Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ факторов, определяющих процесс формирования отраженных шумовых полей в производственных помещениях, и их учет в современных методах расчета шумового режима. Постановка задач исследования 12
1.1. Основные принципы, используемые при оценке шумового режима и выборе средств шумоглушения в производственных помещениях с учетом закономерностей распределения отраженной звуковой энергии 12
1.2. Условия и факторы, влияющие на процесс распределения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях 18
1.3. Требования к методу расчета энергетических параметров отраженных шумовых полей производственных помещений 22
1.4. Анализ современных методов расчета шумовых полей с позиций оценки ими распределения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях 23
Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 36
Глава 2. Экспериментальная оценка отраженных шумовых полей помещений 39
2.1. Цель и основные задачи экспериментальных исследований отраженных шумовых полей производственных помещений 39
2.2. Методика натурных исследований и сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных 40
2.3. Программное обеспечение сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных 43
2.4. Сравнительный анализ результатов расчетов уровней отраженного шума аналитическими и численными методами с данными экспериментальных исследований 45
2.5. Экспериментальная оценка возможности использования метода энергетических балансов для исследования влияния места расположения и размеров звукопоглощающих
облицовок на шумовой режим помещений 53
Выводы по главе 2 58
Глава 3. Исследования влияния звукопоглощения на распределение и снижение отраженной звуковой энергии в производственных помещениях различных пропорций 59
3.1. Методика исследования распределения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях методом энергетических балансов 59
3.2. Исследование границ применимости диффузного метода расчета эффективности звукопоглощающих облицовок в производственных зданиях 66
3.3. Исследование влияния мест размещения звукопоглощающих облицовок на их эффективность 69
3.4. Исследование зоны влияния звукопоглощения потолка на снижение отраженного шума в расчетных точках помещений разных пропорций 82
Выводы по главе 3 85
Глава 4. Инженерные методы оценки эффективности звукопоглощения и акустической мощности технологического оборудования с учетом закономерностей распределения отраженного шума в производственных помещениях 87
4.1. Закономерности снижения шума в производственных помещениях различных пропорций при изменении среднего коэффициента звукопоглощения помещения 87
4.2. Инженерный метод оценки эффективности звукопоглощения в производственных помещениях 91
4.3. Инженерная оценка звуковой мощности технологического оборудования в условиях производственных помещений 101
Выводы по главе 4 111
Глава 5. Программа по расчету шумового режима и проектированию шумозащиты в производственных зданиях 113
5.1. Выбор расчетного метода для использования при автоматизированном проектировании шумозащиты 113
5.2. Алгоритмизация функций и проектирование программы 116
5.3. Пример расчета строительно-акустических мероприятий по программе Industrial Noise 124
Выводы по главе 5 134
Основные выводы 135
Список использованных источников
- Основные принципы, используемые при оценке шумового режима и выборе средств шумоглушения в производственных помещениях с учетом закономерностей распределения отраженной звуковой энергии
- Цель и основные задачи экспериментальных исследований отраженных шумовых полей производственных помещений
- Методика исследования распределения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях методом энергетических балансов
- Закономерности снижения шума в производственных помещениях различных пропорций при изменении среднего коэффициента звукопоглощения помещения
Введение к работе
На промышленных предприятиях одним из основных факторов, ухудшающих условия труда и влияющих на здоровье работающих, является шум. В этой связи улучшение акустической обстановки в производственных зданиях на стадиях их проектирования и эксплуатации является важной социально-экономической задачей, решение которой требует значительных затрат, и в частности, на разработку и устройство мер по снижению шума. В настоящее время для снижения производственного шума на основе работ российских учёных Боголепова И.И., Борисова Л.А., Гусева В.П., Заборо-ва В.И., Иванова Н.И., Климухина А.А., Клюкина И.И., Ковригина С.Д., ОсиповаГ.Л., Седова М.С., Шубина И.Л., Юдина Е.Я. и др. разработаны и внедряются эффективные методы и средства борьбы с шумом различного происхождения [15, 16, 17, 36, 44, 46, 79, 85, 89, 90, 96, 97, 100]. К ним относятся методы борьбы с шумом в источнике возникновения, в пределах ближнего поля источника, а также на путях распространения шума в здании. К последним относятся технолого-организационные, архитектурно-планировочные и строительно-акустические меры. Перечисленные методы используют при проектировании, реконструкции и эксплуатации зданий и применяются как по отдельности, так и комплексно.
При разработке шумозащиты в последнее время широко используется многовариантное проектирование, предполагающее значительные затраты времени и требующее автоматизации его процессов. Автоматизация позволяет выполнять многовариантные разработки шумозащиты на всех стадиях проектирования объекта (разработка технологических схем, выбор планировочного, конструктивного решений и т.д.), даёт возможность производить многофакторный анализ вариантов, обеспечивает циклический характер поиска оптимального варианта. Выбор оптимального варианта и эффективность применения разработанных мер снижения шума во многом зависят от степени точности оценки шумового режима в помещениях с шумным обору-
дованием до и после проведения шумозащиты. Поэтому при выборе мер должен производиться анализ возможных изменений шумового режима, происходящих в результате изменений планировочных, конструктивных и акустических параметров помещения. Это возможно при наличии методов расчётов энергетических параметров шума, объективно учитывающих условия распространения звуковой энергии в воздушном пространстве производственных помещений.
Уровни шума в помещениях определяются суммарной величиной энергии прямой и отражённой составляющих звука. Расчёты прямой энергии в большинстве случаев не представляют сложностей и могут производиться в соответствии с рекомендациями, изложенными в нормативной [139] и справочной литературе [17, 97]. Отражённая звуковая энергия формируется под воздействием большого количества факторов, от достоверности учёта которых зависит точность расчётных данных и в конечном итоге надёжность прогнозирования эффективности мер шумозащиты. На основе работ российских учёных ОсиповаГ.Л. [79, 80, 82, 96], Сергеева М.В. [78, 93, 96], Шубина И.Л. [80, 81], Ковригина С.Д. [43, 45, 47], ЛеденёваВ.И. [63], Крышо-ва СИ. [49, 54], Антонова А.И. [5, 6], Дёмина О.Б. [30, 31] и др., а также основополагающих работ зарубежных учёных КуттруфаХ. [122, 123], Шредера М. [132, 135], КраакаВ. [119, 120] и др. в настоящее время разработаны методы расчёта, основанные на волновом, геометрическом и статическом принципах оценки распределения звуковой энергии в замкнутых объёмах. Основы этих принципов заложены в работах Сэбина У. [129], Морза Ф. [76], Бреховских Л.М. [19, 20], Фурдуева В.В. [101], Розенберга Л.Д. [87, 88].
Практика использования разработанных методов расчёта показывает, что часть из них недостаточно полно учитывает процесс формирования отражённых полей и может применяться ограниченно только в определённых группах помещений с определёнными объёмно-планировочными и акустическими параметрами. Другая часть методов недостаточно широко используется в практике из-за отсутствия исследований, определяющих их возможно-
сти, точность и границы применимости. В частности, это относится к статистическим энергетическим методам, основанным на представлении об отражённом звуковом поле помещений как о квазидиффузном поле [63]. Таким образом, исследование закономерностей распространения отражённой звуковой энергии в производственных помещениях и учёт его результатов в расчётных методах по оценке шумового режима и эффективности шумозащиты является актуальной научной задачей, имеющей практическое значение.
Целью диссертационной работы является совершенствование методов оценки шумового режима и эффективности шумозащиты в производственных зданиях на основе исследований закономерностей формирования и распространения отражённой звуковой энергии в производственных помещениях.
Основные задачи исследований:
произвести выбор и дать оценку точности расчётных методов, обеспечивающих возможность исследования закономерностей формирования и распространения отражённой звуковой энергии в условиях производственных помещений;
разработать методику использования численного статистического энергетического метода для оценки распределения отраженного шума в помещениях;
выполнить исследования влияния объёмно-планировочных и акустических параметров производственных помещений на распространение в них отражённой звуковой энергии и оценить зависимость эффективности звукопоглощения от мест размещения и площади облицовок;
разработать инженерный метод оценки шумового режима и эффективности звукопоглощения, учитывающий закономерности распространения отражённой звуковой энергии в производственных помещениях с различными объёмно-планировочными и акустическими параметрами;
разработать методику инженерной оценки звуковой мощности тех-
нологического оборудования в условиях производственных помещений по результатам натурных измерений и теоретических расчётов методами, учитывающими закономерности распространения отражённой звуковой энергии;
- разработать на основе методов расчёта, обеспечивающих объектив
ную оценку распространения отражённой энергии, методику, алгоритмы и
программу для автоматизации исследований шумового режима и проектиро
вания шумозащиты в производственных зданиях.
Методы исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием статистических энергетических методов расчёта шумовых полей помещений и метода прослеживания лучей. При сравнительном анализе использовались также метод диффузного поля и метод мнимых источников. Все необходимые расчёты произведены на ЭВМ по специально разработанным программам. Экспериментальные исследования выполнены с использованием прецизионной электроакустической аппаратуры.
Научная новизна работы.
получены новые данные о влиянии объёмно-планировочных и акустических параметров производственных помещений на формирование и распространение в них отражённой звуковой энергии;
разработана методика использования численного статистического энергетического метода для оценки закономерностей распределения отраженного шума в помещениях в зависимости от мест размещения и величины звукопоглощения;
получены новые данные о зависимости акустической эффективности звукопоглощающих облицовок от мест их расположения в помещениях с различными с точки зрения акустики объёмно-планировочными параметрами;
разработан инженерный метод для оценки шумового режима и эф-
фективности звукопоглощения, учитывающий закономерности распространения отражённой звуковой энергии в производственных помещениях с различными объёмно-планировочными параметрами;
- разработана методика для оперативной оценки звуковой мощности работающего в цехах шумного оборудования.
Достоверность теоретических результатов подтверждена на основе сравнительного анализа расчётных и экспериментальных данных, полученных в помещениях с различными объёмно-планировочными и акустическими параметрами.
Практическая значимость работы. Данные о влиянии размещения звукопоглощающих облицовок потолков на их акустическую эффективность и рекомендации по определению мест размещения облицовок дают возможность более рационально располагать звукопоглощающий материал с учётом реального расположения источников шума и рабочих мест.
Предложенный инженерный метод оценки шумового режима и эффективности звукопоглощения даёт возможность при минимальных затратах времени производить оперативный анализ изменений шумового режима в помещениях при внесении в них дополнительного звукопоглощения.
Предложенная методика оценки звуковой мощности работающего в помещении оборудования на основе экспериментальных данных и выполнения расчётов с учётом закономерностей распределения отражённой энергии обеспечивает возможность получения в производственных условиях шумовых характеристик оборудования и, соответственно, выбора более целенаправленных мер шумозащиты, в том числе и в источнике шума.
Разработанная программа позволяет производить многовариантное проектирование шумозащитных мероприятий с учётом реальных объёмно-планировочных и конструктивных решений зданий и условий формирования в производственных помещениях отражённых шумовых полей.
Реализация результатов работы. Исследования выполнялись в рам-
ках программы научной темы ТГТУ №5г/99 «Разработка теоретических основ и методов расчёта элементов зданий и сооружений на силовые, температурные, влажностные и акустические воздействия», а также в соответствии с договором о творческом научном сотрудничестве между ТГТУ и Белосто-кским политехническим институтом Польши (2001-2005гг.). Разработанная расчётная программа и методика оценки звуковой мощности оборудования переданы для использования в НИИСФ РААСН. Программа используется в Научно-техническом центре по проблемам архитектуры и строительства ТГТУ при разработке проектов реконструкции зданий, а также в учебном процессе ТГТУ по дисциплинам «Строительная физика» и «Физика» (специальности 270102 и 270301).
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, представлялись и обсуждались на: научно-технических конференциях ТГТУ (г. Тамбов 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 гг.); XV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002г.), XXXII Всероссийской научно-технической конференции ВУЗов (г. Пенза, 2003г.); международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2004г.); международных научно-технических семинарах «Защита от шума и акустическое благоустройство зданий и населённых пунктов» (г. Севастополь, 2003г.); «Обеспечение защиты от вредных и опасных факторов среды обитания человека в зданиях и на территориях застройки» (г. Севастополь, 2004г.); «Экология, акустика и защита от шума» (г. Севастополь, 2005г.); международной технической конференции «Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений» (г. Вологда, 2003г.); XI, XIII, XV сессиях Российского акустического общества (Москва, 2001, 2003гг, Нижний Новгород, 2004г.); научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» (Москва, НИИСФ, 2006г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи (в том числе 3 статьи в журналах ВАК) и 6 тезисов докладов.
На защиту выносятся:
инженерный метод оценки шумового режима и эффективности звукопоглощения в производственных помещениях, разработанный с учётом закономерностей распространения в них отражённой звуковой энергии;
методика использования численного статистического энергетического метода для оценки закономерностей распределения отраженного шума в помещениях;
результаты исследования влияния на акустическую эффективность звукопоглощения мест размещения и размеров звукопоглощающих облицовок, полученных с учётом закономерностей распределения отражённой энергии в помещениях с различными объёмно-планировочными параметрами;
методика оценки звуковой мощности работающего в цехах шумного оборудования по результатам натурных измерений и расчётов методами, учитывающими закономерности распределения отражённой звуковой энергии в реальных производственных помещениях;
программа по оценке шумового режима и акустической эффективности снижения шума строительно-акустическими методами.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (140 наименований) и приложений. Общий объём работы 179 страниц. Основной текст, включая 54 рисунка и 3 таблицы изложен на 153 страницах, объём приложений - 26 страниц.
Работа выполнена на кафедре «Архитектура и строительство зданий» ТГТУ под руководством д.т.н. Леденева В.И. Автор выражает благодарность к.т.н. Антонову А.И. за оказанную научную и методическую помощь в работе.
Основные принципы, используемые при оценке шумового режима и выборе средств шумоглушения в производственных помещениях с учетом закономерностей распределения отраженной звуковой энергии
В практике борьбы с шумом основной характеристикой, определяющей энергетические параметры шумового поля и в этой связи подлежащей расчёту, является уровень звукового давления, определяемый как I = 10lg(p2/po)» (l.l) где р" - средний квадрат суммарного звукового давления; р0 = 2 Ю-5 Па -звуковое давление на пороге слышимости. Шумовое поле помещения представляется в виде набора плоских звуковых волн, распространяющихся в объёме. Распространение волн сопровождается переносом энергии, характеризуемым интенсивностью звука 1 = р2/рс, (1.2) где р - плотность среды; с - скорость звука.
Так как интенсивность звука является векторной величиной, при расчётах шума удобнее использовать скалярную характеристику поля - плотность звуковой энергии є, связанную с интенсивностью и звуковым давле ниєм как s = I/c = p2/pc2. (1.3) Уровни звукового давления согласно (1.1)-(1.3) определяются как (1-4) Ро уо h Ро — 19 / 1 где /0 = 10 Вт/м - значение интенсивности звука на пороге слышимости. пр
Согласно принципу суперпозиции суммарная плотность полного шумового поля помещения, создаваемого в нём источниками шума, равна сумме плотностей прямого є и отражённого є полей отр П П Б.. = у .е„„.. + X сущ 2-1Ьпри /Li"ompjj /=1 /=1 (1.5) где є - плотность звуковой энергии, создаваемая прямым звуком от/-го источника в /-ой расчётной точке; є - плотность отражённой звуковой энергии, возникающая в /-ой точке помещения при работе /-го источника. Величина уровней звукового давления согласно (1.4) определяется как (1.6) I,=101g пру Z ympij ИЕпру+ 2 V/=i /=i Расчёт прямого звука в помещении имеет ряд особенностей, связанных с размерами источника и расположением рабочих мест и источников. Плотность энергии прямого звука в этих случаях определяется по формулам (1.7) 8,„=П-;ПАи=Ф/Ог2;Пб=хФ/5 с где Р - мощность источника звука; г - расстояние от акустического центра источника до расчётной точки; Ф и Q - фактор направленности и пространственный угол излучения источника; х _ коэффициент, учитывающий неоднородность излучения звука с поверхностей источника; S - площадь воображаемой поверхности правильной формы, окружающей источник и проходя щей через точку наблюдения; П - функция, равная при г 2/тах П = ПЛц, а при г 2/тах П = Пб, /тах - максимальный габаритный размер источника.
Процесс формирования отражённого шума является более сложным вероятностным процессом, зависящим от большого количества факторов. Воздействие их на формирование отражённого звукового поля, как правило, комплексное и в целом зависит от условия распространения шума.
Особенности и условия формирования прямой и отражённой составляющих шума оказывают влияние на выбор средств шумоглушения в каждом конкретном помещении. Используемые в практике шумозащитные меры приведены на рис. 1.1. Эффект снижения шума каждым из способов связан с уменьшением по отдельности прямой и отражённой составляющих шума или с их одновременным уменьшением. В каждом случае приходится предварительно устанавливать соотношение величин прямой и отражённой составляющих звуковой энергии и в зависимости от него выбирать способ снижения шума, наиболее эффективный на конкретном участке помещения. Точность оценки эффективности принятого средства зависит от точности описания распределения отражённой звуковой энергии.
Снижение шума в источнике и ближней его зоне эффективно на стадии эксплуатации. Их применение целесообразно, как правило, на стадии эксплуатации. Снизить шум возможно путём замены или ремонта наиболее шумных элементов оборудования. Снижение шума достигается за счёт уменьшения прямой и, соответственно, отражённой составляющих.
Эффективность мер данной группы зависит от возможности оценки и реальной акустической мощности источника шума при работе в конкретном помещении. Так как оборудование может иметь несколько одновременно работающих источников шума (двигатель, трансмиссия и т.д.), для разработки мер снижения шума необходимо выявлять вклад каждого источника.
Цель и основные задачи экспериментальных исследований отраженных шумовых полей производственных помещений
Результаты обзора, выполненного в первой главе, показывают, что для расчёта энергетических параметров шумовых полей в настоящее время используются методы, различающиеся по характеру модели отражения звука от поверхностей (зеркальное или диффузное отражение) и по условиям учёта распределения отражённой энергии (равномерное или неравномерное). Точность и надёжность методов может быть оценена на основе сравнительного анализа экспериментальных и расчётных данных, полученных для значительной выборки помещений. В этой связи целью выполненной в работе экспериментальной оценки шумовых полей является установление адекватности описания распределения отраженной энергии в производственных помещениях методами, основанными на различных подходах.
Наиболее важными факторами, определяющими процесс формирования отражённого поля, являются характер отражения звука от поверхностей, объёмно-планировочные параметры помещений и звукопоглощающие характеристики ограждений. В этой связи при проведении экспериментальных исследований отражённых звуковых полей была поставлена и решена задача об установлении степени достоверности описания распределения отраженной звуковой энергии различными методами в помещениях с разными объемно-планировочными параметрами при отсутствии и наличии дополнительного звукопоглощения на ограждениях.
Так как акустическая эффективность звукопоглощающих облицовок существенно зависит от места их положения и размеров, необходимо иметь метод расчета отраженных звуковых полей, учитывающий положение и раз меры облицовок и объективно реагирующий на их изменения. Как показано в главе 1, такими возможностями обладает численный метод энергетических балансов. Поэтому второй задачей экспериментальных исследований была задача по экспериментальной оценке возможности использования метода энергетических балансов для исследований распределения отраженной звуковой энергии в помещениях с неравномерным расположением звукопоглощающих облицовок.
Для решения указанных задач произведены экспериментальные и теоретические исследования в различных по объёму, геометрическим параметрам и звукопоглощающим характеристикам помещениях.
Процесс экспериментальной оценки отражённых шумовых полей помещений и выбора объективного метода расчета их параметров представляет собой ряд операций, заключающихся в выборе объектов испытания, проведении измерений и обработки данных, выполнении расчетов различными методами и проведении сравнительного анализа.
Выбор объектов испытаний является задачей, при решении которой приходится учитывать и обеспечивать выполнение многих и зачастую противоречивых требований. Для оценки влияния характера отражения в работе выполнены измерения в помещениях с идеальными условиями зеркального или диффузного отражения, а также в помещениях с направленно-рассеянным и смешанным отражением звука от поверхностей, с гладкими окрашенными поверхностями, с кусочно-гладкими поверхностями, имеющими размеры, сравнимые с длиной волны, с поверхностями, отражающими близко к диффузной модели (реальные производственные помещения).
Для исследования влияния на отражённое поле пропорций помещений проанализированы результаты экспериментальных исследований шумовых полей в соразмерных, длинных и плоских помещениях. При оценке распре деления отражённой энергии использовались данные, полученные в помещениях без звукопоглощения, и при размещении в них дополнительного звукопоглощения. Всего рассмотрено 54 варианта измерений в основных и вспомогательных производственных помещениях. Параметры наиболее характерных исследованных помещений приведены в приложении (см. табл.П. 1.1).
Аппаратурное обеспечение экспериментальных исследований включало источники звуковой энергии, комплект шумометрических приборов и аппаратуру для измерения времени реверберации.
Выбор источников производился в соответствии со следующими требованиями: мощность источника должна обеспечивать высокие уровни по всему помещению и во всём исследуемом диапазоне частот; диаграмма направленности источников должна быть близкой к круговой; размеры источника должны быть близкими к размерам, отвечающим понятию точечного источника; при измерениях источник должен обеспечивать стабильный уровень шума. При измерениях в натурных условиях производственных помещений использовался источник шума ИОШ-1 А Горьковского завода «Эталон». При измерениях в небольших помещениях использован шариковый источник шума НИИСФа. Звуковая мощность источника ИОШ-1 А в частотном диапазоне 63-8000 Гц была не менее 80 дБ. Показатель направленности не превышал ±5 дБ. Мощность шарикового источника в октавных полосах с частотами 2000, 4000 и 8000 Гц была в пределах 90-100 дБ.
Измерения выполнены с использованием комплекта аппаратуры фирмы RFT, состоящей из прецизионных шумомеров с октавными фильтрами и конденсаторных дюймовых микрофонов, а также шумомера «Октава 101 AM»
Методика исследования распределения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях методом энергетических балансов
Как подтверждено в главе 2 результатами экспериментальных исследований, для оценки влияния звукопоглощения на распределение отражённой энергии наиболее приемлем метод энергетических балансов. Достоинством метода является возможность учёта звукопоглощающих характеристик каждого участка ограждения.
Суть метода заключается в разбиении объёма помещения на ряд элементарных объёмов, в пределах которых характер изменения плотности отражённой звуковой энергии может быть принят линейным, и в последующем составлении уравнений баланса отражённой энергии для каждого В общем виде для каждого элементарного объёма баланс отражённой энергии записывается как N , , 6-Л Ткл -ЦК + SfeWrt - (а)/ -««м=o, (3.1) ;=! ы а для внутренних объёмов, не соприкасающихся с ограждениями, баланс отражённой энергии находится как t ij-qj j-cm V O. (3.2)объёма. Распределение энергии находится из решения системы уравнений.
Здесь q и Цц- потоки энергии, приходящие из/-го объема в /-й, и, наоборот, уходящие из /-го в j-й через поверхность Si/, q(w)ik и q{o)ik - потоки энергии, соответственно, вводимой в /-й объём после первых отражений прямого звука и поглощаемой на к-й поверхности /-го объёма, являющейся поверхностью ограждения помещения с площадью , ; N - количество j-x объёмов, контактирующих с /-м объёмом; 6-N - количество граней /-го объёма, являющихся поверхностями ограждений; Vl, = Ах Ау Az - объём /-го элементарного параллелепипеда; с, - плотность отражённой энергии в /-м объёме. Потоки энергии qij и qyi определяются как qtj = T]{et -s /hyi qjt = TJ{SJ -e lhip (3.3) где hy - шаг сетки в направлении j-ro объёма; rj = 0,5clcp - коэффициент связи потока и градиента плотности в квазидиффузном звуковом поле. Величина потоков q{a)iii вычисляется по формуле q(a)ik= f , (3.4) 2(2-) где а ,- - коэффициент звукопоглощения к-ои поверхности /-го объёма.
Формула для определения q{w)ik зависит от принятого в расчётной модели способа ввода энергии в помещение. Выбор способа рассмотрен ниже.
Методика решения задач численным методом состоит из следующих основных операций:
- помещение, для которого определяется решение, разбивается на элементарные объёмы в виде параллелепипедов со сторонами Ах, Ay, Az и определяются узловые точки сетки; каждому элементарному объёму соответствует одна узловая точка сетки;
- для всех внутренних и граничных объёмов записываются уравнения балансов отражённой энергии, включающие значения потоков отражённой энергии на границах объёмов; при записи уравнений баланса для объёмов, прилегающих к границам, используются граничные условия;
- аппроксимируются путём выражения через значения сеточной функции члены, входящие в уравнение баланса отражённой энергии; при этом аппроксимационные выражения для потоков должны удовлетворять условиям согласования.
Поскольку число элементарных объёмов равно числу узлов пространственного разбиения, получается полная система алгебраических уравнений. Реализация системы позволяет получить разностное решение.
Современные методы решения линейных систем Ах = В условно делятся на точные и приближённые. К точным методам можно отнести метод Гаусса, а к приближённым методы простой итерации.
Расчет методом Гаусса [50] требует примерно iV3 арифметических операций, и при достаточно больших N требуются значительные затраты машинного времени.
Методы простой итерации [32] более приспособлены для реализации на ЭВМ. Наиболее удобным при программировании является модификация метода простой итерации в виде метода Зейделя. В этом случае итерационный процесс подобен процессу метода простых итераций, однако уточнённые значения х,(7+) сразу подставляются в последующие уравнения. Формула итерационного процесса имеет вид [51] Л-1 л \ Xi(j )-Xi(j) T aij U=l к (3.5)
Достоинством метода является также необходимость хранения в памя ти минимального количества информации. Вычисления производятся до тех пор, пока х,-(у+) xi(j) % гДе (у) _ номер итерации, -заданная погрешность вычислений.
Основываясь на изложенном, разработана компьютерная программа с реализацией системы уравнений методом Зейделя. Программа использована при выполнении сравнительного анализа расчётных и экспериментальных данных (см. главу 2). Установлено, что метод балансов обеспечивает требуемую точность при оценке шума в помещениях различных пропорций и с разными звукопоглощающими характеристиками ограждений. Для обеспечения точности решения задач при оценке распределения отражённой энергии в зависимости от различных факторов, в том числе и от места расположения звукопоглощения, необходимо иметь пространственную сетку с большим количеством элементарных объёмов. Как показали выполненные Леденё-вым В.И., Воронковым А.Ю. и автором данной работы исследования [41], для производственных зданий точность расчётов обеспечивается при разбиении помещения на элементарные параллелепипеды с основаниями, размеры которых в плане составляют величины, равные и менее 1/100 длины и ширины помещения. Как правило, это требует решения системы из 1000 и более разностных уравнений. В разработанной программе максимально возможное количество неизвестных ограничено числом 9000.
Неудобством итерационных методов является неопределенность с критериями прекращения расчетов и с оценкой погрешностей, возникающих при приближенном решении системы уравнений. Для установления рекомендаций по обеспечению необходимой точности решения системы уравнений выполнены расчеты в помещениях с различными пропорциями и звукопоглощающими свойствами ограждений [41]. Ниже приведены результаты расчетов, выполненных для соразмерного с размерами 10x10x5м, плоского -40x40x5м и длинного 60x10x5м помещений.
Закономерности снижения шума в производственных помещениях различных пропорций при изменении среднего коэффициента звукопоглощения помещения
Анализ результатов, выполненных в п.3.3 расчётов, показывает, что эффективность звукопоглощения растёт с увеличением площади облицовки, однако, рост её замедляется по мере увеличения процента облицовки. Особенно это заметно в плоских и длинных помещениях в ближней к источнику зоне помещения при расположении звукопоглощения на ближних к источнику участках потолка. Такой характер изменений эффективности хорошо виден на графиках рис.3.Па и 3.11а. Видно, что эффективность достаточно быстро растёт при увеличении площади облицовки над источником до 40-50% площади потолка и, наоборот, при размещении звукопоглощения в дальней от источника зоне эффективность начинает расти только после 50% облицовки площади потолка. Подобный эффект, только в меньшей мере, проявляется и для средней зоны помещения (см. рис.3.116, 3.136). Следует отметить, что для дальней от источника зоны помещения этот эффект проявляется в значительно меньшей мере (см. рис.3.10в и 3.12в).
Для определения зоны влияния облицовки потолка на снижение шума в расчётных точках помещения выполнены расчёты эффективности снижения отражённого шума в помещениях различных пропорций при разных размерах площади облицовки. Расчёты уровней шума производились численным методом, учитывающим место расположения облицовки [33, 59, 61, 67]. Исследования выполнены в соразмерных, длинных и плоских помещениях. Расчётная зона площади пола помещения, для которой производилась оценка средней эффективности звукопоглощения, принималась для каждого помещения равной 0,5/ср х 0,5/ср, где /ср - средняя длина пробега звуковых волн в помещениях. Размеры облицованной части потолка для соразмерных и плоских помещений принимались как к[1 х/ ), где к - переменная величина. В длинных помещениях размеры облицованной части потолка принимались как И х Ь, где Ь - ширина помещения.
С целью исключения влияния стен источник располагался в центре помещения. Здесь же располагалась и расчётная зона. Коэффициенты звукопоглощения принимались для необлицованных поверхностей равными 0,05. Облицовка потолка имела коэффициенты звукопоглощения 0,70.
В результате расчётов и последующего анализа установлено, что в соразмерных помещениях увеличение облицованной части потолка вплоть до полной его облицовки даёт ощутимое снижение уровня отражённой энергии в расчётной зоне. Графики снижения уровней отражённой звуковой энергии в соразмерных помещениях приведены на рис.3.14.
В длинных помещениях при увеличении площади облицовки потолка достигается такая величина, после которой дальнейшее увеличение площади практически не ведёт к снижению уровней отражённой звуковой энергии. Графики снижения уровней отражённой звуковой энергии в длинных помещениях приведены на рис.3.15. Видно, что размеры наиболее эффективного участка потолка, влияющего на снижение отражённого шума в расчётной зоне в длинных помещениях, не превышают величины 3,5/ х Ь.
Графики снижения уровней отражённой звуковой энергии в плоских помещениях приведены на рис.3.16. Видно, что в плоских помещениях эффективная зона потолка, влияющая на снижение шума в расчётной зоне, не превышает размеров 3,0/ср х 3,0/ср.
В целом результаты расчётов показывают, что на снижение отражённого шума в каждой конкретной точке помещения оказывает влияние определённый участок потолка. Это даёт возможность более эффективно размещать звукопоглощение с учётом расположения источника и рабочих мест.
В случае равномерного размещения источников шума и рабочих мест по помещению целесообразно располагать звукопоглощение на всей поверхности потолка. Это, в частности, относится к механическим и другим подобным цехам с равномерным размещением шумного оборудования. Такое же размещение эффективно и при одиночных источниках шума, но при равномерном по всему помещению распределении рабочих мест.
При наличии в помещениях отдельных мощных источников шума и расположения рабочих мест в ближней к ним зоне целесообразно располагать звукопоглощение над источником с размерами облицовки в полученных выше пределах. Это, в частности, относится к цехам железнодорожных предприятий (цехи периодического и подъёмного ремонтов, сборочного ремонта вагонов, тележечно-колёсные и т.п.) [58].
1. При исследовании распределения отраженной звуковой энергии методом энергетических балансов для решения системы уравнений целесообразно использовать метод Зейделя. Число итераций в этом случае прямо пропорционально числу уравнений системы и обратно пропорционально среднему коэффициенту звукопоглощения помещения. Метод обеспечивает требуемую точность расчётов при разбиении исследуемых помещений на 1000 и более элементарных объёмов.
2. Установлено, что при оценке средней по помещению эффективности снижения шума звукопоглощением возможно использовать метод диффузного поля. Погрешность оценки диффузным методом составляет в соразмерных помещениях 1,0-1,5дБ, а в несоразмерных - 2,0-3,0дБ. При этом метод во всех случаях занижает эффективность.
3. Эффективность звукопоглощения зависит от места расположения источника и положения по отношению к нему звукопоглощающей облицовки. При расположении источника в центре помещения эффективность звукопоглощения мало зависит от его положения по отношению к источнику и может оцениваться формулой диффузного метода с погрешностью не более 1,0дБ. При расположении источника не в центре помещения эффективность звукопоглощения зависит от его положения по отношению к источнику, и особенно в несоразмерных помещениях. В этих случаях диффузный метод даёт погрешность в пределах 4-5дБ и для оценки эффективности необходимо использовать статистический энергетический метод.
4. Установлено, что в несоразмерных помещениях удельная эффективность звукопоглощения, размещаемого над источником шума, снижается с увеличением зоны облицовки. Размеры наиболее эффективного участка звукопоглощения потолка в длинных помещениях не превышают величины 3,5/ xb (Ь - ширина помещения), а в плоских помещениях - 3,0/ср х 3,0/ср.
В соразмерных помещениях эффективность звукопоглощения возрастает постоянно вплоть до полной облицовки потолка. В этой связи в помещениях с отдельными мощными источниками шума звукопоглощение целесообразно размещать над источниками с размерами облицовки в пределах указанных выше. В помещениях с равномерным размещением источников шума и рабочих мест облицовку целесообразно размещать по всей площади потолка.
