Alternativa Deplasarii Rapide Si Poluarea
Bibliografie
FILIP, N., CORDOȘ, N., RUS, I., Zgomotul urban și traficul rutier, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2001;
FILIP, N., Zgomotul la autovehicule, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2000;
GILLESPIE, T., Fundamentals of [NUME_REDACTAT], Society of [NUME_REDACTAT];
HAMILTON, R., [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] Publishers, Amsterdam, 1991 (pag. 365 – 370);
HARRISON, M., [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] and Vibration in [NUME_REDACTAT], SAE International, 2004 (pag. 136 – 140);
HUANG, Y., [NUME_REDACTAT] and Design – [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] Hall, 2004 (pag. 5 – 14);
RUS, I. – Autovehicule rutiere, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2002;
TODORUȚ, A., Bazele dinamicii autovehiculelor, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2005;
WANG, L., PEREIRA N., [NUME_REDACTAT] and [NUME_REDACTAT] Control, [NUME_REDACTAT], 2005;
WAYSON, R., [NUME_REDACTAT] Pavement and [NUME_REDACTAT] Noise – A Synthesis of [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] Council, 1998 (pag. 7 – 12);
***http://www.trafficnoise.org/;
***http://en.wikipedia.org/wiki/Roadway_noise;
***https://ro.wikipedia.org/wiki/Autostrad%C4%83;
***http://www.totalauto.ro/2008/02/04/rntr2-categorii-standard-de-vehicule/;
***http://www.scribd.com/doc/121609522/Sound-Waves;
***http://cadredidactice.ub.ro/mihaelalazar/files/2011/03/cap4sunet.pdf;
***http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-5440202339731121/unrestricted/CHAP3_DOC.pdf;
***http://www.persona.uk.com/ashton/Core_docs/New/D49.pdf;
***http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:155:0049:0067:RO:PDF;
***http://ebookbrowse.com/norsonic-nor-121-instruction-manual-v3-x-pdf-d168268298;
***http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:137:0068:0115:ro:PDF;
***http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/eurostat/home/;
***http://www.romedic.ro/arata_img.php?img=anatomie_65_24.jpg&w=520&h=1000&cale=/uploadart/anatomie;
***http://www.econtext.ro/dosar–2/analiza/topul-autostrazilor-cati-kilometri-de-autostrada-a-construit-fiecare-stat-din-ue-in-ultimii-20-de-ani-vezi-unde-se-plaseaza-romania.html;
***http://www.autostradatransilvania.ro/page/2/Despre-Autostrada-Transilvania.html.
Capitolul 1
Alternativa deplasării rapide și poluarea
Încă din cele mai îndepărtate timpuri oamenii au căutat modalități cât mai simple, dar totodată și eficace, de a se deplasa dintr-un loc în altul sau de a transporta anumite mărfuri sau bunuri spre o anumită destinație, și asta într-un timp cât mai scurt posibil. Plecând de la rețelele de drumuri din pământ tasat, pietriș sau dale de piatră construite de romani pentru a-și asigura protecția și unitatea vastului imperiu, am ajuns ca, mult mai târziu, după invenția și progresul tehnic al automobilului să avem nevoie de rețele mult mai dezvoltate care să asigure fluidizarea unui trafic din ce in ce mai mare de autovehicule. Iar astăzi, în zilele noastre, cea mai modernă cale de comunicație terestră, destinată autovehiculelor, o reprezintă autostrada.
Autostrăzile prezintă cel mai înalt grad de separare a circulației, fiind rezervate numai traficului auto, cu elemente geometrice care permit realizarea unor debite și viteze mari, în condiții de maximă siguranță. Ele au două căi de circulație unidirecționale, separate printr-o zonă mediană, fiecare cu cel puțin două benzi de circulație, fără încrucișări de nivel cu alte căi de circulație și accesibile numai în anumite puncte special amenajate [13].
Prima porțiune de drum asemănătoare unei autostrăzi, a fost aceea așa numita „AVUS” (Automobil-Verkehrs- und Übungs-Straße) din Berlin, privat finanțată și inaugurată la data de 24 septembrie 1921 ca pistă pentru teste și viteză. În anul 1924, între Milano și Varesse, în Italia, la propunerea inginerului [NUME_REDACTAT], s-a realizat prima autostradă din lume, așa numita „Autostrada dei Laghi”, care avea o singură bandă de circulație.[NUME_REDACTAT] prima autostradă a fost autostrada A555, inaugurată la data de 6 august 1932, finalizată cu zonă mediană în anul 1958 [13].
Reducerea perioadelor de călătorie prin evitarea străzilor aglomerate ale marilor orașe sunt datorate în cea mai mare parte autostrăzilor moderne, datorită cărora oamenii au oportunități sporite de a călători în scop de afaceri sau de plăcere. De asemenea, autostrăzile oferă rute comerciale mult mai rapide pentru transporturile de bunuri. În plus, realizarea servicilor în timp de urgență cunoaște un real câștig, iar terenurile din jurul autostrăzilor devin foarte bine cotate din punct de vedere economic. Cu toate că aduce aceste avantaje, acest mod de trasnport este responsabil și de crearea unor factori negativi care afectează mediul înconjurător. O problemă în acest sens o reprezintă calitatea aerului. Deși, din punct de vedere al regimului de circulație, pe autostrăzi, unde se circulă la o viteză relativ constantă exista un număr mai mic de emisii poluante decât în orașe unde fluxurile de circulație ale vehiculelor cu opriri și porniri dese crează o mare concentrație de poluanți, un volum mare de trafic pe autostrăzi ar putea egala emisiile de poluanți din orașe, aceasta afectând zonele din jurul autostrăzilor.
O altă problemă importantă legată de traficul de pe autostrăzi și de poluare o reprezintă emisiile de zgomot. Zgomotul exccesiv produs de traficul de autovehicule reprezintă una dintre cele mai frecvente plângeri în rândul locuitorilor de pe lângă marile artere de circulație din întreaga lume. Milioane de oameni sunt afectați de zgomotul constant al traficului, care le poate afecta capacitatea de a lucra, studia, de a se odhini sau relaxa, și chiar cauza probleme de sănătate mintală. De fapt, zgomotul traficului afectează mai mulți oameni decât orice altă sursă de zgomot din mediul înconjurător.
Pentru atenuarea efectului emisiei de zgomot a traficului de pe autostrăzi sunt puse în aplicare mai multe soluții în funcție de specificul fiecărei zone în parte. Acestea sunt necesare deoarece există multe zone urbane care se află în apropierea arterelor intens circulate, iar distanța fața de acestea nu are un efect de atenuare dorit al zgomotului.
Astfel, în cazul în care între artera circulată și o zonă locuită există o anumită suprafață de câmp deschis, construcția anumitor fabrici, instalații industriale sau hale pe acea suprafață poate reduce simțitor nivelul de zgomot, ele fiind relativ insensibil afectate de zgomotul produs de traficul rutier, față de blocurile de locuințe, casele sau clădirile de birouri. De exemplu, o clădire de două etaje situată între artera circulată și zona locuită poate reduce nivelul de zgomot dintre cele două repere cu până la 13 decibeli. În cazul în care astfel de clădiri sunt folosite ca bariere de zgomot este recomandat ca fațada lor sa conțină un număr cât mai redus de ferestre [4].
Barierele de zgomot propriu-zise reprezintă un obstacol solid construit între autostradă și zonele locuite de pe langă autostradă. Barierele de zgomot eficiente pot reduce nivelul de zgomot cu 10 până la 15 decibeli. Ele pot fi formate din movile de pământ de-a lungul drumului sau din ziduri înalte, verticale. Movilele de pământ au un aspect foarte natural și sunt, de obicei, atractive. Cu toate acestea, o movilă de pământ poate solicita destul de mult teren în cazul în care aceasta trebuie sa fie foarte înaltă, fapt pentru care se mai utilizeaza barierele sub formă de ziduri, realizate din beton, lemn, metal sau din alte materiale, care utilizează foarte puțin spațiu. Desigur, în anumite situații și aceste bariere devin mai puțin eficiente. De exemplu, în cazul unor locuințe situate pe anumite coline în apropierea autostrăzilor, acestea pot fi total ineficiente, ele având stabilită o limită de înălțime.
Aceste modalități de reducere a zgomotelor în jurul autostăzilor au căpătat din ce în ce mai multă importanță o dată cu progresul tehnic în domeniul construcției autostrăzilor, ”forțat” și de un parc auto din ce în ce mai bogat peste tot în lume. O statistică privind lungimea totală a autostrăzilor din țările europene este prezentată în tabelul 1.1.
Tabelul 1.1
Statistica lungimii autostrăzilor în țările europene [24]
Capitolul 2
Acustică fizică și fiziologică
Acustică fizică
Așa cum în natură sunt forme de energie care generează abordări de sine stătătoare (electrică, mecanică, termică, etc), energia acustică aduce la rândul ei în atenție, mai mult decât un fenomen asociat unei acțiuni, o stare energetică definitorie a materiei.
Fiecare prezență naturală are o formă de manifestare sau este însoțită și de componenta acustică (ciocnirea mecanică deplasarea unui fluid, transportul de energie electrică, evoluția unui agent termic în condtiți date de : presiune – temperatură – volum, etc.).
Definitoriu domeniului acustic sunt trei condiții asociate: energia, mediul de propagare și receptorul.
La scoaterea din echilibru a unui mediu elastic prin aport energetic extern, particulele acestuia vor începe să oscileze. Aceste oscilații iau forma unor rarefieri și comprimări succesive care se transmit în întreg mediul, sub formă de unde.
O caracteristică de bază asociată undelor acustice este mediul elastic de propagare (solid, lichid sau gazos), deci, în vid, nu se manifestă transmisibilitate acustică.
Suportul propagării aceste forme de energie (undele), determină particularități specifice privind evaluarea unui semnal de natură acustică.
Fenomenul propagării semnalului acustic pe suport ondulator, este caracterizat prin:
Frontul de undă: locul geometric al punctelor atinse de perturbație la un moment dat (fig. 2.1);
Suprafața de undă: locul geometric al tuturor punctelor pe direcția de propagare, care oscilează simfazic (fig. 2.1);
Lungimea de undă, λ: distanța dintre două puncte succesive, care oscilează simfazic:
unde este viteza de propagare a undei iar T este definit mai jos;
Perioada, T: timpul în care unda efectuează o oscilație comletă;
Frecvența, f: numărul de oscilații complete efectuate în decurs de o secundă:
Legătura: mediu – oscilație – timp – spațiu, este materializată prin forma pe care o îmbracă undele elastice. Acestea pot fi: unde longitudinale (fig. 2.2), unde transversale (fig.2.3), unde sferice (fig. 2.4), cilindrice și unde plan progresive (de suprafață).
Fig. 2.2. Undă longitudinală
Fig.2.3 Undă transversală
Legea de mișcare în propagarea undelor acustice poate fi exprimată astfel:
unde: reprezină elongația instantanee la momentul ;
– amplitudinea maximă a oscilației;
– viteza unghiulară în rad./s;
– timpul propagării în secunde;
– faza inițială a mișcării, în radiani.
Relația care exprimă legea de propagare a undei sonore reflectă în fapt mișcarea pe suport ondulator. Sunt utilizate la ora acutală mai multe moduri de exprimare matematică a acesteia, funcție de specificul analizei dezvoltate, astefel:
Modelul trigonometric, cu o largă utlilizare este dat de relația:
unde: d este punctul atins de perturbație la momentul t;
Modelul complex, utlizat cu precădere pentru efectuarea analogiilor acustico electrice în proiectarea aparatelor de măsură:
unde este unghiul de fază al vectorului deplasare. Acesta se determină cu relația:
unde este faza inițială a mișcării;
Modelul unidimensional complex, reflectă cel mai fidel fenomenul acustic, fiind utilizat cu precădere în proiectare și pentru modelarea matematică a rezultatelor experimentale, la măsuri de zgomot:
unde: A este amplitudinea complexă a undei de frecvență f care se propagă în direcția axei Ox pozitivă;
B este amplitudinea complexă a undei asemănătoare cu prima, dar care se propagă în direcția -ilor negativi, cu aceeași viteză.
Determinarea poziției instantanee a undei și amplitudinea acesteia în sistem unidimensional, permite trecerea la sistemul tridimensional care asigură o analiză completă a fenomenului de propagare a sunetului.
Un element caracteristic propagării energiei acustice este viteza undei care este caracteristică pentru diferite medii de propagare. Se determină cu relațiile:
În care k este coeficientul adiabatic al mediului de propagare, și sunt presiunea, respectiv densitatea mediului neoperturbat;
unde E este modulul de elasticitate longitudinal.
Relația 2.8 se aplică la determinarea vitezei în medii solide și gazoase, iar relația 2.9, pentru medii solide. In relația 2.9, pentru determinarea vitezei caracteristice undelor transversale, E se înlocuieste cu G, modulul de elasticitate trasnversal.
Un factor de influență al vitezei de propagare a undelor acustice este temperatura mediului. Influența, este evidențiată prin relația următoare:
Unde – este viteza sunetului corespunzătoare temperaturii de 0°C, determinată cu relația 2.8 – reprezintă coeficient de temperatură și are valoarea 1/273,15.
Valori aproximative ale vitezei acustice, pentru diferite medii de propagare, sunt prezentate în tabelul 2.1:
Tabelul 2.1
Valori ale vitezei sunetului în diferite medii de propagare [1]
Capacitatea auditivă umană, de a percepe selectiv, un anumit spectru de unde acustice a impus evidențierea unor domenii distincte de abordare a undelor ce se propagă în mediu, astfel:
Infrasunete, a căror frecvență de oscilație este cuprinsă între 0 și 16 Hz;
Sunete, ce acoperă domeniul de frecvențe cuprins între 16 – 16000 Hz (dupa unii autori, limita se extinde la 20000 Hz, cuprinzând parțial și domeniul în care se semnalează efecte dureroase, nivelul de percepție fiind mult diminuat);
Ultrasunete, carcaterizate prin frecvența de oscilație a undelor de peste 16 000 Hz.
O mărime caracteristică undelor acustice este intensitatea – I.
Aceasta este definită ca fiind raportul dintre energia acustică ce se propagă într-un mediu și suprafața de propagare (fig. 2.5).
unde W este puterea acustică, perpendiculară pe suprafața(S), se măsoară în wați, iar intensitatea în watt/. În cazul propagării undei de energie E în câmp liber, intensitatea acesteia scade în funcție de raza instantanee a frontului de undă cu 1/, conform relației(fig. 2.6):
Scăderea intensității energiei acustice emise este distinct tratată funcție de tipul undelor ce se propagă (sferice, plane, longitudinale, etc). În cele mai multe cazuri, sursa de energie nu este punctiformă și energia nu este radiată uniform în toate direcțiile. Există direcții preferențiale de radiație sau zone în care nu sunt create condițiile unei radiații uniforme.
Aprecierea efectului de radiație prin prisma valorii intensității acustice se realizează prin intermediul factorului de directivitate Q, exprimat prin raportul:
unde reprezintă valoarea intensității la distanța r față de sursă și aplicată pe suprafață sub unghiul θ și intensivitatea echivalentă în cazul radiației uniforme, măsurată la aceeași distanță r, față de emitor.
Valori ale factorului de directivitate pentru forme geometrice predicte, sunt prezentate în tabelul 2.2.
Tabelul 2.2
Valori ale factorului de directivitate pentru suprafețe ideale [1]
Întrucât ponderea situațiilor în care regăsim o singură sursă de energie acustică (punctiformă) este foarte redusă, predominând cazurile în care avem radiație datorată mai multor surse elementare, intensitatea energiei acustice este rezultatul compunerii intensităților surselor elementare care formează un spectru cu o anumită perceptibilitate. Relația de calcul a intensității este în acest caz:
în care presiunea echivalentă , măsurată în Pa, este dată de relația:
În care: p(t) este presiunea măsurată, corespunzătoare unei perioade T.
Acustică fiziologică
Producerea și propagarea undelor elastice provenite de la o sursă împreună cu recepționarea
acestora sub formă de sunete reprezintă un proces continuu, legat, indisolubil. Toate aceste informații recepționate sunt preluate în timp real de către creierul uman care creează și senzația de sunet. Astfel, pentru ca o undă elasticã (mărime obiectivã) să fie transformată în senzația de sunet (mărime subiectivă) trebuie îndeplinite anumite condiții de frecvență și de sensibilitate.
Pentru a putea fi expuse teoriile referitoare la mecanismul auzului este necesar a fi cunoscute elementele organului auditiv precum și funcțiile acestora în mecanismul producerii senzației auditive.Organul auditiv constă din trei părți: urechea externă, urechea medie și urechea internă.
Urechea externă este alcătuită din pavilion, canal auditiv (duct auditiv) și timpan. Rolul principal al acestei părți din sistemul auditiv este de a recepționa sunetele. Prin forma sa deosebită, pavilionul are un rol important în localizarea spațială a sursei sunetului, pentru aceasta, la multe specii de animale pavilionul fiind mobil. La om de exemplu, eroarea de localizare spațială a sursei sunetului este de 3–4º, sau exprimat în procente, în jur de1%.
Canalul auditiv are rolul unui tub sonor, având rolul de a transforma undele sferice în unde plane, având frecvența de rezonanță de aproximativ 3300 Hz, aceasta fiind și frecvența la care sensibilitatea urechii umane este maximă. Canalul auditiv este închis la interior de către timpan care este o membrană elastică ce intră în vibrație sub acțiunea undelor staționare ce iau naștere în canalul auditiv, vibrație transmisă în continuare elementelor ce formează urechea medie. Având o grosime de 0,1 mm și o suprafață de circa 65 , timpanul are o formă aproximativ conică, ceea ce îi permite să fie eficient pe aproape întreaga sa suprafață, spre deosebire de o membrană elastică plană, eficace doar pe o treime din suprafață. Forma timpanului a fost copiată de către om la realizarea membranelor difuzoarelor diferitelor sisteme acustice [16].
Urechea mediană este formată din trei sisteme osoase de mici dimensiuni (ciocănelul, nicovala și scărița), aflate într-o incintă cu volumul de aproximativ 150 , plină cu aer. Cele trei osișoare se comportă ca niște pârghii, având un rol foarte important, acela de a maximiza transferul de energie de la unda venită din aer, la urechea internă, în care propagarea se face în mediu lichid, fenomen cunoscut sub numele de adaptare a impedanțelor. Dată fiind diferența mare a proprietăților elastice ale aerului și lichidelor, din energia totală a unui sunet care vine din aer, într-un lichid pătrunde doar aproximativ a mia parte, restul reflectându-se înapoi în aer. Pentru a mări valoarea energiei undei preluată de mediul lichid, sistemul osos din urechea mediană preia vibrațiile timpanului, micșorând amplitudinea oscilațiilor, crescând însă foarte mult presiunea sonoră la nivelul ferestrei ovale. Pentru ca transferul de energie să fie total, raportul între presiunea sonoră la nivelul ferestrei ovale și presiunea la nivelul timpanului trebuie să fie de aproximativ 61 [16].
Pentru ca timpanul să vibreze corect, trebuie ca presiunea aerului deoparte și de alta a sa să aibă aceeași valoare. Cum la exterior, timpanul se găsește la presiunea atmosferică, înseamnă că și incinta timpanică trebuie să se găsească la aceeași presiune. Comunicarea între incintă și exterior se face prin intermediul trompei lui Eustachio care se deschide în faringe. Trompa nu este deschisă decât la înghițire sau în timpul căscatului, în restul timpului fiind închisă, împiedicând astfel transmiterea către ureche a sunetelor respirației sau a propriei voci. Cân dpresiunea variază rapid (în avion, când se urcă sau se coboară o diferență de nivel importantă) presiunea internă nu are timp să se echilibreze. Diferențade presiune care ia naștere între cele două fețe ale timpanului împiedică funcționarea corectă a acestuia, ceea ce se traduce printr-o senzație de surditate.
Urechea internă (fig.2.8) are două părți cu funcții diferite. Partea vestibulară, are rolul unui traductor de poziție și mișcare pentru corpul uman, asigurând echilibrul. Vestibulul membranos este format din două cavități rotunjite, utricula și sacula, și din trei canale semicirculare situate în trei plane perpendiculare.
Canalele semicirculare ocupă cea mai mare parte a urechii interne. Fiecare canal conține un lichid și cili sensibili legați la celule receptoare care transmit informațiile la creier. Receptorii vestibulari sunt sensibili la forța de gravitație, iar dispunere acelor trei canale în plane perpendiculare permite orientarea în spațiul tridimensional. Dacă la un moment dat capul se găsește într-o poziție neobișnuită, influxurile vestibulare tind să corecteze această poziție pe cale reflexă. Fără această porțiune a urechii interne, omul nu este capabil să își păstreze echilibrul.
Receptorii vestibulari sunt în egală măsură sensibili la accelerații, adică la variațiile vitezei. Aceasta este cauza problemelor de echilibru după o mișcare de rotație (copiii se joacă rotindu-se unul în jurul celuilalt sau în jurul unui ax, după care încearcă să își mențină echilibrul), sau chiar la pornirea sau oprirea unui ascensor. Problemele apar datorită compunerii forțelor de inerție care apar în aceste mișcări cu forța de greutate, rezultând o „înșelare” a centrului echilibrului, ale cărui decizii sunt eronate.
Efectul pe care propagarea energiei acustice îl are asupra omului și a mediului, dar și modul în care reacționează ființa umană la această formă de energie, constituie criteriul de apreciere fiziologică. Trebuie menționat, însă și faptul că nu toate fenomenele naturale (în cazul de față de proveniență acustică) sunt recepționate și interpretate în mod similar.
Sunt cunoscute trei caracteritici ale sunetului, corelate cu capacitatea de receptare, care determină modul de percepere a semnalului transmis: tăria, calitatea și puterea.
Orice variație de presiune ce se propagă într-un mediu elastic, poate fi identificată din punct de vedere acustic. Așa cum ființa umană nu poate face față unor solicitări mecanice sau electrie de orice valoare, nici în domeniul acustic potențialul uman nu este nelimitat și în consecință, nu orice formă de activitate acustică creează senzație auditivă.
La fel cum ființa umană nu poate face față unor solicitări mecanice sau electrice de orice valoae, nici în domeniul acustic potențialul uman nu este nelimitat și, în consecință, nu orice formă de activitate acustică creează senzație auditivă, după cum se poate observa și în graficul din figura 2.9.
Studiul legăturii psiho-fizice între intensitatea energiei acustice propagate și intensitatea senzației produse, este dat de legea Weber – Fechner. Conform acestei legi, unei variații a intensității semnalului în progresie geometrică îi corespunde o variație a senzației auditive recepționate în progresie logaritmică.
Legea fiziologică a evaluării percepției auditive transpusă matematic este:
unde:
;
sunt valoi ale intensității sunetului evaluat, respectiv de referință;
simbolizează senzația auditivă creată de sunetul de intensitate , respectiv;
reprezintă factorul de proporționalitate, pentru echivalarea semnalului măsurat prin raportarea la frecvența etalon de 1000 Hz.
Datorită faptului că senzația auditiva este o mărime relativă, se consideră ca fiind pragul inferior de audibilitate și cu această speciicare, relația de referință a legii Weber – Fechner este:
Corespunzător acestei formulări matematice, unitatea de măsură a senzației auditive podusă de sunete este neper-ul. S-a constatat însă, că domeniul de valori al calculelor matematice efectuate cu aceste mărimi acustice nu este satisfăcută în suficientă măsură de utilizarea logaritmilor neperieni, iar din acest considerent s-a trecut la utilizarea relației sub formă de logaritm zecimal, prin simplă transformare a bazei logaritmului. Pin aceasta s-a impus o nouă definie a unității de măsură, și anume Bell-ul. În practica măsurătorilor se folosește subdiviziunea decibel – dB, fiind mai convenabilă atât pentru calcul cât și în realizarea aparatelor de măsură acustice. Cu această specificare, relația de derminare a nivelului de intensitate sonoră, ,este:
unde: reprezintă intensitatea de referință de ;
este intensitatea sunetului măsurat.
În mod asemănător, având în vedere relația fizică existentă între intensitate și presiune acustică, se poate determina nivelul de presiune sonoră, , ca fiind:
unde: reprezintă presiunea acustică minimă corespunzătoare presiunii de referință (valoarea minimă capabilă să producă senzație auditivă) având valoarae de 2 ∙ Pa.
În relațiile anterioare s-a utilizat noțiunea de nivel, în aprecierea efectului fiziologic al unei perturbații acustice. Astfel, s-au stabilit mărimile de referință utilizate în calcul, pentru determinarea nivelelor acustice care sunt perceptibile în domeniul sonor, ele fiind reprezentate în tabelul 2.3.
Tabelul 2.3
Valori ale principalelor mărimi de referință ale nivelelor acustice [1]
Pornind de la aceste valori de referință, considerate prag inferior în percepția fiziologică a unui semnal acustic emis, se definesc nivelele acustice percepute la propagarea undei sonore, enumerate în tabelul 2.4.
Tabelul 2.4
Nivele acustice și relații de calcul [1]
O carcateristică importantă a sunetelor sau zgomotelor o reprezintă înălțimea, adică însușirea senzației auditive după care semnalele receptate pot fi grupate pe o scară care cuprinde sunete joase până la sunete înalte. Dependentă de frecvența vibrației acustice care a produs senzație auditivă, evaluarea înălțimii sunetului nu exclude parametrul intensitate. Pentru evaluarea înălțimii unui sunet, unitatea de măsură utilizată este mel-ul.
Tăria sunetului, N, este însușirea senzației auditive legată de intensitatea acustică a curbei de vibrații excitatoare, care permite ordonarea sunetelor pe o scară de la ”slabe”, la ”puternice”. Se definește ca fiind numărul ce arată de câte ori sunetul sau zgomotul care se propagă în fața unui ascultător, sub forma unei unde plan progresive libere, este mai intens decât un sunet pur de 1000 Hz, având un nivel de tărie de 40 foni căruia îi corespunde un nivel de presiune acustică de 40 dB.
Cu cât intensitatea unui semnal acustic are o valoare mai ridicată, cu atât și tăria sunetului pare mai puternică. Astfel, nu orice frecvență care se încadrează în domeniul de intensitate, produce aceeași senzație auditivă. Unitatea de măsură pentru tărie este sonul. De asemenea, evaluarea nivelului de tărie, Λ, reprezintă o altă modalitate de apreciere fiziologică. Nivelul de tărie al unui sunet reprezintă nivelul presiunii sonore al unei vibrații acustice de 1000 Hz, apreciat de un auditor otologic normal, ca având aceeași tărie ca a sunetului considerat. Unitatea de măsură pentru nivelul de tărie este fonul. Expresia matematică a nivelului de tărie este următoarea:
iar relația de transformare între tăria sunetului și nivelul de tărie este dată de:
Timbrul sunetului este criteriul de evaluare a calității sunetului. Identitatea individuală a unui sunet se poate găsi în modul de manifestare a semnalului transmis. Astfel, între sunetele de aceeași înălțime și tărie există totuși o deosebire calitativă, atunci când sunt emise de surse diferite.
Analiza zgomotului
Senzația auditivă produsă de către diferitele sunete din natură, este analizată, din punct de vedere fizic, pornind de la considerentele de bază privind creearea și propagarea energie acustice pe suport ondulator. În acord cu senzația auditivă produsă, sunetele sunt grupate în urmatoarele categorii: sunete pure, sunete muzicale, zgomote, pocnete și bătăi.
Astfel, o vibrație sinusoidala, caracterizată printr-o singură frecvență și o perioadă determină un sunet pur (figura 2.10). Acesta are o largă aplicabilitate în electronică și radiotehnică, dar în natură este foarte rar întâlnit.
Sunetul muzical reprezintă un sunet compus, care pe lângă componenta de bază (fundamentală), conține un număr de armonici, care sunt un multiplu întreg al fundamentalei. Acestea pot genera sunete de calități diferite emițând aceeași notă muzicală. În fiecare caz, frecvența principală a vibrației este aceeași dar numărul armonicelor produse este diferit, fiind datorat particularităților fiecărui instrument de a realiza unda de presiune acustică ce se propagă.
Un exemplu de formare a armonicilor poate fi evidențiat prin blocarea corzii unui instrument muzical cu corzi în diferite puncte (fig. 2.11). Iar pentru evidențierea componentelor până la a 6-a armonică, în figura 2.12 se prezintă spectrul de frecvențe asociat modului de vibrație a corzii respective.
Zgomotul este, de asemenea un sunet complex, dar în componența căruia armonicile sunt poziționate foarte apropiate astfel încât se crează senzația unui spectru continuu. Fiind dat acest aspect putem interpreta zgomotul ca și un rezultat al hazardului compunerii unor sunete pure, în mod absolut întâmplător, iar acest fenomen fiind necontrolat, precum intensitatea și frecvența unor componente duce la crearea unui disconfort auditiv.
În domeniul zgomotului au fost catalogate și denumite câteva sunete complexe utilizate în tehnică, pentru control și etalonare. Astfel, se evidențiază noțiunea de zgomot alb, acesta fiind un sunet de laborator caracterizat prin faptul că toate componentele au aceeași intensitate, fiind distribuite continuu în întreaga bandă audibilă.
Un alt tip de zgomot îl reprezintă zgomotul colorat, care este un sunet complex al cărui spectru de frecvență este continuu, valoarea medie a energiei acustice variind cu frecvența după o anumită lege
Zgomotul staționar, este caracterizat prin nivelul constant al emisiei de energie în intervale de timp predicte.
Analiza în benzi de frecvență a zgomotului
Pentru a analiza un sunet complex sau un zgomot, este necesară evidențierea componentelor din spectru. Posibilitățile de analiză ale zgomotului sunt limitate de denistatea ridicată și de cele mai multe ori neuniform distribuită a armonicilor, după cum s-a văzut anterior.
Rezolvarea tehnică a acestor impedimente s-a concretizat prin introducerea analizei în benzi de frecvență, care acoperă întreg domeniul sonor. Astfel, s-a apreciat că pot fi identificate cu suficientă exactitate componentele de frecvență situate într-o bandă de frecvență de o lățime opusă. Pornind de la fiziologia sunetelor muzicale, s-a apelat la identificarea diferitelor sunete prin note.
S-a considerat ca lățime de bandă de referință octava, cuprinsă între notele do 1 și do 2, pentru care raportul frecvențelor este de 2:1. Se apreaciează că toate componentele de frecvență cuprinse între intervalul delimitat de lățimea de bandă vor fi asimilate la o frecvență centrală a benzii de analiză Uzual, în evaluările tehnice care nu necesită o precizie ridicată, este utilizată banda de frecvențe de 1/1 octave.
Banda de frecvență este caracterizată prin următorii parametrii(fig. 2.13):
Frecvența centrală, ;
Frecvența inferioară de tăiere, ;
Frecvența superioară de tăiere, ;
Lățimea de bandă, b.
Astfel, orice frecvență emisă în intervalul delimitat de lățimea de bandă va fi asimilată cu frecvența centrală a benzii respective.
Dacă raportul frecvențelor este conform celor enunțate mai sus atunci:
iar lățimea absolută de bandă va avea valoarea:
Frecvența centrală, este media geometrică a frecvențelor de tăiere care delimitează lățimea de bandă:
Lățimea relativă de bandă este dată de relația:
Posibilitatea de eroare și nivelul de aproximare a unei frecvențe emise este relativ ridicată. Cele două aspecte, trebuie tratate individual: eroarea în aprecierea unei componente și nivelul (calitatea) aproximării.
Eroarea în apreciere este un atribut al aparatelor de măsură și este în corelație cu nivelul tehnic al acestora. Calitatea aproximării, în schimb este determinată de lățimea benzii de analiză. Astfel, cu cât lățimea de bandă este mai îngustă, cu atât aprecierea va fi mai exactă.
Dacă generalizăm relația de determinare a succesiunii frecvențelor centrale din spectrul de octavă, se poate determina rația de succesiune a frecvențelor de analiză pentru spectre mai dense, ca număr de frecvențe centrale de raportare, cu o capacitate de analiză mai precisă a unui zgomot:
unde: și sunt două frecvențe centrale succesive din spectrul sonor
n este număr natural, având valorile: 1, 2, 3, 4, 6, 12.
Recomandarea generală privind divizarea domeniului sonor în benzi de frecvență de analiză, este ca raportarea să se facă la frecvența de 1000 Hz, indiferent de spectrul ales.
Cele mai utilizate spectre de analiză la momentul de față sunt cele de 1/1 și 1/3 octave. În cazuri deosebite, pentru analize de laborator, este utilizat și spectrul de 1/6 sau 1/12 octave.
Comparând spectrul de 1/1 octave cu cel de 1/3 octave, se constată că intervalul caracateristic spectrului de octavă, în cazul celui de o treime de octavă mai conține două frecvențe centrale de raportare a analizei unui semnal (fig. 2.14) . Aceasta permite deci o identificare mai fidelă a ”amprentei” unui zgomot.
Este cunoscut faptul că zgomotul, ca un semnal aleator complex, produce un efect de mascare a unui sunet de bază, constituind un factor perturbator. În general, un zgomot înregistrat poate fi analizat în spectrul său de frecvențe caracteristice.
Fiind cunoscut modul de generare a semnalului, de regulă se apelează la descompunerea în serie Fourie. Semnalul complex descris de o funcție continuă în intervalul este caracterizat prin:
unde T reprezintă perioada de oscilație.
Cunoscând seria trigonometrică de forma:
Termenul constant se determină cu relația:
în care perioada T este egală cu:
Coeficienții seriei trigonometrice și se determină cu relațiile următoare:
Dezvoltarea în serie Fourie este aplicată frecvent la analiza zgomotelor, stând și la baza principiului de realizare a aparatelor pentru analiza zgomotului în benzi de frecvență.
Evaluarea globală a zgomotului
De cele mai multe ori, pentru a descrie caracteristicile unui zgomot, sau un zgomot în sine se alege o valoare răspuns, percepută și tradusă de aparatele de măsură. Asta, pentru un semnal a cărui amprentă, în benzi de frecvență(prezentate în subcapitolul următor) este uneori extrem de complexă. Această evaluare, prin metoda ”o singură valoare de raspuns” a devenit o modalitate uzuală de aprecire și control a poluării sonore.
Zgomotele, în funcție de modul de manifestare în timp, se împart în două categorii:
Zgomote staționare – sunt zgomotele care sunt produse de surse fixe, sau al căror nivel de presiune sonoră nu variază continuu în timp;
Zgomote dinamice – sunt zogomtele produse de surse mobile, care se află în mișcare față de observator, iar care își modifică continuu și în mod aleator nivelul de presiune sonoră.
În ideea de a se crea un instrument unitar de apreciere a efectului poluării sonore, care să fie la îndemâna specialilștilor, s-a impus introducerea așa numitelor ”criterii de zgomot”. Așadar, pentru prima dată, în anul 1957, s-au determinat în S.U.A., ”Curbele criteriului de zgomot” ([NUME_REDACTAT] Curves – NC), care au permis o evaluare aproximativă a zgomotului interior. Începând cu anul 1971 s-au introdus curbele Criteriului de [NUME_REDACTAT] ([NUME_REDACTAT]-[NUME_REDACTAT] – PNC). Acestea au permis o încadrare mai exactă a analizei în spectru de bandă de 1/1 octave a unui zgomot, prin componentele sale din domeniul sonor.
[NUME_REDACTAT] s-au dezvoltat, ca raspuns la criteriile de evaluare americane, și în urma modelării curbelor de zgomot PNC, curbele de zgomot normat, cunoscute la noi sub denumirea de ”curbe de zgomot de egal nivel de tărie – Cz”. Ele permit raportarea unui zgomot evaluat în banda de frecvența de octavă, la un număr mai mare de curbe, domeniul audibil fiind mai bine detaliat(fig.2.15).
Modalitatea de lucru, pentru evaluarea unui zgomot ”dinamic”, produs de surse aflate în continuă mișcare, este aceeași, identificarea unei singure valori de răspuns. Această valoare răspuns este regăsită pe așa numitele curbe de ponderare, care efectuează o raportare a unui zgomot, cu o anumită componență spectrală la percepția dată de acea intensitate sonoră corespunzatoare frecvenței de 1000 Hz.
Sunt standardizate 4 asemnea curbe, care reprezintă inversul curbelor de egal nivel de tărie, ajustate pentru creșteri ale nivelului de presiune sonoră. Curbele de ponderare au fost marcate cu litere din alfabetul latin, în ordinea cronologică a introducerii lor în sistemul internațional de evaluare a zgomotului (fig. 2.16).
Astfel, avem:
Curba de ponderare A – este utilizată pentru evaluarea zgomotelor care înregistrează și valori mai mici de 55 dB, în benzi de frecvență, având un domeniu de utilizare foarte larg. Este agreată prin norme naționale și internaționale la evaluarea zgomotului industrial, urban și în transporturi terestre.
Curba de ponderare B – caracterizează zgomotele a căror detaliere în banda de octavă înregistrează valori de nivel de presiune sonoră cuprinse în domeniul 55-85 dB.
Curba de ponderare C – este specifică unor zgomote a căror componente în banda de frecvențe de octavă înregistrează valori de nivel de presiune sonoră de peste 85 dB.
Curba de ponderare D –este destinată evaluării zgomotelor la care se înregistrează valori ale componentelor foarte înalte, fiind specifică evaluării zgomotului aerian și a celui din perimetrul aeroporturilor.
Valoarea unui zgomot înregistrat în benzi de frecvență se convertește la valoare răspuns dată de curbele de ponderare utilizând relația 2.33:
unde:
– nivelul sonor raportat la curba de ponderare ;
– indice pentru identificarea curbei de ponderare de tip A, B, C sau D;
– nivelul de presiune sonoră corespunzător frecvenței centrale i din banda de 1/1 octave;
F – factor de corecție, ale cărui valori de referință pentru curbele de ponderare A, B, și C sunt prezentate în tabelul 2.5.
Tabelul 2.5
Valorile factorului de corecție, F [1]
Capitolul 3
Elemente de dinamica autovehiculelor
3.1. Elemente de dinamică
Se cunoaște faptul că performanțele unui autovehicul sunt strâns legate de mișcările și comportamentul acestuia în timpul proceselor de accelerare, frânare sau virare, iar cea mai mare parte a dinamicii autovehicului se axează pe cunoașterea și înțelegerea modului de acționare a forțelor, precum și a cauzelor de apariție a acestora.
Adesea a fost afirmat faptul că forțele primare prin care se realizează controlul unui vehicul sunt dezvoltate în patru părți sau zone foarte importante, fiecare de mărimea unei pălmi, și anume zonele unde se realizează contactul dintre pneu și calea de rulare. O cunoaștere a forțelor și momentelor generate de anvelope la sol este esențială pentru a înțelege dinamica autovehicului la rularea acestuia pe autostradă. Însă, pentru a putea întelege pe deplin această influență a contactului dintre pneu și calea de rulare trebuie luate în considerare și alte forțe care apar în diferite sisteme ale autovehicului și care sunt dependente unele de celelalte.
Subiectul dinamicii autovehiculelor îl reprezintă mișcarea acestora pe o anumită suprafață de drum. Mișcările de interes sunt determinare de accelerarea, frânarea sau virarea autovehiculului, precum și de deplasarea autovehiculului în linie dreaptă. Comportamentul dinamic este determinat de forțele care acționează asupra autovehiculului datorate contactului anvelopelor cu calea de rulare, gravității sau aerodinamicității. Studiul asupra autovehiculului se realizează în scopul încadrării fiecărei forțe în domeniul uneia dintre aceste surse, precum și pentru a determina modul în care autovehiculul va răspunde la acțiunea forței respective.
Un autovehicul este alcătuit din mai multe componente, distribuite în tot volumul său. Totuși, pentru multe dintre analizele elementare care i se aplică, aceste componente se mișcă împreună. De exemplu, în timpul frânării, întregul autovehicul încetinește ca o unitate, de aceea el poate fi reprezentat ca și o masă concentrată la centrul său de greutate (CG) cu masă adecvată și proprietăți proprii de inerție. Pentru accelerare, frânare și multe dintre operațiile de virare, raportarea la centrul de greutate este suficientă. Această masă concetrată din centrul de greutate, cu momentele de rotație corespunzătoare, este dinamic echivalentă cu autovehiculul în sine pentru toate mișcările în care se presupune că acesta este rigid. O asemenea reprezentare este ilustrată în figura 3.1, unde:
x – axa longitudinală în raport cu autovehiculul;
y – axa laterală în raport cu autovehiculul;
z – axa verticală în raport cu autovehiculul;
p – viteza unghiulară în jurul axei x;
q – viteza unghiulară în jurul axei y;
r –viteza unghiulară în jurul axei z.
Poziția autovehiculului și traiectoria acestuia pe durata unei manevre sunt definite în raport cu un sistem de referință, care este diferit de sistemul de axe ortogonale al autovehicului. Acest sistem, în mod normal, se alege de așa natură încât să coincidă cu sistemul de axe ortogonale al autovehiculului în momentul când acesta începe să facă manevra respectivă. Coordonatele acestui sistem sunt urmatoarele (fig. 3.2):
X – axa corespunzătoare direcției de mers înainte;
Y – axa corespunzătoare direcției de mers la dreapta;
Z – axa verticală, cu sensul pozitiv ales în jos;
ψ – unghiul de înaintare (unghiul dintre axa ”x” și axa ”X”);
ν – unghiul de cursă (unghiul dintre vectorul viteză al autovehiculului și axa ”X”);
β – unghiul de derapaj (unghiul dintre axa ”x” și vectorul viteză al autovehiculului).
Relația dintre coordonatele sistemului fix al autovehiculului și coordonatele sistemului de referință este exprimată cu ajutorul unghiurilor lui Euler. Acestea sunt determinate printr-o secvență de trei rotiri unghiulare succesive a sistemului de referință în scopul de a-l alinia cu sistemul de axe al autovehiculului. Este foarte important să se respecte ordinea de rotații a sistemului, și anume: prima rotație se va efectua în jurul axei ”Z”, a doua în jurul axei ”Y”, iar ultima rotație se va efectua în jurul axei ”X”, a sistemului de referință. Unghiurile obținute în urma acestor rotații succesive reprezintă unghiurile lui Euler.
Având coordonatele autovehiculului mai este necesară definirea și determinarea forțelor care acționează asupra lui, în scopul determinării ecuațiilor care sa-i descrie comportamentul la un moment dat.
Legea fundamentală de la care pornesc majoritatea analizelor dinamice asupra autovehiculelor este dată de ”Legea a II- a lui Newton”. Ea este aplicată atât sistemelor de translație cât și celor de rotație. În cazul sistemelor de translație, legea spune că suma forțelor exterioare care actionează asupra unui corp, pentru o direcție dată, este egală cu produsul dintre masa și accelerația lui în acea direcție (considerând masa fixată):
unde: – forțele de pe direcția ”x”;
– masa corpului;
– accelerația pe direcția ”x”.
Pentru sistemele de rotație legea spune că suma momentelor care acționează asupra unui corp, pentru o axă dată este egală cu produsul dintre momentul de inerție și accelerația unghiulară în raport cu acea axă.
unde: – momentul în raport cu axa ”x”;
– momentul de inerție in raport cu axa ”x”;
– accelerația unghiulară în raport cu axa ”x”.
Una dintre primele aplicații ale Legii a II-a a lui Newton în dinamica autovehiculelor o reprezintă determinarea încărcării pe osii a autovehiculului, aceasta reprezentând un prim pas foarte important în analiza performanțelor acestuia în procesele de accelerare și frânare, deoarece aceste sarcini influențează într-o mare măsură forțele de tracțiune, viteza maximă sau echilibrul autovehicului.
Considerând autovehiculul din figura 3.3, cele mai semnificative forțe care acționează asupra acestuia sunt următoarele:
W –reprezintă forța de greutate a autovehiculului;
W/g∙ – forța de inerție (forța d’Alembert) care apare în cazul în care se consideră ca autovehiculul accelerează, și care acționează asupra centrului de greutate, în sens opus accelerării;
Wf, Wr, – reacțiunea normală a căii de rulare la puntea față, respectiv puntea spate;
Fxf și Fxr – reprezintă forțele de tracțiune, în timp ce Rxf și Rxr sunt forțele de rezistență la rulare;
DA – forța de rezistență a aerului, care acționează asupra autovehiculului la cota ha;
Rhz și Rhx – sunt forțe verticale, respectiv longitudinale care acționează asupra cârligului de remorcare în cazul în care autovehiculul tractează o rulotă.
Sarcinile de pe fiecare osie constituie o componentă statică, la care se mai adaugă sarcina transferată din față în spate (sau vice versa) datorată forțelor care acționează asupra autovehiculului în timpul proceselor de accelerare sau frânare. Din ecuația de momente față de punctul ”A” se poate determina încărcarea punții față, ca fiind:
Prin același mod de lucru se poate determina încărcarea punții spate, rezolvând ecuația de momente față de punctul ”B”, rezultând:
Prin cunoașterea modului de acționare a acestor forțe generale se poate pătrunde mai adânc în sfera dinamicii autovehiculului și se pot dezvolta ecuații definitorii pentru studierea fiecărui sistem al autovehiculului în parte sau a influenței acestora, în anumite condiții de rulare, asupra autovehiculului.
După cum a fost menționat anterior, forțele primare care asigură deplasarea unui autovehicul în orice condiții sunt dezvoltate la contactul dintre pneu și calea de rulare. O înțelegere deplină a relației existente dintre anvelope și forțele (momentele) rezultate în zona petei de contact dintre pneu și cale reprezintă un aspect esențial al dinamicii întregului autovehicul.
Anvelopele îndeplinesc trei funcții generale:
Preiau încarcătura verticală și șocurile cauzate de trecerea peste denivelările căii de rulare;
Dezvoltă forțe longitudinale pentru accelerație și/sau frânare;
Dezvoltă forțe laterale necesare pentru virare.
De-a lungul timpului construcția acestora a cunoscut mai multe etape de perfecționare, asupra cărora nu vom insista, ajungându-se în prezent, din acest punct de vedere, la performanțe ridicate.
În ideea de a facilita descrierea precisă a condițiilor de operare, a forțelor și momentelor care acționează asupra unei anvelope în timpul rulării acesteia, a fost definit un sistem de axe, prezentat în figura 3.4. Astfel, axa ”X” este dată de intersecția planului roții cu planul căii de rulare, cu sensul pozitiv ales în sensul deplasării autovehiculului; axa ”Z” este axa perpendiculară pe planul căii de rulare, cu sensul pozitiv ales în jos; axa ”Y” este conținută în planul căii de rulare, direcția ei fiind aleasă în așa fel încât împreună cu axele ”X” și ”Z” sa descrie un sistem de axe ortogonale.
Pentru a înțelege mai bine distribuția rezultantelor principalelor forțe apărute pe suprafața de contact dintre pneu și calea de rulare, în figura 3.5 este prezentată o schiță a unei roți directoare motoare dreapta a unui autovehicul, cu sensul de deplasare indicat în figură și cu momentele corespunzătoare fiecărei axe.
Astfel, forța verticală, , reprezintă reacțiunea normală de la calea de rulare la pata de contact, ea depinzând foarte mult de unii parametrii ai autovehiculului, cum ar fi masa acestuia, coordonatele centrului de greutate sau dinamica sistemelor de suspensie și direcție ale acestuia.
Pentru a defini forța de tracțiune care acționează în planul căii de rulare trebuie să avem în vedere, în primul rând de unde este generată asceastă forță. Relația de la care se pornește este următoarea:
unde: – momentul la ambreiaj (la intrarea în transmisie);
– momentul motor la o viteză dată;
– momentul de inerție al motorului;
– accelerația unghiulară a motorului.
Momentul furnizat la ieșirea din transmisie este amplificat prin raportul de transmisie dar este redus prin pierderile inerțiale din arborii longitudinali. Dacă se ține seama de valoare momentului de inerție al transmisiei, momentul de ieșire poate fi aproximat prin expresia:
unde: – momentul la arborele de antrenare;
– raportul transmisiei;
– momentul de inerție al transmisiei.
În mod asemănător, momentul distribuit arborilor planetari pentru accelerarea rotirii roților și creearea forței de tracțiune care acționează pe calea de rulare, este amplificat de raportul final de transmisie cu o oarecare reducere a inerției componentelor dintre transmisia principală și transmisia finală. Astfel, avem expresia:
unde: – momentul la arborii planetari;
– forța de tracțiune;
– raza roții motoare;
– momentul de inerție a roților;
– accelerația unghiulară a roții;
– momentul de inerție al arborelui de antrenare;
– accelerația unghiulară a arborelui de antrenare;
– raportul final de transmisie.
Prin rapoartele de transmisie putem raporta accelerația unghiulară a motorului, a transmisiei la accelerația unghiulară a roții motoare, astfel:
Prin combinarea ecuațiilor (3.5) – (3.8) se poate găsi forța de tracțiune disponibilă în planul căii de rulare. Ținând cont că accelerația autovehiculului, , reprezintă accelerația unghiulară a roții, , înmulțită cu raza anvelopei, avem:
unde: – combinarea raportului transmisiei cu raportul final de transmisie;
– randamentul combinat al transmisiei.
O altă forță importantă care acționează în planul căii de rulare, dar care se opune forței de tracțiune o reprezintă forța de rezistență la rulare. La viteze mici reprezentând forța primară care se opune mișcării autovehiculului. În cazul deplasărilor la viteze mari analiza acestei forțe își pierde din importanță, forța de rezistență aerodinamică ocupând primul loc de interes. Astfel, considerând autovehiculul ca un tot unitar, forța de rezistență la rulare reprezintă suma rezistențelor care apar la fiecare roată:
unde: – rezistența la rulare a roților din față;
– rezistența la rulare a roților din spate;
– coeficient de rezistență la rulare (are valori distincte în funcție de calitatea căii de rulare);
– greutatea autovehiculului.
Un exemplu de variație a coeficientulul de rezistență la rulare în funcție de viteza de deplasare a autovehiculului este descrisă în figura 3.6.
După cum s-a arătat în schița din figura 3.5, în planul căii de rulare se mai dezvoltă o forță laterală, pe o direcție perpendiculară pe cea a forței de tracțiune, și anume forța laterală. Apariția ei este determinată de virarea roților, în scopul schimbării traiectoriei de deplasare a autovehiculului. În timpul schimbării traiectoriei de mers, roata va aluneca sub un unghi de alunecare, , pe o direcție diferită de cea pe care ar trebui să o urmărească. Forța laterală mai este numită ”forță de virare” în cazul în care unghiul de cădere al roții are valoarea zero. La o anumită sarcină a anvelopei, unghiul de alunecare crește o dată cu forța de virare. Pentru un unghi mic de aluncare (mai mic de 5 grade) dependența de acestea este liniară și este descrisă de relația:
unde: – factor de proporționalitate.
Desigur, rigiditatea virajului este influențată de mai multe variabile. Nu viteza o reprezintă pe cea mai importantă, variabilele primare fiind sarcina care acționează asupra anvelopei, presiunea de umflare sau textura benzii de rulare a acesteia.
În cazul unui autovehicul care se deplasează cu viteza ”v”, suma forțelor laterale dezvoltate la contactul dintre pneuri și calea de rulare trebuie să fie egală cu produsul dintre masa și accelerația sa centripetă:
unde: – forța laterală dezvoltată la puntea față;
– forța laterală la puntea spate;
– masa autovehiculului;
– viteza de înaintare;
– raza virajului.
Apelând la un model matematic se poate descrie mișcarea de rotație a roții. Astfel, după cum se observă și în figura 3.7, momentul total care acționează asupra roții împărțit la momentul de inerție al roții reprezintă accelerația (sau decelerația) unghiulară a roții :
unde: – momentul de inerție al roții;
– viteza unghiulară a roții;
– raza roții;
– momentul motor;
– momentul de frânare;
– forța motoare;
Coeficientul de aderență la calea de rulare, care reprezintă raportul dintre forța de tracțiune și reacțiunea normală a căii de rulare depinde foarte mult de calitatea suprafeței căii de rulare și de valoarea coeficientului de alunecare al roții, λ. Din punct de vedere matematic, acesta este descris de relația:
unde reprezintă viteza unghiulară relativă a roții autovehiculului, dată de relația:
unde: – viteza de deplasare a autovehiculului;
– raza roții dinamice.
3.2. Evaluarea zgomotului dinamic produs de pneu
Din moment ce dinamica autovehiculelor tratează aceste forțe care apar la contatul dintre pneu și calea de rulare ca pe niște forțe primare de la care se pot determina relații și parametrii care să descrie întreg comportamentul autovehiculului la un moment dat, este de înțeles faptul ca această pată de contact dintre pneu și calea de rulare reprezintă și o sursă principală de zgomot.
După cum am menționat și în capitolul 2, intensitatea sunetului sau a zgomotului este direct legată de amplitudinea fluctuațiilor de presiune transmise prin aer și care ajung la organul auditiv. Interacțiunea dintre pneu și suprafața de rulare, împreună cu vibrațiile produse de autovehicul, crează fluctuații de presiune ușor detectate de urechea umană.
Există o dezbatere asupra surselor de zgomot cauzate de anvelope. În acest sens, sunt considerate două surse de zgomot cărora li se acordă cea mai mare atenție:
Zgomotul generat de circulația aerului prin cavitățile benzii de rulare și ale drumului din timpul procesului de rulare.
Zgomotul generat de vibrațiile care se produc în anvelopă în timpul procesului de contact.
O explicație plauzibilă pentru necontrolarea exactă a mecanismelor generatoare de zgomot o reprezintă faptul că aceastea pot dovedi dependențe semnificative față de:
Construcția anvelopei și modelul benzii de rulare;
Suprafața căii de rulare;
Viteza de rotație a anvelopei (roții).
Până în prezent construcția anvelopelor s-a perfecționat foarte mult ajungându-se la realizarea unor benzi de rulare foarte moderne, ale căror modele au început să reducă nivelul de zgomot la rulare. Cazua dominantă a generatoarelor provocatoare de zgomot produs de anvelope rămâne vibrația acestora.
Comparații efectuate între măsurătorile de zgomot în apropiere și la distanță de un pneu aflat în proces de rulare sugerează că:
cea mai mare parte a zgomotului provine din apropierea petei de contact;
intensitatea zgomotului este mai mare la suprafețele de intrare și de ieșire ale petei de contact;
zona de ieșire a petei de contact sugerează informații cu privire la componentele tonale ale zgomotului;
flancul anvelopei nu reprezintă un emițător semnificativ de zgomot.
Vibrația apărută în timpul procesului de rulare este de două tipuri: radială și tangențială (fig. 3.16). Vibrația radială este cauzată de contacul benzii de rulare a pneului cu suprafața de rulare, iar cea tangențială este cauzată de forțele de frecare care apar în cazul mișcărilor de alunecare a roții.
Mai mult, în momentul când o anvelopă se află în proces de rulare, un volum de aer este închis între calea de rulare și cavitățile benzii de rulare ale anvelopei. Sub greutatea autovehiculului acest volum de aer este “absorbit”, apăsat și comprimat în partea din față a petei de contact, iar pe măsură ce anvelopa rulează este aspirat în partea din spate a acesteia, urmând ca în final să fie “eliberat”, producând o variație a fluxului de aer în timp. Aceasta generează vibrații în aerul înconjurător, constituind o sursă de sunet, caracterizată prin modificarea volumului pe unitatea de timp. Această teorie aplică ecuațiile lui Euler pentru o sursă de vibrație punctiformă, modelată ca un emițător sferic cu raza R, cu oscilații mai mici decât raza respectivă. Volumul emițătorului fiind:
Modificările de volum care vor rezulta, pot fi descrise prin derivare în raport cu timpul:
unde: – derivata volumului în raport cu timpul [m3/s];
– derivata razei în raport cu timpul [m/s].
Aceste modificări de volum provoacă propagarea undelor de presiune de la sursă la receptor cu o scădere în intensitate de 1/. Astfel, presiunea acustică radiată de emițător este legată de a doua derivată a volumului pompat în raport cu timpul, , după cum urmează:
unde: – densitatea aerului [kg/ m3];
r – distanța dintre emițător și receptor [m].
În scopul de a evidenția această variațe a presiunii acustice emise de anvelope, în funcție de viteza de deplasare a autovehiculelor în ,,Anexa 1” am ales dimensiunile a cinci anvelope, împreună cu cinci viteze de deplasare, de la 40 km/h pâna la 120 km/h (pentru a cuprinde și vitezele de deplasare pe autostradă) unde am calculat nivelul de presiune sonoră emis la fiecare dintre aceste cinci viteze, pentru fiecare rază a roții libere. Modul de calcul a cuprins determinarea razelor roților libere și calculul, pentru fiecare viteză inițializată la început, a derivatei primare și secundare a volumului descris de relația 3.16, pentru a putea determina presiunea acustică radiată de emițător, evidențiată de relația 3.18 și în ultimă fază nivelul de presiune sonoră.
Măsurarea nivelului de vibrații și zgomot în cadrul benzii de rulare a anvelopei a devenit principala pistă a investigațiilor ce vizează zgomotul produs la contactul pneu-cale. Zgomotul tonal produs de pneuri provine din neregularitățile apărute în construcția acestuia. Zgomotul aleator pordus de pneu provine, în primul rând dintr-o excitație radială datorată rugozității drumului, dar, de asemnea, de la mișcările tangentiale ale profilului benzii de rulare. Zgomotul tonal produs de pneuri depinde într-o mai mare măsură de viteză decât zgomotul aleator. Zgomotul aleator este puternic afectat de caracteristicile suprafeței căii de rulare. O simplă relație empirică între nivelurile de zgomot la 7.5m și zgomotul pneului roții libere a vehiculului este prezentată în relația (3.20) [10].
unde: – nivelul de presiune sonoră la 7,5 m dB datorat exclusiv zgomotului pneurilor;
– viteza de deplasare a autovehiculului, având cutia de viteze decuplată (km/h).
Tabel 3.1
Valori ale indicilor C, n [5]
Capitolul 4
Analiza influenței vitezei vehiculelor asupra emisiei de zgomot
4.1. Descrierea echipamentelor utilizate pentru efectuarea testelor
În vederea întocmirii măsurătorilor necesare analizei vitezei autovehiculelor asupra emisiei de zgomot avem nevoie de anumite aparate care să ne ajute la procurarea datelor necesare realizării unui studiu final în această privință.
Primul aparat despre care vom vorbi îl reprezintă analizorul ”Norsonic 121”, care are funcție de sonometru și care este prezentat, împreună cu accesoriile sale principale în figura 4.1.
Cu ajutorul acestui analizor pot fi înregistrate și măsurate peste 1300 de funcții și parametrii. Este foarte util în cazul procedurilor de măsurare ale zgomotului permanent, semi-permanent, în cazul măsurătorilor regulate, analizate sau nu în benzi de frecvență.
Pentru o analiză exhaustivă a nivelului de zgomot, acest aparat vine cu cu un set de accesorii, fiecare cu un rol bine definit. Principalele accesorii ale aparatului Norsonic 121 sunt :
Microfonul;
Pre-amplificatorul;
Cablurile de conexiune;
Trepied + adaptor.
Microfonul (fig. 4.2) și pre-amplificatorul asociat acestuia (fig. 4.3) reprezintă elementele cheie, care determină precizia unui sonometru. Eficiența acestora în a converti semnalul acustic într-unul electric determină acuratețea maximă care poate fi atinsă prin procesarea semnalului în etapele următoare de analiză.
Cablurile de conexiune (fig. 4.4), cablurile care leagă pre-amplificatorul de unitatea sonometrului, reprezintă o parte importantă a sistemului de măsurare. Pentru o măsurare corectă, acestea trebuie să se afle într-o stare perfectă de funcționare. Cablurile rupte sau strangulate, precum și conectorii de slabă calitate putând cauza multe probleme în acest sens. Din această cauză este important ca cablurile, conectorii să fie confecționate din materiale de înaltă calitate, care să reziste la ploaie, temperaturi extreme și stres mecanic.
Trepiedul și adaptorul acestuia (fig. 4.5), reprezintă elementul sistemului de măsurare, care asigură susținerea și poziționarea la distanța optimă de măsurare a microfonului, împreună cu pre-amplificatorul, montate pe acesta.(fig. 4.6).
[NUME_REDACTAT]-121 (fig. 4.6) este caracterizat prin faptul că a fost conceput mai degrabă, pentru a oferi rapoarte cu privire la nivelul de zgomot de mediu, decât pentru a fi doar un alt sonometru sofisticat. Acesta permite setarea mai multor moduri de raportare a analizei nivelului de zgomot.
Analizorul are ca mod de bază, modul ”Profile”. Este cel mai avansat mod, care permite înregistrarea mai multor funcții variabile în timp, putând fi analizate în benzi de 1/1 octave sau de 1/3 octave. Intervalul de analiză al modului ”Profile” poate fi setat de la 10 ms la 100 de ore, cu o mărime a pasului de măsurare de 5 ms pentru pentru un interval mai mic de o secundă și un pas de 1s pentru un interval mai mare sau egal cu o secundă.
Modul de analiză ”[NUME_REDACTAT]” arată un singur set de valori măsurate, care descriu întreaga măsurătoare. Aceste valori reprezintă de obicei indicii LEQ, SPLmax, SPLmin, etc. ai întregului interval de măsuare, în spectrul de analiză de 1/1 octave sau 1/3 octave. Acest mod este echivalentul principiului tradițional de măsurare a nivelului sonor.
Următoarele 5 moduri de analiză, ”Report 1-5”, folosite de analizator sunt dedicate utilizatorului pentru a fi predefinite după necesitățile fiecăruia. Astfel, în funcție de intervalul de timp selectat pentru analiză și a pasului de măsurare se pot obține informații variate, mai detaliate decât în modul ”Global” dar nu la fel de profund analizate ca și în modul ”Profile”. Totuși, aceste moduri permit, de asemenea evaluarea mai multor funcții, care nu trebuie să coincidă neapărat cu cele evaluate de primele două moduri enunțate anterior, dar care o să fie aceleași pentru toate modurile ”Report 1-5”. O schiță care prezintă aceste moduri de analiză este prezentată în figura 4.7.
Noțiunea de funcție, de care se vorbea anterior, și cu care lucrează analizatorul este utilizată pentru a descrie o combinație de detectări a unor valori (tipuri de date) folosind anumite constante de timp și anumite funcții de ponderare (curbe de ponderare) spectrală care implică durata de măsurare.
Astfel, analizorul Norsonic-121 este capabil să măsoare și să calculeze peste 1300 de funcții, dar majoritatea din acestea se bazează pe următoarele șase tipuri de date:
SPL – nivelul de presiune sonoră instantaneu;
LMAX – nivelul maxim de presiune sonoră;
LMIN – nivelul minim de presiune sonoră;
LEQ – nivelul echivalent de presiune sonoră;
LE – nivelul de expunere la zgomot;
LPEAK – nivelul vârfului maxim.
În acest sens, trebuie menționat faptul că statisticile realizate de Norsonic-121 se bazează întotdeauna pe tipul de date SPL, în funcție de intervalul de timp ales de utilizator.
Desigur, analizorul permite un afișaj disponibil în 5 moduri, asupra cărora nu vom insista, dar care în funcție de preferințele utilizatorului descrie în timp real măsurătorile active în funcție de parametrii aleși de către utilizator.
Un al doilea aparat util întocmirii măsurătorilor necesare tratării subiectului acestui capitol îl reprezintă radarul SDR (fig. 4.8). Acesta a fost conceput în ideea de a satisface cererea tot mai mare pentru un dispozitiv de măsurare non-intuitiv, solid și fiabil necesar într-un trafic care crește de la o zi la alta. Acesta este foarte ușor de configurat cu ajutorul unui PDA (”[NUME_REDACTAT] Assistant”), și are avantajul că nu disturbă fluxul de mașini care circula pe porțiunea pe care se efectuează măsurătorile.
Ca oricare sistem complex și acesta are la bază câteva componente principale și anumite accesorii opționale.
Partea de echipare standard cuprinde:
partea electronică de măsurare;
bateria;
cablu conexiune PDA;
încărcător pentru baterie;
triunghi de aluminiu;
șinele pentru montare.
Partea electronică de măsurare (fig. 4.9) cuprinde și bateria internă de rezervă instalată în cutia aparatului.
Pe partea frontală se disting două mufe: mufa (1), mufa conexiunii cu cablul PDA, iar mufa (2) reprezintă mufa de conexiune cu cablul bateriei.
Bateria, de tipul 12 V/ 18 Ah (fig. 4.10) este localizată sub partea electronică a aparatului prezentată anterior, fiind fixată cu niște clame de oțel. Apăsând desupra clamei, bateria poate fi detașată de carcasa aparatului. Nivelul de încărcare al bateriei, după ce aceasta a fost conectată la aparat este descris de comportamentul a două LED-uri fixate pe partea electronică de măsurare. Astfel, daca LED-ul de sus va lumina intermitent, atunci bateria este încărcată, iar în cazul în care cel de jos va lumina intermitent trebuie să avem în vedere că bateria este descărcată. În momentul când ambele LED-uri vor lumina intermitent bateria se va afla la un nivel de încărcare de jumătate din nivelul maxim, ceea ce înseamnă că aparatul va mai putea efectua măsurători, fără a fi reîncărcat, pentru maximum 3 zile.
Cablul de conexiune PDA este utilizat pentru a realiza legătura dintre radarul SDR și PDA.
Încărcătorul bateriei (fig. 4.11) poate fi conectat la aceasta cu ajutorul a doi conectori, procesul de încărcare putând fi monitorizat prin comportamentul LED-urilo, explicitat anterior.
Triunghiul de aluminiu, din dotarea standard a radarului SDR are rolul de poziționa corect radarul la un unghi de 45° față de axa drumului și se găsesc în număr de două. Unul poziționat pe partea superioară a carcasei, iar celălalt pe partea inferioară a acesteia. Alinierea acestuia este foarte simplă, întrucât una dintre catetele triunghiului trebuie să fie paralelă, iar o alta perpendiculară la direcția de mers.
4.2. Teste de poligon. Rezultate experimentale prin teste.
Având la dispoziție aparatura descrisă în subcapitolul anterior, pentru a atinge obiectivul acestei lucrări, era nevoie de trecerea la pasul următor unde realizarea unor măsurători asupra nivelului de zgomot emis de autovehiculele în deplasare, cât și a vitezei cu care acestea se deplasează era imperios necesară. Pentru aceasta s-au efectuat măsurători într-un poligon special amenajat unde am urmărit variația zgomotului produs de autovehicule cu viteza acestora de deplasare.
Poligonul de măsurători a fost amenajat în curtea Facultății de Mecanică din Cluj-Napoca. Pentru efectuare măsurătorilor s-a ales o zi în care condițiile meteorologice să permită realizarea aceastora fără a influența acuratețea datelor înregistrate, adică o zi fără ploaie sau rafale de vânt, cu o temperatură a aerului cuprinsă între 5° C – 40° C și o temperatură a căii de rulare cuprinsă între 5° C-50° C. În trasarea poligonului (fig.4.12) am folosit o roată metrică, făcând marcaje din 5 în 5 metri pe toată lungimea acestuia, lungime de 65 de metri.
Autovehiculul asupra căruia s-au efectuat măsurătorile a fost un [NUME_REDACTAT] echipat cu un motor diesel, având o putere de 80 kW. Aparatura necesară înregistrării nivelului de presiune sonoră s-a instalat la o distanță care să permită autovehiculului atingerea și a unor viteze mai ridicate, din gama de viteze asupra cărora s-au efectuat măsurătorile, și anume la aproximativ jumătate din lungimea totală a poligonului, alocând astfel și un spațiu optim de frânare pentru o oprire în siguranță a autovehiculului. Distanța de amplasare a microfonului analizorului ”Norsonic 121” s-a ales la 2,58 de metri fața de axa de simetrie longitudinală a poligonului, acesta fiind montat pe trepied la înălțimea de 1,2 metri (fig. 4.13).
În cazul determinării vitezei de deplasare a autovehiculului, aparatul radar a fost montat în capătul poligonului, în așa fel încât să poată înregistra valoarea vitezei autovehiculului care se îndreaptă spre el (fig. 4.14).
După efectuarea unor simulări de încercare și verificare a aparatelor s-a trecut la întegistrarea datelor privind nivelul de presiune sonoră și viteza de deplasare a autovehiculului, stabilind o ordine de treceri ale autovehiculului prin poligon la diferite viteze, mărind pentru fiecare trecere viteza de deplasare.
Astfel, s-au realizat 7 măsurători, câte una pentru fiecare viteză de deplasare a autovehiculului, acesta aflându-se de fiecare dată în proces de accelerare în momentul când a trecut prin dreptul sonometrului. Datele obținute după efectuarea acestor 7 teste sunt prezentate în tabelul 4.1.
Tabelul 4.1
Rezultate experimentale obținute prin teste în poligon
Pentru a observa mai bine această dependență între valorile înregistrate după finalizarea măsurătorilor, în figura 4.15 am reprezentat grafic această variație a nivelului de presiune sonoră cu creșterea vitezei de deplasare:
Se observă, după cum era de așteptat, că nivelul de presiune sonoră crește o dată cu creșterea vitezei de deplasare a autovehiculului. Acest fapt este datorat creșterii turației motorului de la o încercare la alta în scopul obținerii unor viteze de deplasare pe o pantă ascendentă, cât și contactului dintre pneuri și calea de rulare.
4.3. Măsurători de zgomot pe autostradă
În scopul tratării subiectului acestui subcapitol și a unui punct foarte important în tema acestui proiect era nevoie de efectuarea unor măsurători de zgomot asupra autovehiculelor care se deplasează cu viteze ridicate. Astfel, pentru a putea observa cel mai bine această influență a vitezei autovehiculelor asupra zgomotului era nevoie de amenajarea unui poligon care să permită rularea autovehiculului sau autovehiculelor la viteze mari, sau înregistrarea măsurătorilor pe o anumită porțiune a unui drum unde acestea se pot deplasa la o viteză ridicată, dar limitată legal. Cea mai indicată categorie de drum în acest sens o reprezintă autostrada, care permite realizarea unor debite și viteze mari, în condiții de maximă siguranță. Pentru efectuarea măsurătorilor am ales autostrada Transilvania, fiind autostrada cea mai apropiată de principalul loc de documentare în vederea întocmirii acestui proiect de licența, și anume Facultatea de Mecanică din Cluj-Napoca.
[NUME_REDACTAT] (fig. 4.16) reprezintă o autostradă cu patru benzi, al cărui proiect de realizare prevede o lungime de 415 km, ce pornește din centrul României, de la nord-vest de Brasov, ajungând la Oradea, la granița cu Ungaria. Din rațiuni de construcție acest proiect a fost împărțit în trei secțiuni și 8 tronsoane. Primul tronson finalizat și deschis circulației a fost ”Tronsonul 2b – [NUME_REDACTAT] – [NUME_REDACTAT] (Gilău)”, unde a avut loc și realizarea măsurătorilor de zgomot [25].
În vederea realizării unor măsurători corecte s-au luat în vedere câteva aspecte. Astfel, pentru efectuarea măsurătorilor s-a ales o zi cu timp frumos și cu vânt slab. De asemenea porțiunea de autostradă aupra căreia s-au realizat măsurătorile a trebuit să aibă forma unui spațiu deschis cu o rază de cel puțin 50 de metri, având o parte centrală orizontală cu o rază de cel puțin 20 de metri, și care să nu fie acoperită cu zăpadă, iarbă, bucăți de pământ sau cenușă. Totodată, amplasarea microfonului s-a realizat la o distanță de aproximativ 10 metri fața de axa de separație dintre cele două benzi de mers pe sens și la o înălțime de 1,2 metri (fig. 4.13). După instalarea microfonului și a tuturor componentelor sistemului de măsurare s-a făcut o proba de măsurare asupra zgomotului ambiant, care trebuie să fie cu cel puțin 10 dB(A) sub nivelul zgomotului măsurat pentru autovehicule, condiție ce a fost îndeplinită. Mai mult, nici o persoană în afară de observatorul care a efectuat măsurătorile nu a rămas lângă microfon, pentru că prezența spectatorilor lângă microfon, poate afecta considerabil datele înregistrate.
Pentru a realiza o statistică a nivelului de zgomot produs de autovehiculele asupra cărora s-a efectuat măsurătoarea trebuie făcută, mai întâi, o precizare asupra categoriilor de vehicule. O asemenea clasificare este prezentată în tabelul 4.2.
Tabelul 4.2
Clasificarea categoriilor de vehicule
Intervalul de măsurare a fost de 60 de minute, timp în care prin fața aparatului au trecut vehicule care descriau caracteristicile categoriilor L, M1, N1 și N3, după cum se poate observa în tabelul 4.3.
Tabelul 4.3
Volumul de vehicule asupra căruia s-a efectuat măsurătoarea
Se poate observa, astfel, faptul că vehiculele din categoria M1 reprezintă mai mult de jumătate din totalul vehiculelor asupra cărora s-a efectuat măsurătoarea. În figura 4.18 am reprezentat grafic nivelul de zgomot produs de fiecare dintre vehiculele acestei categorii, evidențiind pentru fiecare vehicul în parte momentul exact (în minute și secunde) din intervalul de măsurare când acesta a trecut prin dreptul aparatului. În mod asemănător, am realizat și pentru categoriile N1, N3 și L un astfel de garfic după cum se poate observa în fig. 4.19, fig. 4.20 și respectiv în fig. 4.21.
În scopul de a evidenția diferențele nivelelor de presiune sonoră care apar între vehiculele diferitelor categorii de vehicule menționate mai sus, în figura 4.22 am reprezentat ca exemplu un anumit interval din perioada totală de măsurare, unde se pot observa aceste variații. În alegerea intervalului de realizare a acestui grafic comparativ am avut în vedere includerea vehiculelor din fiecare clasă menționată anterior. Așadar, ca interval de timp pentru comparație s-a ales aproximativ prima jumătate a intervalului total de măsurare.
Pentru a putea realiza o interpretare corectă a acestor date culese este nevoie de introducerea unor noțiuni de statistică specifice prelucrării șirurilor de valori. Astfel, se va face referire asupra indicatorilor statistici ai tendinței de grupare, din categoria cărora fac parte: media de sondaj – ”m”, mediana de sondaj – ”Me” și modul de sondaj – ”Mo”. De asemenea vom include și indicatori ai tendinței de dispersie a datelor, cum ar fi abaterea medie pătratică – ”σ”.
Media de sondaj – ”m” reprezintă valoarea din șirul de date spre care tind crescător sau descrescător toate valorile din șirul de valori. Ea se determină cu relația (4.1):
unde: n – numărul de valori din șir;
– valori din șirul de date.
Mediana de sondaj – ”Me” reprezintă valoarea din șirul ordonat de date care subdivide acest șir în două subșiruri având același număr de valori incluse și care tind crescător, sau descrescător spre mediană. În funcție de numărul de date (par sau impar) mediana de sondaj se determină cu relația (4.2) în felul următor:
Modul de sondaj – ”Mo” este indicatorul care arată concludența observației efectuate, prin legătura pe care o stabilește între indicatorii grupării: m și Me. Acesta se determină cu relația (4.3):
În cazul indicatorilor tendinței de dispersie a datelor, abaterea medie pătratică – ”σ” arată în ce măsură valorile din șirul de date au un caracter divergent, exprimând tendința de a se distribui aleator în intervalul din care șirul ia valori, după cum o exprimă și relația (4.4):
Având expresiile matematice ale acestor indicatori și valorile nivelului de zgomot măsurate pentru fiecare vehicul, adică valorile șirului de date, în tabelul 4.4 sunt reprezentate cifrele care indică mărimea acestor indicatori.
Tabelul 4.4
Valorile indicatorilor statistici
În cazul categoriei M1 (fig. 4.23), care a cuprins un număr destul de ridicat de autovehicule în timpul măsurătorii este indicată o grupare în clase de repartiție a datelor.
Pentru gruparea în clase a acestor date trebuie parcurși câțiva pași. În primul rând se va determina valoarea amplitudinii, a, a intervalului de valori (4.5):
Determinarea numărului de clase, k, se realizează cu ajutorul relației (4.6), mai fiind cun ținându-se cont că acesta trebuie să fie un număr întreg:
Amplitudinea, d, a unei clase de repartiție este descrisă de relația (4.7):
Pentru determinarea limitelor specifice unei clase de ordin j∈ [1..k] se utilizează relația (4.8):
Atribuirea numărului de valori, q, în fiecare clasă va respecta egalitatea descrisă de relația (4.9):
Parcurgând aceste etape se obține gruparea pe clase de repartiție a nivelelor de zgomot înregistrate în cazul autovehiculelor din categoria M1, după cum se poate observa în figura 4.24.
De asemenea, în figura 4.25 s-a făcut o interpretare a frecvenței de apariție a fiecărui zgomot măsurat pentru aceeași categorie de vehicule.
Folosind același model de grupare în clase de repartiție putem realiza o astfel de grupare și pentru categoriile de vehicule N1 (fig. 4.26) și N3 (fig. 4.27) supuse măsurătorii.
4.4. Analiza comparativă a rezultatelor experimentale
4.4.1. Analiza rezultatelor în poligon
Având în vedere rezultatele obținute la măsurătorile efectuate în poligon, evidențiate în tabelul 4.1, precum și prin graficul de variație a nivelului de presiune sonoră în funcție de viteza de deplasare a autovehiculului din fig. 4.15, este necesar ca, pornind de la aceste valori să stabilim o lege de variație pentru orice valoare a vitezei. În acest sens trebuie realizată o corelație între datele măsurate. Precizia predicției unei variabile pe seama alteia necesită însă o asociere puternică între cele două elemente. Aceste relații între variabile se pot stabili cu ajutorul regresiei, care prevede doi pași: primul se referă la determinarea ecuației de regresie, iar ce de-al doilea constă în utilizarea acestei ecuații în a prezice. În acest sens există mai multe modele de funcții, care după cel mai bun mod de aproximare a setului de date, devine funcția de regresie, determinând o regresie liniară sau neliniară în funcție de tipul funcției.
Pentru modelarea regresiei și a alegerii funcției de regresie am folosit softul ”Origin 6.0”, unde am introdus datele măsurate în poligon, rezultând o regresie ca cea descrisă de figura 4.28:
După cum se poate vedea și pe figură, funcția polinomială de gradul II a aproximat cel mai bine acest set de date, rezultând o valoare a coeficientului de determinare, ”R-Square”, de 0,94432, în condițiile în care o valoare a coeficientului de corelație liniară, ”R”, apropiată de ”1” sau ”-1” descrie un model foarte bun.
4.4.2. Analiza rezultatelor pentru măsurătorile pe autostradă
În cazul măsurătorilor de zgomot pe autostradă trebuie ținut cont de numărul total de vehicule asupra cărora s-au efectuat măsurătorile și de împărțirea acestora pe categorii. După cum am specificat și în subcapitolul 4.3, intervalul de măsurare a cuprins un volum de 195 de vehicule, iar proporția vehiculelor din fiecare categorie care a fost supusă măsurătorii se poate observa în figura 4.29 :
Cunoașterea acestui procent, sau număr de vehicule din fiecare categorie, este necesară în ideea de a efectua o evaluare de zgomot pe întreaga durată de măsurare. În acest sens vom urmări determinarea zgomotului mediu, rezultat din suma înregistrărilor efectuate pentru totalitatea autovehiculelor care au trecut prin dreptul aparatului în perioada de măsurare respectivă.
Pentru a evalua acest zgomot mediu vom ține cont de specificul condițiilor de măsurare. Astfel, având un trafic fluent, mai puțin dens, desfășurat cu o viteză medie de deplasare constantă, s-a putut realiza o apreciere individuală a fiecărui autovehicul participant la circulație pe durata realizării măsurătorii. Expresia care exprimă cel mai bine zgomotul mediu determinat de condițiile de măsurare este descrisă de relația 4.10:
unde: – reprezintă nivelul de zgomot înregistrat pentru fiecare autovehicul supus măsurătorii;
– este numărul total de autovehicule observate, în intervalul de măsurare;
– reprezintă numărul autovehiculelor la care s-a înregistrat același nivel de zgomot, .
Având categoriile de autovehicule supuse măsurătorii descrise în figura 4.29, putem determina nivelul zgomotului mediu produs de autovehiculele fiecărei asemenea categorii. Astfel, utilizând relația descrisă mai sus am obținut următoarele valori ale zgomotului mediu, descrise în tabelul 4.5.
Tabel 4.5
Zgomotul mediu calculat
De asemnea, în figura 4.30 am realizat o reprezentare a unui grafic care să conțină acest nivel al zgomotului mediu calculat, raportat la procentul de autovehicule supuse măsuratorii, din fiecare categorie.
Capitolul 5
[NUME_REDACTAT] culegerea datelor măsurătorilor efectuate atât în poligon cât și pe autostradă, precum și din interpretarea acestora se pot observa câteva lucruri foarte clare. La efectuarea testelor în poligon, în timpul analizei zgomotului în procesul de accelerare, s-a observat o creștere a nivelului de presiune sonoră o dată cu mărirea vitezei de deplasare a autovehiculului de la o măsurătoare la alta. Astfel, din cele șapte măsurători efectuate am realizat graficul de variție al zgomotului în funcție de viteză, observând o dependență polinomială cu o traiectorie crescătoare, descrisă de funcția polinomială de gradul II, ca model de regresie neliniară. Având determinată această lege de variație putem deduce, pe baza datelor măsurate și prelucrate, valoarea zgomotului produs de autovehicule, la orice valoare a vitezei de deplasare a acestora.
În cazul măsurătorilor de zgomot asupra autovehiculelor care se deplasează pe autostradă, având în vedere că acestea se deplasează la viteze mult mai mari decât cele asupra cărora s-au realizat măsurătorile în poligon și cunoscând legea de variație a zgomotului în funcție de viteză era de așteptat ca să obținem valori mai mari ale nivelului de presiune sonoră produs de acestea. Având categoriile de autovehicule grupate în clase de repartiție s-a observat că, pentru categoria M1, valoarea nivelului mediu de zgomot, , a fost de 79,810 dB(A), valoare care corespunde clasei de repartiție care cuprinde numărul cel mai mare de autovehicule din această categorie. În cazul categoriei N1, nivelul mediu de zgomot a reieșit din calcul la valoarea de 83,003 dB(A), valoare mai mare decât cea înregistrată pentru categoria M1, între acestea existând diferențe de gabarit sau de motorizare, care afectează direct emisia de zgomot. De asemenea și pentru categoria N1, nivelul mediu de zgomot s-a încadrat în clasa de repartiție cu numărul 5, clasă care cuprinde cel mai mare număr de autovehicule (15) din toate cele 6 clase de repartiție ale categoriei. Cel mai mare nivel de zgomot mediu s-a înregistrat în cazul categoriei N3, având valoarea de 86,302 dB(A), această valoare corespunzând ca și în cazul celorlalte categorii de vehicule, clasei de repartiție cu numărul cel mai mare de vehicule (15). Astfel, s-a putut observa faptul că nivelul de zgomot al autovehiculelor care circulă cu viteze ridicate depinde foarte mult de categoria din care acestea fac parte, dar asta nu înseamnă că în anumite condiții de rulare un autovehicul dintr-o anumită categorie nu poate emite un zgomot caracteristic (din datele interpretate) unei alte categorii. Acest fapt s-a observat și in cazul măsurătorii pe autostradă, unde din plaja mare de valori măsurate au existat câteva date care se încadrau în intervalul de valori (determinat după analiza rezultatelor) specific unei alte categorii de autovehicule.
Contribuțiile personale în realizarea acestui proiect de diplomă au constat în realizarea măsurătorilor de zgomot prin pregătirea poligonului de măsurători, instalarea și setarea aparatelor de măsură, descărcarea datelor măsurate, precum și interpretarea și analizarea acestora în scopul evidențierii concluziilor enumerate anterior. Tot acești pași au fost urmați și pentru realizarea măsurătorilor de zgomot realizate pe autostrada Transilvania.
Bibliografie
FILIP, N., CORDOȘ, N., RUS, I., Zgomotul urban și traficul rutier, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2001;
FILIP, N., Zgomotul la autovehicule, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2000;
GILLESPIE, T., Fundamentals of [NUME_REDACTAT], Society of [NUME_REDACTAT];
HAMILTON, R., [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] Publishers, Amsterdam, 1991 (pag. 365 – 370);
HARRISON, M., [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] and Vibration in [NUME_REDACTAT], SAE International, 2004 (pag. 136 – 140);
HUANG, Y., [NUME_REDACTAT] and Design – [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] Hall, 2004 (pag. 5 – 14);
RUS, I. – Autovehicule rutiere, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2002;
TODORUȚ, A., Bazele dinamicii autovehiculelor, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2005;
WANG, L., PEREIRA N., [NUME_REDACTAT] and [NUME_REDACTAT] Control, [NUME_REDACTAT], 2005;
WAYSON, R., [NUME_REDACTAT] Pavement and [NUME_REDACTAT] Noise – A Synthesis of [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] Council, 1998 (pag. 7 – 12);
***http://www.trafficnoise.org/;
***http://en.wikipedia.org/wiki/Roadway_noise;
***https://ro.wikipedia.org/wiki/Autostrad%C4%83;
***http://www.totalauto.ro/2008/02/04/rntr2-categorii-standard-de-vehicule/;
***http://www.scribd.com/doc/121609522/Sound-Waves;
***http://cadredidactice.ub.ro/mihaelalazar/files/2011/03/cap4sunet.pdf;
***http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-5440202339731121/unrestricted/CHAP3_DOC.pdf;
***http://www.persona.uk.com/ashton/Core_docs/New/D49.pdf;
***http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:155:0049:0067:RO:PDF;
***http://ebookbrowse.com/norsonic-nor-121-instruction-manual-v3-x-pdf-d168268298;
***http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:137:0068:0115:ro:PDF;
***http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/eurostat/home/;
***http://www.romedic.ro/arata_img.php?img=anatomie_65_24.jpg&w=520&h=1000&cale=/uploadart/anatomie;
***http://www.econtext.ro/dosar–2/analiza/topul-autostrazilor-cati-kilometri-de-autostrada-a-construit-fiecare-stat-din-ue-in-ultimii-20-de-ani-vezi-unde-se-plaseaza-romania.html;
***http://www.autostradatransilvania.ro/page/2/Despre-Autostrada-Transilvania.html.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Alternativa Deplasarii Rapide Si Poluarea (ID: 1140)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.