Комбинированный метод расчета уровней шума в крупногабаритных газовоздушных каналах Текст научной статьи по специальности «Физика»

3/2011

ВЕСТНИК

КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА УРОВНЕЙ ШУМА В КРУПНОГАБАРИТНЫХ ГАЗОВОЗДУШНЫХ КАНАЛАХ

THE COMBINED METHOD OF CALCULATION NOISE LEVELS IN LARGE-SIZED AIR-GAS DUCTS

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (НИИСФ PAACH) (1),

Предлагается комбинированная модель расчета уровней звукового давления в газовоздушных каналах. Модель учитывает смешанный зеркально-диффузный характер отражения звука. Для реализации модели разработана компьютерная программа.

The combined model of calculation sound pressure levels in air-gas ducts is offered. The model considers mixed mirror-diffuse reflection of sound. For the model implementation a computer program is elaborated.

Шум мощных вентиляторов (систем вентиляции метрополитена) дымососов и дутьевых вентиляторов (систем тяги дутья энергетических и водогрейных котлов ТЭЦ) может без значительного затухания распространяться по газовоздушным каналам и излучаться в окружающее пространство. Для установления степени шумового загрязнения окружающей среды необходимо производить расчеты распространения шума от указанных источников в газовоздушных каналах до выхода из их открытых концов (воздухозаборов, выбросных вентиляционных шахт, устьев дымовых труб).

Уровень звукового давления в любой i-ой точке канала определяется прямой и отраженной составляющими 31 аняющейся по каналу

где 10 - интенсивность звука на пороге слышимости; c - скорость звука; г^, еот1Л - соответственно, плотность прямой и отраженной звуковой энергии в ьой расчетной точке канала.

Расчет плотности прямой звуковой энергии е^ в большинстве случаев не представляет трудностей. Распределение отраженной звуковой энергии подчиняется более сложным закономерностям и зависит от формы, соотношения размеров канала, величины звукопоглощения его поверхностей и т.д.

Как правило, каналы мощных газовоздушных систем имеют большие поперечные сечения с площадью от 2 до 20 кв. м. и большую протяженность. Начиная с определенных частот, в каналах формируется отраженное квазидиффузное поле, распространение звуковой энергии в котором имеет свои особенности [3].

В.П. Гусев(1), В.И. Леденев(2), М.А. Солодова(1), Е.О. Соломатин(2)

V.P. Gusev (1), V.I. Ledenev (2), M.A. Solodova (1), E.O. Solomatin (2)

Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) (2)

(1)

ВЕСТНИК 3/2011

Согласно классификации, приведенной в [4], газовоздушные каналы относятся к длинным помещениям с соотношениями высоты Н, ширины В и длины Д в пределах Д/Н>5, В/Н<4. Характер распространения отраженной звуковой энергии в них существенно зависит от соотношения размеров и от отражающих характеристик поверхностей.

Выполненные нами экспериментальные исследования [2], а также исследования других авторов показывают, что плотность отраженной звуковой энергии в поперечном сечении длинных помещений изменяется незначительно в сравнении с ее изменениями по длине помещения. Подобное распределение энергии позволяет считать, что в длинных помещениях отраженное звуковое поле одномерно somp = f (x). Это обстоятельство дает возможность получить достаточно простые методы расчета, основанные на статистическом энергетическом подходе при некотором упрощении расчетной модели отраженного звукового поля.

Системы газовоздушных каналов в общем случае имеют разветвления, повороты и другие геометрические особенности, могущие оказать влияние на распределение в них звуковой энергии. Стенки каналов могут быть с равными по всей длине коэффициентами звукопоглощения поверхностей, а также иметь разные коэффициенты звукопоглощения, например, из-за облицовки отдельных участков поверхностей звукопоглощающими материалами. Анализ существующих методов реализации статистической энергетической модели показывает, что с учетом перечисленных выше ситуаций расчет шума в газовоздушных каналах удобнее всего использовать численные методы, и в частности, метод энергетического баланса [1].

Практическое использование данного метода для расчета уровней звукового давления в длинных помещениях показало, что при определенных условиях метод, в сравнении с экспериментальными данными, значительно занижает расчетные уровни в удаленных от источника точках помещений. Связано это в первую очередь с неучетом реального характера отражения звуковой энергии от поверхностей ограждений. Отражение звука от ограждений помещения происходит по сложным пространственным зависимостям, определяемым формой поверхности, структурой материала ограждений, углом падения и частотой звуковых волн. Описание таких зависимостей в общем виде достаточно сложно. В связи с этим при практических расчетах в основном используются две идеализированные модели отражения, а именно, модели с зеркальным и диффузным характерами отражения звука (рис. 1а, б).

При диффузной модели отражения, используемой в статистических энергетических методах, расчетные уровни в дальней зоне, как правило, оказываются более низкими по сравнению с реальными значениями.

Наряду с методом балансов для расчетов уровней в длинных помещениях нами также был использован метод прослеживания лучей (ray tracing) [5].

Разработанная нами компьютерная программа реализации метода прослеживания позволила производить расчеты при зеркальном или диффузном отражении звука от поверхностей помещений. Результаты расчетов показали, что методы расчета на основе компьютерного моделирования, использующие зеркальную модель отражения звука, занижают уровни отраженного звука в ближней к источнику зоне и существенно завышают их в дальней. Наоборот, при диффузной модели отражения, расчеты с использованием метода прослеживания, также как и численный метод, занижают уровни в дальней от источника зоне.

Расхождения связаны с тем, что в помещениях типа каналов отражение звука от стен имеет смешанный характер, при котором часть энергии отражается зеркально, а остальная энергия распределяется по всем направлениям диффузно (рис. 1в). Следова-

тельно, при разработке расчетных методов необходимо использовать более объективные модели отражения звука, и в частности, модель смешанного отражения (рис. 1в), при которой часть энергии отражается зеркально, а остальная энергия распределяется диффузно.

При таком характере отражения для оценки распределения звуковой энергии в крупногабаритных каналах нами разработан комбинированный метод расчета, при котором распределение зеркально отраженной звуковой энергии в нем определяется методом прослеживания (ray tracing) [4], а диффузная составляющая оценивается численным статистическим энергетическим методом [3]. Суммарная величина отраженной звуковой энергии определяется по принципу суперпозиции сложением результатов двух решений.

Достоинством комбинированного метода является возможность его применения для расчетов уровней звукового давления в помещениях сложной формы, в том числе и в разветвленных каналах. Реализация метода достаточно легко выполняется с использованием современной вычислительной техники. В настоящее время разработана компьютерная программа, обеспечивающая выполнение расчетов уровней звукового давления в помещениях любой сложной формы. Программа дает возможность моделировать любой характер отражения звука в соответствии с указанными выше на рис. 1 схемами. При идеальной зеркальной модели отражения (рис. 1а) расчет уровней звукового давления в программе выполняется методом прослеживания лучей. При диффузной модели отражения (рис. 16) расчеты производятся методом прослеживания лучей и численным статистическим энергетическим методом. В случае использования смешанной модели отражения (рис. 1в) для помещений типа каналов методом прослеживания лучей оценивается зеркально отражаемая часть энергии. При этом учитывается, что в процессе отражения часть зеркально направленной энергии переходит в диффузно отраженную энергию, расчет которой выполняется численным статистическим энергетическим методом. Прослеживание лучей в программе производится до тех пор, пока их энергия за счет поглощения на ограждениях, перехода зеркальной части энергии в диффузную и поглощения в воздушной среде не уменьшится в 106 раз.

Достаточно неопределенным моментом при использовании смешанной модели отражения является установление степени распределения отраженной энергии между зеркальной и диффузной составляющими. Для выявления соотношения зеркальной и диффузной составляющих была произведена серия расчетов для реальных длинных помещений с последующим сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными. Установлено, что распределение энергии между зеркальной и диффузной составляющими существенно зависит от материала поверхностей канала. Для каналов,

выполненных из бетона, величина диффузно отраженной энергии составляет 10 - 15% от всей отражаемой энергии. В каналах из кирпичной кладки эта величина существенно выше и зависит от качества кладки. Для оштукатуренных кирпичных поверхностей доля диффузно отражаемой энергии составляет 20%. Для установления доли отражаемой энергии для других поверхностей необходимо проведение серии целенаправленных экспериментальных исследований в каналах различных форм и пропорций.

Ниже в качестве примера приведены результаты исследований в канале системы вентиляции здания Тамбовской областной библиотеки имени A.C. Пушкина. Схема канала и исходные данные к расчету приведены на рис. 2. Потолок, стены и пол канала выполнены бетонными. При экспериментах в качестве источника шума использовался всенаправленный источник звука (додекаэдр) OED-SP-012-600. Измерение уровней звукового давления производилось шумомером ОКТАВА-Ю1АМ.

31

31

-И

ни

м i-г

,Jrl и ■ К.* X г | *

-к

и

Ii -U -1- -1г. i. -1ч -щ -;u -П

Д

öi i J 1 и, ■ v : \.f ' Inj i \ зл I 5.? т^ TiT

у 1 • * " • ' ■■■ ta- . .

|'И.. 2 t ЛцЦО ......... LEjni-Jb| ll-nTTl.l#T?TWI СПРИ (■■ц^чТЬЪ.......................f-Mj^lMir« I

1*4 . А ^ 1I vi_I_ I! Ни f 11lhI|<№#-;i|ilL'l| IKTFpiinH ЩР« II IT*KT* рф«ф(>||П

J.II IM >n.

На рис. 3 даны результаты эксперимента и расчетов уровней звукового давления различными методами с различными моделями отражения звука. Расчеты произведены методом прослеживания при зеркальной и диффузной моделях отражения, численным методом при диффузной модели отражения и предлагаемым комбинированным методом расчета. В последнем случае использовалась смешанная модель отражения, в которой величина диффузно отражаемой энергии составляла 15%.

Из графиков рис. 3 видно, что при зеркальной модели отражения расчетные уровни значительно завышены по сравнению с экспериментальными данными. В это же время при диффузной модели отражения наблюдаются значительные занижения уровней в удаленных от источника зонах канала. Наиболее близкие результаты при данных поверхностях канала дает смешанная модель отражения.

Таким образом, выполненные нами исследования показали, что для объективной оценки распределения звуковой энергии в крупногабаритных каналах необходимо использовать предложенный комбинированный метод расчета. Метод и его компьютерная реализация позволяют решать задачи по расчету уровней звукового давления в каналах с учетом реального характера отражения звука от поверхностей. Для повышения надежности метода необходимо провести серию экспериментальных исследований и сравнительных расчетов комбинированным методом в каналах с поверхностями из различных материалов. Это необходимо для объективного установления доли диф-фузно отраженной энергии в смешанной модели отражения звука. Такие исследования в настоящее время проводятся в научно-образовательном центре «ТГТУ-НИИСФ РА-АСН»

Литература

1. Гусев В.П., Леденев В.И., Соломатнн Е.О. Энергетический метод оценки распространения шума в газовоздушных трактах // Academia. Архитектура и строительство. 2010. с. 230-234.

2. Гусев В.П., Солодова М.А. К вопросу о распространении шума в крупногабаритных газовоздушных каналах // Academia. Архитектура и строительство. 2010. с. 211-219.

3. Леденев В.И. Статистические энергетические методы расчета шумовых полей при проектировании производственных зданий. Тамбов, Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000.

ВЕСТНИК 3/2011

4. Осипов Г.Л., Юдин Е.Я. и др. Снижение шума в зданиях и жилых районах. М., Стройиз-дат, 1987.

5. Шредер, М. Р. Компьютерные модели акустики концертных залов / М.Р. Шредер // Амер. Ж. Физ. 1973. вып. 41. 1973. с. 461-471.

Literature

1. Gusev V.P., Ledenev V.I., Solomatin E.O. Energy method evaluation of the noise in the air ducts // Academia. Architecture and Construction. 2010. pp. 230-234.

2. Gusev V.P., Solodova M.A. On the Issue on distribution of noise in large-sized air-gas ducts // Academia. Architecture and Construction. 2010. pp. 211-219.

3. Ledenev V.I. Statistical energy calculation methods of noise fields while designing industrial buildings. Tambov, 2000.

4. Osipov G.L., Udin E. и др. Noise reduction in buildings and residential areas. Moscow, 1987

5. Schroeder M. R. Computer models for concert hall acoustics. Amer. J. Phys. 1973. Issue 41. 1973, pp. 461 - 471.

Ключевые слова: крупногабаритные газовоздушные каналы, шум, уровни шума, статистические энергетические методы расчетов, комбинированный метод расчета, точность расчетов.

Keywords: large-sized air-gas ducts, noise, noise levels, statistical energy methods for calculation, combined method of calculation, precision of calculations.

e-mail. авторов: gsiad@,mail.tambov.ru. gsiad@mail.tambov.ru, marina.solod@rambler.ru