Влияние природных факторов на акустическую обстановку

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ НА
АКУСТИЧЕСКУЮ ОБСТАНОВКУ
МЕСТНОСТИ
Айрбабамян С.А.1, Наянов Е.А.1, Радмановац Горан2
1 - Московский Государственный Машиностроительный
Университет (МАМИ)
2 - Белградский Политехнический Институт
nayanow@gmail.com
Аннотация:
В данной работе представлены мероприятия по
определению необходимых исходных данных на начальном этапе
исследований по разработке средств шумоглушений газотранспортного
оборудования. Рассмотрены факторы, влияющие на распространение
шума и характер звукового поля при распространении звука на местности.
Особенности распространения шума на местности
Эффект затухания звука при распространении его в атмосфере вблизи
земной поверхности зависит от таких факторов, как наличие земной
поверхности, характер ее покрытия, затухание в воздухе и состояние
атмосферы (наличие ветра, турбулентности, зависимость температуры от
высоты), а также от экранизирующих эффектов, создаваемых лесными
массивами.
Факторы, влияющие на распространение шума:
а) Влияние температурного коэффициента в атмосфере.
Скорость звука меняется в зависимости от температуры воздуха,
поэтому, если возникает пространственное изменение температуры воздуха
(по высоте и направлению), распространяющийся в нем звук испытывает
непрерывное преломление, и его направление распространения
изменяется. На (рис.1) качественно показана такая ситуация. При
отрицательном градиенте (условия, когда температура понижается с
высотой; спадение), который обычно возникает днём, траектория звука,
вышедшего из источника на поверхности земли, искривляется кверху, и на
некотором расстоянии возникает область, в которую звук не
распространяется (зона тени), хоть это и так, однако из-за всевозможных
неоднородностей атмосферы в некоторой степени звук распространяется и
в эту зону, согласно имеющимся результатам измерений дополнительное
ослабление в этой зоне составляет 20 дБ.
В противоположность этому, например, зимней ночью вплоть до
высоты, охлаждаемой поверхностью земли, градиент температуры становится положительным (условия, когда температура возрастает с высотой,
обратный градиент), звук загибается книзу и хорошо распространяется
вдоль поверхности земли на широкой территории. Поэтому зимней ночью
звуки отдаленных источников шума слышны сверх всякого ожидания.
Рис. 1. Влияние температурного градиента на распространение звука
1- направление звуковой волны; 2 – источник звука; 3 – зона тени; 4 –
день; 5 – температура; 6 – ночь.
Кроме того, в условиях, когда температурный градиент на траектории
распространения звука меняет знак, может возникать явление аномального
распространения, при котором возникает канал распространения звука, и
он распространяется на невероятно далёкие расстояния.
б) Влияние ветра
Когда вдоль поверхности дует ветер, из-за аэродинамического
сопротивления рельефа поверхности земли возникает турбулентный
пограничный слой. В этом случае средняя скорость ветра увеличивается с
возрастанием высоты над поверхностью земли, возникает градиент
скорости ветра, и этот градиент определяется степенью неоднородности
поверхности. Однако, если рассматривать его как ламинарный поток и
останавливаясь лишь на распространении средней скорости ветра, то
распространение звука зависит от комбинации векторов скорости звука и
ветра, и как видно на (Рис.2) , можно считать что при излучении по ветру
звук заворачивает вниз и легко распространяется на далёкие расстояния, а
при излучении против ветра он наоборот заворачивает вверх и создаёт зону
тени.
Рис. 2. Влияние градиента скорости ветра на распространение звука
1 - скорость ветра; 2- зона тени; 3 – источник звука.
Для изучения
влияния ветра наиболее важным является
осуществление натурных экспериментов в практических полевых
условиях.
в) Влияние лесного массива
Эффективность снижения уровня шума зелёными насаждениями
определяется в зависимости от ширины полосы зелёных насаждений
конструкции посадок, а также их дендрологического состава в сочетании
со временем года.
Зелёные насаждения плотной посадки можно рассматривать как
полупрозрачный экранирующий барьер, за которым образуется звуковая
тень между источником шума и объектом защиты. При посадке
шумозащитных полос зелёных насаждений должно быть обеспечено
плотное примыкание крон деревьев между собой и заполнение
пространства под кронами до поверхности земли густым кустарником. По
периметру полос следует устраивать живую изгородь из кустарников.
Высота деревьев в шумозащитных полосах должна быть не менее
5-8 м, а ширина полос не менее 10 м. Норма посадки деревьев на 1 м 2 при
этом должна быть выше, чем при обычном озеленении и составлять не
менее 0,7 м2, считая наивысшую плотность за 1 м2.
Земляные
бермы и их
действительное
воздействие
на
интенсивность шума
Центральную часть бермы можно строить из бордюрного камня и
нижнего слоя, полученных в результате экскавации. Этот материал
покрывался слоем земли соответствующего качества, который брался с
поверхности земли прилегающей местности. При конструировании
каждого откоса следует учитывать местные условия: величину
существующих
склонов,
минимальную
ширину
относительно
выровненной верхней части, максимальные откосы, сооружающиеся с
целью безопасности для поддержания ограждения). Учитывается также
минимум расстояние от расположенных справа от ограждения
предохранительных сооружений. Кроме того, при создании берм особое
внимание следует уделять поперечному стоку образующейся воды.
Разработать тщательный план ландшафта, который включает не только
саженцы, но и посадку "взрослых" деревьев, разросшихся деревьев и
кустарников. До сооружения берм деревья и кустарники выкопать и
аккуратно хранить, чтобы в последствии их можно было посадить на
место.
Звукопоглощающие настенные панели снижают уровень шума от
работающих турбокомпрессорной станции
Фирма "интернешенэл Пейплайн Энфиниринг" разработала очень
строгие технические условия для новых компрессорных станций. В соответствии
с
ними
требовалось,
чтобы
звукопоглощающими
приспособлениями и устройствами были оборудованы не только сами
турбины, но и те помещения, внутри которых они должны быть
смонтированы. Для того, чтобы удовлетворить требованиям технических
условий
относительно
уровня
шумов,
были
изготовлены
звукопоглощающие панели для облицовки или стен тех помещений, в
которых должны были быть смонтированы компрессорные станции.
Панели состоят из следующих основных элементов и изготовляется из
следующих строительных материалов. Внутренняя сторона - листовой
свинец (весом = 96 г/м2, толщиной = 0,8 мм), сцепленной с тыльной
стороной листовой оцинкованной стали толщиной 0,6 мм с оребрением
жесткости "V" – образной формы, центральная прокладка два слоя
стекловолокна низкой плотности, один толщиной 10,2 см, другой - 7,6 см с
внутренней прокладкой из винила. Внешняя сторона листовая
оцинкованная сталь толщиной 0,3 мм, покрытая снаружи слоем
декоративной эмали.
Рёбра жесткости настенных панелей изготовлены из холоднокатаной
стали «Z»- ного сечения.
При испытании настенных панелей на качество звукового барьера они
получили класс звукопроницаемость 40 дБ.
На рис. 3 показан вид в разрезе звукопоглощающей настенной панели,
показывающей взаимное расположение листового свинца толщиной 0,8 мм
весом = 96 г/м2 и стекловолокна, свинец сцеплен с тыльной стороной
панели: 1 – панель из листовой толщиной = 0,6мм с оребрением жесткости
«V» - образной формы; 2 – звукопоглощающей барьер из листового свинца,
вес = 96 г/м2; 3 – два слоя стекловолокна низкой плотности, толщина
одного слоя = 10,2 см, другого – 7,7 см 4 ребра жесткости из стали; 5 –
стальная листовая панель толщина = 0,34 мм.
Рис. 3. Вид в разрезе звукопоглощающей настенной панели
1 – панель из листовой стали толщиной 0,6мм с оребрением жесткости
«V» - образной формы; 2 – звукопоглощающий барьер из листового
свинца, вес 96 г/м2 ; 3 – два слоя стекловолокна низкой плотности,
толщина одного слоя 10,2см , другого 7,7 см; 4 – рёбра жёсткости из стали;
5 – стальная листовая панель, толщиной – 0,34мм.
Характер звукового поля при распространении звука на местности
В работе для теоретического анализа распространения звука над
земной поверхностью выбрана математическая модель, связанная с
решением волнового уравнения с граничным условием импеданского типа
при расположении точечного источника S на высоте H над импедансной
плоскостью Z=0. Задача сводится к нахождению звукового поля в точке R
на высоте Z=H .
Точное решение задачи для потенциала скорости акустических
возмущений запишем следующим образом


1
е e

   iBG

ikr
ikr
1
2
k
4
П
r
1

r
2

(1)
Причём G выражается в виде интеграла
ikr
*cos(
v


)
2
G

(
v
)
*
e
p
с
1
(2)
Где
sin
v

ikr
sin
v
0
P
(
v
)

*
H
(
kr
sin
v
)
*
e
0
0
cos
v

b
(3)
 - угол падения, а интегрирование в (2) проводится по контуру С1 в
комплексной плоскости v.
Интеграл вида (2) является типичным для многих задач и часто
встречается в теории дифракции. Существенной для поведения этого
интеграла является величина положительного параметра kr2 в экспоненте.
Рис. 4. Схема расположения источника S и приёмника звука R над
импедантной плоскостью Z=0
Большинство практических ситуаций, интересных с точки зрения
анализа распространения звука над земной поверхностью, соответствует
большой величине параметра kr2. Если kr >> 1, т.е. расстояние r2 от
мнимого источника S* до точки наблюдения велико по сравнению с длиной
волны, то экспонента в интеграле изменяется значительно быстрее по
сравнению с функцией P (v), и тогда для вычисления интеграла (2) можно
применить метод перевала. Наибольший вклад в интеграл дает точка
перевала, где производная функция, стоящей в экспоненте интеграла (2),
обращается в нуль. При этом исходный контур интегрировании нужно
деформировать в комплексной плоскости v так, чтобы он проходил через
точку перевала v =  и совпадал с контуром наибыстрейшего спуска.
Обычный метод перевала, однако, не применим, поскольку функция P
(v) имеет полю v=v0, соответствующий обращению в нуль знаменателя в
формуле (3). Поскольку полюс находится вблизи точки перевала v=0 или
даже совпадает с ней, при вычислении интеграла (2) необходимо
применить
соответствующую
модификацию
метода
перевала,
учитывающую такие возможности. Эта модификация называется методом
перевала при наличии простого полюса. В отличие от всех известных
асимптотических оценок поля точечного источника над импедансной
плоскостью автором получена единая асимптотическая формула, которая
выражает звуковое поле через комплексный интеграл вероятности.
Приближенность подученного таким методом асимптотического
выражения для звукового поля ограничивается большими значениями
только одного параметра kr2; С практической точки зрении это
удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к решению, исключая
только случай, когда и источник и приёмник
находятся вблизи
импедансной поверхности на малок расстоянии друг от друга.
Асимптотическое выражение для звукового поля точечного источника над
импедансной плоскостью в этом случае имеет вид




  

ikr
1 ikr
2


Bkr
a
e
e
2
iB
(
1

B
cos
)


1
 
2
2


r
 3

F
(
)


0
((
kr
)
)


2
2


4
r
4
r
kr
(cos

B
)


2

1
2
2


(4)
Г - комплексная величина коэффициента отражения;
F()- известная функция от аргумента;
kr

 (
1

B
cos


1

B
sin

)
определяется

2
2
геометрическим
расположением источника и приемника и адмитансом поверхности В.
Величина а определяется функцией Ганкеля от соответствующего
аргумента
ikr
sin

1

B
(
1
)
2


H
(
kr
sin
1

B
)
e

0 2

2
2
В выражения (4) 1-й и 2-й член представляют собой суперпозицию
прямой и отраженной волн с учетом комплексного коэффициента
отражения Г. Зона деструктивной интерференции в этом случае
объясняется тем, что при малых углах падения, что всегда справедливо при
рассмотрении задачи с большим расстоянием между источником и
приемником и сравнительно низким их расположением над землей,
коэффициент отражения стремится к -I; это означает фазовое изменение на
180° при отражении. На более высоких частотах интерференционный
эффект зависит от разности хода по двум лучам, соответствующим
расстоянием r1 и r2. Два других члена определяют звуковое поле,
создаваемое за счет дифракционных эффектов, в частности, последний
член характеризует поверхностную волну, которая существует при
условии, что мнимая часть импеданса отрицательна. Дифракционные
эффекты связаны с взаимодействием фронта распространяющейся волны с
импедансной поверхностью.
Список литературы:
1. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере.
М., «Наука»,1967
2. Wiener F.M. Sound propagation outdoors. Noise Reduction, Ed Beranec
L.L Me Graw – Hill Book Company, Ync 1960
3. Перевод 80/19638ю Влияние поверхности земли на
распространение шума.
4. Методические рекомендации и мероприятия по защите от шума
жилой застройки с учётом сложного рельефа местности. Буадзе В., Овесов
Г., 1981
5. Земляные бермы и их действие и ощутимое воздействие на силу
шума и спокойствия людей в близлежащих районах. Перевод 82/22809.
6. Звукопоглощающие настенные панели снижающие уровень шума от
работающих турбокомпрессорных станций. Перевод. 76/79142.
7. Исследование распространения шума на местности. Титова Н.Б.