Оценка максимальных уровней звука, создаваемых транспортными потоками, на основе экспериментальных исследований

В настоящее время автомобильный транспорт стал одним из основных видов источников шумового воздействия на окружающую среду. Очевидно, что вопросы по оценке степени акустического воздействия транспортных потоков должны решаться уже на стадиях проектирования автодорог и объектов транспортного комплекса.

Точность и достоверность расчетных оценок, их полнота определяют объем необходимых шумозащитных мероприятий, финансовые затраты и, в конечном итоге, возможность строительства транспортных объектов.

Важной составляющей при проведении оценки акустического воздействия является выбор критериев и, соответственно, шумовых характеристик, подлежащих определению. В РФ в качестве основной характеристики шума транспортных потоков принят эквивалентный уровень звука — L_Аэкв. Нормативными документами, определяющими эту характеристику, а также методы её измерения, являются ГОСТ 20 444–85 и ГОСТ 12.1.003−83 [1, 2].

Введение

эквивалентного уровня, как основной характеристики транспортного шума, обусловлено в первую очередь санитарно-гигиеническими критериями воздействия шума на человека. В РФ документом, регламентирующим санитарно-гигиенические критерии воздействия, является СН 2.2.4/2.1.8.562−96 [3].

Эквивалентный уровень шума, как характеристика, отвечает физической природе шума, создаваемого автомобильным транспортом. Шуму транспортных потоков присущи такие характерные особенности как резкие колебания уровня по амплитуде, отсутствие временных зависимостей, неопределенность динамического диапазона. Такие особенности определяются стохастическим характером изменения интенсивности и состава движения, скоростных режимов и режимов работы двигателей автомобилей, разбросом шумовых характеристик автомобилей в зависимости от их технического состояния и др. Все это приводит к невозможности установления точных закономерностей для оценки уровня шума.

Практика исследования показала, что единственно возможным методом изучения, описания и оценки такого вида шума, является статистическая обработка и анализ результатов натурных измерений. На основании результатов такой статистической обработки установлены расчетные зависимости и разработаны расчетные методики, которые используются для расчета и прогнозирования. В РФ такие методики изложены в следующих нормативных документах [4, 5, 6].

Помимо эквивалентного уровня звука, для оценки шума используются и другие статистические характеристики: L₁₀, L₅₀, L₉₀ и L₉₉ — уровни не превышаемые в течении 10, 50, 90 и 99% времени наблюдения шумового воздействия. До введения эквивалентного уровня звука, нормируемой величиной являлся L₉₀.

Конечной целью акустических расчетов является оценка степени и характера шумового воздействия на окружающую среду, в первую очередь на человека. Санитарно-гигиенические критерии оценки воздействия [3] определяют допустимые значения для двух характеристик: эквивалентных L_Аэкв и максимальных уровней звука L_Амакс. Понятие максимального уровня звука L_Амакс определено [2] и дополнено ГОСТ 23 337–78 [7]. Последний документ допускает принимать за максимальный уровень звука L_Аmax, дБА уровень звука L_А, дБА, превышаемый в течение 1% времени измерения шума Т. Принимая во внимания возможность современных цифровых приборов проводить статистическую обработку результатов измерения в реальном времени, логично пользоваться этим определением.

В отличие от эквивалентного, максимальный уровень звука не установлен в качестве шумовой характеристики транспортного потока, методики и рекомендации позволяющие произвести его расчет отсутствуют. Таким образом, оценка шумового воздействия транспортного потока по критерию максимального допустимого уровня звука методически не обеспечена.

До недавнего времени на этом вопросе внимания не акцентировали, и считалась достаточной оценка по допустимому эквивалентному уровню. Однако в настоящее время, особенно со стороны органов экспертизы, часто возникает вопрос о необходимости оценки воздействия и по максимальному значению, что за неимением методических оснований ставит проектировщиков в безвыходное положение.

Для решения задачи по расчету и оценке L_Аmax могут быть использованы разные подходы. Наиболее целесообразными представляются следующие:

• 1. Разработка нормативного документа, устанавливающего предельные значения максимальных уровней звука для разных типов дорог на основе экспериментальных исследований шумовых характеристик существующего транспорта;
• 2. Установление расчетной зависимости для L_Аmax как функции характеристик транспортных потоков и дорог;
• 3. Установление связи между эквивалентным и максимальным уровнем через поправку, которая определяется разностью между ними.

Первый из перечисленных подходов был бы удобен и очень прост в использовании, однако его практическая реализация связана с очень большими трудностями.

Во-первых, для установления предельных уровней потребуется проведение статистического анализа большого количества натурных измерений. Необходимы не просто измерения шума транспортных потоков, но изучение шума разных автомобилей в реальных условиях. Возможно использование большого опыта по измерениям и обработке результатов шума различных транспортных средств, накопленных в 70−80 годы. Однако необходимо иметь в виду, что из-за значительного изменения состава автомобильного парка, полученные ранее шумовые характеристики могли многое утратить в своей достоверности. Таким образом, проведение большого количества специфических измерений становится неизбежным.

Во-вторых, процедура разработки и принятия нормативного документа потребует больше времени, нежели собственно сами исследования. Кроме того, такой документ должен будет периодически пересматриваться, поскольку шумовые характеристики автомобилей меняются. К сожалению общеизвестно, что изменение нормативной базы происходит довольно медленно.

Второй подход к решению рассматриваемой задачи представляется более плодотворным. Установление расчетной зависимости для L_Аmax в виде функции интенсивности движения, скоростного режима, состава потока транспортных средств и других параметров транспортного потока, позволяет получить универсальную методику, позволяющую учитывать все особенности движения.

Решение подобной задачи, вообще говоря, уже существует. Например, в работе [8] предложена и обоснована модели, позволяющая определить максимальные уровни звука.

Значение максимального уровня звука может быть получено при использовании т.н. детерминистической математической модели. Эта модель позволяет определять как эквивалентный уровень звука L_Аэкв, так и любые другие статистические характеристики — L₁₀, L₅₀, L₉₀, L₉₉. Исходными данными в этой модели являются пиковые уровни звука одиночных автомобилей, интенсивность движения и состав потока. Пиковые уровни могут быть либо измерены, либо получены с использованием формул приведенных в этой же работе.

Определив характеристику L₉₉, фактически получаем искомое значение максимального уровня звука — L_Аmax. При этом важно отметить, что L_Аэкв, L_Аmax (L₉₉) и другие статистические характеристики можно вычислять не только в точке на расстоянии 7,5 м от середины ближайшей полосы, но и на любых других расстояниях.

Этот метод, помимо достоинств, имеет определенные недостатки. Значительное влияние на результат оказывает выбор пиковых уровней, определение которых может производиться разными способами. На конечный результат влияет выбор характеристик транспортного потока, интервалов между машинами, не учитываются распределение автомобилей по скоростям, условия распространения и др. Впрочем, эти недостатки не носят критического характера и могут быть устранены.

Третий подход к решению задачи по оценке L_Аmax заключается в установлении связи между эквивалентным и максимальным уровнем через поправку, которая определяется разностью между ними:

Delta = L_Аmax — L_Аэкв

Это решение может быть основано на анализе результатов измерений шума транспортных потоков и использовано для получения практических оценок.

Большой объем результатов измерений акустического воздействия транспортных потоков и накопленный исследовательский опыт, полученный виброакустической лабораторией ЗАО «Экотранс-Дорсервис» за много лет работы в области дорожного проектирования и строительства, позволил провести такую работу.

Статистической обработке и анализу подвергнуты результаты измерений шумовых характеристик транспортных потоков и шума на селитебных территориях. Для обработки были выделены три вида измерений:

• 1. Измерения стандартных шумовых характеристик транспортных потоков;
• 2. Измерения максимальных и эквивалентных уровней звука, измеренных у фасадов жилых зданий, расположенных на расстояниях от 15 до 25 м от края проезжей части;
• 3. Измерения максимальных и эквивалентных уровней звука на внутридворовых территориях.

Рис. 1. Зависимости максимальных и эквивалентных уровней звука от интенсивности движения на стандартном расстоянии 7,5 м.

На рис. 1. приведены графики изменения максимальных и эквивалентных уровней звука транспортного шума на расстоянии 7,5 м в зависимости от интенсивности движения транспортных потоков. На рис. 2. представлен график разности между максимальными и эквивалентными уровнями звука для этой же ситуации.

Ломаные линии представляют собой графики, построенные по результатам натурных измерений. Гладкие линии — линии, полученные в результате аппроксимации экспериментальных данных полиномом второй степени.

По линии аппроксимации на рис. 2 видно, что с увеличением интенсивности движения разность между уровнями уменьшается. Такое поведение кривой имеет простое объяснение: интервалы между машинами сокращаются, уменьшаются перепады звука и как следствие растет эквивалентный уровень. Максимальный уровень звука также возрастает, но не за счет возрастания пиковых значений самых шумных автомобилей, а за счет роста интенсивности.

Рис. 2. Зависимость разности между максимальными и эквивалентными уровнями звука от интенсивности движения на стандартном расстоянии 7,5 м.

Даже при низких интенсивностях максимальный уровень звука не превосходит эквивалентный более чем на 12 — 16 дБА. При интенсивностях более 200 авт./час, разница уровней становится меньше 15 дБА. Средняя интенсивность движения на городских улицах и магистралях превышает 200 авт./час, и, следовательно, максимальный уровень звука транспортного потока не превосходит эквивалентный уровень более чем на 15 дБА.

Рассмотренные результаты получены исходя из измерений, проводившихся в соответствии с [1] на расстоянии 7,5 м от оси ближайшей полосы движения. Как правило, селитебные территории и жилые здания, расположены на расстояниях превосходящих указанное, поэтому необходимо рассмотреть, как изменяются максимальный и эквивалентный уровень транспортного потока на больших расстояниях.

На рис. 3. приведены графики изменения максимальных и эквивалентных уровней звука, измеренных у фасадов жилых зданий, расположенных на расстояниях от 15 до 25 м от края проезжей части, в зависимости от интенсивности движения. На рис. 4. построен график характеризующий изменение разности между максимальными и эквивалентными уровнями звука, измеренными у фасадов зданий.

Рис. 3. Зависимость максимальных и эквивалентных уровней звука, измеренных у фасадов жилых зданий, от интенсивности движения.

Рис. 4. Зависимость разности между максимальными и эквивалентными уровнями звука, измеренными у фасадов жилых зданий, от интенсивности движения.

Важно отметить, что эти измерения проводились в одно время с измерениями шума транспортных потоков, которые обсуждались выше.

По поведению линий аппроксимации на рис. 3 и 4 видно, что, во-первых, тенденции изменения уровней и разности уровней сохраняются, а во-вторых, разность уровней снизилась во всем диапазоне интенсивностей до 9−12 дБА. При интенсивностях более 200 авт./час разность не превосходит 11 — 12 дБА. Из теории известно, что спад эквивалентного уровня звука от линейного источника составляет 3 дБА с удвоением расстояния, а спад точечного 6 дБА, следовательно, уменьшение разности уровней на 3 дБА вполне закономерно.

Таким образом, можно говорить о том, что с удалением от дороги разность уровней уменьшается, а спад максимального уровня происходит по закономерностям, описывающим точечный источник.

Помимо исследований шума транспортных потоков, были исследованы результаты измерений уровней шума на внутридворовых территориях. Общий фоновый уровень на таких территориях определяется коммунальными и бытовыми источниками шума, а влияние транспорта невелико. Данные измерения не связаны по времени с рассмотренными ранее измерениями транспортного шума и проводились независимо.

На рис. 5 приведены графики изменения максимальных и эквивалентных уровней звука, измеренных на внутридворовых территориях. На рис. 6 отображены разности между максимальными и эквивалентными уровнями звука.

Из графиков, приведенных на рис. 5 и 6, видно, что разность уровней при измерениях на внутриквартальных территориях составляет от 10 до 12 дБА.

После статистической обработки результатов трех видов измерений получены оценки, представленные в таблице 1:

Таблица 1. Результаты статистической обработки разности максимальных и эквивалентных уровней звука для трех видов измерений.

уровень шумовой максимальный эквивалентный Величина среднеквадратичного отклонения первых двух видов измерений укладывается в общепринятый для акустических измерений и расчетов интервал +/- 3 дБА, и полученные результаты могут быть использованы для проведения практических оценок.

Рис. 5. Максимальные и эквивалентные уровни звука, измеренные на внутридворовых территориях.

Рис. 6. Разность между максимальными и эквивалентными уровнями звука, измеренными на внутридворовых территориях.

Для третьего вида измерений величина среднеквадратичного отклонения укладывается в несколько больший интервал — +/- 4 дБА. Меньшая точность этого вида измерений определяется природой внутридворового шума. Этот вид шума носит ярко выраженный стохастический характер, его источники чрезвычайно разнообразны и их поведение хуже прогнозируется.

Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований, проводимых ранее. В частности, в работе [8] представлены результаты статистической обработки результатов измерений шума транспортных потоков. На рис. 7 представлены графики зависимости статистических характеристик транспортного шума L_Аэкв, L₁₀, L₅₀, L₉₀ и L₉₉ из этой работы. Из сравнения графиков зависимостей L_Аэкв и L₉₉, видно что при интенсивностях более 200 авт./час разница между этими уровнями не превышает 13−14 дБА, и при увеличении интенсивности до 1200 авт./час снижается до 10 дБА. Отличие этих результатов от результатов, полученных в настоящей работе, не превышает 1−2 дБА, что говорит о достоверности сделанных оценок.

Рис. 7. Зависимость характеристик L транспортного шума от интенсивности N движения при 60% легковых автомобилей в транспортном потоке.