Практическое занятие №1.
Тема: «Расчёт уровня шума в зоне влияния автомобильных дорог».
Цель: овладение методикой оценки уровня шума автотранспортного потока.
Общие положения
Автомобильный двигатель (поршневой ДВС) является сложным источником шума. Его звуковое поле формируется совокупностью акустического излучения ряда независимых источников.
Акустическое излучение ДВС имеет две составляющих – это шумы аэродинамического и структурного происхождения (рисунок 1).
Рисунок 1 – Классификация источников шума двигателя внутреннего сгорания [1]
Аэродинамический шум возникает в результате газообмена двигателя с окружающей средой при впуске и выпуске, а также при взаимодействии лопастей вентилятора с воздухом.
Структурный шум излучается наружными поверхностями деталей двигателя при механических колебаниях его структуры.
Основными источниками шума аэродинамического происхождения являются системы газообмена и охлаждения.
Аэродинамический шум в системе газообмена (рисунок 2) возникает в результате колебания давления и скорости в газовых потоках и объемах. Поэтому система газообмена помимо наполнения ДВС свежим зарядом, подвода газа к турбине турбокомпрессора (ТКР), выпуска отработавших газов (ОГ) и уменьшения их токсичности, должна обеспечивать также снижение шума процессов впуска и выпуска.
1 – воздушный фильтр; 2 – турбокомпрессор; 3 – каталитический нейтрализатор; 4 – сажевый фильтр; 5 – глушитель; 6 – датчик расхода воздуха; 7 – λ-зонд; 8 – датчик температуры отработавших газов; 9 – датчик перепада давления; 10 – охладитель надувочного воздуха; 11 – перепускной клапан; 12 – датчик давления; 13 – датчик давления наддувочного воздуха; 14 – датчик температуры надувочного воздуха; 15 – радиатор; 16 – клапан рециркуляции отработавших газов
Рисунок 2 – Система газообмена дизеля легкового автомобиля [1]
Устройствами, эффективно подавляющими средне- и высокочастотные (выше 600 Гц) составляющие шума, являются воздухоочистители и глушители выпуска (рисунок 3).
Для снижения шума в низкочастотной области спектра увеличивают объем и длину трактов газообмена или применяют во впускной системе специальные глушители. Включение в систему газообмена нейтрализатора ОГ также благоприятно влияет на уменьшение шума выпуска.
Аэродинамический шум в системе охлаждения формируется таким её конструктивным элементом, как вентилятор. Вентиляторы системы охлаждения, особенно на грузовых автомобилях, могут быть источником весьма интенсивного шума, уровень которого близок к уровню шума двигателя [1].
Общий уровень шума вентилятора обусловлен дискретными частотами, кратными частоте вращения вала вентилятора и числу его лопастей [1].
Рисунок 3 – Уровни шума впуска и выпуска двигателя [1]
В двигателях с воздушным охлаждением кроме вентилятора существует дополнительный источник аэродинамического шума – рёбра охлаждения при прохождении через них воздуха.
Структурный шум может возникать [1]:
˗ при колебаниях двигателя как единого целого на упругой подвеске;
˗ в результате колебаний отдельных элементов наружных поверхностей ДВС.
Структурный шум ДВС по сравнению с аэродинамическим является наиболее громким и трудноустранимым. Он определяет шум двигателя в физиологически наиболее неблагоприятных средне- и высокочастотной областях спектра.
Источниками колебаний ДВС на подвеске являются [1]:
˗ неуравновешенные силы инерции;
˗ опрокидывающий момент;
˗ крутильные колебания коленчатого вала;
˗ колебания АТС, на которое установлен ДВС.
Шум, вызываемый колебаниями ДВС на подвеске, наиболее интенсивно проявляется на низких частотах. Уровни этого вида структурного шума определяются типом, расположением и физическими характеристиками упругих элементов подвески. Для современных автомобильных двигателей интенсивность указанного источника не является определяющей и соизмерима с соответствующими гармониками заглушенного впуска. Однако при форсировании двигателей по частоте вращения следует ожидать увеличения шума от колебаний двигателя на подвеске.
Источниками, воздействующими на корпусные детали и вызывающими колебания структуры ДВС с последующим излучением ее наружными поверхностями структурного шума, являются [1]:
˗ импульсы газовых сил при осуществлении рабочего процесса в цилиндрах двигателя (шум от рабочего процесса);
˗ удары в подвижных сочленениях механизмов и систем двигателя (шум от соударений).
Колебания отдельных наружных поверхностей двигателя определяют средне- и высокочастотный структурный шум ДВС.
Источниками шума от соударений в подвижных сочленениях являются [1]:
˗ изменение направления действия сил и импульсное изменение линейной скорости движущихся деталей, что приводит к ударам;
˗ нарушение нормальной работы в сочленениях.
Скорость соударения, и, соответственно, импульс удара, а также отклик конструкции на удар, в основном зависят от [1]:
˗ зазоров между подвижными деталями;
˗ массы движущихся деталей;
˗ ускорения движущихся деталей;
˗ характера изменения давления в цилиндре.
Вибрационные импульсы, возникающие при ударах, вызывают высокочастотные колебания наружных поверхностей двигателя, генерирующие излучение акустической энергии. Краткая характеристика различных конструктивных элементов ДВС с позиции генерирования ими вибрационных импульсов, формирующих структурный шум, приведена в виде таблицы 1
Таблица 1 – Анализ причин и факторов, определяющих структурный шум при функционировании различных конструктивных элементов ДВС
| Наименование конструктивного элемента ДВС | Источники, причины вибрационных импульсов, формирующих структурный шум | Факторы, определяющие характеристики генерируемого структурного шума |
| 1 Кривошипно-шатунный механизм | 1) перекладки поршня; 2) удары, вызванные нарушением работы в сочленениях поршня с шатуном, шатуна с шейкой коленчатого вала, коренной шейки коленчатого вала с опорой картера | 1) направление и величина боковой силы, вызывающей перекладу поршня; 2) величина зазора между поршнем и гильзой цилиндра; 3) износ и дефекты деталей |
| 2 Механизм газораспределения | 1) неравномерность движения элементов привода распре-делительного вала; 2) удары при работе клапанного узла: - удар клапана при посадке на седло, вызывающий широкополосный шум с частотами до 10 кГц; - удар кулачка о толкатель в момент начала подъема клапана, вызванный выборкой зазора между ними, особенно в конструкциях без его гидравлической компенсации (широкополосный шум с частотами до 5 кГц); - действие сил на опоры распределительного вала, вызванное движением клапана с переменным ускорением, которое определяется профилем кулачка | 1) Тип конструкции привода: а) привод распределительного вала зубчатыми шестернями (характеризуется максимальной шумностью); б) привод распределительного вала роликовой цепью (является менее шумным, чем шестеренчатый); в) привод распределительного вала зубчатым ремнем (является самым малошумным); 2) частота вращения коленчатого и распределительных валов; 3) профиль кулачка распределительного вала и связанное с ним ускорение клапана |
| 3 Топливоподающая аппаратура (наиболее интенсивные составляющие в спектре шума находятся в диапазоне частот 600...4000 Гц) | Топливоподающие насосы, насос-форсунки, форсунки: 1) при завершении впрыскивания: а) удар запирающего клапана при посадке на седло под действием силы возвратной пружины (вносит один из основных вкладов в образование шума топливной аппаратуры дизеля); б) удар иглы форсунки о наконечник распылителя; в) осевая вибрация толкателя плунжера; 2) при резком изменении силы в опорах вала топливного насоса | 1) уровень структурного шума из-за вибрации толкателя плунжера определяется: - резким окончанием впрыскивания и понижением давления в надплунжерном пространстве; - быстрым ускорением плунжера под действием толкателя; - вибрацией плунжера, передающейся через толкатель на опоры вала топливного насоса высокого давления; 2) давление впрыскивания |
| 4 Агрегаты наддува с газотурбинным и механическим приводом | 1) силы инерции, вызванные статическим и динамическим дисбалансом ротора турбокомпрессора, передаются через систему крепления на корпус двигателя (частотный диапазон 1000..3000 Гц); 2) силы давления газа и инерции кривошипно-шатунного механизма, а также перекладки поршня (для поршневых компрессоров); 3) удары зубьев шестерен из-за бокового зазора и неравномерности вращения привода (для шестерёнчатых компрессоров) | 1) высокая частота вращения ротора турбокомпрессора (60…180 тыс. мин–1); 2) податливость выпускной системы двигателя, где закреплён турбокомпрессор, из-за чего частота вращения ротора может совпасть с одной из собственных частот колебаний системы «турбокомпрессор – трубопроводы», что вызовет повышенный шум турбокомпрессора; из-за бокового зазора и неравномерности вращения привода компрессора; 3) величина бокового зазора в зубчатом зацеплении |
| 5 Тонкостенные корпусы и трубопроводы | Пульсации давления газа во впускной и выпускной системах двигателя (имеет сплошной спектр в диапазоне 80…500 Гц) | 1) протяженность и жёсткость наружных поверхностей компонентов системы газообмена; 2) наличие демпферов |
| 6 Вспомогательные агрегаты двигателя: 1) механические агрегаты (масляный и жидкостной насосы, сервоприводы); 2) навесное оборудование | 1) удары в зубчатых зацеплениях, элементах привода и прочих узлах механических агрегатов; 2) вклад навесного оборудования в акустический баланс незначителен | 1) шум проявляется преимущественно на частотах, кратных частотам вращения приводов агрегатов; 2) жесткость опор; 3) качество изготовления элементов зацеплений |
Для выявления доли звучания отдельных источников в общем шумообразовании ДВС обычно применяют метод последовательного исключения источников шума при одновременном измерении частотных спектров. Благодаря этому удаётся оценивать как количественные, так и качественные акустические характеристики источников шума. Результаты исследования этим методом бензинового двигателя ЗИЛ-130 и дизеля ЯМЗ-236 приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Частотное распределение акустического излучения конструктивных элементов двигателей ЯМЗ-236 и ЗИЛ-130 [2]
| Источники шума | ЯМЗ-236 | ЗИЛ-130 | ||
| Уровень шума, дБ | Область частот, Гц | Уровень шума, дБ | Область частот, Гц | |
| Общий уровень шума двигателя | 110…112 | 20…8000 | 103…105 | 20…8000 |
| Система впуска: | ||||
| с воздухоочистителем | 108…110 | 200…500 | 102…104 | 250…800 |
| без воздухоочистителя | 112…122 | 200…1000 | 114…116 | 250…1000 |
| Выпуск (с глушителем) | 88…90 | 100…1000 | 88…90 | 150…1000 |
| Процесс сгорания | - | - | ||
| Клапанный механизм | 400…5000 | 400…5000 | ||
| Вентилятор охлаждения | 100…104 | 250…600 | 100…104 | 300…800 |
| Топливный насос | 104…108 | 500…3000 | - | - |
| Шум от вибрации наружных поверхностей двигателя | 1000…5000 | 100…102 | 1000…5000 |
Вклад в акустический баланс ДВС и характеристики шума от каждого из перечисленных источников неодинаковы, что определяется следующими факторами [1, 2]:
˗ типом воспламенения топлива: от сжатия или от искры;
˗ способом организации смесеобразования (внешнее или внутреннее) и сгорания;
˗ типом системы охлаждения: жидкостной или воздушной;
˗ мощностными показателями, степенью форсирования;
˗ особенностями конструкции и технологии изготовления как двигателя в целом, так его отдельных узлов и деталей.
ДВС в автомобиле является достаточно мощным, но не единственным источником шума. Акустическое излучение от АТС формируется в результате взаимодействия шин с дорогой, работы двигателя, трансмиссии, ходовой части, аэродинамических особенностей кузова. При эксплуатации автомобиля все указанные источники образуют внешний (оказывающий воздействие на окружающих) и внутренний (оказывающий воздействие непосредственно на водителя и пассажиров) шум.
Оценка уровня шума автотранспортного потока
Шумовое загрязнение окружающей среды нежелательное явление, так как шум отрицательно влияет на здоровье людей и состояние природных комплексов прилегающих территорий. Уровень шума в населённых пунктах, городах и территориях, прилегающих к проектируемому участку дороги, нормируются согласно «Санитарным нормам допустимого шума» (СН 872-70). Уровни шума в населенных местах, в жилых домах, расположенных вблизи транспортных магистралей, а так же, на территориях, прилегающих к проектируемому участку дороги, не должны превышать в ночное время 25 дБ, а в дневное время 35 дБ.
Показатель шума от автомобильной дороги определяется по интенсивности автотранспортного потока [3].
Шумность автотранспортного потока на расстоянии 7 метров от крайнего ряда автомобилей для эксплуатируемой дороги определяется по формуле:
Z7 = 46 + 11,8·lgN + åД, (1)
где Z7 – шумность автотранспортного потока на расстоянии 7 м от крайнего ряда автомобилей, дБ;
N – интенсивность движения автомобилей, авт/ч;
åД – сумма поправок, учитывающих отклонение данных условий от принятых среднестатистических.
åД = ДN + ДU + Дi + Дтр, (2)
где ДN – влияние изменения доли общественного и тяжелого грузового транспорта в общем потоке, принимают по +1 дБА на каждые 10 % отклонения от стандартной доли;
ДU – поправка в +1 дБА на каждые 10 % отклонения от стандарта скорости движения в 40 км/ч;
Дi – поправка в +1 дБА на каждые 2 % продольного уклона дороги или улицы;
Дтр – учет наличия трамвая по оси улицы (+3 дБА).
По характеру распространения, отражения и поглощения в пространстве звуковых волн рассчитываются мероприятия по защите от шума.
Уровень снижения шума от сферического распространения в свободной однородной атмосфере определяется по формуле:
X1 = 10.lg 
, (3)
где X1 – снижение шума от сферического распространения в свободной однородной атмосфере, дБ;
rn – расстояние до точки, в которой рассчитывается уровень шума (rn из расчета усредненного его значения для всех типов дорог равно 35 м, что складывается из значения половины ширины дорожного полотна, откоса и расстояния до зеленых насаждений), м;
r1 – расстояние до точки, в которой измерен уровень шума (r1 из расчета усредненного его значения для всех типов дорог равно 7,0…7,5 м, т.е. у ее края), м.
Снижение уровня шума от влияния поверхности земли рассчитывается по формуле:
X2 = Кп ·X1, (4)
где Кп – коэффициент поглощения шума под влиянием различных поверхностей земли в свободном пространстве над ровной территорией (показатель Кn равен 1,0 – грунтовое покрытие; 1,1 – газон).
Снижение уровня шума за счёт зелёных насаждений:
Х3 = К3. X1, (5)
где К3 – коэффициент снижения уровня шума за счёт лесопарковых насаждений (показатель К3 равен 1,2 – для посадок с кустарником, 1,5 – для посадок лесополосы смешанного типа в семь рядов и шириной 15 метров).
Снижение уровня шума за счёт экранирования (если трасса загородного назначения, расчет экранирующих средств не производится).
Эмпирический коэффициент снижения уровня шума за счёт экранирования рассчитывается по формуле:
(6)
где h – высота экрана, м;
h – длина волны, м;
a – расстояние от источника шума до экрана, м;
b – расстояние от экрана до точки в которой рассчитывается уровень шума, м.
Уровень шума на расстоянии от источника будет определяться по формуле:
Y = Z7 – X1 – X2 – X3 – X4. (7)
3 Пример расчёта
Рассмотрим методику расчёта на примере улицы 30 (п. 4). Интенсивность движения автотранспорта для данного варианта составляет 1430 авт/ч.
Выполним расчёт уровня шума автотранспортного потока данной дороги на расстоянии 7 метров от крайнего ряда автомобилей по формуле (1):
Z7 = 46 + 11,8·lg1430 + 0 = 83,2 дБА.
Установленный расчётом уровень шума (83,2 дБА) превышает допустимый (35 дБА) для дневного времени суток. Необходимо разработать план шумозащитных мероприятий, позволяющих достичь нормы.
1) Уровень шума уменьшается с увеличением расстояния от источника шума до объекта шумозащиты на величину X1, которая рассчитывается по формуле (3):
X1 = 10.lg 
= 7,0 дБА.
2) Уровень шума зависит от вида поверхности земли, над которой он распространяется. При распространении над газоном уровень шума снижается на величину X2, которая рассчитывается по формуле (4):
X2 = 1,1 ·7,0 = 7,7 дБА.
3) Уровень шума снижается за счёт зелёных насаждений (зелёные полосы из деревьев и кустарников). Выполним расчёт (по формуле (5)) величины X3 снижения уровня шума для защитной полосы из деревьев с густыми сомкнутыми кронами, подлеском и кустарником по периметру, при ширине полосы не менее 6 м и высоте деревьев не менее 7 м (2 ряда деревьев):
X3 = 1,5·7,0 = 10,5 дБА.
4) Уровень шума снижается за счёт экранирования участка дороги на величину X4, для вычисления которой выполним, сначала, расчёт параметра W по формуле (6). Длину волны 
принимаем равной 0,68 м (для 500 Гц). Высота экрана h, которым может быть или здание, или сплошная ограда заводской территории, или другие сооружения принимаем равной 4,1 м.
5) По таблице 3 находим соответствие между параметрами 
и 
.
Таблица 3 – Снижение уровня шума (
) за счёт экранирования при величине коэффициента :
|
| (дБА)
|
| 1,0 | |
| 1,5 | |
| 2,3 | |
| 2,5 | |
| 3,0 | |
| 3,5 | |
| 4,0 |
В нашем примере 
равно 3,0 следовательно равно 23 дБА.
6) В итоге ожидаемый расчётный уровень шума в точке на расстоянии 35 м от автомагистрали равен:
Y = 83,2 – 7,0 – 7,7 – 10,5 – 23 = 35 дБА.
Это не превышает предельно-допустимый уровень шума (ПДУ) на территории жилой застройки – 35 дБА – в дневное время суток.
