7.5.1.1. Общие сведения об акустике и расчет шума

Звук представляет собой в широком смысле упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле – субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека. Шум – это случайное сочетание звуков различной интенсивности и частоты.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше – до 1 ГГц – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком.

Звук характеризуется звуковым давлением Р, скоростью распространения с, длиной волны  и интенсивностью I.

Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц упругой среды:

P = 2πfρcA,

где Р – максимальное акустическое давление; f – частота; ρ – плотность среды; А – амплитуда колебания частиц среды.

Скорость распространения звука зависит от характеристики упругой среды и в среднем, в идеальных условиях, для воздуха она составляет 340-344 м/с.

Длина волны представляет собой расстояние, проходимое звуковой волной за один период. Между длиной волны и частотой существует соотношение, которое используется в практике акустических расчетов:

с = f.

Например, при частоте 1000 Гц длина волны в воздухе составляет более 0,3 м, а при частоте 4000 Гц – около 0,07 м, т.е. чем больше частота звука, тем меньше длина звуковой волны. Это обстоятельство связано с таким явлением, как дифракция, широко используемая в акустических расчетах. Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина звуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явление дифракции отсутствует.

По мере удаления от источника звуковая волна затухает в пространстве обратно пропорционально расстоянию r в результате расширения площади фронта волны S, м²:

S = r²,

где  – пространственный угол излучения звука ( = 4 при излучении в пространство,  = 2 при излучении в полупространство).

Интенсивность звука – это средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности и выражается в Вт/м².

Общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени, называют звуковой мощностью W, Вт.

W = IS.

Уровень звука (УЗ) используют для интегральной оценки воздействия шума на человека, L_A, дБА:

L_A = 20lg(p_A/p₀),

где p_A – среднее квадратическое звуковое давление, измеренное с учетом коррекции по шкале А шумомера, Па; p₀ – звуковое давление, соответствующее порогу слышимости на частоте 1000 Гц, p₀ = 2х10^-5 Па.

Для оценки воздействия шума на различных частотах используют уровень звукового давления (УЗД), L:

L = 20lg(p/p₀),

где p – среднее квадратическое звуковое давление в определенной полосе частот.

Зависимость уровня звукового давления от частоты называют спектром шума. На практике измеряют и рассчитывают УЗД в октавных полосах частот со стандартными среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Уровень шума (звукового давления), L_, дБ (дБА), от нескольких источников с одинаковыми УЗ (УЗД), расположенных на одинаковом расстоянии от расчетной точки (РТ), рассчитывается по формуле

L_ = L_i +I0 lgn,

где L_i – уровень звука, дБ (звукового давления, дБА) i-го ис­точника звука; п – число источников.

Ниже приведены значения 10 lgn при различном числе источ­ников:

n 10 lgn

2 3

5 7

10 10

100 20

Отсюда следует, что если складываются, например, пять источ­ников с УЗ (УЗД) 90 дБА (дБ), то суммарный УЗ (УЗД) составляет 97 дБА (дБ), а если 100 источников, то 110 дБА (дБ) и т.д.

Если источники шума имеют различные уровни, то суммар­ный уровень определяется по формуле, дБ:

L_ =101g (100,1L₁ +100,1L₂+... + 100,1L_i).

Для удобства пользования этой формулой можно брать для расчета данные из табл. 7.13.

Таблица 7.13. Сложение УЗ (УЗД)

Пример 1. Пусть необходимо сложить источники L₁ = 90 дБ и L₂= 96 дБ. Разность уровней L₂ - L₁ = 6 дБ. Из табл. 7.13 находим добавку Δ = 1,0 дБ. Суммарный УЗД определяется прибавлением добав­ки к большему значению:

L_ = L₂ + Δ= 96 + 1 = 97 дБ.

Когда складываются несколько источников, то операция повторяется последовательно. Пусть необходимо сложить уровни четырех источников 70, 90, 96, 100 дБ. Не приступая к вычислениям, можно отбросить источ­ник, уровень которого на 20 дБ ниже максимального. Из предыдущего примера значение суммарных уровней второго и третьего источников равно 97 дБ. Нетрудно получить, что суммарный уровень четырех источ­ников составит 101,8 дБ.

При борьбе с шумом нередко приходится решать обратную задачу. Вычитание уровней можно произвести, используя данные, приведен­ные в табл. 7.14.

Таблица 7.14. Вычитание УЗ (УЗД)

Разность между вычитаемыми УЗ (УЗД), дБА (дБ)	110	99-6	55-4	33	22	11
Отрицательная поправка (-) к большему значению, дБА (дБ)	00	11	22	33	55	77

Пример 2. Пусть на территории жилой застройки при работе компрессора с УЗ, равным L₂=65 дБА, уровень звука составлял L₁=70 дБА. Требуется определить шум после отключения компрессора. Разница между уровнями L₁ - L₂ = =70-65=5 дБА. Из табл. 7.14 определяем поправку Δ=2 дБА. На территории жилой застройки после отключения источника УЗ будет составлять 70-2=68 дБА.

При разработке проектов санитарно-защитных зон, ОВОС и других природоохранных мероприятий зачастую требуется определение УЗ или УЗД в свободном пространстве при отсут­ствии отражающих поверхностей.

Уровни звукового давления, создаваемые условно точечным источником, дБ (т.е. когда рас­стояние от источника до расчетной точки существенно больше максимального размера источни­ка), вдали от препятствий состав­ляют:

L = L_w + ПН – 20 lgR – 10 lgΩ,

где L_w – акустическая мощность источника звука, дБ (берется из паспорта источника шума); R – расстояние от источника до расчетной точки, м; ПН – показатель направленности источника шума, дБ (для ненаправленных источников ПН = 0; для источников, где шум, например, шум реактивной струи, в одном из направлений больше, чем в другом, ПН определяется измерениями или по справочнику); Ω – пространственный угол излучения шума.

УЗД затухает на 6 дБ при каждом удвоении расстояния из-за геометрического расшире­ния области, в которой распространяется звук. При распростране­нии на большие расстояния звук затухает также дополнительно из-за поглощения в атмосфере, что учитывается выражением _а /1000 , где _а – затухание звука в атмосфере. Значение затухания звука в атмосфере на различных частотах приведены ниже:

Октавные полосы частот, Гц _а, дБ/км

63 ……….0 

125………………………………………0,75

250 ………...1,5

500 ……….3

1000 ……….6

2000 ………..12

4000 ………..24

8000 ………..48

В соответствии с действующими санитарно-гигиеническими нормами в республике при установлении санитарно-защитных зон предприятий требуется учитывать шумовое и иное их воздействие на окружающую среду. В этом случае акустические расчеты проводятся в соответствии с ТКП 45-2.04-154-2009 «Защита от шума. Строительные нормы проектирования» и ТКП 45-2.04-127-2009 «Конструкции зданий и сооружений. Правила проектирования звукоизоляции и звукопоглощения».

Для акустических расчетов используется программный продукт «Эколог-ШУМ». С помощью этой программы можно:

- оценить шумовое воздействие на территориях, прилегающих к промышленным предприятиям и транспортным магистралям;

- разработать и оценить эффективность шумозащитных мероприятий;

- определить санитарно- защитную зону по шумовому фактору проектируемых и существующих предприятий;

- провести экологический аудит промышленных, коммунальных и транспортных предприятий по фактору промышленного и транспортного шума.

Расчет шумового воздействия от совокупности источников в любой точке выполняется с учетом дифракции и отражения звука препятствиями.

При этом расчетные точки на площадках отдыха микрорайонов и групп жилых домов, на площадках детских дошкольных учреждений, на улицах школ и больниц следует выбирать на ближайшей к источнику шума границе площадок на высоте 1,5 м от поверхности земли. Если площадка частично находится в зоне звуковой тени от здания, сооружения или какого-либо другого экранирующего объекта, а частично в зоне действия прямого звука, то расчетная точка должна находиться вне зоны звуковой тени.

Расчетные точки на территории, непосредственно прилегающей к жилым домам и другим зданиям, следует выбирать на расстоянии 2 м от фасада здания, обращенного в сторону источника шума, на уровне 12 м от поверхности земли; для малоэтажных зданий – на уровне окон последнего этажа.