Снижение шума в жилой застройке акустическими экранами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

СЕМЕНОВ НИКОЛАЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

СНИЖЕНИЕ ШУМА В ЖИЛОИ ЗАСТРОЙКЕ АКУСТИЧЕСКИМИ ЭКРАНАМИ

01.04.06 - Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г я ноя 2013

005539921

С анкт-Петербург 2013

005539921

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент начальник отдела акустических исследований ЗАО «Институт «Трансэкопроект»

Тюрина Наталья Васильевна

Официальные оппоненты: Щевьев Юрий Павлович

доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения, профессор

Терентьев Александр Сергеевич кандидат технических наук, ведущий инженер отдела охраны труда и промышленной безопасности ОАО «Меггрострой»

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт строительной физики (НИ-ИСФ) Российской академии архитектуры и строительных наук, г. Москва.

Защита состоится 19.12.2013 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.212.010.01 в Балтийском государственном техническом университете «Военмех» им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., 1, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Автореферат разослан «18» ноября 2013 г.

диссертационного совета

Учёный секретарь

Дроздова Людмила Филипповна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Об актуальности снижения шума в городах свидетельствуют такие цифры, как нахождение от 50 до 70% территории городов в зоне шумового дискомфорта при наблюдаемой величине превышения допустимых уровней шума на отдельных территориях городов и в квартирах жилых домов до 15-25 дБА. В структуре жалоб населения на негативные факторы окружающей среды более 30% жалоб связано с повышенным шумом, последствия массового воздействия которого проявляются в росте заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем, нарушениях режима сна и пр. Одним из самых действенных методов защиты от шума в жилой застройке является установка акустических экранов.

Акустический экран - плотная искусственная преграда, устанавливаемая на пути распространения звука от автомобильной или железной дороги, строительной площадки, стационарной или передвижной установки к защищаемой от шума жилой застройке. Особенностью этой преграды является то, что она имеет конечные размеры (высоту, длину). Акустический экран (АЭ) блокирует линию прямой видимости между источником шума (ИШ) и защищаемым от шума объектом, создавая акустическую тень.

В нашей стране первые АЭ были массово применены при строительстве Московской кольцевой автомобильной дорога (МКАД) в середине 90-х годов прошлого века. На МКАД было установлено около 13 км АЭ. В начале 2000-х гг. появились первые АЭ, установленные на железной дороге. Всего в России к настоящему времени установлено несколько сотен км АЭ (порядка 0,5 млн. м2) вдоль автомобильных и железных дорог. Обследования установленных АЭ показали, что многие из них обладают рядом конструктивных недостатков, спроектированы с ошибками и обладают невысокими шумозащитными свойствами. Одной из основных причин этого является недостаток информации об акустических экранах у конструкторов и проектировщиков.

Исследованиями акустических экранов занимались видные ученые-акустики: В.А. Аистов, Н.И. Иванов, Г.Л. Осипов, П.И. Поспелов, Н.В. Тюрина, И.Л. Шубин в нашей стране и Ж. Андерсон, У. Курце, Д. Маекава, С. Ред-ферн, М. Ретингер и др. за рубежом.

Д. Маекава объяснил физические процессы снижения шума акустическими экранами с применением оптико-дифракционной теории. Почти все методы расчетов АЭ базировались на этом подходе с использованием числа Френеля, показывающего изменение хода звукового луча в присутствии АЭ. В последние годы появились новые подходы, которые развивают И.Л. Шубин и Н.В. Тюрина. Н.В. Тюрина предположила использовать в расчетах коэффициент дифракции АЭ и понятие «показатель дифракции». Эти новые методы позволяют обеспечивать более высокую точность расчетов, но требуют широкой экспериментальной проверки.

Целью исследования является разработка научных основ расчетов и проектирования АЭ, применяемых для снижения шума в жилой застройке.

Научная новизна работы:

- разработана классификация АЭ по принципу действия и конструктивному исполнению;

- разработаны 2 расчетные схемы и математические модели, описывающие поглощение, отражение и дифракцию звука АЭ.

- разработана методика расчета акустической эффективности АЭ, базирующаяся на показателе дифракции, в которой учитываются конструктивные свойства АЭ и расположение АЭ в пространстве.

Практическая полезность:

- выявлены зависимости акустической эффективности АЭ от высоты, материала, звукоизолирующих и звукопоглощающих свойств, расстояния до точки наблюдения;

- разработаны рекомендации по конструированию АЭ для снижения шума в жилой застройке;

- разработаны методики определения звукоизоляции и показателя дифракции АЭ в натурных условиях.

Апробация работы:

Основные результаты исследований доложены на III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (2011 г.), практическом семинаре «Новые акустические экраны для защиты от шума транспорта, строительства и промышленных установок» (2011 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации» (2013 г.), заседаниях кафедры «Экология и БЖД» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (2011,2012,2013 гг.)

Публикации:

По результатам исследований опубликовано 11 работ, из них 3 в изданиях по списку ВАК, в т.ч. 2 патента.

Внедрение результатов исследования:

Основные результаты исследования внедрены при конструировании и установке АЭ, изготовленных из импрегнированной древесины (г.г. Санкт-Петербург, Краснодар и дер. Лобок) для защиты от шума автомобильного транспорта и стационарных установок в жилой застройке.

На защиту выносятся:

- расчетные схемы и математические модели, описывающие акустическую эффективность отражающих и отражающее-поглощающих АЭ без надстройки на свободном ребре, предназначенных для снижения шума от точечных и линейных источников шума;

- конструкция опытного акустического стенда для исследования АЭ и методика измерений на стенде;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований, установивших связь акустической эффективности АЭ из различных материалов в зависимости конструктивных параметров и месторасположения;

- рекомендации по конструированию и установке АЭ для снижения шума в жилой застройке;

- методика расчетов акустической эффективности АЭ для защиты от шума в жилой застройке при наличии точечного и линейного источников шума;

- результаты апробации разработанных рекомендации и методов расчета на практике.

Структура и объем работы;

Диссертация состоит из пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 159 наименований и 5 приложений. Диссертация содержит 129 стр. основного текста, 60 стр. приложений, 58 рис. и 58 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализировано состояние вопроса, обоснованы основные направления исследований, предложена классификация АЭ по принципу действия и конструктивному исполнению. На основании анализа литературы выделены факторы, влияющие на акустическую эффективность АЭ: высота и дина, звукоизоляция, звукопоглощение, угол дифракции, материал, вид надстройки на свободном ребре, основные из которых приняты к исследованию в настоящей работе. Проанализированы методы расчетов АЭ, предложено базировать расчеты на статистическо-геометрической теории. Рассмотрены методы определения акустических свойств АЭ в натурных условиях. Основными задачами исследования являются:

- разработка расчетных схем и математических моделей прямых отражающих и отражающе-поглощающих АЭ без надстройки на верхнем ребре с

учетом их расположения в пространстве, конструктивных и акустических параметров для двух типов источников: линейного и точечного;

- выполнение теоретических исследований акустических свойств АЭ в зависимости от основных конструктивных параметров, материала и расположения в пространстве;

- разработка специального акустического стенда для испытаний АЭ в реальных условиях с возможностью изменения конструктивных параметров АЭ, расположения измерительных точек, типа источника шума;

- разработка методики измерений на стенде;

- проведение на стенде экспериментов, позволяющих установить связь высоты АЭ, его поглощающих и звукоизолирующих свойств, расположения измерительных точек с акустической эффективностью АЭ;

- выполнение экспериментальной проверки предложенных методов расчета акустической эффективности АЭ;

- разработка или уточнение рекомендаций по конструированию АЭ для снижения шума в жилой застройке;

- разработка методики расчетов акустической эффективности АЭ различного конструктивного исполнения;

- апробация разработанных рекомендаций и методов расчета на практике.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям акустических экранов.

Рассмотрены две расчетные схемы: с линейным и точечным источником звука ИШ (рис. 1). При расчетах принят ряд допущений. При наличии точечного ИТТТ свободное ребро АЭ, через которое дифрагирует звук, представлено линейным вторичным излучателем звука.

Рис. 1 Расчетные схемы АЭ для точечного (а) и линейного (б) источников шума (ИТТТ): 1 - точечный ИШ, 2 -АЭ, 3 - РТ, 4 - опорная поверхность, 5 -линейный ИШ, 6 - условный плоский излучатель, г - расстояние от ИШ до АЭ, К - расстояние от АЭ до РТ, кэкр - высота АЭ.

Если ИТТТ линейный , то принято, что звук излучается условным плоским излучателем ИШ, расположенным над свободным ребром АЭ по всей длине последнего. Таким образом в первом случае рассмотрена цилиндрическая, а во втором плоская звуковая волна, излучаемая свободным ребром АЭ.

Математическая модель акустической эффективности АЭ при наличии точечного ИШ:

=101а --+ --

^ (Л + г) г0 Я /Зэкр -1018С1 - ) -1018 «гс^ --1018 агсге ^ + 13,

где г, Я - соответственно расстояния от ИШ до АЭ и от АЭ до РТ, м;

- высота АЭ, м;

Л - длина звуковой волны, м;

Д^ - коэффициент дифракции на свободном ребре АЭ; а^ - коэффициент звукопоглощения акустической панели отражающе-поглощающего АЭ;

- длина АЭ, м; г = 1м.

Акустическая эффективность для линейного источника:

АЬ =1018 г --101§(1-«^) +

(Я + г) Л рэкр

1 1018 —^--1018 «гс/я—1018 --

2СЯ + г) 2г 2Иэгр

- 101ё агЫк-, 101"" + 7,дБ

2X^4 Я2+102

Были выполнены теоретические исследования полученных зависимостей. Влияние расположения АЭ в пространстве для точечного ИШ показало на рис. 2.

Расположение АЭ в пространстве определяется двумя параметрами: г и Д.

1

СБА

г2Я

Рис. 2. Зависимость 10%--— от значения Я (7,5; 25; 50; 100 м) для

(Я + г) Ч

разных значений г: 1 - 8 м, 2 - 6 м; 3 - 5 м; 4 - 4 м.

Анализ полученных зависимостей показывает уменьшение рассмотренной зависимости с увеличением расстояния Л от АЭ до РТ. Можно считать, что с увеличением расстояния от 7,5 до 100 м акустическая эффективность АЭ теоретически снизится на величину от 5 до 10 дБ в зависимости от расположения АЭ по отношению к ИШ (г). На практике расстояние г чаще всего находится в пределах 4-6 м; в этом случае снижение УЗД с расстояниями не превышает 8 дБ. Отметим, что для этих расстояний г можно принимать акустическую эффективность АЭ не зависящей от г с точностью ±1,5 дБ.

Теоретически вычисленное влияние высоты АЭ (йэгр) показано на рис. 3.

Рис. 3 Увеличение вычисленного значения Ю^ —г~с увеличением высоты

А

(для октавной полосы со среднегеометрической частотой 1000 Гц).

Получено, что с каждым удвоением высоты эффективность увеличивается на 3 дБ А, зависимость не носит линейный характер, т.е. при увеличении высоты на 1 м, например, от 2 до 3 м, увеличение на 2 дБА, а от 5 до 6 м - 0,8 ДБА.

В третьей главе приведена методика акустических испытаний АЭ. Исследования проводились на специально созданном опытном стенде.

Стенд представляет собой АЭ длиной 48 м с боковыми отгонами по 4 м (для снижения дифракции звука через свободные боковые ребра). Опытный стенд установлен в центре площадки размером 100x500 м, представляющую собой ровную уплотненную земляную поверхностью Основой стенда служат 16 стоек. Расстояние между стойками 3 м, высота -6 м. Экран представляет собой сборно-разборную конструкцию, акустические панели изготовлены из алюминия (металлический АЭ) и импрегнированной древесины (деревянный АЭ).

В составе стенда использованы два типа источников шума:

- искусственный источник звука или источник постоянной звуковой мощности, представляющий собой набор колонок и имеющий показатель направленности (ПН) ПН = 0;

- реальный источник шума, представляющий дизельную передвижную компрессорную станцию с пристроенной к ней трубой длиной 20 м с отверстиями, в которую подавался сжатый воздух - линейный ИШ Расположение измерительных точек для определения акустической эффективности АЭ, показано на рис. 4, основные данные об испытанных АЭ даны в табл. 1.

т/Щ

шшшж

4 *

Рис. 4 Расположение источника шума (ИШ) и измерительных точек (ТИ): 1 - ИШ; 2 - опытный стенд; 3 - стойки; 4^-7- точки измерения.

Основные данные о характеристиках испытанных АЭ

Таблица 1

Материал акустической панели Размеры акустической панели Коэффициент перфорации панели Значения высоты, м Звукопоглощающий материал

Алюминий 0,5x2950x0,12 0,3 Минеральная вата

Дерево 1x2950x0,12 1,0 2,3,5,6 Минеральная вата

Состав основных измерений на стенде приведен в табл. 2 (акустическая эффективность измерялась двумя типами ИШ), некоторые схемы измерений показаны на рис. 5.

Состав выполненных измерений ___ Таблица 2

Измеряемый параметр Тип АЭ Материал Высота АЭ, м Расапояпия, м

Акустическая эффективность О* Металл Дерево 1,2,3,4,5,6 2,3,5,6 7,5,15, 25, 50, 100

оп** Металл Дерево 1,2,3,4,5,6 2,3,5,6 7,5, 15, 25, 50, 100

Звукоизоляция оп Металл Дерево 3,6 3,6 ОД 0,1

Показатель дифракции оп Металл 1,2,3,4,5,6 0,1

*0 - отражающий, **ОП - отражающе-поглощающий

Рис. 5 Расположение измерительных точек при измерении звукоизоляции АЭ (а) и показателя дифракции (б): 1 - 9,10 - точки внутри АЭ; 1 '-9', 11 - точки

снаружи АЭ.

В диссертации приведены методики основных измеряемых параметров, приведена стандартная методика определения погрешности измерений.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Данные измерений показателя дифракции приведены в табл. 3 и показаны на рис. 6.

Изменение спектральных характеристик усредненных значений показателя дифракции (Г1Д*) при увеличении высоты АЭ, дБ.

Таблица 3

Высота АЭ, м ПД, дБ, в окгавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

1 4 6 7 8 9 9 10 11

3 4 7 7 9 11 12 13 14

6 5 8 9 11 13 14 16 18

* ПД = 101ё —— {Рэифр - коэффициент дифракции)

дифр

16

|77Д дБА

14

12

10

6

8

ЗУР; Л!

1

г

Б

5

8

Рис. 6 Экспериментальная зависимость показателя дифракции, дБ А от высоты АЭ (Лдау)

Анализ показал следующий характер уменьшения УЗ и УЗД на свободном ребре АЭ: с увеличением высоты показатель дифракции возрастает от 6 дБ А (1м) до 14 дБ А (6 м). При этом, если от значения высоты 1 м до 4 м показатель дифракции возрастает на 3 дБА на каждый 1 м высоты, то от 4 до 6 м всего 1,5 дБА на каждый 1 м высоты (рис. 6).

Показатель дифракции также возрастает с увеличением частоты (табл. 3): для АЭ высотой 3 м величина показателя дифракции: в октавной полосе со среднегеометрической частотой 63 Гц - 4 дБ, 1000 Гц - 11 дБ, 8000 Гц - 16 дБ. При этом возрастание зависит от высоты АЭ: для АЭ высотой 1 м приблизительно 1 дБ / на октаву, а для АЭ высотой 3 м - 1.5 дБ / на октаву, а для АЭ высотой 6 м - почти 2 дБ / на октаву.

Полученные значения могут быть использованы при расчетах АЭ, в которых член 10 может быть заменен полученными в экспериментах значениями ПД со знаком «-».

Данные измерения звукоизоляции металлического АЭ в натурных условиях, приведены на рис. 7, эти данные сравнивались с результатами измерений в акустической камере.

ЗИ,дБ

63 125 250 500 1000 2000 -4000 5000

Рис. 7 Усредненные значения ЗИ металлического АЭ измеренные: 1 - в акустической камере, 2 - в натурных условиях.

Данные звукоизоляции акустических панелей, по результатам измерений в акустических камерах были получены из технических условий на соответствующие АЭ. Обратим внимание, что измерения звукоизоляции в камерах проводились на частотах в диапазоне 125-4000 Гц, т.е. на рис. 7 (кривая 1) отсутствуют значения в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63 и 8000 Гц.

Сравнение измеренных значений звукоизоляции металлического АЭ показало, что его звукоизоляции в натурных условиях на 9-17 дБ, (в диапазоне 250-4000 Гц) и на 8 дБА ниже, чем звукоизоляция, полученная измерениями в камере. Для деревянного АЭ разница составила 5-14 дБ в том же частотном диапазоне (или б дБА).

Анализ приведенных результатов позволяет утверждать, что полученные в экспериментах значения звукоизоляции для АЭ в натурных условиях (22-23 дБА) являются предельными для сборно-разборных АЭ. При проектировании АЭ высокой эффективности (свыше 20 дБА) недостаточная звукоизоляция будет сказываться на акустической эффективности АЭ, уменьшая ее на 1-3 дБА, за счет прохождения звука прямым путем, т.е. через панели АЭ. При еще

больших заданных значениях акустической эффективности она может быть вообще не достигнута из-за описанного явления.

Результаты измерений акустической эффективности металлического и деревянного АЭ при изменении высоты показаны на рис. 8. Эксперименты подтвердили данные расчетов (рис. 3). Для обоих испытанных АЭ характерны особенности: чем больше высота АЭ, тем ниже сравнительная абсолютная эффективность, т.е. увеличение высоты с 2 до 3 м дает приблизительно вдвое большую эффективность, чем увеличение высоты с 5 до 6 м почти во всем рассматриваемом диапазоне частот. При измерениях акустической эффективности испытанных АЭ в дБА (рис. 8) наблюдается резкое возрастание эффективности до высоты Зм, (рост до 8 дБА), а затем плавное увеличение: при изменении высоты с Зм до 6м, где увеличение акустической эффективности составляет всего 4 дБА.

Рис. 8 Связь акустической эффективности отражающе-поглощающих АЭ с изменением его высоты (измерения на расстоянии 25 м):1 - металлический, 2 - деревянный

Это важная закономерность для практического использования АЭ. Отметим, что акустическая эффективность деревянного АЭ приблизительно на 2 дБА выше, чем металлического. Это можно объяснить более удачной конструкцией первого (лучшие звукопоглощающие и звукоизолирующие свойства).

Влияние звукопоглощения на акустическую эффективность АЭ получено в специальном эксперименте. Для примера на рис. 9 показана разница УЗД металлического АЭ различного исполнения.

Рис. 9 Влияние звукопоглощения на акустическую эффективность металлических АЭ (измерения на 25 м): отражающего (1,2) и отражающе-поглощающего (3,4) высотой 4 м (1,3) и 6 м (2,4).

Для отражающего АЭ высотой 4м отмечено уменьшение акустической эффективности по сравнению с отражающе-поглощающими на 3-6 дБ в диапазоне частот 125 - 8000 Гц; для АЭ высотой 6м соответствующая разница составила 6-9 дБ в этом же частотном диапазоне. Снижение акустической эффективности АЭ высотой 4-6 м составляет в УЗ до 4-5 дБА.

На рис. 10 показано изменение акустической эффективности с увеличением расстояния от АЭ до РТ.

Д^мр.дБА

| 1

-----------------------^ _ , « ?

---------- .............. 1 ""......... ?

.....................................................['

Рис.10 Снижение акустической эффективности металлического АЭ со ЗПМ различной высоты (Ижр) при увеличении расстояния: 1 - Иэкр =3м; 2 - Иэкр =6 м.

Из рисунка можно видеть достаточно заметное снижения акустической эффективности на расстояниях от 7,5 до 25 м (приблизительно 5-6 дБА). Это можно объяснить перемещением точки измерений из глубокой акустической тени за АЭ в зону тени. Далее наблюдается плавное уменьшение акустической эффективности (2-3 дБА при каждом удвоении расстояния). Можно предположить, что на очень больших расстояниях акустическая эффективность АЭ может приблизиться к 0.

Было выполнено сравнение результатов расчетов акустической эффективности с данными экспериментов. На рис. 11 приведены сравнительные данные расчетов и экспериментов для отражающе-поглощающих АЭ высотой 3 м. Получено хорошее согласование расчетов по разработанным формулам с данными эксперимента (отклонение, в основном, не более 2-2,5 дБ в нормированном частотном диапазоне), за исключением данных в октавной полосе со среднегеометрической частотой 8000 Гц.

Рис. 11 Сравнительные данные расчета (1) и эксперимента (2) акустической эффективности АЭ высотой 3 м на расстоянии 25 м по сравнению с данными по методике с использованием числа Френеля (3)

Предложенные методы расчетов существенно ближе к данным экспериментов, чем принятые с использованием числа Френеля, но для небольших величин Иэкр < 1 м и существенных Иэкр > 5 м целесообразно ввести в формулу небольшие поправки по данным экспериментов. Сравнение данных для точечного и линейного ИШ показывает, что акустическая эффективность в последнем случае ниже на 3-5 дБ.

В пятой главе приведены рекомендации по применению АЭ и апробации предложенных решений.

На основании выполненных исследований предложены рекомендации по расположению и конструктивному исполнению АЭ для снижения шума в жилой застройке.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета акустической эффективности АЭ (табл.4). В методике учтено расположение АЭ в пространстве, высота АЭ, показатель дифракции (экспериментальная поправка), звукоизолирующие и звукопоглощающие свойства АЭ.

Таблица 4

Формулы для расчетов акустической эффективности АЭ для снижения шума в жилой застройке

Источник шума Тип акустического экрана Формула для расчетов акустической эффективности, дБ

Точечный Отражающе-поглощающий = 2018 /к + И018 ^ - пд-(11 + г)2г0 Я -10 Н1 - ) -10аШ8 % - АЗИэ>р +11, дБ 1к

Отражающий (Л + /•)/■„ я

Линейный Отражающе-поглощающий + «0Ь Н-^--ПД-ЬЗИхр -1018(1 -а^)- 101а агс& /эч' 101е «гг/р , 10/э'"' + 3,<)£ *2(Д + г) * 27?^4Л2 + +102

Отражающий ю/,„ - &ЗИ„ -10 £ агс18- зф + 3, ¿Б +102

Результаты апробации предложенных решений приведены в табл. 5 и 6. В первом случае деревянные АЭ установлены вокруг дизель-электростанции расположенной в жилом квартале Санкт-Петербурга, а во втором вдоль автомобильной дороги. Шум снижен до требований санитарных норм.

Измерения шума у фасадов жилых домов при работающей дизель-электростанции

Таблица 5

Наличие АЭ Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц УЗ, дБА

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Отсутствует 68 69 66 60 53 45 40 30 62

Установлен 66 65 55 49 40 31 25 18 49

Норма шума 75 66 59 54 50 47 45 44 55

Измерения шума после установки АЭ вдоль автомобильной дорога

Таблица 6

№ точки Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц УЗ, дБА УЗта*» дБА Примечание

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

1 62,9 63,5 59,1 50,7 50,8 49,2 45,7 40,5 30,0 53,9 62,4 д. Лобок д.75

2 64,5 65,4 54,4 45,0 49,2 49,5 43,6 34,6 26,2 52,6 60,0 д. Лобок Д.62

Применением АЭ шум в жилой застройке снижен до требований норм.

Основные результаты, выводы и рекомендации

1. На основании анализа конструкций предложена классификация АЭ для снижения шума в жилой застройке по принципу действия, расположению в пространстве и конструктивному решению. Для исследований были выбраны наиболее распространенные прямые отражающие и отражающе-поглощающие АЭ со свободным верхним ребром, изготовленные из металла и дерева.

2. Предложены расчетные схемы при действии двух типов источников шума: точечного и линейного. Приняты допущения об излучении свободным ребром АЭ (цилиндрическая звуковая волна), но и условным плоским излучателем над АЭ (плоская звуковая волна); разработаны математические модели оценки акустической эффективности АЭ, в которых учтены: расположение АЭ в пространстве, высота, звукопоглощение (звукоотражение), длина АЭ для двух типов источников шума.

3. Выполненные теоретические исследования АЭ от основных конструктивных параметров, материала и расположения в пространстве, показали:

- изменение расстояния от ИШ до АЭ сказывается на его эффективности в большей степени, чем от АЭ до расчетной точки;

- теоретически акустическая эффективность АЭ, связанная с ее высотой возрастает на 3 дБ при каждом удвоении частоты; увеличение высоты не показывает линейного роста увеличения акустической эффективности: так, при увеличении высоты с 1 до 2 м эффективность возрастает на 3 дБ, с 2 до 3 м на 2 дБ, а с 5 до 6 м приблизительно на 1 дБ, т.е. заметно сказывается на акустическую эффективность только удвоение высоты.

4. Создан опытный стенд, на котором испытывались АЭ в натуральную величину, с целью проверки предложенных методов расчета АЭ и выявления связи их акустической эффективности с конструктивным исполнением и расположением в пространстве; разработаны методики определения акустической эффективности, звукоизоляции и показателя дифракции АЭ; дано описание стандартной методики определения погрешности при выполнении акустических измерений, которая составила ± 2 дБ.

5. Измерены значения показателя дифракции АЭ: получено, что он изменяется с высотой (в пределах исследованных параметров) от б до 15 дБА, показатель дифракции имеет частотно-зависимый характер и увеличивается с

высотой. Полученные экспериментальные значения предложено использовать в расчетах взамен члена (/!- коэффициент дифракции).

6. Исследование звукоизолирующих свойств АЭ показало, что звукоизоляция АЭ в натурных условиях на 6-8 дБА ниже, чем звукоизоляция акустических панелей аналогичных экранов, измеренная в реверберационных акустических камерах. Для значений акустической эффективности АЭ (Д1зкр>20 дБА) в расчеты должна вводиться поправка на прохождение звука прямым путем через АЭ.

7. Выявлено существенное влияние звукопоглощения на акустическую эффективность АЭ: для отражающе-поглощающих металлических экранов дополнительное снижение по сравнению с отражающими составило до 4 дБА (7-19 дБ в исследуемом частотном диапазоне) несколько меньшая разница для деревянных АЭ (2 дБА) объясняется тем, что дерево изначально обладает определенными звукопоглощающими свойствами

8. Сравнение результатов экспериментов с данными расчета показало хорошую сходимость результатов (отклонение не более 2-2,5 дБ, за исключением, октавной полосы со среднегеометрической частотой 8000 Гц) при условии введения в предложенные формулы экспериментальных поправок.

9. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по конструированию и установке АЭ.

10. Разработана методика расчета акустической эффективности отражающих и отражающе-поглощающих АЭ, устанавливаемых вблизи точечных и линейных источников шума. В методике учтено расположение АЭ в пространстве, высота экрана, показатель дифракции (экспериментальная поправка), звукоизолирующие или отражающие свойства АЭ, звукоизоляция экранов в реальных условиях (экспериментальная поправка), длина АЭ.

11. Выполнена экспериментальная проверка акустической эффективности АЭ, спроектированных с учетом разработанных рекомендаций; испытанные АЭ обеспечили снижение шума в жилой застройке до требований норм.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Испытания акустических экранов

в натурных условиях. Сборник трудов III научно-практической конференции с международным участием, «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 22-24 марта 2011 г., с. 555-562.

2. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Классификация и акустическая

эффективность АЭ различных типов. Сборник докладов практического семинара «Новые акустические экраны для защиты от шума транспорта, строительства и промышленных у становою), 15 сентября 2011 г., Санкт-Петербург, с. 36-58.

3. Шашурин А.Е., Семенов Н.Г. Снижение шума акустическими экранами

нового типа. Сборник докладов практического семинара «Новые акустические экраны для защиты от шума транспорта, строительства и промышленных установок», 15 сентября 2011 г., Санкт-Петербург, с. 7682.

4. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Эффективность акустических эк-

ранов различных типов. Журнал «Мир дорог», №57, октябрь 2011 г., с. 33-35.

5. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Акустические экраны для сниже-

ния шума в жилой застройке. Приложение к журналу «Безопасность жизнедеятельности», №4 апрель 2012 г., с. 24.

6. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Проблемы конструирования аку-

стических экранов и их применение для снижения шума железнодорожного и автомобильного транспорта. Сборник трудов IV научно-практической конференции с международным участием, «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 26-28 марта 2013 г., с. 52-88

7. Корнилов В. А., Семенов Н.Г. Методика испытаний акустических экранов на

опытном стенде. Сборник трудов IV научно-практической конференции с

24

международным участием, «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 26-28 марта 2013 г., с. 357-365.

8. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Расчет акустической эффективности экранов для снижения шума в жилой застройке. Сборник трудов IV научно-практической конференции с международным участием, «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 26-28 марта 2013 г., с. 366-371.

*9. Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Семенов Н.Г. Расчет и конструирование акустических экранов для снижения шума в жилой застройке. Научно-технический и производственный журнал «Жилищное строительство», № 6, 2013 г. с. 10-12.

*10. Пат. 104943 РФ, МПК Е 01 Г 8/00 (2006.01). Устройство для защиты от шума. / Соколенко Ф.В., Сахно С.С., Семенов Н.Г. и др. - Опубл. 27.05.11. - Бюл. № 15.

*11. Пат. 105311 РФ, МПК Е 01 Р 8/00 (2006.01). Строительная шумозащитная панель. / Соколенко Ф.В., Сахно С.С., Семенов Н.Г. и др. - Опубл. 10.06.11. - Бюл. № 16.

* По списку ВАК

Издательство Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д.Ф. Устинова. 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Тираж 110 экз. Заказ № 25

Отпечатано в типографии БГТУ. 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1.

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ»

им. Д.Ф. Устинова

На правах рукописи

0420145501 1

СЕМЕНОВ НИКОЛАЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

СНИЖЕНИЕ ШУМА В ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКЕ АКУСТИЧЕСКИМИ ЭКРАНАМИ

01.04.06 - Акустика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Н. В. Тюрина

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых сокращений

Введение 6 ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................................................................................9

1.1. Классификация АЭ и выбор объектов исследования..........................................9

1.1.1 Классификация АЭ..........................................................................................................................................9

1.1.2 Выбор объектов исследования..........................................................................................................13

1.2. Физические принципы снижения шума АЭ..........................................................................13

1.3. Расчеты акустических экранов...................... ........................................................16

1.4. Влияние основных факторов на акустическую эффективность АЭ 24

1.5. АЭ из различных материалов............................................................................................................30

1.6 Надстройки на свободные ребра АЭ............................................................................................31

1.7. Применение АЭ для снижения шума............................................................................................32

1.7.1. Снижение шума автотранспорта..........................................................................................32

1.7.2 Снижение шума железнодорожного транспорта................................................34

1.7.3 Прочее применение и эффективность АЭ........................................................................36

1.8 Акустические испытания АЭ и их элементов....................................................................37

1.8.1 Виды акустических испытаний АЭ............................................................................................37

1.8.2 Определение акустической эффективности АЭ в натурных условиях........................................................................................................................................................................................37

1.8.3 Испытания панелей АЭ в реверберационных камерах........................................38

1.8.4 Определение акустических свойств АЭ в натурных условиях..................38

1.9 Постановка задач исследования......................................................................................................40

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

АКУСТИЧЕСКИХ ЭКРАНОВ........................................................................................................41

2.1 Описание расчетных схем. Основные допущения............................................41

2.2 Описание математических моделей................................................................................43

2.2.1 Точечный источник шума..................................................................................................................43

2

2.2.2 Линейный источник шума........................ ....................................................................45

2.3. Теоретические исследования АЭ..................................................................................................48

2.3.1 Влияние расположения АЭ в пространстве............... ..................................48

2.3.2. Влияние высоты............................................................................................................................................50

2.3.3 Влияние материала......................................................................................................................................52

2.3.4 Значения поправок..........................................................................................................................................53

Выводы по главе.............................. ..................................................................................55

ГЛАВА III. МЕТОДИКА АКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИИ..............................57

3.1 Общие положения..........................................................................................................................57

3.2 Опытный стенд, источники шума, оборудование....................................................57

3.2.1 Описание опытного стенда............................................................................................................57

3.2.2 Источники шума............................................................................................................................................59

3.2.3 Испытываемые образцы....................................................................................................................61

3.2.4 Акустическая аппаратура....................................................................................................................64

3.3 Измерения акустической эффективности....................................................................65

3.4 Измерения звукоизоляции......................................................................................................67

3.5 Измерение показателя дифракции........................................................................................68

3.6 Определение погрешности измерений............................................................................70

Выводы по главе..............................................................................................................................................71

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ЭКРАНОВ........................................................72

4.1 Исследования показателя дифракции............................................................................72

4.2 Исследования звукоизолирующих свойств..............................................................75

4.3 Исследования акустической эффективности..........................................................79

4.3.1 Исходные данные для определения акустической эффективности.. 79

4.3.2 Зависимость акустической эффективности от высоты АЭ..................81

4.3.3 Влияние звукопоглощения на акустическую эффективность............85

4.3.4 Влияние изменения точки измерений на акустическую эффективность экранов......................................................................................................................................88

4.4. Сравнение результатов расчетов акустической

эффективности с данными экспериментов.....................................

Выводы по главе............................. ..................................................................................100

ГЛАВА V. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ И АПРОБАЦИИ

ПРЕДЛОЖЕННЫХ РЕШЕНИЙ......................................................................................................102

5.1. Рекомендации по конструированию и проектированию АЭ........................102

5.2. Расчет акустической эффективности..............................................................................103

5.3 Апробация предложенных решений.................. ..............................................106

Выводы по главе.............................. ................................................................................110

Основные результаты, выводы и рекомендации.............. ....................................111

Список литературы............................ ............................................................................114

Приложение 1. Патент на полезную модель..........................................................................130

Приложение 2. Результаты испытания металлического

акустического экрана....................................................................................................................................139

Приложение 3. Результаты испытания деревянного

акустического экрана....................................................................................................................................156

Приложение 4. Измерения звукоизоляции АЭ....................................................................172

Приложение 5.Результаты сертифицированных испытаний АЭ в

реверберационной камере........................................................................................................................189

Список принятых сокращений

а/д - автомобильная дорога.

АЭ - акустический экран.

ж.д. - железная дорога.

ЗПМ - звукопоглощающий материалы.

ИИТТТ - искусственный источник шума.

ИТ - измерительная точка.

ИШ — источник шума.

КАД - Кольцевая автомобильная дорога вокруг Санкт-Петербурга.

МКАД - Московская кольцевая автомобильная дорога.

РТ - расчетная точка.

ТН - точка наблюдения.

УЗ - уровни звука, дБА.

УЗД - уровни звукового давления, дБ.

ШЭ - шумозащитный экран.

Введение

Акустический экран - плотная искусственная преграда, устанавливаемая на пути распространения звука от источника шума до защищаемой от шума жилой застройке. Особенностью этой преграды является то, что она имеет конечные размеры (высоту, длину). Акустический экран (АЭ) блокирует линию прямой видимости между источником шума (ИШ) и защищаемым от шума объектом, создавая акустическую тень.

Первые устройства-барьеры для защиты от шума железнодорожного транспорта появились в конце XIX в. в Лондоне и изготавливались из бетона. Массовое применение АЭ началось в Европе, США, Японии и некоторых других странах в начале 70-х годов XX в. Уже к концу прошлого столетия в Германии, Японии и некоторых др. странах было установлено много тыс. км АЭ вдоль автомобильных и железных дорог.

В нашей стране первые АЭ были массово применены при строительстве Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) в середине 90-х годов прошлого века. На МКАД было установлено около 13 км АЭ. В начале 2000-х гг. появились первые АЭ, установленные на железной дороге. Всего в России к настоящему времени установлено несколько сотен км АЭ (порядка 0,5 млн. м) вдоль автомобильных и железных дорог. Обследования установленных АЭ показали, что многие из них обладают рядом конструктивных недостатков, спроектированы с ошибками и обладают невысокими шумозащитными свойствами. Одной из основных причин этого является неполная информация об акустических экранах у конструкторов и проектировщиков.

Исследованиями акустических экранов занимались видные ученые-акустики: В.А. Аистов, Н.И. Иванов, Г.Л. Осипов, П.И. Поспелов, Н.В. Тюрина, И.Л. Шубин в нашей стране и Ж. Андерсон, У. Курце, Д. Маекава, С. Редферн, М. Ретингер и др. за рубежом.

Д. Маекава объяснил физические процессы снижения шума акустическими экранами с применением оптико-дифракционной теории. Почти все методы расчетов АЭ базировались на этом подходе с использованием числа Френеля, показывающего изменение хода звукового луча в присутствии АЭ. В последние годы появились новые подходы, которые развивают Н.В. Тюрина и И.Л. Шубин. Н.В. Тюрина использует в расчетах коэффициент дифракции АЭ. Ею в расчеты введено понятие показатель дифракции. Эти методы требуют широкой экспериментальной проверки.

Целью исследования является разработка научных основ расчетов и проектирования АЭ, применяемых для снижения шума в жилой застройке.

Научная новизна работы:

разработана классификация АЭ по принципу действия и конструктивному исполнению;

разработаны расчетные схемы и математические модели, описывающие поглощение, отражение и дифракцию звука АЭ.

- разработана новая методика расчета акустической эффективности АЭ, базирующаяся на показателе дифракции и учитывающая конструктивные свойства АЭ и расположения АЭ в пространстве.

Практическая полезность:

- выявлены зависимости акустической эффективности АЭ от высоты, материала, звукоизолирующих и звукопоглощающих свойств, расстояния до точки наблюдения;

- разработаны рекомендации по конструированию АЭ для снижения шума в жилой застройке;

- разработаны методики определения звукоизоляции и показателя дифракции АЭ в натурных условиях.

Апробация работы:

Основные результаты исследований доложены на III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (2011 г.), практическом семинаре «Новые акустические экраны для защиты от шума транспорта, строительства и промышленных установок» (2011 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации» (2013 г.), заседаниях кафедры «Экология и БЖД» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (2011, 2012, 2013 гг.)

Публикации:

По результатам исследований опубликовано 11 работ, из них 3 в изданиях по списку ВАК, в т.ч. 2 патента.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Экология и БЖД» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова в организации и проведении экспериментальных исследований.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Классификация АЭ и выбор объектов исследования.

1.1.1 Классификация АЭ.

АЭ находят широкое применение для снижения шума и могут устанавливаться:

- в офисах и производственных помещениях для защиты от шума рабочих мест;

- вдоль автомобильных и железных дорог для защиты от шума жилой застройки;

- в аэропортах вдоль взлетной полосы или вдоль места стоянки самолетов, где производятся технологические операции апробации двигателей;

- вблизи строительных площадок;

- вокруг различных стационарных установок (чиллеры, котельные, компрессоры) для защиты от шума жилой застройки.

В настоящей работе в основном рассматриваются АЭ, которые могут быть установлены вдоль автомобильных и железных дорог, вокруг стационарных установок и предназначенные для снижения шума в жилой застройке. АЭ, устанавливаемые в помещениях, аэропортах, вокруг строительных площадок не рассматриваются.

Классификация АЭ по зависимости от принципа действия, конструктивного исполнения, расположения в пространстве и пр., дана в табл. 1.1.

Классификация акустических экранов, применяемых для снижения

шума в жилой застройке

Таблица 1.1

№ п/п Классификационный признак Тип АЭ Схема Обозначения на схеме Применение и эффективность

1 2 3 4 5 6

1 Основной принцип действия отражающие отражающе-поглощающие >1 1 5 1 - твердый отражающий, 2 -ЗПМ, 3 - перфорированный лист, 4 - стекло, 5 - опорная поверхность Большинство АЭ, устанавливаемых на а/д и ж/д попадает под эти определения

3 сто мной составной

2 Характер дифракции на свободном ребре тонкий АЭ (одинарная дифракция) широкий АЭ (двойная дифракция) р> 1 - тонкий АЭ - барьер 2 - широкий экран-насыпь —* - дифракция Наряду с АЭ - барьерами, широко применяются насыпи

3 Функциональное назначение АЭ - барьеры АЭ - экранирующие сооружения: а) насыпь 1 §й I 1 - АЭ - барьер 2 - насыпь 3 - выемка Широко применяются экранирующие сооружения (выемки, насыпи), также используются комбинированные АЭ

ю

* ж *« » 4 'иь & а

ш Я Ш й £

Таблица 1.1 (продолжение)

б) выемка

в) комбинированные

иш

Материал акустических панелей

Бетонные и из др. строительных материалов, металлические, деревянные, пластиковые и др.

Широко используется бетон, асбоцемент, кирпич и др. строительные материалы; а также АЭ, панели которых изготавливаются из металла и дерева

Без надстройки

Конструктивные решения и форма верхней части

С надстройкой

1 - без надстройки,

2 - Г-образный,

3 - Т-образный,

4 - У-образный,

5 - стреловидный,

6 - цилиндр с ЗПМ;

7 - резонаторные

Широко распространены АЭ с различными видами и формой надстройки (в основном Г -образные)

По основному принципу действия АЭ подразделяются на:

- отражающие;

- отражающе-поглощающие.

АЭ - звукоизолирующая конструкция, работающая на отражении звука. В отражающее-поглощающих дополнительно устанавливается звукопоглощающие материалы (ЗПМ). В свою очередь, отражающе-поглощающие по конструктивному исполнению подразделяются на сплошные, где АЭ набраны из однородных панелей, и составные, где, наряду, например, с панелями со ЗПМ, установлены светопрозрачные панели, работающие на отражение звука.

По характеру дифракции на свободном ребре АЭ подразделяются на:

- тонкие (одинарная дифракция);

- широкие (двойная дифракция).

Для большинства типов АЭ - барьеров характерна одинарная дифракция. Примером АЭ и экранизирующих сооружений с двойной дифракцией могут служить насыпи, АЭ с Т-образной формой свободного ребра.

По функциональному назначению АЭ подразделяются на:

- АЭ - барьеры;

- АЭ - экранирующие сооружения.

К экранирующим сооружениям относятся насыпи, выемки. В качестве экранирующих сооружений могут использоваться вспомогательные здания (например, гаражи) и некоторые другие искусственные сооружения - преграды. Если АЭ - барьер устанавливается на краю выемки или насыпи, то такие сооружения называются комбинированными. Комбинированные сооружения обладают высокой акустической эффективностью.

По материалам, из которых изготавливаются панели АЭ, последние подразделяются на:

- бетонные или из других плотных строительных материалов (асбоцемент, кирпич, строительный камень и др.);

- металлические (в основном изготавливаются из стали или алюминия, реже из нержавеющей стали);

- деревянные (изготавливаются из импрегнированной древесины);

- пластмассовые (например, прозрачные панели из плексигласа и др.).

По конструктивному исполнению верхнего свободного ребра АЭ подразделяются на:

- АЭ без надстройки на свободном ребре;

- АЭ с надстройкой на свободном ребре.

Надстройки на свободном ребре имеют различное конструктивное исполнение и дают название АЭ в зависимости от формы надстройки (например Г-образные или Т-образные АЭ).

1.1.2 Выбор объектов исследования

Из всего многообразия описанных конструкций АЭ для исследования были выбраны отражающие и отражающе-поглощающие сплошные прямые АЭ-барьеры изготовленные из стали и дерева, без надстройки верхнем свободном ребре. Этот выбор обусловлен тем обстоятельством, что такие АЭ нашли наиболее широкое применение в отечественной практике.

1.2. Физические принципы снижения шума АЭ.

Этот раздел написан по результатам анализа основополагающих работ, посвященных АЭ [1-12].

АЭ - звукоизолирующая конструкция. Основной принцип работы и назначение акустических экранов - отражение звука [12]. Часть звуковой энергии отражается АЭ, но часть проходит за экран, дифрагируя на его ребре, которое называется свободным ребром АЭ. Качественная сторона явления дифракции основывается на принципе Гюйгенса, который гласит «Каждая точка фронта бегущей волны является точечным источником новой элементарной волны, огибающая этих элементарных волн образует следующий фронт волны. В зоне тени наблюдается цилиндрическая волна, �