Архитектурно-строительная+акустика_24.03.14

31

Раздел III. СТРОИТЕЛЬНАЯ АКУСТИКА

3.1. Распространение шума в зданиях

Причиной шума в зданиях являются как внешние, так и внутренние источники. Внешние источники шума – автомобильный и железнодорожный транспорт, трамваи, самолеты, промышленные предприятия, трансформаторные подстанции и т.п. (поз. 6 рис. 3.1). Внутренние источники шума – это инженерное и санитарно-техническое оборудование, бытовые приборы, громкая музыка и т.п. (поз. 1 ÷ 5 рис. 3.1).

Рассмотрим основные источники шума и пути его распространения в здании.

Если источник шума не связан с конструкциями (громкоговоритель, разговор и т.п.) и передача звуковой энергии из одного помещения в другое происходит в результате колебания конструкции, разделяющей эти помещения, то такой шум называют воздушным (поз. 1 на рис. 3.1). Источниками воздушного шума являются бытовые приборы и оборудование, разговор людей.

Рис. 3.1. Распространение шума в здании:

1 – прямой путь распространения воздушного шума; 2 – прямой путь распространения ударного шума; 3 – косвенный путь распространения воздушного шума; 4 – косвенный путь распространения ударного шума; 5 – структурный шум; 6 – наружный шум

32

При ударах по конструкциям здания (ходьба, падение предметов и т.п) передача энергии происходит также за счет колебания этих конструкций и излучения звуковых волн в изолируемое помещение. Такой шум называется

ударным (поз. 2 на рис. 3.1).

Структурным называют шум при излучении его конструкцией, жестко связанной с каким-либо вибрирующим механизмом, например, насосными, вентиляционными и лифтовыми установками (поз. 3 рис. 3.1).

Пути передачи шума в изолируемое помещение могут быть прямыми (поз. 1 и 2 рис. 3.1) и косвенными (обходными) (поз. 3 и 4 рис. 3.1). Косвенная передача шума возможна из-за того, что колебания, вызванные воздушным или ударным шумом, распространяется по смежным конструкциям, которые излучают шум в помещения, расположенные даже на значительном расстоянии от источника.

3.2. Звукоизоляция ограждающих конструкций

Существуют два основных метода борьбы с шумом – снижение шума в источнике его возникновения и применение эффективных звукоизолирующих конструкций.

Первый путь заключается в применении менее шумного оборудования в зданиях, установке дополнительных виброизоляторов и глушителей шума на это оборудование, а также в снижении интенсивности транспортных потоков снаружи здания. Однако данные мероприятия не всегда выполнимы, поэтому основным методом борьбы с шумом является применение звукоизолирующих ограждающих конструкций.

Фактическая звукоизоляция конструкции (т.е. звукоизоляция с учетом косвенной передачи звука) практически всегда меньше звукоизоляции рассматриваемой конструкции, измеренной в лабораторных условиях (собственной звукоизоляции). Однако фактическая звукоизоляция конструкции зависит от очень многих факторов (материала примыкающих ограждений, жесткости стыков между строительными конструкциями и пр.), поэтому практический расчет ее весьма сложен. В связи с этим в дальнейшем будем рассматривать лишь прямые пути передачи звуковой энергии.

Звукоизоляцией конструкций без учета косвенной передачи звука является величина

где – коэффициент прохождения звука, который является основной характеристикой звукоизоляции и показывает количество звуковой энергии, прошедшей через рассматриваемое ограждение.

Единица измерения звукоизоляции, также как и уровней звукового давления – децибел (дБ).

33

3.2.1. Закон массы. Явление волнового совпадения

Основное влияние на прохождение звука оказывают изгибные волны. Они образуются, если толщина конструкции меньше 1/6 длины звуковой волны на рассматриваемой частоте. Строительные ограждающие конструкции, наиболее часто применяемые в строительстве, удовлетворяют этому условию практически во всем нормируемом диапазоне частот.

Звуковые волны, падающие на конструкцию, приводят ее в колебательное движение. На низких частотах вблизи частот собственных колебаний ограждения возникают резонансные явления, и звукоизоляция в основном зависит от внутреннего трения в материале конструкции. Для строительных ограждающих конструкций этот диапазон лежит, как правило, на частотах ниже 100 Гц.

На более высоких частотах колебательное движение конструкции определяется в основном ее массой. Первое теоретическое рассмотрение прохождения звука через однослойную преграду было выполнено Рэлеем. Им был создан метод расчета звукоизоляции, названный законом массы. Закон массы гласит:

при удвоении массы конструкции (на одной постоянной частоте) или частоты звука (при постоянной массе) звукоизоляция возрастает на 6 дБ (рис. 3.2).

Звукоизоляция конструкции в соответствии с законом массы (при нормальном падении звука) равна:

где m – поверхностная плотность ограждения (или масса одного квадратного метра ограждения в кг/м2);

35

вынужденные колебания с незначительным излучением звуковой энергии. С увеличением частоты звука уменьшается длина звуковой волны. Наконец, при определенной частоте звука fГР (граничной частоте) длина изгибной волны λИ будет равна проекции длины звуковой волны λ, т.е. произойдет волновое совпадение (рис. 3.3):

λИ= λ/sinθ.

Это явление впервые было исследовано и теоретически обосновано Л. Кремером в 1942 году. В отличие от обычного резонанса, характеризуемого совпадением частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний конструкции, здесь имеет место совпадение геометрических параметров. При этом распределение звукового давления в падающей волне вдоль ограждения точно соответствует распределению амплитуд собственных колебаний для той же частоты. Это приводит к интенсивному росту колебаний конструкции и к резкому снижению звукоизоляции (провал в частотной характеристике звукоизоляции на рис. 3.4).

R, дБ

закон массы

fГР

f, Гц

Рис. 3.4. Частотная характеристика звукоизоляции однослойной пластины по Л. Кремеру

Граничную (или наименьшую) частоту, с которой может возникнуть волновое совпадение, определяют для угла падения звука θ = 90º, т.е. для случая касательного падения звука. Для сплошных конструкций можно определить по формуле:

где m – поверхностная плотность ограждения (кг/м2); с – скорость звука в воздухе (м/с); D – цилиндрическая жесткость конструкции, определяемая по выражению:

где Е – модуль упругости материала конструкции, Па; h – толщина конструкции, м; ν – коэффициент Пуассона.

36

Закон массы даже с учетом явления волнового совпадения недостаточно точен для практических расчетов. Поэтому при реальном проектировании для определения звукоизоляции строительных конструкций применяется другие методы. Частотную характеристику звукоизоляции ограждений можно либо рассчитать теоретически, либо получить экспериментально с помощью измерений.

3.2.2. Экспериментальный метод определения звукоизоляции ограждающих конструкций

Экспериментальные измерения звукоизоляции ограждающих конструкций могут проводиться в натурных условиях, т.е. на реальных ограждениях, смонтированных в конкретном здании, или в лабораторных условиях.

При натурных измерениях определяют фактическую изоляцию шума, например, внутренней перегородкой с учетом множества обходных, косвенных путей передачи звука через соседние окна, двери, различные коммуникации.

При измерениях в лабораторных условиях создаются специальные условия, практически полностью исключающие возможность косвенной передачи, и звук проходит только через исследуемое ограждение. При этом определяется собственная звукоизоляция ограждающей конструкции.

В соответствии с требованиями ГОСТ 27296-87 «Звукоизоляция ограждающих конструкций. Методы измерения» измерения изоляции воздушного шума ограждениями должны проводится в двух смежных реверберационных камерах (т.е. в помещениях с хорошо отражающими звук поверхностями), между которыми и устанавливается исследуемый образец.

Камеры должны быть хорошо изолированы от внешних источников шума и вибрации, чтобы снизить влияние помех на измерения. В лаборатории акустики ННГАСУ большие реверберационные камеры, в которых проводятся эксперименты, имеют объемы 150 и 74 м3. Они представляют собой два помещения полностью изолированных друг от друга и выполненных на самостоятельных фундаментах, что практически исключает косвенную передачу звука между ними (рис. 3.5). Для того чтобы звуковое поле в измерительных камерах было диффузное (т.е. равномерное по всему объему и по времени), стены выполнены под различными углами. В одной из стен между камерами выполнен проем для установки образцов конструкций.

Вкамере объемом 150 м3 установлена система из шести звуковых колонок «Tesla» мощностью 100 Вт каждая, что позволяет создавать уровни звукового давления до 120 дБ на некоторых частотах. Звуковые колонки подключены

кгенератору шума через частотные фильтры. Эта камера называется камерой высокого уровня (сокращенно – КВУ).

Всоседней камере производятся измерения уровней звука, прошедшего через образец. Эта камера называется камерой низкого уровня (сокращенно – КНУ). Уровни звукового давления измеряются с помощью шумомера, к которому подключены микрофоны.

37

ПЛАН НА ОТМ. 0,000

РАЗРЕЗ 1 - 1

Рис. 3.5. Большие реверберационные камеры лаборатории акустики ННГАСУ:

1 – камера высокого уровня (V = 150 м3); 2 – камера низкого уровня (V = 74 м3); 3 – камера низкого уровня, (V = 81 м3); 4 – заглушенная камера; 5 – аппаратная; 6 – упругие прокладки; Д-7 – пятислойные двери с листами свинца

38

Эксперимент по измерению звукоизоляции исследуемой ограждающей конструкции включает в себя несколько этапов.

1.Установка образца в проеме между камерами. Обычно для этого используется гипсовый раствор или пластилин, с помощью которых необходимо герметично заделать все швы по периметру образца.

2.Измерение собственных шумов (уровней звукового давления помех) в

КНУ.

3.Создание в КВУ диффузного звукового поля с помощью динамиков и непосредственное измерение уровней звукового давления в КНУ. Как правило,

вКВУ создается уровень 90 ÷ 110 дБ, который устанавливается по контрольному микрофону в одной из точек.

Уровни звукового давления в КНУ измеряются в шести точках. Измерения ведутся в третьоктавных полосах частот со 100 Гц до 3150 Гц: 100; 125;

160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150 Гц.

После проведения измерений полученные данные для каждой из частот усредняются по формуле:

где L2 – средние уровни звукового давления в КНУ, дБ; Li – уровень звукового давления в точке i, дБ; n – количество точек измерений (6 точек).

Таким образом, для каждой частоты мы будем иметь уровни звукового давления в КНУ, усредненные по объему.

4.Для определения звукоизоляции ограждающей конструкции также необходимо знать время реверберации в звукоприемном помещении. При измерении времени реверберации звуковое поле создается в КНУ (уровни порядка 100 дБ). Затем, при отключении динамиков уровень звукового давления начинает спадать, и этот спад записывается на ленту самописца. Измерения ведутся по всем частотам в трех точках КНУ с последующим усреднением.

5.После обработки измеренных данных для каждой частоты вычисляется собственная звукоизоляция исследуемой ограждающей конструкции (дБ) по формуле:

где L1 – средний уровень звукового давления в КВУ, дБ; L2 – то же в КНУ, дБ; S – площадь конструкции, м2; А – эквивалентная площадь звукопоглощения (м2) в КНУ, определяемая по формуле:

A 0,163 V ,

T

где V – объем КНУ, м3; Т – время реверберации в КНУ с установленным образцом, с.

39

Таким образом, формула принимает вид:

По вычисленным значениям R строится частотная характеристика звукоизоляции измеренного ограждения в нормируемом диапазоне частот от 100 до

3150 Гц.

Окончание курса будет опубликовано позже.