VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование фигур Хладни в борьбе с железнодорожным шумом
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время железнодорожный транспорт все чаще становится причиной жалоб населения на повышенный шум. Далеко не все железные дороги имеют зону санитарного разрыва. И строительство жилых домов зачастую ведется на расстоянии менее 100 м от железнодорожных путей. Проезд железнодорожного состава обуславливает возрастание уровня шума в некоторых случаях до 80-90 дБА на прилегающей жилой территории. Технические нормы шума в Российской Федерации, ограничивающие уровень шума, создаваемого поездом, никак не стыкуются с санитарными нормами и действуют далеко не для всех видов подвижного состава.
Особенность шумов железнодорожного транспорта состоит в том, что невозможно устранить причину их возникновения. Поэтому проблема повышенного акустического воздействия на население от железнодорожного транспорта актуальна практически для всех населенных пунктов, прилегающих к железным дорогам.
Целью данной исследовательской работы является уменьшение акустического воздействия от железнодорожного транспорта при помощи холмов, построенных по фигурам Хладни.
Исходя из поставленной цели вытекают следующие задачи:
изучить вред шумового воздействия на здоровье людей;
описать существующие способы защиты от шума;
рассмотреть причину появления фигур Хладни;
на опыте получить фигуру Хладни при шумовом воздействии от поезда;
составить макет оформления прилежащей к железнодорожным путям территории.
В работе представлены теоретический и практический материалы по вышеназванной теме.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Каждому человеку периодически приходится пользоваться транспортом. Я не исключение. Приходилось многократно ездить на автомобиле или поезде к родным. В дороге часто размышляешь и задумываешься о том, что не приходит тебе в голову в обычной жизни. Я обратила внимание, что в России многие люди живут близ железнодорожных путей. Но ведь это не правильно, рядом с поездом даже стоять не комфортно. У меня возникли следующие вопросы: Насколько шум вредит здоровью человека? Какой уровень шума получают такие люди? Как уменьшить звуковое воздействие?
Позже, в одной из передач «Что? Где? Когда?» я услышала об аналогичной проблеме вредного воздействия от шума аэродрома в Нидерландах и о необычном её решении. На протяжении многих лет жители окружающих поселений жаловались на непрекращающийся шум от постоянно взлетающих самолётов. Это как раз тот тип шума, который распространяется на множество километров из-за плоской поверхности земли и отсутствия каких-либо холмов на пути звуковых волн (рис. 1).
Рисунок 1 – Появление и рассеивание низкочастотных звуковых волн
Для решения проблемы шумового загрязнения Поль де Корт спроектировал серию преград и канав к юго-западу от аэропорта, прямо вдоль взлетно-посадочной полосы. Расстояние между ними было примерно равно длине шумовой волны от самолета, составляющей около 10 м. В результате появилось 150 совершенно прямых и симметричных полос в виде небольших горных хребтов высотой около 2 метров (рис. 2).
Рисунок 2 – Холмы в аэропорте Схипхол
Поль де Корт использовал наброски немецкого физика и музыканта 18 века по имени Эрнст Хладни, заложившего основы для современной акустической науки. С помощью такой манипуляции удалось снизить уровень шума примерно наполовину.
Это решение заинтересовало меня и сподвигло подробнее изучить эту тему и применить её для борьбы с шумом от железных дорог. Поэтому, данная тема является актуальной и насущной.
2. Таким образом, гипотезу данного исследования можно сформулировать следующим образом: «Можно ли с помощью земельного ландшафта (построенного с помощью фигур Хладни) уменьшить силу шумового воздействия от поездов». Далее подробнее рассмотрим теоретические и практические аспекты данного исследования.
3. Вред шума
Шум уличного движения в больших городах, авиационный и от движения железнодорожных составов дают основной вклад в шумовой фон города. В акустическом диапазоне высокочастотные шумы считаются более вредными. Транспортные средства создают преимущественно низко- и среднечастотный спектр шума. Например, при движении поезда частота звуков обычно составляет 500 – 800 Гц.
По действующим строительным нормам и правилам жилую застройку необходимо отделять от железных дорог санитарно-защитной зоной шириной 100 м, считая от оси крайнего железнодорожного пути. К сожалению, данные нормы и правила очень часто не соблюдаются.
Оказывается, интенсивность шума от железнодорожных составов (в 7 м от колеи) составляет 95 – 100 дБА, а от железнодорожных составов (у колес) 125 – 130 дБА. При том, что шум свыше 80 дБА вреден для человеческого организма.
По данным исследователей, «шумовое загрязнение», характерное сейчас для больших городов, сокращает продолжительность жизни их жителей на 10-12 лет. Негативное влияние на человека от шума мегаполиса на 36% более значимо, чем от курения табака, которое сокращает жизнь человека в среднем на 6-8 лет.
На сегодняшний день существуют следующие способы шумоизоляции.
1) Зелёные насаждения (деревья, кустарники).
2) Виброзащитные и акустические экраны.
3) Водные каналы.
4) Насыпи.
5) Постройка нежилых помещений.
Как известно, на снижение шума оказывают влияние многие факторы. В том числе использование новых шумоизоляционных строительных материалов, характер и формы расположения шумозащитных объектов.
Так, например, расположение деревьев в четыре ряда в виде живой изгороди позволяет снизить уровень шума при посадках лиственных пород на 6 – 8 дБА, хвойных – на 13 – 18 дБА, при наличии пяти рядов деревьев снижение шума будет соответственно 8 – 11 дБА и 14 – 19 дБА.
Для защиты от вибрации устраивают виброзащитные экраны, которые представляют собой траншеи шириной 0,5 – 1м, глубиной 3 – 5 м, заполненные щебнем, гравием или шлаком. Экраны снижают вибрацию в 5 – 10 раз.
4. Одним из первых кто изучил влияние звуковых волн на рельеф преград (соль, песок), был немецкий физик Эрнст Флоренс Фридрих Хладни. Он исследовал разные способы вибрации на механические поверхности, в результате которых заметил изменения формы предмета при воздействии на него колебаний.
Фигуры Хладни – это фигуры, которые образуются на колеблющейся упругой пластинке, центр которой закреплён, если на неё поместить небольшие частички, например песок или соль. Нужно заметить, что частички песка на пластинке остаются на местах, которые называются узловыми линиями. Чтобы понять что это такое, давайте проведём аналогию со стоячей волной. Если пустить некую волну таким образом, чтобы при её отражении она точно ложилась на себя, то образуются два интересных участка – пучности и узлы. Пучность – это участок на стоячей волне, амплитуда которого максимальна, а узел – участок на котором амплитуда минимальна. (Рис. 3)
Рисунок 3 – Стоячая волна
Когда мы сообщаем пластинке, центр которой зажат, некое колебание, там также создаётся стоячая волна, при этом места, где амплитуда минимальна, называются узловыми линиями. Там и скапливается песок, при колебании данной пластинки. При этом нужно понимать, что при колебании происходит изгиб пластинки. То есть мы рассматриваем колебание изгиба. Впервые данные формы на пластинке Хладни получил в начале 19 века.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Проведение опыта.
Для того чтобы провести эксперимент мы взяли динамик, генератор низких частот и пластиковую квадратную поверхность (рис. 4). Динамик подключаем к генератору низких частот.
Рисунок 4 – Подготовка к опыту
Пластиковую поверхность закрепляем на динамике. Затем необходимо подобрать сыпучее вещество. Это может быть манная крупа, соль, песок. В опыте использовался песок.
Рисунок 5 – Проведение опыта
Далее мы насыпали тонкий слой песка на пластину и включили генератор на частоте 500 Гц (как было указано выше, частота звука поездов). В результате вибрации пластинки в течение 30 секунд получился узор, представленный на рисунке 6.
Рисунок 6 – Результат опыта
Таким образом, в результате проведенного эксперимента мы получили узор, который необходимо использовать при расположении холмов близ железных дорог.
Высоту насыпи определяет высота строений вблизи железнодорожного полотна и длина звуковой волны. Для частоты 500Гц и скорости звука 340м/с
От источника звука до линий Хладни должно вмещаться целое число полуволн.
По эстетическим соображениям высота холма не должна превышать 2 метров.
Наша фигура получена от точечного источника звука и её можно использовать для шумоизоляции, например, от аттракциона с данной звуковой частотой. Железная дорога представляет из себя вытянутый источник звука и полученные линии, на мой взгляд, должны быть вытянутыми. Так же и на моей модели их надо вытянуть, сохранив отношение в их взаимном расположении. Результат проекта схематично представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 – Макет проекта
Рассмотрим основные преимущества и недостатки применения земляных насыпей при защите от шума.
Преимущества насыпей:
- прочность;
- долговечность;
- устойчивость к негативным воздействиям внешней среды (ультрафиолет, влага, перепады температур и т.п.);
- снижение шума в два раза;
- насыпь можно разработать по уникальному дизайну (цветовая схема, парковая зона…);
- экономичность возведения.
Недостатки насыпей:
- большая занимаемая территория;
- не эстетичный дизайн.
7. Эстетическое качество сооружений и их гармоничное сочетание с ландшафтом.
Так как самый главный недостаток земляных валов это их неэстетичный внешний вид, то предлагаем это исправить несколькими способами.
Каскадное садоводство – один из самых красивых способов оформления. Сами валы будут иметь треугольную ступенчатую форму. Земельные валы будут обсажены декоративными растениями и цветами.
Парковая зона. Между холмами можно расположить парковую зону, пешеходные и велосипедные дорожки, зоны для скейтбординга, спортивные площадки, красивые мосты, архитектурные сооружения и т.д.
Складская зона. Так же свободную территорию можно занимать нежилыми зданиями и сооружениями (складами, магазинами).
ВЫВОДЫ
В результате проведения исследовательской работы поставленная цель достигнута, а задачи выполнены.
Предложен новый способ защиты от шумового воздействия от железнодорожного транспорта. Его суть состоит в возведении на прилегающей железнодорожной территории земляных холмов. Данный способ защиты позволит сократить вредное воздействие от железнодорожного шума вдвое, повысить эстетическое состояние ландшафта, практичнее и эффективнее благоустроить территорию.
Практическая значимость работы заключается в том, что данный способ защиты является универсальным и может применяться во многих населенных пунктах России.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Борьба с шумом в аэропорту Амстердама [Электронный ресурс] https://pikabu.ru/story/borba_s_shumom_v_ayeroportu_amsterdama_5161446
Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: учебник,– М.: Логос, 2010, – 424 с.
Иванов Н.И., Прокудин И.В., Дариенко И.Н., Куклин Д.А., Буторина М.В., Тюрина Н.В. Проблема снижения шума и вибрации поездов. Сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 17-19 марта, 2009 с. 9-35.
Куклин Д.А. Снижение шума подвижного состава железнодорожного транспорта в источнике образования и на пути распространения. [Электронный ресурс], http://ivas.su/poleznye-stati/snizhenie-shuma-podvizhnogo-sostava-zhel/
СНиП 23-03-2003 «Защита от шума». М.: Госстрой, 2004.
Ф. Розенбергер Первый период физики последнего столетия // История физики [Электронный ресурс]. http://alexandr4784.narod.ru/4_7.htm