Теоретическое исследование характера снижения шума поездов Текст научной статьи по специальности «Физика»

акустика

Теоретическое исследование характера снижения шума поездов

Н.Д. Николов1, И.Л. Шубин2

1 Институт строительной физики, технологии и логистики, София; 2НИИСФ РААСН

Железнодорожный транспорт является одним из значимых генераторов шума в привокзальных жилых кварталах.

К основным источникам шума поездов [1] относятся:

— шум взаимодействия рельсов и колес при качении;

— шум двигательной группы локомотива;

— шум аэродинамического сопротивления.

Все три вида шума прямо пропорционально зависят от скорости движения поезда, но их влияние по высоте и их общее воздействие различны.

Железнодорожный шум следует делить на два вида — закономерный и случайный. Источники железнодорожного шума проявляются при нормальном движении составов поездов и могут быть смоделированы математическими выражениями, наблюдается повторяемость и поэтому мы характеризуем этот шум как закономерный. Случайный шум появляется при резких изменениях скорости движения, при плохом техническом состоянии подвижного состава и/или верхнего строения рельсового пути, при осуществлении маневров. Такими шумами являются: скрип тормозов, свист колес на поворотах, стук неисправных вагонов, удар вагонов при маневрах («набегание одних вагонов на другие») и пр. Подобные случайные шумы должны быть измерены непосредственно и учтены при помощи соответствующих коэффициентов.

Уровень шума железнодорожного транспорта можно вычислять за период Т 4, 8 или 12 часов по формуле

^Атер ^Аекв

+ £ М, дБа, (1)

где

іАекв = 51 + 10!д[л(5 - 0,04р)] , дБа;

п — среднее число составов поездов за 1 час;

р — доля вагонов с дисковыми тормозами, %.

М= м1 + м2 + ДЦ + м4 + ДЦ + м6 + м7

Дополнительными членами Д^ являются:

— Д^і — поправка на вид вагонов (от —2 до +3 дБА);

— Д^2 — поправка на длину состава I, м, и скорость движения V, км/ч — Д^2 = 10!д(1У2) — 60, дБа;

— ДЦ — поправка на состояние верхнего строения рельсового пути (от 0 до +5 дБА);

— Д^^ — снижение уровня шума в зависимости от расстояния г между источником и расчетной точкой — Д^4 = 15,8 - 10!дг - 0,0142г, дБа;

— ДЦ — снижение уровня шума ввиду влияния превышения И и атмосферы —

М5 = 4,8ехр[(-ЛтД)(8,5 + 100/г) х 1,3, дБа;

— AL6 — снижение уровня шума посредством экранов, вычисленное согласно соответствующей методике расчета экранов;

— AL7 — поправка —5 дБА, которая показывает характер шумового воздействия у рельсовых транспортных средств.

Применим модели квазицилиндрических звуковых волн [2] для исследования шума, излучаемого железнодорожным транспортом и поездами метрополитена.

Модель распространения квазицилиндрических волн дает возможность решения двух задач:

1. Оценку уровня шума при различном положении расчетных точек на плоскости, т.е. направленности звуковых волн в плоскости.

2. Определения снижения уровня шума при увеличении расстояния от движущегося поезда.

В обоих случаях:

— шум движущегося поезда порождается п единичными источниками — колесами, тележками, расположенными на среднем расстоянии I друг от друга;

— участок от ж/д линии прямолинеен с достаточной длиной (свыше 1 км);

— поезда движутся с относительно постоянной скоростью (без ускорения или замедления);

— звуковые волны распространяются без препятствий.

Аппарат формул используется и для исследования шума, вызванного движением поездов метрополитена, которые движутся на открытых (надземных) участках.

Для решения первой задачи — определение направленности шума в плоскости — используем [2] для выражения характеристики направленности —

Д9) =

. ( ппі .

БІПІ БІП 0

ПЗІП( — БІП 0

X

(2)

Стандартный метросостав, который движется на открытом участке, представлен как групповой точечный источник квазицилиндрических звуковых волн. Если точечные источники =11, расположенные на среднем расстоянии 10 м друг от друга и звуковая частота примерно 500 Гц, тогда п = 11, I = 10 м, 1 = 500 Гц (длина волны X = 0,664 м), откуда следуют значения обоих определяющих параметров —

п/_

X

= [165,66] = 165;

= [15,06]= 15.

акустика

п =11 І =10м і = 500 Гц метросостав п = 23 І =10м і = 500 Гц ж/д состав

-1,00

0,50 1,00

Т

= [361,45= = 361;

= [15,06= = 15.

268 5 2009

Из зависимостей р(0°)

і= 201д-Р^),дБа,

й( 0) =

Ро р( 0)

Рисунок 1. Характеристика направленности в интервале [—р; +р] метросостава и ж/д состава, движущихся на открытом участке.

Следовательно, знаменатель в формуле (2) становится нулем в 15 точках, в которых, согласно выводам [3], 0(8) получает значение 1, а числитель в еще 165 — 15 = 150 точках, где 0(8) = 0.

Г рафическое изображение характеристики направленности представлено на рис. 1.

Железнодорожный состав тоже уподобляется группе точечных источников квазицилиндрических звуковых волн. Если точечных источников 24, и они расположены на среднем расстоянии 10 м друг от друга и звуковая частота 500 Гц, тогда п = 24, I = 10 м, 1 = 500 Гц (длина волны X = 0,664 м), откуда

Следовательно, знаменатель в формуле (2) становится нулем в 15 точках, в которых, согласно выводов [3], 0(0) получает значение 1, а числитель в еще 361 — 15 = 346 точках, где 0(0) = 0.

Сложная пространственная зависимость, в которой многократно чередуются максимумы и минимумы, может объясняться взаимодействием сферических волн, порожденных п единичными источниками с цилиндрической волной, вызванной движением целого состава. Полученная акустическая картина осложняется тем фактом, что характеристика направленности излучателя движется со скоростью движения состава поезда, которую нельзя считать пренебрежимо малой по сравнению со скоростью распространения звука (около 1200 км/ч).

В связи с тем, что пульсирование шума не может быть отмечено, принимаем, что имеет место псевдонаправленность.

р(0 °)

при известных L, р0 и 0(8) получаем значение уровня шума на отдельных участках плоскости, характеризующиеся углом 8 —

р(8) = 0(8) х р(0°),

где 1др(0°) = L/20 + 1д0,00002.

Связь между 0(8) и р(8) не является линейной. Например, при р(0°) = 0,0632, 0(8) = 0,28:

, 0,28 х 0,0632 с

I = 20!д--------------~ 59дБа,

0,00002

а при 0(8) = 0,14 (в два раза меньше) —

0,14 х 0,0632

£ = 20!д-

0,00002

53дБа.

Это, до известной степени, сглаживает акустическую картину, если перейти от амплитуды давления к уровню звука.

Для решения второй задачи используем формулы [3]

£ = і25 - 10

( I 1Л \д-

1 + -

п

|д

10

( і 1 ^ 1д-

1 + -

п

ід г

\ у

1дг

\ у

г

ід— = ДІ. 25

25 (3)

(4)

где г — расстояние от ж/д линии до расчетной точки, м;

— I — среднее расстояние между источниками, м;

— 25 м — базисное расстояние от оси источника при определении уровня шума ж/д составов.

Чтобы применить формулу (4), величина I должна находиться в интервале (п; П х г).

Анализ полученных данных исследований дает нам возможность сделать следующие выводы:

1. При удвоении расстояния уровень шума снижается с 3,5 до 5,5 дБА.

2. Градиент снижения различен. В интервале 25—50 м он около 0,16 дБА/м, а в интервале 200—400 м — 0,0175 дБА/м.

3. Из формулы (4) видно, что основным фактором, который определяет величину снижения

г

акустика

а

б

50 100 150 200 250 300 350 400

расстояние, м

* расстояние между источниками 5

расстояние между источниками 10 м

расстояние между источниками 15 м

расстояние между источниками 20 м

расстояние между источниками 5 5

-0- расстояние между источниками 10 м

расстояние между источниками 15 м

расстояние между источниками 20 м

Рисунок 2. Абсолютное (а) и относительное (б) снижение шума от источника квазицилиндрических звуковых волн с ограниченной длиной при различных расстояниях между единичными источниками.

шума, является интервал между источниками. На больших расстояниях снижение шума не столь ясно выражено, поскольку величина г присутствует в числителе и в знаменателе формулы.

4. При исследовании шума ж/д составов, соответственно, метросоставов, на открытых участках модель распространения квазицилиндрических волн дает возможность решения двух задач:

— расчет уровня шума при различном положении расчетных точек на плоскости и определение характеристики направленности звукового поля, и

— расчет снижения уровня шума при увеличении расстояния от движущегося поезда.

Список литературы:

1. Буторина М.В., Король Е.А. Снижение шума же-

лезнодорожного транспорта. — Строительная физика в XXI веке. Материалы научно-технической конференции. Москва, НИИСФ, РААСН, 2006, стр. 348-352.

2. Николов Н. Моделирование квазицилиндрически-

ми звуковыми волнами распространения звука, излучаемого источником конечной длиной (к печати). — Сборник трудов НИИСФ РААСН «Академические чтения», Москва, 2009; см. www.acmo-2006.eu/publications.

3. Николов Н. Градоустройствена акустика. УИ Св. Климент Охридски, София, 2006, 236 стр.