POLITECHNIKA ŚLĄSKA W YDZIAŁ TRANSPORTU Temat ćwiczenia Pomiary hałasu komunikacyjnego
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów pomiarów hałasu komunikacyjnego oraz z wpływem parametrów ruchu na wartość poziomu hałasu drogowego. 2. Wiadomości teoretyczne RozwaŜania na temat hałasu drogowego rozpocząć naleŝy od klasyfikacji jego źródeł. NaleŜą do nich: - pojazdy samochodowe, - tramwaje, - trolejbusy, - inne pojazdy i maszyny poruszające się po drogach za pomocą własnego napędu. Przy rozpatrywaniu klimatu akustycznego w miastach najbardziej interesujące jest łączne oddziaływanie wielu źródeł hałasu-pojazdów biorących udział w ruchu. W tym przypadku moŝna traktować drogę czy ulicę jako umowne, powierzchniowe źródło dźwięku. Hałas emitowany przez samochód będący w ruchu pochodzi od: - pracy silnika i zespołów napędowych - toczenia się kół po nawierzchni drogi - innych czynników (hałas aerodynamiczny pochodzący od zawirowań powietrza w czasie ruchu samochodu, hałas od uderzenia o siebie i drgań rezonansowych źle konserwowanych elementów nadwozia). Hałas emitowany na zewnątrz przez samochody moŝe być scharakteryzowany za pomocą poziomu dźwięku i jego widma. Poziom hałasu samochodu jest zaleŝny głównie od: - typu samochodu, co związane jest z mocą silnika, - rodzaju jazdy (postój z włączonym silnikiem, przyspieszenie, jazda ze stałą prędkością itp.), - prędkość jazdy. MoŜna stwierdzić, Ŝe poziom emitowanego hałasu jest tym większy, z im większym pojazdem samochodowym mamy do czynienia. Na poziom hałasu pochodzącego od samochodu wpływają takŝe róŝnice w rozwiązaniach konstrukcyjnych samochodów osobowych w porównaniu z cięŝarowymi. Poziom hałasu samochodowego rośnie takŝe w funkcji wzrostu prędkości jazdy. Przy prędkościach niŝszych, podczas jazdy na niŝszych biegach, dominujący jest hałas pochodzący od zespołu napędowego. Przy prędkościach wyŝszych głównym źródłem hałasu staje się toczenie kół po nawierzchni.
Charakteryzując główne widma hałasów emitowanych przez pojazdy samochodowe moŝna stwierdzić, Ŝe wysokie poziomy ciśnień akustycznych notowane są w zakresie niskich i średnich częstotliwości. W miarę wzrostu częstotliwości poziomy ciśnień akustycznych zmniejszają się. Oprócz hałasów z zakresu słyszalnego pojazdy samochodowe są równieŝ źródłem infradźwięków (dźwięk o częstotliwościach poniŝej 16 Hz). Rozpatrując uciąŝliwość, jaką powoduje droga czy ulica w sensie pogorszenia się klimatu akustycznego, mniej jesteśmy zainteresowani hałasem, który emitowany jest przez dany pojazd biorący udział w ruchu. Natomiast niezwykle istotna jest znajomość łącznego oddziaływania wszystkich pojazdów. Weźmy chwilowo pod uwagę pewien wyidealizowany układ- drogę po której porusza się tylko jeden samochód. Dokonajmy obserwacji poziomu hałasu w pewnym ustalonym punkcie przy tej drodze. W miarę zbliŝania się samochodu notuje się wzrost poziomu hałasu do wartości maksymalnej (w chwili mijania punktu obserwacji), następnie jego zmniejszanie się. W sytuacji, gdy po drodze porusza się wielka liczba pojazdów, opisane zjawisko obserwuje się wielokrotnie. Przy w miarę gęstym ruchu poziomy hałasu od poszczególnych pojazdów nakładają na siebie. Powoduje to, Ŝe poziom hałasu obserwowany przy drodze wciąŝ zmienia się w czasie. Ocena hałasu o zmiennym poziomie w czasie jedynie przez podanie jego wartości występującej w pewnym momencie jest z technicznego punktu widzenia niewystarczające. Dlatego teŝ dla hałasów zmiennych w czasie, ogólnie, a dla hałasów drogowych w szczególności, opracowano wiele tzw. Wskaźników jego oceny. Poziom równowaŝny zwany teŝ ekwiwalentem, jest najbardziej rozpowszechnionym wskaźnikiem oceny hałasu o zmiennym poziomie w czasie. Idea tego wskaźnika polega na określeniu poziomu średniego (w rozpatrywanym czasie) ciśnienia akustycznego. Poziom równowaŝny określany jest z zaleŝności: L eq = 10 lg1/ T o T 2 p ( / p 2 o dt, gdzie : p(- wartość chwilowa ciśnienia akustycznego [Pa], p o - ciśnienie akustyczne odniesienia [Pa], T- czas, dla którego określany jest poziom równowaŝny [s]. W rzeczywistych sytuacjach powyŝsza definicja matematyczna jest trudna do zastosowania. W związku z tym częściej stosuje się bardziej praktyczny wzór do wyznaczania poziomu równowaŝnego:
L = 10 lg1/ T eq i i= 1 n t *10 L /10 ai [ db( A)] L ai - poziom hałasu występujący w czasie t i [db(a)], t i - czas występowania hałasu o poziomie L ai [s], T n = ti czas i=1 obserwacji Chwilowa wartość poziomu hałasu drogowego jest funkcją wielu zdarzeń o charakterze przypadkowym. Tak więc występowanie hałasu o pewnym poziomie naleŝy do zjawisk stochastycznych. Takie załoŝenie pozwoliło na opracowanie szeregu wskaźników oceny jego poziomu z wykorzystaniem zasad statystyki matematycznej. Najczęściej uŝywanymi wskaźnikami są poziomy statystyczne L 10 oraz L 50 (zwane teŝ quasi-maksymalnymi).jeśli ogólnie poziom statystyczny oznaczymy jako L x, to moŝemy go zdefiniować jako pewien poziom graniczny przekroczony przez chwilowe wartości poziomów hałasu w nie więcej niŝ X% czasu obserwacji. Prawdopodobieństwo, Ŝe chwilowa wartość poziomu hałasu L( znajdzie się w przedziale <L k, L k + L> moŝna określić następująco: Pk [ Lk L( Lk + L] = ti / T (1) n i 1 t i - przedziały czasu, w których występuje poziom hałasu L( <L k, L k + L>, L- tzw. przedział klasowy lub klasa rozdzielcza szeregu, T- łączny czas obserwacji. Dokonując przejścia granicznego, gdzie wartość L dąŝy do zera, znajdujemy prawdopodobieństwo wystąpienia hałasu o poziomie L(= L k. W praktyce jednak, dla wyznaczenia Ŝądanych wskaźników oceny hałasu, posługujemy się skończonymi wartościami L. Z drugiej strony, po oznaczeniu l, grupuje się chwilowe poziomy hałasu w pewne klasy. Funkcję określoną zaleŝnością (1) i wyraŝaną w procentach nazywa się gęstością klasy k. W praktyce częściej, dla wyznaczenia gęstości klas poziomów hałasu, dokonuje się tzw. próbkowania zaleŝności L(. Polega to na rejestracji
chwilowych wartości poziomów co pewien określony odcinek czasu. Zmienia się w ten sposób funkcję ciągłą na szereg wartości dyskretnych. W takim przypadku gęstość klasy k moŝna obliczyć następująco: P [ L L( L + L] = n / N 100% k k k k (2) n k - liczba obserwacji chwilowych poziomów hałasu naleŝącego do klasy <L k, L k + L>, N- liczba wszystkich obserwacji. W przypadku obliczenia gęstości wszystkich klas poziomów hałasu moŝna określić empiryczne przybliŝenie krzywej rozkładu prawdopodobieństwa, czyli tzw. histogram (rys.):
Dysponując gęstościami klas moŝna równieŝ określić empirycznie funkcję zwaną dystrybuantą rozkładu statystycznego o postaci: P[ L( L j ] k = j = P k k = 1 ( L) (3) P k (L)- gęstość klas (oznaczone skrótowo w stosunku do wcześniejszej notacji) dane wzorami (1) lub (2),[%]. PowyŜsza funkcja wyznacza prawdopodobieństwo (wyraŝone w procentach) wystąpienia hałasu o poziomie mniejszym lub równym wartości L k + L. Przy wyznaczaniu wskaźników L 10 oraz L 50 posługujemy się nie dystrybuantą, lecz krzywa gęstości skumulowanej, którą wyrazić moŝna wzorem: P[ L( > L j ] = 1 P[ L( L j ], P[L(>L j ]- funkcja dana wzorem (3). Wartości poziomów statystycznych poszukujemy dla równości: - L 10 : P [ L( L ] = 10% > j - L 50 : P [ L( > L j ] = 50% Dla warunków polskich, w wyniku liczbowych badań opracowano następujące zaleŝności, pozwalające na określenie poziomów L 10 oraz L 50 dla hałasu pochodzącego od ruchu drogowego lub tez ulicznego: L 10 =10 lg Q +51 [db(a)], L 50 =13 lg Q+35 [db(a)], Q- natęŝenie ruchu [poj./h]. ZaleŜności te określane są dla punktu zlokalizowanego w odległości 1m od krawęŝnika jezdni, na wys. 1,2 m. Wyjściowe warunki, jakie przyjęto przy opracowaniu tych zaleŝności, zdefiniować moŝna następująco: 1.Droga(ulica) przebiegająca w poziomie, w przestrzeni nie zabudowanej. 2.Ruch płynny (bez częstych startów i hamowania pojazdów).
3. 30% udziału pojazdów z grupy najbardziej hałaśliwych w całkowitym potoku ruchu. 4.Średnia prędkość potoku pojazdów- ok. 50 km/h. 5.Nawierzchnia asfaltowa. Z akustycznego punktu widzenia, dla dalszych rozwaŝań, dokonuje się podziału typów pojazdów na dwie grupy: - samochody osobowe i furgonetki o masie całkowitej do 1500 kg. - Samochody cięŝarowe, autobusy i ewentualnie tramwaje i motocykle. O ile na średnią wartość poziomu hałasu L 10 decydujący wpływ ma całkowite natęŝenie ruchu, o tyle wartości poziomów szczytowych (reprezentowanych przez poziom L 10 ) i poziomów równowaŝnych- L eq zaleŝą w duŝym stopniu od liczby pojazdów naleŝących do drugiej z wymienionych grup. 3.Przebieg ćwiczenia Wielkością akustyczną, która podlega pomiarom, jest ciśnienie akustyczne lub jego poziom. Najczęściej uŝywanymi wskaźnikami określającymi hałas drogowy są poziom równowaŝny L eq lub poziomy statystyczne L 10 oraz L 50. aby je uzyskać, niezbędny jest precyzyjny miernik poziomu dźwięku. Pomiary przeprowadzić dla punktu zlokalizowanego w odległości 1m od krawęŝnika jezdni na wys. 1,2 m. 1.Droga (ulica) przebiegająca w poziomie, w przestrzeni nie zabudowanej. 2.Ruch płynny(bez częstych startów i hamowania pojazdów). 3.30% udziału pojazdów z grupy najbardziej hałaśliwych w całkowitym potoku ruchu. 4.Średnia prędkość potoku pojazdów- ok. 50 km/h 5. Opracowanie wyników. Na podstawie wyników pomiarów obliczyć wartości poziomów statycznych L 10 i L 50 oraz wykreślić krzywą gęstości skumulowanej. Uzyskane wyniki zamieścić w tablicy. L 10 [db(a)] L 50 [db(a)] L eq [db(a)]