CC BY
35Графкина М.В., д-р техн. наук, проф., Нюнин Б.Н., д-р техн. наук, проф., Свиридова Е.Ю., канд. техн. наук Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИНФРАЗВУКА ОТ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ КАК НЕГАТИВНОГО ФАКТОРА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
evg_sviridova@mail.ru
Инфразвук является одним из негативных факторов окружающей среды. В статье рассмотрен механизм возникновения внешнего инфразвука от наземных транспортных средств. Описана качественная модель образования внешнего инфразвука автомобиля и приведены результаты расчета. Показано, что уровень инфразвука зависит от скорости движения и конструктивных особенностей транспортного средства. Авторами отмечено, что превышение нормативных значений уровней инфразвука возможно на территориях, прилегающих к транспортному потоку со скоростями движения выше 80 км/ч. Изучение механизма возникновения инфразвука от наземных транспортных средств позволит разработать эффективные средства снижения уровней данного негативного фактора.
Ключевые слова: инфразвук, окружающая среда, наземное транспортное средство, математическая модель, скорость движения, частота срыва вихрей, коэффициент лобового сопротивления, конструктивные особенности, колесные гармоники
В городских условиях основным источником шума и инфразвука являются наземные транспортные средства (НТС). В настоящее время все более широкое распространение находят НТС с электро- и гибридными установками, которые характеризуются низким уровнем звукового давления. Несмотря на то, что в ближайшие годы прогнозируется существенное снижение шума от транспортных потоков в звуковом диапазоне, уровень инфразвука НТС не только не снижается, а в некоторых случаях увеличивается.
Имеется небольшое количество научных работ, посвященных исследованию инфразвука на селитебных территориях, расположенных вблизи транспортных магистралей. Например, Васильевым А.В. [1] проведены измерения инфразвука на территории жилой застройки в г. Тольятти, в ходе исследований выявлено, что для ряда участков территории городского округа Тольятти наблюдается значительное превышение санитарно-гигиенических норм по инфразвуку и низкочастотному шуму. Воздействие инфразвука и низкочастотного шума оказывает вредное влияние на человека. Оно вызывает общебиологическое действие: головная боль, головокружение, нарушение функции вестибулярного аппарата, снижение внимания и работоспособности, появления чувства страха, общего недомогания [2].
На основании вышеизложенного и имея определенные наработки в данной области [3], авторы считают, что для разработки эффективных средств снижения инфразвука от НТС сле-
дует подробнее изучить механизм возникновения инфразвука от наземных транспортных средств.
Исследования на масштабной модели легкового автомобиля, проведенные институтом механики МГУ показали, что источником внешнего инфразвука в частотном диапазоне 1,7...28 Гц могут быть пульсации продольной компоненты скорости набегающего потока воздуха. Это приводит к образованию вихревого шума, связанного с периодическим срывом вихрей с обтекаемого тела, частота срыва вихрей и частота звука равны.
Теоретическое исследование механизма возникновения инфразука проводилось на качественной модели - цилиндр в набегающем потоке воздуха в отсутствии ветра. Размеры цилиндра соответствовали габаритным размерам автомобиля ^ - длина; h - высота), а лобовое сопротивление - лобовому сопротивлению автомобиля (Сх). Скорость набегающего потока воздуха (Уп) равнялась скорости автомобиля (Уа) (рис. 1). При этом диаметр цилиндра равняется высоте салона.
Уп=Уа
-- 1_
Рис. 1. Модель возникновения инфразвука
Частота срыва вихрей и соответственно частота порождаемого им звука определяется с помощью соотношения Струхаля:
V
f = Sh • Т h
(1)
где Sh - число Струхаля, V - скорость автомобиля, м/с, h - высота салона автомобиля, м.
Величина инфразвукового давления может быть посчитана по формуле:
P = Р- (CxSh)2V 6l2
(2)
где Сх - коэффициент лобового сопротивления автомобиля м/с, 1 - длина кузова, м, с - скорость звука, м, р - плотность воздуха, кг/м3
Для расчетной оценки уровня внешнего инфразвука были выбраны несколько различных типов автомобилей (автобус, грузовой автомобиль, малотоннажный грузовой автомобиль, легковой автомобиль, гибридный легковой автомобиль и микролитражный городской автомобиль, см. таблицу 2). Для каждого автомобиля были проведены расчеты при скоростях движения 60, 80, 100 и 120 км/ч.
Таблица 1
Характеристики автомобилей
Автомобиль Коэффициент лобового сопротивления Cx Длина автомобиля, l, м Высота салона автомобиля, h, м
Ikarus 250 0,71 12 3,2
КАМАЗ 5320 0,68 7,39 2,83
ГАЗ 33022 0,65 5,47 2,57
Renault Logan 0,36 4,29 1,53
Toyota Prius 0,26 4,46 1,5
Daewoo Matiz 0,39 3,49 1,48
c
Результаты расчета частоты срыва вихрей по формуле (1) показаны на рисунке 2. Частотный диапазон внешнего инфразвука в зависи-
мости от типа автомобиля составляет от 1 до 5 Гц.
• gf:. 'Ш® ИБ:" ,'Р®В
Е 2
Daewoo Matiz Газель 3302 Rwiduli Legan Toyota Prtus
тмт-вш
Ikarus 250
60
Í00
Í20
r[KBS^r
Рис. 2. Ча^
Величина инфразвукового давления оценивалась по формуле (2), значения Cx и l выбирались в табл. 1 для каждого автомобиля.
На рисунке 3 приведены результаты расчета уровней инфразвука. Уровни инфразвука находятся в диапазоне от 65 до 135 дБ в зависимости от скорости и типа автомобиля. Максимальные уровни внешнего инфразвука имеют место при движении грузовых автомобилей и автобусов.
Минимальный уровень внешнего инфразвука создают автомобили Toyota Prius и Daewoo Matiz. Далее на расчетной модели была проведена оценка влияния конструктивных особенностей автомобиля на уровень инфразвука. Минимальную длину кузова имеет Daewoo Matiz, поэтому теоретическая оценка влияния
а срыва вихрей
длины на уровень инфразвука проводилась на автомобиле Daewoo Matiz. Длина его кузова менялась от 3,5 до 12 м.
На рисунке 4 представлен график уровня инфразвука при различной длине автомобиля. Из графика видно, что при увеличении длины автомобиля в 2 раза уровень внешнего инфразвука увеличивается на 10 дБ, а при увеличении длины автомобиля до 12 м уровень внешнего инфразвука увеличивается на 22 дБ.
Уровень инфразвука транспортного потока зависит от его скорости и состава (количество грузовых автомобилей и автобусов).
Расчетная оценка влияния величины Сх на уровень инфразвука проводилась на автомобиле Toyota Prius, т. к. этот автомобиль имеет мини-
мальный коэффициент лобового сопротивления Сх = 0,26.
На рис. 5 представлен график изменения уровня внешнего инфразвука в зависимости от
коэффициента лобового сопротивления. При изменение Сх от 0,26 до 1 уровень инфразвука возрастает на 35 дБ.
Рис. 3. Расчетные уровни инфразвукового давления автомобилей при разной скорости движения
Рис. 4. Расчетный уровень инфразвука при различной длине автомобиля
лри разном О к
Рис. 5 Расчетный уровень внешнего инфразвука при различном коэффициенте лобового сопротивления
Величина инфразвукового давления оценивалась по формуле (2), где p - плотность воздуха (р = 1,29 кг/м3); с - скорость звука (с = 340 м/с) ; Sh=0,2; значения Сх и 1 -выбирались из табл. 2 для каждого автомобиля.
На рис. 6 приведены результаты расчета уровней инфразвука. Уровни инфразвука находятся в диапазоне от 65 до 135 дБ в зависимости от скорости и типа автомобиля. Максимальные уровни внешнего инфразвука имеют место при движении грузовых автомобилей и автобусов.
Тоуо&г Ргшб
КегапД^Нт Газель 3332
Рис. 6. Расчетные уровни инфразвукового давления автомобилей при разной скорости движения
Таким образом, результаты расчета показали существенную зависимость уровня внешнего инфразвукового давления от скорости, конструктивных особенностей кузова или кабины автомобиля.
Следующим источником инфразвука в автомобиле являются колеса, которые совершают вращательные и поступательные движения в набегающем потоке воздуха (рис. 7).
Рис. 7. Турбулентный шум обтекания, вращающейся шины
Частота колесной гармоники в спектрах вибрации агрегатов и шума в кузове:
/ = к • Va /22,6Rдuн, (3)
где к = 1, 2, 3.- числовой ряд, Уа - скорость автомобиля, м/с, Rдин - динамический радиус качения шины, м.
Проведен расчет 5 колесных гармоник для колеса от R=13 дюймов легкового автомобиля при скорости движения 80,100 и 120 км/ч.
Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Расчеты частоты колесных гармоник
У[км/ч] *2[Гц] 6[Гц] Ь[Гц] £[Гц]
80 22 45 67 90 112
100 28 56 84 112 141
120 33 67 101 135 169
При скоростях 80.120 км/ч частоты колесных гармоник находятся в диапазоне от 20.170 Гц. При увеличении радиуса колеса частоты колесных гармоник будут снижаться, особенно для грузовых автомобилей и автобусов.
В транспортном потоке спектр колесных гармоник будет перекрывать низкочастотный и инфразвуковой диапазон.
Расчетные исследования механизма возникновения внешнего инфразвука транспортного средства показали, что его частота и уровень зависят от скорости движения, коэффициента лобового сопротивления, длины и высоты кузова.
Изучение механизма возникновения инфразвука от наземных транспортных средств позволит разработать эффективные средства снижения инфразвука от НТС, например резонансные поглотители и устройства активного глушения шума.
Важно отметить, что превышение инфразвуком нормативных значений [4] может быть только на селитебных территориях, прилегающих к транспортному потоку со скоростями движения свыше 80 км/ч. Таким образом, рациональная организация дорожного движения поз-
волит уменьшить уровни инфразвука и снизить негативное воздействие данного фактора на организм человека и окружающую среду.
В дальнейшем предполагается
совершенствование математической модели (переход от «стержня» к реальному кузову) с целью повышения точности расчетов, а также проведение практических экспериментов по измерению уровней инфразвука в натурных и стендовых условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Васильев А.В. Мониторинг и снижение негативного воздействия низкочастотного звука и вибрации на территории городского округа Тольятти // Защита населения от повышенного шумового воздействия: Всероссийская научно-практическая конференция (Санкт-Петербург,
22024 марта 2011 г.), Санкт-Петербург, 2011. С. 149-164.
2. Зинкин В.Н, Богомолов А.В., Драган С.П., Ахметзянов И.М. Кумулятивные медико-экологические эффекты сочетанного действия шума и инфразвука// Экология и промышленность России. март 2012. C. 46- 49.
3. Графкина М.В., Нюнин Б.Н., Свиридова Е.Ю. Определение энергетического низкочастотного воздействия на застроенных территориях // Вестник МГСУ. 2014. №4. С. 116124.
4. Санитарные правила и нормы 2.2.4./2.1.8.10-35-2002. Инфразвук на рабочих местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200029239 (дата обращения: 15.05.2015).
Grafts M.V., Nyunin B.N., Sviridova E.Y.
THE MECHANISM OF OCCURRENCE OF INFRASOUND FROM GROUND VEHICLES AS THE NEGATIVE ENVIRONMENTAL FACTORS
Infrasound is one of the negative factors of the environment. The article describes the mechanism of occurrence of infrasound on the outside of vehicles. We describe a quality education model external infrasound car and results calculation. It is shown that the level of infrasound depends on the speed and design features of the vehicle. The authors noted that exceeding the normative values of infrasound levels possible in the areas adjacent to the traffic flow with speeds above 80 km/h. The study of the mechanism of infrasound from ground vehicles will allow to develop effective means of reducing the levels of a negative factor. Key words: infrasound, environment, land vehicle, mathematical model, speed, frequency of vortex shedding, drag coefficient, design features, wheel harmonics.
