Оценка возможного изменения скорости звука в воздушной среде при наличии многокомпонентных промышленных загрязнителей
научный журнал «Актуальные исследования» #4 (7), февраль '20

Оценка возможного изменения скорости звука в воздушной среде при наличии многокомпонентных промышленных загрязнителей

Рассматривается поведение акустического сигнала при распространении в газообразной среде при наличии совокупности примесей. Рассмотрена методика оценки изменения молярной массы новообразованной газовой смеси. Проведены расчёты скорости звука для случаев чистого воздуха и многокомпонентного загрязнения газообразными и твёрдыми загрязнителями. Получена оценка изменения скорости звука на 30,4 м/с при наличии многокомпонентного загрязнителя. Сделаны выводы по проведённому исследованию.

Аннотация статьи
акустический сигнал
молярная масса
газообразные загрязнители
твёрдые загрязнители
скорость звука
Ключевые слова

Cпроисхождения не последнее место занимает акустошумовое загрязнение среды обитания. В силу этого важной задачей является оценка распространения шума, прогнозирование распространения акустического шума вглубь жилых территорий [1].

Известно, что коэффициент затухания акустического сигнала зависит от содержания в атмосфере кислорода, азота, температуры, влажности и давления [2]. Однако при этом не рассматривается влияние показателей плотности среды распространения, от которых в существенной степени зависит скорость распространения акустического сигнала. Основными загрязнителями атмосферного воздуха в техносфере, чаще всего превышающими допустимые уровни, являются диоксид серы (SО2), оксиды азота (NО2), оксид углерода (СО) и твёрдые частицы (до 98% в общем объёме выбросов вредных веществ) [3]. Рост содержания некоторых из них в промышленной зоне приводит к переносу их в жилую зону: например, на жилых территориях наблюдается рост содержания диоксида азота, бенз(а)пирена, озона, формальдегида, аммиак. взвешенных веществ [4]. Более подробно этот вопрос рассмотрен в [5]. Поскольку при изменении концентрации данных веществ или соединений в атмосфере может изменять плотность воздуха в данной точке города, вопрос исследования влияния этих загрязнителей на плотность воздуха и на распространение звука является важным.

В [6] была дана оценка потенциального изменения скорости звука в атмосфере, содержащий однокомпонентный загрязнитель – диоксид серы SO2. Проведённый вычисления показали, что при имеющемся выбросе этого вещества на одном из заводов в размере 0,0762 г/с, возможное изменение скорости звука может составлять 1,6 м/с. Однако неисследованным остался вопрос влияния многокомпонентного состава загрязнителей на скорость звука.

Целью статьи является оценка возможного количественного изменения скорости звука при наличии совокупности загрязнителей в воздушной среде.

Скорость распространения звука в газовой среде описывается формулой [6, 7]:

 ,(1)

где γ – показатель адиабаты; k – постоянная Больцмана; Т – температура в Кельвинах; М – молярная масса.

Если принять температуру среды, теплоёмкость и давление величинами постоянными, то очевидно, что для определения скорости звука в сложной газовой среде необходимо знать величину молярной массы М.

Зная молярный состав смеси в процентах, можно определить среднюю молекулярную массу [8]:

, (2)

где i=1…n – число компонентов в смеси;
yi - молярные (объёмные) доли компонентов, %; Mi - молекулярные массы компонентов;
mi - массовые доли компонентов, %.

Поскольку речь идёт о распространении акустического сигнала в воздушной среде, прежде всего следует рассмотреть параметры воздуха при отсутствии загрязнений.

Известно, что воздушная смесь является совокупностью ряда газовых компонент и в массовых долях выражается следующими показателями [9, с.5, 10, с.32]: азот - 78,084%; кислород - 28,946%; аргон – 0,934 %; диоксид углерода - 0, 034%; неон – 0,001818%; криптон - 0,00114%; метан - 0,000145%; гелий - 0,000524%; водород - 0,00005%; ксенон- 0,00087%; оксид азота – 0,00003%.

Среднюю молекулярную массу этой смеси мы можем определить как

 , (3)

где Ml, М2,..., Mn - молекулярные массы компонентов; m1, m2,..., mn - массовые доли компонентов.

При проведении вычислений необходимо учесть ряд численных значений и обстоятельств. Данные для расчёта выберем в соответствии [9]. Известные значения молярной массы каждого компонента представлены в справочной и учебной литературе [10, 11 и др.].

Для расчёта используем статистические данные по выбросам только одного цеха предприятия: азота диоксид (суммарный выброс 2,9107 г/с, молярная масса 46,01); азота (II) оксид (0,4322 г/с, 30,008); пыль неорганическая, 50% SiO2 (2,43765 г/с, 60,084); железа триоксид (0,7719 г/с, 159,69); углерода оксид (20,7836 г/с, 28,0101); сера диоксид (0,8141 г/с, 64,054); марганец и его соединения (принят MnO2, 0,0488 г/с, 86,93685).

Исходя из простого рассуждения, что в воздухе ежесекундно находится такое содержание загрязнителя и будем проводить расчёты. При этом будем учитывать, что при поступлении в определённый объём воздуха некоторого количества газового поллютанта происходит вытеснение такого же объёма исходного состава воздуха, т.е. исходные газовые компоненты уменьшаются на некоторую часть. Будем считать, что каждый из вносимых поллютантов заменяет собой долю исходного газа, пропорциональную его вкладу в общий объём.

Расчёт проводится по формуле (3).

По полученным результатам расчёта молярной массы смеси с загрязнителем и без него по (1) вычисляем скорость распространения звука в воздушной среде. При этом учтём, что при практическом расчёте в (1) значение молярной массы должно входить в размерности кг/моль [12, с.298]. Для расчётов также используем стандартные значения: показатель адиабаты γ=1,4 (для сухого воздуха при t=20оC); постоянная Больцмана k=8,31; температура в Кельвинах Т=293,15 (t=20оC).

Проведённые расчёты дают значение
Мсм= 24,5977 г/моль.

Скорость звука (1) в исходном состоянии, без загрязнителя:

C=γkTM=1,4∙8,31∙293,1528,9571 = 343,2  м/сек.

Скорость звука при наличии загрязнителей:

=372,6 м/сек.

Таким образом при внесении в воздушную среду многокомпонентного загрязнителя рассмотренного сочетания может иметь место увеличение скорости на 30,4 м/сек.

Выводы

Проведённое исследование показывает:

  1. Практическую возможность учёта влияния поллютантов на скорость распространения звуковой волны в атмосферном воздухе;
  2. Полученный результат показывает, что наличие достаточно распространённых загрязняющих веществ, характерных для ряда промышленных предприятий, при некоторых комбинациях даёт увеличение скорости звука до 30 м/сек. С одной стороны, такое увеличение следует считать существенным. Однако с другой стороны, данное значение не «выводит» скорость в диапазон распространения плотных веществ. В целом, если принять во внимание изменение скорости звука на 0,6 м/с при изменении температуры на 1оС, то это эквивалентно температурным колебаниям в 50оС. Такое изменение, возможно, более наглядно характеризует порядок колебаний скорости.
  3. Следует учесть, что расчёт был проведён для случая одномоментного выброса всех перечисленных загрязнителей. Реальная обстановка может отличаться от принятой при расчётах. Кроме того, в числе загрязнителей присутствуют тяжёлые элементы, которые достаточно быстро оседают на поверхности земли: SiO2, Fe3O4, MnO2. В их отсутствии плотность среды должна измениться.
  4. Однако следует учесть и то, что в реальности число источников выбросов у рассматриваемого предприятия больше одного, рассмотренного в статье. Следовательно, суммарное изменение молярной массы воздуха и, как следствие, изменение плотности, могут быть более существенными

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-38-00909-мол-а.

Текст статьи
  1. Bulkin V.V., Kirillov I.N. The Mobile System of Urban Area Noise Pollution Monitoring / Problems of Infocommunications Science and Technology (PIC S&T`2015) // Second International Scientific-Practical Conference. Kharkov, Ukraine: Kharkiv National University of Radioelectronics, 2015. - P. 200–203. DOI: 10.1109/INFOCOMMST. 2015.7357312
  2. ГОСТ 31295.1-2005 Шум. Затухание звука при распространении на местности. Часть 1. Расчёт поглощения звука атмосферой. – М: Стандартинформ, 2009. – 35 с.
  3. Климат Санкт-Петербурга и его изменения / Под ред. В.П. Мелешко, А.В. Мещерской, Е.И. Хлебниковой. –СПб.: ГГО, 2010. -256 с.
  4. Динамика загрязнения атмосферного воздуха в Москве / ГПБУ «Мосэкомониторинг». – Режим доступа: http://www.mosecom.ru/air/air-dinamic/
  5. Хромулина Т.Д., Шеронова Т.С. Оценка изменения скорости звука в воздушной среде при загрязнении её поллютантами техногенного происхождения / Актуальные исследования: Международный научный журнал. 2020, № 3 (6). – С.32-36.
  6. Sorokova A.A., Sheronova T.S., Bulkin V.V. Assessment of possible changes in the speed of sound in the air in the presence of industrial pollutants / Znanstvena misel journal №39/2020. pp. 48-51.
  7. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. -М.: Наука, 1984. -403 с.
  8. Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия: учебное пособие / Томский политехнический университет. −Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2006. − 202 с.
  9. Шеронова Т.С. Анализ состава и степени влияния загрязняющих веществ на окружающую среду от предприятия тяжелого машиностроения / Международный академический вестник: материалы III Международной научно-практической конференции «Академическая наука в современных условиях» (10-11 февраля 2020 г., г. Уфа). № 2 (46). – С. 121-126.
  10. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. -СПб.: НИИ Атмосфера, 2010. –Режим доступа: http://files.stroyinf.ru/data1/58/58295/.
  11. Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Ведение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1991. – 271 с.
  12. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 496 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 июля по 16 июля
Осталось 2 дня до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
21 июля
Загрузка в elibrary
21 июля
Рассылка печатных экземпляров
25 июля