Оценка уровня шума и акустический расчет для эффективного размещения уличных устройств оповещения

Процент оповещенного населения тесно связан с шумовой обстановкой на территории населенного пункта. Это вполне естественно, так как даже без проведения расчетов можно точно сказать, что в населенных пунктах сельской местности "слышимость" любого оконечного средства оповещения намного выше, чем в условиях городской застройки. В этой статье остановимся на одном из главных вопросов – определении уровня шума в зоне уличного оповещения при проведении акустического расчета для оценки эффективности размещения оконечных устройств оповещения.

Эффективность оконечных устройств оповещения зависит от уровня шума в населенном пункте

Один из основных критериев оценки готовности систем оповещения к выполнению своих задач – количество населения, проживающего или осуществляющего деятельность в границах зоны действия технических средств оповещения (электрических, электронных сирен и мощных акустических систем)¹. Его расчет можно произвести по методике, изложенной в разделе 3.5 Методических рекомендаций по созданию и реконструкции систем оповещения населения². При этом увеличение количества населения, охваченного техническими средствами оповещения, напрямую зависит от топологии их размещения³.

Зона адекватной идентификации информации оповещения, определенная ГОСТ Р 55199– 2012 и используемая при оценке эффективности топологии оконечных устройств оповещения, по сути, является акустическим расчетом, исходными данными для которого служат сведения о шумовой обстановке в зоне уличного оповещения.

3 направления нормативной документации

Вопрос оценки уровня шума в зоне уличного оповещения вызывает множество зачастую противоречивых точек зрения, продиктованных отсутствием нормативной документации в области выполнения акустических расчетов при проектировании систем оповещения населения. Частично вопросы были сняты после выпуска Методических рекомендаций (раздел 3.6. Расчет зон звукопокрытия оконечными средствами звукового оповещения)². Вместе с тем определение (измерение) уровня шума при проведении расчетов оконечных средств оповещения является критическим показателем, влияющим на эффективность оповещения населения.

В области защиты от шума можно выделить три основных направления нормативной документации:

1. выполнение требований по защите от шума в области строительства зданий и сооружений и освоения территорий;
2. выполнение требований в области защиты от шума рабочих мест;
3. методы оценки и обработки шумовых характеристик машин (под машиной в данном определении может пониматься оборудование, транспортное средство, производящее шум сооружение и т.д.).

Очевидно, что основные источники шума в современном мире техногенного происхождения, то есть шумы машин. Основные методы защиты от шума, описанные в нормативной документации^4–8, сводятся к локализации шумов и ограничению их распространения за пределы зон, где повышенный уровень шума допускается.

Второе и третье направления в области нормативной документации как раз нацелены на мероприятия по защите от шума.

Таким образом, из трех направлений сколько-нибудь применимой к вопросу оценки уровня шума для выполнения акустических расчетов систем оповещения является часть нормативной документации, посвященная оценке уровней шума на территории.

Стандарты оценки уровня шума

Основными документами, связанными с оценкой уровней шума на территории, являются:

• межгосударственный стандарт ГОСТ 23337– 2014. Шум. Методы измерения шума на селитебной территории и в помещениях жилых и общественных зданий⁴;
• свод правил СП 51.13330.2011. Защита от шума. Актуализированная редакция СНиП 23–03–2003⁵;
• межгосударственный стандарт ГОСТ 31295.2–2005. Шум. Затухание звука при распространении на местности. Часть 2. Общий метод расчета⁶;
• национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 53187–2008. Акустика. Шумовой мониторинг городских территорий⁷;
• межгосударственный стандарт ГОСТ 30457– 97. Акустика. Определение уровней звуковой мощности источников шума на основе интенсивности звука⁸.

Все вышеперечисленные документы направлены на оценку уровня шума и методы снижения его интенсивности и негативного воздействия на человека. При этом основная цель мониторинга комплексного воздействия шума различного происхождения состоит в составлении оперативных шумовых карт, выявлении на них зон акустического дискомфорта и реализации мероприятий по их локализации и защите населения от шума. Для этого определяется уровень шума в анализируемой точке или точках и его значение сопоставляется с нормой для определения необходимости выполнения шумозащитных мероприятий.

В отношении систем оповещения населения нет задачи снизить шум, напротив, нужно превысить его уровень полезным сигналом на заданную величину, которая определена действующей нормативной документацией в размере 15 дБА³. Следует отметить, что большинство подходов к измерению и обработке результатов об уровне шума можно применить лишь частично. Приведем пример.

Для оценки уровней шума на границе селитебных территорий измерения проводятся в трех точках, расположенных на ближайшей к источнику шума границе площадки (вне звуковой тени) и в центре площадки. А при исследовании шумового загрязнения, оказываемого производством, – на границе санитарно-защитной зоны промышленного предприятия. Одним из основных и существенных ограничений методов измерения шумов при защите от шума также является то, что суть измерений сводится к измерению уровней шумов точечных источников. Этот подход в большинстве случаев не применим к шумам, образованным более чем одним источником шума или источником шума, имеющим протяженную структуру (технологические и транспортные сооружения, предприятия и т.д.). Следует помнить, что при акустическом расчете зоны охвата системы оповещения не стоит задача выявления источников шума, а важен лишь факт фиксации уровня шума в каждой конкретной точке измерений.

Тем не менее раздел 6.1 ГОСТ 23337⁴ допускает выбор измерительных точек и на других участках селитебной территории в зависимости от целей измерения, что позволяет не идти вразрез с требованиями нормативной документации, ведь необходимая плотность сетки точек, используемых при картографировании уровней шума, зависит от цели картографирования.

Чем чреваты ошибки в расчетах

Для выполнения акустического расчета с заданной точностью необходимо предотвратить ошибки, при которых плотность точек измеренного уровня шума будет недостаточной. Ошибка в расчетах при недостаточной плотности точек измерений шумов состоит в том, что расчет зоны адекватной идентификации информации с заданным превышением уровня сигнала над уровнем шума будет производиться по ограниченному числу точек, зачастую не отражающих изменение уровня шума в пределах расчетной зоны адекватной идентификации информации. Если для расчета будет выбрана точка с уровнем шума ниже средней по зоне, то расчетная зона адекватной идентификации информации будет больше реальной, и наоборот. В первом случае это приведет к недостаточному охвату населения техническими средствами оповещения, а во втором – к чрезмерному количеству оконечных средств оповещения, что скажется на увеличении стоимости создания и эксплуатации систем оповещения населения.

Проблемы при составлении карты шумов

Для составления карты шума нормативной документацией рекомендуется выбирать плотность измерительных точек из условия, что разность измеряемых величин в соседних точках не превышает 5 дБА. Для целей оповещения использование такого норматива вызывает как минимум некоторые проблемы.

Одна из них: 5 дБА – достаточно весомая величина для того, чтобы допустить существенную ошибку в расчете зоны адекватной идентификации информации. Рассмотрим усредненный показатель зоны охвата для рупорного громкоговорителя мощностью 100 Вт с SPL 114 дБ. Разница площадей зон адекватной идентификации информации для такого громкоговорителя при уровне шума 55 и 60 дБа различается более чем в три раза. При тех же условиях разница в 1 дБ в уровне шума обусловливает различие в площади покрытия в 1,25 раза. Очевидно, что такая точность не позволяет произвести с приемлемым качеством ни оценку эффективности топологии оконечных устройств оповещения, ни расчет процента населения, проживающего в границах зоны действия технических средств оповещения. Нормативная документация допускает решение вопроса увеличения плотности точек измерений методом экстраполяции. При этом экстраполяцию часто применяют, чтобы оценить уровень звукового давления в местах, отличных от тех, где проведены измерения, но имеющих сходные внешние воздействующие факторы. Однако применение экстраполяции является обычным, когда остаточный шум не позволяет измерить шум источника, например при оценке шума машин.

При этом следует помнить, что применение экстраполяции имеет ряд ограничений: невозможность ее использования в условиях городской застройки ввиду наличия большого количества источников шума, отражающих и ограничивающих распространение звуковых волн конструкций и поверхностей, а также существенное влияние на результат экстраполяции метеорологических условий. Выполнение расчета подразумевает использование параметров метеорологического окна, что при большом количестве данных, необходимых для его расчета, весьма существенно снижает выигрыш в трудозатратах от применения экстраполяции.

Таким образом, наиболее точную картину по шумовой обстановке дает процесс непосредственного измерения уровней шумов на исследуемой территории с заданной плотностью.

Основная цель мониторинга комплексного воздействия шума различного происхождения состоит в составлении оперативных шумовых карт, выявлении на них зон акустического дискомфорта и реализации мероприятий по их локализации и защите населения от шума.

2 метода измерения уровня шумов

При оценке шумовой картины исследуемой территории следует придерживаться следующей последовательности.

Начать нужно с измерения уровня шума для расчета минимального, но достаточного звукового давления, создаваемого средствами оповещения на территории зоны уличного оповещения. При отсутствии подтвержденных данных об уровне шума необходимо произвести его измерение для формирования картографической сетки. Измерение уровней шумов может проводиться с применением двух методов:

1. снятие сетки шумов;
2. снятие карты шумов.

Снятие сетки шумов предполагает формирование на плане территории регулярной сетки с определенным шагом, узлы которой определяют точки измерения уровней шумов.

Расстояние между узлами сетки шумов называют шагом сетки, его величину выбирают с учетом характеристики территории. При однородном и невысоком (до 45 дБ) уровне шума на территории шаг сетки может составлять от 100 до 250 м. При неоднородном или высоком (более 45 дБ) уровне шума шаг сетки целесообразно уменьшить до величины от 50 до 150 м. Результатом определения шага сетки и нанесения ее на подоснову зоны уличного оповещения является сетка шумов.

Снятие карты шумов предполагает на этапе подготовки к проведению измерений определение на плане зоны уличного оповещения основных дорог, направлений, площадей, мест массового пребывания людей и т.д. Производится разработка маршрута и измерение уровней шумов в точках согласно разработанному маршруту с определенным шагом. Шагом при этом является расстояние между двумя ближайшими точками измерений. Для карты шумов шаг целесообразно определять по аналогии с определением шага сетки шумов. То есть в районах с неравномерным и высоким (более 45 дБ) уровнем шума – в пределах от 50 до 150 м, при однородном и невысоком (до 45 дБ) уровне шума на территории шаг может составлять 100–250 м.

После составления маршрута производится оценка плотности точек измерений. Производится уточнение точек измерений уровней шумов на территориях, не вошедших в маршрут измерения, при этом карта шумов с нанесенными маршрутами дополняется точками измерений так, чтобы на территории зоны уличного оповещения не было расстояний между точками измерений более 250 м.

Плюсы и минусы методик

Применение каждой из методик несет в себе свой набор преимуществ и недостатков с точки зрения как трудозатрат, так и качества получаемых данных. Обе методики проявляют себя с лучшей стороны в определенных условиях.

Методику снятия сетки шумов наиболее целесообразно применять на больших открытых площадях с незатрудненным доступом к точкам измерения и отсутствием плотной и многоэтажной застройки.

Методика снятия карты шумов наиболее удобна для территорий со сложившейся инфраструктурой или на территориях с затрудненным доступом к точкам измерения.

С точки зрения качества получаемых данных каждая методика имеет свои преимущества: данные с сетки шумов легче поддаются обработке и взаимному контролю с целью исключения недостоверных или ошибочных измерений. При этом карта шумов с большей релевантностью определяет уровни шумов в местах вероятного пребывания людей и маршрутов их передвижения.

При проведении расчетов допускается применение обеих методик без каких-либо ограничений, однако на практике, как правило, применяется комбинированная методика, суть которой сводится к следующему: на озвучиваемой территории наносится сетка шумов с точками, подлежащими измерению уровней шумов.

Далее исключаются те точки, доступ к которым для проведения измерений предположительно будет затруднен или невозможен. После этого на план местности с нанесенной сеткой точек измерения наносятся точки измерений для карты шумов, производится коррекция точек измерения с учетом расстояния между соседними точками, не превышающим 250 м.

Карта шумового загрязнения Санкт-Петербурга

Верификация шумов

После выполнения измерений вторым этапом обработки данных сетки или карты шумов является верификация шумов. Этот процесс направлен на исключение недостоверных данных об уровне шума в собранных данных и заключается в поиске соседствующих измерений с недопустимо большой разницей в уровне шума. Расчет падения уровня шума от точки с более высоким измеренным уровнем шума к точке с меньшим измеренным уровнем шума вычисляется с учетом затухания звуковой волны в свободном пространстве по формуле:

ΔP = 20Log(Lшага),

где ΔP (дБ) – падение уровня звукового давления в свободном пространстве на участке Lшага; Lшага (м) – расстояние между двумя точками измерений, одна из которых верифицируемая.

Например, после проведения измерений выяснилось, что есть точка, измеренный уровень шума в которой существенно отличается от средних показателей на данной территории в большую или в меньшую сторону. Значит, эта точка должна быть верифицирована на предмет того, не носит ли значение измеренного уровня шума в данной точке ошибочный характер.

Алгоритм верификации состоит в выборе не менее трех контрольных и соседних с верифицируемой точек измерения и выполнении в отношении каждой из них следующих действий:

1. Вычисляется расстояние от верифицируемой точки до контрольной.
2. Производится расчет падения уровня шума на вычисленном расстоянии так, как если бы источник шума находился в верифицируемой точке.
3. Полученный результат сравнивается по модулю с разностью уровня шума в верифицируемой точке и контрольной точке.
4. Если полученный результат меньше или равен разности уровня шумов, то показания считаются допустимыми и производится расчет следующей точки.
5. Если полученный результат меньше разности уровня шумов, то такие показания считаются недопустимыми и производится проверка относительно других точек, а также проверка контрольной точки, относительно которой проводилась верификация на предыдущем шаге.

В случае непрохождения верификации по двум и более направлениям точка исключается из расчетов. Общее количество точек с недопустимыми показателями не должно превышать 10% от общего числа измерений. В противном случае на территориях с исключением точек необходимо производить дополнительные измерения.

Программные комплексы для точных результатов

Наиболее удобным способом снятия уровней шумов и проведения их верификации является использование программных комплексов, осуществляющих документирование и верификацию точек измерения уровней шума в автоматическом режиме.

Для измерения уровней шума в подавляющем большинстве случаев достаточно применения интегрирующих шумомеров 2-го класса точности. Измерения производятся в режиме Slow с коррекцией А. Подготовительные мероприятия до выполнения измерений следует выполнять в соответствии с разделом 7.5. ГОСТ 233374.

Проведение измерений нужно производить на высоте 1,5 м от уровня подстилающей поверхности и не ближе 2 м от стен зданий и сооружений. При этом оператор должен находиться не ближе 0,5 м от измерительного микрофона.

Проведенные измерения уровня шума становятся отправной точкой в выполнении акустического расчета для последующей оценки эффективности топологии оконечных устройств оповещения.

Данные подходы к измерению уровня шума также нашли отражение в п. 3.7 "Проверка функциональных свойств оконечного средства звукового оповещения, установленного на открытом пространстве" Методических рекомендаций².

В заключение хочется отметить, что чем аккуратнее будут произведены измерения, тем точнее будет результат показателя "Процент населения, проживающий или осуществляющий хозяйственную деятельность в границах зоны действия технических средств оповещения".