Использование складчатых структур для устранения однообразного вида акустических экранов

УДК 72.01 КОЛМАКОВ А. В.

Использование складчатых структур для устранения однообразного вида акустических экранов

Статья освещает проблемы, возникающие при использовании акустических экранов, которые, с одной стороны, способствуют уменьшению шума на защищаемой территории, с другой стороны, усиливают шум, воздействующий на водителей. Предлагаемый концепт акустических экранов решает проблему визуальной замкнутости пространства и однообразия шумозащитных сооружений путем использования различных свойств звуковых волн для снижения воздействия шума.

Ключевые слова: архитектура акустических экранов, складчатые структуры, безопасность, резонансное поглощение.

KOLMAKOVA. V.

USE OF FOLDED STRUCTURES IN ORDER TO ELIMINATE ACOUSTIC SCREEN’S MONOTONOUS VIEW

Article deals with problems of using of acoustic screens. Acoustic screens, on one hand, promote noise reduction over protected territory, on the other hand, increase noise influence on drivers. Offered concept of acoustic screens solves a problem of space visual isolation as well as a problem of protective construction’s monotony by use of various properties of acoustic waves for decrease of influence of noise.

Keywords: architecture sound baffle, folded structure, security, resonant attenuation.

Колмаков

Антон

Викторович

старший преподаватель УралГАХА

e-mail: Kolmakov AV@mail.ru

В статье представлен новый концепт шумозащитного сооружения с использованием декорирующих элементов, несущих функциональную нагрузку. Данное сооружение выгораживает транспортную артерию города, создает эстетически привлекательный вид шумозащитной стенки, которая отвечает современным тенденциям по использованию новых технологий.

Цель — привлечь внимание к вопросам проектирования с учетом использования различных физических эффектов для защиты человека от угнетающего воздействия городской среды; показать концепт с выполнением условий «пользы» и «красоты» на примере решения задачи защиты от шума.

Проблема отсутствия привлекательности акустических экранов была выявлена по результатам всероссийских конференций с международным участием, проводившихся в Санкт-Петербурге в 2011 и 2013 гг.

В научной литературе до сих пор не был поднят вопрос о необходимости разработки функционально эффективных экранов с большим эстетическим потенциалом разнообразия и практическим решением.

Впервые предлагается использовать складчатую структуру в конструкции акустического экрана для использования эффекта резонансного поглощения и обеспечения визуальных

связей с окружением посредством расстановки элементов экрана по типу жалюзи.

Известно, что повышенное звуковое давление в шумовом канале, в который превращается участок дороги, выгороженный акустическими экранами, очень сильно утомляет водителя и пассажиров. Этому способствуют не только повышенный уровень шума, но и однообразие ограниченного пространства. Эти факторы усыпляют бдительность водителя и могут привести к появлению агрессии, что сказывается на безопасности движения.

Общие требования проектирования акустических экранов включают в себя функциональную составляющую (т. е. изоляция от шума), безопасность и простоту технического обслуживания, а также эстетически привлекательный вид, который не утомлял бы водителя во время пути и положительно воспринимался со стороны защищаемой территории. Однако чаще всего установленные акустические экраны представляют собой высокий забор, превращающий дорогу в монотонный шумовой канал.

Использование светопрозрачных вставок является типовым решением при проектировании акустических экранов. Чаще всего они применяются в центральной части города и, как правило, призваны обеспечить визуальные связи с городским ландшафтом. При применении акустических экранов со светопрозрачными

вставками надо четко представлять, какую функциональную нагрузку должны нести эти вставки. Они могут раскрывать боковое пространство для водителей и, тем самым, нарушать визуальное однообразие. Кроме того, светопрозрачные вставки могут способствовать увеличению освещенности защищаемых от шума территорий, т. е. выполнять роль световых фонарей для близко расположенных пространств (тротуаров, дворов и т. д.). Такое решение может считаться целесообразным, так как в различных случаях может использоваться разный по качеству материал.

В случаях, когда пространство необходимо «открыть» для водителей, нужно использовать качественный материал и, возможно, даже с применением поляризационных пленок, чтобы исключить отраженную бле-скость фар встречных автомобилей, солнца и устранить эффект зеркальности нежелательного отражения окружающего пространства. Надо отметить, что это наиболее дорогостоящие материалы акустических экранов. Но не стоит забывать, что в любом случае есть определенный угол, при котором отраженные световые лучи могут оказаться в зоне потенциального присутствия глаз водителя. Водитель может воспринимать расположенное за стеклом боковое пространство только в том случае, когда повернет голову под углом, близким к 90 градусам по отношению к линии расположения светопрозрачных вставок акустического экрана.

В другом случае, когда необходимо осветить смежное с автомагистралью пространство, можно использовать более дешевые материалы. Здесь может быть даже желательно отражение или искажение просматриваемого пространства, поскольку просматриваемые территории могут иметь малопривлекательный вид или вид постоянно мелькающих автомобилей не устраивает потребителей этого пространства (Иллюстрация 1.1). В любом случае светопрозрачные и шумопоглощающие вставки, призванные расширить границы воспринимаемого пространства и поглотить определенные частоты шума, как правило, слишком быстро перестают выполнять свою функцию ввиду отсутствия регулярной очистки (Иллюстрация 1.2).

В целях улучшения состояния акустических экранов необходимо предусмотреть:

1) способы снижения шумовой нагрузки;

2) возможность раскрытия бокового пространства.

Для этого необходимо обратить внимание на различные варианты геометрии акустических экранов и возможность применения разнообразных решений, способствующих защите от шума посредством использования физических свойств звуковых волн (отражение, дифракция, поглощение и резонансное поглощение).

В некоторых случаях можно пренебречь эффективностью звукоизолирующих свойств акустического экрана в пользу расширения бокового вида. Это способствует снятию напряжения водителя, вызванного ограничением восприятия пространства, а значит, повысит безопасность дорожного движения. Для осуществления такой идеи предлагается разделить плоскости акустических экранов и расположить их по типу жалюзи. Для определения параметров расположения элементов акустического экрана следует учесть ряд условий распространения шума и свойств звуковых волн.

В данном случае движущийся транспорт не нужно рассматривать как источник распространения цилиндрических волн. Его можно представить как совокупность множества точек импульсного шума, находящихся на некоей траектории и объединенных определенным промежутком времени. В рассматриваемый промежуток времени эти точки поочередно издают шум. Скорость автомобиля значительно ниже скорости звука, поэтому при формировании звукового поля автомобиль можно считать неподвижным объектом, соответственно, сформированное автомобилем звуковое поле движется с его скоростью.

Таким образом, если рассматривать распространение исходящих звуковых волн от точечных источников в плоскости плана, они представляют собой систему концентрических колец, центры которых имеют небольшое смещение (Иллюстрация 2).

• предполагаемые места положения автомобиля с интервалом в 1 с., при перемещении с V = 90 км/ч ° центры распространения звукового поля, сформированного движущимся автомобилем < вектор движения автомобиля \ШШ область распространения звукового поля за 1 с. область распространения звукового поля за 2 с.

I область распространения звукового поля за 3 с.

Иллюстрация 2. Схема распространения звукового поля, сформированного движущимся автомобилем. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

Иллюстрация 1.1. Вид искажения просматриваемого пространства и отражения. URL: http://sd174.ru/ products/ noisy-ekrany

МНВ

Иллюстрация 1.2. Пример отсутствия регулярной очистки светопрозрачных вставок акустического экрана. Фото А. В. Кол-макова

При проектировании размещения штучных элементов акустического экрана больший интерес представляет плоскость плана.

В представленной схеме (Иллюстрация 2) длина пробега звуковых волн в воздухе зависит от времени задержки автомобиля на рассматриваемой точке. Чем меньше промежуток времени, тем меньше ширина кольца сгенерированного смещения волнового фронта звуковых волн (при рассмотрении ситуации в плане). При рассмотрении распространения волн от точечного источника в пространстве сгенерированное смещение волнового фронта можно представить как полую сферу с определенной толщиной стенки, также зависящей от рассматриваемого времени задерж-

I Схема бокового вида |

Иллюстрация 3.1. Схема установки элементов акустического экрана. Вариант 1. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

(Схема бокового вида

Иллюстрация 3.2. Схема установки элементов акустического экрана. Вариант 2. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

Иллюстрация 4. Схема зависимости угла наклона акустического экрана от удаленности источника шума. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

ки. Ограничение или искажение данной геометрической фигуры будет зависеть от исследуемого спектра частот, габаритных размеров встречаемых преград и их коэффициентов звукопоглощения (дорожное полотно, стены зданий, поверхности газонов и т. д.).

Для примера возьмем удобные цифровые значения, округленные до целых величин. Примем скорость автомобиля 90 км/ч (25 м/ с). Средняя скорость распространения звуковых волн в воздухе составляет 340 м/с. В результате преобразований получим

ширину кольца смещения волнового фронта звуковых волн, равную 340 м (при задержке автомобиля в исследуемой точке на 1 секунду). Эту величину можно использовать для детального графического построения распространения звуковых волн от точечного источника.

Элементы акустического экрана должны располагаться таким образом, чтобы своей основной плоскостью максимально отражать, рассеивать или поглощать создаваемый шум. Нужно учесть и угол раскрытия плоскостей акустического экрана по отношению к потенциальному наблюдателю, чтобы чередование торцов акустического экрана и открытого пространства могло формировать целостную картину пейзажа. При перемещении наблюдателя с достаточно высокой скоростью, как известно, происходит эффект «размытия» предметов, расположенных вблизи, мешающих восприятию дальнего плана (Иллюстрации 3.1, 3.2).

Данный концепт предлагает расположить элементы акустического экрана с перекрытием по отношению друг к другу в пропорции 5 : 1 и более (используем общее эмпирическое правило: для обеспечения максимального сохранения акустических характеристик экрана соотношение между длиной участка перекрытия и расстоянием между экранами должно быть

4 : 1). Расстояние между перекрывающими элементами должно удовлетворять нормам для нераспространения звуковых волн с частотами, которые не претерпевают снижения интенсивности при прохождении по воздуху на относительно короткие расстояния (т. е. звуковые волны с частотами до 2000 Гц). Если взять граничную частоту f = 2000 Гц, используя формулу [А, = СЛ] (А, — длина звуковой волны; С — скорость распространения звука, Г— частота), мы получим наибольшее расстояние 17 см, которое можно использовать для проектирования расположения элементов акустического экрана.

Для большей эффективности элементы акустического экрана следует установить наклонно, под тупым углом к плоскости дороги, чтобы создаваемый автомобилями шум отражался в небо. Угол наклона акустического экрана по отношению к плоскости дороги зависит от расстояния, на котором расположена линия предполагаемого размещения акустического экрана и ближайшая траектория точечных источников шума. Чем больше расстояние, тем прямее может быть угол наклона (Иллюстрация 4). В данной схеме за наиболее шумящую точку

взят уровень касания шин и асфальта. В других случаях плоскость акустического экрана по отношению к плоскости дороги может быть расположена под двойным углом (в плане и разрезе), что обеспечивает некоторое увеличение длины и изменения вектора направления луча звуковой волны.

Материал элементов может быть любым: кирпичная, каменная или блочная кладка, бетон, металл, древесина, прозрачные материалы, пластмассы, рециклированная резина, композиты.

В случае реализации идеи раскрытия бокового пространства, дифракционного рассеивания и резонансного поглощения лучше всего подойдет листовой материал. В современных условиях производства материалов лучше всего подойдет сталь толщиной 0,7 мм. Она удобна в обработке, ей проще придать складчатую структуру поверхности, удовлетворяющую условиям максимально эффективного дифракционного рассеяния как можно большего спектра звуковых волн. После штамповки (или другого способа обработки) прямоугольный в плане лист принимает форму трапеции. Примерные параметры готового листа до обработки: 6 х 18 м. После обработки (придания гладкому листу геометричной складчатой структуры) размер сократится по длине примерно на 1—1,5 м. По ширине стороны будут иметь неодинаковые размеры: с одной стороны примерно 5,5 м; с другой стороны 3-4 м. Разбег размеров зависит от эффективности создаваемого рельефа складчатой поверхности, которая, в свою очередь, зависит от выбранного рисунка членения.

При выборе членений необходимо учитывать, что хорошо рассеиваются звуковые волны, длины которых близки по размерам к членению поверхности. Наиболее пригодны для этой цели элементы с криволинейными и выпуклыми членениями, которые способны рассеивать и более короткие волны. При использовании периодически расположенных элементов рассеивание звуковых волн зависит не только от их формы и размеров, но и от их шага. Поэтому смещение элементов акустического экрана и расположение их более рельефной части на переднем плане увеличивает размеры образуемых препятствий для успешной дифракции более низких частот.

Несколько вариантов складчатых структур разработаны студенткой 3-го курса УралГАХА факультета «Дизайн» Е. Ю. Гордеевой с учетом условий, перечисленных выше (Иллюстрация 5). Необходимо оговорить, что при раз-

работке рисунка складчатых структур возможно случайное повторение уже существующих или ранее запатентованных узоров, в этом случае вопрос применения определенного вида структуры решается с правообладателем. Один из разработанных вариантов взят для визуализации внешнего вида готового изделия (Иллюстрация 6). В зависимости от выбранного рисунка складчатой структуры, неодинаковое сжатие противоположных сторон акустического экрана может придать изначально прямоугольному листу форму трапеции или сегмента усеченной пирамиды.

Кроме того, поверхность акустического экрана предлагается закрепить таким образом, чтобы конструкция выполняла функцию резонансного поглотителя низких частот в наиболее сложно гасимой части спектра 100 Гц и ниже. Однако для эффективной работы этой конструкции не будет хватать некоего замкнутого объема, где воздух будет выполнять роль пружины. В этой ситуации можно установить панель непосредственно на амортизаторы. Таким образом, создаваемые звуковые колебания при наклонном проектном положении панели будут гаситься со стороны защищаемой территории покрытием, расположенным за акустическим экраном (трава, снег и др.). Кроме того, роль пружины может выполнять незамкнутый объем воздуха, находящийся под пластиной акустического экрана. В данном случае упругость воздуха достижима за счет большой площади элемента акустического экрана и его относительно малого веса.

Для реализации эффекта резонансного поглощения необходимо установить панели на опоры таким образом, чтобы создать условия для свободных колебаний (Иллюстрация 7). Амплитуда этих колебаний не должна превышать половины расстояния воздушного промежутка между па-

Иллюстрация 5.1. Вид складчатой структуры. Вариант 1. Автор: Е. Ю. Гордеева. 2013 г. Фото А. В. Колмакова

Иллюстрация 5.2. Вид складчатой структуры. Вариант 2. Авторы: Е. Ю. Гордеева, А. В. Колмаков. 2013 г. Фото А. В. Колма-кова

Иллюстрация 5.3. Вид складчатой структуры. Вариант 3. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г. Фото А. В. Колмакова

Иллюстрация 5.4. Вид складчатой структуры. Вариант 4. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г. Фото А. В. Колмакова

Иллюстрация 6. Вид устройства акустического экрана с использованием складчатых структур. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

Иллюстрация 7.1. Схема колебаний при резонансном поглощении. План. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

предполагаемые оси смещения

2 300

Иллюстрация 7.2. Схема колебаний при резонансном поглощении. Боковой вид. Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

схема устройства vriDvroro шарнира

мет. конвертер плоскостей крепления резьбовое соединение \ 1 листовой материал АЭ резьбовое соединение

гибкая связь -—-

\ * • •

амортизатор с двойной навивкой пружины 7 \

Иллюстрация 7.3. Схема устройства упругого шарнира (узел крепления панели складчатой структуры акустического экрана к опоре). Автор: А. В. Колмаков. 2013 г.

нелями для исключения возможного биения соседствующих конструкций. Жесткость складчатой структуры, препятствующей сторонним силам (ветер), вызывающим нежелательное колебание, может быть обеспечена за счет неравномерного распределения веса пригружающих пластин и заполнения складок перегибов упругим материалом, расположенных на тыльной стороне акустического экрана.

Заключение

Необходимо проверить экспериментально шумозащитную эффективность применения данного концепта, его экономическую целесообразность и согласование с нормами безопасности. Однако уже сейчас ясно, что он может быть легко внедрен (при положительном исходе опытов), так как содержит возможность стандартизации и потенциал эстетического разнообразия при формировании акустических экранов. Это позволит решить проблемы, связанные с устранением вредного влияния шума и однообразия замкнутого пространства дороги.

Список использованной литературы

1 Евгеньев Г. И. Применение шумозащитных экранов на автомобильных дорогах США [Электронный ресурс]. URL: http://www.masstar.ru/ uploads/ files / sba rriers_usa.pdf (дата обращения: 18.08.2013).

2 Поспелов П. И. Опыт применения акустических экранов на МКАД и перспективы их применения на автомобильных дорогах [Электронный ресурс] // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 21-22 марта 2006 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (106 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

3 Попова М. В., Федоренко С. Н., Давыдов В. В. К учету физико-механических характеристик акустических экранов [Электронный ресурс] // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 22-24 марта 2011 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (118 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

4 Тюрина Н. В. Применение акустических экранов для снижения шума в жилой застройке [Электронный ресурс] // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докл. конф. Санкт-Петербург,

21-22 марта 2006 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (106 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

5 Грибов С. А. Особенности проектирования и производства шумозащитных экранов [Электронный ресурс] // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докл. конф. Санкт-Петербург,

22-24 марта 2011 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (118 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

6 Дымченко В. В., Тишков В. А. Экспериментальные исследования звукоизоляции реберных ограждений [Электронный ресурс] // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 22-24 марта 2011 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (118 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

7 Защита от шума в градостроительстве // Справочник проектировщика / Г. Л. Осипов, В. Е. Коробков, А. А. Климухин и др. ; под ред. Г. Л. Осипова. М., 1993.

8 Шубин И. Л. Расчет шума, проникающего за экран [Электронный ресурс] // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 22-24 марта 2011 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (118 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

9 Колмаков А. В. Варианты устранения однообразия, создаваемого акустическими экранами [Электронный ресурс] // Защита от повышенного шума и вибрации : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 26-28 марта 2013 г. Электрон. текстовые, граф., зв. дан. и прикладная прогр. (121 Мб). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).