автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Звукопоглощающие конструкции на основе тонких полимерных пленок

ГОССТРОИ Р»

НАУЧНО-ИСОШОВАТЕЛЬСКШ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ - И И И С Ф ••

На правах рукописи

534.833.53:624.011.78:539.216

Хоропюв Алексей Алексеевич

ЗВУКОГОГЖЩОДИЕ КОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК

Специальность.05.23.О1 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стэпени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте стр ительной физики Госстроя РФ.

Научшй руководитель - доктор технических наук, профеосо; . Борисов Л.А."

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Лагунов Л.Ф. - кандидат технических наук Щиркецкий Х.А.

Ведущая организация - А/0 "Кубаньагрощюмпроект"

(г. Краснодар)

Защита состоится " 1993 г. в чао.

заседании специализированного совета Д.033.10.01 при Научн исоледовательском институте строительной физики Госстроя РФ п адресу: 127238, Москва, Локомотивный проезд, 21, НШОФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инотитута.

Автореферат разослан "/'а " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор •

" 3 "

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Прзизводствошшй ум ив соврошшшх предприятиях являотся одним из факторов, синящих производительность труда и пншжяицих профоссионпльнио аболовшгая у работящих.

В ИПСТОЯЩОО время зпукопоглощпплио конструкции, используо-но для регулирования шумового ршшмп в одшшях, долятся на три сновннх типа И1: плоские акустический облииопки, обт.шинв ШТУЧ1Ш0) поглотители звука и эломонтн кулисного типп. Пришило-но трэдициошше иористо-юлокшстни япукоиогловдщне материпли, Злицовшшо заштннм слоем, как правило, из стеклоткани гигро-К0Ш!Ч1Ш, обладают повншшшой адгезией к производственной пили, эгут выделять вродшо для здоровья частшм минерального волока. Вместе с том расширяется область промышленности, гло иролъ-зляются повишошшэ требования к чистого воздушной среди-. (ттп-зя, микробиологическая, рчдиоплоктршнпя, химическая и др.); п да производств наблюдается выделение шли (текстильная, тябач-зя ггромнгалешгость и др.).

В связи с этим все больше применение находят явукопоглоща-дао конструкгии, в котормх вместо зенитной оболочки из стекло-сани применена воздухонепроницаемая полимерная клочка (или мв~ ¡лличоская фольга). К их достоинствам относятся пнсокая гигие-[чность, долговечность, химическая стойкость, декоративность, шокность приспособления к интерьеру помещения. Перспективными Ш1ЮТСЯ ЗВУКО!ЮГЛГ>ТИТ"ЛИ, СОДерКЯЩИО НАСТОЛЬКО слоов профилиро-«ной пленки, пг5.чаппр»ино расширенна час итним спектром апуко->ГЛОЩП''ИЯ. Вотшм качеством гданочни* ЗВУКОЧОГЛОТИТОЛПЙ япллот-I пормоянпсть их "нпггрпйки" па конкретный спектр шума путем

подбора их физико-механических и геометрических параметров.

Однако в настоящее время отсутствует достаточно простой ме тод расчета акустической эффективности пленочных звукопоглощак щих конструкций, пригодный для инженерных целей. Следователь!«: затруднено проектирование звукопоглотителей, соответствующих зе данному спектру шума.

Цель и основные задачи работы

Целью настоящей работы является разработка оперативного ме тода расчета параметров многослойных пленочных звукопоглотителе и практических рекомендаций по их проектированию.

Для достижения этой цели было необходимо решить следуют? задачи:

1. Исследовать поглощение звука профилированными пленочным конструкциями при различном количестве слоев пленки.

2. Исследовать механические характеристики полимерной плен ки.

3. Провести теоратическе и экспериментальные исследовали поглощения звука тонкими полимерными пленками:

а) исследовать поглощение звука многослойной пленочнс облицовкой с воздушным промежутком;:

б) исследовать влияние физико-механических и геометр ческих параметров пленки на величину импеданса и КЗЕ

4. Разработать инженерный метод расчета импеданса и КЗ пленочной конструкции.

5. Составить рекомендации по проектированию пленочных зву копоглотителэй.

Методы исследований. В работе примонялио теоретические и экспериментальные методы исследований.

Измерения частотных характеристик импеданса и КЗП пленочных ¡лицовок проводились в реверберацпонной камере и в акустическом 1тор5ерометре.

Разработанный графо-виалитический метод проверялся нутом доставления результатов расчета о данными эксперимента при со-'вотствувдей математической обработке.

Научная новизна работы.

Получены аналитические формулы для расчета импеданса огоолойннх планочных конструкций;

получены аналитические зависимости частотных характеристик педанса и коэффициента звукопоглощения пленочных материалов от физико-механических и геометрических параметров;

разработан метод расчета коэффициента звукопоглощения послойных пленочных конструкций в зависимости от конкретного ектра шума.

Практическая ценность работы.

Разработан оперативный метод расчета акустической иЭДектив-зти строительных конструкций, содержащих в качестве звукопо-этителя один иж несколько слоев тонкой полимерной пленки.

Внедрение результатов работы.

Разработанный оперативный метод расчета акустической э№к-зности пленочных звукопоглогителей успешно применялся в лабо-гории НИИСФ.

Материалы по данному методу после рассмотрения и апробации точены в проект попой редакции главы СНиП "Защита от шума и готическое благоустройство. Нормы проектирования".

Апробацчя результатов работы.

Мя"ориалн лиосрртпщш локлпднвались и обсуждались на науч-

нш семинарах и заседаниях секции института строительной физики Госстроя СССР (1989 - 1991 г:г.).

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в четырех печатных трудах автора.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 217 страницах и включает 89 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 16 таблиц, 86 страниц приложений. Список использованных источников содержит 83 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении показана актуальность исследований по разработке оперативного метода расчета акустической эффективности пленочных звуконоглотителей, определена цели исследований и перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор теоретических и экспериментальных работ, посещенных особенностям поглощения звука пленочными конструкциями, и сформулированы основные цели и задачи исследований, выполняемых автором диссертации.

Показано, что на сегодняшний день применение традиционных поргстых и волокнистых материалов сдерживается в ряде отраслей щюмышленности ввиду их гигроскопичности, адгезии к пыли, выделением вредных для здоровья частиц. Указанных недостатков лишены звукопоглощающие конструкции, в которых в качество вношуго (защитного) слоя использована воздухонепроницаемая полимерная плойка или металлическая фольги. Такими конструкциями могут бить

плоские акустические облицовки, обьемто элемента (клиновые, звукопоглогатели, дельта-поглогитолл), кулисггае элемент«.

Благодаря диссипации энергии при иэгибннх колебаниях под действием звуковой волга полимерная плойка обладаот свойством поглощать звук. Исследованиями, лроводбшши Ф.Мехелем и Н.Киао-веттером установлено, что для повшшэшго показателя затухания плети последняя долина бить разделена ребрам жесткости на чашеобразные ячейки так, чтобы длина кзгибкой полни уменьшилась к стала менее длины -следа падащой звуковой волны.

Д.Яблонка, и У.Клаус предложили двухслойную сотовую конструкцию, в которой образованные пленкой чашеобразные углубления по верхнему крап перекрыты плоской пленкой. Нижняя поверхность углублений содержит одну или несколько выемок с размерами, ана-чительно меньшими, чем у первых, что расширяет частотный диапазон ЗВукОПОГЛОЩеНИЯ.

Для опрэделеггая резонансных частот к имгедаися профклирз-ванной плешей ф.Модель и Н.Кизеветтар использовали шгорготичро-кий метод. Пленка в пределах ячейки была представлена в виде пластинки, смещение точек которой есть суперпозиция бесконечного числа колебательных фэрм (мод). При этом потенциальная и кинетическая энергии отдельной колебательной мод» ячейки были выражены через коэффициенты А и В , экспериментально опроде-

Blf) шп

ленные Р.Фордом и М.Кгс-Кормиком.

Во второй главе проведены теоретические исследования звукопоглощошя профилированных пленок с целью разработки графо-аналитичоского метода расчета акустической эффективности многослойных пленочных звукопоглотителуй.

Акустическая эффективность звугопоглсэдпгих конструкций

определяется коэффициентом звукопоглощения а, зависящим от ком плексного импеданса поверхности ъ = И. + ЗУ.

Вклад в импеданс многослойных пленочных звукопоглотителе: вносят отдельные слои пленки и воздушные прослойки мезвду ними Основную трудность при расчете импеданса I слоя профилировано: пленки по существующим аналитическим формулам (1) - (3) пред ставляег вычисление сумм бесконечных рядов, члены которых соот ветствуют ишвдансам Ъ отдельных колебательных мод ячейки.

пп

1

1

(1

£ Ъ

Ш) п шп

„ шп* Б га п ^ Г ш 1"

гш = -+ ГП-Л-г— —г + п (2

0 б4Рс 4 * 64Р<№а I геа J

2Н Яп—:— + ГЧ-Я

0 256РС Ь8аРс

_ 4 Vя

геа

а

+ 4Цг>(24иг>)

(3

где ш. п - нечетные номера колебательных мод; ш0 - поверхностная масса пленки, кг/м2; • Б - цилиндрическая жесткость пленки, Нм; Б - площадь ячейки, ма; "Л - коэффициент потерь пленки; ае - отношение длин сторон ячейки; Р - плотность воздуха, кг/мэ: с - скорость звука в воздухе, м/с; ш - циклическая частота, с"1; И = X (0,5 + щ); V = тс (о,5 + п).

Индексы »и * соответствуют двум крайним случаям закрепле ния пленки то контуру: шарнирное закрепление и жесткое задемле ние.

Установлено, что для получения результата о точностью до 2 - К % (на высоких частотах) необходимо вычислить и просуммировать нечетные члены ряда о номерами га и п от 1 до 25, что требует значительных затрат машинного'времени.

Поэтому с учетом результатов проведенных исследований: суммирование по га, п заменено введением неизвестных коэффициентов А и В, которые являются функциями частоты, физико-механических параметров, условий закрепления пленки и определяются на основании серии расчетов. Окончательно расчетные формулы выглядят следую-ним образом:

Для определения коэИипдаонтов А, В проведены исследования ш ЭВМ влияния физико-механических параметров пленки (щшшдри-юскйя жесткость 0, поверхностная масса ш , коэффициент потерь

[лин сторон зе и расстояние от жесткой поверхности 1) на импеданс \ и коэффициент звукопоглощения а. С этой целью составлена про-рамма, реализующая расчет импеданса пленки по формулам (1)-(3) ри двух крайних типах граничных условий (шарнирное опирание и :есткое защемление).

Выяснено, что изменение Б, т , Б, * вызывает смещение чос-отных характеристик составляющих импеданса вдоль оси частот, в о время как варьирование 1) только изменяет форму кривых актового и реактивного импеданса.

В нормируемом частотном диапазоне реактивный шподанс У

РсГБа

Б '

= лж п--г

г»

2И 3 АИ ^ _

ж

РсГБ3

)) и ее геометрических размеров (площадь ячейки- Б, отношение

пропорционален поверхностной массе пленки и практически не зависит цилиндрической жесткости, что говорит об инерционном характере импеданса.

При неквадратной форме ячейки (а * Ь) на частотной характеристике импеданса появляются дополнительные резонаиси, улучшающие звукопоглощение пленочной облицовки.

Проведенные исследования позволили построить номограммы для определения коэ<1фициентов А и В (рис. 1). Для использованиея указанных номограмм необходимо по формуле (6) вычислить приведенную частоту I , зависящую от Ъ, га0, "Л, 3 и зе

где Г - текущая частота, Гц.

По значению ^находятся А, В (см. рис.1) и по формулам (4) и (5) рассчитываетоя импеданс олоя пленки.

Как показали исследования, импедано 1 - Я + Я акустической облицовки, состоящей из нескольких слоев пленки, можно вычислять по следующим рекуррентным выражениям:

(6)

в^ (ивМа,)

V V——;-5'

(В,) + от,.,- «в(к1,))

V, (««да.) -*;.,] -

Т^ Т1+ 01в(И|) -/ -1-— , (8)

' «,.»> + С1в(к1,)]

н,- Й.+

а

У4+ С^(1с14)

(8)

t I

где Н^ У1 - активная и реактивная составляющие суммарного импеданса Ъ облицовки, соотоящей из 1 слоев пленки; - активная и реактивная составляющие импеданса'г отдельно взятого 1-го слоя в свободном пространство;

«) ■

100

125

Частота, Гц

160

Частота, Гц

Рис. 1. Номогранш для графо-аналитическог; расчета иипедаяса шдаи

а) коэффициент А; б) хоэ^яцпевт В; 1 - г) = 0,2; 2 - 0,1; 3 - тр 0,05; 4 - т, * 0,025

1( - расстояние между 1-м и 1-1-ы слоями, и; ы

к в -- волновое число, м-1.

с

Формулы (7) и (8) получены на основании метода электромеханических аналогий.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям звукопоглощения тонких полимерных пленок с целью проверки справедливости теоретических выводов, сделанных в главе 2.

Влияние изменения параметров профилированной пленки на ее акустические характеристики определялось путем измерения нормального импеданса пленки в акустическом интерферометре по стандартной методике.

Для исследований были взяты образцы, изготовленные в заводских условиях и имеющие различные физико-механические параметры и геометрические размеры. В процессе експеримента изменялось количество слоев пленки, раоотояние мэад ними и величина огнооа от жесткой поверхности.

Установлено, что профилированная пленка, располокеная на относе от кесткой поверхности, обладает локальной реакцией и ее импеданс не зависит от угла падения звуковой волны и равен нормальному импедансу.

Анализ результатов большого количества экспериментальны] измерений импеданса тонкой полимерной пленки позволил установит! что:

- профилированная в виде прямоугольных ячеек пленка является резонансным поглотителем звука, ширина полосы эффективное поглощения (а > 0,5) составляет 1-1,5 октавы;

- увеличение толщины пленки в два раза вызывает смещен» частотной характеристики реактивного импеданса и максимума КЗ!

па одну октаву в сторону низких частот.

- Увеличение относа пленки от кэоткой поверхности смещает частотную характеристику упругого зшпеданса воздушной прослойки в сторону низких частот и снижает частоту максимума КЗП.

Для каждого исследуемого образца пленки произведен расчет импеданса и коэффициента звукопоглощения с применением разработанного графо-аналитического метода при двух крайних типах граничных условий - шарнирном опиранш и жестком защемлении. Сред-неквадратическиэ отклонения расчетных значений от экспериментальных двнншс приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Граничные условия Среднеквадратическая погрешность, %

- И У а

1. Шарнирное закрепление . 11 8 11

2. Жесткое защемление 15 9 12

Таким образом установлено, что расчетная схема профилированной пленки, в которой принято шарнирное закрепление по контуру ячейки, точнее согласуется о данными эксперимента.

Акустическая эффективность многослойных облицовок при различном количестве слоев пленки исследовалась путем измерения коэффициента звукопоглощения образца в ревэрберационной камере. На рис. 2 совместно показаны экспериментальные и расчетные' частотные характеристики коэффициента звукопоглощения пленочной облицовки.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следувдие выводы:

и -

Частота, Гц

Частота, Г]

Рис.

2. Сравнение расчетных и оксперякепталышх частотшл хор&ктеристго: коэффициента эн/хологлощсгаш шепки а) один слой; б) два слоя; и) три слон; г) четыре слоя;

---расчет; * - оксиершепт

- частотное положение характерных точек на кривых, рассчитанных графо-аналитическим методом, совпадает с соответствующими точками (максимумами и минимумами) экспериментальных кривых с точностью до 1/2 октавы;

- среднеквадратические отклонения соответствующих значений коэффициента звукопоглощения составляют (10 - 13) %.

В работе приведена методика экспериментального определения

коБфХнщиента потерь тонкой полимерной пленки путем измерения времени затухания ее собственных колебаний. При этом в отличие от стандартного метода, при котором пленка наклеивается на металлическую пластину, датчик виОроускорония устанавливался непосредственно на пленочную конструкцию, находящуюся в проектном положении.

Приведены уточненные значения коэффициента потерь поливи-нилхлоридной пленки.

В четвертой главе содержатся исследования аустической эффективности пленочных звукопоглощающих конструкций в помещениях о различными спектрами шума и разработка практических рекомендаций по расчету и' проектированию различных типов звукопоглотителей на основе полимерных пленок.

Для обеспечения наиболее эффективных и економичнш решений звукопоглощающих устройств их акустические характеристики должны соответствовать значениям требуемого снижения уровней звукового давления по октавным полосам частот, то есть наибольшим значениям превышений уровней звукового давления должны соответствовать максимальные значения КЗП (или эквивалентной площади звукопоглощения А) поглотителя.

Таким образом, акустический расчет пленочных звукопоглощающих конструкций следует вести в такой последовательности:

1) определение требуемого снижения уровней звукового давления;

2) определение требуемой дополнительной площади звукопоглощения;

3) определение необходимой частотной характеристики коэффициента звукопоглощения а (исходя из площади огравдаидих конст-

рукций);

4) подбор количества слоев и параметров каждого слоя с целью получения акустической облицовки с частотной характеристикой а, максимально приближенной к требуемой. •

■Составлена программа для персональной ЭВМ, реализующая расчет акустической эффективности многослойных пленочных облицовок.

На основании проведенных исследований определены ориентировочные значения параметров пленочных многослойных облицовок, предназначенных для снижения шума с низкочастотным, высокочастотным и тональным спектром (табл. 2-4).

Таблица 2

Низкочастотный спектр

№ № слоев Толщина Ь, 1СГЭ и Поверхностная масса ш0, кг/м3 Площадь ячейки Б, 10-а ма Расстояния между слоя дл, м

1 од 1,0 0,23 0,25

2 0,5 0,т 0,23 0,2

3 0,35 0,5 0,64 0,15

Таблица 3 - "

Высокочастотный спектр

№ (Р слоев Толщина 11, 10"3 м Поверхностная масса ш0, кг/ма Площадь ячейки 5, Ю"а м3 Расстояния между слоями, м

1 0,18 0,25 0,64 0,08

2 0,14 0,2 0,64 0,02

3 0,07 0,1 0,64 0,01

Таблица 4.

Тональный спектр (максимум на частоте 1000 Гц)

Р № Толщина 11, Поверхностная Площадь ячейки Расстояния

слоев мевду слоя

10"3 м масса ш0, кг/ма Б. 10"а ма ми, м

1 0,7 0,1 0.64 0,05

2 0,7 0,1 0,64 1 0,02

Эти значения используются для предварительного выбора типа и конструкции пленочных звукопоглотителей. Более точное определение их параметров в зависимости от конкретного спектра шума следует проводить раочетом да персональной ЭВМ по программе, исходный текст которой приведен в работе.

Даны рекомендации по выбору материалов для изготовления профилированных акустических пленок, обеспечению их эксплуатационных качеотв (пожарная безопасность, долговечность, декоратиь ность).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что применение тонких полимерных пленок в составе звукопоглощающих конструкций имеет ряд.технологических и эксплуатационных преимуществ перед традиционными пористыми и волокнистыми материалами: воздухонепроницаемость, гидрофобность, простота очистки, малый вас, оввтопрозрачность.

2. Получена формула для расчета импеданса звукопоглощающей облицовки,- состоящей из нескольких олоев профилированной поли-мерюй пленки по известным значениям импеданса каждого слоя ъ

свободном пространства. Для этого использован метод электромеханических аналогий.

3. Исследовано влияние физико-механических и геометрических параметров полимерной плешей на частотные характеристики ее импеданса и ковфЕшшента звукопоглощения:

а) изменение цилиндрической жесткости,.поверхностной массы, площади ячейки и отношения длин сторон ячейки оказывает влияние на положение частотной характеристики импеданса относительно оси абсцисс и не изменяет ее форму;

б) варьирование коэффициента потерь изменяет форму частотной характеристики импеданса;

в) частотная характеристика реактивного импеданса пленки представляет собой линейную зависимость от частоты (за исключением отдельных отклонений на резонансных частотах). Коэффициент пропорциональности определяется поверхностной массой и ие зависит от цилиндрической жесткости (инерционный характер импеданса);

г) при переходе от квадратной формы ячейки к прямоугольной (а 1 Ь) появляются дополнительные резонвнсы, расширяющие частотную характеристику КЗП пленочной облицовки.

5. Получены выражения и построены номограммы для расчета импеданса профилированной пленки.

а) рассчитаны усредненные коэффициенты, позволяющие избежать суммирования кшеданеов отдельных колебательных мод ячейки;

б) составлена программа для персональной ЭВМ, предназначенная для оперативных расчетов гошеданса и КЗП пленочных облицовок с различным количеством слоев.

6. Проведенные экспериментальные исследования акустических

характеристик различит видов иолиыврюй плешш в интерферометр» и в реверберациошюй камере показали, что значения импеданса и коэффициента звукопоглощения плешей, рассчитанные гргнГи аналитическим методом, отличаются от экспериментальных данных im более чем на (10 - 13) %.

7. Исследованиями подтверждаю, что частотную характерно'»! ку коэффициента звукопоглощения профилированной пленки можно \\ь страивать в пределах нормируемого диапазона частот, изменяя ijw зико-мехшшческие и геометрические параметры пленки и количеотьо эо слоев.

8. Исследована акустическая эффективность и рассчитаны ори энтировочные значения параметров пленочных звукопоглощающих нон зтрукций, предназначенных для снижения шума в помещениях о рай гачнши типами спектра.

9. Экспериментально уточнены значения коэффициента потир), голимерных пленок.

Основное содержание диссертации изложено в следующих пулли сациях:

. Борисов Л.А., Чудииов Ю.М., Хорошев A.A. Акустические характеристики многослойных звукопоглотителой на основе полимерных пленок; Тезисы докладов. Международная конференция по борьбе о шумом и вибрацией NOISE - 93. Санкт-Петербург, 1993. . Хорошев A.A. Графо-аналигический расчет импеданса нрофмлщю-ванной пленки/ Тезисы докладов. Международная конференция по борьбе с шумом и вибрацией NOISE - 93. Санкт-Петербург, IV/3. . Хорошев A.A. Расчет пленочных звукопоглотителой для еннлтшя уровней шума в зданиях. - П., 1993. Рук. деп. во ЫШ1ПШ

15.03.93. Р 11332. 4. Горин В.А., Клшдухов О.Н., Хорошев A.A. Снижение шума в ткацких цехах кулисными звукопоглощающими конструкциями. -"Текстильная промышленность", 1987, № 11, о., 57.