4821

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.

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.

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