Введение к работе
Актуальность темы. Шумовое загрязнение окружающей среды в тоследние два десятилетия является одной из актуальных проблем для России и промышленно развитых зарубежных стран.
Основными источниками шума в городах, наряду с улич-зо-транспортным и самолетным шумом, являются индустриальные сооружения и производственные рабочие места.
Большинство технологических процессов в промышленности механизировано и связано с использованием мощного и быстроходного технологического оборудования,наземного, воздушного и водного транспорта. Это приводит к тому, что человек на производстве постоянно подвергается воздействию шума высокого уровня.
Шумы разной интенсивности оказывают влияние как на самих рабочих, так и на людей, живущих по соседству с предприятиями. В районах с различными видами промышленного шума оказывается повышенное неблагоприятное воздействие на живущих поблизости людей, аналогичное воздействию на работников предприятий.
Ежедневная и длительная подверженность очень громкому шуму ведет к шумовой тугоухости и к несчастным случаям, а также к дискомфорту.
Аэродинамический шум, генерируемый в замкнутом пространстве помещений, передается в окружающую среду через наружные ограждающие конструкции. При этом наименьшей звукоизоляцией обладают остекленные ограждающие конструкции, которые занимают до 30 % площади поверхности наружных ограждений. Известно, что из всех видов наружных ограждающих конструкций наименьшей звукоизоляцией обладают окна. Следовательно, шум из помещений промышленных предприятий проникает в окружающую среду, в основном, через оконные проемы.
Дальнейшее совершенствование звукоизоляции оконных заполнений на стадии проектного решения позволяет повысить защиту окружающей среды от загрязнения промышленным шумом без дополнительных затрат на реконструкцию окон.
Наиболее эффективная защита мест постоянного пребывания работающих осуществляется сооружением кабин наблюдения. Ограждающие конструкции кабин выполняются из листового, плитного или каменного строительного материала с высокими звукоизоляционными свойствами. В качестве светопропускающих и просматриваемых ог-
раждений используются остекленные конструкции, окна или панели.
В народном хозяйстве широко применяются окна с двух- и трехслойным остеклением с воздушными промежутками между стеклами. Их звукоизоляция зависит от геометрических параметров элементов конструкций и соотношения параметров между собой, а также от физических свойств материалов и среды между стеклами.
Высокая эффективность окон может быть достигнута поиском оптимального решения при проектировании с учетом спектра преобладающих частот шума, создаваемого конкретным источником.
Выполненные ранее исследования по описанию математической модели звукоизоляции многослойной остекленной конструкций не позволяют в явном виде представить звукоизоляцию как функцию влияющих на нее переменных величин - геометрических параметров, в результате чего нет возможности исследования и решения задач на оптимум.
Идея выполненных исследований состоит в выявлении таких оптимальных геометрических параметров по толщине элементов многослойных остекленных конструкций, при которых сама конструкция приобретает максимальную звукоизоляцию от проникновения аэродинамического шума в заданных среднегеометрических полосах частот. Геометрическими параметрами конструкции, -влияющими на ее звукоизоляцию, являются: толщина каждого слоя остекления и расстояние между стеклами.
Цель исследований состоит в повышении звукоизоляционных свойств многослойных остекленных конструкций за счет рационального выбора геометрических параметров конструкции и прозрачной среды между стеклами различной плотности, что уменьшает шумовое загрязнение окружающей среды от промышленного шума.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Звукоизоляция двух- и трехслойных остекленных конструкций с воздушными промежутками между стеклами зависит от геометрических размеров по толщине элементов конструкции и описывается в виде трех- и пятифакторной функций геометрических параметров по толщине элементов конструкций теоретическим методом, как произведение отношений звуковых давлений на границах раздела сред. Такие математические модели, отображая общую закономерность процесса прохождения звука через ограждающую конструкцию, позволяют анализировать изменение звукоизоляции остекленной конструкции по
условиям частотного резонанса.
-
Математические модели звукоизоляции двух- и трехслойных остекленных конструкций с воздушными промежутками между стеклами, полученные методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимальных планов в виде полиномов второй степени трех и пяти управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине элементов конструкций, адекватны эксперименту и с высокой степенью точности описывают закономерность распределения звукоизоляции конструкции по среднегеометрическим полосам частот. При этом форма записи математических моделей звукоизоляции позволяет определить долю звукоизоляции каждого элемента конструкции и выполнить исследование функции на наличие экстремумов.
-
Замена воздушного промежутка между стеклами на гидравлическую прослойку в двухслойной конструкции обуславливает изменение ее звукоизоляции. По математическим моделям звукоизоляции такой конструкции, полученным методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимального плана в виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, достоверно определяется закономерность распределения звукоизоляции по среднегеометрическим полосам частот и степень повышения звукоизоляции за счет увеличения плотности среды между стеклами. Замена воздушного промежутка гидравлической прослойкой позволяет, не снижая звукоизоляции, уменьшить расстояние между стеклами и сократить размеры по толщине всей конструкции.
-
Двух- и трехслойные остекленные конструкции при определенных оптимальных значениях параметров по толщине составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцию. Оптимальные размеры определяются анализом на экстремум, максимум или минимум математических моделей звукоизоляции, как многофакторных функций.
-
Использование двух- и трехслойных конструкций с оптимальными геометрическими параметрами по толщине обеспечивает максимально возможную звукоизоляцию конструкций, лучше защищает среду обитания человека от проникновения воздушного шума и дает экономию-в расходовании листового стекла по массе.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации обоснованы: преемственностью разработанных математичес-
ких моделей звукоизоляции многослойных остекленных конструкций с фундаментальными научными положениями в области акустики ; проведением большого объема экспериментальных исследований в акустической камере Северо-Кавказского государственного технологического университета (СКГТУ) на базе закономерностей теории вероятности и математической статистики с конкретным применением метода планирования эксперимента по критерию Д-оптимальности. Сходимость математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, представленных в виде уравнений регрессии, с экспериментальными данными соответствует 5 %-ному уровню значимости по критерию Фишера.
Научная новизна работы заключается:
в установлении функциональной зависимости между геометрическими параметрами по толщине элементов многослойной остекленной конструкции с воздушными прослойками или гидравлической прослойкой между стеклами и звукоизоляцией конструкции в целом;
в установлении экстремальных значений (max или mln) звукоизоляции элементов конструкции при определенных значениях геометрических параметров по толщине для третьоктавных полос частот от 160 до 4000 Гц и по шкале "А";
в новых принципах выбора оптимальных геометрических размеров по толщине элементов конструкции, исходя из достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров среднегеометрических полос частот шума;
в развитии представлений о путях повышения звукоизоляции многослойных остекленных.конструкций, являющихся важными составляющими защиты среды обитания человека от проникновения аэродинамического шума.
Научное значение работы состоит в создании математических моделей звукоизоляции многослойных остекленных конструкций в третьоктавных среднегеометрических полосах частот шума от 160 до 4000 Гц; по шкале "А" и среднему значению, как многофакторных функций трех и пяти переменных величин в виде полиномов второй степени, полученных методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимального плана.
Практическое значение работы заключается в создании трех методик расчета оптимальных геометрических параметров по толщине элементов двух- и трехслойных остекленных конструкций, обладаю-
щих максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных полосах среднегеометрических частот аэродинамического шума: "Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров двухслойной остекленной конструкции с воздушным промежутком между стеклами", "Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров двухслойной остекленной конструкции с гидравлической прослойкой между стеклами". " Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров трехслойной остекленной конструкции с воздушными промежутками между стеклами".
Для каждой из трех методик написаны программы расчетов в диалоговом режиме с реализацией на ЭВМ IBM, по которым рассчитываются оптимальные параметры многослойных остекленных конструкций и их звукоизоляция. Конструкции с оптимальными геометрическими параметрами обладают максимальной звукоизоляцией и являются наиболее экономичными по материальным затратам на листовое стекло при их изготовлении.
Реализация выводов и рекомендаций работы
Методики расчетов звукоизоляции двух- и трехслойных остекленных конструкций с оптимальными по звукоизоляции параметрами, с программным обеспечением переданы руководству "ВНИПИ промтех-нологии" (г. Москва) для практического использования в разрабатываемых проектах промышленных предприятий.
Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических размеров по толщине элементов двухслойных остекленных конструкций в виде методического руководства с программой расчетов на IBM передана проектному институту "Кавказцветметпроект" и принята к использованию в инженерных проектах.
Методики расчета звукоизоляции двухслойной остекленной конструкции с оптимальными по звукоизоляции параметрами, с программным обеспечением переданы для использования в учебном процессе на кафедре "Охраны труда и окружающей среды" Ростовской государственной академии строительства (РГАС) и на кафедре "Архитектуры и строительных конструкций" Северо-Кавказского государственного технологического университета (СКГТУ).
Положения диссертационной работы, как пример их широкого практического применения, реализованы при разработке технических проектов трех звукоизоляционных кабин наблюдения в компрессорных
станциях и в камере вентилятора главного проветривания рудника "Архон" Садонского свинцово-цинкового комбината, а так же в разработке проектно-технической документации звукоизоляционной кабины наблюдения для операторов центральной станции теплоснабжения Ленинского района г.Владикавказа.
Элементы остекленных конструкций запроектированных кабин рассчитаны по соответствующим методикам и приняты оптимальными по толщине, что обеспечивает максимальные звукоизоляционные свойства остекленных конструкций и кабин.
Двухслойные остекленные конструкции, разработанные нами по соответствующей методике, обеспечивающие максимальную звукоизоляцию, установлены в наружных ограждениях инструментального цеха предприятия "Уни-Пол" Северо-Кавказского филиала и ремонтно-ме-ханического цеха с кузнечно-прессовым отделением предприятия "Владикавказский приборостроительный завод".
Трехслойная остекленная конструкция, разработанная нами, позволила повысить звукоизоляционные свойства эфирной студии "ЭСТ" кинематографистов Северо-Кавказского отделения кинофонда.
Запроектированные нами трехслойные остекленные конструкции с максимальной звукоизоляцией установлены в наружных ограждениях кузнечно-прессового цеха Северо-Кавказского филиала предприятия "Южстальконструкция".
Практическое использование результатов исследований позволило повысить звукоизоляцию кабин и снизить распространение шума в окружающую среду .
Связь темы диссертации с государственными научными программами Работа выполнена как составная часть "Тематического плана НИР Северо-Кавказского государственного технологического университета из средств республиканского бюджета по единому заказу-наряду на 1994-1996 гг." Тематический план НИР СКГТУ является составной частью плана НИР Государственного Комитета по высшему образованию Российской Федерации.
На конкурсе грантов в области НИР по архитектуре и строительным- конструкциям в 1993 г. тема диссертационной работы получила положительный отзыв с рекомендацией ее финансирования из федерального бюджета.
Апробация работы Основные положения и результаты работы, полученные в диссертации-, докладывались и получили одобрение на:
IV Международном Конгрессе по звуку и вибрации (Санкт-Петербург, 1996); II Международной конференции по экологии (Владикавказ, 1995); Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А. И. Веселова (Свердловск, 1995); Международной конференции "Теоретические и практические вопросы приложения начертательной геометрии в горном деле и геологии для решения инженерных и научных задач" (Владикавказ, 1995); Международном симпозиуме "Горная техника на пороге XXI века" (Москва, 1995); Научно-технической конференции, посвященной 30-летию образования строительного факультета, "Вопросы совершенствования строительства" (Владикавказ. 1992); Научно-технической конференция СКГМИ к-400- летию со дня рождения проф. Агеенкова В. Г. (Владикавказ, 1993); Международной конференции "Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии" (Санкт-Петербург, 1996); ежегодных (1988-1995 г г.) научно-технических конференциях СКГТУ.
Публикации По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, в том числе одна монография, одно авторское свидетельство и два патента на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из: введения, четырех глав, заключения, списка литературы (165 наименований) и 3 приложений.
Работа изложена на 363 стр. машинописного текста с включением 80 иллюстраций, 48 таблиц и 3 приложений.
Основной материал диссертации изложен на 216 стр. машинописного текста.
