CC BY
21УДК: 628.517.2 OECD: 01.03.AA
Облегченные звукозащитные панели
Мурзинов В.Л.1*, Мурзинов П.В.2, Мурзинов Ю.В.2, Попов C.B.3 1 Д.т.н., профессор, 3 Аспирант 1,3 Кафедра «Техносферная и пожарная безопасность» 2 К.т.н., доцент, кафедра «Электропривод, автоматика и управление
в технических системах» 1,2,з Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, РФ
Аннотация
Облегченные звукозащитные панели созданы на основе анализа взаимодействия тонколистовых материалов и воздуха окружающей среды. Анализ показал, что тонко листовой материал обладает повышенной способностью к демпфированию своих колебаний окружающим воздухом. Эта способность тонко листовых материалов была положена в основу разработки конструкции облегченной структурированной звукоподавляющий панели. Представлена конструктивная схема облегченной структурированной звукоподавляющей панели. Дано обоснование с позиции лучевой теории распространения звуковых потоков внутри конструкции. Показаны отдельные конструктивные элементы и этапы их сборки в звукоподавляющую облегченную структурированную панель. Указаны листовые материалы для изготовления этих панелей. Выполнен сравнительный анализ по эффективности звукоизоляции разработанных панелей и современных звукозагцитных материалов. Анализ показал преобладающую эффективность звукоподавляющих облегченных структурированных панелей.
Ключевые слова: звукозащитные конструкции, звукозащитные материалы, коэффициент эффективности звукоизоляции, демпфирование, поверхностная плотность.
Lightweight sound-proof panels
Murzinov V.L.1*, Murzinov P.V.2, Murzinov Yu.V.3, Popov S.V.3 1 DSc, professor, 3 Post-graduate student 1>3 The department of Technosphere and Fire Safety 2 PhD, associate professor, the department of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems 1,2,3 yoronezi2 State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract
Lightweight sound-proof panels are created based on the analysis of the interaction of thin-sheet materials and ambient air. The analysis showed that the thin-sheet material has an increased ability to dampen its vibrations by the surrounding air. This ability of thin-sheet materials was the basis for the design of a lightweight structured sound-canceling panel. The design scheme of a lightweight structured sound-canceling panel is presented. The justiGcation is given from the point of view of the ray theory of propagation of sound flows inside the structure. The individual structural elements and the stages of their assembly into a sound-suppressing lightweight structured panel are shown. The sheet materials for the manufacture of these panels are indicated. A comparative analysis of the effectiveness of sound insulation of the developed panels and modern sound-proof materials is performed. The analysis showed the predominant effectiveness of sound-suppressing lightweight structured panels.
*E-mail: dr.murzinov@yandex.ru (Мурзинов В.Л.)
Keywords: sound-proof structures, sound-proof materials, sound insulation efficiency coefficient, damping, surface density
Введение
В настоящее время защита от шума применяется во многих областях человеческой деятельности. Наибольшее распространение получил способ защиты на путях его распространения применением звукозащитных панелей [1, 2]. Звукозащитные панели имеют разнообразное конструктивное исполнение, обусловленное видом источника шума[3]. Каждая звукозащитная панель обладает определенными акустическими характеристиками - это звукоизоляция, коэффициент звукопоглощения, поверхностная плотность[4], которая определяется как масса квадратного метра площади панели. Поверхностная плотность очень важный показатель. Он учитывается при расчете полезной нагрузки для самолетов, автомобилей[5], Кроме того, поверхностная плотность звукозащитных панелей учитывается при проектировании космических аппаратов[6].
1. Разработка облегченной звукозащитной панели
Одним из авторов данной статьи была разработана конструкции панели ЗОСП, которая расшифровывается как звукоподавляющая облегченная структурированная панель. Эффективность панели ЗОСП подтверждено патентом[7] (рис.1). Аналитическая формула собственной звукоизоляции панели ЗОСП получена в работе[8]. Особенность этой панели в том, что она очень легкая. Поверхностная плотность составляет менее полутора килограмм одного квадратного метра её поверхности. Панель ЗОСП была применена в производственных условиях для защиты от шума пневмоконвейеров с воздушной прослойкой, которая является мощным источником аэродинамического шума[9, 10]. Панели ЗОСП помогли создать комфортные условия работы в проектных организациях. Кроме того, предприятие ООО Холдинговая компания «Мебель Черноземья» провела апробацию панелей ЗОСП в виде акустических экранов для защиты от шума на участках обработки мебельных деталей. Измерения показали ослабление шума на 5 дБА. Все измерения подтверждены актами испытаний.
Рис. 1. Внешний вид панели ЗОСП
Панель ЗОСП изготавливается методом сборки из отдельных элементов. Эти элементы показаны на рис. 2, рис. 3 и рис. 4. На этих рисунках показаны сечения элементов 1, которые имеют выступы 2. Расположение выступов 2 определяется шагом Листы 1 при сборке направлены навстречу друг другу выступами 2. Между этими листами вставляется гофрированная вставка, сечение которой показано на рис. 3. Схема соединения листов 1 и гофрированной вставки показаны на рис. 4а. Окончательно сечение панели ЗОСП изображено на рис. 46. Фиксация конструкции панели ЗОСП осуществляется клеевой лентой, которая располагается по периметру панели. Вершины выступов и гофрированной вставки прижаты друг к другу достаточно плотно.
Мурзинов В.JI., Мурзинов П.В., Мурзинов Ю.В., Попов C.B. Облегченные звукозащитные панели
Рис. 2. Первый элемент ЗОСП - лист 1 с выступами 2
Рис. 3. Второй элемент ЗОСП - гофрированная вставка
/МУМУЖ шмм
Рис. 4. Состояние элементов ЗОСП перед окончательной сборкой, а) - подготовка элементов перед сборкой; б) - поперечное сечение панели ЗОСП в сборе
Такое соединение элементов панели ЗОСП создает устойчивую пространственную конструкцию. Элементы конструкции обладают свойством демпфировать звуковые потоки окружающего воздуха. Демпфирование происходит за счет того, что внутри панели листы располагаются под определенным углом по отношению друг к другу. Эти приводит к тому, что возникают потоки с противофазой и направленные навстречу друг другу. Происходит взаимное гашение звуковых потоков.
Известно, что колебания тонких листовых материалов в воздушной среде демпфируются окружающим воздухом. Поэтому целесообразно использовать тонко листовой материал. Для изготовления панелей ЗОСП предлагается использовать листовые материалы, показанные в табл. 1 [11]. Кроме того, существуют подходы, которые позволяют строить конструкции, обеспечивающие звукозащитные свойства резонаторным панелям[12, 13].
Таблица 1
Характеристики листовых материалов для изготовления панелей ЗОСП
Мр - поверхностная 6 - толщина П - коэффициент
Материал плотность листового листового потерь листового
материала, кг/м2 материала, мм материала
Бумага 0,08 0,07 0,08
Ватман 0,2 0,26 0,09
Картон БКЕ 5 1,2 3,2 0,06
Картон КАОН-1 3 3 0,12
Шпон (сосна) 0,51 1 0,02
Акриловый лист 4,76 4 0,01
РАЬСЬАЗ
ПВХ вспененный 0,94 2 0,02
РАЬРОАМ
Поликарбонатный 3,6 3 0,01
лист РАЬЭШ
2. Экспериментальное определение звукоизоляции панели ЗОСП
Для определения звукоизоляции панелей ЗОСП использовалась схема, показанная на рис. 5. Схема включает генератор 1, заглушённую камеру 2, источник звука 3, исследуемую конструкцию панели ЗОСП 4, микрофон 5, шумомер 6. Генератор 1 является генератором «белого шума». Сама заглушённая камера 2 имеет звукопоглощающий слой, находящийся на внутренней поверхности стенок камеры, и звукоизолирующий слой, находящийся на наружной поверхности камеры. Кроме того, заглушённая камера 2 образована двумя полукамерами, что обеспечивает удобство установки панели ЗОСП. Между полукамерами устанавливалось панель ЗОСП. Генератор 1 посылал электрический сигнал на источник звука 3, который выдавал звуковой поток в виде «белого шума». В качестве источника звука 3 использовался высококачественный динамик. Звуковой поток «белого шума» от источника 3 воспринимался микрофоном 5, соединенным с шумомером 6. В качестве шумомера использовался прецизионный шумомер «ОКТАВА - 110А». Динамик 3 и микрофон 5 располагались в заглушённой камере 2. Высота расположения источника звука 3 и микрофона 5 были одинаковыми относительно стенок заглушённой камеры 2.
Рис. 5. Схема экспериментальной установки для определения величины звукоизоляции панелей ЗОСП. 1 - генератор. 2 - заглушённая камера, образованная из двух полукамер.
3 - источник звука, высококачественный динамик. 4 - исследуемая конструкция панели ЗОСП. 5 - микрофон. 6 - шумомер «ОКТАВА - 110А»
Экспериментальные исследования звукоизоляции проводились по следующей схеме. Вначале проводилось измерение звукового давления от источника звука при отсутствии панели ЗОСП. Затем устанавливалась панель ЗОСП и проводилось измерение звукового давления. После измерений выполнялось нахождения разности уровня звукового давления при отсутствии панели ЗОСП и звукового давления при наличии панели ЗОСП. Обработанные результаты измерений показаны в табл. 2.
Комплексная оценка эффективности звукоизоляции для панелей ЗОСП и современных звукоизоляционных материалов и конструкций проводилась с использованием комплексного коэффициента, который учитывает и величину звукоизоляции, и величину поверхностной плотности.
,2
4
Мурзииов В.Л., Мурзииов П.В., Мурзииов Ю.В., Попов С.В. Облегченные звукозащнтные панели
Таблица 2
Характеристики панелей ЗОСП
Панель Характеристики Уровень звука в источнике, дБА Частота, Гц Частотная коррекция
Тол щина, мм Ыр- поверхностная плотность, кг/м3 31,5 со о ю О) о ю О) о о ю 1000 о о о О) 4000 8000 16000 Кя-коэф-фици- ент эффек-1111; ности Я- собственная звуо-изоляция, дБ
Звукоизоляция АЬ, дБ
30СП-6 16 0,428 78,5 5,3 2,3 1,1 3,7 3,2 9,3 7,0 16,7 24,2 30,4 23,0 10
ЗОСП-7 16 0,479 89,6 2,0 0,3 0,3 2,1 3,5 7,4 8,9 14,1 19,2 24,5 22,6 11
ЗОСП-4 30 0,754 82,1 133 2,2 1,1 6,2 6,2 9,9 14,0 28,4 27,75 38,7 22,1 17
ЗОСП-5 16 0,481 70,1 1,4 0,5 2,7 5,4 4,2 8,3 6,0 16,8 24,3 29,0 19,3 9
ЗОСП-5 /75 16 0,514 78,1 3,0 3,6 2,5 4,2 5,3 6,5 4,8 16,7 20,2 35,7 18,1 9
ЗОСП-5 /60 16 0,474 59,7 16,3 4,5 5,7 5,1 7,2 5,8 4,0 14,5 25,8 23,3 18,0 8
30СП-1 2x15 1,145 68,8 1,5 3,5 7,7 9,7 8,4 13,3 13,0 28,6 37,1 27,7 18,0 20
зосп-з /2 2x15 1,423 83,6 4,3 6,9 4,6 10,2 7,8 13,9 16,1 27,0 38,7 42,2 15,6 22
ЗОСП-5 /45 16 0,575 49,2 0,1 2,0 6,4 9,1 2,4 7,3 4,0 13,7 23,2 12,8 15,1 8
ЗОСП-6 /45 16 0,628 78,5 9,0 3,2 1,2 4,6 4,3 9,1 7,7 10,0 26,4 27,0 14,5 9
Этот коэффициент эффективности звукоизоляции, впервые предложенный авторами, представляет собой отношение собственной звукоизоляции панели к её поверхностной плотности [14]
кя = М (1)
Чем больше значение этого показателя, тем выше эффективность звукозащитных свойств материалов и конструкций,
3. Сравнительный анализ панелей ЗОСП и современных материалов
В статье [11] показаны характеристики современных звукоизоляционных материалов, В таблице 3 показаны конструкции звукоизолирующих панелей, которые имею жесткий каркас, наполненный мягким материалом с повышенным показателем звукоизоляции, В таблице 4 представлены материалы с жесткой структурой, как правило, это изотропный материал.
Для наглядного представления и сравнения эффективности звукоизоляции показаны на рис, 6, на котором изображены показатели собственной звукоизоляции различных конструкций и материалов. На рис, 6 изображен график, по оси ординат которого отложены значения коэффициента эффективности звукоизоляции из таблицы 2, таблицы 3 и таблицы 4, По оси абсцисс отложен порядковый номер образца
звукоизолирующей конструкции или панелей ЗОСП, График наглядно показывает преобладание эффективности звукоизоляции панелей ЗОСП над современными звукоизоляционными материалами. Даже сотовый поликарбонат оказался несколько хуже по показателям эффективности звукоизоляции. Однако по абсолютным значениям собственной звукоизоляции сотовый поликарбонат сравним с панелью ЗОСП под 8 (табл. 2),
Таблица 3
Характеристики звукозащитных материалов с жёстким каркасом и мягким наполнителем
№ Название материала Mp - поверх- R - собственная KR - коэф-т
образца ностная плот- звукоизоляция, эффективности
ность, кг/м2 дБ звукоизоляции
1. Обшивка БСТВ-30/ металлический лист 4,86 56 11,6
2. Фанера/ПХВ-1-85/ фанера 3,42 35 10,2
3. Павинол ПА-4/ ППУ-Э-35-0,8А/ фанера/ПХВ-1-85/фанера/ППУ-Э-35-0,8А/ павинол ПА-4 4,10 40 9,7
4. Металлический лист/ 5,40 45 8,3
ППУ-30-8Н-60
5. Marine Firebatts 130/ стальной лист 33,00 56 1,7
6. Плита ДВП/базальтовое волокно/ плита ДВП 51,00 60 1,1
7. Термопанель ПСБ 30,00 31 1,0
8. Слоистая виброакустическая панель СВАП 29,20 13 0,4
9. Звукоизоляционная панельная система МП 1С 36,00 И 0,3
Таблица 4
Характеристики звукозащитных материалов с жёсткой структурой
№ Название материала Mp - поверх- R KR
образца ностная плот- звукоизоляция, эффективности
2 дБ звукоизоляции
1. Сотовый поликарбонат 1,10 22 20,4
2. Листовой монолитный поликарбонат 4,80 27 5,6
3. Пенопласт 2,50 9 3,8
4. ДСтП 11,70 33 2,8
5. Фанера 9,60 12 1,2
6. Сталь 15,60 18 1,1
Мурзшюв В.Л., Мурзшюв П.В., Мурашов Ю.В., Попов С.В. Облегченные звукозащптпые панели
Таблица 4 (Продолжение)
Л* образца Название материала Мр - поверхностная плотность, кг/м2 Я - собственная звукоизоляция, дБ Ки - коэф-т эффективности звукоизоляции
7. Кирпичная стена 252,00 60 0,2
8. Железобетонный блок 364,00 55 од
О 123456789 10
_$_30СП —¿5—Жесткий каркас -о-Жесткая структура Номер образца
Рис. 6. Коэффициент эффективности звукоизоляции для различных групп звукозащитпых материалов и панелей ЗОСП
Заключение
Разработана конструкция облегченной структурированной звуконодавляющей наполи. Создание панели ЗОСП базируется па известном факте, что звуковые колебания топко листовых материалов демпфируются окружающим их воздухом. Представлена конструктивная схема панели ЗОСП в сборе. Показаны элементы конструкции панели ЗОСП и этапы их сборки в панель ЗОСП. Указаны тонко листовые материалы, которые целесообразно использовать дня изготовления этих панелей, обладающих пространственной целостностью и устойчивостью. Выполнено сравнение эффективности панелей ЗОСП и звукозащитпых конструкций и материалов, используемых в современном мире на основе анализа их характеристик. Сравнение выявило тот факт, что панели ЗОСП но значению коэффициента эффективности звукоизоляции превосходят современные звукоизолирующие материалы. Это значит, что панели ЗОСП обладают небольшой поверхностной плотностью. Однако по величине собственной звукоизоляции немного уступают сотовому поликарбонату.
Список литературы
1. Борьба с шумами на производстве/иод ред. Е.Я. Юдина. М,: Машиностроение, 1985. - 512 с.
2. Хекл, М, Справочник но акустике / М, Хекл, X. А. Мюллер; перевод с немецкого Б. Д. Виноградова и Н. М. Колоярцева, - Л.: Судостроение, 1980. - 400 с.
3. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. - М,: Логос, 2007. - 423 с.
4. Мурзшюв П.В. Оптимизация толщины листового материала звуконодавляющих
облегченных структурированных панелей (ЗОСП) // Безопасность труда в промышленности, - 2012, - № 5, - С, 30 - 33,
5. Rousounelos A, Optimisation of the structural modes of automotive-type panels using line stiffeners and point masses to achieve weak acoustic radiation / Rousounelos A,, Walsh S.J., Krvlov V.V., Horner J.L. // Applied Acoustics. - 2015. T. 93. - C. 23-37.
6. Кочкии А.А. Проектирование звукоизоляции слоистых элементов конечных размеров / Кочкии А.А., Шубин И.Л., Шашкова Л.Э., Кочкии Н.А. // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. - 2016. № 4 (364). -С.161-167.
7. Патент 96884 РФ, МПК7 Е04В 1/82, Е04С 2/36. Звукоподавляющая структурированная панель / П.В. Мурзинов, В.Ф. Асминин. - Опубл. 20.08.2010. - Бюл. №23.
8. Мурзинов П.В. Математическая модель звукоизоляции звукоподавляющих облегченных структурированных панелей (ЗОСП) // Безопасность труда в промышленности. - 2011. - № 3. - С.40-43.
9. Flidler J. Hover conveyors: a cheaper route to complex handling. // The Engineer., 1973, vol. 236. Ж 6119. p.38, 39, 41.
10. De Boer F. Air conveys small packages. - Food Engineering., 1972,vol.44,N 10, p.
69-71.
11. Мурзинов П.В. Методика выбора листовых материалов для высокоэффективных звукозащитных панелей // Безопасность жизнедеятельности. -2011. - .N'"3. - С.20-23.
12. Тюрин А.П., Севастьянов Б.В. Подходы к исследованию звукопоглощения закрытых ре ¡отпорных панелей в условиях импульсного шума // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2009. № 2. С. 80-82.
13. Патент RU №80895 РФ. Шумозащитная панель / Тюрин, Б.В. Севастьянов, Д.В. Парахин, С.А. Пигалев, - Опубл. 27.02.2009. - Бюл. № 6.
14. Мурзинов В.Л., Мурзинов П.В. Звукоподавляющие панели для защиты от шума на путях его распространения // Безопасность труда в промышленности. - 2018, №02. -С.5-11. DOI: 10.24000/0409-2961-2018-2-5-11.
References
1. The fight against noise in production/ ed. by E. Ya. Yudin. M,: Mashinostroenie, 1985 -- 512 p.
2. Heckle, M. Handbook of acoustics / M. Heckle, H. A. Muller; translated from the German by B. D. Vinogradov and N. M. Kolovartsev, - L,: Shipbuilding, 1980. - 400 p.
3. Ivanov N. I. Engineering acoustics. Theory and practice of noise control. - Moscow: Logos, 2007. - 423 p.
4. Murzinov P. V. Optimization of the thickness of the sheet material of sound-suppressing lightweight structured panels (ZOSP). - 2012. - No. 5. - p. 30-33.
5. Rousounelos A. Optimisation of the structural modes of automotive-type panels using line stiffeners and point masses to achieve weak acoustic radiation / Rousounelos A., Walsh S.J., Krvlov V.V., Horner J.L. // Applied Acoustics. - 2015. T. 93. - C. 23-37.
6. Kochkin A. A., Shubin I. L,, Shashkova L. E,, Kochkin N. A. Projecting sound insulation of layered elements of finite dimensions. Technology of the textile industry. - 2016. № 4 (364). - Pp. 161-167.
7. Patent 96884 RF, IPC7 E04B 1/82, E04C 2/36. Sound-suppressing structured panel / P. V. Murzinov, V. F. Asminin. - Publ. 20.08.2010. - Bvul. No. 23.
Мурзииов В.Л., Мурзииов П.В., Мурзииов Ю.В., Попов С.В. Облегченные звукозащнтные панели
8, Murzinov P. V, Mathematical model of sound insulation of sound-suppressing lightweight structured panels (ZOSP) // Labor safety in industry, - 2011, - No, 3, - p. 40-43,
9, Flidler J, Hover conveyors: a cheaper route to complex handling, // The Engineer,, 1973, vol. 236. >K 6119. p.38, 39, 41.
10. De Boer F. Air conveys small packages. - Food Engineering., 1972,vol.44,N 10, p.69-71.
11. Murzinov P. V. Method of selecting sheet materials for high-performance soundproof panels // Life safety. -2011. - No. 3. - p.20-23.
12. Tvurin A.P., Sevast'vanov B.V. Podhodv k issledovanivu zvukopoglosheheniya zakrvtvh rezonatornvh panelej v uslovivah impuPsnogo shuma // Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva. 2009. № 2. S.80-82.
13. Patent EU №80895 EF. SHumozashehitnava panel' / Tvurin, B.V. Sevast'vanov, D.V. Parahin, S.A. Pigalev. - Opubl. 27.02.2009. - Bvul. № 6.
14. Murzinov V. L,, Murzinov P. V. Sound-suppressing panels for protection from noise on the ways of its propagation // Occupational safety in industry, - 2018, No, 02, - P. 5-11, DOI: 10.24000/0409-2961-2018-2-5-11.
