Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок

Дьяконова, Софья Николаевна

Горные машины

автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок

кандидата технических наук: Дьяконова, Софья Николаевна
город: Владикавказ
год: 2000
специальность ВАК РФ: 05.05.06

Диссертация по транспортному, горному и строительному машиностроению на тему «Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок»

Автореферат диссертации по теме "Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок"

РГ6 од

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙЬйЬДЕЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (Новочеркасский политехнический институт)

На правах рукописи УДК 622.87:622.44

Дьяконова Софья Николаевна

Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок

Специальность 05.05.06. - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск, 2000

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном технологическом университете

Научный руководитель: Доктор технических наук Тарасова ОТ.

Официальные оппоненты:

* Доктор технических наук, профессор Картавый Н.Г.

♦ Доктор технических наук, профессор Водяник ГЛ í.

Ведущее предприятие:

ОАО «Кавказцветметпроект»

362040 PCO - Алания, г. Владикавказ, пр. Мира, 1

Защита состоится » декабря 2000 г. в У часов на заседании диссертационного совета Д.063.30.02 в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу:346400 г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132 /¿У?

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке в Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического институтка)

Автореферат разослан 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного советаД.063.30.02 к.т.и., доцецт^^^-1ТХ'/Наранов

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Шумовое загрязнение в городах и промышленных зонах и, в первую очередь, на горных предприятиях, является одной из актуальных проблем современности. Обзор литературных источников по борьбе с шумом горных машин показал, что благодаря работам таких ученых, как Боголепов И.И., Юдин В.Н., Заборов В.И., Деев А.И., Флавицкий Ю.В., Картавый Н.Г., Осипов ГЛ., Водяник Г.М., Ковалевская В.И., Бабак Г.А., Пак В.В., Терехин A.C., Добровольский Г.Д., Иванов И.И., Молчанов В.Н., Седов М.С., Епифанов A.B., Кожевников С.Г., Тарасова О.Г., Алексеев С.Г1., Пятибратова JI.H., по исследованию шума на рабочих местах при эксплуатации очистных горных машин, горных транспортных машин, стационарных установок главного проветривания шахтных компрессорных станций, поршневых компрессоров и турбокомпрессоров, подъемных установок, дробильных машин, обогатительного оборудования, а также других промышленных ■ объектов собран обширный фактический и достоверный материал по их шумовым характеристикам, которые вошли в ГОСТы и в требования по уровню снижения шума на преобладающих частотах. Эта информация перенесена на электронные носители и может использоваться при разработке эффективных средств шумозащиты.

Известно, что самым эффективным способом снижения шума является подавление шума в источнике его образования, т.е. необходимо делать малошумными подъемные машины, компрессорные станции, вентиляторные установки главного проветривания, очистные комбайны. Глобальное снижение шума таким методом - это будущее промышленности России. На данный момент достаточно эффективно и значительно экономичнее решать эту проблему защиты работающего персонала установкой звукоизолирующих многослойных ограждающих конструкций. Этому вопросу и посвящается настоящая диссертация — применительно к компрессорным станциям и вентиляторным установкам.

Как показали наши исследования, попытка переложить проблему борьбы с шумом на Министерство экологии или на организации гражданского строительства не дают положительного результата. Горные предприятия, выступающие как заказчики строительства зданий, компрессорных станций, вентиляторных установок главного проветривания, подъемных установок, должны предъявлять свои требования к ограждающим устройствам, разработанные на основе аналогичных научных исследований.

На этом основании мы считаем, что проблема создания эффективных звукоизолирующих ограждающих конструкций актуальна как для горной промышленности, так и для промышленных предприятий других отраслей.

Источниками шума, в большинстве случаев, являются

промышленные здания и сооружения, машины и установки, транспортные средства.

Комплексная механизация горных предприятий, способствующая увеличению масштабов производства и роста производительности труда, приводит к тому, что человек на производстве постоянно подвергается вредному воздействию шума высокого уровня.

В горных выработках, камерах и производственных помещениях, на транспортных и других самоходных машинах для защиты обслуживающего персонала сооружаются кабины управления, наблюдения и отдыха. Для этих целей требуется создание ограждений из современных легких материалов, которые должны обладать необходимыми звукоза-щитными свойствами в требуемых спектрах частот.

Мощные, высокопроизводительные машины излучают шум высокой интенсивности, превышающий допустимые санитарные нормы на частотах от 125 до 8000 Гц. При этом шумовые характеристики различных машин неодинаковы, и имеет место наличие частотных спектров, в которых уровни шума наиболее высокие.

Высокая эффективность используемых звукозащитных ограждений может быть достигнута поиском оптимального решения при проектировании с учетом спектра шума, создаваемого конкретным источником.

Интерес представляют однослойные и многослойные конструкции из малоизученных материалов, позволяющие за счет рационального подбора различного сочетания этих материалов, слоев, а также их параметров обеспечить высокую звукоизоляцию в требуемых спектрах частот для конкретного источника.

Ранее выполненные исследования по математическому описанию звукоизоляции некоторых однослойных и многослойных конструкций не всегда дают хорошую сходимость с реальными условиями. Довольно поверхностно изучено влияние таких параметров, как акустическое самосогласование волновых полей при прохождении через ограждения из различных материалов, влияние на самосогласование волн толщины и числа слоев конструкций, а также изменения модуля упругости.

Известные математические модели не позволяют в явном виде представить звукоизоляцию непрозрачных ограждении, как функцию влияющих на нее перечисленных величин. В результате этого невозможно исследование и решение задач на оптимум.

Идея выполненных исследований состоит в раскрытии влияния на звукоизоляцию конструкций из ряда материалов акустического самосогласования волновых полей при изменении толщины и числа слоев ограждения, изменения модуля упругости материала для однослойных и слоистых конструкций, в выявлении такой оптимальной толщины элементов многослойных звукозащитных ограждений, при которых они

приобретают максимальную изоляцию от проникновения воздушного шума в заданных среднегеометрических полосах частот.

Цель исследований состоит в повышении звукоизоляционных свойств однослойных и многослойных непрозрачных ограждающих конструкций за счет рационального выбора толщины слоев и расстояния между ними с учетом спектра преобладающих частот источника шума.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Звукоизоляция одно- и многослойных (двойных и слоистых) непрозрачных конструкций существенно зависит от акустического самосогласования звуковых полей, от влияния на величину и характер самосогласования числа слоев конструкций и их геометрических размеров по толщине, модуля упругости ограждения, учитывая которые в теоретическом расчете можно установить наилучшие материалы для конкретной защиты от шума и определить предполагаемую звукоизоляцию в требуемых спектрах частот. Теоретический расчет, с учетом самосогласования волновых полей, модуля упругости, дает более хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных по сравнению с известными.

2. Исследования звукоизоляционных свойств однослойных, слоистых и двойных конструкций дополняют сведения по звукоизоляции непрозрачных ограждений. Применение таких конструкций дает возможность существенно улучшить звукоизоляцшо при значительном снижении массы ограждений.

3. Математические модели звукоизоляции двойных непрозрачных ограждающих конструкций, таких как кожухи вентиляторов и стенки кабин управления, с воздушным промежутком между слоями различного но физическим свойствам материала, полученные методом планирования эксперимента в -виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине конструкции, адекватны эксперименту и с высокой степенью точности описывают закономерность распределения звукоизоляции конструкции по среднегеометрическим полосам частот. При этом форма записи математических моделей звукоизоляции позволяет определить долю звукоизоляции каждого элемента конструкции и выполнить исследование функции на наличие экстремумов.

4. Многослойные ограждающие конструкции кожухов и кабин управления горных машин при определенных оптимальных значениях геометрических параметров по толщине составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцшо. Оптимальные размеры определяются анализом на экстремум математических моделей звукоизоляции, как многофакторных функций, с учетом спектров частот, в которых шумовые характеристики источников имеют наиболее высокие значения. Использование таких конструкций обеспечивает максимально возможную звукоизоляцию, защищает рабочее место человека от воздействия шума и

дает экономию в расходовании материала по массе.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы: преемственностью разработанных математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций с фундаментальными научными положениями в области акустики; проведением большого объема экспериментальных исследований с применением метода планирования эксперимента по критерию Д -оптимальности; высокой сходимостью результатов теоретических расчетов и расчетов по математическим моделям с экспериментальными данными. Сходимость математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, представленных в виде уравнений регрессии, с экспериментальными данными соответствует 5 %-ному уровню значимости по критерию Фишера.

Научная новизна работы заключается:

• в установлении влияния на звукоизоляцию конструкций из непрозрачных материалов таких факторов как акустическое самосогласование волновых полей, модуль упругости, число слоев материала, что позволило получить новый способ уменьшения резонансных явлений в ограждении;

• в получении новых сведений по звукоизоляции одно- и многослойных конструкций, с применением малоизученных материалов;

• в установлении функциональной зависимости между толщиной многослойных непрозрачных ограждающих конструкций с воздушным промежутком между слоями и звукоизоляции конструкции в целом;

• в установлении экстремальных значений звукоизоляции элементов конструкций- при определенных значениях геометрических параметров по толщине для октавных полос частот и по шкале «А»;

• в разработке методики выбора оптимальных геометрических размеров по толщине элементов конструкции, исходя го достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров частот шума;

• в развитии представлений о путях повышения звукоизоляции многослойных непрозрачных ограждающих конструкций, являющихся важными составляющими элементами защиты среды обитания человека от проникновения аэродинамического шума.

Практическое значение работы заключается в создании методик расчета оптимальных геометрических параметров по толщине элементов двойных непрозрачных ограждающих конструкций с воздушным промежутком между слоями, обладающих максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных полосах среднегеометрических частот воздушного шума.

Разработанная программа расчета на ЭВМ позволяет выполнить

инженерный расчет оптимальных геометрических параметров двойных непрозрачных конструкций с воздушным промежутком между слоями и их звукоизоляции.

Конструкции с оптимальными геометрическими параметрами обладают максимальной звукоизоляцией и являются наиболее экономичными по материальным затратам при их изготовлении.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методика расчета оптимальных по звукоизоляции двойных ограждающих конструкций из непрозрачных материалов с воздушным промежутком между слоями передана проектному институту «Кавказцветмет-проект» и принята к использованию в инженерных проектах, а также используется в учебном процессе на кафедре «Строительных конструкций» (СКГТУ).

Положения диссертационной работы реализованы при разработке технических проектов трех звукоизоляционных кабин наблюдения в компрессорных станциях и в камере вентилятора главного проветривания рудника «Архон» Садонского свинцово-цинкового комбината; звукоизоляционного кожуха вентилятора местного проветривания, расположенного в забое рудника.

Практическое использование результатов исследований позволило обеспечить высокую звукоизоляцию кабин наблюдения и снизить воздушный шум вентилятора .местного проветривания до санитарных норм.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы, полученные в диссертации, докладывались и получили одобрение на:

• IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 16-18 июня 1999 г.);

• в Новочеркасском Южно-Российском государственном техническом университете (ИЛИ) на секции кафедры «Горных машин и оборудования»;

• ежегодной научно-технической конференции СКГТУ (19982000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (215 наименований).

Работа изложена на 273 стр. машинописного текста с включением 78 иллюстраций, 35 таблиц, 7 приложений. Основной материал диссертации изложен на 196 стр. машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Увеличение мощности и производительности горных машин приводит к возрастанию уровней шума в окружающей человека среде. Шумовые характеристики большинства стационарных машин и механизмов, используемых в горно-добывающей отрасли, значительно превышают

допустимые санитарные нормы. Высокий уровень шума приводит к росту профессиональных заболеваний и негативно сказывается на здоровье рабочих. Проведенный обзор средств, используемых для снижения шума оборудования, показал, что эффективность установки глушителей и звукопоглощающих экранов находится в пределах 8-15 дБА. Снижение шума кожухами и звукоизоляционными кабинами, описанными в литературных источниках, не превышает 20 дБА. Но, в основном, уровень шума оборудования превышает допустимые санитарные нормы на 30-50 дБА, а в ряде случаев и больше. Следовательно, используемые в настоящее время устройства по борьбе с шумом не обеспечивают достаточного снижения шума.

Шум от вентиляторов местного проветривания при проведении тупиковых горных выработок воздействует не только на работающих в забое бурильщиков, погрузчиков, но и на работающих при возведении капитальной крепи, при настилке рельсовых путей, а также на рабочих, перемещающихся вдоль вентиляторного става во время пересмены, снижает производительность труда, и может привести к аварии или к несчастному случаю. Работами Деева А.И., Молчанова В.Н., Добровольского Г.Д. решены вопросы подавления шума вентилятора местного проветривания по потолку движения воздуха, но шум, излучаемый через корпус вентилятора, имеет недопустимо высокий уровень. Поэтому требуется проведение дополнительных работ по устройству звукоизолирующих кожухов.

Анализ конструктивных элементов и материалов, составляющих стенки кожухов, показал, что все разработанные устройства имеют практически одинаковый характер. В основном, стенки кожухов состоят из двух слоев: наружного (металлического) и внутреннего (звукопоглощающего). В качестве звукопоглотителя применяются чаще однотипные материалы, имеющие волокнистую структуру. Во многих случаях звуко-поглотитель с внутренней стороны отделяется от машины сетками и перфорированными металлическими листами, что снижает звукоизолирующую способность кожуха, образуя звуковые поля в замкнутом пространстве, вследствие отражения кожухом звуковых волн. Такая мера необходима при использовании волокнистых материалов, с целью исключения контакта мягкой облицовки с машиной. Если использовать современные материалы - влагостойкий гипсокартон, пенопласт, то сетки устанавливать нет необходимости, и звукоизоляция всей конструкции повысится. Введение воздушного промежутка в слои кожухов может также существенно изменить их звукоизоляционные характеристики в широком диапазоне частот. В известных конструкциях воздушный промежуток отсутствует. Не используются кожухи, в которых скомбинированы различные по звукопоглощению материалы, не изучено рациональное сочетание слоев из этих материалов.

Создание кожухов с многослойными ограждающими поверхностями повысит изоляционные свойства и уменьшит их вес.

Анализ сведений по звукоизоляции однослойных конструкций позволил установить, что на их звукоизоляцию влияет масса, толщина, коэффициент потерь, жесткость и различные виды защемления.

Установлено, что звукоизоляция двойных конструкций выше, чем одностешшх, и до определенной величины растет с увеличением толщины воздушного промежутка. Материал с высокими звукопоглощающими свойствами, расположенный между стенками, повышает эффективность звукоизоляции на средних и высоких частотах до 7-10 дБ.

Значительно уменьшают звукоизолирующую способность ограждения ребра жесткости и передающие звук мостики. Снижается звукоизоляция и при заполнении промежутка между стенками конструкции сотами и сото пластом.

Некоторые исследования показывают, что на однослойные и на многослойные ограждения в значительной мере влияют волновые совпадения, существенно уменьшающие звукоизоляцию. Измерения звукоизолирующей способности конструкций показывают, что их частотные характеристики существенно отличаются от таковых, построенных по закону массы. Нами замечено, что в некоторых случаях звукоизоляция однослойной конструкции бывает больше звукоизоляции двухслойной; ограждение меньшей толщины обладает звукоизолирующей способностью выше, чем ограждение большей толщины. Такие данные противоречат известному закону массы. У реальных конструкций вместо равномерного увеличения звукоизолирующей способности во всем диапазоне при росте частоты звука наблюдаются участки с различным темпом ее роста, а также участки, где звукоизолирующая способность не увеличивается и даже снижается при повышении частоты звука. Эти отклонения от закона массы объясняются при рассмотрении волновых процессов в конструкции с учетом явлений частотного и пространственного резонанса.

До настоящего времени явление волнового совпадения мало исследовано и имеющиеся данные не позволяют прогнозировать его влияние на звукоизоляцию в конкретных случаях. Существенные противоречия теории волнового совпадения и закона масс требуют дальнейшего анализа и проработки материалов. Необходимо рассмотреть влияние волнового совпадения на возможно большее количество ограждений с разными геометрическими параметрами из различных материалов.

Исследование закономерностей влияния волнового совпадения позволит проектировать конструкции с оптимальными параметрами по толщине, которые будут обеспечивать высокую звукоизоляцию при минимальном расходе материала.

Литературные источники содержат в большом количестве информацию о звукоизоляции металлических ограждающих конструкций:

стальных, дюралюминиевых и различных сплавов. Данные по однослойным конструкциям из этих материалов ряда авторов и полученные нами совпадают, что подтверждает высокую достоверность проводимых экспериментальных исследовании.

Интерес представляет обобщение полученных результатов и вывод закономерностей изменения звукоизоляции с ростом толщины однослойных металлических конструкций.

Сопоставление данных звукоизоляции многослойных конструкций позволяет сказать, что звукоизоляция существенно зависит от материала отдельных слоев, их толщины и от толщины воздушного промежутка.

Проведенные исследования и сравнение результатов для различных конструкций позволяют сделать ряд выводов о влиянии названных параметров, но не дают возможности выполнить полный анализ влияния каждого из этих факторов, закономерностей изменения звукоизоляции, возможных при наличии аналитического выражения, как функции входящих переменных величин вида:

И=Ф(ЬьС1,Ь2), (1)

где Ь], Иг - толщины слоев материала конструкции; с1 - воздушный зазор между слоями.

Отсутствие такого развернутого выражения многофакторной функции затрудняет проведение полного анализа зависимости звукоизоляции многослойных конструкций от входящих в нее управляемых факторов.

Указанное обстоятельство обуславливает постановку и решение задачи раскрытия уравнения (1) до уровня решения инженерных расчетов на базе математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, полученных методом экспериментальных исследований.

С целью повышения звукоизоляционных свойств многослойных ограждающих конструкций за счет рационального сочетания слоев различных материалов и выбора оптимальных геометрических параметров по толщине составных элементов конструкции необходимо решить следующие задачи:

- теоретически установить влияние на звукоизоляцию акустического самосогласования волновых полей и модуля упругости;

- экспериментально исследовать звукоизоляцию современных строительных материалов в однослойных, двойных с воздушным промежутком и слоистых конструкциях с целью предварительного определения эффективного сочетания слоев ограждений, используемых для защиты от шума горных машин;

- исследовать по методике планируемого эксперимента звукоизоляцию ограждающих конструкций кабин управления и кожухов горных машин с целью разработки математических моделей, описывающих закономерность изменения звукоизоляции в зависимости от геометриче-

ских параметров слоев ограждающих конструкций по толщине;

- разработать конструктивные решения кабин управления операторов горных машин и звукоизолирующий кожух для вентилятора местного проветривания с использованием современных материалов с оптимальными акустическими параметрами.

Теоретические исследования самосогласования волновых полей и влияние его и модуля упругости на звукоизоляцию ограждающих конструкций выполнены во второй главе и реализованы как первое научное положение.

Теория расчета звукоизоляции акустически однородных ограждающих конструкций, разработанная рядом авторов, нами дополнена исследованиями влияния на звукоизоляцию малоизученных физических величин - самосогласования волновых полей и динамического модуля упругости, что позволило улучшить сходимость расчетных и экспериментальных данных и выявить возможность создания более эффективных конструкций, скомбинированных из различных но физико-механическим свойствам материалов. Выполненные нами теоретические исследования позволяют проанализировать характер прохождения звука через ограждающие поверхности.

Впервые исследовано акустическое самосогласование волновых полей в гипсокартоне и древесно-стружечных плитах.

Известная теория волнового совпадения позволяет получать результаты, более близкие к экспериментальным, но она требует трудоемких вычислений, что затрудняет ее практическое использование.

Нам удалось упростить алгоритм расчета акустически однородных ограждений применительно доя пластин квадратного очертания в плане, имеющих реальные размеры.

Так как все рассматриваемые конструкции имеют одинаковые размеры сторон (а~Ь), то в результате выполненных преобразований нами установлено, что:

(2)

= 2 I т,

П т '*С\

*0с.р

/4/1

" «о™ = а Л-5---Г • ^

-о а

Следователь1."1, величины п2 и т2 для рассматриваемого случая

тоже одинаковы.

( 2_ [,т 7 т]ср

ж V а ]

(4)

Формула для расчета характеристики самосогласования будет иметь вид:

Ло = , ■ ■ ■ - - • (5)

{т - я 0ч,7

Такие же преобразования можно сделать и для формул расчета дополнительных характеристик самосогласования

Дальнейшие расчеты проводим по формуле для определения звукоизоляции однослойных конструкций с учетом этих преобразований.

Для упрощения инженерных расчетов составлена таблица величин «от» и т20ср, применяемая для различных конструкций из любого материала с размерами сторон 1,2x1,2 м2.

Изменение характеристик самосогласования волновых полей и соответственно звукоизоляции слоистых конструкций рассмотрено на трех конструкциях из гипсокартона, состоящих из одного, двух и трех слоев, толщиной соответственно 12,5; 25 и 37,5 мм.

Из рис. 1 видно, что с увеличением числа слоев происходит увеличение значений характеристик самосогласования волновых полей. При наименьшей толщине гипсокартонной пластины (12,5 мм) характеристика самосогласования А\ плавно нарастает на участке, /</,т1/2, на частоте 0,5/™,=1300 Гц появляются дополнительные собственные колебания, что на графике выражается резким увеличением согласования волн (кривая I). Такое же явление происходит у трехслойной конструкции, с той разницей, что дополнительные колебания конструкции начинают действовать на частоте 400 Гц и уже на низких частотах характеристики самосогласования имеют наиболее высокие значения (кривая 3). Наиболее интересно показала себя двухслойная конструкция. Согласованность волновых полей происходит плавно и без каких-либо резких отклонений и скачков, как в случаях с одно- и трехслойными пластинами (кривая 2).

На рис. 2 показаны частотные характеристики звукоизоляции всех трех рассматриваемых нами конструкций, полученные экспериментальным путем. Их звукоизолирующая способность в этом случае сравнивается наглядно.

При сравнении характера частотных характеристик самосогласования гипсокартонных конструкций и их звукоизоляции наблюдается неоднозначная зависимость прохождения звуковых волн от самосогласования. Так, для однослойной конструкции в области частот 400-1300 Гц значения характеристики самосогласования изменяются незначительно, в связи с чем звукоизоляция в этой области возрастает на всех частотах;

(6)

(7)

Характеристика самосогласования дополнительных условий:

(8)

действие дополнительных самосогласований с резким увеличением Л4 а на частотах ?™ (/(/т„ (рис. 2, кривая Г) препятствует увеличению звукоизоляции и она составляет 29-31 дБ в данной области частот. Частотная характеристика звукоизоляции двухслойной конструкции во всем диапазоне не имеет скачков и резких провалов, что дает прямое сходство с ее характеристикой самосогласования.

Двухслойная конструкция показала лучшие результаты звукоизоляции, чем трехслойная. Превышение появляется на частоте 500 Гц и составляет в среднем 2,5 дБ. Это объясняется влиянием самосогласова-1гоя волновых полей. Двухслойная пластина менее подвержена влиянию дополнительных собственных колебаний, что сказалось на ее звукоизолирующих свойствах.

Теоретические положения о снижении звукоизоляции с увеличением характеристик самосогласования (А40) подтвердились в нашем случае экспериментально.

Снижение темпа роста Я по сравнению с установленным законом массы объясняется: увеличением коэффициента излучения конструкции

по мере роста частоты в диапазоне {/{/тп: возрастанием характеристики самосогласования волн А40 (сложением волн в области неполного пространственного резонанса); с увеличением самосогласования волн увеличивается амплитуда собственных колебаний конструкции, т.е. возрастает отклик ограждения.

Таким образом, наращивание числа слоев не всегда дает желательный рост звукоизоляционных свойств конструкции. Увеличение толщины и поверхностной массы ограждения приводит к возрастанию самосогласования волновых полей и увеличению отклика пластин.

В области граничных частот звукоизоляция понижается, так как при возникнувшем волновом совпадении ограждение имеет наибольшую звукопроницаемость. Анализ прохождения звука через пшсокартонные ограждения позволил нам установить, что в области частоты 0,5 имеют место дополнительные самосогласования, которые приводят к существенному снижению звукоизоляции.

В прохождении звука выше частоты 0,5 /тт решающую роль играют собственные волны, следовательно, можно увеличить звукоизолирующие свойства ограждения, изменяя толщину и число слоев. Величиной характеристик самосогласованна можно управлять, изменяя поверхностную плотность, изгибную жесткость, размеры ограждения.

Основным показателем эффективности звукоизолирующих свойств в мягких материалах служит динамический модуль упругости, влияющий на ряд физических параметров (цилиндрическую жесткость, граничную

частоту и др.). В свою очередь, модуль упругости Ед величина непостоянная и зависит от определенных факторов: статической нагрузки на материал; плотности материала; частоты; содержания связующего; относительной сжимаемости материала. Наиболее сильно на изменение модуля упругости влияет плотность материал^, поэтому другими параметрами в расчетах можно пренебречь.

Исследовано влияние динамического модуля упругости на характеристики самосогласования и на звукоизоляцию трех однослойных дре-весно-стружечных плит, имеющих одинаковые размеры в плане 1,2 х 1,2 м2, толщину к= 15 мм, но различные модули упругости, а, следовательно, плотность (р). Так, при Ед равном 3,7-107; 3,7108 и 3,2-109 IIa р будет соответственно 650; 700 и 850 кг/м3.

■¡¡г1

3/ " / "1 / t / / • * /

f £mi5 /

^ jrjnal 2.

¡60

5V0

±вво

2000

Гц

Рис. 1. Частотные характеристики самосогласования А 0 для конструкций из гипсокартона размерами 1,2x1,2 м2 и толщиной /?, мм: 12,5 (1); 25 (2); 37,5 (3).

Из рис. 3 следует, что именно модуль упругости оказывает влияние на величину характеристики самосогласования, так как другие значимые параметры (толщина, коэффициент потерь, размеры ограждения в плане) остаются постоянными.

Для ограждений из стальных листов теория волнового совпадения и закон масс подходят только частично, так как эти ограждения сами являются излучателем звуковой энергии.

Рассмотренная нами теория волнового совпадения показала противоречия с установленным законом масс, так как увеличение толщины (массы) ограждений приводит к возрастаншо частотных характеристик самосогласования и увеличению отклика, а значит, к уменьшению зву-

И. дБ

3 V а ^ —I

ч ! / А /Л //Л --

\ ч \ \ \ /Д /т!

™ ---—---------

400 2.00 ¿100 воо -г его о ЗЗОО 4000

Рис.2. Частотные характеристики звукоизоляции однослойного ограждения из гипсокартона толщиной /г=12,5 мм: 1 - экспериментальные значения; 2 — теоретические значения; 3 - расчет по закону масс.

Рис. 3. Частотные характеристики самосогласования А4о древесно - стружечных плит толщиной 15 мм при Ед, Па: 3,7-107 (7); 3,7-108(2); 3,7-10 "(3).

коизоляции практически во всем рассматриваемом нами диапазоне частот.

Все теоретические расчеты, выполненные нами, подтверждаются экспериментально с хорошей сходимостью результатов.

Метод расчета конструктивно более сложных ограждающих конструкций (двойных с воздушным промежутком, многослойных и др.) требует существенной доработки и упрощения, так как сопровождается сложными и трудоемкими вычислениями. В этом случае целесообразнее перейти к инженерным расчетам на базе математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, полученных методом планирования эксперимента.

Экспериментальной базой для исследования звукоизоляции ограждающих конструкций является двухсекционная акустическая камера, предназначенная для проведения испытаний точным методом и соответствующая первому классу. В камере имеется аппаратура, генерирующая шум, и измерительная.

В соответствии с размерами наиболее часто применяемых в строительстве ограждающих конструкций приняты габаритные размеры образцов конструкций 1200x1200 мм. Подбором образцов конструкций разных толщин возможно составить одно-, двух-, трехслойную (и более) конструкцию с различными толщинами слоев, а также двойные и тройные конструкции с различными воздушными промежутками между слоями. Конструкция образцов двойных ограждений при экспериментах позволяет с определенным шагом изменять три влияющих на ее звукоизоляцию фактора. Конструктивное решение образцов отвечает требованиям устройства и установки ограждающих конструкций; размеры образцов близки к размерам аналогичных конструкций, используемых при экспериментальных исследованиях и описанных в литературе.

С целью выявления ограждающих конструкций с улучшенными звукоизолирующими свойствами и для проведения анализа прохождения звука через такие ограждения были выполнены многочисленные экспериментальные исследования. Рассмотрено влияние на звукоизоляцию ограждений толщины плит, числа слоев, размеров воздушного промежутка, изменения толщины одного из слоев в многослойных конструкциях. Применяли различные материалы (гипсокартон, древесно-стружечные плиты, фанеру, сталь, пенопласт).

Исследования, выполненные для однослойных, слоистых и двойных с воздушным промежутком конструкций из широко применяемых и новых материалов дополнили базу сведений по звукоизоляции ограждений и позволили сделать следующие выводы:

- увеличение толщины гипсокартонного однослойного ограждения приводит к возрастанию звукоизоляции во всем диапазоне частот;

- наращивание числа слоев не всегда дает желательный рост зву-

коизоляции, что объясняется увеличением колебаний ограждения с увеличением ее массы;

- увеличение одного in параметров двойных конструкций при неизменной толщине воздушного промежутка позволяет повысить звукоизоляционную способность;

- толщина воздушного промежутка существенно влияет на звукоизолирующую способность двойных ограждений из гипсокартона и стали и практически не улучшает звукоизоляцию двойных конструкций из дре-весно-стружечных плит;

- выявлены желательные и нежелательные с точки зрения звукоизоляции сочетания материалов в двойных и слоистых конструкциях;

- установлена возможность использования некоторых конструкций для снижения шума на определенных спектрах частот.

Общие положения применения методики планирования эксперимента при решении вопросов звукоизоляции конструкций известны, и применимость этого метода доказана.

В нашем случае требуется провести исследование звукоизоляции двойной конструкции, состоящей из слоев гипсокартона и металла с воздушным промежутком между ними. Звукоизоляция исследуемой конструкции зависит от многих факторов и представлена как функция многих переменных.

Для решения таких сложных многофакторных функций возможно (и в ряде случаев предпочтительно) применение экспериментальных методов исследования с использованием математического аппарата теории вероятности. Применение закономерностей математической статистики в виде метода планирования эксперимента позволяет существенно сократить число опытов.

Используя методику планируемого эксперимента, расчет коэффициентов уравнений регрессии вида (1) проводится нами на ЭВМ (IBM) по разработанной программе, в которой исходными данными являются значения функции Yh Y2, Уз,---, Уп в соответствии с числом опытов, а выходными параметрами являются коэффициенты уравнений регрессии А0, Aj ... Л„ Aj,;AuA2.2 - Aij.

Найденные значения коэффициентов уравнения регрессии позволяют записать это уравнение в явном виде, перейти от нормированных значений управляемых факторов к действительным и определить звукоизоляционные свойства рассматриваемой конструкции в определенно заданных пределах переменных величин.

Звукоизоляционные свойства исследуемой конструкции зависят от трех факторов: толщины слоев hi, h2 и расстояния между этими слоями d.

Планом предусматривается проведение 10 опытов при варьировании управляемых факторов в трех уровнях: +1; 0; -1. Шаг варьирования в натуральных величинах по толщине металлических листов принят 1 мм,

толщина листов, мм 1 (-1); 2 (0); 3 (+1). Шаг варьирования гипсокартон-ных слоев - 2,5 мм, толщина слоев, мм: 10 (-1); 12,5 (0); 15 (+1), шаг варьирования величины воздушного промежутка - 40 мм и слой воздуха, мм: 40 (-1); 60 (0); 100 (+1).

По экспериментальным данным и изложенной выше методике определения звукоизоляции конструкции как трехфакторной функции, по программе на ЭВМ определены коэффициенты уравнений регрессии А0, Ли А2, Аз, Аи, А2.2, Л3 3 в каждой из октавных полос частот.

Проверка гипотезы об адекватности результатов эксперимента, вычисленным по уравнениям регрессии значениям, проведена по критерию Фишера. Рассчитанные значения критерия Фишера Р находятся в пределах 0,719-0,003, тогда как табличное значение критерия F при 5 %-ном уровне значимости составляет 3,1.

Таким образом,Т7^,, </г„ий, и все уравнения регрессии адекватно описывают рассматриваемый объект исследования при погрешности менее 5% между вычислительными и экспериментальными величинами.

Используя формулу перехода от нормированных переменных X;, Х2, Х3 к натуральным переменным 1г1, 4 къ получены девять уравнений регрессии, описывающих звукоизоляцию двойной конструкции в натуральных переменных. Общий вид этих уравнений:

Я,- = А0+ А,!г,+ ¿2(1+ А3 к2+ Аи /?/+ А?А3.3 й/, (9)

где г - частота в Гц и характеристика поиска.

Коэффициенты уравнений регрессии А-0, Аь А2, А3, Аи, Л2.2, А33 имеют определенные численные значения для каждого из приведенных уравнений. Все уравнения являются полиномом второго порядка, где переменные факторы /?;, (1, к2 входят в первой и второй степенях и коэффициенты при них имеют разные знаки. Такие многофакторные функции могут иметь экстремальные значения при определенных величинах аргументов.

С целью нахождения экстремальных значений функций как частных производных переменных И¡, <1, И2 из уравнений регрессии выделены функции относительных звукоизоляций:

АЯ '^ф,); АН"=<р(с1); Ж "^ф^. (10)

Взяв первую производную от указанных функций или частную производную от уравнений регрессии

<ШЖ,=0, с1ЯШ2=0, =0, (11)

и приравняв частные производные к нулю, определим значение аргумента Ьу й, к2, при котором функция имеет экстремум. Знак второй производной

сГЯШ=0, йШ/¿1x2=0 (12)

позволяет определить вид экстремума, т.е. минимум или максимум функции.

Результаты проведения анализа уравнений звукоизоляции на экс-

гремальные значения функций во всех полосах частот от 63 до 8 кГц показаны в виде графиков на рис. 4-6.

На рис. 4 показаны зависимости изменения относительной звукоизоляции конструкций от толщины металлического листа, являющегося первым слоем ограждения. Все зависимости параболического вида и при частотах 63 и 125 Гц функции соответствует максимум для определенного значения толщины листа. Для частот 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц функции соответствует минимум звукоизоляции при определенной толщине металла.

Крутизна парабол, а, следовательно, и интенсивность изменения звукоизоляции конструкции, различны для рассматриваемых полос частот. Но сами экстремальные точки, как минимумы, так и максимумы близко расположены по горизонтальной оси, т.е. принимая толщин)' металлического листа, меньшую или большую по сравнению с толщиной, соответствующей экстремуму, можно повысить звукоизоляцию конструкции в широком спектре частот.

Зависимость изменения относительной звукоизоляции от воздушного промежутка между слоями конструкции показана на рис. 5. Кривые на всех частотах, кроме 125 и 250 Гц, имеют параболический вид и экстремальные значения в виде максимума. Следовательно, задавая толщину воздушного промежутка в пределах 60-100 мм, в зависимости от частот, в которых целесообразно достичь наилучшей звукоизоляции, можно обеспечить эффективную работу этого слоя конструкции.

Для гипсокартонного слоя зависимость относительной звукоизоляции от толщины слоя показана на рис. 6. Кривые параболического вида имеют экстремумы в виде максимумов на частотах 250,500, 2000,4000 Гц и по шкале «А», а в виде минимумов - на частотах 63,125,1000 Гц.

При этом кривые довольно пологие. Подбирая толщин}' слоя гип-сокартона, можно повысить звукоизоляцию именно на тех частотах, где по предыдущим слоям звукоизоляция была низкой. Важно заметить, что не всегда наращивание толщины гипсокартона дает более высокую звукоизоляцию.

Данные анализа многофакторной функции звукоизоляции двойной конструкции показывают, что величина звукоизоляции во многом зависит от геометрических размеров конструкции, толщины слоев и промежутка между ними. При выборе оптимальных значений геометрических параметров возможно получить конструкцию с максимальными звукоизоляционными свойствами в требуемых среднегеометрических полосах частот.

Полученные результаты доказывают, что метод расчета многослойных остекленных конструкций, предложенный в работах Тарасовой О.Г., применим для поиска рациональных геометрических параметров и определения звукоизоляции многослойных конструкций из непрозрач-

Ь-л . MM

Рис. 4. Зависимость относительной звукоизоляции ДЯ' от толщины металлического слоя hi.

ных материалов.

В четвертой главе диссертации приведены инженерные методики расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических размеров по толщине элементов конструкций с разработкой программ расчетов на ЭВМ IBM и их практическое применение.

Полученные математические модели звукоизоляции многослойных конструкций в виде полинома второй степени, как многофакторные функции, их анализ на экстремальные значения позволяют рассчитать геометрические параметры по толщине элементов конструкции, при которых звукоизоляция всей конструкции будет максимальной в требуемых полосах частот шума. Содержание указанных методик изложено ниже.

Заданными величинами для выполнения расчета являются:

- спектры частот шума, в которых звукоизоляция конструкции должна быть наивысшей;

- располагаемая величина воздушного промежутка между слоями твердого материала.

На основании полученных математических моделей звукоизоляции двойной конструкции с воздушным промежутком, результатов анализа математических моделей на экстремум и уравнений регрессии для

лЛ'ЭБ

2000 S / / ROOO

—^¿ооо

4000*^"

£00

га go so юо izo

сх.мм

Рис. 5. Зависимость относительной звукоизоляции AR"от толщины воздушного промежутка между слоями d.

. ÍIAt

Рис. б. Зависимость относительной звукоизоляции ÁR'"от толщины гипсокартонного слоя h¡.

определения толщины слоев, соответствующих экстремуму функций, разработана программа расчета на ЭВМ IBM.

На основании анализа полученных значений экстремальных точек, вида экстремума (шах или min), в соответствии со стандартами на листовой металл и гипсокартон, окончательно принимаются значения толщин hs, d, h2. При этом, если экстремум соответствует минимальному значению звукоизоляции, то целесообразно толщины листа металла и гипсо-картона принимать в большую или меньшую от среднего значения толщины сторону, сообразуясь с точками экстремума по максимуму в других полосах частот. Для воздушного промежутка все экстремумы максимальные.

Выбирая толщину слоя металла hh мы стремимся к повышению звукоизоляции на средних и высоких частотах и по шкале «А»; толщину гипсокартона h2 принимаем по максимуму для всего диапазона среднегеометрических частот. И за счет этого слоя будет повышена звукоизоляция на ряде частот, неблагоприятных для металлического листа с выбранной толщиной. Толщину воздушного промежутка принимаем по максимуму почти для всех частот, так как дальнейшие увеличение толщины воздушного промежутка не приводит к существенному повышению звукоизоляции.

После выбора оптимальных параметров по толщине составных элементов конструкций выполняется расчет звукоизоляции по математической модели в окгавных полосах частот и по шкале «А».

В диссертации на диаграмме показано изменение звукоизоляции в октавных полосах частот трех опытных образцов двойной конструкции с оптимальными и нарушенными геометрическими размерами по толщине ее элементов.

Оптимальное значение толщины воздушного промежутка находится в пределах 60-80 мм. Отклонения от этой толщины в сторону уменьшения ведут к снижению звукоизоляции, а увеличение - не имеет существенного значения в повышении звукоизоляции. Толщину металла целесообразно увеличивать по отношению к оптимальной для повышения звукоизоляции на частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, Гц, но для частот 63 и 125 Гц увеличение толщины ведет к существенному ухудшению ззукоизоляции. Таким образом, выбирая оптимальные параметры, надо учитывать спектры шумовых характеристик источников звука.

Практическое использование результатов исследований и разработанных методик расчетов показывает возможность их широкого применения для решения разнообразных задач ограничения распространения воздушного шума.

Методики расчета оптимальных по звукоизоляции параметров двойной конструкции переданы проектному институту «Кавказцветмет-проект» (г. Владикавказ) для использования в разрабатываемых проектах промпредприятий и Северо-Кавказскому государственному технологическому университету для использования в учебном процессе.

Разработанные методики расчетов применены при выполнении

трех проектов звукоизоляционных кабин и звукоизолирующего кожуха для вентилятора местного проветривания на объектах промпредприятий Садонского свинцово-цинкового комбината.

Внедрение звукоизолирующих конструкций с оптимальными геометрическими параметрами по толщине элементов ограждающих поверхностей для горных машин, выполненных с учетом их шумовых характеристик, позволяет при рациональном использовании материалов обеспечить снижение шума до уровней ниже санитарных норм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследования материалов опубликованных научных работ по источникам шума при работе машин и механизмов, используемых в горно-добывающей отрасли, а также выполненные нами измерения шумовых характеристик горных машин на руднике «Архон» Садонского СЦК показывают, что уровень звукового давления при работе машин существенно превышает санитарные нормы, допустимые для человека на всех частотах от 63 до 8000 Гц. Уровень шума компрессорных станций достигает 87 дБА; вентиляторов главного проветривания - 95 дБА; местного проветривания - 119 дБ А. При этом шумовые характеристики горных машин различны по распределению уровней звукового давления по частотам. Это необходимо учитывать при разработке шумозащитных ограждающих конструкций. Шум работающего оборудования распространяется в окружающую среду и отрицательно влияет на персонал, находящийся в зашумленной зоне. Снижение уровней шума достигается установкой звукоизолирующих преград на пути его распространения, таких как звукопоглощающие экраны, капоты, кабины наблюдения и звукоизолирующие кожухи.

Но эффективность использования устройств, применяемых в настоящее время, не очень высока. Для решения актуальной проблемы защиты от шума при работе горных машин необходимо искать метод повышения звукоизоляции ограждающих конструкций кабин наблюдения и кожухов, учитывать спектры распределения уровней шума.

2. Теория расчета звукоизоляции акустически однородных ограждающих конструкций, разработанная рядом авторов, дополнена нами исследованиями влияния на звукоизоляцию ранее малоизученных физических величин - самосогласования волновых полей и динамического модуля упругости, что позволило улучшить сходимость расчетных и экспериментальных данных и выявить возможность создания более эффективных многослойных конструкций, скомбинированных из различных по физико-механическим свойствам материалов. Выполненные нами теоретические исследования позволяют проанализировать характер прохождения звука через ограждающих конструкции, что дает возможность улучшить звукоизолирующие свойства и упростить алгоритм расчета акустически однородных конструкций.

3. Экспериментальные исследования, выполненные для однослой ных, слоистых и двойных с воздушным промежутком конструкций из

широко применяемых и новых материалов, дополнили базу сведений по звукоизоляции ограждений и позволили сделать выводы о том, что наращивание числа слоев, а также увеличение толщины конструкций не всегда приводит к росту звукоизоляции. Результаты исследований позволили выявить желательные, с точки зрения звукоизоляции, сочетания материалов в двойных и слоистых конструкциях, а также установить существенное влияние толщины воздушного промежутка на звукоизолирующую способность. Выявлена возможность использования некоторых конструкций для снижения шума на определенных спектрах частот.

4. Впервые, методом планирования эксперимента нами получены математические модели звукоизоляции в октавных полосах частот и по шкале «А», двойной конструкции с воздушным промежутком, как трех-факторные функции в виде полиномов второй степени, позволяющие выполнить исследования на экстремальные значенш в зависимости от геометрических размеров по толщине элементов конструкции. Результаты исследования математических моделей на экстремум позволяют запроектировать и выполнить двойные ограждения из стали и гипсокартона с воздушным промежутком, с оптимальными геометрическими размерами по толщине их элементов, обладающие максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных полосах частот шума, генерируемого при работе горных машин. Это положение имеет экспериментальное подтверждение.

5. На базе математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, полученных в октавных полосах частот и по шкале «А» в виде многофакторных функций геометрических параметров по толщине элементов конструкций, разработан метод инженерного расчета оптимальных параметров ограждений, с учетом шумовых характеристик горных машин. При оптимальных параметрах двойная конструкция кабин управления операторов горных машин, а также звукоизоляционных кожухов на вентиляторы местного проветривания обладает максимальными звукоизоляционными свойствами. Методика расчета обеспечена программой для ЭВМ IBM.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Дьяконова С.Н. Актуальность снижения шума строительными конструкциями,-Деп. в ВИНИТИ. № 38-В97Д997. -10 с.

2. Дьяконова С.Н. Определение характеристики самосогласования звуковых полей и волнового поля однослойных конструкций из дрсвес-но-стружечных плит. Тр. СКГТУ. Владикавказ. 1998, с. 118-122.

3. Дьяконова С.Н. Изменение характеристик самосогласования волновых полей и звукоизоляции слоистых ограждений из гипсокартона в зависимости от толщины. Материалы научно-технической конференции, посвященной 60-летию научно-исследовательского сектора СКГТУ. (Сборник статей), Владикавказ, 1998, с. 162-165.

4. Тарасова О.Г., Дьяконова С.Н. Влияние модуля упругости на

изменение характеристик самосогласовашгя и звукоизоляцию древесностружечных плит. Материалы научно-технической конференции, посвященной 60-летию научно-исследовательского сектора (Сборник статей), Владикавказ, 1998, с. 157-162.

5. Дьяконова С.Н. Звукоизоляция многослойных ограждающих конструкций. - В сб. научн. тр. аспирантов, СКГТУ, Владикавказ, 1999, с.110-112.

6. Дьяконова С.Н. Наименование характеристик самосогласования волновых полей и звукоизоляции ограждений из стали в зависимости от толщины. Владикавказ. Тр. СКГТУ, вып. 7, 2000, с. 131-134.

7. Дьяконова С.Н. Кожухи с высокими звукоизоляционными свойствами. ЦНТИ. Российское объединение информационных ресурсов научно-технического развития при правительстве Российской Федерации. ИЛ № 68-48-2000.

8. Дьяконова С.Н. Кожух из звукопоглощающего материала. ЦНТИ. Российское объединение информационных ресурсов научно- технического развития при правительстве Российской Федерации. ИЛ № 6870-2000.

9. Дьяконова С.Н. Двухслойный звукоизолирующий кожух. ЦНТИ. Российское объединение информационных ресурсов научно-технического развития при правительстве Российской Федерации. ИЛ № 68-71 -2000.

10. Дьяконова С.Н. Звукоизолирующая кабина (пост управления). ЦНТИ. Российское объединение информационных ресурсов научно-технического развития при правительстве Российской Федерации. ИЛ № 68-72-2000.

11. Дьяконова С.Н. Противоречия теории волнового совпадения с законом масс на примере ограждений из гипсокартона. Сб. научн. тр. аспирантов, СКГТУ, Владикавказ, 2000, с. 245-247.

12. Тарасова О.Г., Дьяконова С.Н. Проектирование селективных звукозащитных конструкций при сооружении кабин управления операторов стационарных горных машин. В кн.: Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. Материалы четвертой Всероссийский научно-практической конференции с международным участием. Санкт-Петербург, 1999, с. 119-121.

13. Тарасова О.Г., Дьяконова С.Н. Проектирование кожухов с высокими звукоизолирующими свойствами для вентиляторов местного проветривания. Тр. СКГТУ, Владикавказ, вып. 7,2000, с. 129-131.

14. Тарасова О.Г.. Дьяконова С.Н., Чернобай Т.В. Конструкция кабин управления стационарных горных машин, обладающих оптимальными звукоизоляционными свойствами. Тр. СКГТУ. Владикавказ, вып. 7,2000, с. 125-129.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Дьяконова, Софья Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Постановка задачи

1.1. Обзор состояния вопроса

1.2. Звукоизолирующие конструкции

1.3. Теоретические исследования в области влияния волновых полей на звукоизоляцию пластин

1.4. Характеристика конструкций

1.5. Задачи исследования 63 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. Теоретические исследования самосогласования волновых полей и влияние его и модуля упругости на 70 звукоизоляцию ограждающих конструкций

2.1. Теория самосогласования волновых полей

2.2. Изменение характеристик самосогласования волновых полей и звукоизоляции слоистых ограждающих конструкций из 85 гипсокартона в зависимости от толщины

2.3. Влияние модуля упругости на изменение звукоизоляции и на характеристику самосогласования волновых полей в ограждающих 98 конструкциях из древесно - стружечных плит

2.4. Изменение характеристик самосогласования волновых полей и звукоизоляции ограждений из стали в зависимости от толщины

2.5. Противоречия теории волнового совпадения с законом масс на примере ограждений из гипсокартона ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования звукоизоляции ограждений для снижения шума

3.1. Измерительная аппаратура и образцы исследуемых конструкций

3.2. Экспериментальные исследования однослойных, многослойных и слоистых непрозрачных ограждающих конструкций

3.3. Методика нахождения звукоизоляции многослойных конструкций с использованием метода планируемого 154 эксперимента и экспериментальная база

3.4. Математическая модель звукоизоляции двойных ограждающих конструкций

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4.Проектирование ограждающих конструкций с высокими звукоизоляционными свойствами

4.1. Метод инженерного расчета геометрических параметров элементов двойных конструкций и их звукоизоляции с 166 применением ЭВМ

4.2. Практическое применение инженерных методов расчета звукоизолирующих средств снижения шума с оптимальными параметрами слоев материала по толщине и с учетом спектров шума стационарных горных машин

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Введение 2000 год, диссертация по транспортному, горному и строительному машиностроению, Дьяконова, Софья Николаевна

Актуальность темы исследования. Шумовое загрязнение в городах и промышленных зонах и, в первую очередь, на горных предприятиях, является одной из актуальных проблем современности. Обзор литературных источников по борьбе с шумом горных машин показал, что благодаря работам таких ученых, как Боголепов И.И., Юдин В.Н., Заборов В.И., Деев А.И., Флавицкий Ю.В., Картавый Н.Г., Осипов Г.Л., Водяник Г.М., Ковалевская В.И., Бабак Г.А., Пак В.В., Терехин A.C., Добровольский Г.Д., Иванов И.И., Молчанов В.Н., Седов М.С., Епифанов A.B., Кожевников С.Г., Тарасова О.Г., Алексеев С.П., Пятибратова JI.H., по исследованию шума на рабочих местах при эксплуатации очистных горных машин, горных транспортных машин, стационарных установок главного проветривания, шахтных компрессорных станций, поршневых компрессоров и турбокомпрессоров, подъемных установок, дробильных машин, обогатительного оборудования, а также других промышленных объектов собран обширный фактический и достоверный материал по их шумовым характеристикам, которые вошли в ГОСТы и в требования по уровню снижения шума на преобладающих частотах. Эта информация перенесена на электронные носители и может использоваться при разработке эффективных средств шумозащиты.

Известно, что самым эффективным способом снижения шума является подавление шума в источнике его образования, т.е. необходимо делать малошумными подъемные машины, компрессорные станции, вентиляторные установки главного проветривания, очистные комбайны. Глобальное снижение шума таким методом - это будущее промышленности России. На данный момент достаточно эффективно и значительно экономичнее решать эту проблему защиты работающего персонала установкой звукоизолирующих многослойных ограждающих конструкций. Этому вопросу и посвящается настоящая диссертация -применительно к компрессорным станциям и вентиляторным установкам.

Источниками шума, в большинстве случаев, являются промышленные здания и сооружения, машины и установки, транспортные средства.

В горных выработках, камерах и производственных помещениях, на транспортных и других самоходных машинах для защиты обслуживающего персонала сооружаются кабины управления, наблюдения и отдыха. Для этих целей требуется создание ограждений из современных легких материалов, которые должны обладать необходимыми звукозащитными свойствами в требуемых спектрах частот.

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Исследования звукоизоляционных свойств однослойных, слоистых и двойных конструкций дополняют сведения по звукоизоляции непрозрачных ограждений. Применение таких конструкций дает возможность существенно улучшить звукоизоляцию при значительном снижении массы ограждений.

3. Математические модели звукоизоляции двойных непрозрачных ограждающих конструкций, таких как кожухи вентиляторов и стенки кабин управления, с воздушным промежутком между слоями различного по физическим свойствам материала, полученные методом планирования эксперимента в виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине конструкции, адекватны эксперименту и с высокой степенью точности описывают закономерность распределения звукоизоляции конструкции по среднегеометрическим полосам частот. При этом форма записи математических моделей звукоизоляции позволяет определить долю звукоизоляции каждого элемента конструкции и выполнить исследование функции на наличие экстремумов.

4. Многослойные ограждающие конструкции кожухов и кабин управления горных машин при определенных оптимальных значениях геометрических параметров по толщине составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцию. Оптимальные размеры определяются анализом на экстремум математических моделей звукоизоляции, как многофакторных функций, с учетом спектров частот, в которых шумовые характеристики источников имеют наиболее высокие значения. Использование таких конструкций обеспечивает максимально возможную звукоизоляцию, защищает рабочее место человека от воздействия шума и дает экономию в расходовании материала по массе.

Научная новизна работы заключается:

• в установлении экстремальных значений звукоизоляции элементов конструкций при определенных значениях геометрических параметров по толщине для октавных полос частот и по шкале «А»;

• в разработке методики выбора оптимальных геометрических размеров по толщине элементов конструкции, исходя из достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров частот шума;

Разработанная программа расчета на ЭВМ позволяет выполнить инженерный расчет оптимальных геометрических параметров двойных непрозрачных конструкций с воздушным промежутком между слоями и их звукоизоляции.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методика расчета оптимальных по звукоизоляции двойных ограждающих конструкций из непрозрачных материалов с воздушным промежутком между слоями передана проектному институту «Кавказцветметпроект» и принята к использованию в инженерных проектах, а также используется в учебном процессе на кафедре «Строительных конструкций» (СКГТУ).

Практическое использование результатов исследований позволило обеспечить высокую звукоизоляцию кабин наблюдения и снизить воздушный шум вентилятора местного проветривания до санитарных норм.

• в Новочеркасском Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ) на секции кафедры «Горных машин и оборудования»;

• ежегодной научно-технической конференции СКГТУ (1998-2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Заключение диссертация на тему "Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок"

Результаты исследования звукоизоляции сотовых панелей, выполненных на основе стеклопластика, показывают, что по своим звукоизолирующим свойствам такие панели уступают некоторым стальным одностенным конструкциям равного веса. Подтверждено экспериментально, что сотовые панели равного веса с дюралюминиевыми несущими слоями и сотами из алюминия имеют звукоизоляцию в среднем на 10 дБ больше, чем звукоизоляция панелей с сотами из бязи, пропитанной смолой [134], и что увеличение толщины сотовых панелей более 20 мм не дает существенного прироста звукоизоляции [136].

На рис.1.9 приведены результаты испытаний панели толщиной 12 мм из двух одинаковых листов дюралюминия толщиной 0,3 мм, между которыми находится стандартный стеклосотозаполнитель с размером ячейки 2,5 мм (кривая 1). Кривая 2 описывает звукоизоляцию этой панели с нанесенным на нее с одной стороны мягкого вибропоглощающего слоя КЛ (клейкая лента). Звукоизоляция панели, с двух сторон имеющей покрытие КЛ, показана кривой 3. Максимальное увеличение звукоизоляции сотовой панели за счет мягкого вибропоглотителя составило 5 дБ на низких и высоких частотах, и около 10 дБ - на средних.

Рассмотрено влияние вибропоглотителя (пластмассы «Агат») - на звукоизоляцию сотовых панелей из стеклопластика общей толщиной 12 мм.

Стеклопластик имел толщину одного слоя 0,5 мм, другого - 0,8 мм; ячейки размером 2,5 мм. Толщина вибродемпфирующего слоя 4 мм.

Вибродемпфирование существенно увеличило звукоизоляцию сотовой панели: примерно на 10 дБ в диапазоне нижних и верхних частот и на 20 дБ - в средней части диапазона. Рекомендуется принимать толщину сотовой панели без покрытия 10-15 мм, а толщину вибропоглощающего покрытия - порядка половины толщины панели [136].

Выполнены исследования звукоизолирующей способности легких перегородок [134] (гипсовых, асбестоцементных, фанерных и др.) с заполнением промежутка между ними сотопластом, представляющим собой бумажные соты, пропитанные отвердевшей синтетической смолой. Звукоизоляция перегородки из гипсовых плит с промежутком между ними, заполненным таким сотопластом ниже, на 9 дБ по индексу и на 17-25 дБ в диапазоне высоких частот подобной конструкции с незаполненным воздушным промежутком толщиной 60 мм (рис. 1.10). Объясняется такая существенная разница тем, что сотопласт увеличивает жесткость конструкции. Колебания одной гипсовой плиты из-за большого числа равномерно распределенных по площади жестких ребер сотопласта практически без ослаблений передаются на второй слой. Увеличение между гипсовыми плитами расстояния, заполненного сотопластом, не сказалось на звукоизоляции, и I в=30 дБ в обоих случаях. Такой же индекс изоляции воздушного шума имеет перегородка, состоящая из гипсовой плиты, прижатой с двумя древесностружечными плитами и с сотопластом в 25 мм, огражденным с другой стороны второй гипсовой плитой. При введении в середину перегородки из гипсовых плит между двумя слоями сотопласта слоя из твердых древесноволокнистых плит звукоизолирующая способность повышается во всем рабочем диапазоне (рис. 1.10, кривая 2). Но жесткая связь слоев через сотопласт не дает увеличить звукоизоляцию так, как при наличии воздушного промежутка между гипсовыми плитами (кривая 3) [134].

Результаты исследований звукоизоляции сотовых панелей и перегородок с заполнением сотопластом воздушного промежутка показали, что жесткие ребра сотопласта снижают звукоизолирующую способность ограждения. И в практических целях желательно применять конструкции с другим заполнителем.

Рассмотрено влияние слоя звукопоглощающего материала на звукоизолирующие свойства одинарных конструкций из алюминиево-магниевого сплава толщиной 4 мм. Слой звукопоглотителя устанавливали вплотную к пластине и удерживали деревянной рамкой. В качестве звукопоглотителя исследовали три лучших звукоизолирующих материала - маты из штапельных супертонких базальтовых волокон, облицованные стеклотканью, с объемной массой 15 кг/м и толщиной 60 мм (изделие марки БЗМ); маты из штапельных супертонких базальтовых волокон, облицованных стеклотканью, с объемной массой 15 кг/м и толщиной 50 мм (звукопоглощающий материал марки АТМ-1) и поропласт полиуретановый эластичный марки ПГТУ-ЭТ с объемной массой 40 кг/м и толщинами 30 и 60 мм, облицованный гидрозащитной пленкой. В испытаниях пластины с рыхловолокнисты-ми материалами марок БЗМ и АТМ-1 варьировали толщину этих материалов посредством сжатия от 50-60 мм в естественном состоянии до 30 и 15 мм в сильно сжатом. Слой БЗМ толщиной 60 мм увеличил звукоизоляцию пластины в нижней части диапазона частот 800-8000 Гц на 10 дБ и на 3 дБ -в верхней его части. Это существенное увеличение звукоизоляции при добавлении массы всего лишь на 8 % первоначальной массы пластины. Сжатие звукопоглощающего материала существенно (на 5-10 дБ) уменьшает звукоизоляцию по всему измеряемому диапазону час

1 / А ——¿г/ . 3 а / у У'-' ту

2,0 Н,0 2,0 кГи,

Рис. 1.8. Дополнительная звукоизоляция моделей двойных ограждений по сравнению с однослойными: двойное ограждение из фанерных плит толщиной 12 мм, жестко связанных ребрами толщиной 4 мм с воздушным промежутком 10 (1) и 20 (2) мм; двойное ограждение из деревоплит толщиной 5 мм с воздушным промежутком 50 мм, с брусом по контуру сечением 5 х 20 см2(3). йЗБ 6й

5Ь

Чо

30 20 у / ^ ~<Ъ \ г" ф г и----^ у 1

- 1 / /.„

00 аоо

400

800 1600 2гаоо частота ,«(.,Гц,

Рис. 1.10. Частотная характеристика для перегородок: 1 - две гипсовые плиты толщиной 8 мм, между ними слой сотопласта толщиной 50 мм; 2 - две гипсовые плиты толщиной по 10 мм каждая, два слоя сотопласта по 28 мм, разделенные древесно-волокнистой плитой толщиной 40 мм; 3 - две гипсовые плиты толщиной 10 мм с воздушным промежутком 60 мм. тот. Уплотнение материала в процессе эксплуатации приводит к уменьшению звукоизоляции [136].

Результаты измерений звукопоглощающего материала марки АТМ-1 показали, что сжатие мало влияет на его звукоизоляцию, особенно в области высоких частот, что объясняется особенностями структуры этого материала [136]. Исследован также звукопоглощающий материал марки ППУ-ЭТ, представляющий собой эластичный поропласт, структура которого, толщина и форма не меняются. Поэтому результаты измерений звукоизоляции пластины со слоем этого материала отличаются от двух предыдущих. Здесь первый слой звукопоглотителя толщиной 30 мм, приставленный к пластине, и второй слой той же толщины, приставленный к первому слою дали примерно одинаковое увеличение звукоизоляции.

Приклейка звукопоглощающего материала к пластине не оказывает влияние на звукоизоляцию ни за счет звукопоглощения, ни за счет вибропоглощения. Увеличение звукоизоляции за счет звукопоглощения в области более низких частот весьма желательно, поэтому следует рекомендовать устанавливать звукопоглотитель с воздушным промежутком. Одностенная конструкция со слоем звукопоглощающего материала - основной вид звукоизоляции для кожухов машин, кабин управления и т.д.; она является необходимой частью двойных звукоизолирующих конструкций, используемых в промышленной звукоизоляции.

При использовании пластин из стали, алюминиево-магниевых сплавов и стеклопластика толщиной 3-4 и даже 10 мм критическая частота опускается ниже верхней границы расчетного диапазона частот. Тогда в верхней части расчетного диапазона частот, в связи с эффектом волнового совпадения, резко уменьшается звукоизоляция, увеличить которую в этом районе частот можно с помощью вибропоглощающего слоя и покрытия. Вибропоглощающее покрытие призвано увеличить внутренние потери звуковой энергии в пластине [136, 137]. Внутренние потери значительны при толщине вибропоглощающего покрытия, не превышающей двукратной толщины пластины.

Для использования в промышленной звукоизоляции рекомендуют твердое вибропоглощающее покрытие типа пластмасс «Агат», «Радуга» и «Антивибрит-3». Улучшение твердого вибропоглощающего покрытия на основе поливинилхлорида или эпоксидных смол, предназначенного для звукоизолирующих конструкций, должно осуществляться путем увеличения его плотности с использованием тяжелых наполнителей.

Проведенные специальные исследования показали, что коэффициент внутренних потерь г\ и динамический модуль упругости Е вибропогло-щающих покрытий из пластмасс имеют сильную зависимость от температуры [150].

Жесткие пеноплас^ты и вибропоглощающие материалы («Агат», «Антивибрит-3», «Виброизол», «ВМЛ-25», «Випонит») применяются в качестве материала внутреннего слоя между двумя внешними стальными, дюралюминиевыми или пластмассовыми обшивками.

Трехслойная пластина, обкладки которой выполнены из легкого сплава, а заполнитель из пенопласта ПС-1, обладает более высокой звукоизолирующей способностью по сравнению с однослойной древесностружечной плитой с той же поверхностной плотностью. Ограждение с заполнителем имеет большие потери звуковой энергии, а также увеличивает звукоизоляцию смещением вверх по частотной шкале граничной частоты волнового совпадения [151].

В последние годы появились новые легкие материалы: полимерные пленки, высокопрочные синтетические ткани, брезентальные парусины, материал «Теза» и др. Возникает вопрос о возможности использования этих материалов в качестве звукоизоляционных [152].

Вибропоглощающие материалы повышают потери энергии в системах, выполняемых из материалов с малыми потерями (например, тонких металлических листов). Нанесение на металлические поверхности слоев вибропоглощающих упруговязких материалов приводит к уменьшению вибрации конструкций при воздействии заданных сил, более быстрому их ослаблению на пути распространения по конструкции и уменьшению излучаемого ими шума. Обычно толщина однородных покрытий рекомендуется не менее двух-трех толщин металлической пластины [153, 118].

Помимо однородных вибропоглощающих покрытий применяются слоистые, состоящие из сочетания слоя упруговязкого материала с дополнительным наружным слоем. Мягкие вибропоглощающие покрытия изготовляют из мягких пластмасс, различных мастик на основе битума и других материалов. Свойства пластмасс из высокополимеров могут быть сравнительно легко изменены путем введения пластификаторов и наполнителей.

Для снижения шума и вибраций в некоторых случаях рекомендуют использовать пористые эластичные пенопласты типа пенополиуретана (ППУ) и пенополивинилхлорида (ПВХ) [154, 155]. В виде акустических панелей для облицовки колеблющихся ограждающих поверхностей используют металлокерамические конструкции [156].

Лучшие вибропоглощающие мастики - ВД-17-58 и ВД-17-59, представляют смесь синтетических смол и наполнителей [118], эффективные гасители колебаний - слоистые материалы, представляющие собой два металлических (стальных, алюминиевых) листа или две ленты с промежуточным слоем из эластичной пластмассы. Толщина слоев может быть одинаковой (0,5+слой пластмассы+0,5) или различной (0,7+слой пластмассы+0,3) [153, 157, 158].

Рассмотренные нами конструкции из новых материалов (пенопласта ПС-1, базальтовых волокнистых звукопоглотителей, АТМ-1, поропласта

ППУ-ЭТ и др.) не находят широкого применения из-за сложности изготовления и большой стоимости.

Во многих зарубежных странах этот вопрос решен с помощью вторичной переработки сырья. В Германии и в Италии большинство элементов шумозащитных стенок на 100 % изготавливают из бытовых отходов пластмасс. В некоторых случаях между пластинами из пластмассы вводят слой звукопоглотителя из нетканой минеральной шерсти.

Впервые подобные варианты рециклирования отходов предложила фирма ЬАП в 1988 г. Отмечается, что такое строительство существенно дешевле, чем из стали, алюминия, бетона, дерева [159 - 162]. В тяжелой промышленности звукопоглощающие ограждения из пластмасс в большинстве случаев неприменимы, так как могут быть подвержены температурным и деформационным нагрузкам.

Оригинальный противошумовой барьер предложила фирма 1РА. Несущий слой стенки выполнен из прочного бетона, другой слой, обращенный к источнику звука, состоит из звукопоглощающего керамзитобетона. Между ними расположен изоляционный слой, препятствующий диффузии звука. Предложенный барьер обеспечивает гашение звука на 16 дБА [163].

Но сведений о толщине и характере звукоизоляционного слоя нет. Возможно, толщина слоев велика, и полученное снижение в 16 дБА не оправдывает затрат материала.

Противошумовые барьеры сооружают из бетонных и металлических конструкций, а также из деревянных, пропитанных защитным раствором в автоклаве [164 - 166].

На рис. 1.11 показаны частотные характеристики измерений и расчета двустенных ограждений из гипсокартона и гипса. Конструкция, состоящая из гипсокартонных плит толщиной 12,5 мм с воздушным промежутком между слоями, заполненным минеральной ватой толщиной 50 мм, показала высокую звукоизолирующую способность. На частотах 2000 Гц и выше 5000 Гц звукоизоляция достигает 70-80 дБ. На частотах 2500-4000 Гц происходит провал волнового совпадения, замеченный и у расчетной кривой. Еще более высокую звукоизолирующую способность показала двустенная гипсовая конструкция с толщиной стенок 80 мм. Толщина заполнителя между плитами из минеральной ваты составила 30 мм [167]. Предполагается, что данные по звукоизоляции этих конструкций несколько завышены, а исследования носят частный характер и не позволяют выявить закономерности изменения звукоизоляции при других сочетаниях слоев.

На рис. 1.12 показаны частотные характеристики изоляции шума перегородками на стальном каркасе из гипсокартона (данные отечественные и зарубежные). Все три кривые имеют одинаковый рост на низких частотах, на частоте 2500 Гц также у всех конструкций происходит резонансный провал. По зарубежным данным звукоизоляция ограждения на средних частотах существенно превышает результаты, полученные в наших лабораториях [132, 168, 169].

Не приводится толщина гипсокартонного ограждения и другие параметры, необходимые для анализа звукоизоляции конструкций из гипсокартона. В данном случае дать оценку результатов невозможно. Сведения о звукоизоляции гипсокартонных ограждающих конструкций в литературных источниках крайне ограничены. Можно сказать, что этот материал мало изучен экспериментально и теоретически.

ТО 60 Я)

ЛО 10 го

400 200 500 Ш 2000 3<50 5000 ШОО частота

Рис. 1.11. Частотные характеристики звукоизоляции двустенных конструкций:

1 - гипсокартонные плиты толщиной 12,5 мм, воздушный промежуток заполнен минеральной ватой толщиной 50 мм; 2 - то же расчет; 3 - гипсовые плиты толщиной 80 мм, минеральная вата толщиной 30 мм; 4 - то же расчет.

• / / У / \ \ \ \ • У » / /у '¿У 1 / / \\ ч 4 \ \ ^^ \ '/ г у • ¥ 1

11/ юо 200 /юо 80о « ъго о {А

Рис. 1.12. Частотные характеристики изоляции воздушного шума перегородками на стальном каркасе с обшивками из гипсокартона: 1 - в жилом доме в Горьком; 2 - то же в Москве; 3 - в испытательных камерах (шведские данные).

1.3. Теоретические исследования в области влияния волновых полей на звукоизоляцию пластин

Первое теоретическое исследование звукоизолирующей способности акустически однородных ограждений выполнено Рылеем (Дж. В. Стрэтт), который рассмотрел нормальное падение звука на пластину неограниченной протяженности [170]. Принятые им условия значительно отличаются от реальных.

В дальнейшем теория развивалась в направлении приближения к реальным условиям работы ограждения. Основы теории звукоизоляции разработаны JI. Кремером [171]. Был установлен закон, по которому звукоизоляция ограниченной пластины при некоторых условиях определяется законом массы, по которому звукоизоляция возрастает на 6 дБ с увеличением частоты поверхностной массы. Действие этого закона нарушается на низких частотах, где происходят мембранные колебания пластины, и на высоких частотах, вследствие так называемого резонанса совпадения, возникающего в районе граничной (критической) частоты.

Л. Кремер и В.И. Заборов рассмотрели падение звуковых волн под произвольными углами также на пластину неограниченной протяженности. М. Хекль перешел к пластине ограниченной длины и безграничной ширины. М.С. Седов рассмотрел взаимодействие волновых процессов в конструкции и в воздухе помещений, разработал теорию акустически однородных ограждений реальных размеров, ограниченных в двух направлениях [172 - 174]. Теоретические разработки в этой области выполняли и зарубежные исследователи: Т. Кильман, М. Бхаттачариа и М.Крокер и др.[175, 176]. Отражение и прохождение звука в жидкости исследованы Л.М. Ля-мишевым [177].

Измерения звукоизолирующей способности конструкций показывают, что их частотные характеристики существенно отличаются от таковых, построенных по закону массы. У реальных конструкций вместо равномерного увеличения звукоизолирующей способности во всем диапазоне при росте частоты звука наблюдаются участки с различным темпом ее роста, а также участки, где звукоизолирующая способность не увеличивается, а даже снижается при повышении частоты звука. Эти отклонения от закона массы объясняются при рассмотрении волновых процессов в конструкции и в воздухе помещений с учетом явления частотного и пространственного резонанса. Исследователи указывают, что определяющими являются низшая собственная частота и граничная частота волнового совпадения. М.С. Седов упоминает, что имеются дополнительные колебания на частоте в два раза меньше граничной частоты, но эта идея не получила дальнейшего развития. Теория М.С. Седова позволяет получать результаты, более близкие к экспериментальным, однако она требует трудоемких вычислений, что затрудняет ее практическое использование. Метод расчета М.С. Седов приводит, в основном, для тонких однослойных ограждений из металла и стекла. Для других тонких конструкций (фанеры и картона) приводятся конечные результаты, и нет анализа прохождения звука через них. Метод расчета конструктивно более сложных ограждающих конструкций (двойных с воздушным промежутком, слоистых и др.) требует существенной доработки и упрощения, так как малопригоден для инженерных расчетов в проектных институтах из-за сложности и трудоемкости.

1.4. Характеристика конструкций

Обзор состояния вопроса и характеристика звукоизолирующих конструкций показали, что в различных литературных источниках типы конструкций называют по-разному. Ограждения, состоящие из одной пластины, называют одинарными, однослойными и т.п. Ограждения, состоящие из нескольких слоев с воздушным промежутком и без него, в некоторых источниках именуют двойными, двухслойными, в других - двустенными, слоистыми и многослойными.

Чтобы избежать путаницы в названиях конструкций, рассматриваемых нами, мы приводим схемы и названия ограждений с краткой характеристикой.

Ограждения, состоящие из одного слоя (пластины), мы называем однослойными (рис. 1.13а). Конструкции, состоящие из нескольких слоев, плотно прижатых друг к другу, называются слоистыми. Слои могут быть из одного материала или из различных по своим свойствам и структуре (рис.1.13б). Конструкции, состоящие из двух стенок с воздушным промежутком между ними, в работе будут рассматриваться как двойные (рис. 1.13 в).

1.5. Задачи исследования.

- теоретически установить влияние на звукоизоляцию акустического самосогласования волновых полей и модуля упругости; ления эффективного сочетания слоев ограждений, используемых для защиты от шума горных машин;

- разработать конструктивные решения кабин управления операторов горных машин и звукоизолирующий кожух для вентилятора местного проветривания с использованием современных материалов и с оптимальными акустическими параметрами

Вывод по главе 1

1. Шумовые характеристики большинства стационарных машин и механизмов, используемых в горно-добывающей и металлургической отраслях, значительно превышают допустимые санитарные нормы, что приводит к росту профессиональных заболеваний и негативно сказывается на здоровье работающих.

2. Обзор средств, используемых для снижения шума оборудования, показал, что эффективность установки глушителей и звукопоглощающих экранов находится в пределах 8-15 дБА. Снижение шума кожухами и звукоизоляционными кабинами, описанными в литературных источниках, не превышает 20 дБА. Но, в основном, уровень шума оборудования превышает допустимые санитарные нормы на 30-50 дБА, а в ряде случаев и больше. Следовательно, используемые в настоящее время устройства по борьбе с шумом не обеспечивают достаточного снижения шума. Необходимо создать новые конструктивные решения устройств для снижения шума с использованием современных материалов с высокими звукопоглощающими свойствами и с оптимальными параметрами по толщине слоев ограждений с учетом шумовых характеристик конкретных источников.

3. Анализ конструктивных элементов и материалов, составляющих стенки кожухов, показал, что все разработанные устройства имеют одинаковый характер. В основном, стенки кожухов состоят из двух слоев: наружного (металлического) и внутреннего (звукопоглощающего). В качестве звукопоглотителя применяют чаще однотипные материалы, имеющие волокнистую структуру. Звукопоглотитель с внутренней стороны во многих случаях отделяется от машины сетками и перфорированными металлическими листами, что снижает звукоизолирующую способность кожуха, образуя звуковые поля в замкнутом пространстве, вследствие отражения кожухом звуковых волн. Но такая мера необходима при использовании волокнистых материалов для исключения контакта мягкой облицовки с машиной.

4. Но если использовать современные материалы (влагостойкий гип-сокартон, пенопласт), то сетки устанавливать нет необходимости и, следовательно, звукоизоляция всей конструкции должна повыситься.

5. Введение воздушного промежутка в слои кожухов может также существенно изменить их звукоизоляционные характеристики в широком диапазоне частот. Воздушный промежуток в известных конструкциях отсутствует.

6. Не используют кожухи, в которых скомбинированы различные по звукопоглощению материалы и не изучено рациональное сочетание слоев из этих материалов. Создание кожухов с многослойными ограждающими поверхностями позволит повысить их эффективность с точки зрения изоляции и уменьшит их вес.

7. Установлено, что на звукоизоляцию однослойных ограждений влияет масса, толщина, коэффициент потерь, жесткость и различные виды защемления. Звукоизоляция однослойных конструкций возрастает: с увеличением размеров пластин (на низких и средних частотах); с уменьшением жесткости; с увеличением коэффициента потерь, поверхностного веса и частоты.

8. Установлено, что звукоизоляция двустенных конструкций выше, чем одностенных и до определенной величины растет с увеличением толщины воздушного промежутка. Материал с высокими звукопоглощающими свойствами, расположенный между стенками, повышает эффективность звукоизоляции на средних и высоких частотах до 7-10 дБ. Известно, что ухудшение звукоизоляции двустенной конструкции происходит за счет: соединительных элементов между пластинами; резонанса всей системы, как системы двух масс, соединенных упругостью воздушного объема; резонанса воздушного объёма; «поперечных» резонансных мод воздушной прослойки на частотах, на которых по толщине воздушной прослойки уложится целое число полуволн; резонанса панелей (на низких частотах).

9. Значительно уменьшают звукоизолирующую способность ограждения ребра жесткости и передающие звук мостики. Снижается звукоизоляция и при заполнении промежутка между стенками конструкции сотами и сотопластом.

10. Некоторые исследования показывают, что на однослойные и многослойные ограждения в значительной мере влияют волновые совпадения, существенно уменьшающие звукоизоляцию. Однако, до настоящего времени это явление мало исследовано, и имеющиеся данные не позволяют прогнозировать влияния волнового совпадения в конкретных случаях.

11. Нами замечено, что в некоторых случаях звукоизоляция однослойной конструкции бывает больше звукоизоляции двухслойной; ограждение меньшей толщины обладает звукоизолирующей способностью выше, чем ограждение большей толщины.

12. Исследование закономерностей влияния волнового совпадения позволит проектировать конструкции с оптимальными параметрами по толщине, которые будут обеспечивать высокую звукоизоляцию при минимальном расходе материала.

13. Вид звукопоглощающего материала для заполнения воздушного промежутка однотипен: в основном используются минераловатные плиты и стекловолокно. В некоторых источниках предлагаются другие мягкие материалы, но они являются малораспространенными и отличаются высокой стоимостью.

14. Ограничены данные о величине заполнения воздушного промежутка. В большинстве исследованных конструкций воздушный промежуток звукопоглощающим материалом заполняется полностью.

Большой практический интерес представляют исследования конструкций с эффективным звукопоглотителем между стенками и воздушным промежутком, заполненным частично.

15. Мало данных о слоистых конструкциях с двумя и более воздушными промежутками. Возможно, разделение трехстенной конструкции двумя воздушными промежутками привело бы к значительному увеличению звукоизолирующих свойств при сохранении одного и того же веса ограждения и без увеличения материальных затрат.

16. Сведения о звукоизоляции многих, используемых в современном строительстве, материалах в литературных источниках найти довольно сложно, часто они противоречивы и не дают точного представления о свойствах материала и ограждения из него. Такой пример - материал гипсокар-тон, отличающийся многими положительными свойствами и получивший широкое распространение как в зарубежных странах, так и в отечественном строительстве. Недостаточно полно исследованы акустические свойства пенопласта и «Изовера».

17. Существенные противоречия теории волнового совпадения и закона масс требуют дальнейшего анализа и проработки материалов. Необходимо рассмотреть влияние волнового совпадения на возможно большее количество ограждений с разными геометрическими параметрами из различных материалов.

Библиография Дьяконова, Софья Николаевна, диссертация по теме Горные машины

1. ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ САМОСОГЛАСОВАНИЯ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ И ВЛИЯНИЕ ЕГО И МОДУЛЯ УПРУГОСТИ НА ЗВУКОИЗОЛЯЦИЮ ОГРАЖДАЮЩИХ1. КОНСТРУКЦИЙ

2. Теория самосогласования волновых полей

3. Р' = 4Рд/5т (хк0Бт в^т а0 \Siri (к^уБт вхСоз а0) . (2.1)1 = Ц/2 = Л ; М>3 = \|/4=0.

4. Если начальные фазовые углы 4/1= \|/ 2 = Ч/з= М7 4 = 0, то

5. Р' = 4Р0Сох(к0х8т 01Бт а0)Со$(к0у8т 0.Со5ао) . (2.2)

6. Условия (2.3) и (2.4) позволяют записать важные для последующих расчетов зависимости между т0 и п02 2 т =а4/2 Г л*с2 Ъ2 V с0 21. П =Ъ'2 2 V с0 «у2.5)где / частота.

7. Выражения формы звукового давления (2.1), (2.2) удобно переписать в виде

8. P^P^Sin^Sin^f--, (2.6) а Ъ1. Р' =Р> (2ЪтОпО OmOnO , ' ')a b

9. Функции смещений (2.8) приобретают вид:4 = (2.10) a b

10. В каждый момент времени прохождения звука через ограждение создаются определенные условия соотношения характеристик звуковых полей и волнового поля пластины, образованного собственными волнами.

11. В случае пластины прямоугольной формы соотношения (2.4), (2.9) позволяют установить условия самосогласованияк а Sin a = М{к0а Sin a 0 Sin 9i);к b Cos a = N (k0 b Cos a 0 Sin 6i) (2.11)

12. Решая уравнения (2.11) совместно, получаем выражение резонансных частот с той или иной степенью самосогласованиясо Í™7~ 2nSin20Хм2Sin2а0+ N2Cos2a0) V d (2.12)или Ср (м ISin 2а + N¡Cos 2a) ¡^ , .1. J~ InSin г9х id' {ZAÓ)у m0где M0 -ÍLт1. N.-Ьп

13. Отклик ограждения на воздействие звука в условиях собственных колебаний

14. Характеристикой отражения и прохождения звуковой энергии может служить амплитуда звуковых колебаний ограждения. Амплитуда выражает отклик ограждения на воздействие звуковых волн. Из формул (2.6), (2.10) имеем амплитуду смещений р. А.2.14)т ' й)2р

15. Из соотношения (2.14) следует, что наибольший отклик пластины будет в трех случаях самосогласования полей:т=т0,п=п0; (2.16)m=m0,n¿n0; (2.17а)т ¿т0, п=п0\ (2.176)m=m0,n¿n0. (2.18)

16. В первом случае условие (2.16) - происходит полное самосогласование волновых характеристик полей: к = к0\ где к0'= к0sin öi или с = с0 sin Gj.

17. Совпадают свободные волны, распространяющиеся в пластине со скоростью с и звуковые волны, распространяющиеся вдоль поверхностиздесь имеет место так называемый пространственно-частотный резонанс 177.

18. Случай соответствующий условию (2.16), когда М = 1, iV = 1, а=а0 называют полным пространственным резонансом (ППР).

19. В условиях полных пространственных резонансов отклик пластины2.19)т 0)р где Атп = 1.

20. В диапазоне частот f > f m п условие (2.16) выполняется на каждой частоте, отвечающей условию (2.13), которое можно представить в виде:

21. Из этой формулы определяется граничный ППР с наибольшим углом7Гпадения (0j<—).

22. Для условия (2.17а) выражение амплитуды колебаний будет иметьвид:1. Р А- отщ тпоотщ ,2 ' (2.21)т согде Ащпо = 2 2 Si*1 по7Г . к п -п0

23. Для частот, на которых выполняется условие (2.176),1. PomtfAn5

24. Из выражений (2.21), (2.22) видно, что отклик ограждения будет13 5 13 5максимальным, когда т =т0, щ , , . или п0 = п, т0= , , ,., т.е.2 2 2 2 2 21. М=1; #=2«, 2п,2п 3 51. N=1; М=2т, ,. (2.23)

25. Данный случай называется неполным пространственным резонансом (НИР), когда скорости следов свободной и звуковой волн по одной стороне пластины равны между собой, а по другой находятся в соотношении, при котором отклик пластины наибольший.

26. Это случай простого пространственного резонанса (ПрПР); здесь нет равенства скоростей следов волн по сторонам пластины звуковых и свободных волн. Граничный ПрПР равен:г со \т и 26)rm0n° InSin2в.т0п0(MlSin2а0 + N20Cos2a0) V d '

27. Характеристикой звукоизоляции является коэффициент прохождения (проницаемости) звука т, связанный с ЗИ соотношением3M=10lg~. (2.27)т

28. Под звукоизоляцией понимают свойство ограждения задерживать часть энергии падающих на нее волн, определяемое как отношение мощностей волн, падающих на ограждение, Wj и волн, прошедших через него, W2:3H=10lg(2.28)2

29. Звуковую мощность волн, излучаемых звукоизолирующей пластиной, на каждом резонансе можно определить как:d1—аЬ. (2.29) 2 CosOx Cos0lc

30. Излучаемая мощность зависит от углов падения и излучения, от степени самосогласования волновых полей и коэффициента потерь.

31. Мощность инерционных волн с учетом формулы (2.7) равна:w = А>со о0т0п0 Аги аЬ8 Cos0x Cos02u v 7

32. А2 у Л2 > А2 х А2 А2 у А2 > А2 * А21тл ^-"-гтп ~ Л1ти0 Л Л2тл0> л\тп л л2тп — л1т0л0 лл2т0л0'

33. Отсюда можно сделать вывод, что решающий вклад в прохождение звука принадлежит полным пространственным резонансам, область частот V называется областью ППР.

34. Для определения полного прохождения звука необходимо учитывать энергию движения инерционных волн. Выражение коэффициента прохождения с учетом зависимости (2.30) имеет вид:т — . . . 1-. (2.32)1. Ая т / Созв.Сой ви , 7--—-!-- + 1

Похожие работы

Транспортное, горное и строительное машиностроение
05.05.00