СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИ КОМФОРТНОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Изобретение относится к промышленной акустике, в частности к широкополосному шумоглушению, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства в качестве средства защиты от шума.

Борьба с шумом в промышленности осуществляется различными методами: конструктивными, технологическими, акустическими и строительно-планировочными. Среди акустических методов широко используются методы звукоизоляции и звукопоглощения. Рассмотрим методику расчета эффективности снижения шума звукопоглощающими конструкциями, включающими в себя облицовки, штучные звукопоглотители, экраны, на новом принципе - принципе обеспечения в производственном помещении максимально возможного (для каждого конкретного цеха) звукопоглощения с последовательным вводом в расчет облицовок, штучных звукопоглотителей, экранов и средств индивидуальной защиты (СИЗ) операторов.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является акустическая конструкция по патенту РФ №2366785, кл. F01N 1/04, [прототип], содержащая каркас на перекрытии здания и стены со звукопоглощающей облицовкой.

Недостатком технического решения, принятого в качестве прототипа, является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения за счет сравнительно невысокого коэффициента вибродемпфирования межэтажного перекрытия.

Технический результат - повышение эффективности шумоглушения.

Это достигается тем, что в способе обеспечения акустически комфортного помещения, заключающимся в том, что несущие стены облицовывают звукопоглощающими конструкциями, а также устанавливают штучные звукопоглотители, в которых располагают звукопоглощающий материал, и устанавливают их над шумным оборудованием, сначала определяют октавные уровни звукового давления с учетом максимально возможного звукопоглощения до установки звукопоглощающих конструкций в цехе на рабочих местах в зоне прямого звука по формуле

где S_i - площадь воображаемой поверхности правильной геометрической формы, окружающей i-й источник шума и проходящей через расчетную точку, m - количество источников шума, ближайших к расчетной точке, n - общее количество источников шума в помещении с учетом среднего коэффициента одновременности работы оборудования, χ_i - коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля, Ф_i - фактор направленности i-го источника шума, безразмерный, определяемый по технической документации на источник шума, Ψ_1-j - коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении, B_1-j - постоянная помещения после его акустической обработки, которую определяют по формуле

где A₁=α(S_огр-S_обл) - эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой; α=B/(B+S_огр) - средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки; В - постоянная помещения до его акустической обработки, м², α_1-j - средний коэффициент звукопоглощения акустически обработанного помещения, определяемый соотношением, S_огр=2[D⋅W+(D+W)⋅H] - общая площадь ограждающих поверхностей помещения, м².

На фиг. 1 изображена схема акустически комфортного производственного помещения для реализации предложенного способа, на фиг. 2 - схема штучного поглотителя, на фиг. 3 - представлена расчетная схема для определения эффективности снижения шума звукопоглощающими конструкциями, на фиг. 4 - графики уровней звукового давления, иллюстрирующие выполненный расчет на ПЭВМ, на фиг. 5 - вариант штучного звукопоглотителя, на фиг. 6 вариант звукопоглощающей конструкции, которой облицованы несущие стены 1, 2, 3, 4 помещения.

Акустически комфортное помещение для реализации предложенного способа (фиг. 1) содержит каркас цеха (на чертеже не показан), оконные 9 и дверные 10 проемы и несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6 (пол и потолок), которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас в котором расположен звукопоглощающий материал и установленные над шумным оборудованием. В качестве звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций используются плиты из минеральной ваты на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральной ваты типа «URSA», или базальтовой ваты типа П-75, или стекловаты с облицовкой стекловойлоком, причем звукопоглощающий элемент по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом (на чертеже не показано), например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден». В качестве звукопоглощающего материала может быть использован также жесткий пористый материал, например пеноалюминий или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 30÷45%. В качестве звукопоглощающего материала может быть использован материал в виде крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, или полиуретана, или пластиката, причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3÷2,5 мм (на чертеже не показано).

Штучный звукопоглотитель (фиг. 2) состоит из жесткого каркаса, выполненного в виде, по крайней мере, трехгранной пирамидальной конструкции, состоящей из трех перфорированных наклонных граней 12, соединенных с образованием вершины крепежными элементами 17. В качестве основания трехгранной пирамиды используется потолочный каркас 11 помещения, к которому через вибродемпфирующие элементы 15 посредством крепежных элементов 14 и упругих стяжек 16 присоединяются перфорированные наклонные грани 12. При этом упругие стяжки 16 расположены внутри каркаса в плоскости, перпендикулярной судовой переборке 11. Один конец стяжек крепится к крюкам, закрепленным на каркасе 11 помещения, а другой - к крепежным элементам 7.

С внутренней стороны каркаса к перфорированным наклонным граням 12 прикреплен звукопоглощающий негорючий материал 13 (например, винипор, стекловолокно), обернутый акустически прозрачным материалом, например стеклотканью. Внутри каркаса между слоями звукопоглощающего материала 13 имеется воздушная полость 18.

На фиг. 4 представлены графики 19-23 уровней звукового давления (УЗД), иллюстрирующие выполненный расчет на ПЭВМ, по предложенному способу (фиг. 3) для текстильного цеха: 19 - расчетные УЗД без облицовки стен и потолка цеха звукопоглощающими конструкциями; 20 - расчетные УЗД с акустическим подвесным потолком; 21 - нормативные УЗД для операторов текстильных производств; 22 - расчетные УЗД с облицовкой стен и потолка цеха звукопоглощающими конструкциями; 23 - с облицовкой стен и потолка цеха звукопоглощающими конструкциями, и установкой штучных звукопоглотителей над шумным оборудованием.

В качестве звукопоглощающего материала используются плиты из минеральной ваты на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральной ваты типа «URSA», или базальтовой ваты типа П-75, или стекловаты с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена, а в качестве акустически прозрачного материала, например стеклоткань типа ЭЗ-100 или полимер типа «Повиден».

В качестве звукопоглощающего материала используются плиты на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м³ со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10…20 МПа.

В качестве звукопоглощающего материала используются элементы из жесткого пористого шумопоглощающего материала, например пеноалюминия или металлокерамики, или металлопоролона, или камня-ракушечника со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 40…50%.

В качестве звукопоглощающего материала используются элементы с послойной и перекрестной намоткой из пористых нитей, намотанных на акустически прозрачный каркас, например проволочный каркас.

В качестве звукопоглощающего материала используется крошка из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, полиуретана, или пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,5…2,0 мм.

Возможен вариант выполнения штучных звукопоглотителей в виде звукопоглотителя сферического (фиг. 5), который содержит жесткий каркас, выполненный сферической формы с внутренней конгруэнтной каркасу сферической резонансной полостью 31, образованной жесткой сплошной сферической оболочкой 29, эквидистантной внешней перфорированной сферической оболочке 27. При этом пространство 30 между сферическими оболочками 27 и 29 заполнено звукопоглощающим материалом, а соединение внешней перфорированной сферической оболочки 27 с объектом, например потолком производственного помещения, выполнено посредством упругодемпфирующего элемента 28, позволяющего демпфировать высокочастотные колебания, и шарнирно соединенного с подвеской 25, выполненной в виде стержня, один конец которого соединен с шарниром 26, установленном на упругодемпфирующем элементе 28, а другой - соединен с кольцом 24, предназначенным для его фиксации на объекте.

Сферическая резонансная полость 31 жестко соединена, с по крайней мере, одной втулкой 32 с осевым отверстием, выполняющим функцию горловины резонатора Гельмгольца, с внешней перфорированной сферической оболочкой 27, а пространство 30 между ними заполнено звукопоглотителем.

Звукопоглотитель сферический работает следующим образом.

Звуковые волны, распространяясь на промышленном или транспортном объектах, взаимодействуют со звукопоглощающим материалом, расположенным в пространстве 30, образованном жесткой сплошной сферической оболочкой 29, эквидистантной внешней перфорированной сферической оболочке 27, подавляющим шумы на низких, средних и высоких частотах соответственно.

Соединение каркаса посредством упругодемпфирующего элемента 28, позволяет демпфировать высокочастотные колебания, которые могут излучаться жестким каркасом, что позволяет его использовать для снижения шума на транспортных объектах. Звукопоглощение на средних и высоких частотах происходит за счет акустического эффекта, построенного по принципу резонатора Гельмгольца, образованного воздушной сферической полостью 31 и горловиной резонатора 32, диаметр которой для гашения шума в заданной полосе частот, подбирают в требуемом звуковом диапазоне частот, как правило, так: большие объемы для подавления шума в низкочастотном диапазоне, а малые - в области средних и высоких частот, причем выполнение звукопоглотителя из негорючих материалов делает конструкцию пожаробезопасной.

Способ обеспечения акустически комфортного помещения осуществляют следующим образом.

Реализацию предложенного способа рассмотрим на примере расчета эффективности снижения шума звукопоглощающими конструкциями в резинооплеточном цехе чулочно-носочной фабрики, имеющим размеры: D×W×H, количество "n" работающих в нем однотипных машин, например, типа ОРН-1 (со скоростью вращения веретен 6000 об/мин), причем габаритные размеры станка известны: l_max, l, h_max (см. фиг. 3). Октавные уровни звуковой мощности одного станка L_po (дБ) также известны из паспортных данных на оборудование.

Сначала определяют октавные уровни звукового давления с учетом максимально возможного звукопоглощения (УЗД) L₁, дБ, до установки звукопоглощающих конструкций в цехе на рабочих местах в зоне прямого звука L_2-j(ПР), дБ,

где S_i - площадь воображаемой поверхности правильной геометрической формы, окружающей i-й источник шума (фиг. 3) и проходящей через расчетную точку.

Если расстояние r от расчетной точки (Р.Т.) до акустического центра (А.Ц.) станка определяется зависимостью: r<2 l _max, то для прямоугольного параллелепипеда S_i определяют по формуле:

m - количество источников шума, ближайших к расчетной точке, n - общее количество источников шума в помещении с учетом среднего коэффициента одновременности работы оборудования, χ_i - коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля, Ф_i - фактор направленности i-го источника шума, безразмерный, определяемый по технической документации на источник шума, Ψ_1-j - коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении, S_огр=2[D⋅W+(D+W)⋅H] - общая площадь ограждающих поверхностей помещения, м², B_1-j - постоянная помещения после его акустической обработкам, которая определяется по формуле

где A₁=α(S_огр-S_обл) - эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой; α=B/(B+S_огр) - средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки; В - постоянная помещения до его акустической обработки м², α_1-j - средний коэффициент звукопоглощения акустически обработанного помещения, определяемый соотношением

ΔA_j - величина максимально достаточного добавочного звукопоглощения, вносимого конструкцией звукопоглощающей облицовки, штучными звукопоглотителями или экранами, определяемого по формулам

j = 1, 2, 3, 4 - число последовательных приближений к выбору максимально достаточной площади ΔA_j дополнительного звукопоглощения в цехе,

где α_обл - коэффициент звукопоглощения облицовки стен и потолка,

S_обл = S_огр-S_опр-DW - площадь звукопоглощающей облицовки стен и потолка, м²,

S_опр - площадь оконных и дверных проемов в цехе, м²,

А_шт - эквивалентная площадь звукопоглощения штучных звукопоглотителей, м²,

N_шт = 1,5DW/B² шт - количество штучных звукопоглотителей в цехе,

S_обл.max - максимально допустимая площадь звукопоглощающей облицовки с учетом оконных и дверных проемов, а также технологических проходов и колонн, м²,

N_шт.max - максимально допустимое количество штучных звукопоглотителей (с учетом оптимального расстояния между ними В_шт),

ΔА_экр - величина дополнительного звукопоглощения акустическими экранами, м², устанавливаемыми в цехе

где α_{обл.экр} - коэффициент звукопоглощения облицовки экрана,

S_{i экр} - площадь i-го экрана, м² (при двухсторонней облицовке экрана ее следует увеличить в 1,5 раза), k - общее количество экранов, установленных в цехе.

Например, для третьего и четвертого приближений средний коэффициент звукопоглощения α_1-j запишется в следующем виде

Затем вычисляют эффективность звукопоглощающей облицовки в зоне прямого звука на рабочих местах в расчетных точках помещений

После чего вычисляют эффективность снижения уровней звукового давления в расчетных точках, расположенных в зоне постоянного пребывания персонала, не связанного с работой оборудования (в зоне отраженного звука) с учетом максимально возможного звукопоглощения

Затем сравнивают полученную эффективность ΔL_пр-j снижения шума в зоне прямого звука и эффективность ΔL_от-j только в зоне отраженного звука с требуемой величиной снижения шума в цехе ΔL_тр=L₁-L_доп (L_доп - допустимые УЗД на рабочих местах по санитарно-гигиеническим нормам).

то расчет заканчивают.

Если нет возможности по технологическим соображениям разместить в цехе экраны, то необходимо для выполнения условий (13…14) подобрать для операторов средства индивидуальной защиты от шума - СИЗ. При этом необходимо выполнить условия

где ΔL_сиз=L_эi-ΔL_i, L_эi - эффективность СИЗ от шума в i-ой октавной полосе частот по нормативно технической документации (по техническому паспорту применяемого СИЗ), дБ, ΔL_i - поправка на надежность защиты от шума, принимаемая в зависимости от частоты звука.

Выбор характеристик звукопоглощающей облицовки и штучных звукопоглотителей производят с учетом излучаемого станком спектра звуковой мощности, размеров цеха, количества станков в нем и себестоимости работ по снижению шума.

В качестве примера реализации предложенного способа авторами на ПЭВМ был выполнен расчет для резинооплеточного цеха АО «Чулочно-носочная фабрика им. Н.Э. Баумана». Параметры цеха: размеры, м,: длина D=11,75; ширина W=5,75; высота Н=2,7. Площадь оконных и дверных проемов: S_опр=12 м². Станок - машина резинооплеточная марки ОРН-1, скорость - 6000 об/мин. Параметры станка: габаритные размеры, м,: l_мах=4,2; l=0,6; h_мах=1,8. Число станков в цехе n=3. В качестве звукопоглощающей облицовки были выбраны: маты из супертонкого базальтового волокна (РСТ УССР 5013-76), плотностью 20 кг/м³, толщиной 50 мм и с установкой их без воздушного промежутка от стен с оболочкой из декоративной стеклоткани типа ТСД (ТУ 6-11-54-74). Штучные звукопоглотители: размер - 400×400×400 мм; просечно-вытяжной лист толщиной 2 мм; перфорация 74% (ГОСТ 8706-78); стеклоткань - типа ЭЗ-100 (ГОСТ 19907-74); звукопоглотитель - супертонкое стекловолокно (ТУ 21-РСФСР-224-75). Расстояния: между центрами - В_шт = 2,5 м; от потолка Н_шт = 0.25 м.

При этом звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, попадает на слои звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций, которыми облицованы несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6 (пол 6 и потолок 5), а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас в котором расположен звукопоглощающий материал и которые установлены над шумным оборудованием. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, представляющих собою модель резонаторов "Гельмгольца", где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя. Коэффициент перфорации перфорированной стенки принимается равным или более 0,25. Для предотвращения высыпания мягкого звукопоглотителя предусмотрена стеклоткань, например типа ЭЗ-100, расположенная между звукопоглотителем и перфорированной стенкой. Звуковые волны, распространяясь в производственном помещении, взаимодействуют с заполненными звукопоглотителем полостями. Взаимодействие звуковых волн с активными полостями, заполненными негорючим звукопоглотителем приводит к шумоглушению в высокочастотном диапазоне, причем за счет наличия полостей увеличивается поверхность звукопоглощения, и, как следствие, повышается коэффициент звукопоглощения. Звуковые волны, распространяясь, взаимодействуют с звукопоглощающим материалом 13. Звукопоглощение на низких и средних частотах происходит за счет акустического эффекта, построенного по принципу резонаторов Гельмгольца, образованных воздушными полостями 18. Различные объемы резонансных полостей служат для подавления звуковых колебаний в требуемом звуковом диапазоне частот, как правило большие объемы для подавления шума в низкочастотном диапазоне, а малые - в области средних и высоких частот.

Возможен вариант (фиг. 6), когда несущие стены 1, 2, 3, 4 помещения облицованы звукопоглощающими конструкциями, каждая из которых выполнена в виде жесткой стенки 33 и перфорированной стенки 34, между которыми расположен двухслойный комбинированный звукопоглощающий элемент, причем слой 35, прилегающий к жесткой стенке 33, выполнен звукопоглощающим, а прилегающий к перфорированной стенке 34, слой 36, выполнен с перфорацией 37 из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны.

В качестве звукопоглощающего материала слоя 35 может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена. При этом поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается пористыми красками, пропускающими воздух, например, типа Acutex Т или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом,

В качестве материала звукоотражающего слоя 36 применен материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м³ со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10…20 МПа, например пеноалюминий, или применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м³, или материал на основе магнезиального вяжущего с армирующей стеклотканью или стеклохолстом.

Звукопоглощающая конструкция работает следующим образом.

Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированную стенку 34 попадает на слой 36 из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, а часть звуковой энергии проходит через слой 36 из звукоотражающего материала, и взаимодействует со слоем 35 из звукопоглощающего материала, где происходит окончательное рассеивание звуковой энергии. Коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0. Выполнение перфорации на звукоотражающим слое способствует более эффективному шумоглушению на средних частотах, так как часть звуковых волн будет проходить через перфорацию 37 и рассеиваться на слое 35 из звукопоглощающего материала.