3 września 2013

Szum skrzydeł i ryk silnika – o hałasie

Co to jest dźwięk, co to jest hałas? Dźwięk jest zmianą ciśnienia, czyli drganiem cząsteczek wywołującym wrażenie słuchowe, natomiast hałas definiuje się jako zbiór nieuporządkowanych, nieokreślonych dźwięków. Tak więc hałas nie jest jedynie głośnym dźwiękiem, ale zbiorem dźwięków o zróżnicowanych częstotliwościach i różnym natężeniu. Może on być drażniący dla człowieka nawet, jeśli nie jest głośny. 


Zasadniczo wyróżnia się trzy kategorie hałasu: hałas słyszalny o zakresie częstotliwości 20-20000 Hz oraz dwie kategorie hałasów niesłyszalnych: infradźwiękowy (do 20 Hz) i ultradźwiękowy (powyżej 20000 Hz). Należy jednak zdać sobie sprawę, że drgania cząsteczek mają wpływ na materię (czyli na ludzki organizm także) niezależnie od częstotliwości.


Ludzie, a hałas w lotnictwie

Hałas jest w lotnictwie wszechobecny. Lotnisko jest miejscem interferencji fal akustycznych o różnym pochodzeniu dodatkowo zniekształconych przez zjawisko Dopplera. Natężenie dźwięków sięga tam nawet ponad 110 dB, a próg bólu u człowieka szacuje się na 90 dB. Obecnie hałas postrzega się jako element zanieczyszczenia środowiska. Przelot samolotu generuje hałas, który na ziemi ma 80 do 110 dB. Poziom emitowanego hałasu jest zależny od typu samolotu, jego masy oraz rodzaju silników. We współczesnych samolotach z powodzeniem dąży się do ograniczenia emisji fal akustycznych. Tendencja ta nie dotyczy samolotów wojskowych, gdzie dąży się raczej do uzyskania lepszych osiągów. Hałas powodowany w lotnictwie omawia Załącznik 16 ICAO. Poniższa mapa przedstawia jego udział w poszczególnych częściach Polski (dane z 2002 roku). Wyraźnie widać, że zagrożenie hałasem lotniczym rzadko stanowi znaczący procent ogólnego zagrożenia hałsem. Oznacza to, że pozostałe jego źródła są dominujące, a hałas lotniczy jest przeważający jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie lotnisk, co jednak nie powinno być zaskoczeniem dla mieszkańców dużych miast.

                      Ilustracja 1: Zagrożenie hałasem w Polsce; Źródło

Hałas powodowany przez płatowiec tylko częściowo pochodzi z układu napędowego. Pozostałe źródła to hałas powodowany przez opony oraz nieciągły opływ powietrza np. otwarte podwozie.


Co zrobić z hałasem?


Sposoby radzenia sobie z hałasem można podzielić na dwie kategorie: zapobieganie bierne i czynne. Zapobieganie bierne polega na ograniczeniu dopływu hałasu do odbiorcy przykłasowo poprzez ustawienie ekranów akustycznych, które odbijają falę dźwiękową, ale także powodują jej ugięcie, co oznacza, że hałas częściowo przedostaje się nad ekranem. Z początkiem roku 2010 ekrany akustyczne ustawiono w okolicy portu lotniczego we Wrocławiu. Ekran ten o wyskosości 6 metrów jest zdolny ograniczyć hałas nawet o 12 dB.


Czynne zapobieganie hałasowi sprowadza się do wyciszenia samej maszyny. Jest to zadanie znacznie trudniejsze zwłaszcza, jeśli mowa o hałasie pochodzenia innego niż układ napędowy. W celu wyciszenia dąży się do takiej interferencji fal akustycznych, by wzajemnie się one niwelowały. Jeśli „grzbiet” jednej fali wypada tam, gdzie „dołek” innej, wzajemnie pozbawiają się one energii kinetycznej. W układzie napędowym dodatkowo dąży się do jak najlepszego zmieszania paliwa z powietrzem i odprowadzenia produktów spalania wieloma dyszami w sposób jak najbardziej uporządkowany. Prowadzi to do ograniczenia powstania fal akustycznych wywołanych różnicami ciśnienia.



 Ilustracja 2: Przykładowe sposoby ograniczenia emisji hałasu; Źródło: Makowski Tomasz, Wojdalski Włodzimierz:„Samoloty Transportowe i Komunikacyjne świata"

Czynne zapobieganie hałasowi to również ospowiednia konstrukcja samego wlotu powietrza. Uzyskuje się to poprzez kierowanie strumieniem i zmniejszenie zakłóceń przepływu poprzez rozszerzenie wlotu. Poniższy schemat obrazuje patent rozdzielenia przepływu.


               Ilustracja 3: Noise reducing air inlet for gas turbine engines US 4240250 A; Źródło

Ograniczenie emisji dźwięku przy silnikach tłokowych osiągane jest poprzez zastosowanie wtrysku dwufazowego. Przed właściwym wtryskiem dochodzi do wprowadzenia Pilot Injection, czyli dawki pilotującej. Powoduje to zmniejszenie dynamiki przyrostu ciśnienia, wpływa to również na zmniejszenie hałasu.


Wykres poniżej przedstawia poziom generowanego hałasu przez różne samoloty przy danych masach startowych.


 Ilustracja 4: Źródło: Makowski Tomasz, Wojdalski Włodzimierz:„Samoloty Transportowe i  Komunikacyjne świata”

 Ilustracja 5: Rozkład hałasu wokół samolotu DC-8-63; Źródło: Makowski Tomasz, Wojdalski Włodzimierz:„Samoloty Transportowe i Komunikacyjne świata”

Porównanie hałasu lotniczego o różnych źródłach oraz hałasu pozalotniczego.
 

                                               Ilustracja 6: Porównanie źródeł hałasu w dB

Czas dopuszczalnej ekspozycji na hałas zmniejsza się wraz ze wzrostem jego natężenia. Oznacza to, że wraz ze wzrostem poziomu hałasu negatywne odczucia rosną logarytmicznie. Dokładnie pokazuje to krzywa regresji (linia czerwona) oraz wyliczona jej funkcja, gdzie współczynnik determinacji równy jedności pokazuje idealne dopasowanie.
 

         Ilustracja 7: Dopuszczalna ekspozycja na hałas w/g rządowych normatywów USA z 1993 r.

Kto się zajmie tym hałasem?



Hałas w lotnictwie jest systematycznie kontrolowany, a metody zapobiegania mu rozwijane. Obecnie hałas lotniczy podlega przepisom międzynarodowym. Jego dopuszczalny poziom określany jest przez organizacje takie jak ICAO, CAEP, czy EASA. Kontrolą hałasu na poziomie krajowym zajmuje się ULC i podlegająca mu PAŻP oraz Inspektorat Sanitarny i Inspektorat Ochrony Środowiska. W roku 2017 CAEP i ICAO planują wprowadzić bardziej restrykcyjną normę dotyczącą poziomu dopuszczalnego. Poziom ten ma zostać obniżony o dodatkowe 7 dB, co przy skali logarytmicznej daje ogromny postęp i równie duże wymagania.


źródło: Zuzanna Kunicka, poprzez dlapilota.pl