Шумозащитные экраны: история и применение

Введение

Внешняя конструкция на инфраструктуре, используемая для предотвращения распространения громких звуков.

Шумозащитный экран (также называемый звуковой стеной, шумовой стеной, звуковым валом, шумовым барьером или акустическим барьером) – это внешняя конструкция, предназначенная для защиты населения в зонах чувствительного землепользования от шумового загрязнения. Шумозащитные экраны являются наиболее эффективным способом снижения уровня шума от дорог, железных дорог и промышленных предприятий – за исключением прекращения деятельности источника шума или применения мер по его контролю. В случае транспортного шума, другие методы снижения интенсивности шума включают стимулирование использования гибридных и электрических транспортных средств, улучшение аэродинамических характеристик автомобилей и конструкции шин, а также выбор малошумных дорожных покрытий. Широкое применение шумозащитных экранов началось в Соединенных Штатах после введения нормативных требований по ограничению шума в начале 1970-х годов.

История

В Соединенных Штатах шумозащитные барьеры стали строить с середины двадцатого века, когда автомобильное движение резко возросло. Трасса I-680 в Мильпитасе, Калифорния, стала первым шумозащитным барьером. В конце 1960-х годов появилась аналитическая акустическая технология для математической оценки эффективности конструкции шумозащитного барьера, расположенного вдоль конкретной дороги. К 1990-м годам в Дании и других странах Западной Европы проектировали шумозащитные барьеры с использованием прозрачных материалов. Лучшие из этих ранних компьютерных моделей учитывали влияние геометрии дороги, топографии, интенсивности движения, скорости транспортных средств, состава грузового транспорта, типа дорожного покрытия и микрометеорологии. Несколько исследовательских групп в США разработали различные варианты методов компьютерного моделирования: штаб-квартира Caltrans в Сакраменто, штат Калифорния; группа ESL Inc. в Саннивейле, штат Калифорния; группа Bolt, Beranek и Newman в Кембридже, штат Массачусетс, и исследовательская группа в Университете Флориды. Вероятно, первой опубликованной работой, в которой научно спроектирован конкретный шумозащитный барьер, стало исследование для скоростной автомагистрали Футхилл в Лос-Альтосе, штат Калифорния. Вскоре после этого в США было проведено множество тематических исследований, охватывающих десятки существующих и планируемых автомагистралей. Большинство из них были заказаны государственными департаментами транспорта и выполнены одной из четырех вышеупомянутых исследовательских групп. Закон США о национальной экологической политике, принятый в 1970 году, фактически обязал проводить количественный анализ шумового загрязнения от каждого проекта, финансируемого Федеральным законом о помощи в строительстве дорог, что стимулировало разработку и применение моделей шумозащитных барьеров. С принятием Закона о контроле шума в 1972 году спрос на проектирование шумозащитных барьеров резко возрос из-за множества сопутствующих нормативных актов в области шумового регулирования. К концу 1970-х годов более десятка исследовательских групп в США использовали аналогичную технологию компьютерного моделирования и рассматривали не менее 200 различных мест для установки шумозащитных барьеров каждый год. По состоянию на 2006 год эта технология считается стандартом в оценке шумового загрязнения от автомагистралей. Природа и точность используемых компьютерных моделей почти идентичны оригинальным версиям технологии 1970-х годов. В большинстве шумозащитных барьеров имеются небольшие, намеренные проемы, чтобы пожарные могли получить доступ к ближайшим пожарным гидрантам и проложить пожарные рукава, которые обычно обозначаются знаком с указанием ближайшего перекрестка и пиктограммой пожарного гидранта, хотя в некоторых случаях проемы для гидрантов направляют рукава через небольшие каналы под стеной.

Noise barriers have been built in the United States since the mid twentieth century, when vehicular traffic burgeoned. I 680 in Milpitas, California was the first noise barrier. In the late 1960s, analytic acoustical technology emerged to mathematically evaluate the efficacy of a noise barrier design adjacent to a specific roadway. By the 1990s, noise barriers that included use of transparent materials were being designed in Denmark and other western European countries. The best of these early computer models considered the effects of roadway geometry, topography, vehicle volumes, vehicle speeds, truck mix, road surface type, and micro meteorology. Several U. S. research groups developed variations of the computer modeling techniques: Caltrans Headquarters in Sacramento, California; the ESL Inc. group in Sunnyvale, California; the Bolt, Beranek and Newman group in Cambridge, Massachusetts, and a research team at the University of Florida. Possibly the earliest published work that scientifically designed a specific noise barrier was the study for the Foothill Expressway in Los Altos, California. Numerous case studies across the U. S. soon addressed dozens of different existing and planned highways. Most were commissioned by state highway departments and conducted by one of the four research groups mentioned above. The U. S. National Environmental Policy Act, enacted in 1970, effectively mandated the quantitative analysis of noise pollution from every Federal Aid Highway Act Project in the country, propelling noise barrier model development and application. With passage of the Noise Control Act of 1972, demand for noise barrier design soared from a host of noise regulation spinoff. By the late 1970s, more than a dozen research groups in the U. S. were applying similar computer modeling technology and addressing at least 200 different locations for noise barriers each year. as of 2006, this technology is considered a standard in the evaluation of noise pollution from highways. The nature and accuracy of the computer models used is nearly identical to the original 1970s versions of the technology. Small and purposeful gaps exist in most noise barriers to allow firefighters to access nearby fire hydrants and pull through fire hoses, which are usually denoted by a sign indicating the nearest cross street, and a pictogram of a fire hydrant, though some hydrant gaps channel the hoses through small culvert channels beneath the wall.

Дизайн

Акустическая наука проектирования шумозащитных экранов основана на рассмотрении воздушных или железнодорожных путей как линейных источников звука. Теория базируется на блокировании пути звуковых лучей к конкретному приемнику; однако необходимо учитывать дифракцию звука. Звуковые волны изгибаются (вниз), когда проходят мимо края, например, вершины шумозащитного экрана. Следовательно, экраны, которые перекрывают прямую видимость шоссе или другого источника, будут блокировать больше звука. Дополнительную сложность вносит явление рефракции – изгиб звуковых лучей в неоднородной атмосфере. Неоднородности создаются, например, сдвигом ветра и термоклинной зоной. При моделировании источников звука необходимо учитывать шум двигателя, шум шин и аэродинамический шум, которые меняются в зависимости от типа транспортного средства и его скорости. Шумозащитный экран может быть возведен на частной территории, на полосе отвода земли под дорогами или на другой государственной земле. Поскольку уровни звука измеряются по логарифмической шкале, снижение на девять децибел эквивалентно уменьшению примерно на 86% нежелательной звуковой мощности.

Материалы

Для создания звукозащитных барьеров можно использовать различные материалы. К ним относятся каменная кладка, земляные сооружения (например, земляной вал), сталь, бетон, дерево, пластмассы, минеральная вата или композитные материалы. Стены, изготовленные из звукопоглощающих материалов, снижают уровень шума иначе, чем твердые поверхности. Также возможно создание шумозащитных барьеров с использованием активных материалов, таких как солнечные фотоэлектрические панели, для выработки электроэнергии и одновременного снижения дорожного шума. Стены с пористой поверхностью и содержащие звукопоглощающие материалы могут поглощать шум, отражая его незначительно или вовсе не отражая обратно к источнику или в другие стороны. Твердые поверхности, такие как каменная кладка или бетон, считаются отражающими, поскольку большая часть шума отражается обратно к источнику и далее. Шумозащитные барьеры могут быть эффективным средством для снижения шумового загрязнения, однако некоторые места и особенности рельефа местности делают их использование нецелесообразным. Стоимость и эстетические соображения также влияют на выбор шумозащитных барьеров. В некоторых случаях автомагистраль окружена шумозащитной конструкцией или прокладывается в туннеле с использованием метода "открытый котлован".

Влияние на загрязнение воздуха

Доказано, что придорожные шумозащитные экраны снижают концентрацию загрязнения воздуха вблизи дорог. В пределах 15–50 м от проезжей части концентрация загрязняющих веществ с подветренной стороны экранов может быть снижена до 50% по сравнению с показателями на открытой дороге. Шумозащитные экраны вынуждают потоки загрязнений, исходящие от дороги, подниматься и перетекать через экран, создавая эффект приподнятого источника и усиливая вертикальное рассеивание потока. Замедление и отклонение первоначального потока экраном способствуют горизонтальному рассеиванию потока. В подветренной зоне экрана формируется зона высокой турбулентности, характеризующаяся низкими скоростями и областью рециркуляции, что дополнительно усиливает рассеивание; это приводит к смешиванию окружающего воздуха с загрязняющими веществами в приземном слое за экраном.