В Е Абракітов - Роль моделювання акустичних процесів при оптимізації шумового режиму сучасного міста - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 530.19

Абракітов В.Е.

Харківська національна академія міського господарства

 

РОЛЬ МОДЕЛЮВАННЯ АКУСТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ ОПТИМІЗАЦІЇ ШУМОВОГО РЕЖИМУ СУЧАСНОГО МІСТА

 

Передбачити вплив майбутніх джерел шуму і розробити конкретні рекомендації в цій області одна з головних задач, що постають перед містобудівниками в проектній практиці. Одним зі шляхів найбільш раціонального і максимально прийнятного за всіма критеріями підбора варіантів картографування шумового режиму є дослідження на моделях.

 

В даний час усе частіше й частіше на найперше місце виступають питання забезпечення акустичного комфорту середовища мешкання Людини. Передбачити вплив майбутніх джерел шуму (ДШ), передбачати шумовий режим житлової забудови і розробити конкретні рекомендації в цій обл асті — одна з головних задач, що постають перед містобудівниками в проектній практиці. Розробляючи генеральний план населеного пункту, містобудівник намічає розташування основних районів міста і транспортних зв'язків між ними, тобто відразу виділяє місце р озташування основних ДШ в місті: зовнішнього і внутрішнього транспорту промислових і комунально -складських зон. Щоб максимально використовувати можливі заходи для шумозахисту, необхідна карта (схема) основних джерел міського шуму, виконана у масштабі генер ального плану міста. Вона є основою для регулювання шумового режиму на селитьбі міста, основою для розробки комплексних містобудівних заходів для захисту житлової забудови від шуму.

Одним зі шляхів найбільш раціонального і максимально прийнятного за всіма критеріями підбора варіантів картографування шумового режиму є дослідження на моделях [1].

Згідно [2], моделювання є метод дослідження складних процесів на моделях із застосуванням методів теорії подоби при постановці й обробці експерименту. Відповідно до неї [2] два явища називаються подібними, якщо всі кількісні характеристики одного з них виходять з відповідних їхніх кількісних характеристик іншого шляхом множення їх на постійні числа (константи подоби, називані також «масштабами моделювання»), однакові для всіх однорідних величин, якщо вони якісно однакові і характеризуються рівним значеннями деяких безрозмірних параметрів (визначальних критеріїв подоби), складених з фізичних і геометричних величин, що характеризують ці явища. Основною умовою вірогідності при цьому виступає так називаний ідентифікатор подоби натурних явищ, і явищ, що моделюються: фізичні явища, процеси чи системи подібні, якщо в подібних крапках простору, у подібні моменти часу окремі величини, що характеризують стан системи, пропорційні відповідним величинам іншої системи. При побудові моделей використовують критерії подоби, чи безрозмірні числа, складені з розмірних фізичних параметрів, що визначають розглянуті фі зичні явища. Найпростішим, відомим усім прикладом критерію подоби є, зокрема, масштаб географічної карти чи плану - дріб, чисельник якого дорівнює одиниці, а знаменник - числу, що показує зменшення зображення (моделі) відносно його ж натурним розмірам. Вим оги теорії подоби повинні бути належним чином враховані при побудові будь -якої модельної системи.

Як видно з прикладеної схеми, моделі займають проміжне положення між двома украй віддаленими друг від друга полюсами, служачи свого роду «містком» міждіаметрально протилежними один одному експериментальними і теоретичними способами досліджень.

Як відомо, вчені (принаймні, на сучасному рівні розвитку науки і техніки) поділяються на теоретиків і експериментаторів: перші беруться за умоглядне дослідження якихось процесів, абстрактно домислюють їх, і роблять неіснуюче до них предметом загального надбання; другі ж у міру своїх сил і можливостей (а також стану принадного їм матеріально-технічного забезпечення, що в даному випадку дуже немаловажне) займаються завзятою працею, забезпечуючи теоретиків набором дивних фактів, зовсім недоступних споконвічно для розуміння, і настійно потребуючих з їхнього боку найдетальнішого і наукового тлумачення. Моделювання якось єднає тих і інших, служить містом між двома протилежними антитезами. Розглянемо відомі різновиди моделювання, що застосовуються в науці і техніці.



Експеримент

Натурні

вимірюванн я


з

X X р

р

ч


Теорія

Математичн ий опис

 

 

 

НЕВІДОМЕ

 

Рис. 1. Моделі, - як метод наукового пізнання

 

Найбільш точну і достовірну (хоча, безумовно, не зовсім повну) інформацію про досліджуваний процес, явище можна одержати тільки шляхом натурни х вимірів [3, 4]. Вони, на жаль, просто незастосовні для дослідження більшості неіснуючих (наприклад, проектованих) об'єктів. Апроксимація даних натурного виміру характеристик одного об'єкта під характеристики іншого подібного до нього об'єкта також можлива лише у вкрай рідких випадках.

У ряді випадків найбільш складна і громіздка частина системи, що вважається зовсім непотрібною для цілей проведеного аналізу, заміняється моделлю; інша ж частина, що безпосередньо підлягає вивченню, береться реальною (пів натурні виміри).

Фізичне моделювання здійснюється за допомогою моделей, подібних до натури, тобто подібні величини моделі і натури мають однакову фізичну природу й однаковий математичний опис. При цьому зберігаються особливості натурного експерименту, але полегшується одержання результатів, тому що початково обрані зручні діапазони виміру фізичного полю. Однак такі фізичні моделі, побудовані з дотриманням відомих критеріїв теорії подоби, займають великі п лощі, тому що їхній масштаб без порушення подоби не може бути значно зменшений, наочні результати можливо одержати тільки після ретельної обробки всіх даних. Має місце їхня обмежена область застосування, оскільки утруднене моделювання наявних одночасне на об'єкті різного виду. Складність пристроїв обумовлюють громіздкість моделі досліджуваного об'єкта і моделей джерел звукової енергії, наявність безлічі різновидів ДШ, їхня складна конфігурація (наприклад, модель лінійного ДШ - дороги з автомобілями повинна повторювати всі її ухили, вигини і транспортні розв'язки). У сполученні з іншими недоліками, зазначеними далі, у першу чергу з необхідністю зміни тиску повітряного середовища для дотримання подоби (длячого ці дослідження варто робити в барокамері) ці спос оби не завжди можуть бути оптимальними .

Модель прямої аналогії (МПА) на основі аналогії імітує натурну фізичну систему по її елементах таким чином, щоб кожному з фізичних елементів натури відповідало визначене зображення його еквівалента (з чого випливає головна перевага МПА -наочність) [6]. При цьому згідно [2] два явища вважаються подібними, якщо по заданих характеристиках одного з них можна одержати характеристики іншого масштабним перерахуванням, аналогічним переходу від однієї системи одиниць виміру до іншої. Тобто, аналогове моделювання засноване на однаковому математичному описі, але різній фізичній природі схожих величин моделі і натури (тобто на аналогіях). При цьому відбувається розчленовування системи на неї складові - фізичні елементи. У залежності від ступеня ідентичності математичних описів моделі і натури на додаток до "чисто аналогового" (МПА) можна виділити ще і такий різновид, як квазіаналогове моделювання, - (яке характеризується більш віддаленим ступенем аналогії). Достоїнства МПА позначаються в тім чи іншому ступені в за лежності від подробиці і конкретності представлення в ній елементів досліджуваної фізичної системи. Згідно [ 5], це особливо відноситься до моделювання систем з розподіленими параметрами і фізичними полями (до яких можна віднести звукові поля промислових підприємств). МПА дають велику фізичну наочність. При проведенні такого роду досліджень можна простежити вплив зміна окремо узятого фізичного чи елемента фактора на всю систему в цілому, тому що кожен елемент має своє зображення. У моделях крайових задач зберігається геометрична подоба форми областей, що дає можливість швидкого впливу на ту чи іншу ділянку області. Модель можна аналізувати і коректувати за допомогою підстановки даних і інших експериментів і натурних вимірів, використовувати її для перевірки теоретичних пропозицій. З метою забезпечити розумну витрату устаткування, - (а, отже, і вартість моделі), - виникає питання про припустиме спрощення моделі, що при застосуванні МПА зважується порівняно легше, ніж, допустимо, при фізичному моделюванні. За допомогою аналогових і квазіаналогових моделей неможливо досліджувати будь -яку, - (першу, що й тільки потрапилась), - запропоновану фізичну задачу. У цьому складається їхнє основне обмеження області застосування. Необхідно виявити відповідну аналогію, якщо вона взагалі існує, і лише потім будувати модель з урахуванням спрощення її елементів.

Останнім часом з'явилася тенденція до злиття аналогового моделювання з комп'ютерним. Досліджувана система розчленовується на окремі фізичні елементи і вводиться в ЕОМ у виді їхніх моделей. При цьому має місце розчленовування математичного опису досліджуваної системи на окремі е лементарні операції відповідно до класу ЕОМ.

Математичні моделі створюють, використовуючи математичні поняття і відносини: геометричні фігури, числа, вираження й ін. Математичними моделями в більшості випадків бувають функції, рівняння, нерівності, їхньої системи. Рішення задачі математичними методами здійснюється в три етапи:


Рис. 2. Етапи рішення прикладної задачі математичними методами: А - дана прикладна задача в моделюванні; В - її математична модель; С - відповідь для моделі; D - відповідь для даної прикладної задачі.


1.      Створення математичної моделі даної задачі;

2.      Рішення відповідної математичної задачі;

3.      Аналіз об'єкта.

Щоб створити відповідну модель, потрібно знати не тільки математику, але і ту галузь науки і виробництва, з яким зв'язана дана прикладна задача. Якщо модель складена неправильно, неправильним будуть і рішення задачі, і відповідь. Важливим є також останній пункт рішення прикладної задачі - аналіз відповіді. Відповідь С для абстрактної задачі В може не задовольняти даній задачі А, чи задовольняти їй не цілком. Відповідь С може бути точною для задачі В, відповідь для прикладної задачі А майже завжди може бути тільки наближеною. Тому їх варто записувати відповідно з правилами наближених обчислень.

Задачею будь-якого виду моделювання процесів поширення звуку з метою боротьби із шумом є побудова карти шуму об'єкта, на підставі якої потім аналізують прогнозований на ньому шумовий режим, конкретизують шумозахисні заходи, визначають їхню ефективність і т.д.

Принципово можливо побудувати карту шуму двома способами:

1)  Визначенням акустичних параметрів у дискретних контрольних точках на моделі досліджуваного об'єкта з наступною інтерполяцією значень, на підставі чого проводяться так називані ізобели - лінії, що з'єднують крапки з однаковими значеннями, наприклад, рівнів звуку. Тобто спочатку роблять обмежене число переривчастих вимірів у деяких дискретних крапках; потім (за їхніми даними) вручну, шляхом інтерполяції поширення отриманих відомостей й інтуїтивних здогадів роблять картографування шуму (дискретні способи);

2)  Суцільною візуалізацією цілковитої картини поширення звуку (або хвильового полю, що його моделює, іншо ї фізичної природи). Тобто відразу ж користувачеві надається видимий повний і цільний дискурсивний образ. Це явно наочніше, тому що при цьому справу ведуть не з дискретними значеннями в якихось окремих місцях, що характеризують поле, причому вибір їхнього розташування може виявитися невдалим, а кількість у будь-якому випадку по п.1 недостатньо для правомірного відображення полю в цілому, - а з безупинним суцільним полем. При цьому семіотика такої картини повинна передбачати можливість її порівняно нескладно ї і швидкої розшифровки і декодування (недискретні способи).

І в тому, і в тому разі ставиться задача одержання не тільки кількісних характеристик досліджуваного процесу (наприклад, рівнів звуку в контрольних крапках), але і виявлення визначених якісних йо го особливостей (наприклад, загальної картини хвильового поля з урахуванням явищ дифракції, інтерференції, відображення звуку і т.д.). Задача в обох випадках зважується шляхом побудови моделі - пристрою, що відтворює влаштування і дію об'єкта досліджень. Така модель повинна бути динамічною, просторово-часовою, допускати можливість застосування неевклідової геометрії для відображення кривизни Гауса, наприклад.

Наші власні дослідження суттєво поширили галузь застосування різноманітних методів моделювання в акустиці [Ошибка! Источник ссылки не найден. ,8,9].

Таким чином, найбільш сприятливі умови для рішення зада ч містобудівної акустики створюють експерименти з використанням моделювання як одного з найбільш ефективних і економічних методів дослідження, що дозволяє проводити їх в умовах, максимально наближених до реального. Достоїнство експериментальних досліджень на моделях - здійснення фізичних спостережень на основі ідеальних умов, що неможливо забезпечити в натурі. Не слід забувати, що мова йде про складніші дифракційні процеси на території міської забудови, де будинки, дерева, рельєф місцевості викликають несподівані ефекти, що важко піддаються математичному опису. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

1. Градостроительные меры борьбы с шумом / Осипов Г.Л. и др. М.: Стройиздат, 1975. -

215 с.

2.  Политехнический словарь / Под ред. Артаболевского И.И. М.: Сов. энциклопедия, 1977.

- 608 с.

3.  Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. М.: Изд -во стандартов, 1971. - 272 с.

4.  Осипов Г.Л., Лопашев Д.З., Федосеева Е.Н. Акустические измерения в строительстве. М.: Стройиздат, 1978. - 212 с.

5.  Тетельбаум И.М., Тетельбаум Я.И. Модели прямой аналогии. М.: Наука, 1979. - 384 с.

6.  Абракитов В.Э. Аналоговое моделирование при решении задач борьбы с шумом. Дисс.... канд. техн. наук. Днепропетровск, 1995. - 157 с.

7.  Абракитов В.Э. Аналоговое и квазианалоговое моделирование процессов распространения звука в пространстве для прогнозирования шумового режима на защищаемом объекте. - Харьков: АО ХГПИ, 1997. - 40 с.

8.  Патент № 15212А (Україна). Спосіб аналогового моделювання процесів розповсюдження звукових хвиль /Абракітов В.Е., Коржик Б.М., Серіков Я.О., Карпалюк І.Т. - МПК6 G09B 23/14, Опубл. 30.06.97, Бюл. № 3

9.  Патент № 22943А (Україна). Спосіб досягнення подібності при фізичному моделюванні акустичних процесів / Сафонов В.В., Абракітов В.Е, Захаров Ю. І. - МПК6 G 09 В 23/14.

Опубл. 05.05.98.

УДК 654.927, 654.928

 

 

В. Э. Абракитов, к.т.н., действительный член (академик) Академии безопасности и основ здоровья Академия безопасности и основ здоровья, Киев, Украина

 

 

ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В АКУСТИКЕ И ПУТЬ ИХ

РЕШЕНИЯ

 

 

Одной из интереснейших задач, стоящих перед технической акустикой, является моделирование п роцессов распространения звука в разнообразных условиях. Такого рода исследования чрезвычайно важны для изучения сложнейших волновых процессов, происходящих при излучении звука, при его последующем прохождении в упругих средах, многократном отражении от различного рода преград, при неизбежно возникающих при этом интерференционных и дифракционных явлениях. Данные, полученные при таком моделировании акустических процессов, используются для изучения возможности оптимизации шумового режима на исследуемом объект е, подбора необходимых вариантов шумозащитных средств (расположение, площадь и эффективность звукопоглощающих облицовок, конфигурация и размеры акустических экранов) и т.п. Действительно, осуществить это на несуществующем пока (проектируемом, существующем лишь ещё в воображении своих создателей) объекте каким -либо иным способом, за исключением моделирования, принципиально невозможно (ибо натурные измерения можно будет произвести на нём лишь тогда, когда он уже построен). В то же время постройка, например, ш умозащитного экрана вдоль   некоей   (также   проектируемой;   ожидается,   что крайнеоживлённой) автомагистрали - дело довольно дорогостоящее; для этого необходимы абсолютно точные данные о его будущих параметрах, которые из-за неизбежного различия в конкретных условиях опять-таки невозможно получить путём простого переноса и аппроксимации на него параметров другого, - уже существующего, действующего ранее построенного - экрана вдоль какой-либо другой дороги. Здесь нет типовых решений; задачу эту каждый раз приходится решать заново - и количество исходных параметров для неё исчисляется тысячами и десятками тысяч величин: (для того же шумозащитного экрана, взятого нами в качестве примера, исходными данными будут генеральный план местности вместе с её рельефом, окружающей застройкой, зелёными насаждениями и др.) и акустические характеристики источников шума (т.е. проезжающих по трассе машин вместе с их переменными во времени количеством, типажом и бесчисленным множеством иных вариативных параметров)).

Следует заметить, что отнюдь не все поставленные задачи такого рода решаются средствами математического моделирования. Речь ведь идёт о сложнейшем комплексе интерференционных и дифракционных явлений, многократно накладывающихся друг на друга при отражении от мелких деталей (обычный фасад дома, как мы понимаем, не идеально ровная плоскость: сколько на нём выступов, впадин, разного рода мелких плоскостей, ориентированных под совершенно разными углами?). Не забудем рефракцию звука, его поглощение в среде, его рассеяние; много другого ещё; и, самое главное - многократные отражения звука от встреченных им на пути поверхностей... Как всё это учесть на базе скупого набора хрестоматийных формул? Нужно иметь ввиду, например, что указанная во множестве учебников и справочников по аку стикехорошо известная зависимость спада уровней звукового давления при удвоении расстояния от точечного источника звука на 6 дБ; от линейного источника - на 3 дБ характеризует лишь абсолютно идеальные условия (в теории); чтобы она благополучно не соблюлась (в реальных условиях, уже по данным непосредственных измерений на практике), - вполне достаточно, чтобы на исследуемой территории между источником звука и местом измерения располагалось всего лишь одно -единственное дерево, (не говоря уже о рельефе территории, элементах застройки и т.п.) Вводя в такую мат.модель неизбежную поправку на это препятствие на пути звуковой волны, мы резко усложняем математическое описание; стоящий в полуметре от дерева столб требует очередной поправки, и т.п. В результате конечн ая математическая модель получается в наивысшей степени сложной и гипергромоздкой, - (и, самое главное, впоследствии, уже после возведения проектируемого объекта оказывается, что всё равно чего -то в ней не учли; и данные последующих натурных измерений рази тельно отличаются от проведенных предварительно математических расчётов: (и притом, естественно, в худшую сторону))?!! Теория не совпадает с практикой; подобным явлением никого не удивишь; хрестоматийные закономерности распространения звука, конечно же, сл едует считать достаточно хорошо разработанными и изученными - (если говорить об самой их "азбуке", об отдельно взятых их азах -элементах): но речь в данном случае идёт о сверхсложнейшем одновременном наложении друг на друга десятков, сотен тысяч, миллионов отдельных волновых явлений; об их пространственно -временном взаимодействии; об их обратной связи и влиянии друг на друга, - короче говоря, чисто умозрительно описать это всё крайне трудно?

...Поэтому традиционным  при  решении такого рода задачявляется обы чно не математическое, а физическое моделирование. Создаётся модель исследуемого объекта (в уменьшенном масштабе); её облучают звуком (пропорциональным натурному звуку), и т.п. Мы не пытаемся рассчитать по какой -либо заумной формуле сложение 235 звуковых волн в одной точке (притом - приходящих в неё с разных направлений и под разными углами), понимая заведомо, что это малополезно; мы просто воссоздаём требующий изучения процесс на модели (в изменённом, (как правило, сильно уменьшенном) масштабе) - и только лишь регистрируем затем результат такого сложения. Он получается сам собой, адекватно тому, как это же имеет место и в самом по себе натурном объекте; никаких сверхгромоздких вычислений и умопостроений не нужно; при условии, что мы в необходимой степени со блюли требования подобия, результат моделирования будет достаточно достоверен.

Главным недостатком такого физического моделирования акустических процессов (т.е. при котором звук моделируют звуком) является необходимость изменения частоты излучаемого звук а в соответствии с известными требованиями теории подобия. Недостаточно просто построить модель исследуемого объекта, уменьшенную во столько-то раз: необходимо в такое же количество раз увеличить и частоту излучения на модели! Так, при масштабе линейных размеров модели 1:25 (т.е. каждое здание и т.п. элемент моделируемой территории уменьшен при построении модели в 25 раз) натурное звуковое излучение (заметьте, слышимого диапазона) на частоте 1 кГц заменяется модельным (но теперь уже -ультразвуковым) с частотой излучения 25 кГц: (и это - приемлемый вариант, ещё допустимый к использованию). Дальнейшее же уменьшение модели, (допустим, в 1000 раз; масштаб 1:1000) вообще не реализуемо, т.к. требует соответствующего повышения частотыизлучения на модели до 1 мегагерц. Ультразвук, гиперзвук вообще обладают закономерностями распространения, отличающимися от звука в слышимом диапазоне; поэтому, даже если удастся построить такую модель (чисто в техническом плане), подобие модельных явлений натурным явлениям в ней окажется явно нарушенным. Аналогично, увеличение размеров модели по отношению к соответствующим им размерам натурного объекта влечёт за собой необходимость перехода звукового излучения на модели в инфразвуковой диапазон частот: (например, масштаб 100:1; натурн ая частота 100 Гц требует замены её на модели частотой 1 Гц). Кроме того, регистрация результатов экспериментов (поскольку речь идёт о звуке) осуществляется микрофоном; при физическом моделировании, уменьшая модель (как, допустим, в одном из вышеуказанных примеров: 1:25), соответственно, необходимо в соответствующее количество раз уменьшить и сам микрофон?

...Здесь ещё кое-что против воздуха, поскольку уменьшенная физическая модель масштаба 1:25, (расположенная, естественно, в обычной комнате акустической лаборатории или на акустическом полигоне под открытым небом), имитирует атмосферное давление, сгущенное, увеличенное в 25 раз! Лично наш собственный вклад в развитие теории физического моделирования заключается в том, что именно мы констатировали крайне пр енеприятный (непосредственно для экспериментаторов, конечно же) факт, что такие опыты следует проводить в барокамере, а отнюдь не под открытым небом [1]...

В связи с этим наши собственные исследования (приоритет наших ранних изобретений датируется ещё 199 2 г. [2]) велись в области аналогового моделирования акустических процессов, при котором   натурный  звук  заменяется   на  модели  другим видом излучения. Так,  например,  распространение звука на городскойтерритории заменялось на (уменьшенной) модели той же терри тории распространением света: (т.е. каждый источник звука моделировался соответствующим источником света в виде миниатюрной лампочки, причём требуемую характеристику направленности излучения, адекватную натурной, достаточно несложно сформировать за счёт использования светофильтров) [3; 4; 5]. Распространение света на модели адекватно распространению звука в натуре; зоны световой тени на модели (например, за моделями экранов, зданий) соответствуют зонам звуковой тени за сходственными им экранами, зданиями в натуре. При этом они ещё и прекрасно визуалируются.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В Е Абракітов - Конспект лекційз дисципліниохорона праці в галузі(для студентів 5 курсу спеціальності 7 070801 8 070801

В Е Абракітов - Вперше в світі акустичний лазер створено в харкові!

В Е Абракітов - Роль моделювання акустичних процесів при оптимізації шумового режиму сучасного міста

В Е Абракітов - Точність вірогідність та оцінка погрішності при моделюванні акустичних процесів

В Е Абракітов - Чи все вірно в спеціальній теорії відносності