CC BY
9
УДК 534-16:53.05
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ПАНЕЛЕЙ ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩЕГО ОГРАЖДЕНИЯ ПО ВХОДНОМУ МЕХАНИЧЕСКОМУ
СОПРОТИВЛЕНИЮ
THE EXPERIMENTAL EVALUTION OF THE SOUNDPROOF ENCLOSURE PANELS RESONANT FREQUENCY BY THE INPUT MECHANICAL IMPEDANCE
В. В. Бохан, А. Ф. Зелов, В. А. Таран, С. П. Бобров
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Прогресс»», г. Омск, Россия
V. V. Bokhan, A. F. Zelov, V. A. Taran, S. P. Bobrov
FSUE «FRPC «Progress», Omsk, Russia
Аннотация. Звукоизоляция ограждений в форме панелей в диапазоне низких и средних частот зависит от размеров в плане и от условий ее закрепления по контуру. Для расчетной оценки звукоизолирующей эффективности панели необходима информация о граничных условиях. В работе предлагается определять первую резонансную частоту панели в условиях акустического стенда по экспериментальной характеристике входного механического сопротивления панели. Такой способ позволил идентифицировать не учтенные при расчетных оценках факторы, присутствующие в эксперименте. Отмечена практическая значимость оценки граничных условий по контуру крепления панели. Описана процедура определения резонансной частоты панели. Получены экспериментальные данные для звукоизолирующих ограждений из разных материалов.
Ключевые слова: защита от шума, звукоизоляция, звукоизолирующее ограждение, механическое сопротивление
DOI: 10.25206/2310-9793-7-1-27-31
I. Введение
Многие механизмы и машины при работе шумят и вибрируют. Средства борьбы с шумом и вибрацией являются вспомогательной функциональной частью машин и установок [1]. В рамках борьбы с повышенным уровнем воздушного шума, излучаемого оборудованием, устанавливают звукоизолирующие ограждения на пути распространения шума.
Известно, что величина звукоизоляции ограждений в форме панелей в диапазоне низких и средних частот зависит от размеров панели в плане и от условий ее закрепления по контуру. Для расчетной оценки звукоизолирующей эффективности (по звукоизоляции) панели необходима информация о граничных условиях [2]. На практике граничные условия сложно классифицировать по типам, соответствующим идеализированным случаям: шарнирное опирание, жесткая заделка и т. д. Условия закрепления панели могут быть разными и зависеть от различных факторов.
Информация о граничных условиях на контуре панели может быть получена косвенно, по первой резонансной частоте панели, которая определена опытным путем. Часто значение резонансной частоты панели оказывается между расчетными значениями для шарнирно опертой пластины и жестко заделанной пластины.
II. Постановка задачи
Объектом исследования является звукоизолирующее ограждение (как средство защиты от шума и вибрации машин), выполненное в виде панели. Предмет исследования - значение частоты резонансных колебаний панели звукоизолирующего ограждения. Цель исследования состоит в определении первой частоты резонанса панели по экспериментальной характеристике входного механического сопротивления панели.
III. Теория
Если предполагается сопоставление результатов расчета звукоизоляции с экспериментальными данными, то резонансную частоту предпочтительнее определять при той же монтажной позиции, что и при измерении звукоизоляции. То есть в случае измерения звукоизоляции панели с помощью реверберационных камер резонансную частоту панели необходимо определять при ее рабочей установке в проеме между камерами.
В данной работе предлагается определять резонансную частоту панели, закрепленной в проеме между реверберационными камерами, по экспериментальной частотной характеристике модуля входного механического сопротивления панели, возбуждаемой в центре сосредоточенной силой.
Входным механическим сопротивлением (импедансом) системы называют комплексную функцию от частоты, равную отношению переменной силы, приложенной к входу механической системы, к составляющей скорости вибрации на входе системы при запрете смещений по остальным степеням свободы механической системы. Обычно оговаривают направления, по которым определяется сила и скорость вибрации. Поскольку в данной работе интерес представляют поперечные колебания панелей, то и направления силы и скорости будем рассматривать по нормали к срединной плоскости невозмущенной панели.
Явление резонанса характеризуется минимумом сопротивления механической системы. Первый спад на графике частотной характеристики модуля входного механического сопротивления панели указывает на ее первую резонансную частоту [3].
Рис. 1. Схема измерительной установки
На практике схема измерения реализована следующим образом. В центре панели через датчик динамической силы закреплен шток вибратора электродинамического типа (рис. 1). Вблизи датчика силы установлен датчик ускорения. На вибратор поступает сигнал от генератора, который работает в режиме «белый шум». В результате этого панель совершает колебания под действием приложенной в центре вынуждающей силы. Сигналы с обоих датчиков и подступают на входы анализатора спектра. Сигнал с датчика ускорения интегрируется с помощью соответствующих процедур анализатора для получения сигнала скорости у№ Программно формируется дискретная передаточная функция Н(Гт; уш), которая представляет собой входное механическое сопротивление.
IV. Результаты экспериментов
С помощью описанной измерительной установки измерены входные механические сопротивления нескольких панелей с различными физико-механическими свойствами. Внешний вид измерительной установки приведен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид измерительной установки
Возбуждение происходило в режиме малых (линейных) вибраций: значения скорости в экспериментах не превышали 2,1*10-7 м/с, а силы - 1,64*10-1 Н. Диапазон частот 0...1000 Гц, частотное разрешение 0,25 Гц.
В исследовании использовались квадратные панели размером 1 м, изготовленные из стали, древесностружечной плиты, гипсокартона. Экспериментальные графики для нескольких панелей приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Входное механическое сопротивление панелей, возбуждаемых в центре сосредоточенной силой
Определяем значение первой резонансной частоты панели по первому спаду на графике частотной характеристики модуля входного механического сопротивления панели:
- древесно-стружечная плита, к =16 мм .. 38,5 Гц,
- сталь, к = 1,2 мм......................................13,4 Гц,
- гипсокартон, к = 12,5 мм........................39,5 Гц,
- сталь, к = 4 мм.........................................34,8 Гц.
V. Обсуждение результатов
На рис. 3 видно, что в начале каждой кривой имеется характерный участок с резким глубоким узким провалом. Это означает, что механическая система оказывает минимальное сопротивление развитию резонансных колебаний.
Сопоставим с эксперимент с теорией (табл. 1).
Выполним расчетную оценку первой резонансной частоты пластины /ге:1, пользуясь работой [4]. Будем рассматривать квадратную пластину с граничными условиями по контуру:
- шарнирное опирание (поворот сечения разрешен)
ж
^гвя\ 2 л
а \
В И
(1)
- жёсткая заделка (поворот сечения запрещен)
^ гвБ 2^2
\6 ж
9 а \
В И
(2)
Здесь а - длина квадратной пластинки, м; В - изгибная жесткость пластинки (зависит от толщины и материала пластинки), Н-м; ^ - поверхностная масса пластинки, кг/м2.
ТАБЛИЦА 1
СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И РАСЧЕТА
Материал и толщина панели Первая резонансная частота квадратной пластины при граничных условиях на контуре, Гц
эксперимент расчет
шарнирное опирание жесткая заделка
Древесно-стружечная плита, к =16 мм 38,5 32,7 58,2
Сталь, к = 1,2 мм 13,4 6,9 12,3
Гипсокартон, к = 12,5 мм 39,5 11,2 19,9
Сталь, к = 4 мм 34,8 23,2 41,3
Как видим, экспериментальные значения первой резонансной частоты не во всех рассмотренных случаях хорошо согласуются с результатом расчета. Это означает, что в экспериментальной ситуации имелся дополнительный фактор, который не учтен в расчетах. Такими факторами могут быть наличие растягивающего усилия в срединной поверхности панели, появляющееся при монтаже, или же условия на опорном контуре, позволяющие некоторый поворот сечения в этом месте.
VI. Выводы и заключение
1. Отмечена важность, с точки зрения практики, оценки граничных условий по контуру крепления панели и степени монтажного натяжения.
2. Описана процедура определения резонансной частоты панели по частотной характеристике входного механического сопротивления этой панели.
3. Получены экспериментальные данные для звукоизолирующих ограждений из разных материалов.
Список литературы
1. Бохан В. В., Бобров С. П., Зубарев А. В. Анализ разработки и исследования гибких сетчато-пластинчатых звукоизолирующих панелей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 10. С. 10-19. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-10-10-19.
2. Боголепов И. И. Промышленная звукоизоляция. Л.: Судостроение, 1986. 368 с.
3. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. М. : Мир, 1971. 558 с.
4. Бидерман В. Л. Прикладная теория механических колебаний: учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1972. 416 с.
УДК 621.6.01
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ МОДУЛЯ ОБЬЕМНОЙ УПРУГОСТИ «МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕЗИНЫ»
ON THE DETERMINATION OF THE BULK MODULUS OF THE MATERIAL «
METAL RUBBER»
Ю. А. Бурьян1, Г. С. Русских1, Д. П. Давыдов2, Т. В. Волкова2
1 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2ОНИЛ-1 Самарского университета, г. Самара, Россия
Y.A. Buryan1, G. S. Russkikh1, D. P. Davydov2, T.V. Volkova2
1Omsk state technical university, Omsk, Russia 2Samara university, Samara, Russia
Аннотация. Для расчета характеристик распределенного волноводного гасителя гидродинамического шума необходимо знание величины модуля объемной упругости материала «металлическая резина» (МР) и резины с наполнителем из металлических шариков, заполняющим пространство в гасителе между податливой резиновой стенкой и жестким корпусом. В работе рассмотрен расчетно-экспериментальный метод определения модуля объемной упругости образцов МР и всего материала в волноводном гасителе.
Ключевые слова: металлическая резина, гидродинамический шум, волноводный гаситель, модуль объемной упругости, частотный диапазон.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-1-31-36
I. Введение
Задача снижения величины колебательной энергии, излучаемой в окружающую среду при распространении гидродинамического шума, решается, как правило, с помощью глушителей шума или облицовкой трубопровода шумопоглощающим материалом.
В качестве глушителя целесообразно рассмотреть волноводный звукоизолятор, представляющий собой дискретный набор одинаковых резонаторов типа «масса-упругость», расположенных по длине корпуса с шагом меньше длины волны. Известны различные конструкции волноводных звукоизоляторов с резонаторами Гельм-гольца [1] или резонатором в виде упругих пластин [2]. В основополагающей работе [3] дано математическое обоснование использования дискретных колебательных систем, образующих волноводный звукоизолятор. В работе [4] приведены выражения для минимальной частоты, при которой возможно распространение нормальной волны высшего порядка в трубе. Реализовать массовый импеданс можно, расположив вдоль оси трубы резонаторы с частотой, много меньше частоты запирания волновода. В этом случае резонаторы будут создавать близкий к нулевому акустическому импедансу, и если на пути распространяющей звуковой волны имеется препятствие с нулевым акустическим импедансом, то волна отражается как от свободной границы.
II. Постановка задачи
В работе [6] предлагается организовать волноводный звукоизолятор как цепочку резонаторов «масса-упругость»; заполнив пространство между жестким корпусом и расположенным внутри него резиновым шлангом с податливыми стенками «сэндвичем» из материала МР и резиной с металлическими включениями сферической формы. Такое конструктивное решение позволяет создать звукоизолятор, обладающий широкой полосой звукопоглощения.
Принципиальная схема распределенного гасителя гидродинамического шума показана на рис. 1.
Одним из основных параметров, определяющих эффективность виброизолятора, а также ширину полосы звукопоглощения, является модуль Юнга материала МР. В связи с рядом специфических свойств материала МР данная задача является интересной с научной точки зрения.
