Борьба с шумом на городских магистралях

Введение                                                  

Шум автомобильного транспорта есть главная причина шумового раздражения и беспокойства жителей городов почти во всех странах мира. Беда современного горожанина проявляется в том, что он практически не знает настоящей тишины и настоящей темноты. Хуже того, привыкает к этому состоянию и думает, что так и должно быть.                                          

О вредном влиянии шума на здоровье написано очень много, и в данном случае не стоит повторяться. [ 1 ]

Существует много технических и организационных способов снижения этого вида экологического загрязнения, но количество транспорта, его мощность, скорость непрерывно увеличиваются и в целом ситуация имеет тенденцию к обострению. В настоящее время считается, что оптимальным средством борьбы с шумом от машин являются шумозащитные экраны ( панели, заборы ), которые в зависимости от физического принципа действия «рекомендуется подразделять:              

• на отражающие;                                                                                               
• отражающе-поглощающие»   [ 2; с. 22 ]                                               

Различия между этими видами экранов достаточно условны, но цены могут отличаться в несколько раз. Также существует множество конструктивных решений с использованием различных материалов экранов ( панелей ). В частности, это сталь, алюминиевые сплавы, бетон, полимеры, минеральная вата и другие. Шумозащитные экраны устанавливают и совершенствуют в нашей стране около 30 лет.  [ 3 ]                      Однако, шумозащитные экраны имеют и серьёзные врождённые недостатки. Стандартные звукоотражающие экраны перенаправляют звуковые волны вверх и обратно на дорогу. Например, крайне нежелательно располагать их с двух сторон дороги, ибо в этом случае образуется «шумный коридор».  На Рис. 1  обозначена именно такая ситуация.       

Для упрощения рисунка направления звуковых волн не показаны. Звуковые волны испытывают многократные отражения от дороги, противоположных экранов и могут даже усиливаться за счёт наложения-сложения, т. е. явления интерференции. При этом часть звуковых волн огибает ( дифракция ) верхнюю кромку экрана и попадает в зону звуковой тени, т. е. тень как бы и не совсем тень.  Рис. 2

Но иногда это вынужденная мера. В таком случае придётся работать с тем, что есть, а именно: с экранами и отбойниками. Иными словами, экраны не всегда хорошо защищают от шума. Более того, их и поставить то не везде возможно и уместно. На шумозащитные экраны расходуют громадные деньги. При том, что реклама иногда преувеличивает их эффективность. Конечно, наука не стоит на месте. Есть разработки и «посвежее» шумозащитных экранов. Например, на основе резонаторов Гельмгольца. [4;5] Хочется верить, что это дело «доведут до ума», желательно быстро и дёшево.      Часто для безопасности на дорогах устанавливают бетонные разделители типа Нью-Джерси. Другие названия барьер Джерси, стена Джерси, отбойник Джерси или просто отбойник разделительный. Конструкция отбойника такова, что он защищает от вылета автомобиля на встречную полосу движения, а также в минимизации повреждений при столкновении. Кроме того, отбойник за счёт своей массы (2-5 т) частично поглощает вибрации и колебания дорожного покрытия. К сожалению, отбойник Джерси (и многочисленные его модификации) в том виде как его применяют, практически не снижает шума. Конечно, отбойник даже небольшой высоты участвует в создании звукового поля над дорогой, но его «вклад» не значителен.  Ниже показана возможность придать таким отбойникам шумопоглощающие свойства. На Рис. 3;4 изображен базовый вид отбойника.

 «Среди пористых звукопоглощающих материалов можно выделить три основные группы: ячеистые, волокнистые и зернистые… наилучшими звукопоглощающими свойствами при частотах 250, 500, 1000 и 2000 Гц обладают волокнистые материалы...»  [ 6 ] Это говорит о том, что основное внимание нужно уделять именно волокнистым материалам, как самым перспективным.

Суть предложения

Цель настоящей работы заключается в том, чтобы показать и другие возможности борьбы с городским шумом. В частности, можно использовать искусственные газоны. Синонимы: синтетические газоны, искусственная трава, синтетический ковёр, или просто «покрытие». Рис. 5

Сама по себе идея использования синтетических газонов для шумоподавления не нова. Одна из китайских фирм предлагает множество применений не только для покрытия футбольных полей и ландшафтного дизайна, но и для отделки зданий, заборов, балконов и др. Уже более 10 лет. Однако, применительно к автодорогам и шумозащитным экранам информация по искусственным газонам практически отсутствует. В данном случае, ссылки на отбойники и синтетическую траву не приводятся, чтобы статья не имела рекламного характера. 

Немного о свойствах искусственного газона. Современный газон не горит, но плавится, поэтому его нельзя использовать рядом с потенциальными источниками огня и тепла: барбекю, мангалы, фейерверки, костры и т. п.                                                     

Надо сказать, что не всякое препятствие становится преградой для звуковой волны. Звуковая волна может огибать его, отражаться, преломляться и поглощаться. Больше всего нас интересует последнее, т. е. поглощение. При этом, желательно, чтобы размер препятствия был соизмерим с длиной приходящей волны. Или хотя бы, с половиной длины волны. В нормативных документах для приблизительных расчётов уровней звука условно принимают следующие значения длины волны.                           

«Для потоков автомобилей, автобусов, троллейбусов = 0,84 м                  

Для потоков трамваев = 0,6 м                                                                   

Для потоков железнодорожных поездов и водных судов = 0,42 м» [ 7 ]

Разумеется, бывают звуковые волны длиной 3-5 метров и более, но для расчётов принято именно так.                                                             

Известно, что отбойники Джерси изготавливают разной высоты, например, 0,85м; 1,27м; 1,5м, т. е. они больше расчётной длины волны и, соответственно, вписываются в заданные условия. Это означает, что отбойник, в принципе, может поглощать звуковые волны, (размеры позволяют) но «голый» бетон это делает очень плохо. В силу того, что коэффициент звукопоглощения бетона составляет всего 0,01-0,02 (при частотах 125-250 Гц). Можно «помочь» отбойнику включиться в активную работу в борьбе с акустическим загрязнением. Для этого его нужно «одеть». «Одеждой» для отбойника может служить синтетический газон, который выпускают для покрытия футбольных полей и других целей в большом ассортименте. Звукопоглощающие свойства такого коврика зависят в основном от длины и толщины ворса, густоты ворсинок, толщины основы.                        «Толщина звукопоглощающего слоя может быть постоянной или переменной, рекомендованная минимальная толщина не менее 35 мм». [2; с.53] Оптимальная длина ворса может составлять 40-50 мм. Т.е. синтетическая трава сделает отбойник «мохнатым», «волосатым» и звукопоглощающим. Как это показано на Рис.6;7.

Можно придать отбойнику дополнительные свойства по шумопоглощению. Для этого нужно не просто накрыть его синтетической травой, но придать покрытию определённую форму как показано на  Рис. 8;9. Конструктивно такой элемент легко осуществим, т. к. он изготавливается из того же материала. Такая форма не просто добавит 15-20 см высоты, но может служить антидифракционной насадкой, т. е. более эффективно бороться с паразитными шумами.[ 8 ] Ослабление звуковой волны достигается её поглощением, дроблением и отражением в разные стороны. Действие такой Действие такой насадки показано на Рис. 10. Для сравнения смотри Рис. 2. К сожалению, проектировщики шумозащитных экранов не используют принцип уголкового отражателя применённый в более ранних работах. Вероятно, по причине большей сложности и стоимости. [ 9;10 ].

Очевидно, что отбойники Джерси приведены для примера и «одеть» можно не только их, но и бетонные стены транспортных развязок, тоннелей, галерей, мостовых переходов и т. п. В городской среде полно неприглядных поверхностей. Многие из них можно «облагородить» то есть превратить из отражающих в шумопоглощающие, тем самым выиграть не только в акустике, но и в эстетическом оформлении. В результате можно ожидать снижения уличного шума на отдельных участках в 5-10 раз и более.           Покрытие может выполнять дополнительные функции, например, частичное очищение воздуха от пыли и сажи за счёт развитой поверхности и интенсивного движения воздуха вокруг отбойника. Кроме того, выхлопные газы, содержащие оксиды азота и серы также могут быть частично нейтрализовакны, если предварительно опрыскать покрытие 10 % раствором соды (карбонат натрия). В таком случае будут происходить реакции:

2Na₂CO₃  + 4NO₂  + O₂  = 4NaNO₃  + 2CO₂;

2Na₂CO₃  + 2SO₂  + O₂   = 2Na₂SO₄   + 2CO₂

То есть самые опасные для здоровья газы превращаются в безвредные вещества.Опрыскивать искусственный газон водой или растворами несложно при помощи поливальных машин.                                                         

Таким образом, даже у простого отбойника может появиться минимум 3 новых качества.                                                                                         

1. Акустическое, т. е. шумопоглощение.                                                 
2. Химическое, т. е. поглощение выхлопных газов.                                    
3. Механическое, т. е. смягчение последствий столкновения. 

Достоинства                                                       

• Шумопоглощающее покрытие нуждается в минимальном уходе и обслуживании.     
• Такому покрытию можно придать не только зелёный, но практически любой цвет. При необходимости могут быть нанесены надписи и рисунки. Покрытие обладает хорошими эстетическими свойствами.
• Синтетический газон допускает применение различных видов внутренней и внешней подсветки для эстетических, информационных и рекламных целей.    
• Значительный срок службы, который может достигать 10-15 лет и более. 
• Искусственный ковёр ничего не выделяет в атмосферу, не горит, но может быть использован по другому назначению.
• Покрытие может быть не только противошумным, но и частично очищать воздух от пыли, сажи, оксидов азота и серы.
• По истечению срока службы искусственный газон может относительно просто утилизирован и заменён аналогичным.
• Покрытие не заменяет шумозащитных экранов и других технологических и организационных мер, но может удачно дополнять их.
• При размещении искусственного газона на разделительных блоках Джерси само покрытие уже является некоторой амортизационной и скользящей подушкой, уменьшающей ущерб при боковых столкновениях.
• Синтетическая трава может использоваться круглогодично, т. к. не боится низких температур и осадков.
• Для практического внедрения данного предложения не требуется строительство   капитальных сооружений и разработка новых материалов. Всё уже существует. И синтетическая трава, и почти готовые поверхности для её размещения.     
• Искусственный газон почти не имеет  отходов. Раскрой и обрезку можно провести таким образом, что все остатки могут пойти в дело.
• Снижает эффект ослепления водителей фарами встречного транспорта, т. е. повы шает комфорт управления в ночное время.
• Могут быть использованы не только отбойники Джерси, но и другие металлические, бетонные и деревянные конструкции.
• Для монтажа искусственной травы на бетонных и других поверхностях не требуется сложной технологии и очень квалифицированной рабочей силы.   
• Возможно самоочищение под воздействием атмосферных осадков

Недостатки

• В жаркий летний день, покрытие может нагреваться до 50 градусов и более. Это означает, что покрытие, размещённое на откосах и вертикальных стенах, обращённых на юго-запад, со временем может деформироваться, провисать и стать подверженным действию сильного ветра. Для борьбы с этим явлением придётся применять дополнительные меры крепления. Механические или клеевые.                       
• Покрытие само по себе может представлять интерес для некоторых асоциальных элементов и быть предметом вандализма.              
• В редких случаях покрытие может получить повреждения снегоуборочной техникой.
• Ограниченные возможности снижения дорожного шума. Недостаточная эффективность поглощения вредных компонентов воздуха. Но всё же это лучше, чем ничего.
• Акустическая долговечность покрытия может снижаться в результате абразивного износа под действием грязи и пыли, которые образуются при скоростном движении автомобилей.

Заключение                                     

Технические и организационные возможности борьбы с городским шумом далеко не исчерпаны, но напоминают сражение со сказочным Змеем, когда вместо одной отрубленной головы вырастают две новых.           Поэтому радикальной мерой (звуковая гигиена в городах) может быть только многолетняя программа постепенного ограничения и вытеснения автомобилей из города (кроме служебных и специальных).  

Естественно, существуют десятки материалов, которые гораздо лучше поглощают звуковые волны, чем синтетическая трава. Например, искусственный мох, минеральная вата, напыляемое акустическое покрытие на основе целлюлозных волокон.  

Однако,  если брать совокупность всех свойств, (стоимость, доступность, внешний вид, долговечность, технологичность и др.) то в настоящее время вряд ли найдётся равноценный заменитель. Потребуются эксперименты, пилотный проект, натурные испытания и пробная эксплуатация описанного способа шумоподавления.         

1. Ермилова П., Потише! Как мегаполис борется с зашумленностью, URL  , web.archive.org , 18.11.2021
2. ОДМ 218. 8. 011–2018 Отраслевой дорожный методический документ. РОСАВТОДОР Методические рекомендации по определению характеристик и выбору шумозащитных конструкций автомобильных дорог, М. 2020, с. 22; 53   URL rosavtodor.gov.ru     
3. Рощина Н.В., Нормативные требования к шумозащитным экранам, Noise Theory and Practice, 2017, cyberleninka.ru 
4. Петрова А., Ученые ИТМО предложили технологию для снижения шума в городе, 2022, m.hightech.plus
5. Мамаева А., Тихое место: ученые ИТМО разработали конструкцию, которая подавляет уровень шума в 10 раз. 2022 news.itmo.ru
6. К. А. Шашкеев, Е. М. Шульдешов, О. В. Попков, И. Д. Краев, Г. Ю. Юрков  Пористые звукопоглощающие материалы (обзор) Научно-технический журнал «Труды ВИАМ», 2016, №6, URL dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2016-0-6-6-6 , http://viam-works.ru
7. СП276.1325800.2016  Свод правил. Здания и территории. Правила проектирования защиты от шума транспортных потоков. Пункт 11.1.14,     М. 2016. Дата введения 2017-06-04, URL gostassistent.ru
8. Шашурин А. Е., Бужинский К. В., Светлов В. В., Бойко Ю. С., Ким В. И., Клюпа Т. Дифрагирующая панель для шумозащитного экрана, полезная модель, патент РФ 168981 U1, 2017
9. Сапон С. Н., Соломин В. А., Шумозащитный экран, SU 1 680 895 A1, публикация: 1991.09.30
10. Соломин В. А., Яицков И. А., Финоченко Т. А., Яицкова Н. М. Шумозащитный экран, RU 2 679 170 C1, публикация 2019.02.06