CC BY
41Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
УДК 534.322.3.08:006.354
Н.И. ИВАНОВ, д-р техн. наук, Н.Г. СЕМЕНОВ, инженер ([email protected]), Н.В. ТЮРИНА, канд. техн. наук ([email protected]), Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (Санкт-Петербург)
Расчет и конструирование акустических экранов для снижения шума в жилой застройке
Предложен новый метод расчета акустической эффективности отражающе-поглощающих акустических экранов (АЭ) для снижения шума в жилой застройке, базирующийся на статистической теории акустики. Рассмотрены две расчетные модели с разными типами источников шума: точечным и линейным. В первой модели прохождение звука через свободное ребро АЭ представлено в виде линейного излучателя цилиндрических звуковых волн, а во втором - в виде условного плоского излучателя. В полученных формулах учитывается: расположение АЭ в пространстве по отношению к источнику шума и расчетной точке; геометрические размеры АЭ (высота, длина); характер дифракции на свободном ребре; звукопоглощающие (отражающие) свойства АЭ; тип источника шума. Проверка предложенных методов расчета выполнялась на опытном стенде, где испытывались АЭ в натуральную величину. Показано, что предложенные методы расчета обеспечивают более высокую точность (отклонения менее ±(1-2) дБ) по сравнению с расчетами по принятым методикам (отклонение ±(4-5) дБ). Разработаны рекомендации по проектированию и конструированию АЭ для снижения шума в жилой застройке.
Ключевые слова: экраны акустические, акустическая эффективность, жилая застройка, шум, показатель дифракции.
Акустический экран - плотная преграда, устанавливаемая на пути распространения звука от автомобильной или железной дороги, строительной площадки, стационарной или передвижной установки к защищаемой от шума жилой застройке. Особенностью этой преграды является то, что она имеет конечные размеры (высоту, длину). Акустический экран (АЭ) блокирует линию прямой видимости между источником шума (ИШ) и защищаемым от шума объектом, создавая акустическую тень.
Первые устройства-барьеры для защиты от шума железнодорожного транспорта появились в конце XIX в. в Лондоне и изготавливались из бетона. Массовое применение АЭ началось в Европе, США, Японии и некоторых других странах в начале 1970-х гг. Уже к концу прошлого столетия в Германии, Японии и некоторых др. странах установлено по нескольку тыс. км АЭ вдоль автомобильных и железных дорог.
В нашей стране первые АЭ массово применены при строительстве Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) в середине 1990-х гг. На МКАД установлено около 13 км АЭ. Всего в России к настоящему времени установлено несколько сотен км АЭ (порядка 0,5 млн м2) вдоль автомобильных и железных дорог. Обследования установленных АЭ показали, что многие из них обладают рядом конструктивных недостатков, спроектированы с ошибками и обладают невысокими шумозащитными свойствами. Одной из основных причин этого является недостаток информации об акустических экранах у конструкторов и проектировщиков. В первую очередь это относится к использованию методик расчета акустической эффективности АЭ, не обеспечивающих приемлемой точности.
Расчет акустической эффективности АЭ. В основном расчеты АЭ базируются на геометрической теории акустики с применением числа Френеля, учитывающе-
поверхность, 5 — линейный ИШ, 6 — условный плоский излучатель; г — расстояние от ИШ до АЭ, R — расстояние от АЭ до РТ, Н,кр — высота АЭ
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
щ ч
го <
4 _
3 -
2 -
1 -
0
Звукоизоляция АЭ 15/
20/
25,
30
5
10 15
Эффективности АЭ, дБ
Рис. 2. Поправка на конечную звукоизоляцию АЭ
Таблица 1
35
20
Высота АЭ, м ПД, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1 4 6 7 8 9 9 10 11
3 4 7 7 9 11 12 13 14
6 5 8 9 11 13 14 16 18
Таблица 2
Коэффициент звукопоглощения (аэкр) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
101д(1-аЭКр), дБ -1 -1,5 -2,2 -3 -4 -5,2 -7
го разность хода звуковых лучей в присутствии АЭ [1, 2]. Эти методы расчета не учитывают свойства материала АЭ, определяющие его поглощающие или отражающие свойства. Сравнение результатов расчетов, выполненных в соответствии с различными существующими методиками, с данными натурных испытаний показывают существенное расхождение.
В последние годы разрабатываются новые методы расчета акустической эффективности АЭ, базирующиеся на основных положениях статистической теории акустики [3, 4]. Авторами получены формулы расчета АЭ для двух видов источников шума (ИШ): точечного и линейного (рис. 1).
При расчетах приняты допущения:
- при действии точечного ИШ свободное верхнее ребро АЭ, через которое дифрагирует звук, принято линейным излучателем, а звуковая волна рассматривается в виде цилиндрической;
- при действии линейного источника звука прохождение звука на свободном ребре АЭ принято рассматривать как излучение плоским ИШ, длина которого равна длине АЭ;
- АЭ принят звуконепроницаемым, т. е. звук только дифрагирует на верхнем свободном ребре АЭ. Влияние зву-
копроводности АЭ на акустическую эффективность учитывается с помощью экспериментальных поправок. Значения экспериментальных поправок, а также точность предложенных методов расчета получены и проверены на специально созданном стенде, где АЭ был изготовлен в натуральную величину из различных материалов (дерево и металл).
Формула для расчета акустической эффективности отражающе-поглощающих АЭ для точечного источника шума получена в виде:
А£экр = 2018^^г+^101ё ^-ПД-1018(1-
" ®экр)"
-1018 ^2^-1018 агсЩ -ДЗИэкр+13, дБ, (1)
где г и Я - расстояния от ИШ до АЭ и от АЭ до РТ соответственно, м; к - экспериментально полученный числовой коэффициент, вводящий поправку на высоту
Йэкр=2-3 м,
экр
(£=0,7 для Йэкр=1 м, к=1 для
АЭ
£=1,5 для Аэ]ф =4-5 м, к=2 для йэкр>6 м); /экр - длина АЭ, м; йэкр - высота АЭ, м; ПД - показатель дифракции, берется из данных экспериментов в зависимости от высоты АЭ (табл. 1); аэкр - коэффициент звукопоглощения АЭ (вычис-
Таблица 3
5
Исходные данных для расчетов, рассчитываемые значения Вычисленные и измеренные значения, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1оы г=5м -1,6 -1,6 -1,6 -1,6 -1,6 -1,6 -1,6 -1,6
Ю^ап^у®- /экр = 50м -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
Ю^акЛБ^р- Аэкр = 2м -^экр -1,7 -1,7 -1,7 -1,7 -1,7 -1,7 -1,7 -1,7
Числовая добавка 13 13 13 13 13 13 13 13
10 ^^ Лэкр = 2м -4,3 -1,3 1,7 4,7 7,7 10,7 13,7 16,7
ПД -4 -6 -7 -8 -10 -11 -11 -12
Сэкр/Ю 1в(1-аЭКр) 0,4/2 0,5/3 0,7/5 0,8/7 0,7/7 0,7/5 0,7/5 0,7/5
Д^экр расчет 3 5 9 12 13 14 16 18
ДХЭ1ф эксперимент 2 4 7 10 10 12 17 20
ДХэкр расчет (по принятым методикам) 5,2 5,3 5,7 6,2 7,3 8,9 11,2 13,9
62013
11
Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
63
125
250
500
1000
2000
f, Гц 4000
&L э^ дБ 18
16 14 12 10
8
6
2
0
125
250
500
1000
2000
f, Гц 4000
Рис. 3. Сравнительные данные расчета (1) и эксперимента (2) акустической эффективности отражающе-поглощающего АЭ высотой 3 м на расстоянии 25м по сравнению с данными по методике с использованием числа Френеля (3)
63
Рис. 4. Сравнительные данные акустической эффективности отражающего металлического АЭ высотой 4 м (на расстоянии 25 м): 1 — расчет, 2 — эксперимент
Л L дБ
4
ленные значения приведены в табл. 2); ДЗИэкр - поправка на прохождение звука через АЭ при высоких (более 20 дБ) значениях акустической эффективности, дБ (рис. 2).
Физический смысл показателя дифракции понятен из соотношения:
ПД = 101g
Р;
ЭК{
'диф
где Рдаф - коэффициент дифракции АЭ, равный отношению интенсивности звука, прошедшего через свободное ребро АЭ, к интенсивности звука, падающего на свободное ребро.
Формула для расчетов акустической эффективности отражающе-поглощающих АЭ для линейного ИШ получена в виде:
I I (2)
-Юад-а^-Ю^ Ю1В а/г&^-ЛЗИэкр-
101g arctg
10 L
MV«2+/ip+ю2
+7, дБ.
Для отражающих АЭ член в формулах 101ё(1—аэкр)=0.
Проверка точности расчетов проводилась для отражающе-поглощающих и отражающих АЭ из дерева и металла высотой 1, 2, 3, 4, 5, 6 м. В качестве примера в табл. 3 приведены сравнительные данные расчета и эксперимента отражающе-поглощающих АЭ при АЭ1ф=2 м. Сравнительные данные результатов расчета и эксперимента по определению акустической эффективности АЭ высотой 3 и 4 м показаны на рис. 3 и 4 соответственно. Совпадения данных эксперимента с данными расчетов по предложенной методике удовлетварительные, в основном отклонения в октавных полосах не превышают ±(1-2 дБ), за исключением октавной полосы со среднегеометрической частотой 4000 Гц. Расчет по принятым методикам показал отклонение от эксперимента до 2-5 дБ в диапазоне частот 125-4000 Гц.
Таким образом, предложены новые методы расчета акустической эффективности АЭ для снижения шума в жилой
застройке, базирующиеся на основных положениях статистической теории акустики. Проверка предложенных методов расчета выполнена на опытном стенде, где испыты-вались АЭ в натуральную величину. Сравнение результатов расчета с данными экспериментальных исследований показало, что предложенные авторами методы расчета обеспечивают более высокую точность (отклонения менее ±(1-2) дБ) по сравнению с расчетами по принятым методикам (отклонение ±(4-5) дБ).
Разработаны рекомендации по проектированию и конструированию акустических экранов для снижения шума в жилой застройке.
Список литературы
1. Маекава Д. Акустические экраны // Снижение шума в зданиях и жилых районах / Под ред. Г.Л. Осипова, Е.Я. Юдина. М.: Стройиздат, 1987. С. 426-448.
2. Jorge P. Arenas Use of Barriers / Handbook of Noise and Vibration Control. Ed by Malcolm J. Crocker and John Willey and Sous, Inc, 2007. Pp. 714-724.
3. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. М.: Логос, 2013. 432 с.
4. Иванов Н.И., Семенов Н.Г., Тюрина Н.В. Проблемы конструирования акустических экранов и их применение для снижения шума железнодорожного и автомобильного транспорта // Сб. докладов IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации». Санкт-Петербург. 26-28 марта 2013 г. С. 51-86.
Подписка на электронную версию
Актуальная информация для всех работников строительного комплекса CTP0Î 1ЛКЩН01 IWI, CTBO
h ittp : /ej our nal.ri fsn l.r u/
