Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Звукоизоляция ограждающих конструкций с измененной изгибной жесткостью. Состояние вопроса 10
1.1 Современные звукоизолирующие конструкции из слоистых вибро-демпфированных элементов. Конструктивные решения и область их использования 10
1.2 Обзор теоретических и экспериментальных исследований звукоизоляции ограждений с вибродемпфированием 13
Выводы по главе 1 и определение основных направлений исследований 27
ГЛАВА 2. Теоретические основы прохождения и излучения звука в вибродемпфированных элементах с измененной изгибной жесткостью 29
2.1 Собственные колебания трехслойного элемента 29
2.1.1 Параметры упругих волн в условиях свободных колебаний, распространяющихся вдоль элемента 30
2.1.2 Собственные функции и спектр частоты собственных колебаний элементов 33
2.2 Излучение звука трехслойным элементом конечных размеров под воз действием внешних факторов 37
2.2.1 Влияние падающих изгибных волн на колебания трехслойного элемента конечных размеров 38
2.2.2 Зависимость колебательной скорости элементов конечных размеров от различных типов резонанса 45
2.3 Влияние резонансных явлений на излучаемую способность элементов конечных размеров 50
2.4 Звукоизоляция слоистых конструкций с учетом конечности их размеров з
2.5 Влияние механизма прохождения звука на построение характеристик звукоизоляции слоистых элементов конечных размеров 62
Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования влияния физико-механических свойств вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью на их звукоизоляцию 67
3.1 Методика проведения эксперимента в больших реверберационных камерах 67
3.2 Программа исследования факторов, влияющих на звукоизоляцию вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью 72
3.3 Исследование влияния измененной изгибной жесткости вибродемп фированных элементов на звукоизоляцию 73
3.3.1 Оценка влияния шага и глубины пропилов в наружных слоях на звукоизоляцию вибродемпфированных элементов 74
3.3.2 Определение шага пропилов с учетом резонансных явлений 88
3.4 Исследование влияния месторасположения пропилов и их заполнения в вибродемпфированных элементах на его звукоизоляцию 94
Выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4. Применение вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью в практике борьбы с шумом 105
4.1 Инженерный метод расчета звукоизоляции вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью 105
4.1.1 Алгоритм расчета звукоизоляции вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью 106
4.1.2 Расчет звукоизоляции вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью 108
4.2 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследо ваний звукоизоляции вибродемпфированных элементов с изменен ной изгибной жесткостью 111
4.3 Рекомендуемые конструктивные решения ограждений из вибродемп фированных элементов с измененной изгибной жесткостью для при менения в гражданских зданиях 112
4.4 Практическое применение конструкций из вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью в строительстве 114
4.5 Экономическая эффективность конструкций из вибродемпфирован ных элементов с измененной изгибной жесткостью 118
Выводы по главе 4 119
Заключение 121
Список условных обозначений 123
Список литературы
- Обзор теоретических и экспериментальных исследований звукоизоляции ограждений с вибродемпфированием
- Излучение звука трехслойным элементом конечных размеров под воз действием внешних факторов
- Программа исследования факторов, влияющих на звукоизоляцию вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью
- Алгоритм расчета звукоизоляции вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью
Обзор теоретических и экспериментальных исследований звукоизоляции ограждений с вибродемпфированием
Р. Лион и Г. Майданик применили метод статического энергетического анализа (СЭА) [216] при расчете реальных строительных ограждающих конструкций на прохождение акустической и механической энергии. Дальнейшей разработкой этого метода занимались М. Крокер, М. Баттчария и А. Прайс [86]. При проведе 17 нии расчета по данному методу характеристикой нерезонансного прохождения звука в качестве предельного значения звукоизоляции принят закон массы.
Однако данная теория не дает полного объяснения о влиянии физико-механических характеристик ограждения (размер, изгибная жесткость, коэффициент потерь) на его звукоизоляцию и не установлена степень влияния физико-механических параметров конструкции на прохождение звука в различных частотных диапазонах; не определены пределы повышения звукоизоляции реальных ограждений и не представлены способы их достижения; не рассмотрены причины превышения звукоизоляции на низких частотах над законом массы по данным экспериментов и не найдены способы регулирования этим явлением. Таким образом, данная теория не обеспечивает необходимую точность расчета звукоизоляции реальных ограждающих конструкций зданий и сооружений, наблюдается расхождение теоретических и практических значений.
Исследованию механизма прохождения звука в реальных ограждениях посвящены работы М.С. Седова [126, 127, 134, 138, 141]. Разработанная теория звукоизоляции однослойных панелей дает более полное представление о прохождении звука с учетом конечности их размеров, решающим фактором является определенное и различное для отдельных областей частот совпадение совокупностей звуковых волн и волн в пластине. На основании исследований частотный диапазон был разделен на пять участков: дорезонансная область, область простых резо-нансов, простых пространственных резонансов, неполных пространственных ре-зонансов и полных пространственных резонансов, при этом граничными частотами являются: нулевая частота, основная резонансная частота /0, граничный простой пространственный резонанс frmono, граничный неполный пространственный резонанс ffmno и граничный полный пространственный резонанс/Гтп [134].
На рисунке 1.2 приведена обобщенная частотная характеристика звукоизоляции однослойного ограждения, построенная по теории самосогласования волновых полей, из которой видно существенное отличие от разделения на две области Л. Кремера и на три области Л. Беранека. Я, ДБ
Автор установил, что механизм прохождения и излучения звука в каждой из областей свой и зависит от степени самосогласования звуковых полей и волнового поля собственных колебаний ограждения конечных размеров, коэффициента потерь, что определяет резонансное прохождение; а размеры конструкции определяют инерционную составляющую. В рамках данной теории установлено, что ограждающие конструкции ограниченных размеров имеют предельные значения звукоизоляции, определяемые инерционным прохождением звука [109, 128, 145].
Причина более высокой звукоизоляции пластин конечных размеров в том, что в области полных пространственных резонансов звук проходит полностью не на каждой частоте, а только на резонансных частотах данной пластины.
Экспериментально полученные результаты превышения на низких частотах звукоизоляции реальных ограждений над законом массы объясняются снижением инерционного прохождения звука в данном диапазоне, учитывая конечность их геометрических размеров. М.С. Седовым было доказано, что изменяя размеры ог 19 раждения, можно регулировать звукоизоляцию, смещая данную область превышения по частотной шкале.
На основе теории самосогласования волновых полей выполнены многочисленные исследования звукоизоляции различных вариантов конструкций конечных размеров. Вопросом механизма прохождения звука через ограждающие конструкции на низких частотах (ниже граничной частоты полного пространственного резонанса) занимался В.Н. Бобылев. Полученные теоретические выводы и инженерный метод расчета звукоизоляции реальных ограждений подтверждены многочисленными экспериментальными данными [15-17, 19-21].
Таким образом, наиболее точно механизм прохождения звука через ограждающие конструкции конечных размеров описывает теория самосогласования волновых полей, разработанная школой М.С. Седова. Полученные аналитические зависимости позволяют строить теоретические частотные характеристики звукоизоляции реальных ограждений, которые имеют хорошую сходимость с экспериментальными значениями во всех диапазонах частот.
Дальнейшим развитием и повышением звукоизоляции является использование многослойных конструкций, процесс прохождения звука через которые имеет свои особенности.
При исследовании многослойных конструкций полученные результаты свидетельствуют, что изменяется изгибная жесткость по сравнению с однослойными, может изменяться коэффициент потерь. Это позволило получить конструкции, у которых имеются внутренние вибродемпфирующие слои. Такая группа конструкций, основанная на чередовании наружных жестких листов и вибродемпфирую-щих слоев, исследована в работах М.С. Седова, А.А. Кочкина [132, 133, 138].
Данный подход можно использовать для решения поставленных задач при повышении звукоизоляции. Теоретически показано, что имеются резервы в повышении звукоизоляции слоистых вибродемпфированных элементов и конструкций из них за счет изменения динамического модуля упругости и коэффициента потерь вибродемпфирующего материала [67].
Излучение звука трехслойным элементом конечных размеров под воз действием внешних факторов
При выводе дифференциальных уравнений, позволяющих решить вопрос о распространении свободных (или собственных) колебаний элемента, представляющего собой трехслойную конструкцию с промежуточным вибродемпфирую-щим слоем, учтены общепринятые гипотезы, а именно: - материалы всех трех слоев в поперечном направлении не сжимаемы; - поперечные сечения среднего слоя, перпендикулярные оси элемента, при деформации трехслойного образца осуществляют жесткий поворот как единое целое на некоторый угол у/ - в одной плоскости, и на угол ср - в другой плоскости (гипотеза прямых сечений); - предположительно считается, что материал внешних слоев абсолютно жесткий на сдвиг; - отсутствует какое-либо проскальзывание слоев относительно друг друга. Для получения дифференциального уравнения используются основные по ложения теории слоистых плит Э.И. Григолюка и П.П. Чулкова [45] с привлече нием к полученным усилиям и моментам силы инерции по Даламберу. Имеем дифференциальное уравнение вида жесткость среднего слоя при сдвиге; G - модуль поперечного сдвига; 2/ - толщина промежуточного слоя; \ / - толщины верхнего и нижнего слоев трехслойного ограждения; 2а - абсолютный сдвиг граничных плоскостей срединного слоя; JU - поверхностная плотность ограждения. Искать решения уравнения (2.2) следует в виде
При выполнении условий /г1 = h2 « h3 в случае с2 = с3 , уравнение (2.7) аналитически совпадает с уравнением Куртце, которое получено им при исследовании поведения трехслойных конструкций с использованием методов электроакустического моделирования [208].
При проектировании трехслойных ограждений, звукоизоляция которых во всем нормируемом диапазоне частот определяется законом массы, необходимо с учетом ранее изложенного выполнение требований:
Скорость распространения сдвиговых волн среднего слоя, нагруженного с обеих сторон массой обкладок, должна быть меньше скорости звука в воздухе, т.е. cs с0. 2. —— ь г jрас, то есть граничная частота пластины с поверхност ной массой \х и цилиндрической жесткостью (F Lh3/N) должна лежать выше расчетного диапазона частот.
Из анализа уравнения (2.1) видно, что вибро демпфирующий промежуточный слой изменяет характер скорости распространения упругих волн вдоль пластины таким же образом, как и жесткий пластмассовый заполнитель с малым коэффициентом потерь в известных сэндвичевых панелях [164, 166].
Это значит что, в трехслойных элементах с промежуточным вибродемпфи-рующим слоем сдвиговые деформации вносят существенный вклад в образование суммарного волнового движения элемента в достаточно широкой области частот. На основании этого при проектировании следует добиваться того, чтобы скорость волн в среднем слое с преимущественным вкладом сдвига, нагруженном с обеих сторон массой обкладок, была меньше скорости звука в воздухе. Необходимо также добиваться того, чтобы граничная частота волнового совпадения пластины со скоростью сх была бы больше наивысшей частоты в расчетном диапазоне частот.
Уравнение (2.5) является уравнением шестого порядка и при его решении должно быть найдено шесть корней. В качестве решения возьмем два действительных и четыре мнимых корня. Поскольку полученное уравнение описывает волновой процесс, то полученные корни являются одновременно волновыми числами заданного процесса. Следовательно, можно сделать вывод, что в получении форм собственных колебаний трехслойного элемента в виде полосы с промежуточным вибродемпфирующим слоем участвуют две бегущие в противоположных направлениях волны типа
Также в образовании колебаний принимают участие четыре экспоненциально затухающие составляющие Следует отметить, что экспоненциально затухающие составляющие в условиях замкнутого волнового движения при образовании форм собственных ко 34 лебаний влияют только на фазу результирующего колебания. Далее используя принцип замкнутого волнового движения с минимальной затратой энергии на образование форм собственных колебаний, можем найти собственные функции и соответствующие им собственные числа рассматриваемой задачи.
Рассмотрим вопрос о колебаниях образца конечных размеров (а, Ь) в условиях шарнирного опирання. Выбираем прямоугольную систему координат. Срединную плоскость шарнирно-опертого трехслойного элемента совместим с плоскостью «хоу». Начало координат разместим в левом нижнем углу выбранного образца, а ось координат «ох» и «оу» направим соответственно вдоль сторон «а» и «Ь».
Процесс распространения колебаний под действием волны 01 приводит к возникновению новых типов волн. Однако характеристики вновь образовавшихся волн полностью повторяют характеристики уже имевшихся волн. То есть процесс возникновения собственных колебаний элемента завершился и оказывается, что для его образования достаточно четырех волн
Программа исследования факторов, влияющих на звукоизоляцию вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью
Из рисунков видно, что рациональный шаг пропилов для вибродемпфированных элементов с наружными слоями из гипсоволокнистых листов, фанеры и т.п. соответствует толщине наружного слоя, и повышение звукоизоляции происходит в области волнового совпадения до ЮдБ, а увеличение индекса изоляции воздушного шума составляет 1-2дБ.
Для вибродемпфированных элементов с поверхностной плотностью 75-203кг/м и наружными слоями толщиной от 50мм рациональный шаг составляет 50мм, при этом увеличение индекса изоляции воздушного шума составляет 3 дБ. Таким образом, видно, что оптимальный шаг пропилов для вибродемпфированных элементов следует выбирать в соответствии с толщиной наружных слоев, учитывая габаритные размеры исходных элементов и удобство выполнения пропилов.
Ниже на рисунках 3.8-3.10 и в таблице 3.3 представлена зависимость частотной характеристики звукоизоляции и индекса изоляции воздушного шума виб-родемпфированных элементов средней поверхностной плотности от глубины пропилов. Образцы выполнены из силикатного газобетона и тяжелого бетона, пропилы располагаются с двух сторон с шагом 50мм.
Частотные характеристики звукоизоляции ВДЭ, состоящих из двух силикатных газобетонных блоков толщиной по 75,0 мм и прослойки из двух слоев техноэласта толщиной по 3,0 мм, JLI=105 кг/м : 1 - без пропилов, Р =50дБ; 2-е пропилами с двух сторон на глубину 25мм, Rw=5 B; 3-е пропилами с двух сторон на глубину 37мм, К =53дБ; 4-е пропилами с двух сторон на глубину 50мм, Р =53дБ; 5 - закон массы; 6 - газобетонные блоки толщиной 150мм, К =47дБ R.flB
Частотные характеристики звукоизоляции ВДЭ, состоящих из двух бетонных блоков толщиной по 50,0 мм и прослойки из двух слоев техноэласта толщиной по 3,0 мм, ы=203кг/м2: 1 - без пропилов, Р =55дБ; 2-е пропилами с двух сторон на глубину 10мм, Р =55дБ; 3-е пропилами с двух сторон на глубину 25мм, Р =57дБ; 4-е пропилами с двух сторон, Р =57дБ; 5 - закон массы; 6 - бетонные блоки толщиной 100мм, RW=53 B Таблица 3.3 - Сравнительные характеристики звукоизоляции вибродемпфированных элементов при изменении глубины пропилов
Из графиков (см. рисунки 3.8 - 3.10) видно, что увеличение глубины пропилов приводит к уменьшению изгибной жесткости элемента, и провал граничной частоты волнового совпадения смещается в область более высоких частот. Таким образом, происходит увеличение индекса изоляции воздушного шума на 2-3 дБ.
Результаты исследования, приведённые в таблице 3.3, показывают, что увеличение глубины пропилов более чем на половину толщины наружных слоев вибродемпфированного элемента нецелесообразно, так как не приводит к дальнейшему росту звукоизоляции.
Проведены также серии испытаний двух образцов, наружные и промежу точные слои которых выполнены из одинаковых материалов. Пропилы в одном из них сделаны в обоих наружных слоях на 1А толщины слоя, а в другом - только в одном наружном слое, но на глубину, равную толщине данного слоя. Таким обра зом, суммарная глубина пропилов будет одинаковая (см. рисунки 3.11-3.13, таблица 3.4). R,flB
Частотные характеристики звукоизоляции ВДЭ, состоящих из двух гипсоволокнистых листов (ГВЛ) толщиной по 10,0 мм и прослойки из техноэласта толщиной 3,0 мм, ц=28,05 кг/м : 1 - без пропилов, RW=4 B; 2 - пропилы с обеих сторон элемента выполнены с шагом 10мм на глубину 5мм, Rw=42дБ; 3 - пропилы с одной стороны элемента выполнены на глубину 9мм, Rw=40дБ; 4 - закон массы
Сравнительные характеристики звукоизоляции вибродемпфированных элементов при одинаковой суммарной глубине пропилов Вибродемпфиро-ванный элемент Rw, ДБ ВДЭ с пропилами, выполненными Рост (увеличение) индекса изоляции воздушного шума А, дБ с обеих сторон наглубину 1/2 толщ.наружного слоя с одной стороны на всю толщину наружного слоя Фанера полученных результатов показывают, что смещение частоты волнового совпадения происходит только у образца с пропилами, расположенными в обоих наружных слоях, при этом в области средних частот и граничной частоты волнового совпадения исходного образца наблюдается рост звукоизоляции на 3 -П5дБ, индекс изоляции воздушного шума исследуемых элементов увеличивается на 1ч-3 дБ.
Следует отметить, что частотная характеристика звукоизоляции образца с пропилами, выполненными только в одном наружном слое, на высоких частотах имеет провал звукоизоляции, соответствующий резонансу целого наружного слоя, как и в частотной характеристике звукоизоляции исходного вибродемпфирован-ного элемента. При этом у образцов с использованием гипсоволокнистых листов и фанеры в диапазоне средних частот наблюдается снижение частотной характеристики звукоизоляции на 1-2дБ, и индекс изоляции воздушного шума незначительно снижается на 1дБ.
Таким образом, проведенные исследования влияния глубины и шага пропилов в вибродемпфированных элементах показали, что достижение максимальных значений роста индекса изоляции воздушного шума наблюдается у образцов с пропилами, выполненными на половину толщины обоих наружных слоев, при шаге соответствующем толщине данного слоя, учитывая удобство нанесения пропилов и габаритные размеры самого элемента. Ниже на рисунках 3.14-3.18 представлены частотные характеристики звукоизоляции однослойных элементов равной поверхностной плотности и вибродемпфированных элементов до и после изменения изгибной жесткости. Исследуемые образцы с поверхностной плотностью 75-203кг/м , выполнены из силикатного газобетона и тяжелого бетона, а шаг и глубина пропилов оптимальны.
Алгоритм расчета звукоизоляции вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью
По сравнению с традиционными решениями однослойных или двустенных ограждений они обладают значительно более высоким индексом изоляции воздушного шума при меньшей общей толщине конструкции, а значит и меньшем весе и нагрузке на перекрытие, при этом увеличивается полезная площадь помещения.
Также конструкции из вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью, выполненные из листовых материалов типа гипсокартонных (ГКЛ) или гипсоволокнистых листов (ГВЛ), цементно-стружечных плит (ЦСП) или фанеры, могут применяться в качестве обшивок каркасных внутриквартир-ных перегородок или могут эффективно использоваться для устройства дополнительной звукоизоляции при изменении функционального назначения помещений, а, следовательно, и изменении шумового режима.
Практическое применение конструкций из вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью в строительстве
Применение на практике в строительстве предлагаемых конструкций из вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью доказывает их акустическую эффективность (см. приложения 3-6).
При работе над проектом жилого дома в пос. Сосновка Вологодской области были разработаны и запроектированы звукоизолирующие конструкции перегородок между жилой комнатой и санузлом (проектная организация -ООО «ВологдаСтройКомп»). Данная конструкция выполнена из силикатных газобетонных блоков толщиной по 50мм, склеенных вибродемпфирующим материалом толщиной 6мм, пропилы выполнены изнутри со стороны вибродемпфирую-щего материала (см. рисунок 4.2). Общая толщина предлагаемой конструкции всего 106мм, индекс изоляции воздушного шума составляет 51 дБ при требуемом значении 47дБ, который соответствует однослойной конструкции из силикатных газобетонных блоков толщиной 150мм. Частотные характеристики звукоизоляции обеих этих конструкций приведены на рисунке 4.3.
Частотная характеристика звукоизоляции конструкции, выполненной из: 1 - силикатных газобетонных блоков толщиной по 50мм, склеенных техноэластом толщиной 6мм, пропилы выполнены изнутри со стороны вибродемпфирующего материала, Rw=51,nE; 2 - силикатных газобетонных блоков толщиной 150мм, RW=47AB
Оценка эффективности исследованных в работе конструкций была произведена при разработке и выполнении перегородок, отделяющих офисы и помещение магазина от пункта приема и мастерской сервисного центра «Штиль», расположенных на первом этаже здания, по адресу: г.Вологда, ул. Ленинградская, д. 106. На рисунке 4.4 представлены измеренные уровни шума в помещениях магазина и офисах до и после предложенных мероприятий по повышению звукоизоляции каркасных перегородок, представляющих собой по два листа ГВЛ с каждой стороны соединенных «насухо» с воздушным промежутком 50мм. С целью обеспечения уровней шума в изолируемых помещениях не выше нормативных было предложено использовать в качестве обшивок каркасной перегородки по два гип-соволокнистых листа с измененной изгибной жесткостью, склеенных вибродемп-фирующим материалом (пропилы изнутри) с воздушным промежутком 50мм. Частотные характеристики звукоизоляции конструкций каркасных перегородок показаны на рисунке 4.5.
В современном жилищном строительстве получили широкое распространение дома с квартирами-студиями. Застройщики заинтересованы в использовании внутренних ограждающих конструкций, которые бы обеспечили требуемые нормативные значения при их наименьшей массе и толщине, что увеличило бы полезную площадь квартир. С этой целью было предложено использовать разработанную конструкцию межквартирной перегородки, выполненную из вибро-демпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью. Требуемый нормативный индекс изоляции межквартирной перегородки составляет 52дБ, что соответствует использованию двустенной конструкции из плит гипсовых пазог-ребневых обыкновенных полнотелых толщиной по 80мм с установленной в воздушном зазоре минераловатной плитой толщиной 50мм, общей толщиной 210мм. Предложенная нами конструкция выполнена из силикатных газобетонных блоков толщиной по 75мм, склеенных техноэластом толщиной 6мм. Пропилы выполнены изнутри со стороны вибродемпфирующего материала. Общая толщина предлагаемой конструкции всего 156мм, индекс изоляции воздушного шума составляет 53дБ. Частотные характеристики звукоизоляции обеих этих конструкций представлены на рисунке 4.6.
С целью оценки экономической эффективности подобных конструкций приведен технико-экономический расчет устройства звукоизолирующих перегородок из силикатных газобетонных блоков толщиной по 75мм, склеенных техноэластом толщиной 6мм, пропилы выполнены изнутри со стороны вибро-демпфирующего материала. Индекс изоляции воздушного шума подобной конст-рукции равен 53дБ. Определялась стоимость устройства, отнесенная к 100 м конструкции, в ценах на 4 квартал 2013 года для Вологодской области.
Для сравнения также произведен расчет стоимости устройства межквартирной перегородки общей толщиной 210мм, выполненной из пазогребневых плит толщиной по 80мм, установленных в 2 слоя с заполнением воздушного промежутка толщиной 50мм минераловатным материалом. Индекс изоляции воздушного шума указанной перегородки составляет 52дБ.
Экономия за счет устройства более эффективной звукоизолирующей конст-рукции составляет 28823 руб. на 100 м (приложения 7, 8). При использовании предлагаемых межквартирных перегородок из вибродемпфированных элементов с измененной изгибной жесткостью наблюдается увеличение полезной площади помещений на 2м , а, следовательно, дополнительная прибыль составляет 85 616 руб.
