Снижение уровня городского шума средствами архитектуры

УДК 72.01 КОЛ МАКОВ А. В.

Снижение уровня городского шума средствами архитектуры

В статье исследуется проблема распространения шума в городском пространстве. Приводятся мероприятия по уменьшению уровня городского шума средствами архитектуры. Дана информация о возможности использования звукопоглощающих конструкций и звукорассеивающих элементов в качестве отделки поверхностей фасадов. Представлены концепты противошумной обработки фасадов, обладающие эстетическим потенциалом.

Ключевые слова: защита от шума, городская среда, шумопоглощающие фасады, шу-морассеивающие фасады.

KOLMAKOV A. V.

A REDUCTION OF URBAN NOISE' LEVEL BY MEANS OF ARCHITECTURE The article examines the problem of noise propagation in urban space.

Describes activities to reduce urban noise by means of architecture. Given information about the possibility of using sound-absorbing structures and a sound-scattering elements as finish surfaces. Presents applicability of sound-absorbing constructions and sound-scattering elements used as dressing of fasade's surfaces. It suggests the concept of antinoise treatment of fasade's surfaces with aesthetic potential.

Keywords: acoustic protection, urban open space, sound-absorbingfasade, sound-scattering fasade.

Колмаков

Антон

Викторович

старший преподаватель кафедры АСЭ УрГАХУ

e-mail: Kolmakov av@mail.ru

Возникающий в городской среде шум отрицательно влияет на население (происходит маскировка звуковых сигналов, возникают раздражительность, нарушение слуха, сердечно-сосудистые заболевания и пр.). Среди главных негативных последствий воздействия повышенного уровня шума следует назвать быструю утомляемость организма во время труда или отдыха и, как следствие, понижение сопротивляемости организма различным заболеваниям и нервным перегрузкам. В данном исследовании предлагается рассматривать фасады зданий как поверхности, участвующие в активном снижении уровня городского шума при его распространении.

Цель исследования — изучить возможность использования шумопоглощающих и шуморас-сеивающих поверхностей для отделки фасадов зданий в качестве средства борьбы с повышенным уровнем городского шума. Выявить эстетический потенциал таких поверхностей при использовании в строительстве или реконструкции зданий в городской среде.

Данные о методике исследования

Для определения методов снижения уровня городского шума необходимо выявить основные источники его происхождения. С этой целью на территории города следует выделить определенные зоны, где локально присутствует повышенный уровень шума как результат

деятельности человека — трудовых процессов или развлекательных мероприятий. Такие зоны можно условно разделить на два типа. К первому типу относится аудиоинформационное загрязнение, исходящее от закрытых или открытых торгово-развлекательных площадок, пешеходных улиц, где шум создается непосредственно человеком или системами звукоусиления (ау-диореклама, радио- или музыкальная трансляция). Ко второму типу можно отнести зоны, где источником шума является работа транспорта, строительных инструментов, уборочных машин и т. д. Зачастую эти пространства совмещены друг с другом и, следовательно, отличаются более сильным шумовым загрязнением: транспортные узлы, характеризующиеся наличием нагруженной автомагистрали, пересечений маршрутов наземного транспорта и метро, административных учреждений, торговых и развлекательных заведений. Сегодня «по массовости воздействия и интенсивности можно говорить о нескольких основных источниках акустического загрязнения в городах» (Таблица 1) [4, 16]. Для любого источника шума разработаны различные методы снижения уровня шума (административные, конструктивные, планировочные), эффективность которых зависит от ряда специфических условий работы источника шума.

В городской среде создается и присутствует определенный уровень шума, который увеличивается за счет интерференции звуковых волн

Таблица 1. Источники акустического загрязнения по Н. И. Иванову [4, 76]

Источник шума Максимальные превышения уровня звука, дБА

Автомобильный транспорт 20- -25

Железнодорожный транспорт 15- 20

Авиационный транспорт 10- -15

Строительство (коммунальные операции) 20- -35

Промышленные предприятия: 5- 10

Трамваи 15- 20

Иллюстрация 1. Схемы изоляции дворового пространства от шумной магистрали: 7 — све-топрозрачный акустический экран; 2 — звукозащитный тамбур для пешеходов; 3 — звукоизолирующая конструкция проезда для глушения уличного шума. Схема А. В. Колмакова

Иллюстрация 2. Схема конструкции звукопоглощающей облицовки: А — схема многослойного резонансного звукопоглотителя [10, 50]; Б — схема звукопоглощающей облицовки с перфорированным покрытием [1, 360]; 7 — материал несущей конструкции стены; 2 — пористый материал (заполнитель); 3 — редкая ткань (серпянка, мешковина и пр.); 4 — облицовочный материал с перфорацией (металл, фанера, ГКЛ и пр.); а — шаг перфорации; Ь — толщина облицовочного материала; Ьп — глубина слоя резонаторов; сти — площадь отверстия

Иллюстрация 3. Построение лучевой картины от точечного источника шума: 7 — зона распространения прямого излучения; 2 — зона распространения отраженного излучения; 3 — зона распространения дважды отраженного излучения; 4 — жилые здания; 5 — учебные корпуса УрФУ; 6 — офисные здания; 7 — путь прямого излучения шума; 8 — точечный источник шума, расположенный на усредненной траектории линейного шума. Схема А. В. Колмакова

в процессе распространения. Кроме того, ввиду значительного зашумле-ния пространства, чтобы доставить до потребителя звуковую информацию (музыку, информационные и рекламные аудиосообщения, речь), сигнал должен обладать большей интенсивностью. Звуковые волны, генерируемые в условиях наличия большого количества плоскостей (фасады зданий, покрытия дорог, тротуаров и площадей и т. д.), усиливаются и обретают большую проникающую способность из-за прямого и отраженного излучений, дифракции и резонанса.

Административные меры (регламент времени воздействия шума или запрет на использование источников интенсивного шума), конструктивные (выгораживание источника шума или защищаемого объекта), а также планировочные меры (разведение в пространстве «шумных» и «тихих» зон) в реальности не всегда эффективны или невыполнимы.

Автору представляется рациональным использование комплекса средств, направленных на снижение уровня шума при его распространении в условиях города. Комплекс средств — это совокупность мер по изоляции дворовых пространств, соседствующих с «шумными» зонами, а также по созданию поверхностей, выгораживающих «шумные» зоны, препятствующих увеличению шума при его распространении.

Экспериментальная часть, анализ, обобщение и разъяснение собственных данных

Мероприятия по изоляции дворовых пространств включают создание звукозащитных тамбуров в арках пешеходных проходов; светопрозрачных акустических экранов в промежутках между фасадами (во избежание проникновения во двор прямого и отраженного шума); звукоизолирующих конструкций дворовых проездов (для глушения уличного шума) (Иллюстрация 1).

Создание поверхностей, препятствующих увеличению шума при его распространении, предполагает использование таких материалов или конструкций, где уплотненный по фронту звуковой волны воздух претерпевает значительное сопротивление при взаимодействии с ними. Материалы делятся на две группы: шумопоглощающие и шуморассеива-ющие. К первой группе относятся конструкции с повышенным коэффициентом звукопоглощения, работающих по принципу работы многослойных резонаторов и (или) звукопоглощающих панелей с перфорированной

11 I г*— з»— 4 ©

Иллюстрация 4. Расположение зон противошумной обработки фасадов: 1 — зона распространения звукопоглощающих материалов или звукорассеивающих элементов; 2 — звуковой луч прямого излучения;

3 — звуковой луч отраженного излучения;

4 — точечный источник шума, расположенный на усредненной траектории линейного шума. Схема А. В. Колмакова

облицовкой (Иллюстрация 2). Ко второй группе принадлежат объемные архитектурные детали или поверхности с увеличенным рельефом, способствующие более эффективному рассеиванию звуковых волн средних и низких частот (до 1 000 Гц) при отражении. Обе группы материалов могут быть использованы для отделки различных плоскостей городского пространства (фасады домов или малых архитектурных форм, покрытия пешеходных путей, внутренние поверхности навесов, рекламные щиты и пр.).

Исходя из требований экономической целесообразности противошумная обработка поверхностей городского пространства (фасады, тротуары и прочие покрытия) должна производиться с выявлением зон, участвующих в неблагоприятном отражении (и переотражении) звуковых волн, способствующих образованию стоячих волн между фасадами зданий или проникающих посредством отражения на защищаемую территорию (двор). Чаще всего такие зоны располагаются на фасадах зданий. Для их определения, зная расположение источников шума, следует построить пространственные лучевые картины. При построении лучевых картин от линейных источников шума их следует представить как совокупность множества точек импульсного шума, находящихся на некоей траектории и объединенных определенным промежутком времени [7, 71]. Для этого с определенной долей усреднения рассматриваемый участок траектории движения следует разбить на зоны, в середине которых будут располагаться точечные источники шума (Иллюстрация 3). Аналогом может являться устройство светодиодной ленты, где кристаллы имеют линейное расположение с определенным шагом. При определении на объемной модели мест, участвующих в нежелательном

Иллюстрация 5. Солнцезащитные жалюзи (г. Валенсия, Испания): 1 — общий вид; 2 — фрагмент; 3 — схема геометрии ячейки. Схема А. В. Колмакова. Фото А. В. Колмакова

Иллюстрация 6. Декоративные решетки лоджий (Париж, Франция). Фото А. В. Колмакова

отражении, следует учитывать уменьшение энергии, зависящее от расстояния, преодоленного звуковым лучом при свободном пробеге по воздуху [4 . т. = ¿и. 0.- 20 • 1в (г¡То )дБА] (Ьрт — уровень шума в расчетной точке (дБА); — уровень шума в источнике (дБА); ^ — десятичный логарифм; г — расстояние от источника шума до расчетной точки (м); г0 — расстояние от источника шума до места измерения шума (м) [5, 362].

В качестве примера противошумной обработки фасадов зданий рассмотрен участок городской ситуации в г. Екатеринбурге на ул. Куйбышева в границах между ул. Белинского и ул. Мамина-Сибиряка. Участки противошумной обработки фасадов обыч но располагаются: в нижней части зданий (1-3-й этаж); во внутренних углах; в третьей части длины фасада (ближайшей к улице); в случае параллельного расположения фасадов (Иллюстрация 4). Уровень обреза верха определяемой зоны зависит от высоты и удаленности противостоящих зданий друг от друга.

Используемые для уменьшения уровня уличного шума поверхности фасадов помимо функциональности должны обладать художественной выразительностью, чтобы придать эстетически привлекательный вид городскому пространству.

Здание можно отнести к группе «шумопоглощающих», если в результате обработки его фасада(-ов) оно перестало участвовать в нежелательном отражении или переотражении

звуковых волн. В качестве средств визуальной выразительности такие покрытия могут быть представлены в виде жалюзийных и декоративных солнцезащитных решеток и ставен, а также художественно расположенной перфорации, выполненной в обшивке звукопоглощающих конструкций фасадов.

В качестве шумопоглощающих поверхностей можно рассматривать некоторые солнцезащитные решетки или жалюзи, используемые в южных европейских городах. Особенность конструктивного решения состоит в формировании светозащитной ячейки, где есть пространство, напоминающее короткую трубу сложной конфигурации, с замкнутым по периметру объемом открыто с противоположных сторон. Набор массива таких ячеек создает сетку [6, 322]. Геометрию описываемой формы сложно представить визуально, так как чаще всего такие «трубки» расположены с наклоном к горизонтальной поверхности и «срезаны» под углом для формирования вертикальной плоскости (Иллюстрация 5). Для того чтобы такая конструкция работала по принципу резонансного звукопоглотителя, позади жалюзийной сетки-решетки (на тыльную сторону «трубок») необходимо прикрепить стеклоткань или, лучше, мелкую металлическую сетку. Заключенный в объеме «трубки» воздух будет испытывать трение при перемещении от распространения фронта набегающей звуковой волны, увеличивая тем самым амортизирую-

Иллюстрация 7.1. Обработка фасадов зданий звукопоглощающими конструкциями. Схема выполнена студентами УрГАХУ (А.А. Плужникова, Ю. А. Прокопюк, Е. С. Сидельникова, М. В. Тол-стогузова, М. В. Федотов). Руководитель: А. В. Колмаков. 2016 г

Иллюстрация 7.2. Обработка фасадов зданий звукопоглощающими конструкциями. Схема выполнена студентами УрГАХУ (К. А. Блинова, А. Д. Каптелова, К. Д. Курманова, О. Д. Медведева, А. О. Шелухин). Руководитель: А. В. Колмаков. 2016 г

Иллюстрация 7.3. Обработка фасадов зданий звукопоглощающими конструкциями. Схема выполнена студентами УрГАХУ (М. Ф. Валинурова, Л. О. Кочанова, А. А. Сергеева, А. В. Скоморо-хова, А. А. Шигапова). Руководитель: А. В. Колмаков. 2016 г.

Иллюстрация 8. Типы перфорации: сквозная пробивка, просечное выдавливание (Париж, Лилль, Франция). Фото А. В. Колмакова

щее действие звуковых волн низких частот. Помимо этого, при выходе из «трубок» сетки падающая звуковая волна будет подвергаться дифракции. Для того чтобы упредить появление нежелательного эффекта стоячих волн в от-

крытых «трубках», т. е. для упреждения появления гула в шумопоглощающей решетке при воздействии ветра в поперечных направлениях, необходимо предусмотреть технологические отверстия, уменьшающие высоту воздушного столба в акустическом отношении [2, 139; 8, 115].

Применение декоративных решеток лоджий или трансформируемых ставен является менее эффективным вариантом создания шумопоглощающей поверхности вследствие небольшой площади покрывающего материала и отсутствия замкнутого объема за панелями [9, 438]. Для относительно корректной работы модули таких решеток должны обладать достаточно большими размерами (1 х 2 м). Свободно расположенные на фасаде, решетки повышают общую рельефность здания, делая его шумо-рассеивающим (Иллюстрация 6). Использование таких решеток в широтах Среднего Урала нецелесообразно ввиду малой эффективности в акустическом отношении и значительного затенения освещаемых помещений.

При выполнении отделки фасадов зданий звукопоглощающими конструкциями возможно применение художественно оформленных перфораций, позволяющих формировать разнообразные художественные образы, новые композиционные акценты. Создавая новые фасады, можно объединять здания с «бедной» архитектурой в единые комплексы (Иллюстрация 7). Художественно-выразительное решение перфорации в декоративной обшивке обогатит эстетику протяженных фасадов и придаст им дополнительную функцию.

При определении способа исполнения (сквозная пробивка, лазерная резка, просечное выдавливание), размеров и площади отверстий, а также их количества на определенной площади следует руководствоваться техническим расчетом с учетом художественной выразительности будущего вида здания. Согласно С. Н. Ржевкину, «отверстия резонаторов могут быть сделаны не круглыми, а прорезаны в форме щелей, прямоугольников, звездочек и т. п. и расположены не по квадратной решетке, а по какому-нибудь узору. При сохранении той же суммарной площади отверстий на единицу площади поглотителя получится тот же коэффициент звукопоглощения, независимо от формы отверстий» (Иллюстрация 8) [10, 59].

Неравномерное распределение перфорации обеспечивает неоднородное расположение поверхностей для поглощения звуковых волн. В результате определенные длины волн будут подвергаться диффузному отражению, что будет оказывать противодействие распространению шума.

Особенностью конструкции многослойных резонансных звукопоглотителей считается «со-колебание передней стенки, покрывающей резонаторы, если она недостаточно жестко укреплена» [10, 59]. Выполнение обшивки должно иметь модульное решение, которое можно исполнить промышленным способом, а корректность работы проверить в лабораторных условиях.

При отделке зданий кассетами звукопоглощающих панелей с перфорированной облицовкой следует руководствоваться такими же требованиями, какие предъявляются к конструкциям многослойных резонаторов, однако в этом случае размеры модулей, ввиду их более простой конструкции, могут быть больше.

В случае рационализаторского предложения, когда может быть рекомендовано одновременное использование вентилируемых фасадов в качестве теплоизолирующей и звукопоглощающей конструкции, необходимо провести тщательное исследование и серьезное обоснование этого предложения. Использование одной конструкции для решения нескольких задач (звукопоглощение и теплоизоляция) сопряжено с рядом вопросов, где решение одной задачи может исключать качество решения другой

Иллюстрация 9. Фактурная бетонная поверхность (Барселона, Иллюстрация 10. Рельефная поверхность фасада, созданная Испания). Фото А. В. Колмакова посредством архитектурных элементов (Бильбао, Испания).

Фото А. В. Колмакова

Иллюстрация 11. Рельефная поверхность фасада, созданная Иллюстрация 12. Рельефная поверхность элемента город-посредством архитектурных и декоративных элементов (Париж, ского благоустройства — скамейки (Аргентона, Испания). Франция). Фото А. В. Колмакова Фото А. В. Колмакова

или их совместное решение может привести к сокращению срока экс-плуа тации разрабатываемой конструкции. Основными недостатками совместной работы такой конструкции являются: нарушение режима вентиляции (при проветривании утеплителя) и намокание утеплителя (через технологические отверстия).

Шуморассеивающие здания должны иметь активный рельеф поверхности фасада — крупные архитектурные элементы (эркеры, балконы, козырьки) и значительный масштаб декоративных элементов.

Использование небольшого рельефа или фактурных бетонных поверхностей неэффективно в акустическом отношении, так как данная глубина рельефа недостаточна для рассеивания звуковых волн (Иллюстрация 9).

Согласно положениям, сформулированным в теории звукопоглощения, эффективная толщина звукопоглощающего материала для определенной длины звуковой волны должна составлять X/ 4 (\ — длина звуковой волны), а размер звукопоглощающей поверх ности для достаточной дифракционной расходимости падаю-

щей волны внутри материала должен составлять Х% [11, 153]. Используя метод аналогий, можно предложить подобные соотношения между размерами препятствий для дифракционного отражения падающих звуковых волн. В этом случае для смещения фронта определенной длины звуковой волны размеры препятствия (длина, ширина, диаметр) должны составлять Х%, а высота (рельефность) — не менее X/ 4. Используя формулу [X = С/ f ] (X — длина звуковой волны; С — скорость распространения звука; f — частота) и по-

Таблица 2. Рекомендуемые размеры для дифракционного отражения некоторых частот при условии скорости распространения звуковой волны 340 м/с

Частота f, Гц Длина волны X, м, X = 340/f Рекомендуемые размеры для плоскости рассеивающего препятствия 0,75 X, м Минимальная глубина рельефа рассеивающего препятствия 0,25 X, м

31,5 10,8 8,10 2,70

63 5,4 4,05 1,35

125 2,72 2,04 0,68

250 1,36 1,02 0,34

500 0,68 0,51 0,17

1000 0,34 0,26 0,09

лагая, что С ^ 340 м/ с, мы можем получить габаритные размеры рассеивающих элементов для различных частот (Таблица 2). Рекомендуемые размеры для дифракционного отражения с частотами до 31,5 Гц и после 1 000 Гц не представлены. Инфразвуковая область колебаний, которую создают практически все двигатели внутреннего сгорания, где отсутствует система активного подавления шума при выбросе отработанных газов, является трудно гасимой. Эта область частот плохо воспринимается на слух и угнетающе действует на организм [3, 46]. В качестве препятствующего рельефа для распространения звуковых волн инфразвуковой области могут служить фрагменты фасадов зданий (торцы), ширина которых составляет 12-13 м. Для высоких частот, напротив, сам материал распространения (воздух) оказывает достаточно большое сопротивление. Кроме того, источники шума, производящие интенсивный шум высоких частот, либо снабжены соответствующим глушителем, либо имеют кратковременный (импульсный) режим работы.

Из Таблицы 2 следует, что для дифракционного отражения широкого спектра частот звуковых волн фасады зданий должны иметь большое количество разных по размеру и значительных по рельефу архитектурных элементов и декоративных деталей. В качестве примера, отвечающего данным требованиям, выступают такие архитектурные решения фасадов или объемов, где использована крупная и средняя пластика с основной концентрацией в месте (уровне) шумоотражения (Иллюстрации 10, 11).

Повышая рельефность фасада посредством выступающих и западающих архитектурных элементов (балконы, ниши, эркеры, рельефные наличники, лепнина и пр.), архитектор задает шероховатую в акустическом отношении поверхность, где детали фасада различного размера служат своеобразным «волнорезом» для широкого спектра звуковых волн, способствуя их рассеиванию. Аналогом этого явления может служить эффект устранения прямой блесткости, когда для равномерного освещения используют свет, отраженный от рельефной матовой поверхности.

При использовании малых архитектурных форм и элементов благоустройства как препятствий, рассеивающих звуковые волны, необходимо обращать внимание на их физические размеры. Большие площади для эффективного рассеивания также должны иметь рельефную фактурную поверхность или сам элемент должен состоять из набора мелких деталей (Иллюстрация 12).

Заключение

Представленные концепты шумопоглощающих и шу-морассеивающих поверхностей для отделки фасадов зданий в качестве средства борьбы с повышенным уровнем городского шума имеют значительный потенциал использования. Помимо эффективного противодействия распространению шума, декоративная составляющая предлагаемых поверхностей позволит обогатить и разнообразить эстетику городской среды, особенно в районах с типовым панельным домостроением. В работе содержатся рекомендации по локализации фрагментов застройки, где требуется разместить поверхности, препятствующие распространению шума. Представлены основные технические требования для создания рисунка перфораций шумопоглощающих поверхностей, геометрические параметры для проектирования объемных элементов шуморассеивающих поверхностей, а также приведены примеры их использования в проектных эскизах (предложениях) и в аналогах. Опираясь на предложенные рекомендации, архитекторы смогут проектировать (реконструировать) городские пространства и отдельно стоящие объекты, учитывая требования по обеспечению повышенного шумового комфорта.

Список использованной литературы

1 Архитектурная физика : учебник для вузов / В. К. Лиц-кевич [и др.] ; под ред. Н. В. Оболенского. Стереотип. изд. М. : «Архитектура-С», 2005. 448 с.

2 Воронкин А. С. Линейные колебания и волны: введение в акустику : учеб. пособие. Луганск : СПД Резников В. С., 2012. 224 с.

3 Зинкин В. Н. Современные проблемы производственного шума [Электронный ресурс] // Защита от повышенного шума и вибрации : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 18-20 марта 2015 г. С. 36-56. URL: http://elibrary. ru/download/elibrary_23192063_94080788.pdf (дата обращения: 02.02.2017).

4 Иванов Н. И. Концепция снижения шума в РФ [Электронный ресурс] // Защита от повышенного шума и вибрации : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 18-20 марта 2015 г. С. 14-26. URL: http://elibrary.ru/ downlo ad/elibrary_23192063_94080788.pdf (дата обращения: 02.02.2017).

5 Иванов Н. И. Теория и практика борьбы с шумом : учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Логос, 2015. 432 с.

6 Колмаков А. В. Акустически вязкие поверхности в городской среде [Электронный ресурс] // Защита от повышенного шума и вибрации : сб. докл. конф. Санкт-Петербург, 18-20 марта 2015 г. С. 321-327. URL: http:// elibrary.ru/download/elibrary_23192063_94080788.pdf (дата обращения: 02.02.2017).

7 Колмаков А. В. Использование складчатых структур для устранения однообразного вида акустических экранов // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2013. № 4. С. 70-74.

8 Музыкальная акустика / В. А. Багадуров, Н. А. Гарбузов, П. Н. Зимин и др. ; под ред. Н. А. Гарбузова. М. : Музгиз, 1954. 235 с.

9 Осипов Г. Л., Юдин Е. Я., Хюбнер Г. и др. Снижение шума в зданиях и жилых районах ; под ред. Г. Л. Оси-пова, Е. Я. Юдина. М. : Стройиздат, 1987. 558 с.

10 Ржевкин С. Н. Обзор работ по резонансным звукопо-глотителям // УФН. 1946. Т. 30. Вып. 1-2. С. 40-62.

11 Шильд Е., Кассельман Х.-Ф., Дамен Г. и др. Строительная физика ; пер. с нем. В. Г. Бердичевского ; под ред. Э. Л. Дешко. М. : Стройиздат, 1982. 296 с.

12 Электронный справочник с картами городов: 2ГИС [Электронный ресурс] // Электронные справочники и карты. URL: https://2gis.ru/ekaterinburg (дата обращения: 08.01.2017).