Ekran akustyczny. RozróŜniamy współczynniki;

Transkrypt

1 Fala dźwiękowa o natęŝeniu Ipad napotykając na swojej drodze przeszkodę, np.: ekran akustyczny, moŝe być odbita (Iodb ), pochłonięta (Ipoch) i moŝe przeniknąć(iprzen) przez przeszkodę. RozróŜniamy współczynniki; współczynnik odbicia β = Iodb / Ipad współczynnik pochłaniania α = Ipoch / Ipad współczynnik przenikania γ = Iprzen / Ipad ZaleŜność energetyczna między tymi współczynnikami się następująco. Własności dźwiękochłonne materiału przedstawia podaje się w funkcji częstotliwości. Izolacyjność akustyczna właściwa - róŝnica pomiędzy całkowitą energią akustyczną E1 padającą na przeszkodę i energią E2, która przeniknęła na drugą jej stronę. Własności dźwiękoizolacyjne ekranów akustycznych podaje się w zaleŝności od częstotliwości. Wskaźnik hałasu komunikacyjnego jest wielkością wyjściową przy obliczeniach ekranów akustycznych. Obecnie za taki wskaźnik przyjmuje się równowaŝny (ekwiwalentny) poziom dźwięku, który wyraŝa tą samą energie akustyczną, co mierzony hałas o zmiennym poziomie w czasie T i określony jest wzorem; T - okres uśrednienia L(t) - poziom dźwięku w chwili t [db] q - współczynnik dla hałasu komunikacyjnego q = 4, pozostałe q = 3 Efektywność akustyczna - wielkość, która określa skuteczność działania ekranu, określona jako róŝnica poziomów ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji przed wprowadzeniem oraz po wprowadzeniu ekranu. Liczba Fresnela - iloraz wielkości d i połowy dlugości fali dźwiękowej dominującej w widmie, gdzie d jest róŝnicą dróg promienia fali ugiętej na krawędzi ekranu i fali bezpośredniej. N = 2 d / λ gdzie: d = A + B -d według geometrii układu Ekran akustyczny

2 Podział ekranów akustycznych W literaturze fachowej uwzględniono róŝne sposoby podziału ekranów akustycznych. Główny podział zastosowałbym ze względu na własności akustyczne, konstrukcję, oraz warunki terenowe. 1. Ekrany dzielimy ze względu na własności akustyczne na; Odbijające (odbijają falę dźwiękową w kierunku źródła), Odbijające - rozpraszające (posiadają dodatkowo własności rozpraszające w postaci zagłębień i wypustów), Pochłaniające (posiadają kształt podnoszący chłonność, wypełnione materiałami absorpcyjnymi, moŝliwość osadzenia roślin. 2. Rozpatrując konstrukcję ekranów akustycznych musimy rozróŝnić tutaj podział ze względu na; materiał, z jakiego zbudowano ekran; metalowe betonowe betonowe z dodatkami innych komponentów szklane ceramiczne drewniane inne kształt przekroju poprzecznego; pionowe (1) pionowe nadwieszone (2) poziome (3) prostopadłościenne (4) klinowe (5) trapezowe (6) łukowe (7) kształt rzutu pionowego; prostoliniowe krzywoliniowe (względy akustyczne, estetyka, warunki terenowe, usuwanie monotonii) sposób montowania; segmentowy (składany z kolejnych duŝych segmentów o katalogowej wielkości), modułowy (składany z kolejnych elementów o małym module)

3 3. Rozpatrując warunki terenowe ze względu na otoczenie drogi komunikacyjnej dzielimy ekrany na; wolnostojące ekranujące drogę prowadzoną w wykopie ekranujące drogę na mostach i wiaduktach wykorzystujące istniejące zabudowania budowane w oparciu o naturalną rzeźbę terenu; 1. nasypy naturalne i sztuczne 2. uzupełnienie nasypu 3. skarpy oporowe 4. pasy zieleni Model stosowany przy obliczeniach ekranów akustycznych. Fala dźwiękowa wychodząca ze źródła dźwięku podlega pochłanianiu przez podłoŝe, odbiciu od podłoŝa i innych obiektów, oraz nakładaniu, czyli interferencji, w wyniku czego następuje wzmocnienie, lub osłabienie fali dźwiękowej.

4 Fala dźwiękowa napotykając na swojej drodze przeszkodę podlega częściowo pochłanianiu, odbiciu i ugięciu na krawędzi. Ugięcie fali, czyli dyfrakcja na krawędzi powoduje zmniejszenie jego efektywności w obszarze cienia akustycznego. Wielkość, która określa skuteczność działania ekranu jest jego efektywność akustyczna, określona jako róŝnica poziomów ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji przed wprowadzeniem, oraz po wprowadzeniu ekranu. Projektując ekran akustyczny wyznaczamy jego geometrię, oraz jego usytuowanie względem źródła i odbiorcy na podstawie wymaganej efektywności akustycznej. Usytuowanie jest często narzucone warunkami terenu, czy teŝ wymiarami skrajni drogowej, dlatego obliczenia sprowadza się do określenia wysokości spełniającej wymóg Ŝądanej efektywności ekranu. Podstawowym schematem przy obliczaniu ekranów jest układ źródło - ekran - obserwator. Podstawowe znaczenie w ekranowaniu akustycznym ma zjawisko ugięcia fali na krawędzi ekranu, powodujące zmniejszenie się jego efektywności w obszarze cienia akustycznego. Dopuszczalny poziom halasu Laeq w zaleŝności od rodzaju terenu w godzinach dziennych kształtuje się na poziomie db, a w godzinach nocnych jest o 10 db niŝszy. (zobacz komunikat)

5 Dopuszczalny poziom hałasu w terenie przeznaczonym na zabudowę mieszkaniową i obiekty uŝyteczności publicznej uregulowano Rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 13 maja 1998 roku (Dz. U. Nr 66, poz. 436, 1998r). Na poziom hałasu drogowego mają wpływ następujące czynniki: natęŝenie ruchu średnia prędkość strumienia pojazdów procentowy udział pojazdów hałaśliwych (samochody cięŝarowe, autobusy, tramwaje, motocykle) płynność ruchu rodzaj i stan nawierzchni pochylenie drogi Głównymi źródłami hałasu komunikacyjnego są samochody. Poziom hałasu samochodu zaleŝy od prędkości obrotowej silnika i prędkości jazdy. Hałas emitowany przez samochód będący w ruchu pochodzi od: pracy silnika i zespołów napędowych toczenia się kół po nawierzchni drogi uderzenia powietrza o nadwozie uderzenia elementów nadwozia Dla przykładu poziom hałasu zewnętrznego pojazdów na postoju w odległości 3m od rury wydechowej wynosi od 75 db (A) dla samochodów osobowych do 90 db (A) dla samochodów cięŝarowych. Poziom hałasu zewnętrznego pojazdów poruszających się z prędkością 50 km/h w odległości 7,5m wynosi odpowiednio 70 db (A) - 80 db (A). W rzeczywistości na drodze nie występuje pojedyncze źródło, ale znaczna liczba źródeł dźwięku zmieniające swoje połoŝenie i prędkość poruszania się. Z tego powodu do obliczeń wprowadzono pojęcie poziomu hałasu równowaŝnego (ekwiwalentnego). Do celów obliczeniowych rzeczywiste źródła hałasu modeluje się źródłami teoretycznymi: jako źródło punktowe - wymiary małe w porównaniu z odległością - modelowane jako punkt drgający (pojedynczy pojazd emituje falę kulistą) jako źródło liniowe - długość źródła jest większa od odległości do punktu obserwacji - szereg źródeł punktowych w bliskiej odległości od siebie (powyŝej 300 poj/h emitują falę zbliŝoną do fali cylindrycznej). Przy projektowaniu ekranów akustycznych naleŝy uwzględnić zmianę poziomu dźwięku zaleŝną od odległości od źródła, rodzaju terenu i zieleni, rodzaju nawierzchni drogi i czynników atmosferycznych jak temperatura, wilgotność, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru. Zmiana poziomu dźwięku w zaleŝności od odległości punktu odbioru od źródła oblicza się ze wzoru: rx - odległość od źródła hałasu do punktu odbioru [m]. ro - odległość punktu odniesienia od źródła hałasu [m]. m - współczynnik zaleŝny od wilgotności absolutnej powietrza (wpływ wilgotności na tłumienie ujawnia się dla częstotliwości wyŝszej od 1000 Hz. K1 - współczynnik określający charakter źródła, 1 dla liniowego, 2 dla punktowego.

6 K2 - współczynnik określający redukcję poziomu dźwięku przez powierzchnię terenu i zieleni wynosi od 0,9 dla terenu płaskiego pokrytego asfaltem do 1,5 dla leśnych pasów ochronnych. Etapy projektowania ekranów akustycznych. 1. Wyznaczenie rozkładu poziomu dźwięku na terenie, który postanowiono zabezpieczyć przed hałasem (gdzie przewidywane jest przekroczenie dopuszczalnego poziomu dźwięku); Metoda pomiaru bezpośredniego (w miejscu przewidywanym do ochrony) o ile pozwoli na to poziom tła w otoczeniu. Pomiar przy jezdni, a następnie obliczenie poziomu dźwięku z uwzględnieniem odległości od źródła, warunków terenowych i atmosferycznych. Monitoring akustyczny. Przyrządy do pomiaru poziomu dźwięku. 1. Sonopan. 2. Cirrus Research. Wyznaczenie poziomu dźwięku na podstawie przewidywanego natęŝenia ruchu komunikacyjnego ( z wykresu) i wyliczenie przewidywanego poziomu dźwięku jak w punkcie poprzednim. 2. Sporządzenie planu akustycznegoz zaznaczeniem miejsc o przekroczonych dopuszczalnych wartościach poziomu hałasu i ustalenie wymaganej efektywności akustycznej(mapy hałasu). Wskazówki metodyczne wykonywania planu akustycznego miasta średniej wielkości. 3. Projekt usytuowania ekranu względem źródła i odbiorcy; ekran powinien być zlokalizowany maksymalnie blisko źródła hałasu lub maksymalnie blisko obiektu chronionego (pierwsze rozwiązanie jest lepsze), najczęściej usytuowanie mamy narzucone z góry. 4. Dla wymaganej efektywności akustycznej wyliczenie optymalnej wysokości ekranu. Zaleca się następujące metody wystarczające do obliczeń inŝynierskich: Metoda Rettingera. Metoda Redfearna. Metoda VDI Metoda Delany'ego. Metoda Meakawy. Metody opracowano na podstawie ksiąŝki Ekrany akustyczne. 5. W celu dokładniejszego określenia własności pola akustycznego za ekranem naleŝy dodatkowo uwzględnić wpływ grubości ekranu, kształtu przekroju poprzecznego i długości ekranu. A. ZałoŜenie wymaganej długości; Określenie długości ekranu, przy której spadek jego efektywności wynosi 1dB,

7 ZaleŜnie od kąta widzenia ekranu z punktu obserwacji, dla danej efektywności ekranu nieskończenie długiego, z wykresu wyznaczamy skorygowaną, rzeczywistą efektywność uwzględniającą skończoną długość ekranu, Zalecenia wynikające z doświadczenia - minimalna długość ekranu jako suma długości chronionego obiektu i podwójnej odległości między nim a ekranem. B. Wpływ grubości ekranu; W obliczeniach inŝynierskich grubość ekranu jest uwzględniona jako parametr powodujący wydłuŝenie drogi fali dźwiękowej. JeŜeli długość fali dominującej w hałasie jest porównywalna lub mniejsza od grubości ekranu wprowadza się poprawki przy obliczeniu skuteczności ekranowania. C. Wpływ kształtu poprzecznego; Przy tej samej wysokości ekranu, oraz odległości od źródła róŝny jest obszar cienia akustycznego, dlatego wprowadza się poprawki przy obliczaniu efektywności akustycznej. 6. Dobór materiału, z którego będzie zbudowany ekran na podstawie wymaganej izolacyjności właściwej ekranu, wymaganego współczynnika pochłaniania dźwięku oraz względów estetycznych, ekonomicznych i wymagań terenowych; W praktyce niepotrzebne jest osiągnięcie nieskończonej izolacyjności właściwej ekranu, lecz określenie wystarczającej izolacyjności, tj. takiej, która uniemoŝliwi pogorszenie efektywności ekranowania nie więcej niŝ o 1 db. Zakłada się, Ŝe izolacyjność właściwa ekranu powinna przewyŝszać skuteczność ekranowania przynajmniej o 6dB. W przypadku, gdy otoczenie drogi i ekranu ma właściwości zbliŝone do pola rozproszonego (np.: układy dwuekranowe) naleŝy uwzględnić wpływ chłonności ekranu. 7. Wykonanie projektu technicznego lub przyjęcie istniejących rozwiązań konstrukcyjnych. Powrót do początku. Przykład obliczeń ekranów akustycznych. Przeciętna wartość równowaŝnych poziomów dźwięku w odległości 7,5m od autostrady w Polsce wynosi LAeg = 73,7 db. Określić poziom dźwięku w odległości 30m od jezdni gdzie stoi obiekt wymagający ochrony przed hałasem. Obliczyć wysokość ekranu akustycznego ustawionego w odległości R=3m od źródła. Przyjąć, Ŝe źródło hałasu jest usytuowane na powierzchni terenu, w przybliŝeniu na tej samej wysokości, co obiekt wymagający zmniejszenia poziomu hałasu poniŝej 45 db. Teren płaski pokryty trawą, K=1,05. Analizowane pasmo częstotliwości 1000Hz, co odpowiada długości fali równej 0,3m. Poziom dźwięku w odległości 30 m od jezdni wynosi L = 53,8dB. Zmniejszenie poziomu hałasu delta L = 8,8dB.

8 Wymagana wysokość ekranu H = 1,7m. Metoda Meakawy Jest to jedna z najczęściej stosowanych obecnie metod obliczeniowych efektywności ekranowania, oparta na licznych badaniach modelowych, oraz eksperymentach przeprowadzonych na obiektach istniejących w rzeczywistości. Geometria układu, oznaczenia i wskaźniki podobnie jak w Metodzie Redfearna. {W metodzie tej rozróŝnia się jeden najogólniejszy przypadek wzajemnego połoŝenia źródła i obserwatora, przedstawiony na rysunku. Geometria układu źródło - ekran - obserwator. Wskaźnikiem słuŝącym do wyznaczania efektywności akustycznej ekranowania jest: dla źródła liniowego, roŝnica dróg promienia fali ugiętej na krawędzi i fali bezpośredniej;δ = A + B - d, dla źródła punktowego;n=2δ/λ δ/λ(liczba Fresnela). Zaleca się przyjęcie λ = 0,5m Dla wyliczonych wartości wskaźników odczytuje się z wykresu efektywność ekranowania w wartościach poziomu dźwięku [db]. Wykres do wyznaczania efektywności ekranowania wg metody Redfearna.

9 } Według tej metody wyznaczamy efektywność ekranowania dwoma sposobami: dla liczby Fresnela N = 2 δ / λ efektywność ekranowania odczytujemy z wykresu. (na wykresie ciągłą linią oznaczono krzywą zmiennej efektywności dla źródła punktowego, przerywaną zaś, dla źródła liniowego.) efektywność ekranowania obliczamy z wzoru: Le = 10 log (20N) wykres efektywności ekranowania wg. metody Maekawy

10