Расчет шумовых характеристик подвижного состава железнодорожного транспорта

3/2011_МГСу ТНИК

РАСЧЕТ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

NOISE EMISSION DATA CALCULATION FOR RAYTRANSPORT

ROLLING-STOCK

И.Е. Цукерников, P. Хасс

I.E. Tsukernikov, R. Haß

НИИСФ PAACH

Получены уравнения линейной регрессии для шумовых характеристик поездов различных категорий, эксплуатируемых в России. Приведены выражения для определения шумовых характеристик потоков железнодорожного транспорта.

Linear regression equations for the noise characteristics of different train categories to be operated in Russia are obtained. The expressions for determining the noise characteristics of rail transportflows are given.

1. Введение

Железнодорожный транспорт создает в окружающей застройке повышенные уровни шума в круглосуточном режиме, что в большинстве случаев приводит к нарушению шумового комфорта в ночное время. Этот шум вызывает справедливые жалобы населения. В принятом в июле 2010 г. техническом регламенте «О безопасности железнодорожного подвижного состава» [6]установлено требование: «Уровень внешнего шума от железнодорожного подвижного состава не должен превышать допустимых значений». Для выполнения этого требования необходимо на этапе проектирования железных дорог, разработке и вводе в эксплуатацию подвижного состава проводить расчеты ожидаемых уровней шума на селитебных территориях, примыкающих к железнодорожным линиям и при необходимости разрабатывать меры по снижению шума, действующего на население, например за счет установки вдоль железнодорожных путей шумозащитных экранов. В этой связи важное значение имеет надежность методов расчета шума от железнодорожного транспорта и правильность определения шумовых характеристик поездов.

Шумовыми характеристиками потоков железнодорожных поездов в соответствии с ГОСТ 20444 [1] и СНиП 23-03 [4] являются эквивалентный и максимальный уровни звука, определенные на расстоянии 25 м от оси ближнего пути на высоте 1,5 м от уровня земли. Выражения для определения максимальных и эквивалентных уровней звука в точках, удаленных от оси ближнего пути в направлении перпендикуляра к нему на расстояние d,flaHbi в действующем на территории Российской Федерации своде правил СП 23-104 [5].Для пассажирских поездов эти выражения имеют вид:

1Аед = 20'4 + 16'61§ у + 101§ п + 101§[7

¿Ашах = 27,68 + 351§ ^ + 101§

ат^ (// (2й

V

гдеу- скорость движения поезда, км/ч; п-число пар поездов в час, пар/ч;/- длина поезда, м.

На рис. 1 приведены значения шумовых характеристик пассажирских поездов, вычисленныхе из выражений (1), (2) и измеренные НИИСФ РААСН на участках Октябрьской железной дороги в пределах от Ленинградского вокзала (г. Москва) до станции Алабушево.

90 80

^ 70 И

ч

160

50

10

100

70

60

10

Уравнения для ЬМс[

"Г

20

"Г

30

г40 50

Скорость, км/ч

Т"

60

"Г

70

п

80

Уравнения для ЬАтах,25 #

20

30 40 50 60

Скорость, км/ч

70

80

♦ - измерения; - уравнения регрессии из [7];— - уравнения из СП 23-104 [5]

Рис.1. Сравнение результатов измерений максимального и эквивалентного уровней звука в зависимости от скоростей движения пассажирских поездов на участках Октябрьской железной дороги с формулами из [7] и [5]

Выражения (1), (2) дают существенно заниженные значения. Аналогичное занижение значений имеет место и для остальных типов поездов (грузовых, электропоездов, высокоскоростных), выделенных в проекте национального стандарта на методы расчета шума, излучаемого железнодорожным транспортом [8] (табл.1). Кроме того, выражения (1) и (2) описывают различную пространственную

3/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

зависимость для шумовых характеристик поездов. Для эквивалентного уровня звука она соответствует линейному источнику бесконечной длины, а для максимального уровня - линейному источнику конечной длины[9]. В ряде случаев это может приводить к противоречию: значения эквивалентного уровня звука оказываются больше значений максимального уровня, что противоречит физическому смыслу рассматриваемых характеристик. Такая пртиворечивая ситуация возникает, например

1 84 1 84

при п = 1,ecлиd>>/иd>(1,73v) ' , и наоборот если^^и^З,!^) ' .

Для устранения возможности возникновения такого противоречия в работе[7] получено аналитическое выражение для пространственной зависимости эквивалентного уровня звука. Там же записаны уравнения линейной регрессии для шумовых характеристик пассажирских поездов.Соответствующие им прямые приведены на рис. 1 (сплошные линии). В настоящей работе полученные в [7] результаты распространяются на все типы поездов, эксплуатируемых в России. Приводится также алгоритм расчета шумовых характеристик потоков поездов, как на часовом интервале, так и за время оценки шумового воздействия на соответствие требованиям санитарных норм [3].

2.Уравнения линейной регрессии для шумовых характеристик поездов В практике оценки транспортного шума принято в качестве модели поезда рассматривать линейный источник конечной длины /над акустически жесткой поверхностью, состоящий из равномерно распределенных некогерентных ненаправленных синфазно колеблющихся точечных источников[9]. Обозначая удельную Скорректированную звуковую мощность такого источника через Ж^,Вт/м, получают для максимального уровня звукана расстоянии d = 25 м выражение

L

A тах,25

= L

WA

10^

/

arctg — V 50 у

-19.

Для указанной модели поезда в работе [7]получено выражение для второй шумовой характеристики в виде

Г

LAeq,25 = + 101ё

V

/ 12,5

ат^---1п

25 /

V

/

V 25 у

2 У\

+1

-19.

Это выражение описывает такую же пространственную зависимость, как и в

(3),что исключает возможность возникновения описанного выше противоречия. Основным источником шума поездов, движущихся со скоростью менее 250 км/ч,

является шум качения, порождаемый соударениями колесо-рельс. Удельная звуковая мощность WA в этом случае зависит от различных параметров: скорости движения поезда V, инерционных р, жесткостных^ и поглощающих 5 характеристик колеса и рельса, шероховатости кр рельса и пр. [10]. Предполагая зависимость от V доминирующей, аппроксимируем ее регрессионным уравнением, т.е заменяем LWA в выражениях (3) и

(4) на сумму а1%у+Ъ.

Коэффициенты а и Ъ определяли из результатов измерения ДАтах,25 иДАе^25, выполненных НИИСФ РААСН и БГТУ«Военмех» на участках Октябрьской железной дороги.

Уравнения для шумовых характеристик поездовсведены в табл.1.Уравнения получены по расчетам линейной регрессии для результатов измерений шума при прохождении 56 пассажирских поездов длиной от 175 м до 500 м, двигавшихся со скоростями от 20 км/ч до 75 км/ч, 19 грузовых поездов длиной от 506 м до 1188 м,

двигавшихся со скоростями от 14 км/ч до 60 км/ч, 139 электропоездов длиной от 176 м до 264 м, двигавшихся со скоростями от 17 км/ч до 78 км/ч и семи высокоскоростных поездов длиной 250 м, двигавшихся со скоростями от 76 км/ч до 275 км/ч на прямолинейных участках. Коэффициенты корреляции, показывающие меру линейной

зависимости между значениями Xj = 10lgVj,yj = L Âmax25 -10 lg[arctg[l j / 50jj и значениями Xj, yj = L Aeq,25

- 10lg(arctg(lj /25)) , j = 1,...,n (n - указанное выше число

испытанных поездов г-готипа), составили для пассажирских поездов 0,77 и0,78соответственно, для грузовых поездов 0,61 и0,63, для электропоездов 0,69 и0,71, для

высокоскоростных поездов 0,98. Входящий в уравнение (4) член (12,5/1)ln|^(//25)2 + 1

приводит к повышению значений шумовой характеристики в пределах указанных длин поездов менее, чем на 1 дБ и для простоты исключен из уравнений.

3. Шумовые характеристики потоков поездов Шумовыми характеристиками потоков поездов являются часовые эквивалентный

LAeq25 1h и максимальный LAmax25 1h уровни звука, а также эквивалентный LAeq25 k и ,

максимальный LAmax25i уровни звука за время оценки шумового воздействия,

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.

Таблица 1. Уравнения линейной регрессии для шумовых характеристик поездов

Категория поезда Тип поезда Вид уравнения

1 Пассажирский Vmax,25 = 24lg v + 10lg ( arctg + 41,2 , LpAeq,25 = 25,3lg v + 10lg ( arctg ^ ) + 33,3

2 Грузовой LpAmax,25 = 13,9lg v + 10lg ( arctg ^ ) + 61,5, LpAeq,25 = 18,8lg V + 10lg ( y5 ^ + 48,5

3 Электропоезд LpAmax,25 = 27,5lg v + 10lg ( arctg ^ + 36,2, LpAeq,25 = 28,9lg v + 10lg ( arctg T5 ^ + 28

4 Высокоскоростной LpAmax,25 = 45,1lg v + 10lg ( "rctg )" 19,2; LpAeq,25 = 41,1lg V + 10lg ( "rctg ^ 12,3

3/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Первую шумовую характеристику рассчитывают для каждого /-го часа посредством энергетического суммирования часовых эквивалентных уровней звука

потоков поездов всех категорий Ь Лед25,1к,1 (' = 1, 2, 3, 4), прошедших по данному участку пути в течениерассматриваемого часа:

0,1Ь

Ь = 101е У10

Лед 25,1й, /

/ = 1

Лед25,1к, I

Часовой эквивалентный уровень звука потока поездов /-ой категорииЬ Лед25,1к,/, прошедших по рассматриваемому участку в течение /-го часа, рассчитывают посредством энергетического сложения эквивалентных уровней звука поездов

Ь'Лед25 / (найденных с помощью уравнений табл. 1 для данной категории поезда)с

учетомвремени их следования //, с,по данному участку пути в течениерассматриваемого часа:

/

С

Ь = 1012

Лед25,1й, / &

1

п

X г.,10

3600 j = 1 ]/

0,1Ь

Лед 25, jl

V

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

Значения Ь'Лед25 j/ определяют с помощью уравнений табл. 1 для данной ойкатегории поезда (/ = 1, 2, 3, 4).

Эквивалентный уровень звука ЬЛед25 к за время оценки рассчитывают по формуле

ЬЛед25,к = 1012

0,1Ь

— £ ^ 10

'Лед25,1к,/

у

где Тк— время оценки, ч, принимаемое в соответствии с санитарными нормами [3], равным 16 ч (пк = 16) для дня и 8 ч (пк= 8) для ночи;г/ = 1 ч.

За максимальный уровень звука потока поездов, следующего по рассматриваемому участку пути в течение /-го часаили за все время оценки Тк, принимают наибольшее из рассчитанных по уравнениям табл. 1 значение поездов всех категорий

ЬЛшах25,к = таХ/ {ЬЛшах25 },

где Ь'Лтах25 - максимальный уровень звука А от поездов /-ой категории, дБА

При необходимости выделения вечернего времени следует рассматривать три временных интервала оценки шума за сутки в соответствии с ГОСТ Р53187[2].

4. Выводы

Использованное представление пространственной зависимости эквивалентного уровня звука соответствует реальному характеру изменения звукового поля поездов. Вблизи поезда оно описывает поле бесконечного линейного источника с ослаблением на 3 дБ при удвоении расстояния, переходя к сферическому распространению при удалении в дальнюю зону на расстояния, существенно превышающие длину поезда, и свободно от возможности возникновения противоречия в шумовых характеристиках поездов.

Уравнения линейной регрессии для шумовых характеристик могут быть рекомендованы для практических расчетов и включены в национальный стандарт России «Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом» разрабатываемый по заданию ОАО «РЖД» в 2010 - 2011 г.г.

Авторы признательны сотруднику НИИСФ РААСН В.А. Аистову и сотруднику БГТУ «Военмех» ДА. Куклину за предоставленные результаты измерений шумовых характеристик поездов.

Литература

1. ГОСТ 20444-85. Шум. Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики. (Переиздание 1994 г.).

2. ГОСТ Р 53187-2008.Акустика.Шумовоймониторинггородскихтерриторий

3. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы. - М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1997.

4. СНиП 23-03-2003: Строительные нормы и правила Российской Федерации. Защита от шума. Госстрой России, М.: 2004

5. СП 23-104-2004. Оценка шума при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена. Госстрой России, М.: 2004

6. Технический регламент. О безопасности железнодорожного подвижного состава. Постановление ПравительстваРоссийскойФедерацииот 15 июля 2010 г. № 524

7. Цукерников И.Е., Хасс Р. Уравнения линейной регрессии шумовых характеристик пассажирских поездов//Сб. докладов III Всерос. Науч.-техн. конф. «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 2011, с.286-290

8. Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом. ГОСТР.Проект, 1-яредакция, БГТУ «Военмех», СПб, 2011

9. Handbook of noise and vibration control/ Edited by Malcolm J. Crocker. John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2007, Chapter 5

10. Noise and vibration from high-speed trains. Ed. By V.V.Krylov. Department of Civil and Engineering Nottingham Trent University, published by Thomas Telford Publishing. 2001.

Ключевые слова: шум, поезда,железнодорожный транспорт, потоки поездов, шумоваяхарактеристика,эквивалентный уровень звука, максимальный уровень звука, уравнениерегрессии

Keywords: noise, trains, railtransport, train flows, noise emission date,time-averaged A-weighted sound pressure level, maximum A-weighted sound pressure level, regression equation

Россия, 127238 Москва, Локомотивный пр-д, д.21 Тел.:89164664172; факс: 84954824076 E-mail: 3342488@mail.ru