СПОСОБ ОЦЕНКИ ТРАНСПОРНОГО ШУМА В ГОРОДЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Яблоков Руслан

класс 11 «А», школа № 10, г. Рыбинск

Журавлева Людмила Аркадьевна

научный руководитель, преподаватель физики, школа № 10, г. Рыбинск

Человек всегда жил в мире звуков. Из живых существ, только он в полной мере использовал свойства окружающей среды как проводника, носителя звука. Человек внес в мир звуков речь и музыку. Сделал звук своим помощником. Проходили века, человек трудился и творил. В мире появлялись все новые и новые источники звука, росла их сила. Современная звуковая «симфония» города складывается из многих факторов: грохота железных дорог, гула самолетов, рокота строительной техники  и шума заводских цехов.

В этой работе мы проводили исследования по определению транспортного шума расчетно-эталонным методом на основе анализа статистических данных.

Термины, понятия, формулы

Под термином «шум» понимается всякий неприятный и нежелательный звук или совокупность звуков, мешающих восприятию полезных сигналов, нарушающих тишину, оказывающих вредное и раздражающее влияние на организм человека, снижающих его работоспособность [1, с. 10].

Звук, как физическое явление представляет собой волновые нерегулярные колебания упругой среды, смесь многочисленных колебаний примерно одинаковой интенсивности, но с различными частотами. Как физиологическое явление, звук определяется ощущением, воспринимаемым органом слуха и взаимодействием на него звуковых волн. Поэтому звук — мы рассматриваем как физическое явление, а шум как экологический показатель.

В технической акустике в основном принято оценивать звуковое давление и звуковую мощность в относительных логарифмических единицах-децибелах (дБ). Кроме того, орган человека различает не разность, а кратность изменения абсолютных величин звуковых давлений. Поэтому шум принято оценивать не абсолютной величиной — звуковым давлением, а его уровнем, т. е. отношением создаваемого звукового давления к давлению, принятому за единицу сравнения. Единицей сравнения служит пороговое звуковое давление , равное  .

Уровень звукового давления определяют по формуле:

,                                                  (1)

где  — звуковое давление,

 — пороговое звуковое давление.

Непостоянные шумы (транспортные шумы) принято оценивать эквивалентными уровнями звука.

Эквивалентный уровень звука  данного непостоянного шума  следующим соотношением:

,                                                 (2)

где T — время наблюдений,

t — текущее время, которое соответствует экспериментальному уровню шума .

Логарифмические единицы уровней шума являются относительными и поэтому безразмерными единицами.

Методика эксперимента

Уровень транспортного шума можно измерить прибором (шумомером) или расчетно-эталонным методом.

В предлагаемой работе по определению транспортного шума мы использовали способ численной оценки уровня транспортного шума на основе определенных «эталонных» закономерностей, не производя непосредственных измерений  специальным прибором.

Недостатком метода является невозможность учета фона (уровня шума, когда количество машин равно нулю).

Основой данной модели служит предположение о наличии закономерности, которой подчиняется исследуемая величина (характеристика объекта), определенная характером эксперимента. Данное предположение о наличии определенного рода закономерности (или закономерностей) позволяет, в случае ее установления, сделать оценку искомой величины.

Подобную закономерность нагляднее представлять в виде зависимости одного параметра от другого, где одним из параметров служит исследуемая характеристика, в данном случае — эквивалентный уровень транспортного шума. Определение функции распределения экспериментальных точек на графике способом экстраполяции позволяет получить численные решения. Понятно, что подобного рода зависимостей может быть много, но для каждого типа транспорта она своя. Разумеется, всегда следует делать поправку на конкретные условия проведения эксперимента.

Определенная таким образом зависимость принимается за эталон.

Обработка статистических данных

В справочной литературе проводятся статистические данные некоторых замеров. Например, в [2, с. 160] имеется таблица, где сопоставляется определенному значению уровню шума количество автомобильного транспорта (число машин). Эти данные удобнее представить в более наглядной форме — в виде графика (рисунок 1а). По оси ординат была отложена величина уровня шума (в децибелах, дБ(А) или дБА), по оси абсцисс — число машин. Через экспериментальные точки провели линию тренда, полученной в результате аппроксимации и сглаживания. В результате выявилась четкая зависимость, предположительно логарифмическая. Это можно проверить, если ось абсцисс пересчитать в логарифмическом масштабе, что дает на графике линию, которая с хорошей точностью описывается прямой линией с характерным углом наклона к оси абсцисс (рисунок 1б). Получившуюся таким образом зависимость можно принять за эталон. Линию на графике (рисунок 1а или рисунок 1б) можно продолжить, т. е. распространить график на любое количество значений, что дает определить уровень шума для любого количества машин, если известны состав (легковые автомобили, грузовой и общественный транспорт) и скорость движения транспортных потоков.

а)                                                       б)

Рисунок 1. Эталонные зависимости  эквивалентного уровня транспортного шума  от количества машин. а) в абсолютном масштабе; б) в логарифмическом масштабе.

Поправки к эквивалентному уровню шума в качестве эталонных зависимостей приведены на рисунке 2. Основными поправками (факторами, влияющими на шумовую характеристику транспортного потока) являются: доля числа грузовых и общественных транспортных средств от общего числа машин в потоке D и средняя скорость движения потока.

а)                                                       б)

Рисунок 2. Поправки к эквивалентному уровню шума   на характер и условия движения транспорта. а) D; б)

В идеальной неограниченной и не поглощающей среде при распространении сферической волны сила звука изменяется обратно пропорционально расстоянию , а при распространении цилиндрических волн — обратно пропорционально расстоянию . Это значит, что при каждом удвоении расстояния от точечного источника уровень звука снижается на 6 дБа. При каждом удвоении расстояния от линейного источника уровень звука снижается на 3 дБа.

В данном эксперименте транспортный шум можно считать исходящим от точечного источника (N<500 машин/час). При каждом удвоении расстоянии от точечного источника уровень звука снижается на 6 дБА. Например, если уровень звука на расстоянии 7,5 м от источника составляет 90 дБА (на рисунке 1 для построения эталонной зависимости  использованы экспериментальные данные уровня звука на расстоянии 7,5 м от оси первой полосы движения), то на расстоянии 15 м (для нашего эксперимента) он снизится на 6 дБА, а абсолютное значение уровня шума будет составлять 90-6=84 дБА (поглощение в воздухе практически равно нулю). Если расстояние до точечного источника шума меньше, чем 7,5 м, то влияние поправки на расстояние приведет к увеличению  величины уровню шума, рассчитанного по эталонному графику.

При определении транспортного шума, необходимо учитывать, что уровни шума (децибелы) нельзя складывать арифметически. При одновременном действии, например, двух легковых автомобилей уровнем шума в 80 дБА (т. е. дБА) каждый дает увеличение уровня шума, подсчитываемый по формуле:

;                                              (3)

 дБА.

Суммарный уровень шума для двух автомобилей, проезжающих одновременно составляет:

 дБА.

В крупных городах одновременно могут проезжать 10 и более автомобилей, соответственно увеличение уровня шума составляет 10 дБА и более. Но при этом необходимо учитывать, что термин «одновременно» относится к определенным условиям движения автомобилей в некотором приближении. Например, если одинаковые автомобили одновременно проезжают на разной полосе движения, то уровни шума от этих автомобилей в анализируемой точке будут разные по величине, а также с увеличением расстояния между автомобилями значительно уменьшается их суммарная величина уровня шума. Соответственно, влияние этих факторов на формирование общего суммарного уровня транспортного шума можно смоделировать с использованием расчетных методов оценки транспортного шума на основе анализа статистических данных.

Суммарная величина уровня транспортного шума с учетом некоторых поправок к уровню шума определяется следующим соотношением:

;              (4)

где  уровень шума, определенная по эталонному графику, построенного на основе экспериментальных данных;

 поправка к уровню шума  в случае, когда одновременно проезжает n автомобилей;

 поправка к уровню шума  из-за влияния средней скорости автомобилей;

 поправка к уровню шума  из-за влияния состава  транспортного потока;

 поправка к уровню шума  из-за влияния расстояния до источника транспортного потока.

Для нашего эксперимента  поправка, так как анализируется только одна полоса движения с небольшой интенсивностью движения транспортного потока.

Экспериментальные результаты

В настоящей работе набор статистических данных проводился три дня подряд по девять часов в день. Для выполнения  работы определяли следующие данные: среднее количество машин, которое проехало за каждый час (N), расстояние до проезжей части дороги (), долю грузовых машин от общего количества машин, которое проехало за каждый час (D, %), среднюю скорость машин (=40 км/ч) и тип покрытия проезжей части (цементно-бетонное).

На рисунке 3 изображена экспериментальная зависимость количества машин (N) от времени наблюдения (t) и расчетная зависимость эквивалентного уровня шума от количества машин для нашей местности без учета поправок и с учетом поправок.

а)                                            б)

Рисунок 3. Экспериментальная (а) и расчетная (б) зависимости количества машин от времени наблюдения

Каждая точка определялась следующим образом: бралось какое-то экспериментальное число машин за какой-то час и по рисунку 1 (или с помощью функции аппроксимации) определялось значение эквивалентного уровня шума. На рисунке 1 по оси абсцисс отложено экспериментальное количество машин, а по оси ординат расчетные эквивалентные уровни шума.

Так можно определить значение эквивалентного уровня шума для любого количества машин.

 При определении шума были учтены некоторые поправки к уровню шума с помощью эталонных зависимостей, представленных на рисунке 2. Основной вклад к значению уровня шума в нашем эксперименте  вносит поправка на расстояние.

Из рисунка 4а видно, что максимальный уровень шума наблюдался в интервалах времени суток 10:30—11:30 , 13:30—14:30 и 16:30—17:30. В результате обработки, средний уровень шума за каждый час получился 65 дБА. Эту величину можно считать шумовой характеристикой нашей местности. По данным авторов [1, с. 10] уровень шума автомобильного транспорта составляет 77—88 дБА. Легко объяснить отличие нашего уровня шума от уровня шума по данным других авторов. У них эксперимент проводился в Москве, там интенсивность движения машин естественно больше (авторы утверждают, что интенсивность движения в Москве составляет 8 тыс. машин в час). Расстояние до источника шума в их эксперименте составляет 7,5 м, а у нас приблизительно 15 м. Таким образом, наша величина оценки уровня шума с использованием расчетной модели вполне разумная величина для нашего микрорайона.

Следует учесть, что оценка уровня шума в данной работе проводилось для открытой местности, а в закрытых помещениях внешний шумовой фон ниже. Естественно, возникает вопрос: как бороться с транспортным шумом [3, c. 8]? К сожалению, уже широко известные за рубежом шумозащитные меры (специальные резиновые покрытия, автомобили с эффективными глушителями, всевозможные стенки-экраны и др.) почти не используются у нас, причин тому несколько. Главная причина состоит в том, что имеющаяся архитектурно-планировочная структура городов не учитывает транспортного шума. Сегодня единственная мера борьбы с шумом в городах — правильная организация застройки и проектирование дорог, использование глушителей в средствах транспорта и наличие зеленых насаждений.

Однако изоляция от шума это всего лишь полумеры. Бороться нужно причиной, а не следствием.

В задачу современной физики и экологии входит разработка основ для конструирования машин и механизмов с малым уровнем шума. При этом необходимо учитывать, что снижение шума создает не только комфортные условия для труда и жизни, но и даёт ощутимый экономический эффект, так как шум — это бесполезно растраченная энергия и снижение работоспособности людей.

Вывод

Предлагаемый расчетный способ оценки уровня транспортного шума в данной местности позволяет анализировать шумовую характеристику города и его районов и может быть использован в экспресс мониторингах в интегрированных областях науки физико-экологических дисциплин для оценки шума как показателя загрязнения окружающей среды.

Список литературы:

1.Карагодина Л.И. Город и шум. Природа. 1993. № 6. с. 10—15.

2.Карагодина Л.И. Борьба с шумом и вибрацией в городах. М.: Медицина.1979. — 160 с.

3.Предтеченский М.В. Средства борьбы с транспортным шумом в населенных местах // Механизация строительства. 1998. № 5. — с. 8—12.