Voronezh State Technical University
RESEARCH OF ALTERNATIVE METHODS OF ENSURING SAFE FLIGHTS ON THE RUSSIAN AVIATION TRANSPORT
Pliseina E. A., Vinokurova I. M., Ovchinnikova T. V.
Discusses the possible causes of problems on board aircraft. Possible ways to ensure the safety of the aircraft are proposed.
Key words: air crashes, technical malfunctions, innovations in aviation, safety
УДК 628.517.2
КОЭФФИЦИЕНТ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКОПОДАВЛЯЮЩИХ ОБЛЕГЧЁННЫХ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ПАНЕЛЕЙ (ЗОСП)
С.В. Попов, аспирант; В.Л. Мурзинов д-р техн. наук Воронежский государственный технический университет
В работе описывается эффективная звукоподавляющая панель. Для этой панели соотношение акустической характеристики и поверхностной плотности превосходит многие современные звукоизоляционные и звукопоглощающие материалы и конструкции. Данная работа посвящена моделированию коэффициента звукопоглощения новой звукоподавляющей панели. Показаны формулы для определения коэффициента звукопоглощения.
В настоящее время существует множество звукозащитных материалов и конструкций. Одним из направлений по созданию лёгких звукоподавляющих панелей может стать организация звуковых потоков внутри панели, направленных на взаимное подавление. Этого можно добиться, если разрабатывать конструкцию панели с учётом закономерностей процесса демпфирования и законов распространения звуковых потоков. Была разработана звукоподавляющая облегченная структурированная панель (ЗОСП-3) [2, 3] (рисунок 1), поверхностная плотность которой не превышает 2 кг/м2 (0,909 кг/м2).
370
Рисунок 1 - Элемент панели ЗОСП-3.
ЗОСП-3 обладает выраженными свойствами звукоизоляции и звукопоглощения, благодаря особенностям конструктивного исполнения. Подавление интенсивности звуковых волн осуществляется двумя физическими процессами: демпфированием [4] колебаний плоских элементов ЗОСП-3 окружающим воздухом и организацией внутри ЗОСП-3 встречных звуковых потоков с противофазой [5], что приводит к поглощению энергии звукового потока. Благодаря этому ЗОСП-3 обладает хорошими показателями звукопоглощения. Математическое моделирование коэффициента звукопоглощения было выполнено на основе анализа звуковых потоков внутри конструкции. Коэффициент звукопоглощения определяется из соотношения интенсивностей звуковых волн:
падающей ( J1), прошедшей ( J5), отраженной (J2 ) и погл ощенной ( Jn1+ Jn2 + Jn3 ) (рисунок 2) запишем
α = |
(Jn1 + Jn1 + Jn1) |
= |
J1 − (J2 + J5 ) |
=1− |
J2 + J5 |
. |
(1) |
|
|
||||||
|
J1 |
J1 |
J1 |
|
|||
Определение коэффициента звукопоглощения в соответствии с
(1) больше относится к изотропным материалам, лишенным ярко выраженной структуры. Для материалов имеющих регулярную структуру, состоящую из отдельных элементов, требуется более детальный подход для определения потоков звуковой энергии поглощенной, либо отраженной, либо прошедшей через всю структуру.
371
Используя подход представленный в статье [5] можно получить необходимые соотношения интенсивностей звуковых потоков. Энергия диссипации безвозвратно переходит в тепловую энергию окружающей среды. Величину этой энергии можно определить на основе коэффициента, учитывающего потери во всей структуре панели. В статье [7] получен коэффициент потерь
ε1 = |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
(2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
|
|
|||||||
1+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
4 |
|
|
2 |
2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
α |
+ |
|
Q |
||||
3 |
3 |
|||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||
и диффузный коэффициент звукопроницаемости, которыми обладает звукоподавляющая панель
|
|
τ1 |
= |
ln(1+Q2) |
, |
(3) |
|
|
|
Q2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
гдеQ = |
mp f |
– безразмерный |
комплекс; |
α1, mp |
– коэффициент |
||
ρc |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
звукопоглощения и поверхностная плотность листового материала, из которого изготовлены элементы панели ЗОСП-3; f – частота; ρ –
плотность воздуха; c – скорость звука в воздухе.
На рисунке 2 показана упрощённая схема ЗОСП-3 с выделением трех основных слоев листовых материалов. Коэффициент звукопоглощения определяется как отношение поглощенной или рассеянной энергии потока к энергии падающего звукового потока.
Выдвигается гипотеза, что поглощается энергия демпфирования колебательного движения листов 1, 2, 3 воздухом. Так же отраженная звуковая волна от листов 2 и 3, за счет противофазных составляющих в диффузном звуковом потоке, будет практически полностью погашена.
372
Рисунок 2 – Панель ЗОСП-3.
Звуковые потоки в структуре панели ЗОСП: 1 – лист, воспринимающий падающую звуковую волну; 2 – внутренний лист; 3
– лист, через который выходит звуковая волна; J1 – основной поток, падающий на лист 1; J2 – отраженный поток от листа 1; J3 – прошедший поток через лист 1; J1* – поток, падающий на лист 2; J4 – поток, прошедший через лист 2; J2* – поток, отраженный от листа 2; J1** – поток, падающий на лист 3; J2** – поток, отраженный от листа 3; J5 – поток, прошедший через лист 3; Jn1, Jn2, Jn3 – потери энергии на демпфирование окружающим воздухом, соответственно, листом 1, 2 и 3; h – толщина ЗОСП-3.
Общая поглощенная энергия в структуре панели ЗОСП-3 будет
JnΣ |
= Jn1 + Jn2 + Jn3 + J2* + J2**, или |
1 ) |
1 (1 |
1 ) (1 |
1 )] |
|||||||||
J nΣ |
|
J1[ 1 1 |
1 (1 |
1 ) 1 1 (1 |
1 ) |
1 1(1 |
1 )(1 |
|||||||
|
= |
|
τ ε + τ2 |
−ε ε + τ3 |
−ε 2 |
ε + τ |
−ε |
− τ |
+ τ2 |
−ε 2 |
− τ . |
|||
Коэффициент звукопоглощения ЗОСП-3 в целом определится |
||||||||||||||
следующим образом |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
α = |
JnΣ |
|
= 3τ13ε1 −3τ13ε12 +τ13ε13 +τ1 −τ13 = τ13(3ε1 −3ε12 +ε13 −1)+τ1 . (4) |
|||||||||||
J1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Окончательно (4) можно представить в виде
373
|
|
|
2 |
) |
3 |
ε − |
ε2 |
+ε3 |
− |
|
+ ln(1+Q |
2 |
). |
(5) |
|
α = ln(1+Q |
|
|
1) |
|
|||||||||||
|
Q |
2 |
|
|
|
(3 1 |
3 1 |
1 |
|
Q |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Экспериментальная проверка формулы (5) проводилась в открытом пространстве, со средним уровнем звука 28 дБ. Оценивалась интенсивность падающих, прошедших и отраженных звуковых волн через исследуемую панель ЗОСП-3. Звуковое давление воспринималось двумя микрофонами, соединенными с шумомером. Исследуемая панель ЗОСП-3 была установлена перпендикулярно горизонтальной плоскости. Расстояние между ее нижним краем и полом составляло 0,5 м. Динамик и микрофон располагались на одном уровне относительно пола, так что воображаемая горизонтальная линия, соединяющая их центры, проходила через центр исследуемой конструкции.
Результаты измерений и теоретические значения в виде кривой показаны на графике (рисунок 3).
Рисунок 3 - Теоретические и экспериментальные значения коэффициента звукопоглощения ЗОСП-3; основные характеристики
ЗОСП-3: mp = 0,08; кг/м2; h = 0,015 м; MP = 0,909 кг/м2.
Проверка эффективности звукоподавляющей панели ЗОСП-3 в сравнении с существующими звукозащитными материалами с жесткой структурой поводилась с помощью коэффициента эффективности звукопоглощения [1], представляющего собой отношение среднего коэффициента звукопоглощения панели к её поверхностной плотности
374
Kα = |
Nrc |
, |
(6) |
|
|||
|
M P |
|
|
где M P – поверхностная плотность панели, кг/м2. Nrc |
– средний |
||
коэффициент звукопоглощения, который может быть определен в соответствии с нормативным документом ASTM C 423-90a (США), согласно которому ищется среднее арифметическое значение коэффициентов звукопоглощения для частот речевого диапазона: 250, 500, 1000 и 2000 Гц.
Анализ полученных результатов показывает достаточную сходимость теоретических значений звукоизоляции и экспериментальных данных. ЗОСП-3 обладает повышенным звукопоглощением в октавных полосах средних и высоких частот. Панель ЗОСП-3 обладает структурной жесткостью, поэтому она может быть использована самостоятельно, как звукоизоляционное покрытие, так и в качестве наполнителя для каркасных панелей в различных кожухах, акустических экранах, перегородках строительных конструкций.
Литература 1. Мурзинов В.Л., Мурзинов П.В., Мурзинов Ю.В. Обзор
эффективности звукоподавляющих облегчённых структурированных панелей (ЗОСП) // Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 26-28 марта 2013 г., СПб/ Под ред. Н.И. Иванова. – Санкт-Петербург, 2013. – С. 606-616.
2.Патент 96884 РФ, МПК7 E04B 1/82, E04C 2/36. Звукоподавляющая структурированная панель / П.В. Мурзинов. – Опубл. 20.08.2010. – Бюл. №23.
3.Патент 99798 РФ, МПК7 E04B 1/82, E04C 2/36. Звукоподавляющая структурированная панель / П.В. Мурзинов. –
Опубл. 27.11.2010. – Бюл. №33.
4. Мурзинов П.В. Методика выбора листовых материалов для высокоэффективных звукозащитных панелей // Безопасность жизнедеятельности. –2011. – №3. – С.20-23.
375