CC BY
38
КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
THE COMBINED METHOD OF CALCULATION NOISE LEVELS IN INDUSTRIAL PREMISES WITH PROCESS EQUIPMENT
Макаров A.M.(1), Демин О.Б.(1), Дидицкий B.A.(1), Крышов С.И.(2) Makarov А.М.(1), Dyomin O.B.(1), Diditsky V.A.(1), Kryshov S.I.(2)
ТГТУ (1), НИИСФ PAACH (2)
В докладе рассматривается комбинированная модель расчета уровней звукового давления в производственных помещениях с технологическим оборудованием. Модель позволяет учитывать характер отражения звука от поверхностей помещения и распределение прямой энергии с учетом экранирования звука оборудованием.
In the report the combined model of calculation levels sound pressure in industrial rooms with the process equipment is considered. The model allows to consider character of a reverberation of sound from surfaces of a room and distribution of straight energy taking into account shielding of a sound by the equipment.
Технологическое оборудование в производственных помещениях существенным образом влияет на распределение звуковой энергии. Степень этого влияния зависит от большого количества факторов. Формализовать это влияние каким-либо образом представляется весьма затруднительным. Наиболее приемлемым в этом случае является компьютерное моделирование, позволяющее отразить процессы распространения звуковой энергии в подобных ситуациях с достаточным для практики приближением к реальности.
Данный подход использован при решении задачи оценки шума в помещениях с технологическим оборудованием. Рассматривается модель шумового поля помещения цеха, в котором установлено однотипное оборудование в виде станков. Оборудование при моделировании можно аппроксимировать параллелепипедами различных пропорций и размеров. Источники шума могут быть приняты точечными или объемными.
Уровень звукового давления в любой i-той точке помещения определяется прямой и отраженной составляющими звуковой энергии, распространяющейся в замкнутом объеме
Li = 10 lg[c(snpi + £ompi)/I0] (1)
где I0 - интенсивность звука при пороге слышимости; с - скорость звука; £npi,£ompi -соответственно, плотность прямой и отраженной звуковой энергии в i-той расчетной точке помещения.
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
Расчет плотности прямой энергии в пустых помещениях при работе источников небольших размеров (точечных источников) не представляет трудностей. В случае источников больших размеров сложных пространственных форм и при наличии технологического оборудования эта задача становится достаточно сложной. Для таких условий в НОЦ «ТГТУ-НИИСФ РААСН» под руководством А.И. Антонова разработан компьютерный метод оценки распределения плотности прямой звуковой энергии, основанный на использовании метода прослеживания лучей [2], исходящих вероятностным образом с поверхностей излучающего шум оборудования. Метод позволяет получать распределение плотности прямой энергии с учетом экранирования звука оборудованием и крупными строительными конструкциями.
Распределение отраженной звуковой энергии подчиняется более сложным закономерностям. На формирование отраженного шумового поля помещений кроме рассеяния звука оборудованием оказывают влияние также и другие факторы. К главным из них относятся: объемно-планировочные параметры помещения, характеристики звукопоглощения поверхностей ограждений и оборудования, характер отражения звука от поверхностей, место положения источников шума и др. (рис. 1). В связи с тем, что форма производственных помещений отличается от правильных объемов, отсутствуют достаточно точные сведения об акустических характеристиках их поверхностей, а также имеется ряд других факторов, повышающих степень неопределенности в задании исходных и граничных условий, наиболее применимыми для решения задачи о распределении звуковой энергии в этих помещениях являются методы, разработанные нами на основе статистического энергетического подхода [1] и метод компьютерного моделирования траекторий лучей, испускаемых источником звука [2].
V
Диф^'шыи
Си-'КМННМЛ
ж
рагсешиый
Ж.
Хдрапер отрьжоши ■| Ечта от стопе;.™ нос геИ ограадепиП
Зитоплт-юпштпе огра 1Д1ЮШ1!?. (йнпрмииП
1Е ОШ^'^йНКШ
Бо «чмпц-
ДИПНД11
Сс щуиелагю-мсннм
Омлмио-Я.нИИромчн Иг Илр1* лп^и пЬигШвпЛЙ
п.-шпринишьк !11{>1-
С'.рршкршч*
И-
Дшнинс -' и 1 3 И ■■■ *
Плотность
Т.
Плоские:
Ц Я-Н'4.
Омоипк
. т а-м.и' О^-ЦМ
- О 03 < г<<ш
[
Высота
' обрртдвдщжм
ч{ Щыоям; А >ДТА ]
Рнс 1 - Фахт^ры. я пиюише ил прчие« формирован!» ш'ч Чв.е их полей |!ОЖШ(!М||| при мипшш тмнотопикси»? ок^и'дмиилд.
Выбор конкретного метода для каждой расчетной ситуации во многом определяется характером отражения звуковой энергии от поверхностей. Компьютерное моделирование на основе метода прослеживания лучей дает возможность моделировать зеркальное или диффузное отражение. В то же время в статистических энергетических методах используется только диффузная модель отражения звука.
Реальный характер отражения звуковых лучей от оборудования и поверхностей помещения существенно отличается от идеальных зеркальной и диффузной моделей. Достаточно близкое приближение к реальным условиям дает модель смешанного отражения, при которой после отражения луча часть энергии распространяется зеркально, а остальная часть диффузно. Следовательно, при расчетах необходимо использовать комбинированный метод. Такой метод разработан в НОЦ «ТГТУ-НИИСФ РА-АСН». Распределение зеркально отраженной звуковой энергии в нем определяется методом прослеживания [2], а диффузно отраженной звуковой энергии численным статистическим энергетическим методом [1]. Метод использован нами для оценки шума в помещениях с оборудованием.
Для реализации метода разработана компьютерная программа, в основе которой положен следующий алгоритм. Вначале методом прослеживания лучей производится оценка распределения плотности прямой звуковой энергии с учетом размеров и положения оборудования, а также положения, формы и размеров источника шума. В зависимости от сложности формы и размеров поверхностей источника может прослеживаться до 20000 лучей. Затем методом прослеживания лучей определяется распределение плотности зеркально отраженной от поверхностей ограждений и оборудования звуковой энергии. При этом учитывается потеря части энергии прослеживаемого луча за счет перехода при отражении некоторой доли зеркальной энергии в диффузную. Каждый луч прослеживается до тех пор пока энергия луча не уменьшится в 106 раз. После этого численным методом энергетических балансов производится расчет диффузно отраженной звуковой энергии [1]. После вычисления плотности отраженной звуковой энергии выполняется расчет уровней звукового давления в каждой расчетной точке по формуле (1). При этом £отр1 принимается равной:
^отр1 ^отр.прЬ ^отр.дф1> (2)
где £отр,пр1, £отр.дфь - соответственно, плотности звуковой энергии в г-той расчетной точке, полученные методом прослеживания лучей и численным методом энергетических балансов.
При решении задачи оценки распределения диффузно отраженной звуковой энергии численным методом весь воздушный объем помещения разбивается на элементарные объемы и для каждого из них составляется уравнение баланса диффузно отраженной от оборудования и ограждений помещения энергии. Общее распределение плотности диффузно отраженной энергии находится из решения полученной системы алгебраических уравнений.
Баланс отраженной звуковой энергии для г-го элементарного объема без учета поглощения звука в воздухе записывается в виде:
Т}=1{чл - + №)гк - д(а)гк)% = о (3)
где и - потоки энергии, проходящие из у'-го объема в г-й, и, наоборот, уходящие из г-го ву'-й через поверхность ; ^(w)ífc и ^(а)^ - потоки диффузной энергии, соответственно, вводимой в г-й объем с к-ой поверхности после отражений лучей прямого звука и прослеживаемых отраженных лучей, и потоки диффузной энергии, поглощаемой на к-ой поверхности г-го объема, являющейся поверхностью ограждения помеще-
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
ния или оборудования с площадью 5^-; N - количество у-х объемов, контактирующих с г-м объемом; 6 — N - количество граней г-го объема, являющихся поверхностями ограждений помещения или оборудования.
Потоки энергии и определяются как:
Чц^г]{Е}-Е1)/К1}, (4)
где кц - шаг сетки в направленииу-го объема.
Величины потоков ^(а)^ определяются по формуле:
ц(а)1к = акГс- £¿/2(2 - ак1) , (5)
где ак1 - коэффициент звукопоглощения к-ой поверхности г-го объема.
Потоки ^(w)jfc находятся как
í(w)ifc = СьЕп=1£ир.пЬг С(1 _ акд + Ет=1 £отр.пр.тк1 С(Х ~ акд~\ (6)
где £прПк1 - плотность звуковой энергии и-го луча прямого звука, падающего на к-ю поверхность г-го элементарного объема; £отр.пртк1 - плотность звуковой энергии прослеживаемого ш-го отраженного луча, падающего на к-ю поверхность г-го элементарного объема; - доля энергии прямых и отраженных прослеживаемых лучей, переходящей в диффузную энергию при отражении лучей от к-ой поверхности.
Для оценки предложенной расчетной модели были произведены экспериментальные исследования распределения звуковой энергии в модельных помещениях с различным расположением в них рассеивателей звука и выполнены расчеты уровней звукового давления предложенным комбинированным методом. Исследования выполнены для трех модельных помещений с различными пропорциями: соразмерного - 3.73х1.3х0.97(й) м; длинного - 3.73х1.3*0.58(й) м; плоского - 3.73х1.3х0.32(й) м. Измерения производились в пустых помещениях и при наличии 23 рассеивателей размерами 0.25х0.12х0.09(Ъ) и 0.25х0.12х0.18(Ъ); а также 0.12х0.09х0.25(Ъ) и 0.12х0.18х0.25(Ъ) м. Рассеиватели во всех случаях были покрыты звукопоглощающим материалом с коэффициентом звукопоглощения а0 — 0.23. Исследования производились в октавной полосе частот с /ср=4000 Гц. В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены результаты экспериментов и расчетов, выполненные в длинном модельном помещении.
4 лС 110
10«! 104
¡00
»в ^
и
и 4000Ги]
>ч_^
а_. =О.0< = 0.0Т и,,., = о ;з ■ -=ч*—**—1
1
1.0
■1Л
Рлс 2 4 УрОРШМЭДИОНИГЦ Л-Н!) ГсШН I ПуСПЦ.] ЦЯИН 1ЮМЛЦСЛШ I! [фН II I кгши
рпегЕШштйсй- - - - * - пиИыЛпЫе (-йсЕперИипП^ - -пустек
ГОжШстиС ('рвеЧтет): —А— -С ртсиепллгсия.ип разМфщП 0.15 С».^с И
I непершеят;; —* ср4«аш1№ммпрщсри1п[М2»0<2£*(}.09(Лг)и <|ч«"т*т): - — • С [ииссЯНл| с.1и1 и риис^чК (1,11 кй-ЗИ >0.' Л£1К])||1(гИ1 к —»— -с [цсндишш¡нжркА о.Ц г^? |р ¡К| м I г.г (расчет)
¿.дБ ПО
I os
)Oi iqj 302
[00
9$ SI
92 И»
oaii 0.5 I .ft I ft
i'nc J - Y[wni[H dyioHiD iiuiiDuR ii LTyuicH uiDDmri [кмчсшешш и "i" huinnh
1J рычешьпстеЛ--— * иустм имниник i :nii:iiC5Ji[ueKr>.-- пустое
Помещение fl4ClfTI. с рпссгпяатс.иып pauiqiitirn 0 t--0 0M 0 ^Jiirtw
JjiLHievinifhn i —*— - и piujuiiui tic.iu JflрНЦсржы*t.l!<l).09'u.lSt'u hi фтн i: pKi;;iipnie.1nVI1piTMcpnFJi['M: ft IS ■ il 1Ч (ЦПКрШКЖГ):—■
с iwwcuMie t^ i4(j4iuj( 0.11)4) [X ■ 0-.2JfJi > м. ipW4ei h
Сравнительный анализ показал, что расчетная модель удовлетворительно реагирует на изменения объемно-геометрических и акустических параметров модельного помещения и оборудования. Расхождения между расчетными и экспериментальными данными не превышают ±2 дБ, что свидетельствует об удовлетворительном описании распределения звуковой энергии в помещениях с технологическим оборудованием предложенной комбинированной расчетной моделью. Для оценки соответствия расчетной модели характеру распределения шума в реальных производственных помещениях необходимо провести серию экспериментальных исследований. Такие исследования проводятся в настоящее время в рамках НОЦ «ТГТУ - НИИСФ РААСН»
Литература
1. Леденев В.И. Статистические энергетические методы расчета шумовых полей при проектировании производственных зданий. Тамбов, Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000
2. Шредер, М. Р. Компьютерные модели акустики концертных залов / М.Р. Шредер // Амер. Ж. Физ. 1973. вып. 41. - 1973. - С. 461-471.
Literature
1. Ledenev V.I. Statistical energy calculation methods of noise fields while designing industrial buildings. Tambov, 2000
2. Schroeder M. R. Computer models for concert hall acoustics. Amer. J. Phys. 1973. vol. 41. 1973, pp. 461 - 471.
Ключевые слова: уровни шума, шум, оборудование, рассеиватели, статистические энергетические методы расчетов, комбинированный метод расчета.
Keywords: noise levels, noise, equipment, scatterers, statistical energy methods for calculation, combined method of calculation.
E-mail авторов: Sascha_68@rambler.ru, ais@mail.nnn.tstu.ru, gsiad@mail.tambov.ru, skryshov@yandex.ru
