Министерство образования и науки России Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Министерство образования и науки России
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
«ШУМ В МЕТРО»
Номинация 2. «Техносфера»: экологические проблемы, связанные с развитием
техники и производства
МБОУ лицей № 8
Выполнил: команда 6 Г класса
Руководитель: учитель математики
Дмитриенко О.Н.
г. Нижний Новгород
2013
Аннотация
Данная работа посвящена одной из актуальных проблем современности
– влиянию шума в метрополитене на здоровье человека и методах борьбы с
ним. В работе приведен обзор методов снижения уровня шума в
метрополитене. В ходе работы учениками была изготовлена лабораторная
установка и проведены измерения уровня шума при использовании различных
звукопоглощающих материалов. Для снижения уровня шума в метро
предложено использовать облицовку стен тоннелей перегонов матами из
базальтового супертонкого волокна. Работа выполнена учениками 6 г класса
лицея №8
г. Нижнего Новгорода в рамках городской технической олимпиады.
2
БЛАГОДАРНОСТИ
У нас не было, как у старшеклассников научного руководителя из
технического университета. Но нам помогали консультанты - родители,
дедушки, друзья, знакомые, самые неравнодушные, пытливые и
увлекающиеся взрослые. Спасибо им. Без их участия и помощи, у нас бы
ничего не получилось. Это - Педченко Елена Николаевна – неугомонный
куратор технической олимпиады нашего лицея, Дорофейчук Ольга
Владимировна, Дорофейчук Владимир Федорович, Блохин Александр
Георгиевич, Дмитриенко Сергей Анатольевич, Енюшкина Елена
Александровна (доверила нам лабораторию «Архимед» для измерений).
3
СОДЕРЖАНИЕ
1. АКТУАЛЬНОСТЬ. Как влияет шум на людей……………………………..…5
2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШУМОИЗОЛЯЦИИ В МЕТРО………10
2.1. Защита от шума и вибрации непосредственно в метрополитене………...10
2.2. Шумоизоляция подвижного состава………………………..……….….….11
2.2.1 Метрополитен на шинном ходу……………………………..…….….…...11
2.2.2. Шумоизоляция традиционного подвижного состава………..…….……14
3. НАУЧНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….…..…….17
4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ……………………………….….….…...17
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………….….………21
5.1. Установка………………………………………………………….….……...21
5.2. Методика измерений…………………………………………….……….…23
5.3. Результаты измерений………………………………………….…….……..24
6. МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………….….…….…26
6.1. Обзор шумопоглощающих материалов…………………………..………..26
6.2. Базальтовое супертонкое волокно (БСТВ)……………………….….…….28
6.3. Маты из БСТВ……………………………………………………….………32
6.4. Производители изделий из БСТВ……………………………….…………35
7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………………….…………...36
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….………....36
9. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ…………………………….…………….…37
4
1. АКТУАЛЬНОСТЬ.
Как влияет шум на людей.
Шум – это беспорядочное смешение звуков. Уровень шума в 20-30 дБ
практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без
которого невозможна нормальная человеческая жизнь. Шум с
характеристикой менее 60 дБ считается нормальной для восприятия
человеком, при уровне шума в 160 дБ лопаются барабанные перепонки, а
шуме больше 200дБ возможен летальный исход.
Шкала шумов (уровни звука, децибел), в таблице
Децибел Характеристика
Источники звука
Ничего не
0
слышно
Почти не
5
слышно
Почти не
тихий шелест листьев
10
слышно
Едва слышно
шелест листвы
15
Едва слышно
шепот человека (на расстоянии 1 метр)
20
Тихо
шепот человека (1м)
25
шепот, тиканье настенных часов
Тихо
Допустимый максимум по нормам для жилых
30
помещений ночью, с 23 до 7 ч
Довольно
приглушенный разговор
35
слышно
обычная речь
Довольно
Норма для жилых помещений днём, с 7 до 23 ч
40
слышно
45
50
55
60
65
Довольно
слышно
Отчётливо
слышно
Отчётливо
слышно
Шумно
Шумно
обычный разговор
разговор, пишущая машинка
Верхняя норма для офисных помещений класса А
(по европейским нормам)
Норма
громкий разговор (1м)
5
70
75
Шумно
Шумно
80
Очень шумно
85
Очень шумно
90
Очень шумно
95
Очень шумно
100
Крайне шумно
громкие разговоры (1м)
крик, смех (1м)
крик, мотоцикл с глушителем.
громкий крик, мотоцикл с глушителем
громкие крики, грузовой железнодорожный вагон
(в семи метрах)
вагон метро (в 7 метрах снаружи или внутри
вагона)
оркестр, вагон метро (прерывисто), раскаты грома
Максимально допустимое звуковое давление для
наушников плеера (по европейским нормам)
в самолёте (до 80-х годов ХХ столетия)
вертолёт
пескоструйный аппарат (1м)
Крайне шумно
Крайне шумно
Крайне шумно
Почти
отбойный молоток (1м)
120
невыносимо
Почти
125
невыносимо
самолёт на старте
130 Болевой порог
135 Контузия
звук взлетающего реактивного самолета
140 Контузия
старт ракеты
145 Контузия
Контузия,
150
травмы
Контузия,
155
травмы
ударная волна от сверхзвукового самолёта
160 Шок, травмы
При уровнях звука свыше 160 децибел - возможен разрыв барабанных
перепонок и лёгких,
больше 200 - смерть (шумовое оружие)
105
110
115
Шум и вибрация, сопровождающие функционирование крупных
поселений и городов, оказывают самое негативное влияние на здоровье
человека. Многочисленные исследования, проведенные крупными
исследовательскими центрами Европы, Азии и Америки, научно доказали
этот факт. Так, например, ученые Мичиганского университета выявили, что
6
повышение уровня шума на каждые 10 децибел, повышает артериальное
давление примерно на 2 мм рт.ст. Исследования японских ученых выявили
зависимость различных заболеваний от особенностей вибраций, с которыми
приходится сталкиваться представителям тех или иных профессий.
Установлено, что желудочным заболеваниям подвержены водители
грузовиков, трактористы страдают от радикулита, у летчиков наблюдается
нарушение сердечно-сосудистой деятельности, а у вертолетчиков снижается
острота зрения.
Обобщая результаты проведенных исследований по влиянию шума и
вибрации на здоровье человека, можно сделать определенные выводы.
Основное негативное влияние шума на здоровье человека заключается
в следующих факторах:
Шум может влиять на отдельные органы и системы человеческого
организма, в результате чего могут произойти физиологические изменения.
Например, у человека может снизиться слух, увеличивается кровяное
давление, обостряются сердечнососудистые заболевания, повышается риск
инсульта.
Шум может спровоцировать стрессовую ситуацию, вызывая довольно
сложные изменения в нервной системе человека. Часто это сопровождается
бессонницей, нервозностью, сонливостью. Человек чувствует постоянную
усталость, его одолевают головные боли и головокружение.
При длительном и особо интенсивном воздействии шума на человека
возможно развитие шумовой болезни, симптомами которой являются
поражение органов слуха, сердечно-сосудистой и центральной нервной
системы.
Шум в крупных мегаполисах является одним из факторов, снижающих
продолжительность жизни человека. Особенно остро на шум реагируют
пожилые люди. Выявлено также, что люди умственного труда страдают от
шума больше, чем люди, занимающиеся физическим трудом.
7
Метро уже давно приобрело репутацию самого надежного, быстрого и
довольно экологичного вида транспорта. Действительно, метрополитен
является единственным транспортным средством, которое практически не
загрязняет атмосферу вредными выбросами, а высокая скорость при
отсутствии пробок делают метрополитен привлекательным для большинства
жителей крупных мегаполисов.
Однако, всего этого недостаточно, чтобы человек чувствовал себя в
метро действительно комфортно и безопасно. Многочисленные медицинские
исследования выявили такой неприятный факт, как влияние шума и вибрации
в метро на здоровье человека.
Средний показатель уровня шума на платформе метро составляет
около 90 дБ, а в вагонах 94 дБ, при допустимой норме 60 дБ, а вибрация
наблюдается в диаметре 70 м от стенок тоннеля метрополитена. Длительное
воздействие шума такой силы может повлечь такие заболевания, как
гипертония, невроз, вегетососудистая дистония, глухота. Конечно,
вероятность потери слуха у каждого человека разная.
Это зависит от многих факторов, в частности от возраста и
индивидуальных особенностей. Наиболее высокому риску подвергаются
особенно те пассажиры подземки, которые во время поездки слушают музыку
в наушниках. Это всё же приятнее, чем слушать грохот, но они сажают слух
быстрее, чем от грохота вагонов.
Важно также, как часто и долго человек ездит в метро. Общее
среднесуточное количество пассажиров Московского метрополитена 6,92 млн человек.
В среднем, дважды в день и чаще метро используют 1,8 млн человек в
будние дни и около 463 тысяч человек в выходные дни. В среднем, ежедневно
проводят в метро не менее часа 1,8 млн человек в будний день и 1,3 млн
человек - в выходной.
8
Люди не должны больше 30 секунд подвергаться действию шума,
уровень которого составляет 106 децибел. Но это – самый высокий уровень
шума, который фиксируется на платформах станций метро.
Метрополитен является также причиной сильных вибраций,
вызываемых воздействием колес на рельсы. В местах мелкого заложения
метрополитена вибрация ощущается в зданиях, расположенных в радиусе 70
метров от тоннелей метрополитена. Повышенная вибрация может привести к
медленному разрушению фундаментов, появлению трещин в несущих
конструкциях здания, в квартирах наблюдается дребезжание посуды и стекол
в окнах. Но, что еще неприятнее, вибрация негативно влияет на здоровье
людей, у них нарушается сон, появляется раздражительность, могут развиться
нервные и сердечнососудистые заболевания.
Основная опасность воздействия шума и вибрации на здоровье
человека заключается в том, что весь негатив от этого ощущается человеком
не сразу, а по истечении некоторого срока, когда заболевание уже развилось и
требует активного медикаментозного лечения.
Таким образом, защита от шума и вибрации метрополитена
должна осуществляться неукоснительно и регулярно.
9
2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШУМОИЗОЛЯЦИИ
В МЕТРО
Защита от шума и вибрации метрополитена проводится в двух
направлениях:
2.1. Защита от шума и вибрации непосредственно в
метрополитене:
- прокладка длиннорельсовых путей, которые сокращают число
стыков между рельсами, на которых происходит наиболее сильное соударение
с колесами;
- резиновые вибровставки, которые прокладываются под рельсами, а
также подбалластные маты, укладываемые под платформы;
- применение антивибрационных устройств для рычажно-тормозной
передачи;
- шумоизолирующие шпалы;
Виброизоляция верхнего строения пути представляет собой сложную
конструкцию из шумо- и виброизолирующих устройств, приспособлений и
материалов, которые поглощают колебательные волны и не позволяют им
распространяться дальше по грунту. Например, компанией
«Вибросейсмозащита» разработана и запатентована уникальная технология
виброизоляции верхнего строения пути, которая предусматривает
использование оригинальной сборной резиновой виброзащитной оболочки,
расположенной на композитных полушпалах и помещенной в жесткий короб
из стеклофибробетона. Этот метод защиты от шума и вибрации был
апробирован на линиях Московского метрополитена и доказал свою
состоятельность.
- закрытая платформа (меньше шума на платформе). Например, в
Арабских Эмиратах платформа метро отделена от путей стеклянной стенкой
с раздвижными дверями. Выход с платформы открывается только после
остановки прибывшего поезда, одновременно с дверями вагонов. Вагон
вплотную подходит к платформе, с минимальным зазором. Конечно, такое
10
устройство решает не только проблему шумоизоляции, но и проблему
безопасности пассажиров, ожидающих поезда, так как выход на пути для
человека оказывается в принципе невозможным. Интересно отметить, что в
этих поездах нет машинистов, ими управляет компьютер;
- снижение скорости въезда на платформу;
- изоляция инженерного оборудования метро - вентиляционные
установки и энергетические системы. Для этого в вентиляционных камерах
устанавливают специальные глушители и виброизоляторы - сложные
устройства, состоящие из стальных пружин и резиновых прокладок, которые
поглощают не только механические, но и звуковые волны;
2.2. Шумоизоляция подвижного состава.
- использование резиновых шин («метрополитен на шинном ходу»).
- шумоизоляция вагонов (меньше шума в составе);
- более крепкие материалы отделки вагонов (меньше скрипа и
грохота);
2.2.1 Метрополитен на шинном ходу.
Поезда катятся по специальным дорожкам, сделанным из бетона или
специальной стали.
Есть два варианта метрополитена на шинном ходу - совмещённый с
традиционным рельсовым путём и не совмещённый с ним. В метрополитенах
Монреаля, Мехико, Сантьяго, Парижа, Лиона, Марселя шинный ход
совмещён с традиционными железнодорожными рельсами.
В метрополитенах Лилля, Тулузы, Ренна и Турина используются
только резиновые колёса, обычного рельсового пути там нет.
Как на обычном железнодорожном транспорте, машинист не должен
рулить, так как поезда снабжены ещё и традиционными стальными колёсами.
Эти железнодорожные колёса направляют состав на правильную траекторию,
а иногда и подстраховывают в случае спущенных шин. Рельсы также полезны
при прохождении стрелок.
11
метровагоны на шинном ходу в
Мехико
тележка вагона Парижского
метрополитена
Преимущества и недостатки вагонов на шинном ходу.
Преимущества:
- Важнейшим преимуществом поездов на шинном ходу является
меньший уровень шума по сравнению с обычными поездами.
- Гладкий ход почти без встряхиваний,
- Сравнительно быстрые разгон и торможение,
- Составы могут форсировать уклоны до 13%. Такой уклон имеется в
Монреальском метрополитене, под рекой Святого Лаврентия.
Недостатки
- Бо́льшая сила трения относительно обычных стальных колёс и
рельсов, что приводит к большему расходу электроэнергии.
- Иногда трение шин о путевое полотно может быть настолько
громким, что люди не слышат друг друга.
- Плохая погода (снег, дождь) сводит преимущество шинного хода на
нет. Именно поэтому Монреальский метрополитен проходит под землёй на
всём своём протяжении.
- Использование уникальных компонентов конструкций подвижного
состава сложно и дорого.
12
- Весовые преимущества малы, так как система обычного стального
колеса, как на обычных рельсовых ЖД, тоже применяется для подстраховки, и
тоже вносит свой вклад в вес. А также - прохождения стрелок невозможны без
традиционных стальных колёс.
- Иными словами - 2 системы (стального хода, и шинного хода)
работают параллельно, что действительно дороже, чем единственная
традиционная система рельсов.
- Резиновые шины имеют срок годности меньший, чем стальные
колёса. Следовательно, нужны более частые замены, что дополнительно
удорожает обслуживание подвижного состава.
- Вся тяговая энергия, потребляемая поездом, кроме той, которая
возвращается на подстанцию во время рекуперативного торможения,
теряется, переходя в тепловую. Это особенно частое явление в тоннелях
метрополитенов, что вынуждает к принудительной вентиляции. С
использованием резиновых шин эта проблема усугубляется.
Эти мероприятия по шумоизоляции и виброизоляции метро позволяют
снизить уровень шума и вибрации внутри самого метро.
В России концепция поездов на «шинном ходу» реализована в
московском монорельсе. В настоящий момент московский монорельс - это
единственный в мире монорельс с линейным двигателем (кроме систем на
магнитной подвеске).
Он ходит по одному рельсу, называемому ходовой балкой. Балка
имеет специальный профиль, такой, что поезд не просто стоит на ней сверху,
а плотно «сидит», обхватывая ее своей конструкцией со всех сторон. В этом
заключается одно из бесспорных достоинств монорельса - он не может сойти
с рельсов ни при какой аварии (исключая, естественно, физическое
разрушение самого рельса).
Для такого пути не нужны эстакады сложной конструкции, путь
представляет собой ходовую балку, поднятую на опоры. Такая широкая
площадь рельса позволяет использовать в качестве движителя не
13
металлические колеса, а прорезиненные катки. В этом монорельс похож на
автомобильный транспорт.
Таким образом шум, издаваемый поездом при движении, сводится
практически к нулю.
2.2.2. Шумоизоляция традиционного подвижного состава.
Вагоны «Русич», которыми заменяют старые составы
Метрополитен понемногу переходит на принципиально новые вагоны
- «Русич». Они экономичнее, вместительнее прежних, да и внешне выглядят
современнее.
Недостатки:
- плохая вентиляция. В вагонах
поставили герметичные стеклопакеты, а
вентиляцию сделали принудительной.
Идея благая: такой «обдув» пассажиров
в вагонах не зависит от скорости поезда
и от того, идет он в тоннеле или по
открытой ветке. Кроме того, новые окна
уменьшают шум на 10 - 15 децибел (в
среднем в нашем метро уровень шума 80 дБ). Все бы хорошо, но, в результате
вентиляция в вагонах стала в три раза
менее эффективной. Ее мощности не
хватает, чтобы нормально прогонять
воздух. В «Русичах» стали менять
герметичные окна на те, что с
форточками. Но помогло ли это?
Шум от подъезжающего «Русича слышен уже на переходе. Там, где
поезд выныривает из тоннеля, измерения уровня шума показали 91 дБ! Надо
заметить, что шум от вагона старой модификации, которых в метро
14
большинство, составляет 95 децибел! Измерили уровень шума, давящего на
пассажира внутри «Русича» при движении вагона внутри тоннеля. К стуку
колес добавляется гул мотора. 80... 85 дБ...(это при открытых форточках)
В тоннеле звук отражается от стенок, и уровень шума выше. При
закрытых форточках уровень шума - 67дБ! Вентиляция с открытыми
форточками, может, и лучше, но если они закрыты, то в вагоне заметно тише.
А если стеклопакет герметичен, без форточной врезки, - получится еще
лучше. Но ухудшится обдув.
Что показали замеры
Вагоны «Русич» Старые вагоны
Что сравнивали
Шум при въезде на платформу, дБ
В конце платформы (во время
торможения), дБ
В тоннеле внутри вагона (форточки
открыты), дБ
Внутри вагона (форточки закрыты), дБ
(серия 81-
(серия 81-
740/741)
717/714)
91
95
87
91
85
87
67
79*
*Шум идет через вентиляционные люки в потолке вагона. У «Русича»
их нет да и форточки герметичнее.
Однако, поезда «Русич» себя не оправдали, поэтому было принято
решение продолжить эксплуатацию традиционных 717-х модернизированных
электровагонов.
Одним из вариантов модернизации 717 серии в 2006 году был
предложен ВИП вагон (повышенной комфортности) для московского
метрополитена. Новый вагон получил индекс 81-805.ВИП.
Салон вагона делится на две части. В центре расположены входные
двери и тамбур, где находится контролер, проверяющий билеты, дающие
15
право проезда в бизнес-классе. В передней части вагона - кабина машиниста,
после которой расположен бар (с прохладительными напитками, кофе
и легкими закусками), по сторонам— ряд барных стульев и ряд двойных
сидений со столиками.
Аналогов среди зарубежных метрополитенов не существует. Наступил
21-й век, меняется и метрополитен. На железной дороге давно утвердилась
практика разделения пассажирских составов на вагоны разного класса и
работники метрополитена хотят привлечь деловых и обеспеченных людей,
показать им, что подземка - удобный и быстрый способ доехать до центра, где
можно будет оставить автомобиль, и продолжить движение в город с
комфортом.
Новые вагоны оборудованы системой приточно-вытяжной вентиляции,
кондиционерами и установкой климат-контроля. Усиленная шумоизоляция
позволяет разговаривать негромким голосом (в обычных вагонах метро нужно
практически кричать в ухо собеседнику).
Вход в вагон бизнес-класса составит всего сто рублей в дополнение к
стоимости проезда. Такси от Рублевки до центра обойдется минимум рублей в
16
двести, а средняя скорость наземного транспорта в Москве — 15 км/ч. Такой
сервис в два раза дешевле и в четыре раза быстрее.
3. НАУЧНАЯ ЧАСТЬ.
Шум представляет собой сложный звук, образующийся в результате
длительных непериодических колебаний различных источников звука. Звук
состоит из множества локальных изменений плотности воздуха, которые
волнообразно распространяются в воздушной среде с определенной
скоростью (скоростью звука, с ≈ 340 м/c). На всех частотах звуковая волна
распространяется практически с одинаковой скоростью.
Распространяясь в помещении от своего источника, звуковая волна
расширяется до тех пор, пока не достигнет граничных поверхностей
помещения: стен, пола, потолка. Часть энергии звуковой волны проходит
сквозь стены, часть поглощается внутри стен, а часть отражается обратно
внутрь помещения.
Задача звукопоглощения - поглотить шум, не дать ему отразиться от
преграды обратно, минимизировать часть отраженной энергии. Для решения
этой задачи применяют звукопоглощающие материалы и конструкции
(звукопоглотители).
4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ.
Нижегородский метрополитен – молодой вид общественного
транспорта. Поэтому вопрос о приобретении ВИП вагонов - это перспектива.
В Нижегородском метрополитене с момента его открытия до настоящего
времени используются вагоны 81-717/714 («номерные»), а также один состав,
состоящий из вагонов 81-717.5/714.5 (эксплуатируется с 2009 года), и три
состава 81-717.6/714.6, закупленные перед открытием станции
«Горьковская»[.
Мы решили самостоятельно провести измерения уровня шума в
нижегородском метрополитене. В качестве средства измерения мы
17
использовали учебную лабораторию «Архимед» с датчиком измерения уровня
шума DT320.
Измерения проводились смартфоном на платформе станции метро
«Горьковская» и лабораторией «Архимед»в вагонах двух типов: старого
образца (серия 81-717) и вагонах «Кузьма Минин» (серия 81-717.6).
Результаты измерений в вагонах приведены на графиках:
18
19
Усредненные результаты измерений приведены в таблице
Что сравнивали
Вагоны «Кузьма
Старые вагоны
Минин»
(серия 81-717)
(серия 81-717.6)
Шум при въезде на платформу, дБ
В конце платформы (во время
торможения), дБ
В тоннеле внутри вагона
(форточки закрыты), дБ
91
95
87
91
75 - 80
80 - 85
Наши измерения приблизительно совпали с результатами испытаний
вагонов «Русич» и вагонов старого образца (серия 81-717/714).
Таким образом, мы убедились, что проблема шума в метро, в
основном, решается за счет увеличения шумоизоляции подвижного состава.
Технология шумоизоляции, материалы, используемые при этом,
составляют техническую тайну (know how) предприятия-производителя
вагонов. Поэтому модернизация вагонов метро не входит в задачи нашей
работы.
Наша цель - поглотить шум в самом тоннеле метрополитена,
используя различные звукопоглощающие материалы.
20
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
5.1. Установка.
Для проведения эксперимента по измерению уровня шума нами была
изготовлена лабораторная установка.
Для имитации тоннеля метро выбрана металлическая труба
прямоугольного сечения. В качестве источника шума используются два
динамика, направленные под углом 45 градусов к оси трубы. Чтобы
уменьшить продольную составляющую звуковой волны, идущую вдоль
трубы, не отражаясь от стенок, были установлены отражатели. Таким
образом, звук (шум), издаваемый динамиками, распространяется вдоль трубы,
отражаясь от ее стенок. На динамики через усилитель низкой частоты
подавалась запись «белого шума» с мобильного телефона.
Белый шум - стационарный шум, спектральные составляющие
которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных
частот. Примерами белого шума являются шум близкого водопада. Название
получил от белого света, содержащего электромагнитные волны частот всего
видимого диапазона электромагнитного излучения.
Для проведения эксперимента нами были изготовлены три вкладыша
из звукопоглощающих материалов:
1) вспененный полиэтилен;
2) материал «Акцент»;
21
3)строительная губка.
Измерения уровня шума проводились с использованием цифровой
лаборатории Nova5000 (Архимед), имеющей в своем составе датчик уровня
шума DT320. Датчик DT320 был помещен в металлическую коробочку,
имитирующую вагон метрополитена.
22
Схема установки приведена на рисунке
5.2. Методика измерений.
1. Собрали установку согласно схеме.
2. Включили цифровую лабораторию Nova5000, запустили программу
Multilab.
3. Начало и окончание измерения производится нажатием кнопок
«Пуск» и «Стоп» в подменю «Регистратор» верхнего меню программы Multilab.
4. Установили регулятором громкости на мобильном телефоне уровень
шума в диапазоне 85 – 90 дБ и произвели измерение уровня шума в пустой
трубе (без вкладышей) в течение 30с.
5. Установили в трубу вкладыш из вспененного полиэтилена и, не
изменяя громкости излучаемого шума, повторили измерение в течение 30с.
23
6. Повторили измерения с использованием вкладышей из материала
«Акцент» и строительной губки.
5.3. Результаты измерений.
Результаты измерений приведены на графиках.
24
Усредненные значения измерений приведены в таблице:
№
измерения
Шумопоглощающий материал
Уровень шума, дБ
1
Без шумопоглощающего материала
81
2
Вспененный полиэтилен толщиной 5мм
77
3
Материал «Акцент» толщиной 10мм
75
4
Строительная губка толщиной 15мм
68
25
Из проведенных измерений видно, что вспененный полиэтилен
ослабляет шум на 6 дБ, материал «Акцент» - на 4дБ, а строительная губка - на
13дБ. Таким образом, мы на опыте убедились, что покрытие стен и потолка
тоннеля метрополитена шумопоглощающим материалом должно реально
снизить уровень шума в вагоне.
Так какой же материал выбрать для обработки стен тоннелей
метрополитена?
Он должен:
- иметь высокий коэффициент поглощения звука при небольшой
толщине покрытия;
- быть негорючим, нетоксичным, устойчивым к влажности,
долговечным;
- легким по весу и технологичным при монтаже;
- по возможности - недорогим
6. МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
6.1. Обзор шумопоглощающих материалов.
Звукопоглощающие преграды представляют собой гибкие панели или
облицовочные пористые материалы, располагаемые вдоль стен и на потолке
помещения. Звуковая энергия, проникая в толщу материала, переходит в
тепловую. Этот процесс происходит за счет вязкого трения воздуха в узких
порах рыхлого материала или за счет внутреннего трения в материале гибких
панельных конструкций, колеблющихся под действием звуковых волн.
Звукоизоляция, применяемая для ослабления проникающего шума,
препятствует его проникновению из одной части помещения в другую,
причем эффект ее возрастает с увеличением частоты шума и резко снижается
при совпадении частоты звука с частотой собственных колебаний.
Звукоизолирующие преграды в отличие от звукопоглощающих имеют не
пористую, а гладкую поверхность. При одной и той же толщине
звукоизолирующей преграды эффект звукоизоляции возрастает с увеличением
26
числа слоев материала, но при условии отсутствия жесткой связи между
слоями.
Звукопоглощающие материалы имеют волокнистое, зернистое или
ячеистое строение. По степени жесткости звукопоглощающие материалы
бывают: твердые, мягкие, полужесткие.
Твердые материалы производятся на основе гранулированной или
суспензированной минеральной ваты; материалы, в состав которых входят
пористые заполнители, такие как пемза, вспученный перлит, вермикулит.
Коэффициент звукопоглощения: 0,5. Объемная масса: 300-400 кг/м3.
Мягкие звукопоглощающие материалы изготавливаются на основе
минеральной ваты или стекловолокна; а также ваты, войлока и пр.
Коэффициент звукопоглощения: от 0,7 до 0,95. Объемная масса: до 70 кг/м3.
Полужесткие материалы - это минераловатные или стекловолокнистые
плиты, материалы с ячеистым строением - пенополиуретан и т. п.
Коэффициент звукопоглощения: от 0,5 до 0,75. Объемная масса: от 80 до 130
кг/м3.
Характеристика поглощения звука оценивается коэффициентом
звукопоглощения α, котрый равен отношению не отразившейся (поглощенной
внутри и прошедшей сквозь) от поверхности энергии колебания воздуха к
полной энергии, воздействующей на поверхность. Коэффициент
звукопоглощения меняется в пределах от 0 до 1.
При нулевом значении коэффициента звукопоглощения звук
полностью отражается, при полном звукопоглощении коэффициент равен
единице. К звукопоглощающим материалам относят те, которые имеют
коэффициент звукопоглощения не менее 0,4.
Значения коэффициента звукопоглощения для некоторых материалов
Материалы
Бетон
неокрашенный
Бетон
окрашенный
Значения α при среднегеометрических частотах
125
250
500
1000
2000
4000
0,011
0,012
0,016
0,019
0,023
0,035
0,009
0,011
0,014
0,016
0,017
0,018
27
Кирпичная стена
Мрамор
Минеральный
войлок толщиной
40 мм
Слой ваты
толщиной 100 мм
Фанера
толщиной 6 мм
0,024
0,01
0,025
0,01
0,031
0,01
0,042
0,013
0,049
0,015
0,07
0,017
0,15
0,36
0,6
0,78
0,88
-
0,43
0,53
0,59
0,69
0,7
-
0,2
0,28
0,26
0,09
0,12
0,11
Для увеличения звукопоглощения на низких частотах необходимо
увеличить толщину пористо-волокнистых материалов или предусмотреть
воздушный промежуток между поглотителем и отражающей конструкцией.
Для получения высокого значения коэффициента звукопоглощения
(0,7 - 0,9) в широком диапазоне частот применяют многослойные резонансные
конструкции, состоящие из 2 – 3 параллельных экранов с разной перфорацией
с воздушным промежутком разной толщины.
Звукопоглощающие конструкции с большим звукопоглощением в
области низких частот изготавливают в виде панелей, состоящих из тонких
пластин (дерево, фанера, гипсокартон), закрепленных на раме. Пластины
расположены на некотором расстоянии от ограждающих поверхностей. Под
действием звуковых волн панели будут колебаться. При совпадении
собственных частот панелей и вынуждающих частот звуковых волн будет
наблюдаться явление неотражения (поглощения) этих волн. Если при этом
между панелями и ограждающими конструкциями разместить эффективные
на средних и высоких частотах волокнистые поглотители, то получатся
широкополосные звукопоглощающие конструкции.
В своей работе мы предлагаем использовать в качестве
звукопоглотителя базальтовое супертонкое волокно и изделия из него.
6.2. Базальтовое супертонкое волокно (БСТВ).
Еще совсем недавно, отечественный производитель мало что знал о
базальтовом волокне, как об уникальном тепло- и звукоизоляционном
материале на основе природного горного сырья.
28
Благодаря своим уникальным свойствам,
базальтовое волокно в нашей стране в первую
очередь начали применять в оборонной
промышленности, в основном для авиа- и
судостроения.
Область использования материалов из БСТВ сейчас огромна и
постоянно расширяется. Это:
тепло - и звукоизоляция жилых, промышленных,
сельскохозяйственных зданий,
коттеджей и гаражей;
теплоизоляция теплотрасс;
тепло- и звукоизоляция промышленного оборудования;
теплоизоляция работающих при высоких температурах турбин ГРЭС и
ТЭЦ.
Другими областями применения БСТВ являются авиа- судо- и
автостроение. Маты и холсты из БСТВ имеют малый вес: 1 куб.м изделия
весит 18-30 кг. А минераловатная продукция в свою очередь весит 75-135 кг.
Данное качество является важнейшим при использовании изделий из БСТВ в
авиастроении и космической промышленности.
Так как производство базальтового волокна выполнено из горных
пород, оно занимает непосредственное место в окружающей среде, абсолютно
не нарушив ее экологической гармонии. Уже на протяжении 25 лет во многих
странах мира применяют базальтовую вату в качестве искусственной почвы.
В сравнении с матами и холстами из базальтового супертонкого
волокна широко востребованные на сегодняшний день импортные
стекловаты, как и отечественная стекловата и шлаковата имеют существенные
несовершенства. В этих вышеуказанных материалах для связки стекловолокон
(и шлаковолокон) используют разные смолы, которые представляют
29
серьезную угрозу для здоровья людей, если их концентрация в воздухе
превышает ПДК. Высокая эластичность и большая длина базальтовых
супертонких волокон гарантируют их прочное переплетение, в отличие от
стекловаты и шлаковаты. Скрепление БСТВ друг с другом происходит силами
естественного сцепления.
Базальтовые супертонкие волокна
наделены высочайшей химической
стойкостью.
Холсты и маты из базальтового
супертонкого волокна, гарантируют
надежную теплоизоляцию,
экологическую и пожарную
безопасность, а также защищенность от шума.
Срок эксплуатации матов плит и холстов, установленный научным
способом, при соблюдении условий хранения, использования и монтажа
около ста лет.
Из всех особенностей и преимуществ, важным является то, что
современные технологии позволяют выпускать продукцию из БСТВ с очень
низкой себестоимостью, делая этот продукт особенно привлекательным для
потребителей, не только по качеству, но и цене!
30
Сравнительные характеристики продуктов, представленных на рынке
Параметры
Предельная температура
применения, С
Шлаковата Стекловата Минвата
до 250
БТВ
БСТВ
-60 - +450
до 180-700 -259 - +700 -259 - +900
Колкость
да
Коэффициент
теплопроводности, Вт/м-К 0,46-0,48
Класс горючести
НГ- не
горючее
да
нет
Выделение вредных
веществ
Теплоемкость, дж/кг»К
Вибростойкость
Сжимаемость, %
да
да
Упругость, %
Температура спекания, С
Длина волокон, мм
Коэфф.
звукопоглощения
Химическая устойчивость
(потеря веса): в воде, °/о
- в щелочной среде
-в кислотной среде
Водопоглощение за 24
час, %
нет
нет
0,038-0,046 0,044-0,046 0.038-0,046 0.034-0,036
НГ- не
НГ- не
НГ- не
НГ- не
горючее
горючее
горючее
горючее
да
нет
нет
1000
1050
1050
нет
нет
нет
нет данных нет данных 40
500-800
нет
40
800-1000
да
31,2
нет данных
250-300
16
0,75-0,82
нет данных
450-500
15-40
0,8-0,92
60
600
16
0,75-95
70
700-900
20-50
0,8-95
75,5
1100-1200
50-90
0,95-96
7.8
7
68,7
20
6,2
6
38,9
1,7
4,5
6,4
24
1,5
1.8
3.0
2,5
0,95
1,5
2,75
2.2
0,02
31
6.3. Маты из БСТВ.
Маты БЗМ-Л изготавливаются из специального супертонкого
базальтового волокна в оболочке со всех сторон из стеклоткани.
Характеристики:
- материал с отличными звукопоглощающими свойствами;
- негорючие, огнестойкие, пожаробезопасные;
- экологически чистые (не содержат фенолосодержащего связующего);
- химически стойкие, нетоксичные;
- стойкие по отношению к микроорганизмам и грызунам, не гниют;
- не увеличивают диффузорного сопротивления конструкций;
- обладают низкой гигроскопичностью (не впитывают влагу из воздуха);
- стойки к вибрациям (не разрушаются);
- отлично поглощают шумы и звуки.
Размеры:
Линейные параметры матов БЗМ-Л определяются совместно с Заказчиком
Упаковка: полиэтиленовые пакеты
Область применения:
- Звукоизоляция агрегатов и конструкций в судостроении
- Акустической облицовки стен и потолков
- В звукоизолирующих экранах и кабинах
- Звукоизоляция в авиастроении, транспортных средствах, металлургической
и химической отраслях,
- В заглушенных камерах для акустической сертификации продукции,
32
- Глушителей шума в системах приточной и вытяжной вентиляции,
кондиционирования воздуха, на газотурбинных и компрессорных установках.
Диапазон частот
низкочастотный
100-250 Гц
среднечастотный
250-1000 Гц
высокочастотный
1000-2000 Гц
Нормальный коэффициент звукопоглощения
при толщине БЗМ-Л, мм
50
0, 08 – 0, 46
100
0, 21 – 0, 98
200
0, 70 – 0, 66
0, 46 – 0, 73
0, 98 – 0, 80
0, 66 – 0, 77
0, 73 – 0, 86
0, 80 – 0, 85
0, 77 – 0, 83
Продукция имеет Санитарно-эпидемиологическое заключение,
сертифицирована Российским Речным и Морским регистрами.
Награждена премией Правительства Республики Коми в области
качества.
Рыночная стоимость базальтового полотна ~1200 руб. за м 3 и ~1600
руб. за м 3 мата, плотностью 35 кг/ м 3 .
Маты прошивные на металлической сетке Манье (МТПБ ТУ 88 У
023.012-93)
Маты изготавливаются путем обкладки базальтового супертонкого
волокна (БСТВ) металлической сеткой с одной или двух сторон и прошивки
изделия базальтовым или стеклянным ровингом. Материал с отличными
теплоизоляционными и звукоизоляционными свойствами, негорючий,
экологически чистый, огнестойкий и пожаробезопасный.
Маты на сетке Манье очень простые и удобные при монтаже. Края
матов можно легко сцепить, протянув проволоку между звеньями сетки.
Могут монтироваться на специальные штыри. Изделия могут многократно
сниматься и одеваться на объекты.
Свойства:
- отличные теплоизоляционные и звукопоглощающие характеристики;
33
- негорючий, огнестойкий, пожаробезопасный; служит огнезащитой
конструкций и перекрытий;
- экологически чистый (не содержит фенолформальдегидного
связующего);
- не поддается старению (срок эксплуатации свыше 50 лет);
- стойкость по отношению к микроорганизмам и грызунам, не гниет;
- не увеличивает диффузорное сопротивление конструкций (отличная
паропроницаемость);
- имеют низкую, не возрастающую во времени гигроскопичность (не
впитывают влагу из воздуха);
- отличные механические свойства (вибростойкость);
- химическая стойкость к маслам, кислотам, щелочам;
- температуру применения от -269°С до +700°С.
Область применения:
- внутренние и наружные стены;
- полы на лагах;
- жилые мансарды, чердаки, потолочные и межэтажные перекрытия;
- теплоизоляция в судостроении, аквапарках, бассейнах, саунах;
- промышленная теплоизоляция трубопроводов;
- теплоизоляция промышленных агрегатов и оборудования;
- теплоизоляция котлов, бойлеров и др.;
- теплоизоляция на ТЭС, АЭС, ТЭЦ (не накапливает радиацию).
Допустимая обработка:
- сетка манье с одной стороны;
- сетка манье с двух сторон;
- сетка манье внутри мата;
- сетка манье с шаром алюминиевой фольги.
Материалы из непрерывных базальтовых волокон применяются сейчас
для термо- и звукозоляции глушителей пяти типов автомобилей «Тоyоtа».
Необходимость использования именно БВ в глушителях связана с
34
применением на новых моделях автомобилей «Тоyоtа» двигателей новых
модификаций с дожигом отходящих газов. При этом температура газов,
поступающих в глушитель, возрастает. Стекловолокно, которое применялось
ранее в глушителях, не выдерживает этих температур и разрушается. Кроме
того, в глушителях проявляются другие положительные качества базальтовых
волокон: вибростойкость, термостойкость при частых теплосменах, что
позволяет производить долговечные изделия высокого качества.
6.4. Производители изделий из БСТВ.
Производством НБВ (непрерывного базальтового волокна) сейчас
занимаются несколько стран: Украина, Россия, Китай. Непрерывное
базальтовое волокно и материалы на его основе традиционно являются
экспортной продукцией, спрос на которую в мире постоянно растет.
Развитие производств непрерывного базальтового волокна и
материалов из НБВ признано приоритетными направлениями для
промышленно развитых стран мира. В 1998 году это обозначено в ведущей
научно-технической программе ООН и Программой Европейского Союза по
организации производства нового базальтового волокна и материалов в 2003
году. О том, что производство непрерывного базальтового волокна
действительно очень перспективное направление подтверждает опыт Китая.
Китай объявил производство базальтового волокна национальной
программой. На сегодняшний день в России всего около 10 предприятий,
занимающихся производством базальтового волокна. Основная часть
производителей сосредоточена в европейской части России (Королев, Курск,
Дубна, Сыктывкар, Воткинск). Выпуск продукции этих предприятий в
настоящий момент покрывают лишь потребности своего региона.
Готовой продукцией может быть как само базальтовое полотно, так и
нарезанные маты - материал, широко применяемый в строительстве и
обладающий тепло-, звукоизолирующими свойствами.
35
7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Базальты - это высокостабильные по химическому и
минералогическому составу магматические горные породы, запасы которых в
мире практически не ограничены и составляют от 25 до 38% площади,
занимаемой на Земле всеми магматическими породами. Из базальтовой
горной породы можно получить безвредное для организма человека и поэтому
конкурентноспособное на сегодняшний день с любым аналогичным
материалом базальтовое волокно.
Напомним еще раз его наиболее важные в области экологии
характеристики:
- негорючие, огнестойкие, пожаробезопасные;
- экологически чистые (не содержат фенолосодержащего
связующего);
- химически стойкие, нетоксичные;
- стойкие по отношению к микроорганизмам и грызунам, не гниют.
Сами установки для производства базальтовых волокон являются
экологически безопасными, компактными и в процессе работы не выделяют
никаких промышленных отходов. В атмосферу уходят только продукты
полного сгорания природного газа, прошедшие предварительное охлаждение
в рекуператорах и очистку в фильтрах.
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Проблема шума в метро актуальна и по сегодняшний день. Да,
выпускаются новые, более комфортабельные «тихие вагоны». Руководство
метрополитена тоже стремится и старается сделать этот вид общественного
транспорта более удобным и безопасным для пассажиров.
Мы в своей работе предлагаем уменьшить шум в метро за счет
покрытия стен тоннеля звукопоглощающими современными материалами из
супертонкого базальтового волокна.
36
9. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с
шумом. Учебник. Москва, Логос, 2008
2. Сайт предприятия Метровагонмаш (г.Мытищи)
http://www.metrowagonmash.ru
3. Сайт «Московское метро» Владимира Свириденкова
http://metro.molot.ru/
4. Сайт, посвященный «номерным» вагонам метро
http://nomernoy.metro.ru
5. Интернет-проект о транспорте в России и в мире. Сайт
http://www.nashtransport.ru/
6.Сайт ООО «Базальтовые технологии» http://www.baztex.ru
7. Сайт предприятия «Лотос» http://www.lotos-komi.ru
37