CC BY
38
УДК 534.84
Б.И. Гиясов, В.И. Леденев*, А.М. Макаров*
ФГБОУ ВПО «МГСУ», *ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Размещение в помещениях оборудования приводит к существенному изменению акустических характеристик: средней длины свободного пробега, времени реверберации, среднего коэффициента звукопоглощения. Изменения оказывают влияние на распределение отраженной звуковой энергии в объеме помещения. Неучет данного обстоятельства приводит к погрешностям при определении уровней звукового давления и оценке эффективности строительно-акустических мер снижения шума, и, в частности, звукопоглощающих облицовок. Рассмотрены результаты моделирования акустических процессов в помещениях с оборудованием и проанализировано влияние оборудования на звукопоглощение помещения.
Ключевые слова: средняя длина свободного пробега звуковых лучей, время реверберации, коэффициент звукопоглощения, производственные помещения.
При выборе строительно-акустических мер снижения шума в производственных помещениях и оценке их эффективности производятся многократные расчеты энергетических параметров шума. Достоверность расчетов зависит от степени учета реальных условий формирования отраженных звуковых полей. Энергетические параметры отраженного поля существенно зависят от наличия в помещениях технологического оборудования и других предметов, падая на которые звуковые волны рассеиваются в пространстве помещения в общем случае вероятностным образом. Рассеяние звуковой энергии приводит к изменению акустических параметров помещения: средней длины свободного пробега звуковых волн, времени реверберации, среднего коэффициента звукопоглощения. Неучет данных обстоятельств может вызвать существенные погрешности при определении уровней звукового давления и оценке эффективности строительно-акустических мер снижения шума, и в частности, звукопоглощающих облицовок.
Для оценки влияния оборудования на акустические параметры помещения нами разработаны компьютерные программы [1, 2], построенные в соответствии с принципами метода прослеживания лучей [3].
Программа состоит из отдельных независимых модулей, комбинируя которые можно моделировать акустические процессы в помещениях с различными акустическими свойствами.
При разработке модуля по вычислению средней длины свободного пробега звуковых лучей было учтено, что в реальных помещениях энергия лучей не остается постоянной, а уменьшается при каждом отражении от поверхностей. Следовательно, в помещении одновременно существуют лучи с большими значениями переносимой энергии, определяющие основной вклад энергии в формирование отраженного звукового поля, и лучи с малым количеством энергии, несущественно влияющие на энергетические характеристики поля. С учетом этого, а также наличия технологического оборудования, повышающего степень случайности направлений отраженных звуковых лучей, в программе предусмотрена возможность определения средней длины пробега лучей с использованием модели отражения звука по закону Ламберта с учетом их реального энергетического состояния. Методика такого подхода изложена в [4].
© Гиясов Б.И., Леденев В.И., Макаров А.М., 2012
271
вестник 11/2012
В модуле по определению времени реверберации производится вычисление энергетических параметров отраженного звукового поля после отключения источника шума и установление времени затухания отраженной энергии на 60 дБ относительно первоначального уровня.
Получаемые сведения о средней длине свободного пробега и времени реверберации дают возможность определять средний коэффициент звукопоглощения помещения, используя известную формулу Эйринга в виде
Грае = 0,041/ср.рас/(- 1п (1 -а £")), (1)
где Трас — время реверберации в помещении с рассеивателями, вычисляемое в программе по спаду уровней отраженной звуковой энергии после прекращения действия источника; /сррас — средняя длина свободного пробега лучей в помещении с рассеивателями, определяемая в программе с учетом энергетической значимости лучей; а ррсч — расчетный средний коэффициент звукопоглощения в помещении с рассеивателями.
Программы использованы при оценке влияния технологического оборудования на акустические характеристики производственных помещений. Ниже в качестве примера приведены результаты исследования в плоском производственном помещении с размерами 36 х 36 х 6 м. Расчеты выполнялись при размещении в нем 81 рассе-ивателя размерами 1,5 х 1,5 х 1,5 м. Расстояние между гранями соседних рассеивате-лей принималось равным 2,0 м. Предметы размещались симметрично относительно центра помещения и равномерно заполняли всю площадь пола. Коэффициенты звукопоглощения стен а и пола а принимались равными 0,02, а поверхностей рас-
ст пол А А А
сеивателей — 0,05. Коэффициенты звукопоглощения потолка а изменялись от 0,02 до 0,90. Отражение звука от поверхностей принималось диффузным и соответствовало закону Ламберта. Источник шума располагался в центре помещения и излучал энергию равномерно в сферу. При моделировании в каждом случае прослеживалось 30000 лучей.
При исследовании влияния рассеивателей на длину среднего свободного пробега выполнялись также расчеты длин пробега в пустом помещении при использовании формулы Сэбина
/ср.с = 4У1Б, (2)
не учитывающей энергетическую значимость отдельных лучей, и расчеты длин пробега /срэн в пустом помещении с использованием методики, учитывающей энергетическую значимость лучей. В формуле (2) V и — соответственно объем и площадь ограничивающих поверхностей помещения.
Графики изменения средних длин свободного пробега в зависимости от звукопоглощения потолка приведены на рис. 1. Видно, что в пустом помещении при увеличении коэффициента звукопоглощения потолка апот наблюдается рост средней длины пробега I эн. Данное обстоятельство связано с вырождением косых лучей, более часто падающих на поверхность потолка, и с увеличением энергетической значимости касательных и осевых лучей, не попадающих на звукопоглощающую поверхность потолка.
В то же время видно, что наличие рассеивателей резко уменьшает длину среднего свободного пробега I . При этом длина I мало зависит от звукопоглощения по-
А ср.рас А ср.рас ^
толка апот. Очевидно, это связано с тем, что основную энергию несут лучи, распространяющиеся в пределах пространства с рассеивателями. Установлено, что в данном случае при коэффициентах апот < 0,50 хорошо согласующиеся с /сррас результаты дает измененная формула (3), учитывающая наличие в помещении рассеивателей.
1ср.с.р = 4((Урас )/( + ¿рас), (3)
где V , 5рас — суммарные объем и площадь размещенных в помещении рассеивателей.
4р, м
10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5
—) г__—5 s---- t-> С---'
-—♦—1 ► - ь 1 ----
' < ► <
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Рис. 1. Изменение средней длины свободного пробега в плоском помещении в зависимости
от звукопоглощения потолка: —х--результаты моделирования в пустом помещении /срэн; ♦ ♦ — то же в
помещении с рассеивателями 1ср ;--расчеты в пустом помещении по формуле (2) /ср с;---— расчеты
в помещении с рассеивателями по формуле (3) /
Результаты исследования времени реверберации: результаты расчетов времени реверберации Трас, полученные методом прослеживания лучей [2], а также данные расчетов, выполненных по формуле Эйринга с использованием средних длин пробега, определяемых по формулам (4) и (5), — приведены на рис. 2.
Т, c
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
\ \
\
< f >
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Рис. 2. Изменение времени реверберации в помещении в зависимости от звукопоглощения
потолка: ♦ ♦ — результаты компьютерного моделирования Трас;--расчеты по формуле (4) Тэ.
расчеты по формуле (5) Т
Тэ = 0,04V/(-ln (1 -а ср)); Трас.э = 0,041/ср.с.р/(- ln (1 -а ср)).
(4)
(5)
Как видно, в формуле (5) учитывается изменения средней длины свободного пробега лучей из-за наличия рассеивателей, в формуле (4) эти изменения не учтены. В
а
пот
а
пот
вестник
11/2012
формулах (4) и (5) использованы средние коэффициенты звукопоглощения помещения ас, определяемые как
а ср =
Еа 5+аоб5с
^общ '
(6)
где а., S — коэффициент звукопоглощения и площадь /-й поверхности ограждения; ао6, — коэффициент звукопоглощения и общая площадь поверхностей рассеивателей; £о6щ — общая площадь поверхностей ограждения и рассеивателей.
Видно, что расчеты по формуле (5) достаточно хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования. В то же время результаты расчетов по формуле (4), которая обычно используется в практике, существенно отличаются от результатов моделирования в помещениях без звукопоглощающей облицовки (апот < 0,20). В помещениях с заглушенным потолком результаты расчетов по формулам (4) и (5) практически совпадают с данными моделирования.
Расхождения расчетов времени реверберации по формуле (4) с результатами моделирования указывают на одно практически важное обстоятельство, связанное с оценкой звукопоглощения оборудования, размещаемого в помещении. Считается, что фактическое звукопоглощение оборудования в целом значительно выше, чем звукопоглощение отдельных металлических поверхностей этого оборудования [3]. Такие выводы основываются на результатах расчетов среднего коэффициента звукопоглощения помещения с использованием времени реверберации Г , получаемой экспериментально. В этом случае средний коэффициент а™ определяется по формуле Эйринга, записываемой в виде
с/(-!и (1 -а™)). (7)
Т™ = 0,041/
Так как I значительно больше, чем I (см. рис. 1), значения а™м, получаемые
ср.с ^ ср.рас у А ср ^ ^
по формуле (7), могут весьма существенно превышать величины аср, определяемые по формуле (6).
Подставляя в формулу (6) вместо аср значение а™, можно получить значение а'об, учитывающее кроме собственного звукопоглощения поверхностей рассеивателей кажущееся дополнительное звукопоглощение, вызванное неучетом в формуле (7) уменьшения средней длины свободного пробега лучей за счет наличия в помещении рассеивателей.
На рис. 3 приведены значения аОб, полученные для рассматриваемого плоского помещения. При этом в качестве Тизм в формуле (7) принимались значения Грас, вычисляемые методом прослеживания лучей. Видно, что величины аОб значительно превышают использованные при расчетах фактические значения аоб = 0,05. В то же время они согласуются с указанными в [3] данными, полученными экспериментально для технологического оборудования, размещаемого в производственных помещениях.
0,22
0,18
0,14
0,10
/
/ / ✓ /
/ ✓
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Рис. 3. Изменение коэффициента звукопоглощения рассеивателей а'об в зависимости от звукопоглощения потолка апОт
а
а
пот
Полученные результаты исследований изменений акустических параметров помещений при расположении в них рассеивателей дают основание считать, что компьютерное моделирование процессов формирования отраженного поля на основе метода прослеживания лучей является эффективным средством анализа шумовой обстановки в реальных производственных помещениях. Оно позволяет объективно определять интегральные акустические характеристики производственных помещений, учитывая влияние на них параметров помещений, характеристик рассеивающего звук оборудования и других значимых для распределения отраженной звуковой энергии факторов. В настоящее время на основе выполненных исследований предложен расчетный метод для оценки шума в помещениях сложной формы с технологическим оборудованием [6] и разработана программа для его реализации [7].
Библиографический список
1. Свидетельство № 2008610070 о регистрации программы для ЭВМ. Расчет уровней шума стационарного звукового поля и средней длины свободного пробега в производственных помещениях методом прослеживания звуковых лучей / А.И. Антонов, А.М. Макаров (РФ); опубл. 9.01.2008.
2. Свидетельство № 2008610071 о регистрации программы для ЭВМ. Расчет уровней шума нестационарного звукового поля и времени реверберации в производственных помещениях методом прослеживания звуковых лучей / А.И. Антонов, А.М. Макаров (РФ); опубл. 9.01.2008.
3. Schroeder M.R. Computer models for concert hall acoustics // AJP. 1973. V.41, № 4. pp. 461—471.
4. Антонов А.И., Леденев В.И. Методика оценки средней длины свободного пробега звуковых волн в помещениях // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. Тамбов, 2004. Вып. 16. С. 3—6.
5. Снижение шума в зданиях и жилых районах / Г. Л. Осипов, Е.Я. Юдин, Г. Хюбнер и др. ; под ред. Г. Л. Осипова, Е.Я. Юдина. М. : Стройиздат, 1987. 558 с.
6. Леденев В.И., Макаров А.М. Расчет энергетических параметров шумовых полей в производственных помещениях сложной формы с технологическим оборудованием // Научный вестник ВГАСУ 2008. № 2 (10). С. 94—101.
7. Свидетельство № 2008610131 о регистрации программы для ЭВМ. Расчет шумового поля в производственных помещениях с технологическим оборудованием комбинированным геометрическим — статистическим методом / А. М. Макаров, А. И. Антонов (РФ); опубл. 9.01.2008.
Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.
Об авторах: Гиясов Ботир Иминжонович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой архитектурно-строительного проектирования, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Россия,
г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8495) 287-49-14, dandyr@mail.ru;
Леденев Владимир Иванович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры городского строительства и автомобильных дорог, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская,
д. 112, корпус Е, 8(4752) 63-09-20, 63-03-72, gsiad@mail.tambov.ru;
Макаров Александр Михайлович — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры городского строительства и автомобильных дорог, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 392032, г Тамбов, ул. Мичуринская, д. 112, корпус Е, 8(4752) 63-09-20, 63-03-72, gsiad@mail.tambov.ru.
Для цитирования: Гиясов Б.И., Леденев В.И., Макаров А.М. Компьютерный анализ влияния технологического оборудования на акустические характеристики производственных помещений // Вестник МГСУ. 2012. № 11. С. 271—277.
вестник 11/2012
B.I. Giyasov, V.I. Ledenev, A.M. Makarov
SOFTWARE ANALYSIS OF INFLUENCE OF ITEMS OF PROCESS MACHINERY PRODUCED ONTO ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF INDUSTRIAL PREMISES
The authors argue that irregular geometrical patterns of industrial premises and items of the process machinery installed in industrial premises cause redistribution of the acoustic energy and its essential acoustic properties, including the average free path length, the reverberation time, and the average sound absorption coefficient. Any failure to take account of the above influence causes errors in identification of the sound pressure intensity and in assessment of efficiency of design and acoustics-related actions aimed at noise reduction that incorporate sound-proof facing.
The authors present the results of simulation of acoustic processes in the premises that have items of process machinery installed, and analyze their influence on the sound absorption intensity. The software developed on the basis of the beam tracing method is designated to assess the influence of patterns of arrangement of items of equipment onto acoustic parameters of premises. The software comprises independent modules designated for the simulation of acoustic processes in different premises that demonstrate different acoustic properties. The results of the research demonstrate that the software simulation of noise processes on the basis of the method of beam tracing is an effective tool that may be effectively applied in the analysis of noise patterns inside industrial premises. The software may be employed to identify integrated acoustic patterns inside industrial premises with account for the influence of dimensions of premises, characteristics of items of process machinery capable of disseminating sounds, etc. and other factors of significance in terms of the distribution of reflected sound energy. Presently, advanced software is being developed on the basis of the proposed method of noise assessment in the premises that have irregular geometrical patterns.
Key words: average free path length, reverberation time, sound absorption coefficient, industrial premises.
References
1. Antonov A.I., Makarov A.M. Svidetel'stvo № 2008610070 o registratsii programmy dlya EVM. Raschet urovney shuma statsionarnogo zvukovogo polya i sredney dliny svobodnogo probega v proiz-vodstvennykh pomeshcheniyakh metodom proslezhivaniya zvukovykh luchey [Certificate № 2008610070 of Registration of a Software Programme. Analysis of Noise Produced by the Stationary Acoustic Field Using Method of Acoustic Beam Tracing]. Published on 9.01.2008.
2. Antonov A.I., Makarov A.M. Svidetel'stvo № 2008610071 o registratsii programmy dlya EVM. Raschet urovney shuma nestatsionarnogo zvukovogo polya i vremeni reverberatsii v proizvodstven-nykh pomeshcheniyakh metodom proslezhivaniya zvukovykh luchey [Certificate № 2008610071 of Registration of a Software Programme. Analysis of Noise Produced by the Non-stationary Acoustic Field and Analysis of Reverberation Time Inside Industrial Premises Using Method of Acoustic Beam Tracing]. Published on 9.01.2008.
3. Schroeder M.R. Computer Models for Concert Hall Acoustics. AJP, 1973, vol. 41, no. 4, pp. 461—471.
4. Antonov A.I., Ledenev V.I. Metodika otsenki sredney dliny svobodnogo probega zvukovykh voln v pomeshcheniyakh [Methodology of Assessment of the Average Free Path Length of Acoustic Waves inside Premises]. Tambov, Collected Works of Tambov State Technical University, 2004, no. 16, pp. 3—6.
5. Osipov G.L., Yudin E.Ya., Khyubner G., edited by Osipov G.L. and Yudin E.Ya. Snizhenie shu-ma v zdaniyakh i zhilykh rayonakh [Noise Reduction inside Buildings and Residential Areas]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987, 558 p.
6. Ledenev V.I., Makarov A.M. Raschet energeticheskikh parametrov shumovykh poley v proizvod-stvennykh pomeshcheniyakh slozhnoy formy s tekhnologicheskim oborudovaniem [Analysis of Energy Parameters of Acoustic Fields Inside Industrial Premises That Have Irregular Geometric Patterns and That Accommodate Items of Process Machinery]. Nauchnyy vestnik VGASU [VGASU Scientific Bulletin]. 2008, no. 2 (10), pp. 94—101.
7. Antonov A.I., Makarov A.M. Svidetel'stvo № 2008610131 o registratsii programmy dlya EVM. Raschet shumovogo polya v proizvodstvennykh pomeshcheniyakh s tekhnologicheskim oborudo-vaniem kombinirovannym geometricheskim — statisticheskim metodom [Certificate № 2008610131 of Registration of a Software Programme. Analysis of Noise Fields Inside Industrial Premises That Accommodate Process Machinery Using an Integrated Geometrical-Statistical Method]. Published on 9.01.2008.
About the authors: Giyasov Botir Iminzhonovich — Candidate of Technical Sciences, Chair, Department of Architectural and Civil Engineering Design, Mytishchi Branch, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), Moscow Region, Mytishchi, 50 Olimpiyskiy prospekt, 141006, Russian Federation; dandyr@mail.ru; +7(495) 287-49-14;
Ledenev Vladimir Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor, Department of Urban Design and Road Building, Tambov State Technical University (TSTU); Building E, 112 Michurinskaya st., Tambov, 392032, Russian Federation; gsiad@mail.tambov.ru, +7 (4752) 63-09-20, +7 (4752) 63-03-72;
Makarov Aleksandr Mikhaylovich — Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department of Urban Design and Road Building, Tambov State Technical University (TSTU); Building E, 112 Michurinskaya st., Tambov, 392032, Russian Federation; gsiad@mail.tambov.ru, +7 (4752) 63-0920, +7 (4752) 63-03-72.
For citation: Giyasov B.I., Ledenev V.I., Makarov A.M. Komp'yuternyy analiz vliyaniya tekhno-logicheskogo oborudovaniya na akusticheskie kharakteristiki proizvodstvennykh pomeshcheniy [Software Analysis of Influence of Items of Process Machinery Produced onto Acoustic Characteristics of Industrial Premises]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 271—277.
