–PAGE_BREAK–Однако производитель не должен нести ответственность за ту часть шумовой эмиссии, что от него не зависит. Еще в недалеком прошлом эта логичная связь не имела под собой технического обоснования.
Раздражение общественности, вызываемое шумом городского транспортного движения, связано с общим шумом. Общий шум составляется из шумовых эмиссий, производимых отдельными генераторами шумов. Поэтому для успеха решения проблемы в целом, должны быть разработаны условия испытаний и методы измерений для определения как общего шума, так и измерения отдельных его составляющих.
Определение:
Генератор шума — устройство, аппарат, машина, производящие звуковые сигналы (волновые колебания, импульсы).
В случае современных, с акустической точки зрения транспортных средств, шум контакта покрышка/покрытие постепенно выходит на передний план.
3.3 Меры, направленные на уменьшение дискомфорта, вызываемого шумом: а. технологии
· автотранспортных средств
· трейлеров
· покрышек
· поверхности дорожного покрытия
· дорожного проектирования (шумовые барьеры, тоннели, мосты, выемки…)
б. управление транспортным движением
· снижение скоростей
· установка знаков, сигналов, закрытие проездов
· контроль транспортного движения
· временное введение одностороннего движения
· меры благоприятствования, стимулирующие использование определенных видов транспортных средств (например, общественного транспорта, велосипеда)
в. политические вопросы
· осуществление глобального и комплексного подхода к проблеме через интернациональные органы (Комиссия Европейского Союза, различные директораты DG, рабочие группы из представителей различных отраслей)
· информативное сотрудничество в рамках международных органов (Международная Дорожная Федерация)
· решения на национальном, региональном, муниципальном уровне
3.4 Стандартизация испытаний на треке Равнозначная и достоверная трактовка результатов испытаний может быть достигнута только в том случае, если все испытания автомобилей проведены на одном и том же или на эквивалентных испытательных треках. Поэтому испытательные треки должны быть стандартизированы.
Устранение дискомфорта, вызываемого транспортным шумом, не может быть достигнуто принимая во внимание только транспортные средства.
4. ОБЗОР II: Производство покрышек 4.1 Шум качения в общем контексте дискомфорта от транспортного шума В течение последних 10 лет в европейских странах отмечается повышение интереса к окружающей среде. И как часть этой общей тенденции, предпринимаются усилия по снижению шума от транспортного движения, особенно в зонах жилой застройки.
Индустрия автомобильных покрышек также вовлечена в процесс снижения уровня транспортного шума, поскольку шум качения, возникающий при взаимодействии покрышки и покрытия дороги, особенно при постоянной скорости свыше 60 км/час, не может игнорироваться.
Первые шаги по снижению уровня шума вызываемые взаимодействием покрышки и дороги были самыми легкими. В результате, дизайн покрышек достиг такого уровня, что сейчас нужны титанические усилия, чтобы добиться снижения шума качения до 1 дБ.
Почему?
Потому что шум — только одна из характеристик, принимаемых в расчет при дизайне качественной покрышки и снижение шума не должно сказываться на других эксплуатационных характеристиках покрышек (например, долговечность, сцепление с дорогой).
4.2 Оптимальное проектирование покрышки: случай шума и сцепление шин с мокрым покрытием дороги С одной стороны, покрышка должна обеспечивать безопасную эксплуатацию транспортного средства, для которого эта покрышка была запроектирована.
С другой стороны, пользователи ожидают от этой продукции экологичности, комфорта и длительного срока службы при небольших затратах.
Для оправдания ожидания потребителя проводятся испытания.
Пример 1: Испытания покрышек грузовика
Задача испытания: Определение тормозного пути на мокром покрытии при снижении скорости от 90 км/час до полной остановки.
Материалы эксперимента: Тр. средство 19 тонн
Покрышка 295/80 R 22.5
Покрытие трека ц/бетон +1.5 мм воды
Используемые
расчетные методы: Определение на каждом заезде
коэффициента сцепления как функции скорости
Расчеты тормозного пути на математических моделях
Результаты: покрышка с продольным ребром — 240 м
гладкая покрышка — 1200 м
тяговая покрышка с повышенным
сцеплением — 200 м
Проектирование более «тихой» покрышки представляет собой оптимизационное решение проблемы со многими ограничениями.
Пример 2: Покрышка грузовика
Процент вероятности трогания с места грузовика в условиях снегопада на перевале Бреннер (Австрия)
покрышка с продольным ребром — 30 — 50 %
гладкая покрышка — 0 %
тяговая покрышка с повышенным
сцеплением — 95 %
4.3 Определение и оценка шума качения при взаимодействии покрышки и покрытия дороги Шум качения можно подразделить на два составляющих шума — внутренний и внешний шум.
Внутренний шум создает дискомфорт для водителя и пассажиров внутри транспортного средства. Существует взаимодействие между транспортным средством и покрышкой, поэтому требуется понять как воздушную, так и структурную передачу звуковых волн через кузов транспортного средства.
В контексте окружающей среды мы рассматриваем проблемы внешнего шума как части общего дискомфорта, вызываемого шумом транспортного движения.
Оценка внешнего шума в настоящее время основывается на измерениях на обочине дороги общего уровня шума в дБ (стандарт ISO 362 European regulation).
При проведении исследований по снижению шума качения используются измерения на обочине для определения улучшений в общем.
Используется микрофон, устанавливаемый в 7.5 м от оси дороги на высоте 1.2 м.
Шум качения должен определяться следующим образом: транспортное средство скатывается под уклон на заданной скорости с выключенным двигателем и сцеплением.
Скорость качения задается точной установкой условий качения (масса транспортного средства, угол скатывания).
Основные параметры, влияющие на уровень шума по результатам испытаний:
· дорога: дорога играет роль в:
1. процессе генерации шума (гранулометрия поверхности покрытия)
2. его распространении (свойств акустического поглощения)
· транспортное средство:
1. покрышки (масса транспортного средства, давление воздуха в камере, размеры). Размеры покрышки значительно влияют на генерацию шума (чем больше покрышка, тем она «шумнее»)
2. количество «источников шума от покрышки»
3. эффекты дифракции (рассеивания звуковых волн) происходящие из-за формы кузова транспортного средства
· условия качения:
1. шум возрастает с увеличением скорости
2. шум снижается с ростом температуры
3. шум изменяется при заданной скорости под воздействием вращающего момента
Пример:
На испытательном треке при использовании метода скатывания транспортного средства под уклон для сравнения разных типов покрышек, устанавливаемых на то же транспортное средство, использовали два микрофона, установленных с каждой стороны дороги. По четыре замера проводилось на скоростях: 45 км/час, 60 км/час, 80 км/час.
Из 24 полученных результатов строилась линейная регрессия (зависимость среднего значения какой-либо величины от некоторой другой величины или нескольких величин) для выведения изменения силы звукового давления как функции скорости. Учитывалась температурная коррекция.
В таких условиях было доказано, что измерения уровня звука таким методом дает погрешность +/- 0.2 дБ при скорости 60 км/час и +/- 0.5 дБ при скорости 45 км/час и 80км/час.
Метод скатывания транспортного средства под уклон для количественного определения шума качения
SHAPE \* MERGEFORMAT
Условия:
· задана скорость
· отключен двигатель
· отключено сцепление
· один испытательный трек
· температурная коррекция
Результат:
· линейная регрессия
4.4 Базовый исследовательский подход к снижению шума качения Снижение шума качения для производителей покрышек — трудная задача.
Поэтому, для получения ясного понимания различных физических явлений, участвующих в генерации и распространении шума, требуется фундаментальный исследовательский подход.
Одновременно с долгосрочным научным подходом, необходимо иметь быстрые результаты от исследований, чтобы обеспечить проведение, шаг за шагом, совершенствование дизайна покрышек с коммерческой целью.
Для снижения шума качения необходимо установить контроль над источниками и осознать комплексно окружающую среду, включая: дорогу, транспортное средство, условия качения.
Для этого надо изучить акустический механизм как генерации, так и распространения шума от движущегося источника в сторону от дороги и затем использовать полученные результаты для определения шумовых критериев.
Процесс имеет три фазы:
фаза 1 — Выяснение:
Проблема анализируется экспериментально и теоретически для того, чтобы понять генерацию и распространение.
фаза 2 — Прогноз:
После того, как проблема понята, надо суметь смоделировать ситуацию для того, чтобы прогнозировать дискомфорт в заданной ситуации, т.е. от глобального уровня шума вдоль дороги подойти к определимой комбинации шумов «покрышка+дорога+транспортное средство» при определенных условиях качения.
фаза 3 — Поправка:
После того, как дискомфорт становится прогнозируемым, полученные знания могут быть использованы для достижения цели — улучшить концепцию покрышки для получения оптимального варианта желаемых эксплуатационных характеристик.
4.5 Механизм генерации шума качения Принципиальный фактор генерации шума — рисунок протектора покрышки.
Шумовые механизмы:
Эффект рупора
SHAPE \* MERGEFORMAT
Резонанс органной трубы
Генерация шума: Распространение шума:
Удары и вибрации Ближнее
Нагнетание воздуха Дальнее
4.5.1 Механизмы генерации: Размещение источников выделения шума
Размещение потенциальных источников шума на покрышке можно определить, используя акустическую фонограмму. Для этих целей используется плоская антенна с двойным микрофоном для изучения качения покрышки с постоянной скоростью по барабану в резонаторной камере.
При этом главные шумовые источники обнаруживаются на входе и выходе контактного следа.
Явление механической вибрации
В результате внезапного взаимодействия между неровностями дорожного покрытия и рисунка протектора генерируются ударные волны, создающие вибрационное возбуждение в протекторе покрышки.
Явление внезапной релаксации на выходе
На выходе контактного следа внезапная релаксация и вибрация блоков рисунка резинового протектора может также генерировать шум.
Определение:
Релаксация — ослабление, процесс установления динамического равновесия, полного или частичного, в физической системе, состоящего из большого числа частиц.
Явление нагнетания воздуха
На входе и выходе зоны контактного следа, воздух резко нагнетается под и выбрасывается из-под борозд рисунка протектора покрышки. Однако шум генерируется также и гладкой покрышкой, за счет нагнетания воздуха в неровности дорожного покрытия.
Более того, воздух, сдавленный в бороздах протектора в контактном следе умножает отраженные волны, что приводит к появлению резонанса подобно резонансу, возникающему в органной трубе.
4.5.2 Механизмы распространения Ближнее распространение, эффект рупора
Акустические волны, выделяемые на входе и выходе зоны контактного следа распространяются так называемым эффектом рупора по геометрии громкоговорителя, определяемой кривизной поверхности покрышки и поверхностью качения.
Дальнее распространение
Направленность источника, эффекты дифракции и характеристики акустического поглощения дороги должны также учитываться при прогнозировании видоизменения акустических волн при распространении в сторону от дороги.
5. ОБЗОР III. Дорожное покрытие и механизмы распространения шума 5.1 Основные принципы Из детального изучения распространения можно сделать вывод, что, зная свойства дороги по акустическому поглощению, можно улучшить свойства покрышки и снизить шум качения. Контролируя только источник шума, можно получить неполную картину, если не учитывать, как генерированная акустическая волна распространяется от этого источника.
Предполагаем, что нам известно все об источнике шума и мы можем условно заменить его аналитическим эквивалентом, чтобы сконцентрировать внимание только на прогнозе изменения уровня шумового давления при распространении его в сторону от дороги.
Для прогнозирования необходимо характеризовать акустическое сопротивление дороги при различных типах дорожных покрытий.
Знание акустического сопротивления позволит разработать метод прогнозирования на основе быстрых, простых и не разрушающих дорогу измерениях.
Проведено много изучений по акустическим свойствам дороги.
Принцип, использованный при этих изучениях, прост:
· получение данных измерений при испытаниях
· обработка данных в соответствии с математической моделью
· выведение результата по акустическому сопротивлению дороги как функции частоты.
5.2 Экспериментальное изучение акустических свойств дорожного покрытия 5.2.1 Условия эксперимента Источник звука и микрофон помещаются на одинаковой высоте, 1.42 м от поверхности дорожного покрытия. Источник звука — точечный, имеющий широкий спектр частоты от 600 до 4000 Гц. Получатель не должен подвергаться постороннему акустическому излучению.
Измерения проводились для трех различных расстояний между источником и микрофоном: 4м, 6м, 8м.
5.2.2 Принцип эксперимента SHAPE \* MERGEFORMAT
Зафиксированный результат в точке R включает как воздействие прямой звуковой волны в точке S1 в свободных условиях, так и воздействие отраженной волны, которая может рассматриваться как генерируемая источником отражения S2. Отраженная волна видоизменяется под воздействием звукопоглощающих свойств дороги.
Использовалась акустическое возбуждение в виде синусоидального колебания (колебание с монотонно изменяющейся частотой и постоянной амплитудой).
Зафиксированный результат представляет собой соотношение между звуковым давлением и напряжением возбуждения звука.
5.2.3 Математическая модель: Предполагается, что условия, влияющие на распространение поверхностных волн, незначительны.
продолжение
–PAGE_BREAK–Y = Y1 + v(G) Y2
Полное значение Y (акустический потенциал) представляет из себя сумму свободного значения Y1 и отраженного значения Y2. Потенциал Y2 корректируется значением v(G) которое выражено с учетом акустического сопротивления дорожного покрытия Z(w).
Y1 = exp ( jkR1 ) / R1
Y2 = exp ( jkR2 ) / R2
v(G) = [ cos (G) — 1 \ Z(w)] / {cos(G) + 1 / Z(w)]
Где, R1 (соответственно R2) является расстоянием между получателем R и прямым источником S1 (соответственно, отраженным источником S2) и k — номер волны.
Измеренный результат подставляется в вычисления частотной области в соответствии с теоретической зависимостью. Рассчитываются акустическое сопротивление дороги и коэффициенты поглощения и отражения.
5.3 Результаты и последствия снижения шума контакта покрышка/дорога: Метод применялся для ряда поверхностей, включая бетонное, травяное, пористый асфальт и битум.
Полученные результаты (с допустимой погрешностью 10%), позволили ранжировать поверхности дорожного покрытия и оценить их влияние на распространение шума контакта покрытие/покрышка.
Для четырех типичных поверхностей ранжирование по коэффициенту поглощения звука выглядит следующим образом:
Наиболее поглощающей звук поверхностью является глинистая, а наиболее отражающей — бетонная поверхность.
Влияние покрытия дороги на уровни шума качения при скорости 80 км/час.
6. Взаимодействие: Покрытие — Покрышка — Автомобиль 6.1 Слои износа 6.1.1 Роль слоя износа Функция дороги — обеспечивать проезд транспортных средств с максимальной безопасностью, а именно:
· выдерживать нагрузки качения, соответственно, те вертикально направленные силы, которые при этом возникают. Эта функция обеспечивается слоями дорожной конструкции, роль которых — распределение вертикальных нагрузок на основание.
· обеспечивать безопасность пользователя и комфорт при любой погоде и времени суток.
Эта функция обеспечивается слоем износа дорожного покрытия, который должен противостоять:
1. вертикальному напряжению и сдвигу от транспортного движения
2. осадкам (дождь, снег, лед)
3. воздействию противогололедных материалов
4. ультрафиолетовым лучам.
Таким образом, качественный слой износа должен выполнять тройную функцию:
1. защиту нижележащих слоев дорожного покрытия, от повреждения и особенно от проникновения воды и химических веществ.
2. обеспечение безопасности пользователя, создавая достаточное сопротивление заносу, независимо от типа покрышек, особенно на мокром покрытии.
3. комфорт водителя, предотвращая:
· механическое напряжение колес транспортного средства,
· вертикальное ускорение корпуса транспортного средства, вызывающее износ подвесок, покрышек, повышенное потребление горючего,
· подбрасывание водителя на сиденье, что создает угрозу безопасности,
· повышенный шум от движения транспортного средства и его распространение в сторону от дороги, создавая неудобства проживающим вблизи дороги.
6.1.2 Типы слоя износа Для того чтобы соответствовать всем требованиям с 50-х годов внедрялись различные технологии, и сегодня можно сказать какие преимущества и недостатки имеют эти технологии. На протяжении длительного времени слой износа был неотъемлемой частью дорожного покрытия и выполнял структурную функцию. Поэтому, он имел достаточную плотность и толщину до 8-10 см. Постепенно слой становился все более специфическим и улучшался специальными технологическими приемами.
6.1.2.1 Поверхностная обработка Поверхностные обработки были разработаны и широко использовались для второстепенных дорог, используемых легким транспортом. Использование модифицированных битумов позволило расширить применение поверхностных обработок на главные дороги и автомагистрали с тяжелым движением, включая дороги с цементобетонными покрытиями.
Поверхностная обработки предусматривает розлив горячего вяжущего или вяжущего на основе битумных эмульсий, распределение поверх одного или нескольких слоев отсева (мелкозернистого щебня, каменной крошки) и укатки.
Преимущества, которые дает поверхностная обработка:
· невысокие затраты и скорость обработки позволяют улучшать протяженные участки дорог
· обеспечивается хорошая водонепроницаемость для защиты нижележащих слоев покрытия
· достигается высокая степень сопротивления заносу
Недостатки, которые имеет поверхностная обработка:
· комплексность метода требует от подрядчика знания ноу-хау
· ограниченность сезона выполнения работ
· риск выбивания частиц каменного отсева колесами из недавно выполненной обработки
· ограничение потенциальных возможностей восстановить форму покрытия (устранения колеи)
· макротекстура генерирует высокий уровень шума качения и относит поверхностную обработку к наиболее шумным типам поверхности дорожного покрытия.
Определение:
Макротекстура — особенности строения, обусловленные характером расположения составных частей (каменных зерен, вяжущего), видимых невооруженным глазом.
Были испробованы различные типы поверхностных обработок, включая:
· Однослойную поверхностную обработку с одиночным или двойным распределением каменного материала
· Двойную поверхностную обработку (два наложенных друг на друга слоя однослойной обработки)
· Обработку по принципу «сандвич»
· Утолщенная поверхностная обработка с каменным материалом, предварительно обработанным вяжущим в установке.
Устройство слоя износа из асфальтобетонной смеси — все еще наиболее распространенный процесс при содержании и строительстве покрытия.
Усовершенствования в методах устройства слоев износа, сделанные за последние 20 лет, создали возможность:
· уменьшить толщину слоев
· использовать модифицированные вяжущие и добавки для повышения экономичности и соответствия растущим нагрузкам от тяжелого транспорта.
Толщина — базовый параметр для классификации слоев износа из асфальтобетона, которая подразделяется следующим образом:
· 4 см — тонкий слой износа
· 2-3 см — очень тонкие слои износа
· 1.5-2 см- ультратонкий слой износа, появившиеся недавно как промежуточная стадия между поверхностной обработкой и очень тонким слоем износа.
Слои износа из асфальтобетона различаются:
· по типу вяжущего (модификации вяжущего с добавлением резины или полимер-модифицированные вяжущие и т.д.)
· по типу добавок (волокна)
· по гранулометрическому составу: их размеры обычно от 0-6, 0-10 или 0-14 мм.
Преимущества, которые дают тонкие и очень тонкие асфальтобетонные слои износа:
· хорошая макротекстура (0.8 — 1.5 мм песчаная смесь)
· стойкость к агрессивному внешнему влиянию (климат и транспортное движение)
· удовлетворительная водонепроницаемость для защиты нижележащих слоев
· способность к улучшению ровности
· пониженный шум качения по сравнению с поверхностной обработкой
Если защиту нижних слоев обеспечить мембраной, которая действует еще и как связывающая прослойка, то может быть предусмотрено использование слоя износа из пористого асфальтобетона для усиления сопротивляемости заносу на мокром покрытии и для отвода воды не по поверхности покрытия, а внутри пористого слоя.
Уменьшение размеров выступающих зерен каменного материала значительно снижает шум качения, который поглощается взаимосвязанными воздушными пустотами внутри слоя.
Могут использоваться и другие типы слоев износа, среди которых:
· Слой износа с каменной крошкой: втапливание мелкозернистого дробленого каменного материала в разлитое по поверхности вяжущее обеспечивает хорошие характеристики сопротивления заносу, но в то же время, усиливает шум качения.
· Битумные эмульгированные гидроизоляционные мастики (смесь битума, заполнителя, песка и воды), смесь песка и битумной мастики, используемые в городских зонах, где скорости невысоки. Их уменьшенная толщина и размеры зерен заполнителя позволяют решать проблемы превышения пороговых значений шума транспортного движения.
· Холодные микро асфальтобетонные смеси: чистая или модифицированная битумная эмульсия требует применения специального оборудования. Очень тонкие слои этого типа слоя износа обеспечивают сопротивление заносу, водонепроницаемость и снижение шума качения.
В случае покрытий из цементобетона, сборное покрытие из плит толщиной 18 — 25 см: работает одновременно как основание и слой износа.
Для улучшения поверхностных характеристик этих покрытий, разработаны несколько методов, среди которых:
· обработка поверхности свежеуложенного бетона секущей щеткой или грубой джутовой тканью
· устройство продольных или поперечных полос на схватившемся бетоне
· втапливание каменной крошки во вновь уложенный бетон
Эти методы нацелены на обеспечение макротекстуры поверхности покрытия достаточной для сопротивляемости заносу. Одновременно увеличивается шум качения.
Совсем недавно очень тонкие слои износа из асфальтобетона и даже пористого асфальтобетона стали применяться на автомагистралях с цементобетонным покрытием как элемент работ по содержанию дорог для одновременного достижения сопротивляемости заносу и снижения шума качения.
6.1.3 Покрытие дороги и генерация шума качения Шум движения, генерируемый двигателями и трансмиссиями транспортного средства, в последние несколько лет был значительно сокращен за счет технологического прогресса. Шум качения, т.е. шум от контакта покрышки и покрытия, стал иметь большее значение в общем шуме от транспортного движения, особенно при скоростях свыше 50 км/час, что в городских зонах случается обычно ночью, когда дороги становятся более свободными.
Шум контакта покрышка-покрытие зависит от типа покрышки (рисунка протектора и т.д.) и типа слоя износа покрытия. Шум производится следующими явлениями:
· «шум удара»: генерируется от удара блоков рисунка протектора о поверхность слоя износа. Сила удара зависит как от геометрии рисунка протектора и каменного заполнителя слоя износа, так и макротекстуры слоя износа.
· «закачивание воздуха»: генерируется вибрацией воздуха в бороздах рисунка протектора от сжатия, происходящего из-за деформации покрышки.
· «пробуксовка и прилипание»: генерируется подобно шуму от «эффекта присоски» из-за захвата резиной покрышки зерен каменного заполнителя поверхности слоя износа.
Поэтому шум, генерируемый контактом покрытие/покрышка, очень значительно зависит от размеров зерен каменного заполнителя слоя износа.
Снижение шума от контакта покрытие/покрышка — задача непростая, потому что снижение шума от одного из явлений, может усилить шумовое влияние двух других.
Например, очень гладкий слой износа снижает явление «шума удара», но увеличивает шум от явления «пробуксовка и прилипание» и имеет слабое сопротивление заносу.
Дискомфорт, создаваемый окружающей среде шумом транспортного движения может оцениваться как общим индексом, так и замером шума от движения единичного транспортного средства.
В международной практике общий индекс обозначается LАeg и подразумевает постоянный шумовой уровень для определенного периода времени, который равен результату от реального процесса выделения шума.
Существует несколько методов измерения шума от катящейся покрышки, из которых основными являются:
1. ISO 362 — единственный стандартизированный метод измерения полного шума от разгоняющегося транспортного средства;
2. измерение внутри изолированного одноколесного прицепа, закрытого чехлом (Германия, Польша);
3. измерение с помощью микрофона около колеса транспортного средства;
4. метод спуска транспортного средства под уклон, когда скорость транспортного средства постоянна 60 или 80 км/час (двигатель выключен), а микрофон устанавливается сбоку от дороги;
5. Франко-Германский метод: шум качения измеряется с помощью микрофона, расположенного сбоку от дороги. Двигатель работает, и замеры делаются на разных скоростях в диапазоне от 70 до 110 км/час.
Наилучший результат — воспроизведение замеров с точностью плюс/минус 1 дБ. Сопоставимыми являются результаты, полученные в один и тот же период времени.
Замеры различных категорий уровней шума на основных типах слоев износа методом «спуска под уклон» показывают следующее:
График показывает, что различие между максимальным и минимальным значением довольно значительны, от 3 до 10 дБ.
В целом отмечается:
· общий спектр шумовых уровней для всех типов слоев износа находится между 75 и 77 дБ
продолжение
–PAGE_BREAK–