CC BY
71Расчётные схемы определения шума от железнодорожного транспорта
1 9
Куклин Д.А.1, Матвеев П.В.2 1 2
Доцент, к.т.н., Ст. преподаватель, к.т.н. 1 2 БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация
В статье предлагаются методы расчета шума, создаваемого железнодорожным транспортом, на территории, прилегающей к железнодорожным путям, при наличии различных средств защиты от шума на пути распространения (ровный участок, выемка, насыпь, ближнее средство звукоизоляции). Шумовые характеристики в расчётной точке определяются в зависимости от типа шумозащитного устройства и длины поезда. Расчет шума производится, исходя из предположения, что каждый вагон имеет одинаковую акустическую мощность в составе таких же вагонов. Шум в расчётной точке равен сумме интенсивностей дошедших до расчётной точки от каждого вагона.
Ключевые слова: методы расчёта шума, железнодорожный транспорт, типы поездов, источник шума, уровень звука, максимальный уровень звука.
Calculation models of noise from rail transport
Kuklin D.A. Matveev P.V.2 2Associate professor, 2Senior lecturer ' Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov, Saint-Petersburg, Russia
Abstract
This publication offers methods of calculation of noise generated by rail, adjacent to the railroad tracks, in the presence of various means ofprotection against noise in the direction of spread ( level stretch, cutting, embankment, low barriers). Noise characteristics in the calculation point are determined depending on the type of sound insulating device and the length of the train. The noise calculation is made, assuming that each car has the same acoustic power in the composition of these same cars. The noise in the calculation point is equal to the sum of the intensities reached the estimated point from each railway car.
Keywords: noise analysis, railway transport, type of train, line noise source, sound level, ceiling sound level.
Введение
Шум качения генерируется высокоинтенсивными источниками звука. Принято, что уровни шума этих источников не превышают 130 дБ и акустические процессы излучения можно рассматривать как линейные. Другой особенностью является наличие
ряда излучателей (колесных пар), расположенных друг от друга на расстояниях ® [1]. По условию Е. Скучика такое условие позволяет считать эти излучатели некогерентными. С учетом расстояний граничная частота этого условия находится в пределах октавной полосы частот 63 Гц.
При рассмотрении процессов дивергенции поезда принимаются линейными источниками, излучающими цилиндрическую звуковую волну в свободное полупространство. Также рассматривается прохождение звука через препятствия (выемки, насыпи и пр.). Линейные источники звука приняты конечной длины в пределах от 100 до 1500 м. Границей существования цилиндрической звуковой волны
E-mail: kda1969@mail.ru (Куклин Д.А.), infopeter@ya.ru (Матвеев П.В.)
принято известное допущение:
I
R < —,
где ист - длина источника (поезда), м. При условии
(1)
(2)
Источник звука (поезд) принимается точечным источником сферической
звуковой волны. В пределах
< R < 2 L
(3)
Звуковая волна принимается квазицилиндрической.
Интерференционные явления, возникающие при распространении звука, не рассматриваются. При наличии препятствия длина препятствия принимается равной длине источника шума (поезда) [1].
1. Правило расчетов
Расчеты выполняются в соответствии с правилом, согласно которому (рис. 1):
(4)
Вт/м2
где Жист - акустическая мощность источника, Вт;
11 - интенсивность звука на первой поверхности с первым импедансом,
Ж] - акустическая мощность звука, излучаемого этой поверхностью, Вт;
12 и Ж2 - то же для второй поверхности с новым импедансом; 1„ и Ж„ - то же для п-й поверхности;
1рт - интенсивность звука в расчетной точке (РТ), Вт/м2.
Рис. 1 Иллюстрация к правилу для вывода формулы в простейшем случае: 1 - источник звука; 2, 3, 4, ..., п-е переходные поверхности; 5 - расчетная точка
Исходной величиной в расчетах является акустическая мощность источника (^ист), получаемая конечная величина - интенсивность звука в расчетной точке (/рТ).
Границы выполняемых расчетов определяются принятыми допущениями и приняты в частотном диапазоне 63-8000 Гц.
2. Описание расчетных схем
Были рассмотрены основные случаи распространения звука:
- в свободном пространстве;
- с препятствием в виде выемки;
- с препятствием в виде насыпи;
- при наличии препятствия - акустического экрана, расположенного близко к источнику шума (поезду).
Расчетные схемы приведены в табл. 1.
Таблица 1 Расчетные схемы
№ п/п
Вид схемы
Обозначения на схеме
Примечание
1 - источник шума (ИШ);
2 - расчетная точка (РТ);
3 - защищаемый от шума объект;
4 - опорная поверхность;
5 - выемка;
6 - поверхность между вершиной выемки и РТ;
Звук распространяетс я в свободном звуковом поле
Учитывается поглощение звука поверхностями
7 - насыпь;
Двойная дифракция
8 - ближнее
средство
звукоизоляции
БСЗ расположено в условиях диффузного звукового поля
1
2
3
4
3. Распространение звука от линейного источника в свободном звуковом
поле
При излучении в полупространство интенсивность звука в РТ определяется:
¡^ = К™(1 ~ап°в) агс^ — 1ист , Вт / м2
М^Я2 + ИрТ 2у] Я2 + Н2РТ , (5)
где 1ист - длина ИШ, м; апов - коэффициент звукопоглощения опорной поверхности; Я - расстояние от ИШ до расчетной точки, м; ИРТ - высота расчетной точки, м.
Рис. 2 Схема распространения звука от источника в полупространство в свободном звуковом поле: 1 - ИШ; 2 - РТ; 3 - здание; 4 - подстилающая (опорная) поверхность
Прологарифмировав обе части, получим формулу расчета УЗД (УЗ) в РТ при известных значениях уровней звуковой мощности источника (£^ист):
Lpt — Lw +10 lg arctg
l
- + ioig(1 -аяов) - 10lg ri - 10lgVR2 + h2PT ,дБ,
2^1 R2 + hpT (6)
В практике акустических расчетов линейных источников в качестве исходных значений выбираются измеренные или рассчитанные УЗД (УЗ) на опорном расстоянии 25 м для поездов, поэтому сделаем следующие преобразования:
Чтобы получить УЗ вместо УЗМ запишем формулу (6) для опорного расстояния, которое обозначим г0:
Ьг = Ь№ + 101ё + 10&1 -апое) - 101ёя1 -101§ г0, дБ,
0 " 2г0 (7)
Проведя операцию вычитания выражения (7) из выражения (6) переходим к использованию в качестве исходных параметров линейного источника шума УЗ и УЗД, после преобразований:
LpT — L25
+10 lg arctg
l
, г + 10lg(1 -anJ-10l^RR+ hpT -10lg arctg-j-, 2^J R + hPT 25 50
(8)
где для удобства понимания исходных значений вместо Ьг введена привязка к расстоянию Х25.
Сравнивая формулы (6) и (8) можно увидеть, что переход осуществляется
заменой:
L25 = Lwucm -10 lg ril -10 lg arctg
(9)
Анализ формулы (9) показывает, что здесь, кроме снижения шума от линейного источника с увеличением расстояния (дивергенция), учитывается поправка на его длину.
4 Распространение звука от поезда, расположенного в выемке
Схема распространения звука от поезда, расположенного в выемке представлена на рис. 3.
Рис. 3 Схема распространения звука от поезда, расположенного в выемке:
1 - ИШ; 2 - выемка; 3 - РТ; 4 - защищаемый объект; 5 - опорная поверхность между ИШ и основанием выемки; 6 - поверхность между вершиной выемки и РТ; 3' и 4' - расчетная точка и защищаемый объект, условно расположенный на одной
плоскости с опорной поверхностью
Интенсивность звука, падающего на основание выемки
Ж (1 -а ) I
Т — ист\_оп; ¡-¡тЫс в
1 пад = , аг С16 _
(10)
где аоп - коэффициент звукопоглощения опорной поверхности; ' - расстояние от ИШ до основания выемки, м;
/в - длина выемки (длина ИШ условно принята равной длине выемки), м.
Мощность звукового поля в нижней части выемки
Ж = Iв Г/ , ч
''И 1 пад'в 1е (11)
Особенностью экранирующего эффекта выемки является то, что угол дифракции выемки ( ве) больше угла дифракции (вэкр ), например, экрана, если бы он
был установлен взамен выемки. Поэтому в расчете должна рассматриваться не полная высота выемки, а эффективная высота, равная
Ив = И - И Бтр
эф в в У
(12)
где И - высота выемки, м;
Р = ^экр -вв
(13)
С учетом излучения звука в У пространства интенсивность звука на краю
выемки
, Жн (1 -ав) I
1в =-Н-^ аг^
Ж1Н'
2 в эф
2Ив
где ав - коэффициент звукопоглощения склона выемки. Мощность, излучаемая краем выемки:
^В 1 в 'е^Рдифр (15)
где Хв - длина звуковой волны, м;
Рдифр - коэффициент дифракции выемки.
Интенсивность звука в РТ с учетом звукопоглощающих свойств поверхности между краем выемки и РТ
/„ = Ше ('-апое) 'в
Ttl.R. 2R„
(16)
в
в
РТ.
где Яе - расстояние от края выемки до РТ, м.;
- коэффициент звукопоглощения поверхности между краем выемки и
Подставим (10), (11), (14), (15) в (16)
2^ (1 - аоп )#;, ¡в (1 - ае )'ЖиФр (1 - апов)аг^^ агс®^ аг^
2ге 2пэф 2К
IРТ =-е-эф- (17)
^в КфЖ1в
Выполнив упрощения и прологарифмировав обе части, получим: ЬРТ = ЬШист +1018(1 -аоп) +1018(1 -а;) +1018(1 -а^,) + 1018тйв - 101В-эф + ПДвыем -
— II'
- 101ё- 101ёж2 +10^2 + 101ёагс%-^ +1018агс%—^~ +1018аг(18)
г0 2ге 2Пэф 2—е
где ПД - показатель дифракции выемки - отношение дифрагированного через край выемки звука к падающему звуку ( ПД = 101§ /Звдифр ).
С учетом (18) и после некоторых преобразований:
Пе —
¿РТ = ¿25 -101ё —ф -1018— + ПДвЬ1ем + 101д(1 -аоп) +1018(1 -а;) + 101д(1 -^е) + Л г0
+1018 +1018 агсШ^- + 1018 аг- 101ё агс% -1018 ж2, дБ (19)
где ¿25 - УЗД (УЗ), измеренные на расстоянии 25 м от ИШ, дБ (дБА). Отметим, что понятие показателя дифракции выемки вводится впервые.
5. Распространение шума за насыпь
Расчетная схема представлена на рис. 4. Интенсивность звука на вершине насыпи со стороны ИШ (излучение в У пространства):
Ж I
1н =-^^ агсг§ "
l.h" 2ДФ
2 H эф
где 1н - длина насыпи, м; И"эф - эффективная высота насыпи, м.
Рис. 4. Схема распространения звука за насыпь: 1 - ИШ; 2 - насыпь; 3 - РТ; 4 - защищаемый от шума объект; 5 - опорная поверхность; вн - угол дифракции насыпи; фн - угол между поверхностью насыпи и лучом от РТ до ближней вершины насыпи; Ън - высота насыпи; И"эф - перпендикуляр от
точки пересечения лучей (от ИШ до вершины насыпи и от РТ до другой вершины
насыпи) на основание насыпи
Кф = К + вн эт Рн
(21)
где фн - см. рис. 4; Ън - высота насыпи, м; вн - ширина насыпи, м. Условно принимаем, что излучение звука происходит частью насыпи шириной 1 м, тогда звуковая мощность, излучаемая этой частью насыпи:
Ж = I 11 вн
Ж н 1 н11нНдифр,
где рндифр - коэффициент дифракции насыпи. Интенсивность звука в противоположной части насыпи
. Жн (1 -ан) 1„
I = —^-агог§
в,.
2«
(22)
(23)
где вн - ширина насыпи, м; ан - коэффициент звукопоглощения насыпи. Мощность звука, излучаемого противоположной частью насыпи:
Ж = IМ в
н н н"дг
ифр?
Интенсивность звука в РТ:
Жн . 1 I =-н— аго1§
2— Я.
2Я.
(24)
(25)
где Ян - расстояние от насыпи до РТ, м. Подставив (20), (22-24) в (25) получим:
I РТ
Жист (1 ан ) ' 1 нРдифрМнРдифр
—
2-К Кф7 нвн-н Ян
х aгctg —н— аг^ —— aгctg ——
2Кф 2вн 2Ян
После преобразований с учетом:
hн - R
Lt = L25 + 10lg(1 ) + ПДнас - 10 lg —ф - 10 lg +
& -o r0
1 1 11
+10lgarctg —— + 10lgarctg+ 10lgarctg —--10lgarctg — - 10lgж ,дБ
2h" 2-,, 2R 50
(27)
где ПДнас - показатель дифракции насыпи ( ПД - 201§ рндиф )
-0 =1; ro =1
Снижение шума насыпью зависит от ее звукопоглощения, высоты, ширины верхней части. Понятие показатель дифракции насыпи вводится впервые.
6. Распространение звука при наличии средств ближней звукоизоляции
Применения средств снижения шума качения в источнике не обеспечивает снижения шума до требуемых величин. Эффективной мерой снижения шума на пути распространения от источника является применение средств ближней звукоизоляции (СБЗ). В качестве такого средства может рассматриваться преграда в виде малого акустического экрана, расположенного вблизи головки рельса в пределах разрешенных габаритов. Расчетная схема такого расположения показана на рис. 5.
Рис. 5. Расчетная схема БСЗ: 1 - источник шума (пара колесо-рельс); 2 - БСЗ; 3 - расчетная точка (РТ); 4 - защищаемый от шума объект; 5 - опорная поверхность между БСЗ и РТ; 6 - опорная поверхность между источником шума и БСЗ
Рассматривается звуковое поле в замкнутом объёме, образованное:
- элементами подвижного состава (тележка, нижняя часть корпуса подвижного состава);
- отражающей поверхностью между источником шума и БСЗ;
- свободным проёмом в верхней части;
- ближним средством звукоизоляции.
Основные допущения, принятые при выводе формулы:
- звуковое поле в полузамкнутом объёме принимается квазидиффузным;
- источник шума (ИТТТ) принят линейным излучателем;
- высота источника шума принята равной высоте БСЗ (*э), т.е. Ь^т = ;
- длина ИШ (^вст) принята равной длине БСЗ ), т.е. ¿ист = К;
- свободное ребро БСЗ принято вторичным линейным излучателем;
- в связи с малой высотой БСЗ учитываются поглощающие свойства опорной поверхности между БСЗ и расчётной точкой.
Звук, падающий на верхнее свободное ребро БСЗ:
1 пад
4W
;об (28)
где: ¥ об - коэффициент, показывающий степень диффузности звукового поля в объеме; Воб - акустическая постоянная объема, м3
п
А
Воб= ~ — = 7^7 (29)
1 -а (1 -а)
об
где: Аоб - эквивалентная площадь поглощения незамкнутого объема, м2; а -коэффициент звукопоглощения /-ой поверхности, образующей незамкнутый объем площадью $г- ; а - средний коэффициент звукопоглощения незамкнутого объема. После преобразований:
в = ККаэ + [Аа,_+ 1эГаи + 1эГ = 1э (.Каэ + Каи_ + >'аи + г)
° (1 -аоб) (1 -аоб)
где Иэ, 1э - высота и длина БСЗ соответственно; аэ - коэффициент звукопоглощения БСЗ; аи - коэффициент звукопоглощения источника шума (со стороны БСЗ); г - расстояние от ИШ до БСЗ, м.
— А
Значение а0б определяется: аоб = , где: £об - площадь всех поверхностей,
8об
образующих незамкнутый объем 8об = 28э + 28п = 2(8э + 8п), где: £э = Ьэ1э; 8п = Нэг.
После некоторых преобразований формула (28) может быть представлена в
виде:
г = 4Жист (1 -аоб)
пад
I (И а + И а + га + г)ш , , ч
э\ э э э ист пов /г об (31)
Акустическая мощность, излучаемая верхним свободным ребром БСЗ: wp = 1пад}эГРдифр, где у^дифр - коэффициент дифракции БСЗ, а г - расстояние от ИШ до
БСЗ, м. Интенсивность звука в расчётной точке с учётом звукопоглощающих свойств опорной поверхности:
Wр (1 -^пов) I
'"= 2М,К аГСЩ М <32)
где Я - расстояние от БСЗ до расчётной точки; апов - коэффициент звукопоглощения поверхности между БСЗ и РТ.
С учётом сказанного зависимость (32) представим
1 = 4Кст(1 -аоб)(1 -апов)1эГРдифр ^
РТ ¥обК (Иэаэ + Иэаист + Гапов + Г)2ЧК
После преобразований и логарифмирования обеих частей, приняв 101§ Рдифр = ПД , получим:
п
ЬРТ = Ь25 +101§(1 -а б) +101§(1 -апов) + ПД - 101ё--Ш%¥об - 101ё А +
г
+ 101е аШе — + 101е — + 3
6 6 50 В2К , дБ (34)
Заключение
Рассмотренные схемы позволяют выбрать оптимальные средства защиты при разработке шумозащитных мероприятий при строительстве жилой застройки, разработке мероприятий по защите природных территорий, при строительстве железных дорог.
Список литературы
1. Иванов Н.И., Куклин Д.А., Матвеев П.В., Олейников А.Ю. Снижение шума подвижного состава железнодорожного транспорта в источнике образования и на пути распространения // Защита от повышенного шума и вибрации: доклады V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Россия, Санкт-Петербург, 18-20 марта 2015 г.) / под ред. Н.И. Иванова - Санкт-Петербург: Изд-во «Айсинг», 2015 С. - 125-144.
