Czy pnącza porastające ekrany dźwiękochłonne wpływają na natężenie hałasu?

Dr hab. Jacek Borowski, profesor nadzwyczajny SGGW
współautorem artykułu jest Norbert Draps

Hałas jest jednym z głównych zanieczyszczeń wpływających na zdrowie człowieka. Za największą emisje hałasu odpowiada szybko rozwijający się transport. Transport lądowy jest głównym źródłem zanieczyszczenia hałasem w dużych miastach. Obecnie ponad dwie trzecie obywateli europejskich narażonych jest na hałas przekraczający normę 55 dB zdecydowana większość żyje w miastach (Klæboe 2012).

Projektanci sieci komunikacyjnych większości polskich miast nie przewidzieli tak szybkiego, jak w ostatnich latach, rozwoju transportu kołowego. W efekcie, niedrożne ulice są źródłem zanieczyszczenia hałasem, a dopuszczalne normy hałasu często są przekraczane. Z tego powodu, w miejscach gdzie struktura urbanistyczna na to pozwala, stosuje się ekrany akustyczne. Rozwiązanie to wprowadza mocne podziały przestrzeni i ograniczenia widokowe. Bardzo często instalacje tego typu stawiane są w już istniejącej tkance miejskiej, burzy to dotychczasowy ład przestrzenny. Zastosowanie pnączy umożliwia złagodzenie mocnych kształtów ekranów oraz uatrakcyjnia wizualnie monotonne pionowe płaszczyzny. Jednocześnie poprzez rozpraszanie i pochłanianie fal dźwiękowych rośliny pnące mogą przyczynić się do zwiększenia właściwości dźwiękochłonnych ekranów. Duża powierzchnia ekranów pokryta roślinnością pnącą, może być atrakcyjnym tłem, które zmienia swoje barwy w kolejnych okresach wegetacyjnych (Borowski i Marczyński 2005). Zastosowanie roślinności pnącej na ekranach akustycznych jest też najprostszym rozwiązaniem mogącym obniżyć poziom zanieczyszczenia powietrza, a to ze względu na zdolności fitoremediacyjne roślin pnących.

Cel

Celem pracy było zbadanie wpływu pnączy porastających ekrany akustyczne na rozprzestrzenianie i natężenie fal dźwiękowych.


Materiał i metody

Pomiary natężenia dźwięku zostały wykonane w miejscach, które spełniały założone warunki. Owe warunki to: droga o dużym natężeniu ruchu, ekrany o wystarczającej długości, częściowo porośnięte pnączami, i takie same bez nich. Ponadto warunkiem, prowadzenia obserwacji, był brak alternatywnych źródeł hałasu mogących zakłócić wyniki pomiarów. Warunki te zostały spełnione przy następujących trasach komunikacyjnych w Warszawie: Al. Prymasa 1000-lecia, Al. Armii Krajowej, Al. Wilanowska, Ul. Generała Maczka (ryc.1). Zostały również wykonane pomiary na trasie z Warszawy do Białegostoku E67 (S8), w miejscowościach: Trojany, Niegów, Gaj i Mostówka (ryc. 2).

Natężenie ruchu w Warszawie zostało ocenione na podstawie badań Biura Planowania Rozwoju Warszawy wykonanych w 2005 (tab.1). Natężenie ruchu na trasie białostockiej E67 badała Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad w 2010 roku. Stwierdzono, że średnio w ciągu doby z tej trasy korzysta 23 207 pojazdów.


Ryc. 1. Miejsca pomiarów przy głównych arteriach komunikacyjnych w Warszawie


Ryc. 2. Miejsca pomiarów przy trasie S8 - Warszawa Białystok

Tab. 1. Liczba pojazdów na wybranych trasach podczas szczytu komunikacyjnego
(Biuro Planowania Rozwoju Warszawy S. A. 2005)

Pomiary natężenia hałasu wykonano sonometrem DT-8852 firmy CEM urządzenie spełnia normę IEC61672-1 class 2.

Specyfikacja sonometru: - zakres pomiarowy 30-130 dB,  filtry korekcyjne A i C,  sygnalizacja przekroczenia górnego/dolnego zakresu pomiarowego, dokładność pomiarów ± 1,4 dB,  rozdzielczość pomiarów 0,1 dB .

Trasy komunikacyjne, przy których zostały wykonane pomiary zostały podzielone na dwie grupy: o natężeniu ruchu ciągłym i pulsacyjnym. Niejednorodny charakter ruchu ulicznego wynikał z jego organizacji za pomocą sygnalizacji świetlnej. Wykonano sto dwadzieścia pomiarów przy dziesięciu trasach komunikacyjnych.

W trakcie pomiaru sonometr umieszczony był na statywie na wysokości 1,2 metra w zmierzonej odległości. Głośnik skierowany był w stronę ekranu akustycznego. Pojedynczy pomiar trwał dwie minuty. Pomiary były powtarzane, gdy występowały zdarzenia zaburzające je, takie jak hałas, którego źródło było zlokalizowane po tej samej stronie ekranu, co sonometr.

Przy trasie komunikacyjnej spełniającej założone warunki wykonywano sześć pomiarów w możliwie jak najmniejszym odstępie czasu. Pomiary były prowadzone za ekranem akustycznym porośniętym pnączami w odległości 5 metrów pomiar A, oraz 10 metrów pomiar B, analogicznie wykonano pomiary za ekranem akustycznym nieporośniętym pnączami pomiary C i D. Wykonano również pomiary natężenia hałasu w miejscach gdzie nie występują żadne bariery akustyczne pomiędzy źródłem hałasu a punktem pomiarowym, pomiary E i F. (ryc. 3).

 
Ryc. 3. Lokalizacja punktów pomiarowych względem ekranu akustycznego (Draps 2014)


Fot. 1. Pomiar natężenia hałasu w odległości 10 metrów od ekranu akustycznego
przy Alei Prymasa 1000-lecia (Draps 2014)

Wyniki

• Obecność pnączy na ekranie a na natężenie hałasu

Uzyskane dane zostały przeanalizowane za pomocą metod statystycznych. Sprawdzono również wpływ organizacji ruchu oraz odległości na natężenie hałasu. Do Analizy danych użyty został program STATISTICA

Widoczne jest, że poziom natężenia dźwięku zależy od obecności pnączy i zastosowania, bądź nie, samych ekranów, efektem tego są trzy grupy jednorodne i średnie różniące się statystycznie (ryc. 4).

Ryc. 4. Średnie natężenie dźwięku: A1 - ekran z pnączami, A2 -ekran bez pnączy, A3 -brak ekranu i 95% przedziały ufności

Różnica między średnimi grup A1 (ekran z pnączami) i A2 (ekran bez pnączy) wynosi 0,61 dB, natomiast różnica między średnimi grup A2 (ekran bez pnączy) i A3 (brak ekranu) wynosi 5,17 dB.

W pierwszej, przeprowadzonej analizie nie dzielono danych ze względu na odległość pomiarów od ekranu akustycznego. Następnie wykonano analogiczne analizy z podziałem na dane zebrane z odległości 5 metrów oraz dane z 10 metrów. W przypadku odległości 5 metrów analiza wykazała wyniki podobne do ogólnych, średnie natężenia hałasu różniły się istotnie (ryc. 5).

Ryc. 5. Średnie natężenie dźwięku: A1 - ekran z pnączami, A2 -ekran bez pnączy, A3 -brak ekranu, dla odległości 5 metrów i 95% przedział ufności

W przypadku odległości 10 metrów, analiza nie wykazała istotnych różnic pomiędzy natężeniem hałasu za ekranami z pnączami i bez nich (ryc. 6).    
Ryc. 6. Średnie natężenie dźwięku; A1 - ekran z pnączami, A2 -ekran bez pnączy, A3 -brak ekranu, dla odległości 10 metrów i 95% przedział ufności

• Natężenie hałasu, a skuteczność oddziaływania pnączy

    
Poniżej zamieszczone histogramy mają na celu podzielenie zmierzonych wielkości na kategorie, a następnie zestawienia ich ze sobą, w celu pokazania rozkładu natężenia dźwięku, w zależności od obecności pnączy na ekranach.

Ryc. 7. Histogram zmierzonych wartości natężenia dźwięku za ekranami z pnączami, pomiary z odległości pięciu metrów

Wykres przedstawia rozkład natężenia hałasu za ekranami z pnączami w odległości 5m. Zdecydowanie najwięcej obserwacji znajduję się w przedziałach 65-70 dB oraz 70-75 dB odpowiednio 30,17% i 34,46% co w sumie stanowi 2/3 wszystkich obserwacji. Wartości powyżej 75 dB stanową 15,08% odnotowanych wyników (ryc. 7).

Ryc. 8. Histogram zmierzonych wartości natężenia dźwięku za ekranami bez pnączy, pomiary z odległości pięciu metrów
    
Powyższy histogram (ryc. 8) ma podobny rozkład jak w przypadku wykresu (ryc.7). Przedziały 65-70 dB i 70-75 dB stanowią 69,09% wszystkich obserwacji. Natomiast dźwięki o natężeniu powyżej 75 dB, stanowią 19,46%, to jest blisko o 1/3 więcej niż w przypadku ekranów z pnączami. Taki rozkład sugeruje, że efektywne możliwości absorpcji fal dźwiękowych przez roślinność pnącą są większe przy hałasie o dużym natężeniu.

Na zanieczyszczenie hałasem ma wpływ organizacja ruchu. Większe natężenie hałasu występuje, w przypadku ruchu ciągłego, niż pulsacyjnego. Wykresy pomagają wyjaśnić wzajemne działanie pnączy i organizacji ruchu.

Ryc. 9. Wartości natężenia dźwięku za ekranami bez pnączy, przy ruchu pulsacyjnym, pomiary z odległości pięciu metrów

Wykres przedstawia rozkład zmierzonych wartości natężenia dźwięku za ekranami bez pnączy z odległości 5 metrów przy drogach o ruchu pulsacyjnym. Wartości powyżej 75 dB stanowią 11,71% wszystkich pomiarów (ryc. 9).

Ryc. 10. Wartości natężenia dźwięku za ekranami z pnączami, przy ruchu pulsacyjnym, pomiary z odległości pięciu metrów    

Wykres przedstawia wartości natężenia dźwięku za ekranami z pnączami odległości 5 metrów przy drogach o ruchu pulsacyjnym. W tym przypadku wartości powyżej 75 dB stanowią jedynie 7,39% jest to mniej o 4,39% w porównaniu z wartościami (ryc. 10).

Dyskusja i wyniki

Przeprowadzone badania, wykazały związek pomiędzy obecnością pnączy na ekranie a zmniejszeniem natężenia hałasu. Oznacza to, że pnącza zastosowane na ekranach akustycznych mają zdolność ograniczania natężenia dźwięku. Dzieje się tak na skutek pochłaniania i rozpraszania fal dźwiękowych przez warstwę liści. Szczególnie wyraźnie efekt ten zaobserwowano w przypadku prowadzenia pomiarów w odległości pięciu metrów od ekranu.

Badania na ekranach oddalonych o dziesięć metrów od jezdni, nie wykazały wpływu pnączy na rozchodzenie się hałasu. Brak istotnej różnicy w natężeniu hałasu, za ekranami z pnączami i bez nich, w odległości 10 metrów, może wynikać z redukcji efektu cienia akustycznego. Wraz ze wzrostem odległości od źródła dźwięku, mamy do czynienia ze zjawiskiem dyfrakcji, czyli załamywania się fali akustycznej na krawędzi bariery. Efektem tego zjawiska jest zmniejszanie skuteczności działania ekranu akustycznego wraz ze wzrostem odległości.

Zaobserwowana różnica między natężeniem hałasu za ekranem z pnączami i bez nich nie jest duża, mieści się w zakresie dokładności użytego sonometru. Można przyjąć, że błąd pomiaru na poziomie próby ma rozkład normalny. Baza danych użyta do wykonania analiz składała się z 14 400 rekordów, przy tak dużej liczbie prób błąd pomiarowy uległ uśrednieniu, więc nie miał wpływu na otrzymane wyniki.

Możliwość absorpcji hałasu przez roślinność potwierdzają Timur i Karaca (2013) w publikacji Vertical Gardens, gdzie opisali zalety ogrodów wertykalnych jedną z nich jest izolacja akustyczna budynku. Według tych autorów instalacja ogrodu wertykalnego na elewacji jest w stanie zmniejszyć hałas w budynku o 5 dB. Oczywiście ogród taki składa się z płyty PCW, filcu, substratu glebowego i roślin. Nie dokumentuje to możliwości redukowania hałasu przez rośliny, ponieważ obniżenie poziomu hałasu spowodowane było działaniem całego systemu ogrodu wertykalnego. Nie prowadzono badań redukcji hałasu przez ogród wertykalny nieobsadzony roślinnością, więc nieznany jest udział roślinności w redukcji hałasu.

Przy okazji, badania przeprowadzone przy ulicach Warszawy potwierdziły spostrzeżenie, że odpowiednia organizacja ruchu przyczynia się do obniżenia natężenia hałasu. Taki fakt został już zauważony między innymi przez Chambers (2005) oraz Chambers and Jensen (2005). Przeprowadzone analizy wykazały, że efektywne absorbowanie fal akustycznych przez pnącza ma miejsce, głównie przy dużym natężeniu hałasu.

Wykonane pomiary pozwoliły na wyciągnięcie wniosków, z których najważniejszy wydaje się pierwszy. Udało się potwierdzić, że rośliny pnące mogą przyczynić się do redukcji natężenia hałasu ulicznego.     

Wnioski

1. Roślinność pnąca na ekranach akustycznych wykazuje zdolność obniżenia natężenia hałasu.
2. Istotna różnica w natężeniu hałasu za ekranami pokrytymi pnączami wystąpiła pomiarach w odległości 5 m od ekranu.
3. Roślinność porastająca ekrany jest w stanie ograniczać przede wszystkim udział dźwięków o dużym natężeniu przekraczających 75 dB.

Wykorzystane Źródła

Borowski J., Marczyński S. 2005. Pnącza na ekranach osłonowych. W: Ogólnopolska Konferencja Zielone Smaki Miasta - Park, Ogród, Skwer. Agencja promocji Zieleni, Warszawa 27-30.08.2005: 31-35.

Klæboe R. 2012. Noise and health: Annoyance and Interfance. W: Encyclopedia of Environmental Health. Red. Nriagu J. O. Elsevier, Amsterdam:152-163.

Chambers J.,P. 2005. Noise Pollution in Wang, Lawrence K., Pereira, Norman C., Hung, Yung-Tse (Eds.) Advanced Air and Noise Pollution Control (Vol. 2) Pages 441-452

Chambers J.P., Jensen P. 2005. Noise Control. in Wang, Lawrence K., Pereira, Norman C., Hung, Yung-Tse (Eds.) Advanced Air and Noise Pollution Control (Vol. 2) Pages 453-509.

Timur Ӧ. B. Karaca E. 2013.Vertical Gardens. W: Advanes in Architecture. Red. Ӧzyavuz M. Intech, Rijeka: 58 -617.



Opracowano na podstawie pracy dyplomowej mgr inżyniera Norberta Drapsa.