CC BY
25Современные способы борьбы с шумом в зданиях и на селитебных территориях
Д.т.н., профессор ГОУ СПбГМТУ и ГОУ СПбГПУ И.И. Боголепов*
Шум несовместим с нормальным сном, учебным процессом, творческой работой, высопроизводительным трудом, полноценным отдыхом и лечением. Борьбой с шумом занимаются: на судах -судовая акустика [2, 3, 6, 8, 16, 19, 20, 24], на самолетах - авиационная акустика [9, 17], в автомобилях, поездах и строительных машинах - транспортная акустика [7, 31], на предприятиях - промышленная акустика [1, 4, 5, 9, 10, 11-13, 15], в зданиях и на территориях - строительная акустика [9, 14, 18, 21-23, 25, 26, 28]. Самая старшая и распространенная из них - строительная акустика, она касается постоянно большинства людей в мире.
Все перечисленные науки традиционно озабочены снижением шума: а) в источнике его возникновения,
б) на пути распространения от источника к объекту шумозащиты и в) на самих объектах шумозащиты. Строительная акустика занята защитой от шума там, где живут, работают, учатся, лечатся и отдыхают миллионы людей. Снизить шум здесь можно наиболее эффективно на самих объектах шумозащиты.
Источниками интенсивного шума в жилых, общественных и промышленных зданиях и на селитебных территориях являются разнообразные машины, устройства и люди (авто-, авиа-, рельсовый и водный транспорт, инженерное оборудование зданий, громкая музыка, шумные соседи, двигатели внутреннего сгорания, вентиляторы, турбины и насосы, электромашины, трансформаторы и т.д.). При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий необходимо четко представлять себе все современные способы борьбы с шумом с целью их рационального применения для данного конкретного случая. Но в любом случае должны быть приняты лучшие решения с учетом достижений в продвинутых областях - в судовой, авиационной, транспортной и промышленной акустиках. Данная статья посвящена анализу современных способов борьбы с шумом и разработке соответствующих эффективных рекомендаций для инженера-строителя.
Начнем с определения сущности и эффективности основных способов снижения шума машин. Под термином «машина» здесь обозначены все машины, механизмы и производственное оборудование. Акустическим коэффициентом мощности машины назовем отношение звуковой мощности Ж, Вт, излучаемой во внешнюю среду машиной, к её функциональной мощности ЖМ, Вт, создаваемой или потребляемой этой машиной, Па = Ж/ЖМ .
Наибольшим акустическим коэффициентом мощности обладают такие устройства, как
громкоговорители. Если, например, функциональная мощность громкоговорителя Жм = 10 Вт, а уровень излучаемой звуковой мощности в лучшем случае равен 117дБ (N = 0,5Вт), то акустический коэффициент
Па = 0,05(5%) . Эти устройства созданы специально для звукоизлучения, но их функциональная мощность по сравнению с мощностью машин мала.
Один из наиболее распространенных и типичных источников шума машин - двигатель внутреннего сгорания. Уровень мощности внутри цилиндра дизеля равен примерно 220 дБ (10 000 000 000 Вт). Излучаемая корпусом звуковая мощность такого дизеля на средних частотах равна 120 дБ (Ж = 1Вт). Мощность на выходном валу ориентировочно ЖМ = 1000000Вт. Акустический коэффициент мощности здесь
Па = 10-6 (0,0001%) . Несмотря на очень малый Па звуковая мощность машин может значительно превысить звуковую мощность самого большого высокоэффективного громкоговорителя.
Физический механизм звукоизлучения машины, например дизеля, может быть представлен схематически следующим образом. Вынужденная переменная сила Г(7), определяемая функциональной
мощностью ЖМ, вызывает в некоторой части машины внутри нее в точке «1» колебательную скорость ^(7). Внутренний механический импеданс в этой точке:
7м = Г (7 )/ ч(7) .
От действия указанной силы на поверхности машины в точке «2» возникают колебания со скоростью у2(7), в результате чего излучается звуковая мощность Ж. Пусть колебания в точках «1» и «2» связаны посредством коэффициентом передачи (передаточная функция) аМ линейной зависимостью у2 = аМу1(7) . Тогда звуковая мощность, излучаемая поверхностью машины вблизи точки «2», запишется в виде:
Боголепов И.И. Современные способы борьбы с шумом в зданиях и на селитебных территориях
45
Ж = рс\\(г) 8 у ,
где р с - импеданс среды вокруг машины,
8 - площадь излучения вблизи точки «2»,
у - коэффициент излучения, равный отношению интенсивности звука, излучаемого поверхностью машины вблизи точки «2», к интенсивности звука, излучаемого колеблющимся поршнем с той же площадью 8 и той же скоростью \2(1) . В результате получаем важную для нас формулу звуковой мощности машины:
Ж = ¥(()2 а2м 8 рс у 7
м
Проанализируем, исходя из этой формулы, первые шесть основных способов снижения шума.
Первый способ состоит в уменьшении вынуждающих сил ¥(V). Однако технический прогресс обуславливает постоянный рост мощности и скоростных параметров машин, что приводит к увеличению вынуждающих сил. Сокращение допусков, балансировка и другие мероприятия по совершенствованию машины снижает действие этих сил, но, как правило, в меньшей степени, чем происходит их рост от увеличения мощности и скоростных параметров. Былые упования на борьбу с шумом в источнике его возникновения в качестве кардинального решения проблемы пока не оправдываются.
Второй способ снижения шума машин состоит в увеличении внутреннего механического импеданса
7
м . Этот способ также противоречит тенденции технического прогресса, но уже другой. Эта тенденция состоит в сокращении материалоемкости и уменьшении массы машины, что приводит к увеличению вибровозбудимости: уменьшается 7М, и как следствие увеличивается шум машины. Таким образом, увеличение внутреннего механического импеданса, даже в своем простейшем виде - путем увеличения массы машин, бесперспективно. По причине роста вынуждающих сил и снижения материалоёмкости шум машин растет.
Третий способ состоит в уменьшении передачи звуковых колебаний от места возбуждения к месту излучения, то есть в уменьшении коэффициента передачи ам благодаря виброизоляции. Здесь имеются два пути применения виброизоляции: внутренний и внешний. Применение внутренней виброизоляции не находит какого-либо серьезного применения ввиду трудности совместить её с прямым функциональным назначением машины. А вот внешняя виброизоляция машин широко используются для снижения структурного звука, например на судах. В зданиях (особенно высотных и элитных) этот вид звукоизоляции, безусловно, перспективен, например, в виде звукоизолирующих амортизаторов и вибропрокладок для изоляции структурного звука машин, устройств и инженерных систем. Традиционно он применяется для изоляции ударного шума в междуэтажных перекрытиях.
Четвертый способ состоит в уменьшении излучаемой поверхности 8. Это иногда удается сделать путем уменьшения габаритных размеров машины (вместо одной большой машины - много малых машин) или использования решетчатого корпуса машины вместо сплошного. Уменьшение излучающей поверхности имеет ограниченное, но реально-эффективное применение. Например, перфорированием поверхности стола высокочастотного вибростенда можно заметно уменьшить излучаемую им звуковую мощность. Из-за простоты применения четвертый способ всегда надо иметь в виду.
Пятый способ состоит в уменьшении импеданса окружающей среды, то есть величины р с (произведение плотности среды на скорость звука в среде). Замена воздуха другим газом неэффективна, так как разница импедансов различных газов в этом случае практически незначительна. Можно сильно уменьшить импеданс окружающей среды, лишь поместив машину в сильно разреженный воздух. Но в земных условиях это очень дорогой способ снижения шума. Однако в специальных вакуумных звукоизолирующих конструкциях (например, в теплозвукоизолирующих иллюминаторах) и в космических аппаратах (путем выноса шумных агрегатов наружу) он уже находит реальное применение.
Шестой способ состоит в уменьшении коэффициента излучения у. Это можно сделать, установив вокруг машины звукоизолирующую оболочку. В последние годы для многих сложных машин инженеры разработали совершенные, в том числе и с эргономической точки зрения, ограждающие оболочки (например, корпус для многооперационных станков с программным управлением). К еще более совершенным оболочкам можно отнести корпуса самолетов, вертолетов, судов с динамическими принципами поддержания, легковых автомашин, цельнометаллических пассажирских вагонов. Инженеры-акустики взяли эти оболочки в качестве основы для создания эффективной и удобной звукоизоляции машин и устройств различного назначения. Обобщая, можно сказать, что шестой способ - главный для снижения шума из всех предыдущих способов.
Седьмой способ. При рассмотрении седьмого и восьмого способов снижения шума обратимся к ключевой формуле строительной акустики [28]. Эта формула для уровней звука Ь„ , дБ, в расчетной точке на
расстоянии г ,м, от источника шума мощностью Ж,Вт; а среднего коэффициента звукопоглощения ограждающего помещения; 8п ,м2 , площади ограждающих поверхностей; ЬН , дБ, норма допустимого шума в расчетной точке; может быть представлена в виде:
* Ьн
Из формулы, в частности, следует, что мощность шума источника Ж уменьшается в свободном полупространстве пропорционально квадрату расстояния г. Поэтому, если имеется необходимое большое расстояние от источника шума до человека, то седьмой способ - самый простой и эффективный. Однако в условиях современного города его удается применить редко, так как свободного пространства здесь часто нет, или оно стоит очень дорого. Но всегда следует помнить о том, что кардинально решить проблему шумового воздействия на человека можно, удалив его подальше от источников шума (например, сейчас престижно жить в загородном доме вдали от шума городского).
Восьмой способ состоит, как это также следует из вышеуказанной ключевой формулы, в увеличении звукопоглощения в окружающей человека среде - среднего коэффициента звукопоглощения ограждающих поверхностей помещения а . Эта величина имеет также определяющее значение для качества акустики зала. Но для снижения шума в помещении, хотя её роль здесь качественно обязательна (без звукопоглощения невозможно реализовать звукоизоляцию), звукопоглощение само по себе количественно мало влияет на снижение шума. Коэффициент звукопоглощения а можно изменить в реальных конструкциях лишь в небольших пределах, а именно от 0,1 до 0,7, то есть максимум в 7 раз (в отличие от звукоизоляции Я, дБ, которую конструктор вправе изменить максимально в пределах примерно 60 дБ, то есть по интенсивности звука в 1 000 000 раз!). Таким образом, для защиты людей от шума в первую очередь и главным образом для инженера-строителя важна звукоизоляция. Однако специалист не должен исключать применение и других указанных выше способов снижения шума.
С целью наиболее эффективного решения задач строительной акустики, в частности при строительстве современного жилья (см. Приоритетный национальный проект «Доступное и комфортное жильё - гражданам России» www.rost.ru), из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
Выводы
Борьбу с шумом в жилых, общественных и промышленных зданиях и на селитебных территориях рекомендуется осуществлять инженеру-строителю с учетом достижений в других областях техники (судовая, авиационная, транспортная и промышленная акустики), а именно в виде:
1) звукоизоляции ограждающих помещение конструкций зданий (стен, пола, потолка, окон и дверей);
2) звуковиброизоляции и звуковибропоглощении машин, устройств и инженерных систем в зданиях;
3) звукоизоляции и звукопоглощения системы вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях;
4) звукоизолирующих кабин управления и комнат для конфиденциальных переговоров;
5) акустических (шумозащитных) экранов на внешних магистралях и внутри помещений в зданиях;
6) звукоизолирующих (шумозащитных) домов;
7) звуковиброизоляции камер для стандартных акустических измерений звукоизоляции, звукопоглощения, виброизоляции и вибропоглощения.
Эффективность звукоизоляции и звукопоглощения, виброизоляции и вибропоглощения определяется по национальным, европейским или международным стандартам [28]. Результаты этого определения должны быть указаны в нормативно-технической строительной документации на здание и сооружение.
Осуществлению вышеуказанных рекомендаций по снижению шума посвящена представленная ниже литература по этой проблеме [25-32], которую лучше всего получить в оцифрованном виде в трех отечественных книгохранилищах: Российской государственной библиотеке, Российской национальной библиотеке и Президентской библиотеке имени Бориса Ельцина. Литературу [1-24] рекомендуется использовать инженером-строителем как дополнительную. Всю литературу [1-32] удобно разместить в компьютере инженера-строителя в качестве справочного материала. Однако без высококвалифицированного специалиста-акустика иногда бывает очень трудно представить заказчику нужное решение. Автор статьи готов
оказать необходимые консультации и дать мастер-классы по вопросам эффективного применения всех способов борьбы с шумом в жилых, общественных и промышленных зданиях и на селитебных территориях.
В настоящее время готовится к изданию новая книга автора данной статьи под названием «Акустика жилых, общественных и промышленных зданий (Строительная акустика)». Книга содержит изложение научных основ строительной акустики и растолкование их инженерных применений с помощью домашних заданий. Имеет цель научить решению двух главных задач: снижению шума до нормы в современных зданиях и обеспечению в них качественной акустики помещений. В книге уделено должное внимание соответствующим национальным стандартам РФ, Международным стандартам 180 и 1ЕС, Европейским стандартам БЫ. Приведен полный перечень более 630 указанных стандартов и даны рекомендации по их рациональному использованию.
Книга главным образом предназначена:
а) для студентов и аспирантов строительных специальностей политехнических высших учебных заведений и соответствующих факультетов других вузов России и стран ближнего зарубежья;
б) для инженеров, архитекторов, научных работников, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией зданий различного назначения, планировкой и застройкой населенных мест с целью защиты от шума и обеспечения нормативных параметров акустической среды в зданиях и на территории жилой застройки;
в) для санитарных врачей, работников экологических служб и коммунального хозяйства городов, областей, краев и республик РФ, занимающихся вопросами борьбы с шумом в зданиях и акустикой залов;
г) для всех жителей городов и весей нашего Отечества и русского зарубежья, страдающих от шума и акустического дискомфорта и активно желающих эти страдания и дискомфорт прекратить.
Книга прошла рецензирование: заведующим кафедрой технологии, организации и экономики строительства инженерно-строительного факультета Санкт-Петербургского государственного
политехнического университета, профессором, д.т.н. Ватиным Н.И.(рецензия утверждена деканом инженерностроительного факультета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, профессором, д.т.н. Альхименко А.И); заведующим кафедрой физики факультета естественнонаучного и гуманитарного образования Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, профессором, д.ф.-м.н. Легушей Ф.Ф.; главным научным сотрудником Центрального научноисследовательского института им. академика А.Н. Крылова, профессором, д.т.н., заслуженным деятелем науки и техники РФ Попковым В.И.
Литература
1. Славин И. И. Производственный шум и борьба с ним. Издательство ВЦСПС. Профиздат.1955.
2. Боголепов И.И., Авферонок Э.И. Звукоизоляция на судах. Л., 1970.
3. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Л., 1971.
4. Шумоглушение. Тематический сборник научных трудов / Под общей редакцией И.И. Боголепова и Д.А. Мателенка. М., 1976.
5. Витринский И.М., Корчма М.В., Трандина З.В. Применение общеинженерных решений, способствующих уменьшению шума кузнечно-прессовых машин. Методические рекомендации. НИИ институт информации по машиностроению. М., 1977.
6. Справочник по судовой акустике / Под общей ред. И.И. Клюкина и И.И. Боголепова. Л., 1978.
7. Иванов Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах. М.,1979.
8. Никифоров А.С. Вибропоглощение на судах. Л., 1979.
9. Справочник по технической акустике / Под ред. М. Хекля и Х.А. Мюллера. Л., 1980.
10. Григорьян Ф.Е., Перцовский Е.А. Расчет и проектирование глушителей шума энергоустановок. Л., 1980.
11. Контроль шума в промышленности. Предупреждение, снижение и контроль промышленного шума в Англии /. Под ред. Дж. Вебба. Пер. с английского языка под ред. И.И. Боголепова. Л., 1981.
12. Филатов В.И., Мясников В.В. Рекомендации по снижению шума в цехах литья, экструзии и прессования
полимерных материалов. Л., 1982.
13. Борьба с шумом на производстве / Под ред. Е.Я. Юдина. М., 1985.
14. Ковригин С. Д., Крышов С. И. Архитектурно-строительная акустика. Москва, 1986.
15. Боголепов И.И. Промышленная звукоизоляция. Теория, исследования, проектирование, изготовление, контроль. Предисловие академика АН СССР И.А. Глебова. Монография. Л., 1986.
16. Клюкин И.И. Физико-технические основы виброизоляции механизмов и другого виброактивного оборудования. Ленинградский ордена Ленина кораблестроительный институт. Л., 1986.
17. Авиационная акустика. В двух частях: Часть 1. «Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов» и Часть 2. « Шум в салонах пассажирских самолетов» / Под ред. А.Г. Мунина. М., 1986.
18. Снижение шума в зданиях и жилых районах / Под ред. Г.Л. Осипова и Е.Я. Юдина. М., 1987.
19. Изак Г.Д., Гомзиков Э.А. Шум на судах и методы его уменьшения. М.,1987.
20. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций. Л., 1990.
21. Справочник проектировщика. Защита от шума в градостроительстве. Под ред. Г.Л. Осипова. М., 1993.
22. Никифоров А.С., Иванов Н.И. Проблема акустического загрязнения в Санкт-Петербурге // Концепция развития Санкт-Петербурга на ближайший и отдаленный периоды с расстановкой приоритетов, основанных на общественном согласии: Материалы третьего съезда Санкт-Петербургского Союза научных и инженерных обществ. СПб, 1996. Т. 1.
23. Овсянников С.Н. Распространение звуковой вибрации в гражданских зданиях. Томск, 2000.
24. Ионов А.В. Средства снижения вибрации и шума на судах. СПб, 2000.
25. Боголепов И.И. Высокоэффективная звукоизоляция XXI века // Наука, промышленность, сельское хозяйство и культура в Санкт-Петербурге и Ленинградской области на пороге XXI века: Материалы четвертого съезда Санкт-Петербургского Союза ученых, инженеров и специалистов производства. СПб, 2000. Т. 2.
26. Щевьев Ю.П. Физические основы архитектурно-строительной акустики. Учебное пособие. СПб, 2001.
27. Л.Г. Осипов, В.Н. Бобылев, Л.А. Борисов и др. Звукоизоляция и звукопоглощение. Учебное пособие для студентов вузов / Под ред. Г.Л. Осипова, В.Н. Бобылева. М., 2004.
28. Боголепов И.И. Строительная акустика. Предисловие академика РАН Васильева Ю.С. СПб, 2006.
29. Боголепов И.И., Лапшина О.В. и Окладникова О.Н. Предложения по совершенствованию аттестации устройства для измерения звукоизоляции строительных конструкций // Научно-технические ведомости, 4-1(52) / 2007. СПб, 2007.
30. Боголепов И.И. Новый метод акустического расчета системы вентиляции и кондиционирования воздуха зданий // С.О.К. (сантехника, отопление, кондиционирование), № 2, 2008. М., 2008.
31. Иванов Н.И. Инженерная акустика. М., 2008
32. Боголепов И. И. Вакуумные звукоизолирующие конструкции // Инженерно-строительный журнал, № 1 2008. СПб, 2008.
*Игорь Ильич Боголепов, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Тел. раб. 297-59-49, 535-79-92 Эл. почта [email protected]
