4821
.pdfНа правах рукописи
ЖДАНОВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ
ОЦЕНКА ШУМОВОГО РЕЖИМА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШУМОЗАЩИТЫ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ С УЧЕТОМ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОТРАЖЕННОЙ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ
05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2007
Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом универ ситете.
Научный руководитель: |
доктор технических наук |
|
Леденев В.И. |
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Борисов Л.А.
кандидат технических наук, профессор Герасимов А.И.
Ведущая организация: |
ОАО ПИ «Тамбовгражданпроект», |
|
г.Тамбов |
Защита состоится « 30 » мая 2007 г. в 11 часов на заседании диссертаци онного совета Д 007.001.01 при Научно-исследовательском институте строи тельной физики по адресу: 127238, г.Москва, Локомотивный проезд, д.21, све тотехнический корпус, к.205. Телефон: (495)482-40-76, факс: (495)482-40-60.
С диссертацией можно ознакомиться в научном фонде НИИСФ.
Автореферат разослан «19 » апреля 2007 г. |
|
Ученый секретарь |
|
диссертационного совета |
|
чл.-корр. РААСН, д.т.н., проф. |
В.К. Савин |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. На промышленных предприятиях одним из основных факторов, ухудшающих условия труда и влияющих на здоровье рабочих, является шум. Улучшение шумовой обстановки в производственных зданиях на стадиях их проектирования, реконструкции и эксплуатации явля ется важной социально-экономической задачей, решение которой требует значительных затрат, и в частности, на разработку и устройство мероприятий по снижению шума. В настоящее время разработаны различные методы снижения шума в производственных зданиях. Как показывает опыт, эффектив ность их применения зависит от степени точности оценки шумового режима в помещениях с шумным оборудованием до и после проведения шумозащитных мероприятий. Повышение точности расчетов энергетических параметров шу ма возможно при наличии методов его оценки, объективно учитывающих ус ловия распространения звуковой энергии в воздушном пространстве произ водственных помещений. Уровни шума в помещениях определяются суммар ной величиной энергии прямой и отраженной составляющих звука. Расчёты прямой энергии в большинстве случаев не представляют сложностей. Отра женная звуковая энергия формируется под воздействием большого количества факторов, от степени достоверности учета которых зависит точность полу чаемых расчётных данных, и в конечном итоге надежность прогнозирования эффективности предлагаемых мер снижения шума. Применяемые в настоящее время в практике расчетные методы в неполной мере учитывают закономер ности формирования и распространения отраженной звуковой энергии. В этой связи выполненные в работе исследования закономерностей распространения отраженной энергии в помещениях производственных зданий и использова ние их результатов в расчетных методах по оценке шумового режима и эф фективности строительно-акустических мероприятий является актуальной научной задачей, имеющей практическое значение.
Целью диссертационной работы является совершенствование методов оценки шумового режима и эффективности шумозащиты в производственных зданиях на основе исследований закономерностей формирования и распро странения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях.
Основные задачи исследований:
~ произвести выбор и дать оценку точности расчетных методов, обес печивающих возможность исследования закономерностей формирования и распространения отраженной звуковой энергии в условиях производственных помещений;
-разработать методику использования численного энергетического ме тода для оценки распределения отраженного шума в помещениях;
-выполнить исследования влияния объемно-планировочных и акустических параметров производственных помещений на распространение в них отражённой звуковой энергии и оценить зависимость эффективности звукопоглощения от мест размещения и площади облицовок;
1
-разработать инженерный метол оценки шумового режима и эффективности звукопоглощения, учитывающий закономерности распространения отраженной звуковой энергии в производственных помещениях с различными объёмно-планировочными и акустическими параметрами.
-разработать методику инженерной опенки звуковой мощности техно логического оборудования в условиях производственных помещений по ре зультатам натурных измерений и теоретических расчётов методами, учиты вающими закономерности распределения отражённой энергии;
-разработать на основе методов расчета, обеспечивающих объектив ную оценку распространения отраженной энергии, методику, алгоритмы и программу для автоматизации исследований шумового режима и проектиро вания шумозащиты в производственных зданиях
Методы исследования. В работе использовались теоретические и экспе риментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием статистических энергетических методов расчёта шумовых полей помещений и метода прослеживания лучей. При сравнительном анализе использовались также методы диффузного поля и мнимых источников. Все расчёты произведены на ЭВМ по специально разработанным программам. Экспериментальные исследования выполнены с использованием прецизион ной электроакустической аппаратуры.
Научная новизна работы.
-получены новые данные о влиянии объемно-планировочных и аку стических параметров производственных помещений на формирование и рас пространение в них отраженной звуковой энергии;
-разработана методика использования численного статистического энергетического метода для оценки закономерностей распределения отражен ного шума в помещениях в зависимости oт места размещения и величины звукопоглощения;
-получены новые данные о зависимости акустической эффективности звукопоглощающих облицовок от мест их расположения в помещениях с раз личными объемно-планировочными параметрами;
-разработан инженерный метод для оценки шумовою режима и эф фективности звукопоглощения, учитывающий закономерности распростране ния отраженной звуковой энергии в производственных помещениях с различ ными объемно-планировочными параметрами;
-разработана методика для оперативной оценки звуковой мощности работающего в цехах шумного оборудования
Достоверность теоретических результатов подтверждена на основе сравнительного анализа расчётных и экспериментальных данных, полученных
впомещениях с различными объёмно-планировочными и акустическими па раметрами.
Практическая значимость работы. Данные о влиянии мест размеще ния звукопоглощающих облицовок потолков на их акустическую эффектив-
2
ность и рекомендации по определению рациональных с точки зрения сниже ния шума размеров облицовок дают практическую возможность для их более эффективного использования с учетом реального расположения источников шума и рабочих мест.
Предложенный инженерный метод оценки шумового режима и эффек тивности звукопоглощения даёт возможность при минимальных затратах вре мени производить оперативный анализ изменений шумового режима в поме щениях при внесении в них дополнительного звукопоглощения.
Предложенная методика оценки звуковой мощности работающего в по мещении оборудования по экспериментальным данным при выполнении рас чётов с учётом закономерностей распределения отражённой энергии обеспе чивает возможность получения в производственных условиях шумовых ха рактеристик оборудования и, соответственно, выбора более целенаправлен ных мер шумозащиты, в том числе и в источнике шума.
Разработанная программа позволяет производить многовариантное про ектирование шумозащитных мероприятий с учетом реальных объемнопланировочных и конструктивных решений зданий и условий формирования в производственных помещениях отраженных шумовых полей.
Реализация результатов работы. Исследования выполнены в рамках программы научной темы ТГТУ №5г/99 «Разработка теоретических основ и методов расчёта элементов зданий и сооружений на силовые, температурные, влажностные и акустические воздействия», а также в соответствии с творче ским договором между ТГТУ и Белостокским политехническим институтом Польши (2001-2005гг.). Разработанная расчетная программа и методика оцен ки звуковой мощности оборудования переданы для использования в НИИСФ РААСН. Программа используется в Научно-техническом центре по строи тельству и архитектуре ТГТУ при разработке проектов реконструкции и капи тального ремонта зданий, а также в учебном процессе ТГТУ по дисциплинам «Строительная физика» и «Архитектурная физика» (специальности 270102, 270301).
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, представ лялись и обсуждались на научно-технических конференциях ТГТУ (г.Тамбов 2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг.); XV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г.Тамбов, 2002); XXXII Всероссийской научно-технической конференции вузов (г.Пенза, 2003г.); ме ждународной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г.Тамбов, 2004г.); международном научно-техническом семинаре «Защита от шума и акустическое благоустройство зданий и населённых пунктов» (г.Севастополь, 2003г.); международном научно-техническом семинаре «Обеспечение защиты от вредных и опасных физических факторов среды обитания человека в зда ниях и на территории застройки» (г.Севастополь, 2004г.); международном научно-техническом семинаре «Экология, акустика и защита от шума» (г.Севастополь. 2005г.); международной технической конференции «Совре-
3
меньше проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений» (г.Вологда. 2003г.); XI. XIII. XIV сессиях Российского акустического общест ва (г.Москва, 2001. 2003гг.. Нижний Новгород. 2004г.), научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» (г.Москва. НИИСФ, 2006г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи (в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК) и 6 тезисов докладов.
На защиту выносятся.
-инженерный метод оценки шумового режима и эффективности звуко поглощения в производственных помещениях, разработанный с учетом зако номерностей распространения отражённой звуковой энергии;
-методика использования численного энергетического метода для оценки закономерностей распределения отраженного шума;
-результаты исследования влияния на акустическую эффективность звукопоглощения мест размещения и размеров звукопоглощающих облицо вок, полученных с учётом закономерностей распределения отражённой энер гии в помещениях;
-методика оценки звуковой мощности работающего в цехах шумного оборудования по результатам натурных измерений и расчётов шума метода ми, учитывающими закономерности распределения отражённой звуковой энергии в реальных производственных помещениях;
-программа по оценке шумового режима и акустической эффективно сти снижения шума строительно-акустическими методами.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 140 наименований и приложе ний. Общий объём работы 179 страниц. Основной текст работы, включая 51 рисунок и 3 таблицы, изложен на 153 страницах, объём приложений - 26 страницы.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы
цель и задачи, указаны новизна и практическая значимость работы.
Впервой главе выполнен анализ факторов, влияющих па энергетические параметры отражённых звуковых нолей, произведена оценка методов расчёта
спозиций их соответствия условиям формирования отражённых шумовых полей и определены направления исследований.
Внастоящее время на основе работ Борисова Л.А.. Гусева В.П., Заборо-
ва В.И., Иванова Н.И.. Клюкина И.А., Ковригина С.Д., Осипова Г.Л., Седо ва М.С., Шубина И.Л.. Юдина Е.Я. и др. в России разработаны и внедряются в производство эффективные методы и средства борьбы с шумом. К ним отно сятся методы снижения шума в источнике и ближней его зоне, технологоорганизационные, архитектурно-планировочные и строительно-акустические методы. Снижение шума в этих случаях достигается за счет уменьшения пря мой или отраженной составляющей или за счет их одновременного уменьше ния. Выбор эффективного способа зависит от наличия сведений о величине
4
отраженной составляющей шума и о ее соотношении с величиной прямого звука. Показано, что это соотношение зависит от звукопоглощения помеще ния, и может регулироваться за счет размещения в нем звукопоглощающих конструкций. В этой связи звукопоглощение, как способ снижения шума, мо жет использоваться не только отдельно, но и применяться совместно со всеми другими способами, расширяя границы их использования.
Достоверность оценки отраженной звуковой энергии и, соответственно, эффективности средств шумоглушения определяется достоверностью учета в расчетном методе условий распределения отраженной энергии. Распределение зависит от характера отражения звука от поверхностей, объемнопланировочных параметров помещений, звукопоглощающих свойств ограж дений, рассеяния звука на оборудовании. Показано, что учет в расчетном ме тоде реальных условий формирования шума дает возможность производить на стадии эксплуатации оценку звуковой мощности оборудования, используя измеренные уровни шума в зоне помещения, где преобладает отраженная со ставляющая звуковой энергии.
С позиций учета условий формирования отраженного звукового поля проанализированы современные методы расчета шумовых полей. Установле но, что методы волновой теории акустики из-за сложности математического аппарата и невозможности задания в расчетной модели реальных граничных условий используются в низкочастотном диапазоне в помещениях малого объема. Применение геометрических методов, использующих 'зеркальный характер отражения звука от поверхностей, из-за несоответствия принятой модели отражения реальным условиям, а также из-за наличия факторов, иска жающих решетки мнимых источников, ограничено и приводит к большим погрешностям. Методы, основанные на принципах прослеживания звуковых лучей, дают более приемлемые результаты, однако они трудоемки по подго товке исходных данных и времени расчетов. Применение их ограничено ис следовательскими целями. Методы статистической теории, основанные на представлениях о диффузном отраженном звуковом поле, дают большие по грешности, связанные с необеспечением условия диффузности по однородно сти отраженного поля в производственных помещениях. В настоящее время нет достаточно надежной оценки границ применения и точности диффузного метола. Учитывая наличие в отраженных звуковых полях помещений резуль тирующих потоков отраженной энергии при сохранении признака диффузно сти поля по изотропности элементарных звуковых лучей, при оценке шума используются статистические энергетические методы. Эти методы более объ ективно учитывают условия формирования отраженных полей в производст венных помещениях. Показано, что среди таких методов наиболее приемле мыми по учету условий являются метод разделения переменных и численный метод.
В целом в главе показано, что для оценки границ применения рассмот ренных методов и возможности использования их при анализе влияния звуко поглощения на распределение и снижение отраженной энергии в производст-
5
венных помещениях необходима экспериментальная проверка методов в ус ловиях реальных помещений. Полученные в главе результаты определили основные направления исследований и задачи работы.
Во второй главе произведена экспериментальная оценка рассмотренных методов расчета с позиций учета в них реального характера отражения звука, объемно-планировочных и акустических параметров помещении. При прове дении исследований поставлены и решены две задачи:
установлена степень достоверности описания распределения отра женной звуковой энергии различными методами в помещениях с разными планировочными параметрами при отсутствии и наличии дополнительного звукопоглощения на ограждениях;
- оценена возможность использования численного энергетического ме тода для исследования влияния места расположения и размеров звукопогло щающих облицовок на распределение отраженной звуковой энергии.
Исследования производились в соразмерных, длинных и плоских поме щениях при наличии и отсутствии в них звукопоглощающих облицовок. Во всех случаях шумовое поле создавалось точечным источником шума. Всего рассмотрено 54 варианта измерений. Результаты измерений и расчетов для характерных помещений приведены в приложении работы. Выделение отра женного шума производилось путем вычисления из измеренных уровней вклада прямого звука на участках, где суммарные уровни превышали прямой звук на 3 дБ и более. Для выполнения сравнительного анализа произведена разработка трех компьютерных программ, обеспечивающих определение уровней отраженной энергии: методом мнимых источников, диффузного по ля, разделения переменных; методом прослеживания лучей; численным мето дом энергетических балансов.
Анализ расчетных и экспериментальных данных показал, что наиболее объективно условия формирования отраженных полей в производственных помещениях учитывают статистические энергетические методы: метод разде ления переменных и численный метод энергетических балансов. Хорошее согласование с экспериментальными данными дает также метод прослежива ния лучей при использовании диффузной модели отражения. Следует отме тить, что метод отличается нестабильностью результатов, получаемых при повторных расчетах.
В целом установлено, что статистические энергетические методы могут быть использованы при оценке отраженного шума в производственных поме щениях различных пропорций как при отсутствии так и при наличии в них звукопоглощающих облицовок. Расчетные кривые спадов уровней, опреде ляемые этими методами, хорошо описывают реальный характер спадов уров ней отраженного шума в зоне преобладания отраженной энергии. Следова тельно, методы могут быть использованы при разработке методики оценки акустической мощности источников шума по данным измерений уровней, создаваемых ими в помещениях.
б
Для оценки возможности использования численного энергетического метода при исследовании влияния места расположения и размеров звукопо глощающих облицовок на распределение отраженной звуковой энергии вы полнены экспериментальные исследования в двух помещениях размерами 18х 15 х 3.6 м при различном расположении в них источников шума и звукопо глощающих облицовок. Площадь звукопоглощающей облицовки из плит «Акмигран» в процессе экспериментов изменялась от 0 % до 100 %. При этом рассматривалось 4 схемы расположения облицовок по отношению к источни ку. Анализ производился в октавных полосах частот с fср 250, 500. 1000, 2000
и 4000 Гц. Данные о результатах экспериментов и расчетов приведены в при ложении работы. Сравнительный анализ расчетов и экспериментов показал, что метол энергетических балансов удовлетворительно реагирует на измене ние места положения и размеров звукопоглощающих облицовок и его можно использовать для решения поставленных задач. В качество примера на рис.1 приведены результаты исследований для одной схемы расположения источ ника и звукопоглощающих облицовок. Расхождения не превышают ±1,5 дБ,
Рис.). Расчётные и экспериментальные уровни шума в октавной полосе частот с fср 1000Гц: а) схема размещения облицовки, б) уровни шума. Экспериментальные данные при проценте облицовке потолка:
7
что соответствует точности экспериментальных исследований.
В третьей главе выполнены исследования влияния звукопоглощения на распределение и снижение отраженной звуковой энергии в производственных помещениях различных пропорций.
Для исследования использован метод энергетических балансов. Суть его заключается в разбиении объема помещения на ряд элементарных объемов простых геометрических форм, в пределах которых характер изменения плот ности отраженной звуковой энергии может быть принят линейным, и в после дующем составлении уравнений баланса отраженной энергии для каждого элементарного объема. Распределение энергии находится из решения системы уравнений. В общем виде для каждого элементарного объема баланс отра женной звуковой энергии записывается как
(1)
Здесь и - потоки энергии, приходящие из j -го объема в i -й, и, наобо рот, уходящие из i -го в j -й через поверхность - потоки энергии, соответственно, вводимой в i -й объем после первых отражений прямого звука и поглощаемой на к -й поверхности i -го объема, являющейся поверхностью ограждения с площадью Sik ; N - количество j -х объемов, контактирующих с i -м объемом; 6-N - количество граней i -го объема, являющихся поверхностями ограждений; - объем i/ -го эле ментарного параллелепипеда; ε1 - плотность отраженной энергии в i-м объ еме.
Потоки энергии qij и qji определяются как |
|
|
(2) |
где hij - шаг сетки в направлении /-го объема; |
коэффициент |
связи потока звуковой энергии и градиента плотности в квазидиффузном зву ковом поле; lср - средняя длина пробега звуковых волн в помещении; с
скорость звука в воздухе.
Величина потоков |
вычисляется по формуле |
|
(3) |
где aki - коэффициент звукопоглощения к -ой поверхности i -го объема.
Разработана методика использования численного метода для решения за дач по оценке распределения отраженной энергии в помещениях.
Проанализированы возможные схемы ввода энергии первых отражений в объем помещения. Ввод энергии возможен в точке расположения источника шума с учетом среднего коэффициента звукопоглощения помещения, а также
8