Расчет шума при проектировании звукоизолирующих кожухов технологического оборудования Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.2

А.И. АНТОНОВ1, канд. техн. наук, В.И. ЛЕДЕНЕВ1, д-р техн. наук, Е.О. СОЛОМАТИН1, инженер (blacwit@inbox.ru), И.Л. ШУБИН2, д-р техн. наук (niisf@niisf.ru)

1Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106) 2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)

Расчет шума при проектировании звукоизолирующих кожухов технологического оборудования

Рассмотрены принципы расчета прямого звука от звукоизолирующих кожухов технологического оборудования гражданских и промышленных зданий. Показаны особенности звукоизолирующих кожухов как вторичных объемных источников шума, влияющие на распространение от них излучаемой звуковой энергии. Предложена методика расчета прямого звука от звукоизолирующих кожухов, более точно учитывающая особенности излучения звуковой энергии кожухом. Кожухи в методике рассматриваются как крупногабаритные источники с неравномерным излучением звука с их поверхностей.

Ключевые слова: звукоизолирующий кожух, шум, расчет шума, уровень прямого звука.

A.I. ANTONOV1, Candidate of Sciences (Engineering), V.I. LEDENEV1, Doctor of Sciences (Engineering), E.O. SOLOMATIN1, engineer (blacwit@inbox.ru), I.L. SHUBIN2, Doctor of Sciences (Engineering) (niisf@niisf.ru)

1Tambov State Technical University (109 Sovetskaja Street, Tambov, 392000, Russian Federation)

2Scientific and Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivny Passage, 127238, Moscow, Russian Federation)

The Oalculation of Noise When Designing Soundproofed Compartment Technological Equipment

The principles of calculating the direct sound from the soundproofed compartment technological equipment civil and industrial buildings. Shows the features soundproofed compartment as the secondary volume of noise sources affecting the spread of the sound energy emitted by them. The method of calculation of the direct sound from the soundproofed compartment, more accurately takes into account features of the radiation of sound energy housing. The housings in the method are regarded as sources with large uneven their sound radiation surfaces.

Keywords: soundproofed compartment, the noise, the calculation of the noise, level of the direct sound

На промышленных предприятиях, а в последнее время и в гражданских зданиях имеется большое количество шумного технологического и другого оборудования, требующего с целью ограничения распространения от него шума устройства звукоизолирующих кожухов. В гражданских зданиях к ним, в частности, относятся узлы и агрегаты систем ОВК (отопления, вентиляции и кондиционирования), вентиляционные и холодильные установки и т. д. [1, 2].

Звукоизолирующие кожухи являются наиболее эффективными средствами защиты от шума технологического оборудования. Снижение шума происходит за счет огораживания источника шума конструкциями с высокой звукоизоляцией, образующими замкнутый объем. При этом часть звуковой энергии проникает через звукоизолирующие ограждения кожуха, различные неплотности, воздуховоды и т. п. и излучается в окружающее его воздушное пространство. Таким образом кожух сам становится источником шума.

Исходя из необходимости ограничения габаритов кожуха, его ограждающие конструкции должны иметь малую толщину и при этом обладать высокой звукоизолирующей способностью. К таким конструкциям, например, относятся легкие слоистые светопрозрачные и непрозрачные конструкции [3—5]. Выбор и проектирование кожухов должны основываться на надежных методах оценки распространения шума от кожухов как от вторичных источников шума [6, 7]. В статье приведена методика расчета уровней прямого звука, излучаемого кожухом, учитывающая его особенности, влияющие на распространение звуковой энергии в окружающей среде.

Как источник шума кожух имеет ряд особенностей. Размеры кожуха больше размеров защищаемого оборудования, поэтому его часто следует рассматривать как крупногабаритный источник шума. Геометрическая форма кожуха проще формы оборудования и, как правило, представляет параллелепипеды или их комбинацию.

Кожух частично сглаживает пространственную неоднородность излучения шума оборудованием. Фактор направленности излучения звука кожухом более предсказуем по сравнению с реальными источниками шума.

Методика расчета уровней звукового давления в ближнем поле крупногабаритных источников шума в настоящее время разработана недостаточно. Отсутствие подробных исследований объясняется сложностью описания энергетических параметров реальных источников шума (частотная, пространственная и временная нестабильность) и, как следствие, использованием в расчетах упрощенных представлений. Например, фактор направленности в большинстве случаев не учитывается, и источники шума рассчитывают как ненаправленные [8].

Элементы ограждения кожуха как источники шума в окружающее пространство.

Небольшой, часто соразмерный внутренний объем кожуха предполагает образование в нем диффузного звукового поля. В этом случае интенсивность падающей изнутри на элементы кожуха звуковой энергии равна:

J = Р | Р{\-а)

(1)

Бк аБ

где Р — акустическая мощность оборудования, размещаемого в кожухе; — площадь ограждающих конструкций кожуха; а — общая площадь и средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей кожуха, включая поверхности источника шума (оборудования) и пола.

Кожухи имеют ограждающие элементы с различной звукоизоляцией ^ (двери, окна для наблюдения за процессами, отверстия и т. п) и соответственно акустическая мощность каждого отдельного 1-го элемента кожуха площадью Б/ и составляет:

R = JS; ■ 1 О"0'' R' .

(2)

Cj научно-технический и производственный журнал

® июнь 2015 39"

Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

-расчетные уровни звукового давления

-экспериментальные данные ^____

Рис. 1. Результаты эксперимента и расчета уровней прямого звука: а) методом эквивалентных поверхностей; б) методом точечного источника; в) методом интегрирования по поверхности с учетом дифракции; г) методом интегрирования по поверхности без учета дифракции

Расчет уровней прямого звука от кожуха. В настоящее время расчет прямого звука от кожухов выполняют по упрощенной методике, используя среднее значение звукоизоляции ограждений кожуха:

'ху Л

^ / N ,

Уровень акустической мощности кожуха в этом случае составляет: С с л „л \

Я

кср

= 101g

(3)

Lpk=Lp-Rkcp+mg

1+

ч

Sk{\-cc) aS

(4)

/

Lnp=Lpk+mg(VSn),

(5)

Рис. 2. Рассчитанные уровни прямого звука в ближнем поле кожуха при наличии участка ограждения с низкой звукоизоляцией и открытого проема

Расчет прямого звука от кожуха возможен на основе интегрального выражения, описывающего величину плотности звуковой энергии прямого звука в расчетной точке от объемного источника как результат суммирования вкладов от каждого участка сС8 поверхности кожуха:

е„„ = | -^-, (7)

"р

= !

Sk

2 лг2с

где r — расстояние от элемента участка источника до расчетной точки; 2п — пространственный угол излучения. При излучении энергии элементом поверхности по закону Ламберта фактор направленности следует принять Ф = 2 cos где в — угол между r и нормалью к элементу dS,

с — скорость звука в воздухе. С учетом выражения dS =

г sin (pd<pd6

представляя

COS в

поверхность кожуха из набора N элементов с соответствующей излучающей способностью, можно записать:

где Ьр — уровень акустической мощности оборудования, размещенного внутри кожуха.

Дальнейший расчет шума от кожуха осуществляется как от обычного объемного источника с равномерным излучением звуковой энергии методом эквивалентных поверхностей [8]. Значения энергии в ближнем звуковом поле предполагаются одинаковыми на геометрических поверхностях, повторяющих форму кожуха как ненаправленного источника шума. Уровни звукового давления при этом определяются по формуле:

епр - X 1=1

N10-o^'VA-

ж

и определять уровни прямого звука как: ¿'np=101g

i=l

тс

(8)

(9)

где Sn — площадь воображаемой поверхности правильной геометрической формы, проходящей через точку наблюдения на расстоянии г от источника и упрощенно повторяющей его форму. Например, для источника в виде прямоугольного параллелепипеда со сторонами l, b и h эта поверхность Sn будет иметь вид параллелепипеда со скругленными углами и ребрами [8]:

S„ = lb + 2(1 + b)h + nr(l + b + 2h) + 2яг2. (6)

С увеличением степени несоразмерности кожухов точность расчетов прямого звука на основе выражений (5) и (6) снижается. Метод практически неприменим для кожухов сложной формы, для которых невозможно построить поверхности равных уровней в виде простых геометрических форм. Следует отметить, что в формуле (5) не учитывается характерная для кожухов неоднородность излучения звуковой энергии с его поверхностей.

Простая форма, стабильность и предсказуемость факторов излучения шума элементами ограждений кожуха позволяют применить более точные методы расчета уровней прямого звука его ближнего поля.

где /о=10-12 Вт/м2 — интенсивность на пороге слышимости; 6,- — телесный угол, стягивающий поверхность кожуха. В сферических координатах 6 (фи),© определяется как:

- Jsin^t/piö.

(10)

Величину телесного' угла элемента излучающей шум поверхности ограждения удобно вычислить через трехгранные углы по теореме Люилье через его плоские углы Уа>Уь> Ус при вершине:

0,- = 4 arctg

tg^tg^^-tg^^tg^^-

, (11)

где Уз = 0Дуа +Уъ+ Ус) — полупериметр.

Для повышения точности расчета прямого звука от кожухов оборудования, размещаемого на открытом пространстве, предлагается учитывать дифракционные процессы, благодаря которым звук от излучающих поверхностей кожуха попадает в зоны акустической тени и постепенно приводит к точечной модели расчета прямого звука.

На рис. 1 показаны результаты сравнения экспериментальных данных с различными методами расчета

в)

г)

б)

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 40 июнь 2015 Ы ®

Рис. 3. Поле прямого звука кожуха в форме каре

прямого звука кожуха в форме прямоугольного параллелепипеда. Видно, что использование интегрального уравнения с учетом дифракции звука обеспечивает наиболее высокую точность расчета.

На рис. 2 показаны результаты расчета уровней прямого звука кожуха с размерами 4x2x2 м и со звукоизоляцией основных элементов ограждений Я=20 дБ. На одной грани кожуха имеется элемент с более низкой звукоизоляцией, равной Я=5 дБ, и открытое технологическое отверстие с размером 0,2x0,2 м. Видно, что против этого элемента на расстоянии 1 м от кожуха уровень шума на 20 дБ выше, чем в других точках помещения на таком же расстоянии от кожуха. Очевидно, что метод эквивалентных поверхностей из-за значительных погрешностей расчета в подобной ситуации использоваться не может.

Уровни прямого звука от кожуха сложной формы можно рассчитывать как и уровни прямого звука от кожуха простой формы по тем же зависимостям, используя выражения (7) и (9). При этом интеграл (7) рекомендуется вычислять численными методами. Однако программирование такой задачи представляется достаточно сложным процессом. Шум от кожухов сложной формы

удобнее рассчитывать методом прослеживания лучей, используя следующий подход.

Источник шума, находящийся в кожухе, излучает в изолированное внутреннее пространство кожуха совокупность большого числа звуковых лучей, которые отражаются от внутренних поверхностей ограждений, теряют энергию пропорционально коэффициентам звукопоглощения внутренних поверхностей кожуха и оборудования. С вероятностью обратно пропорциональной звукоизолирующим свойствам элементов ограждений лучи покидают внутреннее пространство кожуха и образуют вокруг него поле прямого звука. На рис. 3 показана шумовая карта ближнего поля кожуха П-образной в плане формы. Видно, что в полузамкнутом пространстве вблизи кожуха (т. 3 на рис. 3) уровень прямого звука на 4—5 дБ выше, чем в других точках на таком же расстоянии от кожуха.

Предложенные методы расчета позволяют более точно рассчитывать уровни прямого звука от звукоизолирующих кожухов практически любых форм. Это особенно актуально для источников, располагаемых на открытом пространстве. Внутри помещений прямой звук от кожухов может перекрываться отраженным звуком, в том числе и от незащищенных источников шума; в результате использование трудоемких точных методов расчета прямого шума не всегда оправданно. Это прежде всего относится к учету дифракции. При незначительном различии в звукоизолирующих свойствах ограждений и соразмерной форме источника шума для расчета звука ближнего поля можно использовать метод эквивалентных поверхностей. В остальных случаях следует выполнять расчет прямого звука на основе представленных в статье интегрального метода и метода прослеживания лучей. Для решения задач данными методами в настоящее время нами разработаны компьютерные программы, позволяющие производить расчеты шума и проектировать звукоизолирующие кожухи разной формы и различной звукоизолирующей способности ограждений.

Список литературы

1. Гусев В.П., Сидорина А.В. Защита от шума систем водоотведения жилых и общественных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 11. С. 12—15.

2. Гусев В.П. Из опыта борьбы с шумом оборудования инженерных систем // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2012. № 2. С. 38—45.

3. Кочкин А.А. Звукоизоляция слоистых вибродемпфиро-ванных элементов светопрозрачных ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 40.

4. Кочкин А.А. Проектирование звукоизоляции слоистых вибродемпфированных панелей на основе гип-соволокнистых листов // Вестник МГСУ. 2011. № 1-3. С. 93-96.

5. Гребнев П.А., Монич Д.В. Исследование звукоизолирующих свойств многослойных ограждений с жестким заполнителем // Жилищное строительство. 2012. № 6. С. 50-51.

6. Гусев В.П. Повышение точности акустических расчетов инженерных систем - прямой путь к оптимизации их шумоглушения. Защита населения от повышенного шумового воздействия: Сб. докладов III Всерос. научно-практической конференции с международным участием. СПб. 2014. С. 692-698.

7. Гусев В.П., Матвеева И.В., Соломатин Е.О. Компьютерное моделирование распространения шума от различных источников в городской застройке // Жилищное строительство. 2014. № 8. С. 25-28.

8. Осипов Г.Л., Юдин Е.Я. Снижение шума в зданиях и жилых районах. М.: Стройиздат, 1987. 558 с.

References

1. Gusev V.P., Sidorina A.V. Protection against noise sewage systems in residential and public buildings. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 11, pp. 12-15. (In Russian).

2. Gusev V.P. From the experience of noise control equipment engineering systems. AVOK: Ventilyatsiya, otoplenie, konditsionirovanie vozdukha, teplosnabzhenie i stroitel'naya teplofizika. 2012. No. 2, pp. 38-45. (In Russian).

3. Kochkin A.A. Soundproofing of vibrodampering elements layered translucent walling. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 6, pp. 40. (In Russian).

4. Kochkin A.A. Designing acoustic laminated vibrodampering panels based on gypsum sheets. Vestnik MGSU. 2011. No. 3-1, pp. 93-96. (In Russian).

5. Grebnev P.A., Monich D.V. Investigation of properties of multilayer soundproof enclosures with rigid filler. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 6, pp. 50-51. (In Russian).

6. Gusev V.P. Increasing the accuracy of calculations of acoustic engineering systems - direct way to optimize their attenuation. Protecting the public from high noise exposure: Proceedings of the III All-Russian Scientific-practical conference with international participation. St. Petersburg. 2014, pp. 692-698. (In Russian).

7. Gusev V.P., Matveeva I.V., Solomatin E.O. Computer modeling of noise from various sources in the urban environment. Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2014. No. 8, pp. 25-28. (In Russian).

8. Osipov G.J., Judin E. Ja. Snizenie shuma v zdanijah I zhilyh rajonah [Decrease in noise in buildings and residential areas]. Moscow: Stroizdat. 1987. 558 p.

©teD'AfZJlhrMS.

научно-технический и производственный журнал

июнь 2015

41