Метод расчета шума от потоков железнодорожного транспорта

Хасс, Регина Робертовна

Метод расчета шума от потоков железнодорожного транспорта тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Хасс, Регина Робертовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Метод расчета шума от потоков железнодорожного транспорта»

Автореферат диссертации на тему "Метод расчета шума от потоков железнодорожного транспорта"

На правах рукописи

Хасс Регпна Робертовна

Метод расчета шума от потоков железнодорожного транспорта 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ЯНВ 2014

005544431

Москва - 2013 г.

005544431

Работа выполнена в ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики. Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор заведующий лабораторией защиты зданий от вибрации и структурного

звука ФГБУ НИИСФ РААСН Цукерников Илья Евсеевич

Официальные оппоненты: Чукарин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Основы проектирования машин" ФГБОУ ВПО "Ростовский государственный университет путей сообщения"

Тишкина Мария Валентиновна кандидат технических наук, главный специалист ОВОС ОАО "Ленгипротранс"

Ведущая организация: ОАО "ЛЕННИИПРОЕКТ"

Защита состоится 27.02.2014 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.212.010.01 в Балтийском Государственном Техническом Университете «Военмех» им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., 1, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Автореферат разослан «27» декабря 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дроздова Людмила Филипповна кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Задача снижения транспортного шума в населенных пунктах является одной из актуальных задач современной акустики. Одним из типов транспортного шума является шум от железнодорожного транспорта. В крупных городах строительство жилых сооружений достаточно часто происходит в небольшом удалении от железнодорожных магистралей. Данный фактор вызван рядом причин, связанных с удобством расположения домов, дешевой стоимости жилья, историческим расположением железной дорога и т.д. Железнодорожный транспорт характеризуется повышенными уровнями шума в круглосуточном режиме, и соответственно влияет на степень шумового комфорта, особенно в ночное время, и приводит к справедливым жалобам населения.

Методом борьбы с шумом от движения поездов является устройство шумозащитных экранов и строений на примагастральных территориях. Данный метод наиболее эффективен на этапе проектирования железных дорог, что позволяет проводить расчеты ожидаемых уровней шума на селитебных территориях, примыкающих к железнодорожным линиям и при необходимости разрабатывать меры по снижению шума, действующего на население. В этой связи особое значение имеет надежность методов расчета шума от железнодорожного транспорта и правильность определения шумовых характеристик поездов.

Актуальность работы. Известно, что на уровень шума от движения поезда влияют различные факторы, такие как категория поезда, его длина, скорость движения и другие. Таким образом, представляет интерес изучение количественного влияния данных факторов на уровень шума от железнодорожного транспорта.

Исследованиями, связанными с разработкой методов расчета железнодорожного шума, занимались отечественные и зарубежные специалисты: Н.И. Иванов, А.П. Кочнев, Д.А. Куклин, Г.Л. Осипов, И.Е. Цукерников, Н.Д. Николов, D. Bechert, D.H. Cato, S. Peters, P..Т. Remington, и др.

Вместе с тем действующие на территории Российской Федерации нормативные документы и метода расчета содержат формулы, дающие заниженное значение шумовых характеристик, а также имеющие противоречия физическому смыслу. Так при определенных условиях возможны случаи, когда расчетное значение эквивалентного уровня звука в рассматриваемой точке превышает расчетное значение максимального уровня звука.

Таким образом, изучение факторов, влияющих на шумовые характеристики железнодорожного транспорта, и создание метода, позволяющего с достаточной для практического использования рассчитывать значения шумовых параметров, можно считать одной из актуальных задач современной акустики в области борьбы с транспортным шумом.

Цель диссертационной работы - исследование влияния различных факторов на уровень шума от движения поездов, а также разработка инженерного метода расчета уровней звука. Предложенный метод расчета должен прогнозировать значения максимального и эквивалентного уровней звука при движении подвижного состава.

Основные задачп исследовании:

- изучение факторов, влияющих на уровень шума от движения поезда;

- натурные измерения уровней шума от движения поезда;

- применение физической модели излучения шума поездом как линейным источником конечной длины и получение на ее базе выражений для расчета шумовых характеристик поездов;

- приведение полученных выражений к виду удобному для практического применения;

- разработка уточненных методов расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума от поездов на местности.

Научная новизна работы:

1. На основе физической модели излучения шума движущимся поездом как линейным источником конечной длины получено выражение для

эквивалентной корректированной интенсивности звука за время прохождения поезда мимо точки наблюдения;

2. Получены уравнения линейной регрессии для расчета шумовых характеристик поездов в виде максимального и эквивалентного уровней звука в зависимости от длины, скорости движения, и типа подвижного состава (пассажирский поезд с локомотивной тягой, грузовой поезд, электропоезд). Параметры уравнений линейной регрессии определены путем оптимизации по критерию наилучшего совпадения результатов расчета и натурных измерений;

3. Выражения для расчета шумовых характеристик поездов представлены в виде простых для расчета инженерных формул, удобных при проектировании;

4. Разработан уточненный метод расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума от движения поездов на местности;

5. Даны границы применения упрощепного выражения для спада эквивалентных уровней звука с удалением от поезда.

Практическая цепность работы:

1. Полученные в работе результаты могут быть использованы для расчета уровней шума от поездов в зависимости от скорости движения, длины подвижного состава и типа поезда;

2. Настоящий метод расчета может применяться при разработке комплекса мероприятий по снижению уровня шума от движения поездов, в том числе на этапе проектирования генерального плана застройки населенного пункта;

3. Разработанный метод расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума на местности от движения поездов внедрен в практику посредством ГОСТ Р 54933-2012 "Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом". Стандарт утвержден и введен в действие на территории Российской Федерации приказом Госстандарта № 153-ст от 05.12.2012 с датой введения 1 марта 2013 года.

Положения, выносимые на защиту:

1. Уточненное выражение для шумовой характеристики движущегося поезда в виде эквивалентного уровня звука;

2. Уравнения линейной регрессии для расчета шумовых характеристик поездов в зависимости от длины, скорости движения, а также типа подвижного состава (пассажирский поезд с локомотивной тягой, грузовой поезд, электропоезд);

3. Расчетные инженерные формулы, удобные для использования при проектировании;

4. Уточненный метод расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума от них на местности.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Энергосбережение и экология в строительстве и ЖКХ, транспортная и промышленная экология», Будва, Черногория, 2-10 сентября 2010 г., на III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», Санкт-Петербург, 22-24 марта 2011г., на конференции «Triannual Forum Acusticum conference», Аальборг, Дания, 26 июня - 1 июля 2011г., на III Академических чтениях, посвященных памяти академика Осипова Г. Л. «Актуальные вопросы строительной физики», МГСУ, Москва, 5-7 июля 2011г., на международной научной конференции V Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Осипова Г.Л. «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность», МГСУ, Москва, 2-4 июля 2013.

Результаты диссертации опубликованы в пяти работах, в том числе в двух изданиях по списку ВАК.

Структура п объем днссертацнп. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение, список литературы, включающий 44 наименования, и приложение с результатами натурных испытаний и промежуточных вычислений.

Общий объем диссертационной работы'. 137 страниц машинописного текста, 42 таблицы, 21 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введеппе. Обосновывается актуальность работы, определяются цели и методы исследования, перечислены основные результаты работы.

Глава 1 посвящена изучению состояния проблемы определения шумовых характеристик железнодорожного транспорта.

Эксплуатируемые в Российской Федерации на железнодорожных путях общего пользования поезда классифицируются согласно табл. 1:

Таблица 1 - Классификация поездов

Категория Тип поезда Максимальная скорость движения, км/ч

1 Пассажирский поезд с локомотивной тягой 200

2 Грузовой поезд 90

3 Электропоезд 160

4 Высокоскоростной поезд 250

Шумовыми характеристиками железнодорожного транспорта являются эквивалентный ЬАе<]\\ максимальный ЬАтах уровни звука уровни звука на расстоянии 25 м от оси ближнего к расчетной точке пути. В соответствии с ГОСТ 20444-85 значения шумовых характеристик определяют на высоте 1,5 м за часовой период времени.

Среди основных причин возникновения шума от движения железнодорожного транспорта можно выделить:

1. Качение колеса по рельсам;

2. Колебания (вибрация) корпусов вагонов;

3. Колебания рельсового полотна (рельсы, шпалы, балласт);

4. Соударения вагонов и элементов состава между собой;

5. Колебания ограждающих конструкций, возбуждаемых вибрацией, проникающей через грунтовой массив от верхнего строения пути и тоннельной обделки.

При расчете шумовых характеристик необходимо также учитывать следующие факторы:

1. Характеристики источника шума: звуковая мощность, излучаемая поездом, длина и скорость его движения, число железнодорожных полос;

2. Характеристика пути: повороты, наклоны, стрелки, ускорение, торможение, наличие железнодорожных мостов;

3. Геометрическое затухание, связанное с расширением фронта звуковой волны при распространении;

4. Характеристики среды: направление и изменение скорости ветра, приводящие к рефракции звуковых лучей в направлении земли или вверх с образованием зоны звуковой тени; температурная инверсия с высотой, также приводящая к преломлению лучей относительно земной поверхности; поглощение энергии звуковых волн: классическое (обусловлено рассеиванием, теплопроводностью и вязкостью среды) и молекулярное (вызываемое колебательной релаксацией молекул преимущественно азота).

Установлены недостатки для расчетных соотношений методов, указанных в СП 23-104-2004 и Пособии к МГСН 2.04-97:

• физические противоречия при расчете максимального и эквивалентного уровней шума, связанные с различными моделями представления поезда;

• расчетные соотношения дают расхождения по сравнению с результатами натурных измерений (рис. 1-3).

На рисунках точки соответствуют измеренным значениям шумовых характеристик, штрих-пунктирная кривая - значениям шумовых характеристик, соответствующих формулам СП 23-104, штриховая кривая - значениям шумовых характеристик, соответствующим формулам МГСН 2.04-97.

;

1 • во- • *

..............

ем-

; ■ | • ■ | • ■

8> ' ¿3 ' 70 ' »

к ' ¿,

Рисунок 1 - Распределения максимальных и эквивалентных уровней звука для пассажирских

поездов с локомотивной тягой

10 2С 30 -П 50 6С 70 33 13 20 30 -10 53 90 73

Скорость, ки/ч Скоросп*. кп^ч

Рисунок 2 - Распределения максимальных и эквивалентных уровней звука для грузовых

поездов

V. : ' * *

7/ >"'". ............. ]

ю аз эо « ао

„"»и. --!-

»0 80 10 20 33 40 50 со га «

Сдаросп., кмА) Скорость. «

Рисунок 3 - Распределения максимальных и эквивалентных уровней звука для электропоездов

По результатам обзора сформулированы основные задачи настоящей работы:

- получение расчетных выражений на базе физической модели, адекватно описывающей шум, излучаемый движущимся поездом;

- разработка уточненного метода расчета шумовых характеристик отдельных поездов и потока поездов, а также уровней шума от них на местности.

В главе 2 осуществлены теоретическое обоснование, разработка физической модели и расчетного метода определения шумовых характеристик от движения поездов.

В качестве модели поезда рассматривается линейный источник конечной длины I над акустически жесткой поверхностью, состоящий из равномерно распределенных некогерентных ненаправленных синфазно колеблющихся точечных источников. В соответствии с данной моделью выражение для максимального уровня звука на расстоянии <1=25 м записывается в виде

50,

где — удельная корректированная звуковая мощность, Вт/м.

Принимая скорость движения линейного источника V, км/ч, для эквивалентной корректированной интенсивности звука в течение интервала наблюдения Т = 1Л>, с, равного времени прохождения источника мимо точки наблюдения, удаленной от источника на расстояние с1, м, получено выражение для эквивалентного уровня звука на расстоянии с!~25 м от источника:

= Ц» +1018 |-19 (1)

, / 12,5,

агс&---ш

5 25 / 1

25 ) ' Л

-19 (2)

Предполагая зависимость от скорости V доминирующей, удельная звуковая мощность 1УЛ аппроксимируется регрессионным уравнением:

Ьт=а\&у + Ь (3)

При подстановке соотношения (3) в расчетные формулы для шумовых характеристик (1) и (2) и включении значения свободного члена в значение параметра Ь, получены следующие выражения:

-'рА тях,25

5 =а^у + Ь1 + 10Ы аг

I 12,5.

ягс/е---1н

25 /

+ 1

(4)

(5)

где - й,, си ,Ь\,Ь2- параметры, подлежащие определению.

Определение искомых коэффициентов а и Ь осуществляется методом

линейной регрессии для выоорки значении

л=А

'рА шах, 25

, -10Ы агс/£

У1=1рАщ.ги-101ё

/ 12,5,

агей? —---1п

6 25 I,

ДЛЯ

уравнения

(4)

где х1 =

х, =181',

+ 1

для уравнения (5).

В пункте 2.4 наряду с рассмотренными шумовыми характеристиками отдельных поездов различных категорий в соответствии с ГОСТ 31296.1-2005 и ГОСТ Р 53187-2008 введены следующие шумовые характеристики потоков поездов:

ЛЛи[23 ,ь -часовой эквивалентный уровень звука, дБЛ;

ЬАщШ- эквивалентный уровень звука за время оценки к, дБ/1; - максимальный уровень звука за время оценки к, дБА\

Ь^, 1Ь - часовые экв!шалент1ше уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц, дБ;

А,2« " эквивалентные за время оценки к уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц, дБ.

При этом в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96 время оценки следует принять равным 16 ч для дня (к = 16) и 8 ч для ночи(к = 8). Согласно

методическим указаниям МУК 4.3.2194-07, оценка уровня звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 31,5 Гц не производится.

В главе 3 приведены данные измеренных шумовых характеристик от движения поездов в натурных условиях. Исследованы зависимости значений максимального и эквивалентного уровней звука от условий проведения эксперимента.

В качестве экспериментальных данных использовали натурные измерения шумовых характеристик движущегося поезда на участках Октябрьской железной дороги в пределах от Ленинградского вокзала (Москва) до станции Алабушево, проведенные сотрудниками НИИСФ РААСН (измерялись эквивалентные и максимальные уровни звука за время прохождения поезда на расстоянии 25 метров от оси ближнего магистрального железнодорожного пути на высоте 1,5 метра от поверхности земли, а также время прохождения и скорость движения подвижного состава). При этом были исключены измеренные значения, не соответствующие предмету исследования настоящей работы: когда уровни звука определялись не только движением подвижного состава, но и особенностями участка прохождения поезда или другими источниками шума; измерения, полученные во время подачи звуковых сигналов, измерения при проходе двух поездов.

Анализом экспериментальных данных подтверждена справедливость принятой физической модели, которая предполагает зависимость от скорости движения поезда доминирующей, а, следовательно, возможность ее использования для создания расчетного метода по определению значений максимального и эквивалентного уровней звука. Зависимость значений шумовых характеристик от длины поезда не выявлена.

Для каждой категории поездов определена разность между измеренными максимальными и минимальными значениями шумовых характеристик (максимального и эквивалентного уровней звука) для случаев проходов подвижных составов одной длины на одинаковой скорости. Полученные результаты сведены в табл. 2.

Таблица 2 - Разности между максимальным и минимальным значением шумовых характеристик для случаев прохода поездов одной длины с одинаковой _______скоростью____

Категория поезда Д1-рАтах25, дБА АЬрАеч25, дБА

Пассажирский поезд с локомотивной тягой (категория 1) 5,5 6,6

Грузовой поезд (категория 2) 9,0* 6,7*

Электропоезд (категория 3) 13,7 16,4

* для грузовых поездов определена разность между измеренными максимальными и минимальными значениями шумовых характеристик для случаев движения поездов с одинаковой скоростью.

Глава 4 посвящена расчету коэффициентов уравнений линейной регрессии (4) и (5).

В качестве данных выборки для определения коэффициентов использованы обработанные в главе 3 результаты натурных измерений максимального и эквивалентного уровней звука от движения поездов трех категорий.

Для максимального уровня звука, создаваемого поездами

различных категорий на расстоянии 25 м от оси крайней полосы движения, полученные уравнения линейной регрессии имеют вид:

для пассажирских поездов с локомотивной тягой (категория 1):

= 2418 V + 10^ + 41,2 (6)

для грузовых поездов (категория 2):

^„«,25 = 1518у + К)1ё(ад^] + 59,9 (7)

для электропоездов (категория 3):

= 27,518У + Ю18(ягс&^ + 36,2 (8)

Для эквивалентного уровня звука ЬрЛе^25, создаваемого поездами различных категорий на расстоянии 25 м от оси крайней полосы движения, получены уравнения:

для пассажирских поездов с локомотивной тягой (категория 1):

= 25,3^+10^

I 12 5

даг/1'---— 1п

25 /

+ 1

для грузовых поездов (категория 2):

, 1 12-51 дгс/е---1п

25 I

+ 1

для электропоездов (категория 3):

I 12,5

£^=29,1^+10^

5 25 /

+ 1

+ 33,3

+ 46

+ 28,9

(9)

(10)

(П)

В главе 5 проводится анализ полученных результатов.

Расчетные соотношения для максимального уровня звука ¡^рЛтах ^, создаваемого поездами различных категорий на расстоянии 25 м от оси крайней полосы движения, приняты в виде выражений (6) - (8). При подаче звукового сигнала поездом значение максимального уровня звука следует принимают в соответствии ГОСТ 12.2.056.

Эквивалентный уровень звука ^рАед 25, создаваемого поездами различных категорий на расстоянии 25 м от оси крайней полосы движения, рассчитывается по формулам:

для пассажирских поездов с локомотивной тягой (категория 1):

^»25 =25,31ёу + 10Ц а,1 + 33,3

для грузовых поездов (категория 2):

рЛед,25

= 20,4^у + 10^| агс18^ | + 46

(12)

(13)

для электропоездов (категория 3):

=28,918у+1018( агс1%~ ] + 28 (14)

Соотношения (12) - (14) следуют из выражений (9) (11) в результате пренебрежения членом с натуральным логарифмом во вторых слагаемых, т.к. расчет показывает, что учет этого члена дает вклад в значения шумовых характеристик, меньший 1 дБА (см. гл. 6).

На основе полученных соотношений разработан уточненный метод расчета шумовых характеристик потока поездов с учетом интенсивности движения.

Часовые эквивалентные уровни звука ЬАеч231Ь для каждого 1-го часа, создаваемые на расстоянии 25 м от оси ближнего магистрального железнодорожного пути потоками поездов железнодорожного транспорта всех типов, прошедших по рассматриваемому участку за указанные периоды времени, рассчитываются посредством энергетического суммирования часовых эквивалентных уровней звука потоков поездов всех категорий V ле^гьм (г = 1,2, 3), прошедших по данному участку пути в течение рассматриваемого часа:

ОМ*.

1018 210 ' ¿«¡-25ДЙ,/ (15)

Aeq25,\h,l

Часовой эквивалентный уровень звука Ь'мднш потока поездов /-ой категории, прошедших по рассматриваемому участку в течение 1-го часа, рассчитывается посредством энергетического сложения эквивалентных уровней звука Ь'^^ я для поездов данной категории с учетом времени , с, их следования

по данному участку пути в течение рассматриваемого часа :

(16)

Ь\е9 25ДЛ,/=1°18

I ^

ОМ'

2 / ,10 ' Ае«25'* 3600 ¿ =

где «' - число поездов /'-ой категории, проходящих по рассматриваемому участку пути, в течение 1-го часа.

Эквивалентный уровень звука 1^Мч1ЪЛ за время оценки рассчитывается но формуле:

\Тк )

(17)

де Тк~ время оценки, ч, принимаемое в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96 равным 16 ч (пк = 16) для дня и 8 ч (щ— 8) для ночи; Г/ = 1 ч.

В случае необходимости выделения вечернего времени рассматриваются три временных интервала оценки шума за сутки в соответствии с ГОСТ Р 531872008.

За максимальный уровень звука потока поездов, следующего по рассматриваемому участку пути в течение 1-го часа или за все время оценки Тк, принимают наибольшее из рассчитанных значений по соотношениям (16) - (18) для поездов всех категорий

¿W25.lt = тах,{/./,„,„„ } (18)

де 1'Аш„г! - максимальный уровень звука А от поездов /-ой категории, дБА.

Также приведены из ГОСТ Р 54933-2012 рекомендации по учету коррекций: на тип пути, наличие стыков и стрелок, коррекцию на прохождение кривых участков пути, коррекцию на торможение или ускорение движения поезда, коррекцию при прохождении поезда по мосту.

Поскольку значения данных и Ю^агсг^^^ в формулах для

определения максимального и эквивалентного уровней звука от прохода поезда для рассматриваемых длин подвижного состава колеблются от 1,1 дБА до 1,9 дБА для поездов разной категории практическую ценность представляет вычисление значений указанных членов для некоторой средней длины подвижного состава каждой категории.

В результате получены упрощенные выражения для шумовых характеристик поездов, приведенные в табл. 3.

Таблица 3 - Уравнения для расчета шумовых характеристик для средних _ значений длин поездов ____

№п/п Категория поезда Вид уравнения

1 Пассажирский поезд с локомотивной тягой ¿>1тах,25 =241^+42'8 Ыеч,25 =25>3^ + 35>1

2 Грузовой ^р/1тах,25 = 13,9 ^ V + 63,3 Ы^25 = 18>818'' + 50>4

Электропоезд V™ ах^27'5^37'5 ЬрАе9,25 =28^+29>б

На рисунках 4- 6 выполнено сопоставление результатов расчета по разработанному методу с экспериментальными данными. Для наглядности на рисунках нанесены также кривые, соответствующие выражениям, рекомендованным сводом правил СП 23-104 и Пособием к МГСН 2.04. На рисунках точки соответствуют измеренным значениям шумовых характеристик, сплошная кривая - значениям шумовых характеристик, соответствующих формулам табл. 3, штрих-пунктирная кривая - значениям шумовых характеристик, соответствующих формулам СП 23-104, штриховая кривая -значениям шумовых характеристик, соответствующим формулам МГСН 2.04-97.

Видно, что полученные в настоящей работе соотношения в большей степени соответствуют результатам измерений, чем выражения, рекомендованные другими методами, адекватно описывая шум современного подвижного состава.

В заключение в данной главе выполнена оценка точности расчетных соотношений для максимального и эквивалентного уровней звука от движения поезда 1-й, 2-й и 3-й категории. Проведена оценка отклонений расчетных значений от измеренных значений шумовых характеристик, оценена погрешность расчетного метода, показавшая удовлетворительную сходимость результатов расчета с измеренными значениями шумовых характеристик.

; . ;

: ; Г

•

.....

г Г V г . , >.

ео 70 ао ю го я 1 л- а 60 .70 80

Скорость, км** .Сйэрасть, км/ч

Рисунок 4 - Распределения максимальных и эквивалентных уровней звука для пассажирских

поездов с локомотивной тягой

Рисунок 5- Распределения максимальных и эквивалентных уровней звука для грузовых

поездов

ао:- ■ « ,

: . ?

ч- / 5 / У'\ Л 1

/ / ■

■30- < ....... . Л ,

то го 313 4а 50.

70 93

С*срасп*. км/ч

Рисунок 6 - Распределения максимальных и эквивалентных уровней звука для электропоездов для эквивалентных уровней звука и звукового давления

Глава 6 посвящена расчету шума от движущихся поездов на местности. В соответствии с физической моделью источника снижение уровней шума Адив (соответствующее геометрической дивергенции по ГОСТ 31295.22005) в зависимости от расстояния следует рассчитывать по формулам:

дне

= 1018

агс№ — 25

-Ю1к

агсЫ --

-Дш 21

1 +

для максимальных уровней звука 1

агсМ

—Ю1е

агсЩ —

-К!

(19)

(20)

где I - средняя длина поездов, м, различных категорий, проходящих по рассматриваемому участку пути;

Я — минимальное расстояние до расчетной точки от оси ближней полосы движения, м.

Для средней длины поезда найдены значения Я, для которых вклад

слагаемого

Л 1

- —-- 1п

1 +

, в формуле (19), не будет превышать 1 дБ, и им

можно пренебречь при выполнении расчета с данной погрешностью до расстояний 56 м для пассажирского поезда с локомотивной тягой, 107 м для грузового поезда, 32 м для электропоезда и значение Лдив для эквивалентных уровней шума рассчитывать с помощью упрощенного выражения:

-с/Ж-)

-Ю16

агс^1-) К

(21)

На рис. 7-9 приведены графики снижения эквивалентного уровня звука в зависимости от расстояния от поезда, рассчитанные из выражения (19), соответствующего физической модели, на основе которой создан разработанный метод, и цилиндрическим распространением звука, рекомендуемым СП 23-1042004.

• - ■ ; ^ ; ■

/ У -

100 1000 10000 Расстояние от поезда, м

Рисунок 7 - Геометрическая дивергенция для эквивалентного уровня звука при движении

пассажирского поезда

_____;______.. .i...... ' : 'J"'( J.-'' ; ;

1 } п : 1

100 1000 10000 Расстояние от поезда, м

Рисунок 8 - Геометрическая дивергенция для эквивалентного уровня звука при движении

грузового поезда

.. 4 Л Л t i i í ? ! f U iV 4§§

i 1 ......LJ;. I i ! : ; i p: -

í i ; ÍHM

100 1000 10000 Расстояние от поезда, м

Рисунок 9- Геометрическая дивергенция для эквивалентного уровня звука при движении

электропоезда.

На рисунках сплошная кривая соответствует Адш для сферического распространения звука \Адив=20\% ; штриховая кривая - Адив для

кривая -Адт, рассчитанным по формуле (21).

Видно, что на малых расстояниях Адт по предлагаемому методу хоть и отличается, но ближе к цилиндрическому распространению звука. При увеличении расстояния она приближается к сферическому распространению, что полностью соответствует физической картине преобразования поля протяженного источника звука конечной длины с удалением от него.

1. Использована усовершенствованная физическая модель, описывающая распространение шума от движущегося поезда и расчета значений максимального и эквивалентного уровней шума в зависимости от категории поезда;

2. На базе принятой физической модели получено уточненное выражение для эквивалентного уровня шума от движения железнодорожного транспорта;

3. Проанализированы выполненные в НИИСФ РААСН натурные измерения уровней максимального и эквивалентного уровней звука от движения поездов трех категорий - для пассажирских поездов с локомотивной тягой, грузовых поездов и электропоездов - и приведены к виду, необходимому для получения уравнений линейной регрессии для шумовых характеристик указанных категорий поездов;

4. Исследованы зависимости уровня звука от длины и скорости движения поездов различных категорий. Установлено, что зависимость от скорости движения - доминирующая;

5. На основании предложенной физической модели составлены уравнения линейной регрессии;

цилиндрического распространения звука

штрих-пунктирная

Выводы и основные результаты работы:

6. Уравнения линейной регрессии решены для выборок значений шумовых характеристик, полученных в ходе натурных измерений. На основе решений уравнений линейной регрессии составлены расчетные соотношения, позволяющие рассчитывать значения максимального и эквивалентного уровней звука от движения пассажирского поезда с локомотивной тягой, грузового поезда и электропоезда;

7. Получены инженерные формулы, позволяющие оценить значения максимального и эквивалентного уровней звука в зависимости от скорости движения поезда;

8. Сравнены расчетные кривые для определения максимального и эквивалентного уровней звука по разработанному и действующим на территории России методам с результатами натурных измерений. Показано, что полученные в настоящей работе соотношения в большей степени соответствуют результатам измерений, чем выражения, рекомендованные другими методами, адекватно описывая шум современного подвижного состава;

9. Выполнена оценка точности полученных соотношений для расчета шумовых характеристик поездов трех рассмотренных категорий, показавшая удовлетворительную сходимость разработанного расчетного метода с измеренными значениями;

10. Приведен расширенный перечень шумовых характеристик потоков поездов. Разработан метод их расчета;

11. Рассмотрено и проанализировано снижение шума с расстоянием, определены границы применимости упрощенного расчетного выражения для снижения эквивалентного уровня шума. Показано: на малых расстояниях спад эквивалентного уровня шума по предлагаемому методу ближе к цилиндрическому закону распространения звука, при увеличении расстояния он приближается и на больших расстояниях соответствует сферическому закону распространения. Таким образом, полученное соотношение правильно отражает характер преобразования поля, излучаемого движущимся поездом, с удалением от него;

12. Разработанный метод расчета шумовых характеристик и уровней шума от движения потоков пассажирских, грузовых и электропоездов внедрены в практику посредством ГОСТ Р 54933-2013 "Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом".

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Хасс Р. Расчет уровней шума железнодорожного транспорта на примагистральной территории. Сб. докладов международной научно-практической конференции «Энергосбережение и экология в строительстве и ЖКХ, транспортная и промышленная экология», Будва, Черногория, 2-10 сентября 2010 г. С. 218-224.

2. Цукерников И.Е., Хасс Р. Уравнения линейной регрессии шумовых характеристик пассажирских поездов/ Сб. докладовШ-й Всерос. науч.-практич. конференции с международным участием, «Защита населения от повышенного шумового воздействия»/ БГТУ, СПб, 2011. С. 284-290.

3. Tsukernikov I.E. and Hass R. (born Karle). Equations of Linear Régression of Noise Characteristics of Passanger Trains/ Proceedings of Forum Acusticum 2011/ Aalborg, Danmark, European Acoustics Association - EAA, 2011. p. 2749-2753.

4. Цукерников И.Е., Хасс P. Расчет шумовых характеристик подвижного состава железнодорожного транспорта/ Научно-технический журнал Вестник МГСУ/ - 2011 - №3,т.1. С. 87-92

5. Цукерников И.Е., Хасс Р., Аистов В.А. Соотношения для инженерных расчетов шумовых характеристик железнодорожного транспорта. Безопасность жизнедеятельности, 2013, №10. С.2-5.

Издательство Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ»

имени Д.Ф. Устинова. 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Тираж 115 экз. Заказ № 32

Отпечатано в типографии БГТУ. 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Хасс, Регина Робертовна, Москва

Научно-Исследовательский Институт Строительной Физики Российской Академии

Архитектуры и Строительных Наук

04201456353

На правах рукописи ^Р

Хасс Регина Робертовна МЕТОД РАСЧЕТА ШУМА ОТ ПОТОКОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.06 "Акустика"

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук Цукерников И.Е.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................................................................................................................................................................6

Глава 1. Состояние проблемы определения шумовых характеристик от

железнодорожного транспорта......................................................................................................................................................11

1.1 Применяемая в практике оценки шума классификация железнодорожного транспорта......................................................................................................................................................11

1.2 Шумовые характеристики железнодорожного транспорта..............................................11

1.3 Причины возникновения шума от движения железнодорожного транспорта........................................................................................................................................................................................................................12

1.4 Методы оценки шума железнодорожного транспорта............................................................14

1.5 Определение шумовых характеристик по расчетным соотношениям 24 СП 23-104-2004 и Пособия к МГСН 2.04.-97....................................................

1.6 Результаты и выводы главы 1..............................................................................................................................................30

Глава 2. Теоретическое обоснование, разработка физической модели и расчетного метода определения шумовых характеристик от движения

поездов....................................................................................................................................................................................................................................31

2.1 Физическая модель описания шума от поездов....................................................................................31

2.2 Уравнения линейной регрессии......................................................................................................................................33

2.3 Определение коэффициентов уравнений линейной регрессии..................................34

2.4 Шумовые характеристики потоков поездов................................................................................................35

2.5 Результаты и выводы главы 2..............................................................................................................................................36

Глава 3. Экспериментальные данные..............................................................................................................................37

3.1 Результаты натурных измерений..............................................................................................................................37

3.2 Обработка результатов натурных измерений............................................. 37

3.3 Анализ результатов натурных измерений................................................... 47

3.3.1 Анализ результатов натурных измерений шумовых характеристик пассажирских поездов....................................................................................... 47

3.3.2 Анализ результатов натурных измерений шумовых характеристик грузовых поездов............................................................................................... 49

3.3.3 Анализ результатов натурных измерений шумовых характеристик электропоездов................................................................................................... 51

3.4 Обобщение анализа результатов натурных измерений шумовых характеристик для поездов различных категорий............................................ 52

3.5 Результаты и выводы главы 3....................................................................... 54

Глава 4. Расчет коэффициентов уравнений линейной регрессии.................. 55

4.1 Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии для определения максимального уровня звука от движения пассажирского поезда с локомотивной тягой............................................................................ 55

4.2 Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии для определения эквивалентного уровня звука от движения пассажирского поезда с локомотивной тягой............................................................................ 56

4.3 Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии для определения максимального уровня звука от движения грузового поезда... 57

4.4 Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии для определения эквивалентного уровня звука от движения грузового поезда... 58

4.5 Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии для определения максимального уровня звука от движения электропоезда........ 59

4.6 Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии для

определения эквивалентного уровня звука от движения электропоезда..............59

4.7 Уравнения линейной регрессии для расчета максимального и эквивалентного уровней звука от движения поездов..........................................................................60

4.8 Результаты и выводы главы 4..............................................................................................................................................62

Глава 5. Анализ полученных результатов. Определение шумовых

характеристик для потоков поездов. Точность расчетного метода................................63

5.1 Анализ, обработка и применение полученных результатов............................................63

5.1.1 Соотношения для расчета максимального уровня звука поезда........................63

5.1.2 Соотношения для расчета эквивалентного уровня звука поезда......................64

5.1.3 Расчет шумовых характеристик потоков поездов......................................................................65

5.1.4 Расчет эквивалентных уровней звукового давления в октавных полосах частот............................................................................................................................................................................................................69

5.1.5 Соотношения для инженерных расчетов....................................................................................................70

5.2 Сопоставление результатов расчета с экспериментальными 71 данными.....................................................................................

5.3 Оценка точности расчетных соотношений..................................................................................................73

5.3.1 Оценка точности расчетных соотношений, определяющих шумовые 75 характеристики пассажирского поезда с локомотивной тягой (категория 1)

5.3.2 Оценка точности расчетных соотношений, определяющих шумовые характеристики грузового поезда (категория 2)..........................................................................................80

5.3.3 Оценка точности расчетных соотношений, определяющих шумовые характеристики электропоезда (категория 3)........................................................................................................84

5.4 Результаты и выводы главы 5....................................................................... 91

Глава 6. Расчет шума от движущихся поездов на местности........................ 93

6.1 Снижение шума от железнодорожного транспорта на пути распространения.......................................................................... 93

6.2 Геометрическая дивергенция звуковой энергии при распространении шума от железнодорожного транспорта............................................................ 95

6.3 Геометрическая дивергенция звука при расчете эквивалентного уровня звука...................................................................................................................... 95

6.4 Результаты и выводы главы 6....................................................................... 98

Выводы и основные результаты работы............................................................ 100

Список используемой литературы................................................................... 102

Приложение. Результаты натурных измерений шумовых характеристик движущихся поездов........................................................................................... 106

Введение

Задача снижения транспорта ого шума в населенных пунктах является одной из актуальных задач современной акустики. Одним из типов транспортного шума является шум от железнодорожного транспорта. В крупных городах строительство жилых сооружений достаточно часто происходит в небольшом удалении от железнодорожных магистралей. Данный фактор вызван рядом причин, связанных с удобством расположения домов, дешевой стоимости жилья, историческим расположением железной дороги и т.д. Железнодорожный транспорт характеризуется повышенными уровнями шума в круглосуточном режиме, и, соответственно, влияет на степень шумового комфорта, особенно в ночное время, что приводит к справедливым жалобам населения.

Методом борьбы с шумом от движения поездов является устройство шумозащитных экранов и строений на примагистральных территориях. Данный метод наиболее эффективен на этапе проектирования железных дорог, что позволяет проводить расчеты ожидаемых уровней звука на селитебиых территориях, примыкающих к железнодорожным линиям и, при необходимости, разрабатывать меры по снижению шума, действующего на население. В этой связи особое значение имеет надежность методов расчета шума от железнодорожного транспорта и правильность определения шумовых характеристик поездов.

Актуальность работы

Известно, что pía уровень шума от движения поезда влияют различные факторы, такие как категория поезда, его длина, скорость движения и другие. Таким образом, представляет интерес изучение количественного влияния данных факторов на уровень шума от железнодорожного транспорта.

Исследованиями, связанными с разработкой методов расчета железнодорожного шума, занимались отечественные и зарубежные специалисты:

Н.И. Иванов, А.П. Кочнев, Д.А. Куклин, Г.Л. Осипов, И.Е. Цукерников, Н.Д.

Николов, D. Bechert, D.H. Cato, S. Peters, P.J. Remington, и др.

Вместе с тем действующие на территории Российской Федерации нормативные документы и метода расчета содержат формулы, дающие заниженное значение шумовых характеристик, а также имеющие противоречия физическому смыслу. Так, при определенных условиях возможны случаи, когда расчетное значение эквивалентного уровня звука в рассматриваемой точке превышает расчетное значение максимального уровня.

Таким образом, изучение факторов, влияющих на шумовые характеристики железнодорожного транспорта, и создание метода, позволяющего точно расчитывать значения шумовых параметров, можно считать одной из актуальных задач современной акустики в области борьбы с транспортным шумом.

Цель диссертационной работы

Основные задачи исследований:

- изучение факторов, влияющих на уровень шума от движения поезда;

- натурные измерения уровней шума от движения поезда;

- применение физической модели излучения шума поездом как линейным источником конечной длины, и получение на ее базе выражений для расчета шумовых характеристик поездов;

приведение полученных выражений к виду, удобному для практического применения;

Научная новизна работы:

1. На основе физической модели излучения шума движущимся поездом как линейным источником конечной длины получено выражение для эквивалентной корректированной интенсивности звука за время прохождения поезда мимо точки наблюдения.

3. Выражения для расчета шумовых характеристик поездов представлены в виде простых для расчета инженерных формул, удобных при проектировании.

4. Разработан уточненный метод расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума от движения поездов на местности.

5. Даны границы применения упрощенного выражения для спада эквивалентных уровней звука с удалением от поезда.

Практическая ценность работы:

1. Полученные в работе результаты могут быть использованы для расчета уровней шума от поездов в зависимости от скорости движения, длины подвижного состава и типа поезда.

3. Разработанный метод расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума на местности от движения поездов внедрен в практику посредством ГОСТ Р 54933-2012 "Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом". Стандарт утвержден и введен в действие на территории Российской Федерации приказом Росстандарта № 153-ст от 05.12.2012 с датой введения 1 марта 2013 года.

Положения, выносимые на защиту:

1. Уточненное выражение для шумовой характеристики движущегося поезда в виде эквивалентного уровня звука.

3. Расчетные инженерные формулы, удобные для использования при проектировании.

4. Уточненный метод расчета шумовых характеристик потоков поездов и уровней шума от них на местности.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа посвящена исследованию теоретических основ распространения и расчета уровня шума от движения железнодорожных поездов, а также созданию нового уточненного метода расчета, что подпадает под пункты 3 и 7 паспорта научной специальности 01.04.06 "Акустика".

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Энергосбережение и экология в строительстве и ЖКХ, транспортная и промышленная экология», Будва, Черногория, 2-10 сентября 2010 г., на III Всероссийской научно-

практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», Санкт-Петербург, 22-24 марта 2011г., на конференции «Triannual Forum Acusticum conference», Дания, Аальборг, 26 июня - 1 июля 2011г., на III Академических чтениях, посвященных памяти академика Осипова Г.Л. «Актуальные вопросы строительной физики», МГСУ Москва, 5-7 июля 2011г., на международной научной конференции V Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Осипова Г.Л. «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность», МГСУ Москва, 2-4 июля 2013.

Результаты диссертации опубликованы в пяти работах, в том числе в двух изданиях по списку, ВАК.

Автор выражает благодарность с.н.с. НИИСФ РААСН Аистову В.А. за предоставленные материалы.

Глава 1. Состояние проблемы определения шумовых характеристик

железнодорожного транспорта

1.1 Применяемая в практике оценки шума классификация железнодорожного

транспорта

Эксплуатируемые в Российской Федерации на железнодорожных путях общего пользования поезда классифицируются согласно таблице 1.1 [1]:

Таблица 1.1 - Классификация поездов

Категория Тип поезда Максимальная скорость движения, км/ч

1 Пассажирский поезд с локомотивной тягой 200

2 Грузовой поезд 90

' 3 Электропоезд 160

4 Высокоскоростной поезд 250

1.2 Шумовые характеристики железнодорожного транспорта

Шумовыми характеристиками железнодорожного транспорта являются эквивалентный ЬЛсс1 и максимальный Ьлтах уровни звука уровни звука на расстоянии 25 м от оси ближнего к расчетной точке пути. В соответствии с ГОСТ 20444-85 «Шум. Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики» [2] значения шумовых характеристик определяют на высоте 1,5 м за часовой период времени.

В соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» [3] основными нормируемыми характеристиками непостоянного шума являются эквивалентный и максимальный уровни звука, значения которых регламентируют отдельно для дневного и ночного времени суток. Эти уровни отличаются на 10 дБ А (в ночное время - ниже). Поэтому и указанные шумовые характеристики задают отдельно для дневного и ночного времени суток.

В соответствии с ГОСТ 31296.1-2005 «Шум. Описание, измерение и оценка окружающего шума. Часть 1. Основные величины и процедуры оценки» [4] для оценки шума на селитебной территории применяют оценочные уровни звука, определяемые по эквивалентному и максимальному для дневного ЬЛ1Ы, ¿/мтах и ночного Ьп1Ы, Цитах времени, а также комбинированные суточные оценочные уровни звука в периоде «день-ночь» , Г^тах или «день-вечер-ночь»- и'м, Эти же характеристики применяют для целей мониторинга

шума по ГОСТ Р 53187-2008 «Акустика. Шумовой мониторинг городских территорий» [5] с дополнением их аналогичными величинами для вечернего времени суток - Ьсм , Кроме того, для оценки тонального шума и шума с

превалированием низких частот должны быть использованы также соответствующие оценочные уровни звукового давления в октавных полосах частот п'х, П1{, , ¿ди. В связи с этим наряду с указанными выше шумовыми характеристиками для целей оценки шума железн