Введение

Звуковая энергия, излучаемая автотранспортными средствами

Дорожный шум представляет собой совокупную звуковую энергию, излучаемую автотранспортными средствами. Он состоит главным образом из шума дорожного покрытия, шин, двигателя/трансмиссии, аэродинамического шума и шума торможения. Шум от качения шин по дорожному покрытию является основным источником шума на автомагистралях и возрастает с увеличением скорости транспортных средств. В развитых и развивающихся странах дорожный шум вносит значительную долю в общее шумовое загрязнение. В США он оказывает большее влияние на шумовую обстановку в окружающей среде, чем любой другой источник шума.

История

В 1960-х годах измерения шума дорожного движения стали широко распространены, поскольку компьютерное моделирование этого явления начало давать значимые результаты. После принятия Закона о национальной экологической политике и Закона о контроле над шумом спрос на подробный анализ резко возрос, и лица, принимающие решения, стали обращаться к акустикам за ответами в отношении планирования новых дорог и разработки мер по снижению шума. Частичные запреты на использование автомобилей в городских районах показали минимальный эффект в снижении уровня звука (что подтвердилось последующими моделями); например, частичный запрет в Гетеборге, Швеция, привел к незначительному снижению уровня шума. Регулирование шума шин и двигателей в ЕС и Японии направлено лишь на снижение шума примерно на 3 дБ и будет оказывать эффект постепенно, поскольку небольшое количество старых, более шумных транспортных средств может доминировать в звуковой обстановке. Некоторое снижение шума от транспортных средств произошло в 1970-х годах, когда штаты и провинции начали применять правила, касающиеся глушителей. Уровень шума от автомобильного парка за последние три десятилетия практически не изменился; однако, если сохранится тенденция к увеличению использования гибридных автомобилей, произойдет существенное снижение шума, особенно при движении со скоростью ниже 56 км/ч. Гибридные автомобили настолько тихие на низких скоростях, что создают опасность для пешеходов при движении задним ходом или маневрировании при парковке и т.п. (но не при движении вперед), поэтому они обычно оснащаются звуковыми сигналами предупреждения, как у электромобилей.

Скорость

На шум от дорожного движения существенно влияют скорости транспортных средств, так как звуковая энергия приблизительно удваивается с каждым увеличением скорости на десять миль в час; однако, на очень низких скоростях это правило не действует, поскольку шум от торможения и разгона преобладает над аэродинамическим шумом.

Транспортные средства

Грузовые автомобили создают непропорционально большой уровень шума не только из-за больших двигателей, но и из-за высоты выхлопной трубы и аэродинамического сопротивления. В движущихся автотранспортных средствах обычно присутствует значительный внутренний шум; при этом пассажиры, как правило, не осознают, что эти уровни высоки, поскольку опыт научил водителей ожидать уровни, обычно превышающие 65 дБА.

Поверхности

Типы дорожных покрытий влияют на уровень шума. Среди распространенных типов покрытий в современных городах разница между самым шумным и самым тихим составляет 4 дБ: наиболее шумными являются дороги с щебеночным покрытием и дорожные покрытия с канавками, а самыми тихими – бетонные поверхности без разделителей, асфальтобетонные покрытия занимают промежуточное положение. Резиноасфальт (использующий переработанные старые шины) значительно тише и уже широко применяется. Экспериментальные пористые эластичные дорожные покрытия (PERS) могут уменьшить дорожный шум вдвое. PERS изготавливается путем добавления измельченной резины из шин в асфальтобетонную смесь. Исследования показали, что нарезание продольных канавок в дорожном покрытии снижает уровень шума.

Шины

Типы шин могут приводить к разнице в уровне шума до 10 дБ(А), согласно результатам исследования 2001 года, проведенного на выборке из 100 коммерчески доступных шин. По состоянию на 2001 год не было выявлено взаимосвязи между сцеплением и уровнем шума. Более тихие шины могут иметь незначительно меньшее сопротивление качению. Маркировка шин по уровню шума, сцеплению и сопротивлению качению широко распространена в Европе, и шумные шины подлежат налогообложению.

Геометрия

Геометрия дорожного полотна и окружающий рельеф взаимосвязаны, поскольку распространение звука чувствительно к общей геометрии и должно учитывать дифракцию (огибание звуковыми волнами препятствий), отражение, затухание наземных волн, рассеяние энергии и рефракцию. Простое рассмотрение показывает, что звук будет ослабляться, если его распространение блокируется рельефом, или усиливаться, если дорожное полотно приподнято и способствует распространению звука; однако, сложность переменного взаимодействия настолько велика, что существует множество исключений из этого упрощенного утверждения.

Ветер

Микрометеорология имеет значение, поскольку звуковые волны могут преломляться градиентами ветра или термоклинами, тем самым сводя к минимуму эффект некоторых шумозащитных экранов или особенностей рельефа.

Препятствия

Геометрия пространственных структур является важным входным параметром, поскольку наличие зданий или стен может блокировать звук в определенных условиях, но отражающие свойства могут усиливать звуковую энергию в других местах.

Компьютерные модели

На макроуровне необходимы постоянные исследования для разработки национальных и международных мер реагирования на проблему шумового загрязнения дорогами, включающие выбор дорожного покрытия, регулирование и налогообложение шумных конструкций, а также регулярный контроль отдельных транспортных средств. На микроуровне управления конкретными дорогами, ввиду сложности вышеупомянутых факторов, необходимо создавать компьютерные модели для анализа уровней шума вблизи дорог. Первые значимые модели появились в конце 1960-х – начале 1970-х годов и были направлены на анализ шумового источника, представленного линией (например, автострадой). Две ведущие исследовательские группы – BBN в Бостоне и ESL из Саннивейла, Калифорния – разработали сложные математические модели, позволяющие изучать альтернативные конструкции дорог, организацию движения и стратегии снижения шума в различных условиях. Последующие модификации моделей получили широкое распространение среди департаментов транспорта штатов и городских планировщиков, однако точность ранних моделей практически не изменилась за последние 40 лет. Как правило, модели прослеживают траектории звуковых лучей, рассчитывают потери при распространении, а также дивергенцию (или конвергенцию) лучей, вызванную рефракцией. Дифракция обычно учитывается путем установки вторичных источников звука в точках резких изменений топографии или антропогенных объектов (например, шумозащитных экранов или поверхностей зданий). Метеорологические условия могут быть учтены статистически, с использованием данных о розе ветров и скорости ветра (вместе с данными о термоклине). Недавние модели также пытаются прогнозировать уровни локального загрязнения воздуха на основе анализа специфических частот, связанных с шумом шин и двигателей.

Казеисты дорожного проектирования

Интересный ранний случай, когда две ведущие модели были противопоставлены друг другу, касался предлагаемого расширения автомагистрали Нью-Джерси с шести до двенадцати полос. Модели BBN и ESL представляли противоположные стороны в деле, рассмотренном в Высшем суде штата Нью-Джерси. Этот случай в начале 1970-х годов стал одним из первых в США примеров участия акустических специалистов в проектировании крупной автомагистрали. Модели позволили суду оценить влияние геометрии дороги (в данном случае – ширины), скорости транспортных средств, предлагаемых шумозащитных экранов, расстояния до жилых домов и типов дорожного покрытия. Итогом стал компромисс, предусматривающий существенное смягчение последствий шумового загрязнения. Другой ранний случай был связан с предлагаемым продлением межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния. Истец, «Арлингтонская коалиция по вопросам транспорта», подал в суд на Департамент транспорта Вирджинии, ссылаясь на качество воздуха, шум и нарушение спокойствия в жилых районах. Для анализа дорожного шума истец использовал модель ESL, что частично способствовало победе в этом деле благодаря авторитетности компьютерной модели. Десять лет спустя вопрос был пересмотрен, и было согласовано значительно усовершенствованное проектное решение, включающее элементы общественного транспорта и масштабные меры по снижению шума. Впоследствии подобные случаи возникали в каждом штате, как в рамках конфликтных разбирательств, так и в ходе обычного планирования и проектирования автомагистралей. Общественность и государственные органы осознали ценность акустической науки для получения полезной информации в процессе проектирования дорог.

Мировая перспектива

Даже без регулирования существует сильное индивидуальное экономическое давление в пользу более тихих транспортных средств, поскольку владельцы и работодатели считают их более престижными и менее вызывающими стресс. Более строгие нормативные требования ЕС и Японии стимулируют разработку более тихих конструкций даже в странах, где регулирование отсутствует, так как большинство автопроизводителей стремятся к международным продажам. С другой стороны, отдельные владельцы мотоциклов, автомобилей с мощной аудиосистемой ("boom box") и "мускул-каров" могут предпочитать, чтобы их транспортное средство было громче (по крайней мере, на холостом ходу или на низких скоростях), и такой шум (часто возникающий из-за модифицированных выхлопных систем) можно контролировать только посредством постоянных проверок и санкций. Ряд исследований показал, что снижение шумового загрязнения от транспорта является экономически выгодным или не требует значительных затрат. Эти исследования учитывают снижение стоимости недвижимости, подверженной шумовому воздействию, затраты на поддержку населения, стремящегося избежать шума, и увеличение расходов на здравоохранение, статистически связанное с более шумной окружающей средой. В 1980-х годах европейские технологии начали перенимать американский подход к борьбе с дорожным шумом, хотя национальные требования к шумовым исследованиям, как правило, остаются менее строгими, чем в США. В развивающихся странах шумовое загрязнение от автотранспорта представляет собой серьезную проблему, однако уровень технологий там не так высок, как в западных странах. Например, недавняя публикация из Ирана демонстрирует технологический уровень, с которым США столкнулись в 1960-х годах. Европейский Союз недавно предложил ряд требований к автомобильным шинам, аналогичных тем, которые были введены в США в 1970-х годах. В Мумбаи (Индия) чрезмерное использование клаксонов и дорожный шум считаются серьезным раздражителем. В 2020 году местная полиция запустила экспериментальную программу, связавшую продолжительность горения красного сигнала светофора с датчиком окружающего шума, увеличивая время красного сигнала, если уровень шума от транспорта превышает допустимые значения. Это служит сдерживающим фактором для использования клаксона.