ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF ACOUSTIC SCREENS OF DIFFERENT DESIGNS

Full Text

Современный город должен обеспечивать высокий уровень комфортности для его жителей. Комфортность городской среды определяется широким спектром её параметров, соответствующих санитарным требованиям. Основными параметрами являются качество воды, степень загрязнения воздуха и шумовое загрязнение городской среды [1-3]. Учитывая современные возможности обеспечения жителей качественной водой, на первом месте стоит проблема предотвращения загрязнения городского воздуха, а на втором в современном городе - шумовое загрязнение. Проблема защиты населения от шума существует в той или иной степени для любого населённого пункта, но особенно она значима для крупных городов. Сложность решения этой проблемы определяется большим разнообразием источников шума: транспортные магистрали, строительные площадки, автостоянки, контейнерные площадки, трансформаторные подстанции, спортивные и детские площадки и т. д. Каждый из этих источников шума имеет свою специфику: по частотному диапазону, по времени звучания, по месту локализации и пр. В частности, спортивные и детские площадки размещаются в жилой застройки, так же как и строительные площадки [4, 5]. Существуют различные способы снижения шумового воздействия на население. Это и административные решения (регулирование транспортных потоков), борьба с шумом в источнике (снижение шумности оборудования, технологических процессов, автомобильного и других видов транспорта, улучшение качества дорожного покрытия), снижение шума на пути его распространения (расстоянием, различными препятствиями). В городах защита от шума расстоянием экономически не целесообразна. В качестве препятствий могут быть использованы зелёные насаждения, здания-экраны, акустические экраны и т. д. Зелёные насаждения, для того чтобы они выполняли шумозащитные функции, должны соответствовать определённым требованиям: многоярусность, многорядность, достаточная ширина (от 10 м и больше). Существенным недостатком, кроме требований по ширине зелёных насаждений, является сезонная эффективность. Только в летний период их эффективность снижения шума значима. Здания-экраны могут эффективно защищать только от шума транспортных магистралей. В качестве таковых используются здания нежилого назначения и шумозащищённые жилые здания, располагающиеся по красной линии улиц. В городах более универсальны и эффективны акустические экраны различной конструкции. Основными параметрами экрана, определяющими его эффективность, являются его высота и длина. Высотой создается зона акустической тени, снижающая эффект дифракции через верхнее ребро, в то время как длина выбирается таким образом, чтобы обеспечить затухание звука, проникающего через боковую грань акустического экрана. В условиях городской застройки невозможно использовать экраны высотой более 3-5 м. Все акустические экраны по типу применяемого материала с отражающими или поглощающими свойствам можно разбить на две группы: - однослойные (отражающие); - двух- или трехслойные (как правило, поглощающие). В первой группе акустические экраны отражают звуковую энергию, а во второй в их конструкции, наряду с отражающими свойствами, обеспечено звукопоглощение. Акустические экраны, принадлежащие к первой группе, изготавливаются из бетона, кирпича, металла, пластика, стекла и пр. Основные свойства этих экранов - отражающие, коэффициент α = 0,01-0,05, они имеют меньшую эффективность, чем акустические экраны со звукопоглощающими материалами. Применение таких экранов приводит к повышению уровней шума на противоположной стороне за счёт отражённого шума. При размещении таких экранов с двух сторон от автомагистрали происходит увеличение уровней шума на магистрали и, как следствие, снижение эффективности экранов на 1-5 дБА [6]. Невозможно создать однослойный акустический экран, совмещающий требуемые прочностные свойства и приемлемое звукопоглощение, поэтому приходится усложнять их конструкцию за счет введения специальных звукопоглощающих материалов (ЗПМ), значения коэффициента звукопопоглощения которых варьируются в пределах α = 0,5-1. Такие акустические экраны можно разбить на два типа: металлические трехслойные, где ЗПМ располагается между сплошными и перфорированным металлическими слоями, и бетонные двухслойные, где в качестве поглощающего слоя применяются полистербетон, пенобетон и пр. Эффективность таких экранов определяется ещё одним показателем - звукоизоляцией экрана, которая определяется поверхностной плотностью конструкции. Так, при плотности в 17 кг/м2 снижение звука конструкцией составит 10 дБА, при поверхностной плотности в 39 кг/м2- 24 дБА [6]. Стандартная трехслойная панель площадью 5 м2 при поверхностной плотности в 39 кг/м2 будет весить 195 кг. Выполнение Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 64 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА этих требований приводит к увеличению расхода металла и к значительному удорожанию конструкций. В качестве ЗПМ в трехслойных акустических экранах применяют такие материалы, как URSA, шлаковата, капроновое волокно, стекловата, пенополиуретан и другие пористые или волокнистые материалы. Перфорация в трехслойных акустических экранах обеспечивает проникновение звука к слою ЗПМ. Конструктивно перфорация может применяться в виде щелей или отверстий. Процент перфорированной поверхности определяет долю отражённой звуковой энергии. Следует отметить широкое применение сочетания металлических акустических экранов с таковыми из стекла или прозрачного пластика для осуществления обзора, улучшения внешнего вида. Их эффективность несколько меньше, чем у сплошных металлических экранов, но необходимость обеспечения обзора обусловливает широкое использование таких конструкций. Выбор материала акустического экрана диктуется несколькими соображениями: эффективностью конструкции, стоимостью, внешним видом, условиями эксплуатации и т. д. На эффективность экранов влияет также их форма. Обычно акустические экраны устанавливаются как вертикальные конструкции, но нередко выполняются Г-образными и Т-образными. Экран Г-образный более эффективен, чем вертикальный (на 2,5 дБА), звукопоглощающее покрытие полки увеличивает эффективность на 4,5 дБА. Еще более эффективны Т-образные акустические экраны. В обоих случаях эффективность возрастает за счет увеличения угла дифракции [6]. Проведённый анализ характеристик существующих конструкций акустических экранов позволил выявить следующие их недостатки: - значительное снижение эффективности защиты от шума при отсутствии звукопоглощающего покрытия вследствие отражения значительной части звуковой энергии от поверхности экрана в сторону источника шума и его усиления; - значительное снижение или даже полное отсутствие звукопоглощающих свойств поверхностей экрана при образовании снежно-ледяной корки в осенний, зимний и весенний периоды; - большая ёмкость материала при изготовлении металлических трехслойных акустических экранов; - эффективность экрана только при расположении источника звука с одной стороны; - размещение экранов вдоль автомагистралей с двух сторон препятствует её проветриванию и ведёт к увеличению концентрации токсичных выхлопных газов. С целью устранения перечисленных недостатков была разработана данная конструкция акустического экрана [7]. Сущность изобретения заключается в предотвращении отражения звуковой энергии в сторону источника шума, в максимальном поглощении звуковой энергии, в одинаковой эффективности акустического экрана с обеих сторон, в обеспечении эффективности работы акустического экрана вне зависимости от погодных условий, а также в предотвращении увеличения концентрации токсичных выхлопных газов на проезжей части за счёт движения воздушных потоков через конструкцию экрана. Это достигается тем, что в данном акустическом экране, содержащем основание и закреплённый на нём каркас, размещается набор акустических панелей, выполненных из материалов с различными свойствами шумопоглощения. Панели имеют коньковый профиль и расположены вдоль вертикальной оси каркаса с шагом, при котором панели вышерасположенного конька накрывают вершину нижерасположенного конька, наружные поверхности панелей и их торцевые части выполнены из материала, обладающего звукоотражающими свойствами, а внутренние поверхности панелей - из звукопоглощающего материала. На рис. 1 представлен акустический экран, на рис. 2 показан разрез акустического экрана с коньковым способом размещения панелей. Основание 1 (см. рис. 2) выполняется в виде бетонных или металлических опор, к нему крепится каркас 2, выполненный, например, из стального профиля, к каркасу крепятся акустические панели коньковой формы, верх и торцы коньковых панелей 3 выполнены из звукоотражающего материала, например из листового металла, на нижней стороне коньковой панели 3 крепится звукопоглощающий материал, например ППЖ 200 - плиты повышенной жесткости из минеральной ваты толщиной 100 мм. Экран работает следующим образом. Звуковая энергия, достигая акустического экрана, частично отражается вверх от звукоотражающей поверхности панелей 4, другая часть проникает в зазоры между соседними коньковыми панелями 3, при этом нижняя поверхность зазора обладает звукоотражающими свойствами, а верхняя - звукопоглощающими, что приводит при прохождении звука через своеобразный канал к многократному отражению и поглощению звуковой энергии. Это обеспечивает высокую эффективность акустического экрана. Расчёт эффективности акустического экрана высотой 5 м, состоящего из четырёх конько- О. Г. Орлов 65 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 вых панелей (угол между панелями 90°), показал следующие результаты: - при установке экрана на расстоянии в 5 м до источника шума (середина ближайшей полосы движения автомагистрали) вверх будет отражено 5 % падающей на экран звуковой энергии, 95 % поглощено в результате многократного отражения и поглощения в зазорах, образованных коньковыми панелями; - при расстоянии в 10 м до источника шума (вторая и третья полосы движения автомагистра- Рис. 2. Акустический экран (разрез): 1 -основание; 2 - каркас; 3 - коньковая панель; 4 - звукоотражающая поверхность панели; 5 - звукопоглощающая поверхность панели Рис. 1. Акустический экран ли) вверх будет отражено 14 % падающей на экран звуковой энергии, 86 % поглощено в результате многократного отражения и поглощения в зазорах, образованных коньковыми панелями. Акустический экран устанавливают вдоль автомобильных и железных дорог, строительных площадок, прилегающих к жилой застройке, рекреационным территориям, или в зоне проведения ремонтных и других работ с превышающими санитарные нормы уровнями шума. При необходимости данные акустические экраны могут быть установлены на разделительной полосе скоростных многорядных автомагистралей, так как у предлагаемой конструкции экрана обе стороны одинаково эффективно защищают от шума. Рассмотренное устройство позволяет за счёт применения коньковой формы акустических панелей: - предотвратить отражение звуковой энергии в сторону источников шума (незначительная часть будет направлена вверх); - обеспечить практически полностью поглощение звуковой энергии при её прохождении через каналы, образованные коньковыми панелями; - обеспечить одинаковую эффективность защиты от источников шума, расположенных по обе стороны акустического экрана; - предотвратить образование снежной и ледяной корки на звукопоглощающих поверхностях, что обеспечит постоянную эффективность акустического экрана в различные сезоны года; - сократить расход металла, что позволит уменьшить вес конструкции без снижения её эффективности и снизить стоимость акустического экрана. С применением акустического экрана данной конструкции повышается эффективность защиты населения от шума различных транспортных источников, а также от внутренних источников селитебных территорий: детских садов, школ, спортивных площадок, строительных площадок.

About the authors

Oleg G. ORLOV

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: pgts@samgtu.ru

References

Supplementary files