и др.
Для определения шумовых характеристик автомобильных потоков на автомагистралях Urban Acoustics предлагает инновационное решение [1]. Характеристика шума получается при энергетическом суммировании характеристик автомобильных потоков со всех лент движения, так как расстояние между ними соизмеримо с базисным. При этом учитываются и различные условия движения по различным лентам: по внутренним лентам движется меньше машин, но с высокой скоростью, а на внешних лентах скорость ниже, но по ним движутся тяжелые машины
- грузовики и автобусы.
Решение учитывает и разницу в распределении интенсивности движения и в составе потока машин в определенные периоды суток, с наличием двух максимумов, чаще всего утром и после обеда, и сравнительного за-
Рис. 4. Шумовая карта, созданная при помощи софтуэра Urban Acoustics
Рис. 5. Акустическая обстановка около бульвара Никола Габровски в Софии
Рис. 6. Уровень шума на фасадах зданий от нескольких шумовых источников
Рис. 7. Уровень шума от нескольких источников на фасадах зданий
6'2015
25
Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
тишья в ночные часы. В интенсивности движения, особенно по магистралям, ведущим и выводящим из больших городов, наблюдаются экстремумы в начале сезона отпусков и в конце недели, особенно когда выходные дни «сливаются».
Кроме того, определение шумовых характеристик возможно и с помощью вероятностного анализа источников шума по методу Монте Карло (рис. 2). С помощью функции, задающей граничные условия вместно конкретных параметров, получается наиболее вероятная характеристика шума от транспортного потока. Происходит кумулятивное распределение результатов.
После вычисления шумовой характеристики вычерчивается график, иллюстрирующий понижение уровня шума при увеличении расстояния и при поглощении шума воздухом. В системе имеется и генератор отчетов для распечатки документов, которые после могут быть приложены к проектным документам. Вычисленные результаты могут сохраняться в базе данных, откуда их можно использовать для CAD-среды при создании цифровой акустической модели для целостного моделирования источника шума.
В CAD-среде к оси движения источника шума из базы данных или вручную ассоциируется акустическая модель источника. Система записывает шумовые характеристики в дневное, вечернее и ночное время и чертит изофоны, показывающие уменьшение уровня шума при увеличении расстояния и при поглощении воздухом. Изофоны сопоставляются с защищенными объектами; таким образом, получается предварительная оценка объектов, попадающих в гигиено-защитные зоны.
В помошь проектанту система предлагает интерактивную графику.
Акустическая модель территории показывает распространение шума из одного или нескольких источников, например автомобильная магистраль в несколько уровней, железнодорожная линия или трамвайный путь (рис. 4).
Для получения более детальной картины и для учета одновременного влияния нескольких источников шума Urban Acoustics позволяет вычерчивание изофонов, обхватывающих определенную область в защищенной территории. При этом уровень шума определяется в достаточно густой сетке, например через 1m, и учитываются источники шума, имеющие воздействие на этой территории.
Несмотря на то что автоматизированные системные решения получаются на базе вычислительных моделей, ня-глядность полученных результатов тоже имеет значение. Как известно, наглядные изображения позволяют специалисту оценить влияние различных факторов, а команде специалистов - достигнуть общего решения.
Подобные визуализации создаются большинством систем для акустического проектирования.
Urban Acoustics дает возможность для изготовления таких SD-визуализаций акустической обстановки (рис. 5) на базе модели, полученной в CAD-среде. Имеются в наличии инструменты для смены угла наблюдения, масштаба, расцветки и т. п.
Визуализация включает шумовую карту с источниками шума, защищаемые объекты, поперечные акустические профили, а также уровень шума на фасадах зданий (рис. 1, 6, 7).
Визуализация демонстрирует расположение зданий в зонах с различными уровнями шума, а также их этажность и взаимное расположение по отношению друг к другу. Представляется целесообразным для зданий, непсоредственно
2б| -
попадающих под действие шума, сделать анализ шумового уровня по высоте фасада (рис. 1). Таким образом, получается точная оценка, какие именно этажи зданий подвергаются воздействию шума выше допустимого уровня.
Список литературы
1. Бенов Д.М., Маждраков М.Г., Николов Н.Д., Тошков Й.Л. Детальное моделирование характеристики шума транспортного потока на автомагистралях // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации». СПб.: Балтийский государственный технический университет «Военмех» (Санкт-Петербург), 2013. C. 477-482.
2. Веретина И. Программное обеспечение акустических расчетов. В кн. Строительная физика в XXI веке. М.: НИИСФ, 2006. C. 339-340.
3. Николов Н.Д., Шубин И.Л. Экспериментальное исследование вклада отраженного звука в звуковые поля на территории фронтальной застройки // Приволжский научный журнал. 2009. № 3. С. 59-64.
4. Маждраков М., Николов Н. Особенности инженерных расчетов // Материалы VII Межд. научн. конф. SGEM. Болгария: Албена, 2007. C. 76-77.
5. Шубин И.Л., Цукерников И.Е., Николов Н.Д., Писарски А.А. Основы проектирования транспортных шумозащитных экранов. Москва: ООО «ИД «БАСТЕТ», 2014. 208 с.
6. Николов Н.Д., Шубин И.Л. Исследование влияния конфигурации зданий на звуковые поля в застройке примаги-стральных территорий // Приволжский научный журнал. 2009. № 3. С. 54-58.
References
1. Benov D.M., Mazhdrakov M.G., Nikolov N.D., Toshkov Y.L. Detailed modeling of the characteristic of noise of a transport stream on highways. Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem «zashchita ot povyshennogo shuma i vibratsii» [Materials of the All-Russian scientific and practical conference with the international participation «protection against the increased noise and vibration»]. St. Petersburg: Baltic state technical university «Voyenmekh» (St. Petersburg), 2013, pp. 477-482. (In Russian).
2. Veretina I.I. Software of acoustic calculations. In book: Stroitel'naya fizika v XXI veke [Construction physics in the XXI century]. Moscow: NIISF, 2006, pp. 339-340. (In Russian).
3. Nikolov N.D., Choubin I.L. A pilot study of a contribution of the reflected sound to sound fields in the territory of frontal building. Privolzhskii nauchnyi zhurnal. 2009. No. 3, pp. 59-64. (In Russian).
4. Mazhdrakov M., Nikolov N. Features of engineering calculations. Materialy VII Mezhd. nauchna konf. SGEM [Materials VII Mezhd. scientifically конф. SGEM]. Bulgaria: Albena, 2007, pp. 76-77. (In Russian).
5. Shubin I.L., Tsukernikov I.E., Nikolov N.D., Pisarski A.A. Osnovy proektirovaniya transportnykh shumozashchitnykh ekranov [Bases of design of transport noise screens]. Moscow: BASTET, 2014. 208 p.
6. Nikolov N.D., Shubin I.L. Research of influence of a configuration of buildings on sound fields in building the primagistralnykh of territories. Privolzhskii nauchnyi zhurnal. 2009. No. 3, pp. 54-58. (In Russian).
^^^^^^^^^^^^^ 62015
