Снижение транспортного шума как основа благоприятной акустической среды жилища современных городов

Снижение транспортного шума как основа благоприятной акустической среды жилища современных городов

В.Н. Бобылев, В.А. Тишков, Д.Л. Щеголев, Д.В. Мурыгин

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

В последние годы в крупных городах, в том числе и в Нижнем Новгороде, шум становится одним из самых неблагоприятных факторов внешней среды, негативно влияющих на здоровье городского населения. Многочисленные исследования, проведенные специалистами-акустиками, показывают наметившуюся тенденцию к росту уровней городского шумового фона, а, следовательно, уменьшению акустического комфорта в помещениях жилых и общественных зданий. Источниками повышенных уровней шума являются наземный и воздушный транспорт, строительные машины и механизмы, внутридворовые источники шума, промышленные установки и т.п.

В подавляющем большинстве случаев шумовой фон больших городов определяет именно транспортный шум. Поэтому снижение его влияния является основной задачей при разработке мероприятий по борьбе с городским шумом.

Сотрудниками лаборатории акустики Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (ННГАСУ) на протяжении уже более трех десятков лет ведется мониторинг шумового состояния нижегородской городской среды; измерение уровней шума от городских автомобильных магистралей, железных дорог, а также аэропорта; оценка уровней шума и вибрации от линий метрополитена. В результате наблюдений выявлено, что интенсивность движения городского транспорта в Нижнем Новгороде в последние годы значительно возросла.

Так, например, интенсивность движения автомобильного транспорта, измеренная на улице Коминтерна в Сормовском районе в 2005 году, бо-

лее чем в 3 раза превышает интенсивность движения автотранспорта по этой же улице, измеренную в 1970-м году (696 ед./час в 1970-м году и 2292 ед./час в 2005 году). А вместе с ростом числа автотранспортных средств растет и уровень шума на автомагистралях. В качестве примера в таблице 1 представлено сравнение уровней транспортного шума, измеренного на некоторых магистралях Нижнего Новгорода в 1970-м и в 2005 годах [1].

Анализ представленных данных показывает, что эквивалентные и максимальные уровни транспортного шума на всех улицах за 35 лет выросли на 4—10 дБА и составляют порядка 70—90 дБА.

Борьба с внешним шумом (в том числе и с транспортным) может вестись по трем основным направлениям:

• снижение шума в источнике его возникновения — создание малошумных транспортных средств и регламентация их движения;

• снижение шума на пути его распространения в городской застройке: комплексное использование рациональных приемов планировки и застройки, организация рельефа, применение шумозащитных экранов и барьеров;

• снижение шума внутри зданий и сооружений путем повышения звукоизолирующих свойств их наружных ограждающих конструкций.

Первое направление является наиболее радикальным и эффективным с акустической точки зрения, и, вместе с тем, имеет множество технических, экономических и организационных сложностей. Хотя в последнее время технический уровень транспортных средств намного выше, чем 10—20 лет назад, и уровни излучаемого ими шума ниже, тен-

№ п/п Наименование улицы Измеренный параметр Значения эквивалентного и максимального уровня звука, дБА

1970 год 2005 год

1 ул. Коминтерна (Сормовский р-н) Эквивалентный уровень звука 69 73

Максимальный уровень звука 75 80

2 ул. Белинского (Советский р-н) Эквивалентный уровень звука 70 77

Максимальный уровень звука 80 90

3 ул. Ванеева (Советский р-н) Эквивалентный уровень звука 70 75

Максимальный уровень звука 80 84

4 ул. Ошарская (Советский р-н) Эквивалентный уровень звука 65 74

Максимальный уровень звука 80 86

Таблица 1. Результаты измерения уровней шума от транспортных потоков на улицах Нижнего Новгорода в 1970 и 2005 годах.

120 5 2009

денция к постоянному увеличению интенсивности движения на городских магистралях сводит к минимуму эффект от данных мероприятий. Организация движения на городских улицах, особенно в исторически сложившихся районах и кварталах крупных городов, в настоящее время направлена в основном на увеличение пропускной способности дорог, и повышенным уровням шума особого внимания не уделяется.

Второе направление снижения шума (уменьшение его на пути распространения) в городской застройке применяется в основном при проектировании и строительстве новых зданий и сооружений, а также новых микрорайонов. Наиболее рациональным и достаточно эффективным является устройство шумозащитных экранов вдоль оживленных автомобильных магистралей и железных дорог.

Третье направление снижения шума внутри зданий и сооружений (повышение звукоизолирующих свойств их наружных ограждающих конструкций) применяется как в условиях сложившейся городской застройки, так и при проектировании и строительстве новых зданий и сооружений. Причиной тому является высокая избирательность данных мероприятий (объектом защиты от внешнего шума может служить отдельное помещение квартиры, отдельное здание и т.п.), а также их универсальность (возможность применения для снижения шума от наземного

и воздушного транспорта, шума строительных машин и механизмов, внутридворовых источников, шума промышленных предприятий и т.д.).

При рассмотрении воздействия внешнего шума на здания необходимо учитывать тот факт, что не все конструкции фасадов зданий имеют достаточную и равноценную звукоизолирующую способность. Наиболее слабым элементом в этом случае являются наружные светопрозрачные ограждения: окна, витражи, балконные двери и т.д.

В настоящее время в строительстве все чаще применяются оконные конструкции из пластикового профиля с однокамерными или двухкамерными стеклопакетами, оборудованными герметичными притворами. Герметичность притвора данных конструкций обеспечивается наличием нескольких контуров уплотнений, а также специальной оконной фурнитурой, позволяющей равномерно прижимать створку к оконной раме. Однако, в соответствии с требованиями [2], приток воздуха для обеспечения нормативного воздухообмена в жилых помещениях зданий должен осуществляться через щели или неплотности в оконных проемах или посредством открытых форточек или фрамуг окон. При этом нормирование и оценка уровней звукового давления в жилых помещениях от внешних источников шума должны вестись при открытых форточках или фрамугах [3]. В этом случае не имеет смысла го-

50

Дб

1 ч

\ \ * у к ^ 1

ц 1 / / \\ г4

Л\ н ь. К Г [ И т

V / / 3

\ 2 / \ 1—(

\ I } к

1 \ / N .— 1—^ 1—^ г

1 »

тоотооото >осоосч55о1л*-д

«-«-«- рч сч го ^

§ «о

оооооооооо N 55 о й

и и и § § §

, Гц

Рисунок 1. Частотные характеристики звукоизоляции оконного блока из ПВХ профиля с двухкамерным стеклопакетом (4 +10 + 4 +10 + 4 = 32 мм):

1 — с закрытой створкой без установки вентиляционного клапана (?Атран = 29 дБА);

2 — с закрытой створкой и установленным вентиляционным клапаном с акустическим козырьком (?Атран = 26 дБА);

3 — с вертикально откинутой для проветривания створкой (?Атран = 8 дБА).

45 40 35 30 25 20 15 10 5

ворить о какой-либо повышенной звукоизоляции окон (см. рис. 1).

Поэтому для защиты жилых помещений зданий от повышенного внешнего шумового воздействия при одновременном соблюдении условий нормативного воздухообмена необходимо применять шумозащитные окна, т.е. светопрозрачные конструкции, оборудованные специальными приточными вентиляционными устройствами.

Для изучения данного вопроса в лаборатории акустики ННГАСУ были проведены теоретические и экспериментальные исследования звукоизоляции шумозащитных окон при различных режимах их работы. Исследование влияния специального приточного устройства на звукоизоляцию проводилось на примере приточного вентиляционного устройства в комплекте со стандартным и акустическим козырьком [4]. Экспериментальные исследования звукоизоляции данных конструкций были проведены в больших реверберационных камерах лаборатории акустики ННГАСУ. Для проведения измерений использовалась прецизионная акустическая измерительная аппаратура фирм «RFT», «Sinus» (Германия), «Larson&Davis» (США) и «Октава +» (Россия).

По результатам проведенных измерений были получены частотные характеристики звукоизоляции оконного блока и в соответствии с ГОСТ [5] определена звукоизоляция (снижение шума потока городского транспорта) оконного блока Ra^^.

Акустическая эффективность исследуемого приточного устройства показана на рис. 1, где приведено сравнение частотных характеристик звукоизоляции оконного блока со стандартным двухкамерным стеклопакетом с формулой остекления 4 +10+ + 4 +10 + 4 = 32 мм, наиболее часто применяемого для окон жилых помещений с закрытой и открытой створкой, а также с закрытой створкой и смонтированным вентиляционным клапаном.

Таким образом, светопрозрачные конструкции с установленными вентиляционными приточными устройствами являются достаточно эффективными с акустической точки зрения и наиболее часто применяемыми на практике. Специалистами лаборатории акустики ННГАСУ на основании проведенного мониторинга шумового режима транспортных магистралей были проведены теоретические расчеты и разработаны практические рекомендации по защите от внешнего шума многих жилых и общественных зданий Нижнего Новгорода, находящихся под воздействием повышенных уровней транспортного шума. Данные работы производились на улицах Родионова, Тимирязева, Белинского, Ванеева, Ошар-ской, Республиканской, Коминтерна, Октябрьской

революции, Июльских дней, на проспекте Гагарина и других транспортных магистралях города.

Наряду со многими факторами, влияющими на численное значение звукоизоляции ограждений, особое место принадлежит характеру звука, воздействующего на преграду. Как показывает практика, в реальных условиях городской застройки очень часто встречаются случаи углового падения звука от различных источников на ограждающие конструкции зданий. Например, многоэтажные здания, расположенные в непосредственной близости от транспортных магистралей, находятся под действием звука, падающего на их ограждающие конструкции под некоторым углом. Причем при увеличении этажности здания угол падения звука на ограждения становится все больше, а звукоизоляция ограждения уменьшается [6]. Поэтому важным является случай наклонного падения звука на звукоизолирующее ограждение.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в лаборатории акустики ННГАСУ, позволили установить, что угол падения звуковых волн оказывает существенное влияние на численное значение звукоизоляции ограждающих конструкций конечных размеров.

Основной характеристикой звукоизоляции конструкции является коэффициент прохождения звука t, определяемый по выражению [7]:

т =

где У/2С — акустическая мощность, излученная ограждением при его резонансном движении; У/2И — акустическая мощность, излучаемая инерционными волнами; — звуковая мощность в падающей звуковой волне.

Для определения этих параметров используется теория самосогласования волновых полей, разработанная научной школой проф. М.С. Седова [7]. В этой теории принята модель прохождения звука, основанная на понятии самосогласования звуковых полей в плоскости ограждения и волнового поля самого ограждения. При этом учитываются резонансное и инерционное прохождение звука через пластину. Для шарнирно закрепленной по краям пластины размером в плане а х Ь выражения

ka sina = M

будут являться соотношениями характеристик звукового поля в плоскости рассматриваемого ограждения. Здесь к и к0 — волновые числа; а и а0 — углы падения свободной изгибной волны и звуковой вол-

ны в плоскости пластин, соответственно: М = т/т0 и N = п/п0 — коэффициенты самосогласования длин проекций свободных и звуковых полуволн по сторонам а и Ь соответственно; 8 — угол падения звуковых волн на ограждение, отсчитываемый от нормали к поверхности.

Определим амплитуду поперечных смещений рассматриваемой конструкции для случая резонансного прохождения звука [8]:

^0тп =

0т0п0

• А

где Ц — поверхностная плотность конструкции; Юр = [2тп(1 + /п) -Ю2] — здесь w = 2р 1 ,; 1

р тп 4 " J т тп ~ тп" тп

— частота собственных колебаний ограждения; П

— коэффициент внутренних потерь материала ограждения; А1 — характеристика самосогласования, определяемая по выражению:

В качестве примера рассмотрим светопрозрач-ное ограждение из стекла толщиной 4 мм (а = 1,13 м, Ь = 1,13 м), на которое под углом 8 = 75° падает плоская звуковая волна. На рис. 2 представлена частотная зависимость характеристики самосогласования при различных вариантах соотношения (согласования) волновых параметров т, п и т0, п0.

Резонансный характер прохождения направленного звука через ограждения позволяет установить три области частотной характеристики с различной степенью интенсивности прохождения звука: область простых пространственных резонансов (ПрПР) на низких частотах, область неполных пространственных резонансов (НПР) на средних и высоких частотах и область выше граничной частоты пространственного резонанса — область кратных простых пространственных резонансов (КПрПР) [9].

А =

а и

И

0 0

. тпх . пку . т0пх . п0пу . ткх т0пх . гпу п0пу

Б1П-Б1П-Б1П---Б1П —--+ Б1П-СОБ---Б1П-СОБ

и

и

и

и

с1хс1у

а и

И

0 0

. 2 т0пх  2 п0пУ , , Б1п —-— Б1п —-ахау

а и

где т, п — числа длин проекций собственных полуволн по сторонам а и Ь пластины соответственно; т0, п0 — те же величины для звукового поля в

плоскости пластины.

а

а

а

а

Рисунок 2. Частотная зависимость характеристики самосогласования для ограждения из стекла толщиной 4 мм (а = 1,13 м, Ь = 1,13 м) при 8 = 75°: 1 — огибающая линия наибольших значений для случая неполных пространственных резонансов (НПР); 2 — кривая, построенная по зависимостям для случая простых пространственных резонансов (ПрПР); 3 — то же для частотной области выше граничной частоты пространственного резонанса.

5 2009 123

Для случая направленного падения звука выражение для излучаемой ограждением акустической мощности в режиме резонансных колебаний запишется в следующем виде:

=

Р0С0 , • , Ке к0

2

со$ е

2С

к ,

к

02

где Л0тп — квадрат колебательной скорости ограждения; А — характеристика самосогласования звукового поля за ограждением с его собственным волновым полем; к02 — составляющая волнового числа (вектора) среды к0 вдоль оси ж; е2С — угол излучения.

При инерционном прохождении звука характеристикой начального состояния ограждения можно считать смещение при таких вынужденных колебаниях, которые формируются однородной вынужденной волной, являющейся следом падающей звуковой волны, и краевыми неоднородными вынужденными волнами.

Уравнение смещений в инерционной волне будет иметь вид:

£ И _ £ 0Ие

/'[¿01 (х б'п а о+у соб а о

Амплитуда поперечных колебаний ограждения в инерционных волнах при угловом прохождении звука определяется с учетом принципа наименьшего волнового движения:

£ 0И _ ^и

Р А

0т0п0 И

Ц • Ш2

где Аи — характеристика самосогласования звуковых полей с полем инерционных волн пластины (Аи = 1), Fи — функция отклика ограждения.

Звуковая мощность, излучаемая инерционными волнами, определяется как [8]:

л2 .2

уу _ Р0С0 Отрпр А2И • дь

8 соб е соб е

2И

где л0т0п0 — амплитуда колебательной скоро-

°т0п0

сти ограждения в инерционных волнах,

,2

Л2 _ Р

0т0п0 ' И

Р'г,

Ц 2 Ш 2

В качестве воздействующей на пластину звуковой мощности принимаем выражение акустической мощности падающего фронта плоских звуковых волн под углом е, которую запишем в виде [9]:

1 2 Росо

• а • Ь • соб е,

где Р02— суммарное амплитудное значение акустического давления в падающих звуковых волнах.

При уменьшении угла падения звуковых волн на светопрозрачное ограждение его звукоизолирующая способность увеличивается на 5—10 дБ (заштрихованная область на рис. 3), особенно в области

2

Я, дБ

70 п-—

60

50

о 1Л о о о ш о о о о о о о о о о о о о о о

о ГЧ «о о ю о о п о о ю о о о ю о о о о о

гч гч го ч- 1Л •-о СО о Гч| ч> о 1Л *— о о го о о

ГМ гм т ю >0 СО о

Рис. 3. Теоретические частотные характеристики звукоизоляции ограждения из силикатного стекла толщиной 4 мм: 1 — при угле падения звука 30°; 2 — при угле падения звука 75°.

средних и высоких частот, а на частоте пространственного резонанса 1 Гтп 75 — до 25—30 дБ.

А при увеличении угла падения звука граничная частота пространственного резонанса 1 Гтп смещается по частотной шкале вниз настолько, что при больших углах падения звука (больше 60°) находится в нормируемом диапазоне частот (100—3150 Гц), что значительно снижает звукоизоляцию конструкции для стекол толщиной 3—5 мм (наиболее часто применяемых в строительстве).

Таким образом, можно выявить значительные резервы повышения звукоизоляции светопрозрач-ных ограждений при их неизменном конструктивном решении за счет изменения угла падения звука [8], что позволяет определить новый и очень важный путь повышения звукоизоляции ограждений — изменение условий работы конструкции за счет уменьшения угла падения воздействующих на конструкцию звуковых волн.

Для подтверждения теоретических предпосылок в больших акустических камерах лаборатории акустики ННГАСУ были проведены экспериментальные исследования звукоизоляции светопрозрачных ограждений при угловом падении звука. Результаты проведенных экспериментальных исследований звукоизоляции однослойных светопрозрачных ограждений подтверждают теоретически выявленные резервы повышения звукоизоляции ограждений при

изменении угла падения звука. В качестве примера на рис. 4 представлены теоретически полученные частотные характеристики звукоизоляции ограждения из силикатного стекла толщиной 3 мм при углах падения звука 30° и 75°. Для сравнения на рис. 4 показаны экспериментальные частотные характеристики звукоизоляции той же конструкции при тех же углах падения звука, измеренные в больших акустический камерах лаборатории акустики ННГА-СУ [10].

Эффект влияния угла падения звука на звукоизолирующую способность был также теоретически и экспериментально выявлен и для многослойных светопрозрачных ограждающих конструкций. В качестве иллюстрации на рис. 5 представлено сравнение частотных характеристик звукоизоляции однокамерного стеклопакета с формулой остекления 4 + 16 + 4 мм, измеренных в больших акустических камерах лаборатории акустики ННГАСУ при углах падения звука 0°, 30° и 60° (угол отсчитывает-ся от нормали к поверхности).

На кафедре архитектуры ННГАСУ была разработана методика расчета звукоизоляции светопроз-рачных ограждающих конструкций при направленном падении звука [11]. Установленные соотношения, связывающие звукоизоляцию ограждений конечных размеров с углами падения звука, дают возможность конструировать ограждающие конст-

0410004-100000000000000000 ОРЧ^0О1П'-ООГ0ОО1ЛООО1ПООООООО •-«-«-гмгчт'ч'тчосоогч^оот'-оогпоощо

•-'--гнмрп^тюооо^ч)

Рисунок 4. Частотные характеристики звукоизоляции ограждения из силикатного стекла толщиной 3 мм:

1 — экспериментальная кривая при угле падения звука 30°; 2 — теоретическая кривая при угле падения звука 30°; 3 — «закон масс» для угла 30°; 4 — экспериментальная кривая при угле падения звука 75°; 5 — теоретическая кривая при угле падения звука 75°; 6 — «закон масс» для угла 75°.

Я, дБ

01Л0001Л00000000000000

огч«оои">«-оотоотооотоооо

-'--тмпчт««

Рисунок 5. Экспериментальные частотные характеристики звукоизоляции однокамерного стеклопакета 4 + 16 + 4:

1 — угол падения звука 0°; 2 — угол падения звука 30°; 3 — угол падения звука 60°.

рукции таким образом, чтобы свести к минимуму влияние внешних шумовых факторов на внутреннюю среду зданий.

С целью практической реализации теоретического опыта специалистами лаборатории акустики ННГАСУ был выполнен расчет звукоизоляции оконных блоков в проектируемом жилом здании, расположенном по ул. Родионова в Нижнем Новгороде, один из фасадов которого находится под воздействием направленного звука от оживленной транспортной магистрали. По результатам теоретических расчетов, учитывающих снижение звукоизоляции конструкций при больших углах падения звука, была предложена конструкция шумозащит-ных оконных блоков. Внедрение этих конструкций на практике позволило создать благоприятный акустический режим во всех помещениях жилого здания и обеспечить соблюдение требований Санитарных норм [3] и СНиП [12].

Список литературы

1. Экология Нижнего Новгорода [Текст]: моногра-

фия / Д.Б. Гелашвили, Е.В. Копосов, Л.А. Лаптев; под общ. ред. Д.Б. Гелашвили; гл. 13. Физические факторы загрязнения окружающей среды в Нижнем Новгороде. Раздел 13.1. Шумовое загрязнение. Н.Новгород, ННГАСУ, 2008.

2. СНиП 31-01-2003. Здания жилые многоквартир-

ные: строительные нормы и правила Российской Федерации: — М.: ФГУП ЦПП. — 40 с.

3. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

4. Бобылев, В.Н. Звукоизолирующие окна как сред-

ство снижения шумового загрязнения среды жизнедеятельности человека [Текст]/ В.Н. Бобылев, В.А. Тишков, Д.Л. Щеголев, Д.В. Му-рыгин / / Тр. науч. конгресса Международного научно-промышленного форума «Великие реки-2007». Нижний Новгород: Изд-во ННГА-СУ, 2007. — С. 386-389.

5. ГОСТ 26602.3-99. Блоки оконные и дверные. Метод определения звукоизоляции. — М.: ГУП ЦПП, 2000.

6. Бобылев, В.Н. Звукоизоляция ограждающих конструкций при направленном падении звука [Текст] / Бобылев В.Н., Тишков В.А., Щеголев Д.Л. / / Доклады XI Польско-Российского семинара «Теоретические основы строительства». Москва: Издательство АСВ. — 2002. — С. 249-256.

7. Седов, М.С. Звукоизоляция. Регулирование зву-

коизоляцией и звукопоглощением [Текст] / М.С. Седов, В.Н. Бобылев, В.А. Тишков, Л.В. Едуко-ва, Л.А. Борисов // Звукоизоляция и звукопоглощение: учебное пособие / Под ред. Г.Л. Осипова и В.Н. Бобылева. — М: ООО «Изда-

тельство АСТ» : ООО «Издательство Астрель», 2004. — Разд. 1. — С. 9-156.

8. Бобылев, В.Н. Резервы повышения звукоизоля-

ции ограждающих конструкций [Текст] / В.Н. Бобылев, В.А. Тишков, Д.В. Монич, Д.Л. Щего-лев / / Сборник трудов 12-го Российско-Польского научного семинара «Теоретические основы строительства». — Варшава: OWPW, 2003. — С. 237-244.

9. Седов, М.С. Расчет звукоизоляции однослойных

конструкций при направленном падении звука [Текст]: курс лекций / М.С. Седов, В.А. Тишков — Горький: ГГУ им. Н.И. Лобачевского, 1978. — 45 с.

10. Бобылев, В.Н. Проведение экспериментальных

исследований звукоизоляции светопрозрачных ограждений при направленном падении звука [Текст] / В.Н. Бобылев, В.А. Тишков, Д.Л. Щеголев // Вестник ВРО РААСН, Вып. 7 — Н. Новгород, РААСН, 2004 — С.93 — 99.

11. Бобылев, В.Н. Руководство по расчету звукоизоляции светопрозрачных ограждающих конструкций при направленном падении звука: учебное пособие / В.Н. Бобылев, В.А. Тишков, Д.Л. Щеголев; Нижний Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2003. — 40 с.

12. СНиП 23-03-2003 Защита от шума: строительные нормы и правила Российской Федерации: утв. Госстроем России: дата введ. 01.01.2004. — М.: ФГУП ЦПП, 2004. — 34 с.