Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Легкие звукоизолирующие ограждающие конструкции. конструктивные решения, область применения, проектирование и оценка их звукоизолирующих характеристик. состояние вопроса 15
1.1. Конструктивные решения легких звукоизолирующих ограждений. Область их применения 15
1.2. Факторы, определяющие и влияющие на звукоизоляционные характеристики легких ограждающих конструкций из элементов с вибро-демпфирующими слоями 19
1.3. Анализ современных теоретических исследований в области звукоизоляции легких ограждающих конструкций с позиции возможности их использования для оценки звукоизоляции ограждающих конструкций из элементов с вибродемпфирующими слоями 21
1.4. Анализ существующих методик и выполненных экспериментальных
исследований звукоизоляции легких ограждающих конструкций.. 37
Выводы по главе 1 и определение основных направлений исследований
ГЛАВА 2. Теоретические основы прохождения и излучения звука в слоистых элементах конечных размеров с вибро демпфирующим слоем 50
2.1. Физические явления, определяющие формы собственных колебаний трехслойного элемента 50
2.1.1. Характеристики свободных упругих волн, распространяющихся вдоль элемента 51
2.1.2. Собственные функции и спектр частот собственных колеба ний элементов 57
2.2. Прохождение и излучение звука в слоистых элементах конечных размеров 60
2.2.1. Отклик элементов конечных размеров на воздействие падаю щих звуковых волн 61
2.2.2. Колебательная скорость элементов конечных размеров в ус ловиях различных резонансов з
2.3. Расчет излучаемой мощности элементов конечных размеров в условиях различных резонансов 72
2.4. Расчет звукоизоляции слоистых элементов конечных размеров 80
2.5. Построение характеристик звукоизоляции слоистых элементов конечных размеров 83
Выводы по главе 2 89
ГЛАВА 3. Прохождение и излучение звука в ограждающих конструкциях из элементов с внутренним вибродемп фирующим слоем 91
3.1 Исследование звукового давления в воздушном промежутке двойного ограждения из слоистых элементов 91
3.2. Излучение звука слоистыми элементами в составе двойных ограждений в режиме собственных колебаний и инерционного прохождения звука 96
3.3. Влияние потерь звуковой энергии в слоистых элементах на прохож дение звука в ограждениях 99
3.4. Звукоизоляция двойного ограждения с воздушным промежутком из
слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями 108
Выводы по главе 3 113
ГЛАВА 4. Методика экспериментальных исследований звукоизоляции легких ограждающих конструкций в больших реверберационных камерах 114
4.1. Конструктивные решения реверберационных камер и аппаратурное обеспечение эксперимента 115
4.2. Надежность и точность измерения в реверберационных камерах звукоизоляции легких ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями 121
4.3. Выбор способа заделки легких ограждающих конструкций в стенке камер и оценка его влияния на звукоизоляцию 127
4.4. Определение динамического модуля упругости и коэффициента потерь вибродемпфирующих материалов и конструкций 132
4.5. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных 136
Выводы по главе 4 144
Глава 5. Исследование влияния параметров и физико механических характеристик светопрозрачных элементов с вибродемпфирующими слоями на звукоизоляцию светопрозрачных ограждающих конструкций 146
5.1. Программа исследований факторов, влияющих на звукоизоляцию светопрозрачных слоистых элементов и конструкций, выполненных из них 147
5.2. Исследование звукоизоляции светопрозрачных трехслойных элементов из двух стекол с промежуточным вибродемпфирующим слоем
5.2.1. Оценка влияния коэффициента потерь и динамического модуля упругости вибродемпфирующего слоя элемента на его звукоизоляцию 149
5.2.2. Оценка влияния толщины вибродемпфирующего слоя на звукоизоляцию элемента 155
5.2.3. Оценка влияния соотношения толщины листов стекол в симметричном трехслойном элементе на его звукоизоляцию 157
5.2.4. Оценка влияния соотношения толщины листов стекол на звукоизоляцию асимметричных трехслойных элементов.. 159
5.2.5. Оценка влияния увеличения количества слоев конструкции на ее звукоизоляцию 161
5.3. Исследование звукоизоляции светопрозрачных ограждений из двух элементов с воздушным промежутком между ними 163
5.3.1. Оценка роста звукоизоляции двойных ограждений с трехслойными элементами с разной толщиной листов по сравнению со звукоизоляцией двойных ограждений с однослойными элементами такой же толщины 163
5.3.2. Оценка влияния толщины воздушного промежутка на звукоизоляцию светопрозрачного ограждения с двумя слоистыми элементами 166
Выводы по главе 169
ГЛАВА 6. Исследование влияния физико-механических харак теристик слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями на звукоизоляцию непрозрачных ограж дающих конструкций 172
6.1. Программа исследования факторов, влияющих на звукоизоляцию легких слоистых элементов и конструкций, выполненных из них 173
6.2. Исследование звукоизоляции элементов из тонких листов с вибро-демпфирующими слоями 1 6.2.1. Оценка влияния коэффициента потерь и динамического модуля упругости вибродемпфирующего слоя на звукоизоляцию трехслойного элемента из тонких листовых материалов 175
6.2.2. Оценка влияния толщины вибродемпфирующего слоя на звукоизоляцию трехслойного элемента 184
6.2.3. Оценка влияния толщины листовых материалов в симметричном трехслойном элементе на его звукоизоляцию 188
6.2.4. Оценка влияния соотношения толщины листов на звукоизоляцию асимметричного трехслойного элемента .193
6.2.5. Оценка влияния количества листов и вибродемпфирующих слоев на звукоизоляцию многослойных элементов из тонких листовых материалов 196
6.3. Исследование трехслойных и многослойных элементов из гипсокар тонных и гипсоволокнистых листов, цементно-стружечных плит и фанеры с вибродемпфирующими слоями 199
6.3.1. Оценка влияния коэффициента потерь и динамического модуля упругости вибродемпфирующего слоя трехслойного элемента на его звукоизоляцию 199
6.3.2. Оценка влияния толщины вибродемпфирующего слоя на звукоизоляцию трехслойного элемента 202
6.3.3. Оценка влияния толщины листов в симметричном трехслойном элементе из ГВЛ, ЦСП и фанеры на его звукоизоляцию 204
6.3.4. Оценка влияния количества листов и вибродемпфирующих слоев на звукоизоляцию многослойных элементов из
ГВЛ 206 6.4. Исследование звукоизоляции двойных ограждающих конструкций с трехслойными элементами из гипсокартонных и гипсоволокнистых листов с промежуточным вибродемпфирующим слоем 208
Выводы по главе 6 214
ГЛАВА 7. Методика решения задач по расчету и проектированию ограждающих конструкций из легких вибродемпфированных элементов 217
7.1. Методы расчета звукоизоляции слоистых элементов с вибро демпфирующими слоями и двойных ограждений из слоистых элементов 218
7.1.1. Методика расчета звукоизоляции слоистых вибро демпфированных элементов конечных размеров 218
7.1.2. Методика расчета звукоизоляции двойного ограждения из слоистых вибродемпфированных элементов конечных размеров 220
7.1.3. Примеры расчета звукоизоляции слоистого элемента с промежуточным вибродемпфирующим слоем и двойного ограждения из СВДЭ 2 7.2. Практический опыт применения для изоляции воздушного шума ограждающих конструкций из элементов с вибродемпфирующими слоями 228
7.3. Экономическая эффективность применения легких ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями 235
Выводы по главе 7 236
Заключение 237
Список условных обозначений 243
Список литературы
- Анализ современных теоретических исследований в области звукоизоляции легких ограждающих конструкций с позиции возможности их использования для оценки звукоизоляции ограждающих конструкций из элементов с вибродемпфирующими слоями
- Собственные функции и спектр частот собственных колеба ний элементов
- Влияние потерь звуковой энергии в слоистых элементах на прохож дение звука в ограждениях
- Определение динамического модуля упругости и коэффициента потерь вибродемпфирующих материалов и конструкций
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Обеспечение акустического комфорта в зданиях является актуальной проблемой, имеющей важное экологическое и социально-экономическое значение. Для снижения шума в настоящее время разработаны эффективные строительно-акустические методы, в том числе и метод звукоизоляции. Во многих случаях звукоизоляция является наиболее рациональным способом снижения шума, проникающего в помещения из смежных объемов и из внешней среды. Снижение шума за счет звукоизоляции приводит к увеличению массы звукоизолирующих конструкций. Последнее требует увеличения несущей способности конструкций здания и ведет к удорожанию строительства. В этой связи традиционные звукоизолирующие конструкции здания, выполняемые из тяжелых материалов, являются весьма неэффективными с точки зрения экономики. Требуется разработка новых конструкций, обладающих необходимой звукоизоляцией, но имеющих при этом меньшую поверхностную массу. К таким конструкциям относятся легкие ограждения из слоистых элементов. Выполненные нами исследования показали, что эти конструкции при их целенаправленном проектировании можно эффективно использовать в качестве звукоизолирующих ограждений. Акустическая эффективность ограждающих конструкций существенно растет при использовании в их составе элементов со слоями из вибродемпфирующих материалов, повышающих конструкционные коэффициенты потерь в этих элементах.
Целенаправленное проектирование звукоизолирующих конструкций с вибродемпфирующими элементами требует надежных методов оценки влияния параметров элементов и материалов слоистых конструкций на их звукоизоляцию. В настоящее время отсутствует надежное теоретическое и методологическое обеспечение проектирования легких ограждений с вибродемпфирующими элементами, а также отсутствует объем экспериментальных исследований звукоизоляции отдельных слоистых элементов и легких ограждений в целом. В этой связи разработка теории и методологии проектирования ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями является актуальным направлением в области строительной акустики, создающим условия для проектирования и внедрения в практику эффективных звукоизолирующих конструкций с использованием современных строительных материалов и технологий.
Целью работы является развитие на основе теории самосогласования звуковых полей помещений и вибрационных полей пластин и экспериментальных исследований звукоизоляции легких ограждающих конструкций теоретических и методологических основ проектирования конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями, обеспечивающих высокую акустическую и технико-экономическую эффективность.
Поставленная цель соответствует научному направлению строительной акустики: теория звукоизоляции ограждающих конструкций.
Основные задачи работы. Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи:
- исследовать на основе теории самосогласования звуковых полей помещений и вибрационных полей пластин прохождение и излучение звука в слоистых элементах с вибродемпфирующими слоями и разработать математическую модель для оценки их звукоизоляции;
- создать метод построения частотных характеристик звукоизоляции слоистых элементов конечных размеров с вибродемпфирующими слоями;
- исследовать на основе теории самосогласования звуковых полей помещения и вибрационных полей пластин прохождение и излучение звука в ограждающих конструкциях, состоящих из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями;
- разработать метод расчета звукоизоляции двойного ограждения с воздушным промежутком из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями;
- создать экспериментальную установку и разработать методику исследований ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями в условиях реверберационных звуковых полей;
- исследовать экспериментально влияние физико-механических характеристик прозрачных и непрозрачных слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями на их собственную звукоизоляцию и звукоизоляцию ограждающих конструкций в целом;
- разработать с использованием теоретических и экспериментальных данных работы принципы проектирования легких ограждений с комплексным учетом всех влияющих на звукоизоляцию конструктивных параметров и свойств материалов слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями.
Научную новизну работы составляют:
- теоретическая модель, описывающая прохождение и излучение звука в слоистых элементах конечных размеров с вибродемпфирующими слоями;
- теоретическая модель, описывающая прохождение и излучение звука в двойном ограждении с воздушным промежутком, состоящем из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями;
- методы расчета звукоизоляции одинарных и двойных ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями;
- результаты исследований влияния на звукоизоляцию слоистых элементов конечных размеров с вибродемпфирующими слоями: массы элементов, изгибной жесткости, внутренних потерь и других факторов в нормируемом диапазоне частот;
- результаты исследований влияния на звукоизоляцию ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями физико-механических характеристик отдельных элементов и ограждающих конструкций в целом;
- разработанные рекомендации по проектированию легких ограждающих конструкций с учетом обеспечения требуемой звукоизоляции при эксплуатации.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработана методология проектирования слоистых элементов конечных размеров с вибродемпфирующими слоями и ограждающих конструкций из этих элементов, позволяющая проектировать акустически эффективные и экономически целесообразные звукоизолирующие легкие ограждающие конструкции;
- разработан метод расчета звукоизоляции конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями и создана программа для его реализации на ЭВМ, позволяющая производить выбор легких звукоизолирующих конструкций на основе их многофакторного проектирования.
Научная методология решения задач и методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования выполнены на основе теории М.С. Седова о самосогласовании звуковых полей помещения и вибрационного поля пластины применительно к слоистым элементам с вибродемпфирующими слоями. Экспериментальные исследования выполнены по специально разработанной методике в больших реверберационных камерах с использованием электроакустической аппаратуры фирмы «Брюль и Къер».
Положения, выносимые на защиту:
- теоретические модели, описывающие прохождение и излучения звука в слоистых элементах конечных размеров с вибродемпфирующими слоями и в двойных ограждающих конструкциях с воздушным промежутком, состоящих из этих элементов;
- методы расчета звукоизоляции одинарных и двойных ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями;
- результаты исследований влияния на звукоизоляцию элементов с вибродемпфирующими слоями и на звукоизоляцию конструкций, выполненных из этих элементов, физико-механических характеристик отдельных элементов и ограждающих конструкций в целом;
- метод расчета звукоизоляции легких ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями и разработанная программа для его реализации на ЭВМ;
- рекомендации по проектированию легких ограждающих конструкций из слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями и технологии его изготовления с учетом обеспечения требуемых звукоизоляционных качеств в процессе эксплуатации.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждена на основе сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных, полученных в больших реверберационных камерах для слоистых элементов с вибродемпфирующими слоями при различных физико-механических характеристиках слоев, а также для легких ограждающих конструкций, состоящих из этих элементов. Все необходимые расчеты при сравнительном анализе теоретических и экспериментальных исследований производились на ЭВМ по специально разработанной программе.
Материалы диссертации обсуждались на: II - IV научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (Вологда, 1983, 1984, 1986 г.); научных конференциях молодых ученых Волго-Вятского региона (Горький, 1983, 1984 г.); семинаре ЛДНТП “Акустическая изоляция помещений и оборудования в промышленности и на транспорте» (Ленинград, 1985 г.); научно-техническом семинаре «Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций» (С. Петербург, 1992 г.); международной практической конференции «Проблемы инженерного обеспечения экологии городов» (Пенза, 1999 г.); международной практической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2002 г.); V международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте (Череповец, 2002 г.); международной практической конференции «Реконструкция - С. Петербург» (С. Петербург, 2003 г.); научно-технических семинарах «Защита от шума и акустическое благоустройство зданий и населенных пунктов» (Москва, НИИСФ РААСН, 20032007, 2012 г.); всероссийских научно-технических конференциях “Вузовская наука - региону» (Вологда, 2002, 20042006, 2010 г.); XV и XVIII сессиях Российского акустического общества «Архитектурная и строительная акустика. Шумы и вибрации» (Москва, 2004, 2006 г.); IV международной практической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2005 г.); научно-технической конференции с международным участием «Строительная физика в XXI веке» (Москва, НИИСФ РААСН, 2006 г.); научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (С.Петербург, 2006 г.); международной научно-технической конференции «Гармонизация европейских и российских нормативных документов по защите населения от повышенного шума» (Москва - София - Кавала, НИИСФ РААСН, 2009 г.); 9-ой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития жилищного хозяйства городов и населенных пунктов» (Москва - София - Кавала, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Энергосбережение и экология в строительстве и ЖКХ, транспортная и промышленная экология» (Москва - Будва, НИИСФ РААСН, 2010 г.); XV международной научно-практической конференции «Проблемы и пути развития энергосбережения и защиты от шума в строительстве и ЖКХ» (Москва – Будва, НИИСФ РААСН, 2011 г.); научной конференции – II-IV академические чтения, посвященные памяти академика
Г.Л. Осипова (Москва, 2010 2012 г.).
Внедрение результатов работы. Результаты работы переданы департаменту строительства Вологодской области и внедряются в практику строительства подрядных организаций области. Расчетные зависимости и методы использованы при разработке легких ограждающих конструкций с вибродемпфированием для снижения шума в жилых комнатах, смежных с автоматической телефонной станцией ОАО «Северо-западный Телеком»; в жилых комнатах, смежных с пристроенным боулингом торговой фирмы «Золотой ключик»; в ремонтно-механическом цехе ОАО «Вологодский завод железобетонных изделий и конструкций», а также при оценке снижения шума на объектах, запроектированных проектно-производственной мастерской «Перспектива». Программное обеспечение используется в АО «ПИИ Промлеспроект» при выполнении проектных работ и в учебном процессе ВоГТУ при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по направлениям «Строительство» и «Архитектура». Новизна и полезность результатов работы подтверждена пятью патентами.
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 работа, в т.ч. 14 из них в изданиях по списку ВАК, 5 патентов, зарегистрирована программа для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы из 349 наименований и 12 приложений. Основной материал, включая рисунки и таблицы, изложен на 288 страницах, объем приложений – 29 страниц.
Анализ современных теоретических исследований в области звукоизоляции легких ограждающих конструкций с позиции возможности их использования для оценки звукоизоляции ограждающих конструкций из элементов с вибродемпфирующими слоями
При решении задач по проектированию звукоизоляции слоистых ограждающих конструкций с вибродемпфированием в качестве базовой теоретической основы следует рассматривать волновые процессы, происходящие в однослойных ограждениях и их влияние на звукоизоляцию. В этой связи вначале остановимся на работах, исследующих звукоизоляцию однослойных ограждающих конструкций.
Теоретическое рассмотрение прохождения звуковых волн через однослойные ограждения впервые было сделано Рэлеем (Стретт Д.В.) в 1938 году [216]. Он предполагал, что ограждение имеет неограниченную протяженность, а плоская звуковая волна падает нормально к её поверхности, и угол падения звуковых волн не имеет принципиального значения.
В это же время в своем детальном исследовании X. Рейснер указал, что в некоторых случаях при определённых углах падения звуковых волн происходит полное прохождение звука (если не учитывать внутреннее трение) [321]. Это явление возможно при конкретных соотношениях толщин пластин и длин сдвиго 22 вой и продольной волн, возникающих в них. Из-за сложности полученных выражений практического применения теория X. Рейснера не получила.
Наглядно механизм прохождения звука через тонкую пластину ограниченных размеров представил Л. Кремер в 1942 году [248]. В основе построения своей теории он использовал эффект волнового совпадения, который был ранее известен в области ультразвука. Было отмечено, что звук проходит через пластину полностью в случае такого угла падения, при котором выполняются условия совпадения, т.е. фазовая скорость падающей звуковой волны вдоль пластины совпадает с фазовой скоростью изгибных волн в пластине. При этом происходит полное прохождение звука через ограждение, и его звукоизоляция резко снижается. Согласно теории Л. Кремера весь звуковой диапазон делится на две области с различным механизмом прохождения звука. Это разделение происходит на граничной частоте волнового совпадения. В области частот ниже граничной частоты волнового совпадения рост звукоизоляции совпадает с законом массы: tf = 201g/H -/-47,5,Gff) (i.i) В области частот выше граничной частоты волнового совпадения звукоизоляция управляется массой пластины, частотой звука и коэффициентом потерь [248].
И. Гетц [262] и А. Шох [327, 328] провели подробные теоретические исследования прохождения звука через безграничную пластину и подтвердили выводы Л. Кремера о случае волнового совпадения. А. Шох пришёл к выводу, что звук полностью проходит не только на частоте волнового совпадения, но и в непосредственной близости к этой частоте.
Более подробно задачу о прохождении звука через тонкую пластинку рассмотрел Л.М. Лямшев [140] как теоретически, так и экспериментально не только на примере изгибных колебаний, но и с учетом поперечных колебаний сжатия, приводящих к продольным колебаниям тонкой пластины. Им введено понятие пространственно-частотного резонанса, т.е. резонанса на частоте с одновременным точным соответствием распределения давления вдоль пластины в падающей звуковой волне с одной из форм её собственных колебаний. Рассматривая прохождение звука через безграничный слой В.И.Заборов [67] вновь получил формулу звукоизоляции Л. Кремера в области волнового совпадения.
М. Хекль в своих исследованиях [269, 270] делает вывод, что звукоизоляция пластины ниже граничной частоты волнового совпадения не зависит от размеров и способов ее крепления, а определяется законом массы. Р. Жосс и С. Лямюр [273] показали, что звукоизоляция пластины конечных размеров выше граничной частоты определяется, как и в случае безграничной пластины, ее массой, частотой звука и коэффициентом потерь. Причина же более высокой звукоизоляции пластин конечных размеров оказалась невыясненной.
Механизм прохождения звука через реальные ограждения конечных размеров подробно рассмотрен профессором М.С.Седовым [184-210]. Разработанная им теория звукоизоляции позволяет более полно представить прохождение звука через однослойные панели. В отличие от пластин неограниченной протяженности, где движение определяется явлением волнового совпадения, предлагается другая модель, где решающим для движения пластин конечных размеров является определенное и различное для отдельных областей частот самосогласование (согласование) звуковых полей перед и за ограждением с волновым полем самого ограждения. Исследования позволили установить, что частотная характеристика звукоизоляции тонкой пластины имеет пять участков [162, 197, 208]: дорезонансную область, области простых резонансов, простых пространственных резонансов (ПрПР), неполных пространственных резонансов (НПР) и полных пространственных резонансов (ППР). Каждый из этих участков ограничен некоторыми значениями граничных частот. Такими частотами являются: основная резонансная частота fG, частота граничного простого пространственного резонанса fFm п , частота граничного неполного пространственного резонанса /Гтп , частота граничного полного пространственного резонанса fpmn (рис. 1.4).
Собственные функции и спектр частот собственных колеба ний элементов
Видно, что вибродемпфирование собственных волн ограждения за счет бутвела повысило его звукоизоляцию вплоть до предельных значений во всем диапазоне частот, и дальнейшее вибродемпфирование нецелесообразно. Теория и эксперимент указывают на превышение «закона массы» для данного реального ограждения за счет его конечных размеров в области низких частот (100ч-400) Гц до 9 дБ [204].
Звукоизоляция многослойных перегородок с различными промежуточными слоями рассмотрена также в работах [46, 171, 218, 219, 220, 251, 258, 318, 325, 341, 347]. О.Г. Тарасова [46, 218-220] рассматривает звукоизоляционные свойства многослойных ограждающих конструкций из различных материалов и приводит новые инженерные методы расчета оптимальных с точки зрения звукоизоляции геометрических параметров по толщине элементов конструкции, при которых звукоизоляция достигает максимальных величин, с учетом спектров частот источников шума.
Звукоизоляция перегородок с учетом размещения в них неоднородностей (твердых, свободных, заполненных жидкостью или упругим включением) представлена в работах [318, 341]. Смоделированы различные положения и размеры неоднородностей, и проанализирован с применением метода граничных элементов полу 41 чившийся в результате уровень звука. Полученные значения звукоизоляции сравниваются с экспериментальными данными. Показано, что прогнозируемые аналитические решения хорошо согласовываются с экспериментальными результатами, кроме случаев, когда площадь панели очень мала, а частоты очень низки. На низких частотах экспериментальные результаты показывают значительное воздействие резонансных эффектов, связанных с созданием стационарных волн в акустических камерах.
Решение задачи повышения звукоизоляции ограждений на низких частотах рассматривалось многими учеными [18, 22, 49, 241, 257, 277, 298, 299, 317, 332, 342]. Одной из серьезных проблем, стоящих перед разработчиками звукоизолирующих материалов, является создание покрытий сравнительно малых толщин, обеспечивающих повышенную звукоизоляцию на низких частотах. Возможным путем решения этой задачи является введение в колебательную систему относительно небольшого числа низкочастотных резонаторов таким образом, чтобы их эффект повлиял на величину звукоизоляции на заданной частоте в низкочастотном диапазоне [49, 62-64, 134, 135].
Отмечается, что звукоизоляция на низких частотах зависит от размеров помещения, места расположения источника звука, времени реверберации и не всегда соответствует реальным формам и размерам помещений [18, 22, 257, 277, 298, 299, 317]. Указанные выводы подтверждены расчетом с использованием метода конечных элементов [332, 342].
Звукоизоляция слоистых ограждений исследуется также в работах Л.М. Бреховских, В.И. Заборова, М.И. Могилевского, В.И. Юлина, Р.Ю. Винокура, Ф. Спронка, Б. Шарпа, Е. Штайгера [42, 45, 67, 68, 146, 234, 333, 337, 339].
Следует также отметить работы Л.С. Бородицкого, И.И. Боголепова, Н.И. Иванова, И.И. Клюкина, А.С. Никифорова, А.Г. Позамонтира, Б.Д. Тартаковского, Л.С. Фрумкина, Л. Кремера, X. Оберста, А. Шоммера, X. Брауниша, Д. Меада, А. Лэвиса и других авторов [37, 48, 69-72, 79-81, 153-155, 175, 212, 214, 215, 222, 224, 227, 228, 246, 247, 254, 256, 259, 274, 289, 291, 297, 300-303, 309, 313, 315, 329-331, 349] по испытанию и применению слоистых вибродемпфирующих материалов и конструкций для борьбы с шумом и вибрацией в промышленности и на транспорте. Впервые прохождение звука через двойные ограждения с воздушным промежутком рассмотрел Е. Винтергерст [348] в виде двух сосредоточенных масс с упругой связью между ними. Он отметил, что передача звука через такие ограждения уменьшается с увеличением массы слоев и толщины воздушного промежутка. Его теория показывала наличие провала в звукоизоляции по причине резонанса «масса - упругость - масса».
Позже К. Гезеле [261] усовершенствовал эту расчетную модель, рассматривая не сосредоточенные массы, а эквивалентные поверхностные массы, обладающие жесткостью и имеющие граничные частоты волнового совпадения. Им показано, что звукоизоляция двустенного ограждения с воздушным промежутком равна сумме звукоизоляций отдельных панелей, определенных экспериментально и слагаемого, учитывающего жесткость разделяющего слоя. Прохождение звука через ограждение зависит от этого слагаемого, которое на низких частотах равно р0с01 d, где d - толщина воздушного промежутка, а на высоких частотах зависит от изгиб-ных колебаний пластины и дает прибавку к звукоизоляции в 6 дБ. Л. Кремер [248] использовал импедансный метод для расчета звукоизоляции бесконечных ограждений, состоящих из нескольких тонких пластин, разделенных воздушным промежутком или его заполнением звукопоглощающим материалом.
А. Лондон [295] изучил механизм прохождения звука через двойные ограждения при произвольном угле падения. В целях упрощения А.Лондон устанавливает существенные ограничения: ограждения бесконечны и идентичны; в рассматриваемый диапазон не входит область волнового совпадения; не учитывается влияние резонансных колебаний. Для определения передачи звука через двойное ограждение необходимо экспериментально получить импеданс отдельной стенки. Он установил, что на низких частотах двойная конструкция колеблется подобно системе сосредоточенных масс и упругости, где роль масс играют отдельные пластины, а упругости - воздух между ними. В этой области частот возникают резо-нансы типа «масса -упругость - масса».
Влияние потерь звуковой энергии в слоистых элементах на прохож дение звука в ограждениях
Любая слоистая строительная конструкция представляет собой механическую систему, состоящую из набора жестких элементов, каждый из которых можно рассматривать как определенный тип резонатора. При падении на него звуковых волн широкого диапазона частот в нем возникают колебания соответствующей частоты и уровня. Ограждение, как механическая колебательная структура, способна откликаться на определенные типы колебаний падающих звуковых волн. Наиболее сильный отклик ограждением будет происходить в случае согласования волновых параметров звукового поля помещения и вибрационного поля ограждающей конструкции.
В данной главе на основе теоретических исследований произведена оценка прохождения и излучения звука в ограждающих конструкциях из двойных слоистых элементов. Полученные формулы дают возможность определять излуча-тельную способность и, следовательно, звукоизоляцию конструкции.
Рассматрим прохождение волны через конструкцию, состоящую из двух параллельных трехслойных элементов разделенных воздушным промежутком.
Пусть звуковые волны падают на элемент в плоскости XOY = О под углом О. Введем коэффициенты отражения и прохождения соответственно А и В. Если рассматривать с энергетической точки зрения, то это будет Wr
Используя рис. 3.1, расставим значения амплитуд звуковых волн в соответствующих средах: Рпад - амплитуда звукового давления в падающей волне (в среде 1); Ротр - амплитуда первого отражения звуковых волн в первой среде; Рп j -амплитуда звукового давления в первой прошедшей волне (внутри воздушного промежутка); Рпр2 РПрЪ амплитуды «как бы» прошедших волн воздушного промежутка; Рогпр\,Ротр2 " амплитуды давлений в звуковых волнах, претерпев-ших отражения от второго элемента (отражения внутрь воздушного промежутка); Рпр\ Рпр2 амплитуды давлений в волнах, прошедших через оба элемента (амплитуды звуковых давлений в нижнем полупространстве).
Учитывая смещение звукового луча вдоль оси «х» рис. З.1., в плоскости z = d получаем соотношение вида (У 0- х) . 2dtg6 дк, Или согласно рис. 3.1. А = 2dtg9, что достаточно хорошо сгласуется с результатами работ А.П. Юферева [235] и Беранека [238]. Д = І, l- = 2dtg0,d = - —, п п IntgO где п - количество длин полуволн, укладывающихся вдоль ограждения « ». Если при данном угле падения в подобрать «d » таким образом, чтобы все Pomp попадали в узлы колебаний пластины (рис. 3.1), то, следовательно, усилений колебаний пластины не произойдет. Падающая на это место волна полностью отражается (в воздушном промежуток) с той же амплитудой и фазой.
Плотность звуковой энергии в замкнутой полости возрастает, т.е. произойдет как бы самосогласование полей. В воздушной прослойке появляются стоячие волны, и происходит просто перекачка энергии, т.е. проявляется некоторое резонансное явление.
Меняя толщину воздушного промежутка (d), можно перемещать точку отражения « F » вдоль пластины и, по-видимому, можно регулировать прохождение волн в плоскости пластины (z = d).
Рассмотрим интерференцию звуковых волн в нижнем полупространстве с учетом набега фаз при прохождении воздушного промежутка. p npl=B2Po-ei-k z-dycose (3.2) р пр2=В2А2р0.е в р пр3=В2А4Ро-е{-к(2-5с1 с08в ргпр4=В2А6р0-е1-ко 7а со"в p npn=(AB)2An-lPo ./U42«-iV]cos0 Общее звуковое давление в нижнем полупространстве рассмотрим как сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии. S = -%-, (3.3) \-q rwal=B2Po-ei-k{z-d)-co e. (3.4) q = A2-e-2i-kd-cose. (3.5) (3.6) Ч т 2 л2 „ ikd cos в -Zikd cos в а2 В A pQe Є а г 2 ikd cos в -ikd cos в Тогда суммарное звуковое давление в нижнем полупространстве определяется как т 2 ik(z-d)cosd S(P) В р0е у -і л 2 -2ikd cos в 1-А е Проведем замену коэффициентов, учитывая, что В = т А2 =\-В2 =1-г. Имеем ik{z-d)cos9 (3.7) И " 1-(1-г -2/Ысо " (3 8) Интересующее нас давление в плоскости второго элемента, т.е. при z = — d получим как тр0е 5 = -likdcosG (3.9) 1-(1-г)е2Л/со8 " Выражение (3.9) определяет амплитуду суммарного звукового давления в нижнем полупространстве. Рассмотрим действительную часть этого выражения.
Для этого выполним некоторые преобразования. Перепишем выражение в виде (3.10) р0т _ р0т Учтем, что по формуле Эйлера 2ikdcos9 2ikdcos9 _ /1 2i-kd-cosQ - cos{lkd cos б) + і sin(lkd cos б). (3.11) Тогда Рот S(P) = cos(2kdcos@)-A + isin(2kdcose) р0т\ cos(2kdcose)- A2 -isin(2kdcose)\ J cos(2kdcos$)- A +isin(2kdcose)j[cos(2kdcose)- AJ cos(2kd cos 9) - A -i sin(2A:G? cos 6) = Po cos(2kdcos0)-A +sin (2kdcos&) г sin fad cosO)} (3.12) Используя действительную часть, получаем Ptf cos(2dcos#)-;4 cos2(2kd соъв)-2А2 zQ s(2kd сюв)+ А + sin2(2Mcos#) Ptf СОБ(2Ы COS#)- A4 \ + A4-2A2cos(2kdcose) Если учесть, что В =т и А = 1 — X, имеем s / 0r[cos(2fc/cos 9)-l + r] (3 13) (р) 2-2r + r2-2(l-r)cos(2fe/cos#) Выражение (3.13) определяет амплитуду суммарного звукового давления в звуковой волне, прошедшей через оба элемента. Рассмотрим значение звукового давления в отсутствие второго элемента, т.е. в плоскости z = О (соответственно d — 0) Имеем: 50,)= [ »е-\ + т\ = т о w 2-2r + r2-2(l-r)cos 9 2-2г + г2-2 + 2г Звуковое давление связано с амплитудой звукового давления в падающей 2 пр волне. Из введенного обозначения т = В = — можно определить значение Wnad звуковой мощности в воздушном промежутке между элементами т = — Тогда W2 = WXW3 . Энергия звукового поля в воздушном промежутке может быть определена через значения энергий верхнего и нижнего полупространств.
Рассматривая воздушный промежуток как некоторое передаточное звено между плоскостями с уровнями звуковой мощности W\ и W , можно определить уровень звуковой мощности в заданном промежутке. Для этого достаточно будет практически измерить уровни Wl и W3 и определить W2 — д/ 1 3
Это может дать возможность регулирования уровня звуковой мощности в воздушном промежутке путем внесения соответствующего поглощающего материала. Найдем теперь положение второго элемента, z = d, при котором амплитуда звукового давления в плоскости второго элемента будет минимальной. Перепишем выражение суммарного звукового давления в виде _ тр0 cos(2kdcosO)-A _ zp0[cosx-A J S = (3.15) \ + A4- 2A2 cos(2kd cos 9) 1 + A4 - 2A2 cos x Найдем экстремум этой функции и возьмем — = 0. dx dS -sinx(l + А4 -2 A2 cosx)-2yl sinxlcosx-,4 ) ,„,,ч -r = m х /—-—\ 1. (з.1б) dx (l + 3-2y42cosxj Приравнивая численность к нулю, имеем - sinх + A sinx = 0 или sinх\А - lj= 0. Здесь возможны два варианта: 1) sinx = 0 sin(2kdcosв) = 0, т.е. 2kdcos0 = mn. Проанализировав это решение, можно определить положение плоскостей с минимальным давлением. 2) А —1 = 0, т.е. А =1. Имеем дело с полностью отражающей поверхно стью. В этом случае, при падении звуковой волны из верхнего полупространства на элемент происходит полное отражение волны назад, в верхнее полупространство. Таким образом, звуковая волна в воздушном промежутке между плоскостями не проходит и соответственно не попадает в нижнее полупространство.
Определение динамического модуля упругости и коэффициента потерь вибродемпфирующих материалов и конструкций
При исследованиях звукоизолирующей способности строительных конструкций важное значение имеет точность определения динамических характеристик материалов несущих и вибродемпфирующих слоев, к которым относятся динамический модуль упругости Е и коэффициент потерь Т]. В настоящей работе приведены исследования существующих методик определения динамических характеристик, выполнена оценка их достоинства и недостатков и на основании этого принят наиболее надежный метод определения характеристик, которым является резонансный метод. Данный метод использован в работе при исследованиях динамического модуля упругости и коэффициента потерь, применяемых в конструкциях, материалах и изделиях. Часть измерений выполнена с использованием прибора изгибный волн типа 3930 фирмы «Брюль и Къер» на испытательном стенде, состав которого разработан доктором Оберстом и его сотрудниками[313-315]. Измерительный тракт, включающий в себя прибор 3930, генератор сигналов, измерительный усилитель и самописец уровня [160], представлен на рис. 4.11, 4.12.
Прибор изгибных волн типа 3930 состоит из точного механического приспособления, имеющего два зажима для закрепления исследуемых образцов и два электромагнитных преобразователя. Сигнал с генератора синусоидальных сигналов поступает на электромагнитный преобразователь и возбуждает в образце изгибные колебания. Второй датчик принимает изгибные колебания стержня и преобразует их в электрический сигнал, который затем усиливается и поступает на самописец уровня. На ленте самописца отображается характер изгибных колебаний стержня в зависимости от частоты возбуждения. Измерительный тракт позволяет синхронизировать частоту генератора с сеткой частот, нанесенной на ленту самописца уровня, что позволяет с заданной точностью определять частоты пиков и спадов резонансной кривой. Затем по соответствующим формулам находится коэффициент потерь материала.
Недостатками этой методики являются трудность определения частоты колебания исследуемого образца с ленты самописца, поскольку лента имеет логарифмический масштаб частоты (рис. 4.13), а также трудности работы с самописцем уровня (изменение длины ленты, связанное с ее влажностью, возможное несоответствие частоты возбуждения образца с частотной сеткой на ленте самописца в процессе работы и др.).
С целью устранения указанных выше недостатков в измерительный тракт дополнительно был включен частотометр для точного определения частоты возбуждения образца, а также электронный вольтметр для нахождения пика и спада на 3 дБ резонансной кривой. В таком виде измерительный тракт позволяет определить частоты резонансной кривой с точностью до 0,1 Гц на всех частотных диапазонах.
Поскольку в процессе измерения исследуемый образец возбуждается синусоидальным сигналом, и исследуется линейный процесс его возбуждения, для визуального контроля возможных искажений в тракте также дополнительно использован электронно-лучевой осциллограф. Схема усовершенствованного тракта приведена на рис. 4.11. Общий вид приборов тракта дан на рис. 4.12. Измерительный тракт с таким составом приборов позволяет обеспечить необходимую точность измерений и исключить ошибки, связанные с нелинейными процессами возбуждения исследуемого образца.
Схема установки для измерения динамических характеристик образцов слоистых вибродемпфированных элементов: ГС - генератор сигналов 03008; ЧЦ - частотомер цифровой; УМ - усилитель мощности УМ-50А; ВК - вольтметр контрольный; У - усилитель М60Т; мВ - милливольтметр ВМ-512; СУ - самописец уровня 02013; 1 - прибор изгибных волн типа 3930; 2 - магнитные преобразователи М0002; 3 - исследуемый образец Установка для измерения динамических характеристик материалов ODDDDD DDDDDannnnDnDnnDnnDDDDO jr . Полная кривая резонансов исследуемого образца /н - нижняя граничная частота, Гц; fp - частота резонансов, Гц; fjg - верхняя граничная частота, Гц На описанной выше установке исследовались образцы материалов в виде стержней прямоугольного поперечного сечения с максимальной шириной 10 мм и свободной длиной до 380 мм.
Похожие диссертации на Звукоизоляция легких ограждающих конструкций зданий из элементов с вибродемпфирующими слоями
