Шумозахисні екрани для зниження рівнів звукового тиску від рухомих джерел звуку

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 534.26

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ШУМОЗАХИСНІ ЕКРАНИ ДЛЯ ЗНИЖЕННЯ РІВНІВ ЗВУКОВОГО ТИСКУ ВІД РУХОМИХ ДЖЕРЕЛ ЗВУКУ

Київ - 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України на кафедрі акустики та акустоелектроніки.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Дідковський Віталій Семенович,

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» (м. Київ), завідувач кафедри акустики та акустоелектроніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кебкал Костянтин Георгійович,

Науково-дослідний центр Збройних сил України «Державний океанаріум» (м. Севастополь), старший науковий співробітник;

кандидат технічних наук, Моргун Ігор Олегович,

Національна академія Служби безпеки України (м. Київ), заступник завідувача кафедри № 18.

Захист відбудеться « __ » травня 2013 р. о _____ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19 в НТУУ «КПІ» за адресою 03056,
м. Київ-56, просп. Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 412.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ «КПІ» за адресою:

03056, м. Київ-56, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий « __ » квітня 2013 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент В.Б. Швайченко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З кожним роком питання екології в світі стають все гострішими і їх вирішенню приділяється все більше уваги. Серед них, одним із найбільш проблемних є питання зниження шуму на сельбищних територіях та в місцях постійного перебування людей, оскільки за ступенем негативного впливу на здоров'я людини надмірні рівні шуму стоять поруч із забрудненням води та атмосфери.

Найбільшими джерелами надмірного шуму є промислові підприємства, будівельні майданчики та транспортні потоки. Саме транспортні магістралі, покривають 65-75% площі території з надмірними рівнями шуму у великих містах, а в селах, що розташовані вздовж автомагістралей, є взагалі єдиним джерелом надмірного шуму.

Також несприятливим є і той факт, що інтенсивність транспортних потоків з кожним роком збільшується, що приводить до зростання рівнів звуку. Так, проектні розрахунки, які виконуються фахівцями Укравтодору, свідчать про те, що інтенсивність руху на основних автомагістралях збільшиться втричі за наступні 20 років.

Численні вимірювання, проведені автором в рамках робіт виконуваних лабораторією будівельної та архітектурної акустики ДП НДІ будівельних конструкцій показують, що рівні шуму, створювані транспортними потоками сягають значень 80-90 дБА, що на 25-35 дБА більше допустимих значень, встановлених нормативними документами для сельбищної території в денний час доби.

До найбільш очевидних проблем зі здоров'ям, що викликані надмірними рівнями шуму слід віднести втомлюваність, подразливість, головні болі, безсоння тощо. Однак, дослідження європейських вчених показали, що постійне перебування людей в зонах з надмірним шумом призводить також до збільшення вірогідності виникнення серцево-судинних хвороб, зокрема інфаркту міокарда, погіршенню функціонування травневої системи та системи обімну речовин.

Аналіз заходів зменшення шуму показує, що найбільш ефективним заходом є встановлення шумозахисних екранів. За своєю конструкцією шумозахисні екрани виконують у вигляді тонких суцільних стінок, що встановлюються вздовж автомобільних доріг й знижують рівні шуму на території, яка знаходиться за ними. Дослідження впливу різних конструктивних параметрів екрана та взаємного розташування джерела звуку екрана та зони, що захищається від шуму почалося з 50-их років минулого століття й продовжується до наших днів, про що свідчать численні публікації. В минулі роки цими питаннями займалися З.Маекава, Р. Фосс, У. Курц, Г. Андерсон, Г. Осипов, зараз - Р. Monouemu, І. Шубін, В.Грінченко, І. Вовк. До останнього часу в нашій країні, не дивлячись на чинні нормативні документи, що прямо вказували на необхідність використання таких засобів зниження шуму, як шумозахисні екрани, їх спорудження майже не відбувалось.

Основна маса публікацій, присвячена розрахункам ефективності шумозахисних екранів, ґрунтується або на експериментальних дослідженнях виконаних Маекавою та його учнями в кінці 60-х - на початку 70-х років, або на наближених чисельних методах. Однак результати розрахунків отримані за допомогою цих методів при їх використанні для низьких частот часто мають великі розбіжності з результатами натурних вимірювань.

Тому питання оцінки ефективності шумозахисних екранів в залежності від його конструктивних параметрів, а також збільшення його ефективності, на сьогоднішній день є вкрай важливою та актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження, результати яких викладені в дисертації, пов'язані з науковими тематиками та планами кафедри акустики та акустоелектроніки НТУУ "КПІ, а також використовувались при виконанні НДР держбюджетних тем Міністерства регіонального будівництва України: «Розробка проекту ДСТУ «Конструкції будинків і споруд. Звукоізоляція огороджувальних конструкцій. Методи випробування»» (ДР № 0108U003536) і «Розробка проекту ДСТУ «Конструкції будинків і споруд. Звукоізоляція огороджувальних конструкцій. Методи оцінювання»» (ДР № 0111U003541) та держбюджетних тем Міністерства регіонального розвитку, будівництва та житлово-комунального господарства України «Розроблення проекту ДБН на заміну СНиП ІІ-12-77 «Защита от шума»» (ДР № 0112U003611) і «Розроблення проекту ДСТУ-Н «Настанова з розрахунку і проектування засобів захисту сельбищної території від шуму»» (ДР № 0112U003601).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей зміни ефективності шумозахисних екранів від їх конструктивних параметрів та геометричного розташування й пошук шляхів підвищення їх ефективності.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- дослідити вплив геометричних параметрів шумозахисних екранів, зокрема його висоти та кута нахилу на його акустичну ефективність;

- якісно оцінити зміну ефективності шумозахисних екранів в залежності від координат розрахункової точки, виявити напрямки максимальної та мінімальної ефективності;

- шляхом розв'язання задач математичної фізики одержати аналітичні співвідношення для оцінки ефективності екранів в низькочастотній області, провести інструментальні дослідження ефективності шумозахисних екранів на моделях та в натурних умовах;

- розробити спосіб оцінки ефективності звукопоглинальних шумозахисних екранів;

- розробити спосіб врахування кількості смуг руху транспортних засобів та їх геометричне розташування по відношенню до шумозахисного екрана, для оцінки ефективності шумозахисного екрана;

- шляхом комп'ютерного моделювання оцінити вплив кінцевої звукоізоляції шумозахисного екрана на його ефективність.

Об'єктом дослідження є явище зниження рівнів звуку шумозахисними екранами.

Предметом дослідження є акустичні властивості шумозахисних екранів.

Методи дослідження. Проведені дослідження ґрунтуються на використанні методів математичної фізики, а саме: рівняння Гельмгольца для розрахунку акустичного поля навколо екрана та рівняння Лапласа для врахування локальних особливостей поля на ребрі. Для проведення чисельних досліджень за розробленими методиками розв'язку задач використано програмний продукт Matlab. Математичне моделювання відбувалось в програмному середовищі Comsol. Для оцінки адекватності отриманих розв'язків за стандартними методиками проведено натурні вимірювання та вимірювання на моделях.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше побудована узагальнена математична модель і розв'язана задача дифракції звуку, що випромінюється нескінченним лінійним джерелом, на жорсткій півплощині в акустично жорсткому клині з довільним кутом;

- вперше враховано факт прямування до нескінченності коливальної швидкості в околі ребра при побудові розв'язку задачі про знаходження ефективності шумозахисних екранів методом часткових областей;

- розроблено метод, що дає можливість оцінювати ефективності звукопоглинальних шумозахисних екранів;

- одержані якісні оцінки ефективності шумозахисних екранів в широкому діапазоні частот. Виявлено складну функціональну залежність ефективності екранування від розмірів і взаємного розташування екрана та зони, що потребує захисту;

- отримав подальший розвиток метод кінцевих елементів для розрахунку ефективності екранів кінцевої звукоізоляції, які використовують в інженерній практиці.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

- можливості оцінки акустичних властивостей екрана кінцевої висоти з урахуванням відбиттів від проїжджої частини;

- обґрунтованості використання звукопоглинальних шумозахисних екранів;

- встановленні кількісних зв'язків між конструктивними параметрами шумозахисних екранів та їх акустичними властивостями;

- створенні нормативної бази в галузі будівельної акустики та захисту від шуму;

- розробленні реальних акустичних проектів шумозахисних екранів, що впроваджуються в Україні.

Отримані й описані в даній роботі результати досліджень, вимірювань та розрахунків знайшли своє відображення в чинних нормативних документах рівня національного стандарту в галузі будівельної акустики та захисту від шуму, зокрема в таких як:

- ДСТУ Б.В.2.6-86 Конструкції будинків і споруд. Звукоізоляція огороджувальних конструкцій. Методи вимірювання;

- ДСТУ Б.В.2.6-85 Конструкції будинків і споруд. Звукоізоляція огороджувальних конструкцій. Методи оцінювання;

- ДСТУ Б.В.2.7-183 Будівельні матеріали. Матеріали та вироби будівельні звукопоглинальні і звукоізоляційні. Класифікація й загальні технічні вимоги;

- ДСТУ Б.В.2.7-184:2009 Будівельні матеріали. Матеріали звукоізоляційні і звукопоглинальні. Методи випробувань.

Результати роботи було впроваджено в роботах пов'язаних з розробленням рекомендацій по проектуванню шумозахисних екранів виконаних ДП НДІ будівельних конструкцій за участю автора:

- Висновок за результатами розрахунку очікуваних (прогнозованих) рівнів шуму на території рекреаційної зони, прилеглої до Подільського мостового переходу, що будується через р. Дніпро у м. Києві, при спорудженні на ньому шумозахисного екрана;

- Звіт про науково-технічну роботу «Рекомендації по зниженню шуму транспортного потоку автодороги Луцьк-Рівне на сельбищній території с. Бронніки Рівненської обл.»;

- Звіт про науково-технічну роботу «Рекомендації по зниженню шуму транспортних потоків автомобільної дороги М-05 Київ-Одеса на сельбищній території с. Здорівка Київської обл.»;

- Звіт про науково-технічну роботу «Рекомендації по зниженню шуму автотрансформатора потужністю 200 МВА ПС 330 кВ «Севастополь» на прилеглій території житлової забудови у м. Севастополь»;

- Рекомендації по зниженню рівнів шуму охолоджувальних агрегатів, встановлених на покрівлі будинку ПАТ «УКРЕКСІМБАНК» по вул. Горького, 127 (м. Київ).

Отримані результати можуть використовуватись в практиці НДІ та КБ, які проектують шумозахисні екрани, та у навчальному процесі вищих навчальних закладів України, у т.ч. НТУУ «КПІ», при підготовці інженерів-акустиків.

Особистий внесок здобувача.

Подані до захисту теоретичні й практичні результати належать здобувачеві особисто, що відображено в самостійній роботі [11]. В опублікованих роботах, які виконані разом із співавторами, особистий внесок здобувача полягає в проведенні інструментальних вимірювань [1,2,7-9], обробці та аналізу отриманих результатів [3,14] і проведенні необхідних розрахунків[4-6,10,12,13].

Апробація результатів дисертації. Результати наукових досліджень, що ввійшли в дисертацію, доповідалися на міжнародних конференціях «Електроніка та нанотехнології», Київ, 2010, 2011; первой международной научно-технической конференции «Информационные проблемы теории акустических, радиоэлектронных и телекоммуникационных систем» IPST-2012», Алушта, 2012; іноземній міжнародній конференції «Digital Preservation and Presentation of Cultural and scientific Heritage», Veliko Tarnovo, Bulgaria, 2011, і наукових семінарах кафедри акустики та акустоелектроніки 2007-2012 р.р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 наукових праць, з них 11 в провідних фахових виданнях України, 1 у іноземному фаховому виданні, 4 державних стандарти України.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 114 найменувань та 4 додатків. Робота містить 64 рисунка та 2 таблиці. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 182 сторінки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційного дослідження, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено новизну отриманих результатів та їх практичне значення.

Перший розділ присвячено аналізу засобів зменшення шуму рухомих джерел, розглянуто методи розрахунку ефективності шумозахисних екранів.

Відомо декілька методів боротьби з транспортним шумом:

- розміщення дороги подалі від зони, що захищають від шуму;

- зменшення інтенсивності руху транспортних засобів;

- розташування між дорогою та територією, що захищають від шуму, зони зелених насаджень;

- створення штучних або використання природних ландшафтних утворень (виїмки, ґрунтові насипи тощо);

- розташування між транспортною магістраллю та територією, що захищається, шумозахисних екранів, галерей тощо.

Найбільш ефективним на даний час засобом зменшення шуму є встановлення шумозахисних екранів.

Найпростіший шумозахисний екран представляє собою суцільну вертикальну стінку, що встановлена вздовж дороги. За своєю конструкцією такі екрани поділяють на:

- світлопрозорі та непрозорі;

- звуковідбивні, звукопоглинальні та комбіновані;

- зі спеціальної верхньою кромкою або без неї.

Перший аспект не впливає на їх акустичну ефективність, а лише покращує естетичну привабливість, однак від другого та третього аспекту суттєво залежить акустичне поле, що розсіює відповідний тип екрана.

Світлопрозорі екрани виготовляють із прозорих композитних матеріалів та загартованого скла. Їх застосовують для покращення огляду необхідного для безпечного руху транспорту, при створенні екранів що проходять вздовж мальовничих місцевостей тощо.

Звуковідбивальні екрани будують з цегли, сандвіч-панелей, з різних листових матеріалів (метал, деревина тощо), що мають стійкі до атмосферних впливів властивості.

Звукопоглинальні екрани будують здебільшого також із сандвіч-панелей, що мають перфоровану лицьову сторону та внутрішній звукопоглинальний матеріал у вигляді мінеральної вати. Вата має високий коефіцієнт звукопоглинання в широкому діапазоні частот, що призводить до майже повного поглинання звуку самим екраном. Такі типи екранів встановлюють для зменшення відбитого від екрана звуку у випадках, коли екрани встановлюють з обох боків дороги або коли на протилежному від екрана боку дороги знаходиться територія, яка повинна мати нормовані рівні звукового тиску.

Всі дослідження, що було проведено в даній області, можна поділити на три великі групи:

- теоретичні методи точні та методи з використанням наближень;

- експериментальні, які були зроблені на моделях та на реальних об'єктах;

- чисельні моделювання, що набули поширення в останнє десятиріччя.

На початку ХХ століття була створена і набула широкого застосування, як в оптиці так і в акустиці теорія дифракції Френеля - Кірхгофа. Згідно цієї теорії для точкового джерела та напівнескінченого тонкого екрана зниження рівня звукового тиску визначають за виразом:

,

де та - інтеграли Френеля;

- параметр, що визначають згідно рис. 1 та виразу

,

де - довжина звукової хвилі.

Рис. 1. Параметри, що впливають на ефективність екрана згідно теорії дифракції Френеля-Кірхгофа

Формула (1) має високу точність в оптиці, але не в акустиці. В оптиці довжини хвиль значно менші, ніж відстані від джерела до приймача. В акустиці, інколи відстані на яких розглядається задача, мають один і той же порядок значень з довжиною, а інколи довжина хвилі, навіть, більша за відстань між джерелом та приймачем звуку.

Аналіз літературних джерел показав, що найбільш вживаною серед авторів публікацій є методика оцінки ефективності екрана запропонована японським дослідником З. Маекавою в 1965 р. Він проводив експериментальні дослідження дифракції звуку на тонкому жорсткому екрані в лабораторних умовах.

За результатами досліджень З. Маекавою було запропонована емпірична формула для знаходження ефективності напівнескінченного екрана для

,

де - число Френеля;

верхню кромку екрана до розрахункової точки, та відстанню між джерелом звуку та розрахунковою точкою.

Пізніше було доведено, що вираз (3) є першим членом асимптотичної формули, виведеної Дж. Келлером з геометричної теорії дифракції. Для повного діапазону частот У. Курц та Г. Андерсон запропонували користуватися формулою

.

Пізніше проводилось багато удосконалень даної формули, але всі вони зводилися до того, що для ефективність екрана є функцією зростаючою.

Крім акустично жорстких екранів, розглядались й різні моделі звукопоглинальних екранів, ефективність яких в цілому вища за акустично жорсткий (рис. 2). Однак всі ці значення отримані наближеними методами.

Рис. 2. Рівні звукового тиску в зоні тіні для різних типів екранів

Акустично м'який екран

Найбільш математично точним методом, який знайшов своє застосування в останній час, є метод часткових областей, що був розроблений вітчизняними вченими В. Грінченком та І. Вовком. Однак його застосування до цього часу для знаходження ефективності шумозахисних екранів було не позбавлено деяких недоліків, зокрема:

- в ході розв'язку, так звана «умова на ребрі» не враховувалася;

- отримані величини ефективності екрана сягають 50 - 60 дБ, що є практично недосяжним показником, так як різко відрізняється від реальних значень, що визначаються шляхом інструментальних вимірювань;

- розрахункове акустичне поле при застосуванні шумозахисного екрана має яскраво виражену інтерференційну картину, що не підтверджується великою кількістю експериментальних досліджень на фізичних моделях та в натурних умовах.

Незважаючи на вказані недоліки, розроблений вітчизняними вченими метод часткових областей є найбільш перспективним методом знаходження ефективності екрана. Даний метод дозволяє знаходити поле від лінійного джерела звуку та враховувати відбиття звуку від проїжджої частини дороги перед екраном. Удосконалення цього методу для знаходження ефективності екранів в загальному випадку проведено в даній роботі.

Другий розділ присвячено аналітичному визначенню полів за наявності акустично жорсткого шумозахисного екрана методом часткових областей, а також моделюванню поля звукопоглинального шумозахисного екрана та аналізу їх ефективностей.

Акустично жорсткими вважають екрани, що виготовлені з таких матеріалів як сталь, полікарбонат, плексиглас, цегла, різні види бетону тощо. Для всіх цих матеріалів коефіцієнт звукопоглинання не перевищує 0,1 для низько- та середньочастотного діапазону. Акустичний імпеданс цих матеріалів значно (на 3-4 порядки) перевищує імпеданс середовища в якому поширюється звукова хвиля, і тому моделлю звуковідбивального екрана можна вважати акустично жорстку поверхню. На даній поверхні коливальна швидкість дорівнює нулю.

Шумозахисні екрани можуть виконуватися як вертикальними, так і з нахилом, а також мати різні форми за профілем поперечного перерізу. Будемо розглядати лише шумозахисні екрани-стінки, що в поперечному перерізі мають форму тонкого прямокутника, ширина якого значно менша за висоту.

Проїжджа частина для автомобільного транспорту в переважній більшості є бетонною, асфальтобетонною чи асфальтовою. Всі ці матеріали є досить щільними та мають великий, в порівнянні з повітрям, акустичний імпеданс. Тож надалі будемо вважати, що проїжджа частина, тобто поверхня над якою розташоване джерело звуку є акустично жорсткою. Крім того вважаємо, що поверхня дороги є горизонтальною.

Поверхню землі або поверхню за екраном, будемо вважати також акустично жорсткою. Вона може бути горизонтальною, похилою (відкоси, естакади) або взагалі її може не бути (мостові переходи, віадуки).

Таким чином, необхідно знайти акустичне поле в довільній точці P(r;и), що створюється джерелом звуку S(rS;иS), у вигляді нескінченно довгого циліндру, радіус якого значно менший за довжину хвилі. Дане джерело звуку працює на нульовій моді коливань (є пульсуючим) з круговою частотою і знаходиться на відстані над акустично твердою площиною. Акустично твердий екран висотою , що розташовано на відстані від джерела звуку з нахилом (під кутом до горизонталі). За екраном розташована акустично тверда площина з довільним нахилом (кут ) (рис.3).

Рис. 3. Розрахункова геометрична модель акустично жорсткого екрана

Вся область відповідно до методу часткових областей розбивається на три канонічні області в кожній із яких розв'язується рівняння Гельмгольца з урахуванням граничних умов

,

де - швидкість звуку в середовищі;

- відстань від розрахункової точки P до основи екрана O (рис. 3);

- кут між лінією, що з'єднує розрахункову точку і основу екрана та поверхнею, що моделює дорогу;

- потенціал швидкості.

Використовуючи умови спряження на границях областей за силовою та кінематичною складовою

,

,

де - кут нахилу екрана;

- кут нахилу поверхні за екраном (рис. 3),

отримуємо нескінченну систему алгебраїчних рівнянь, яку розв'язують методом редукції.

,

де - невідомі коефіцієнти, відносно яких розв'язують систему рівнянь;

- інтегральні вирази отримані при використанні умови ортогональності функцій;

- коефіцієнт, що залежить від кута сектору кожної області.

Однак, при розв'язку такого типу задачі математичної фізики виникає неоднозначність, якщо граничні поверхні мають геометричні сингулярності, наприклад, ребра. Додаткова фізична умова, необхідна для однозначного визначення розв'язку, полягає у тому, що енергія поля в кінцевому об'ємі поблизу ребра має бути скінченною.

За допомогою відомого метода, що полягає в знаходженні закону зменшення коефіцієнтів розкладу з ростом їх номера, визначається закон асимптотичних виразів, що дає можливість знайти зв'язок між фактом наявності локальної особливості та характером збіжності рядів

,

де і - параметри, що залежать від кількості невідомих коефіцієнтів та відповідно, що утримуються при редукції системи;

- інтеграл Френеля.

а)

Використання асимптотичних виразів дозволяє позбавитися від можливої неоднозначності у розв'язку системи рівнянь методом редукції. При цьому замість нескінченої системи рівнянь (8) отримуємо кінцеву систему рівнянь, яка відрізняється від аналогічної системи отриманої методом редукції лише коефіцієнтами та . Розв'язок такої системи дозволяє знаходити всі невідомі коефіцієнти.

В результаті розв'язку задачі отримано акустичне поле без екрана (рис. 4а) та з екраном (рис. 4б).

б)

Рис. 4. Акустичне поле від лінійного джерела звуку, що знаходиться над акустично жорсткою півплощиною на висоті 0,3 м.

а) - без екрана; б) - з акустично жорстким екраном висотою 5 м

Ефективність екрана визначено за виразом:

,

де - рівні звукового тиску поля без екрана та з екраном;

- деяка опорна величина, в даному випадку дорівнює 1 Па;

- звуковий тиск поля без екрана та з екраном.

На основі розв'язку задачі для акустично жорсткого екрана запропоновано спосіб визначення ефективності звукопоглинального шумозахисного екрана відповідно до виразу

,

де - потенціал швидкості при падінні звукової хвилі на акустично жорстку границю;

- потенціал швидкості при падінні звукової хвилі на акустично м'яку границю. шумозахисний екран акустичний кут

Алгоритм розв'язку задачі для акустично м'якої поверхні екрана аналогічний до задачі з акустично жорстким екраном.

а)

б)

Рис. 5. Поле ефективності шумозахисних екранів висотою 5 м.

а) - акустично жорсткий екран; б) - звукопоглинальний екран

Дані розв'язки дозволяють знаходити ефективність акустично жорсткого та звукопоглинального екранів (рис. 5) в широких межах частот від 31 Гц до 500 Гц, за різних висот екранів та їх кутів нахилу. Саме в цьому діапазоні частот знаходяться максимальні рівні звукового тиску потоків рухомих джерел звуку.

Встановлено, що

1) в усіх випадках ефективність екрана не є монотонною функцією для , як стверджував З. Маекава;

2) зміна висоти екрана, кута нахилу екрана, частоти звуку, відстані між екраном і джерелом звуку не впливає на наявність в зоні тіні області максимальної і області мінімальної ефективності;

3) область максимальної ефективності екрана лежить в межах від до й суттєво залежить від частоти звуку, кута нахилу екрана та відстані між джерелом звуку та екраном, однак майже не залежить від висоти екрана;

4) область мінімальної ефективності суттєво залежить від частоти звуку та кута нахилу екрана, однак майже не залежить від висоти екрана та відстані між екраном та джерелом звуку. Область мінімальної ефективності лежить в межах від до й при збільшенні вище згаданих параметрів прямує до 270;

5) ефективність екрана збільшується при збільшенні висоти екрана і частоти та зменшенні відстані між екраном і джерелом звуку;

6) для переважної більшості напрямків ефективність екрана збільшується при нахиленні (в межах ) екрана до джерела звуку, однак існують й такі області за екраном де ефективність вертикального екрана чи нахиленого в бік території, що потребує шумозахисту, може бути більшою. Тому, кут нахилу екрана є тим конструктивним параметром змінюючи який, можна досягти збільшення ефективності екрана без збільшення його висоти;

7) зміна кута нахилу акустично жорсткої півплощини за екраном суттєво впливає на конфігурацію поля ефективності. На малих кутах спостерігається інтерференційна картина, що обумовлена дифрагованим звуком від верхньої кромки екрана та відбитим звуком від акустично жорсткої площини за екраном. Однак даний ефект зникає для кутів півплощини більших за 90(), так як відбита хвиля від цієї площини зазнає повторної дифракції на ребрі клину і її вплив на акустичне поле значно зменшується;

8) акустичне поле між звукопоглинальним екраном та джерелом звуку майже не зазнає змін, що вказує на відсутність відбитого від екрана звукового поля;

9) ефективність звукопоглинального шумозахисного екрана в цілому на 2-4 дБ більша, ніж акустично жорсткого;

10) збільшення ефективності екрана за рахунок звукопоглинання найбільше проявляється для великих кутів звукової тіні та для точок, що знаходяться якнайближче до екрана.

В третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень ефективності шумозахисних екранів в лабораторних (рис. 6) та натурних умовах (рис. 7).

Рис. 6. Фізична модель транспортного потоку з шумозахисним екраном Рис. 7. Шумозахисний екран в м. Харкові

Для визначення акустичних властивостей різних будівельних конструкцій, конструктивних архітектурних елементів часто користуються дослідженнями на моделях.

Використання моделей дозволяє значно зекономити матеріальні витрати на побудову досліджуваної конструкції, а також дозволяє оперативно вносити корективи у конструкцію та знаходити найбільш оптимальні параметри.

Метою експериментальних досліджень було визначення ефективності шумозахисних екранів при зміні висоти екрана, частоти звуку та геометричного розташування точок за екраном.

Методика вимірювань відповідала вимогам ГОСТ 23337-78 та ГОСТ 20444-85. Засоби вимірювальної техніки мали чинні свідоцтво про державну метрологічну повірку.

Результати лабораторних досліджень на моделі вказують на наступне:

- зі збільшенням частоти звуку ефективність екрана зростає незалежно від його висоти;

- зі збільшенням висоти екрана його ефективність збільшується в усіх точках в зоні акустичної тіні;

- ефективність екрана зі збільшення кута тіні збільшується, до деякого напрямку - напрямку максимальної ефективності, після чого, при подальшому збільшенні кута тіні, ефективність екрана зменшується.

Подібна поведінка поля ефективності повністю відповідає полю отриманому в результаті розрахунку в другому розділі дисертації.

Натурні експерименти проводилися для чотирьох екранів, основні параметри яких наведено в табл.1

Таблиця 1.

Об'єкт	Матеріал	Висота екрана h, м	Відстань до ближньої осі руху, м / кількість смуг руху	Відстань від екрана до точок вимірювання, м
Екран № 1	Сандвіч-панель	3,0	5,5 / 6	2; 7; 16
Екран № 2	Сандвіч-панель	5,5	10 / 3	5; 75
Екран № 3	Комірковий полікарбонат	3,0	5,5 / 4	2; 7; 23
Екран № 4	Литий полікарбонат	2,2	4 / 4	1

Результати вимірювання зниження рівнів шуму шумозахисними екранами на вказаних ділянках автомагістралей, наведено в таблиці 2.

Таблиця 2

Розміщення точки вимірювання: r - відстань від екрана до точки вимірювання; д - різниця ходу променів	Зниження рівнів звукового тиску, дБ, в октавних смугах з середньогеометричними частотами, Гц
	63	125	250	500
Екран №1 (h=3 м)
r=2 м, (д=0,72 м)	5,3	8,3	13,8	18,0
r=7 м, (д=0,39 м)	6,5	7,0	11,6	15,1
r=16 м, (д=0,31 м)	5,3	4,0	9,2	12,9
Екран №2 (h=5,5 м)
r=5 м, (д=3,07 м)	11,7	13,0	16,7	21,4
r=75 м, (д=1,16 м)	9,7	11,6	14,6	16,5
Екран №3 (h=3 м)
r=2 м, (д=1,03 м)	1,5	5,0	8,3	11,6
r=7 м, (д=0,65 м)	1,7	5,1	8,7	12,4
r=23 м, (д=0,41 м)	2,5	4,6	8,0	11,2
Екран №4 (h=2,2 м)
r=1 м, (д=0,57 м)	5,3	6,7	10,1	10,7

Четвертий розділ присвячено комп'ютерному моделюванню полів транспортних потоків.

Інженерні методики розрахунку рівнів шуму стверджують, що для розрахунку рівнів звукового тиску від транспортного потоку необхідно моделювати транспортний потік лінійним джерелом звуку, що розташований на осьовій лінії. Однак зазвичай автодорога, шум від якої зменшують шумозахисними екранами, має не одну а декілька смуг руху транспорту, і відповідно для більш точного розрахунку необхідно кожну смугу руху представляти окремим лінійним джерелом звуку.

Використовуючи точні розв'язки для акустично жорсткого та звукопоглинального екранів, отримані в розділі 2, в цьому розділі було розраховано акустично поле для кількох сумісно працюючих джерел шуму.

Автомобільний потік можна вважати джерелом звуку з нескінченною енергією і вважати, що сусідній потік не впливає на процес випромінювання звуку. Таким чином використовуючи принцип суперпозиції, сумарний рівень звукового тиску від декількох потоків можна розраховувати згідно з виразом:

,

де - кількість смуг руху в обох напрямках;

- рівні звукового тиску від кожного окремого джерела звуку.

Результати розрахунків точним методом та інструментальних вимірювань на частотах 250 та 500 Гц для всіх екранів узгоджуються з точністю ± 2 дБ. Для частот 63 та 125 Гц результати розрахунків екрана №3 (див. табл. 1 та 2) виявилися вищими ніж результати експериментальних вимірювань, причиною цьому, як з'ясувалося, була мала звукоізоляція конструкції екрана на цих частотах.

За допомогою метода кінцевих елементів було розраховано акустичну ефективність екранів різної конструкції із кінцевою звукоізоляцією. Виявилося, що ефективність екранів, конструкції яких мали малу (менше 10 кг/м2) поверхневу масу, наприклад, сталь товщиною 1 мм чи плексиглас товщиною 5 мм, зменшується на величину до 4 дБ в порівнянні із абсолютно звуконепроникним екраном, моделлю якого можна вважати екран із цегли товщиною 125 мм.

При збільшенні поверхневої маси конструкції екрана до 25-40 кг/м2 (сталь 5 мм чи полікарбонат 20 мм) ефективність екрана зростає на 2-3 дБ, однак ще на 1-2 дБ лишається меншою ніж ефективність абсолютно жорсткого екрана. Даний факт слід враховувати при проектуванні шумозахисних екранів.

Висновки

В дисертаційній роботі виконано теоретичне обґрунтування і розв'язано науково-прикладну задачу знаходження ефективності акустично жорстких та звукопоглинальних шумозахисних екранів для зниження рівнів звукового тиску рухомих джерел.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Побудована узагальнена математична модель і розв'язана задача дифракції звуку, що випромінюється нескінченним лінійним джерелом, на жорсткій півплощині в акустично жорсткому клині з довільним кутом.

2. Враховано факт наявності локальної особливості поля в околі ребра при побудові розв'язку задачі про знаходження ефективності шумозахисних екранів методом часткових областей, що дало можливість математично більш коректно проводити «зшивання» областей акустичних полів на верхній кромці екрана.

3. Розроблено метод, що дає можливість оцінювати ефективність звукопоглинальних шумозахисних екранів для різних випадків взаємного розташування джерела звуку та екрана зі зміною його кута нахилу і врахуванням довільного кута нахилу площини за екраном для аналізу відповідних звукових полів.

4. Одержані якісні оцінки ефективності як акустично жорстких, так і звукопоглинальних шумозахисних екранів в широкому діапазоні частот. Виявлено складну функціональну залежність ефективності екранування від розмірів і взаємного розташування екрана та зони, що потребує захисту. А саме:

- ефективність екрана не є монотонною залежністю від числа Френеля, як це вважалось раніше;

- для переважної більшості напрямків ефективність екрана збільшується при нахиленні (в межах ) екрана до джерела звуку, і тому кут нахилу екрана є тим конструктивним параметром змінюючи який, можна досягти збільшення ефективності екрана без збільшення його геометричних розмірів;

- ефективність звукопоглинального екрана на 2-4 дБ вища, ніж акустично жорсткого.

5. Проведені експериментальні дослідження підтвердили отримані аналітичним методом результати, а саме:

- ефективність екрана збільшується при збільшенні частоти звуку;

- ефективність екрана збільшується при збільшенні його висоти, та зменшенні відстані від джерела звуку до екрана;

- ефективність екрана зменшується при збільшенні відстані між розрахунковою точкою та екраном;

- зони максимальної ефективності екрана, отримані аналітичним способом та при проведенні експериментів на моделі співпадають.

6. Запропоновано аналітичний спосіб розрахунку ефективності екранів при декількох незалежних джерелах звуку. Результати, отримані під час інструментальних вимірювань, підтверджують ефективність використання запропонованого способу для розрахунку зниження рівнів звукового тиску шумозахисними екранами.

7. Запропоновано використовувати метод кінцевих елементів для розрахунку розсіяних полів при складній конфігурації шумозахисних екранів з урахуванням їх товщини, що дозволяє виявити суттєвий вплив малої звукоізоляції конкретних конструкцій екранів на їх ефективність.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Заец В.П. Звукоизоляция светопрозрачных ограждений / В.П. Заец, Л.Н. Осипчук // Светопрозрачные конструкции. - СПб., 2007. - №6(56). - С. 29 - 31.

2. Заєць В.П. Методи визначення шуму транспортних потоків. / В.П. Заєць, В.С. Дідковський, М.В. Контар // Акуст. вісн. - 2007. - Т.12, №2. - С. 25-30.

3. Обеспечение акустического комфорта при использовании современных звукоизоляционных изделий и материалов / В.П. Заец, Л.Н. Осипчук, Э.М. Сторожук, Н.А. Трохименко // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво). - Випуск 68. - 2008. - С. 64-69.

4. Трохименко М.П. Застосування сендвіч-панелей в конструкції шумозахисних екранів / М.П. Трохименко, В. П. Заєць // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. Науково-технічний збірник. - Випуск 31. - 2009. - С. 111-113.

5. Звязок між розбірливістю мови та звукоізоляцією / В.С. Дідковський, В.П. Заєць, Д.П. Рудь, Н.О. Самійленко // Электроника и связь. - 2010. - №3(56). -С. 131-135.

6. Дідковський В.С. Порівняльний аналіз визначення шумових характеристик транспортних потоків / В.С. Дідковський, В.П. Заєць, Н.О. Самійленко // Электроника и связь. - 2010. - №4(57).-С. 149-154.

7. Експериментальне дослідження звукового поля двох тональних джерел з близькими частотами / В.С. Дідковський, В.С. Єфремов, В.П. Заєць, С.А. Луньова // Электроника и связь. - 2010. - №5(58). - С. 206-210.

8. Трохименко М.П. Вплив параметрів шумозахисного екрана на його ефективність / М.П. Трохименко, В.П. Заєць // Будівельни матеріали, вироби та санітарна техніка. Науково-технічний збірник. - Випуск 36. - 2010. - С. 71-76.

9. Дідковський В.С. Оцінка ізоляції повітряного шуму в розширеному діапазоні частот / В.С. Дідковський, В.П. Заєць, Н.О. Самійленко // Электроника и связь. - 2011. - №1(60). -С. 164-168.

10. Дидковский В.С. Направленные свойства зогнутих линейных массивов излучателей звука / В.С. Дидковский, С.А. Лунева, В.П. Заец // Электроника и связь. - 2011. - №4(63). -С. 159-163.

11. Заєць В.П. Зниження шуму шумозахисними екранами / В.П. Заєць // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2012. - №6/10(60). - С.25-33.

12. Лунева С.А. Направленность излучения криволинейными акустическими масивами / С.А. Лунева, В.П. Заец, А.В. Красников // Электроника и связь. - 2012. - №6(71). - С. 49-54.

13. Заец В.П. Звукоизоляционные характеристики новых прокладочных материалов отечественного производства, применяемых в конструкциях "плавающих" полов междуэтажных перекрытий зданий / В.П. Заец, Л.Н. Осипчук, Н.А. Трохименко // «Консонанс - 2007»: акустичний симпозіум, 25 - 29 вер.. 2007 р.: зб. праць. - К., 2007. - С. 100-107.

14. Research of the Acoustic Characteristics of the Bell “Mazepa” of the Sophia Cathedral (Kiev) and their Comparison with Characteristics of Bulgarian Bells / V. Didkosky, S. Lunyova, V. Zaets, T. Trifonov // Digital Preservation and Presrntation of Cultural and Scientific Heritage: International Conference, 11 - 14 September, 2011: Proceedings. - Sofia, 2011. - P. 69-78.

15. Конструкції будинків і споруд. Звукоізоляція огороджувальних конструкцій. Методи вимірювання: ДСТУ Б.В.2.6-86:2009 [Чинний від 2010-08-01]. - К. : Держспоживстандарт України, 2010. - 45 с. - (Національні стандарти України).

16. Конструкції будинків і споруд. Звукоізоляція огороджувальних конструкцій. Методи оцінювання: ДСТУ Б.В.2.6-85:2009 [Чинний від 2010-08-01]. - К. : Держспоживстандарт України, 2010. - 30 с. - (Національні стандарти України).

17. Будівельні матеріали. Матеріали та вироби будівельні звукопоглинальні і звукоізоляційні. Класифікація й загальні технічні вимоги: ДСТУ Б.В.2.7-183:2009 [Чинний від 2010-08-01]. - К. : Держспоживстандарт України, 2010. - 40 с. - (Національні стандарти України).

18. Будівельні матеріали. Матеріали звукоізоляційні і звукопоглинальні. Методи випробувань: ДСТУ Б.В.2.7-184:2009 [Чинний від 2010-08-01]. - К. : Держспоживстандарт України, 2010. - 21 с. - (Національні стандарти України).

Анотація

Заєць В.П. Шумозахисні екрани для зниження рівнів звукового тиску від рухомих джерел звуку. - На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.08 - Прикладна акустика та звукотехніка. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2013.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі встановлення закономірностей зміни ефективності шумозахисних екранів від їх конструктивних параметрів та геометричного розташування й пошуку шляхів підвищення їх ефективності.

В роботі запропонована узагальнена математична та розв'язана задача дифракції звука, що випромінюється нескінченним лінійним джерелом, на акустично жорсткій півплощині в акустично жорсткому клині з довільним кутом. При побудові розв'язку методом часткових областей враховано факт наявності локальної особливості поля в околі ребра, що дозволило коректно проводити узгодження областей акустичного поля на верхній кромці екрана.

В роботі досліджено вплив висоти і кута нахилу екрана на його ефективність, розвинуті підходи та отримані звукові поля для оцінки ефективності екрана з урахуванням взаємного розташування екрана, джерела звуку та області, що захищають від шуму. Розроблено метод оцінки ефективності звукопоглинальних шумозахисних екранів, а також визначено негативний вплив малої звукоізоляції конструкції екрана на його ефективність.

Ключові слова: джерело шуму, дифракція, ефективність, звукоізоляція, рівень звукового тиску, шумозахисний екран.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.08 - Прикладная акустика и звукотехника. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2013.

Диссертация посвящена решению актуальной задача определения закономерностей изменения эффективности шумозащитных экранов от их конструктивных параметров и геометрического расположения, поиску путей увеличения их эффективности.

В работе предложена обобщенная математическая модель и решена задача дифракции звука, который излучается бесконечным линейным источником, на акустически жесткой полуплоскости экран в акустически жестком клине с произвольным углом. При построении решения задачи методом частичных областей учтен факт наличия локальной особенности поля в окружности ребра, что позволило корректно проводить согласование областей акустического поля на верхней кромке экрана. Проведенный численный анализ решения показал, что в большинстве случаев вертикальный экран или экран, наклоненный в сторону источника звука, имеют большую эффективность, чем экран, наклоненный в сторону защищаемой зоны. Данный факт позволяет без увеличения геометрических размеров экрана изменять его эффективность.

Предложен метод, который дает возможность оценивать эффективность звукопоглощающих шумозащитных экранов, эффективность которых на 2-4 дБ оказалась выше эффективности акустически жестких шумозащитных экранов. Кроме того показано что звукопоглощающий шумозащитный экран не увеличивает уровень звукового давления перед экраном, что позволяет его применять при построении экранов с двух сторон от автомагистралей.

Показано, что как для акустически жесткого, так и звукопоглощающего экрана эффективность экрана не является монотонной зависимостью от числа Френеля, как это считалось ранее.

Проведены экспериментальные исследования эффективности экрана, как на модели, так и в натурных условиях. Эксперименты на модели подтвердили результаты, полученные аналитическим путем, а именно:

- эффективность экрана возрастает с увеличением частоты звука и высоты экрана;

- эффективность экрана уменьшается при увеличении расстояния между расчетной точкой и экраном;

- за экраном существует направление, в котором эффективность максимальна.

Предложен способ расчета эффективности экранов при наличии нескольких независимых источников звука. Результаты, полученные в ходе инструментальных измерений в натурных условиях, подтверждают целесообразность использования предложенного метода для расчета эффективности экрана при многополосном движении транспортных средств.

При помощи метода конечных элементов показано и оценено негативное влияние недостаточной звукоизоляция конструкции экранов на их эффективность.

Результаты диссертации использовались во время выполнения расчетных работ, при разработке рекомендаций для проектирования шумозащитных экранов на территории Украины и внедрены в государственные стандарты.

Ключевые слова: дифракция, источник звука, звукоизоляция, уровень звукового давления, шумозащитный экран, эффективность.

The thesis for a candidate of technical sciences degree in the speciality 05.09.08 - Applied Acoustics and Audio Engineering. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2013.

The thesis is devoted to solving the actual problem: to elucidate the changes in the efficiency of noise barrier of their design parameters and geometric location and obtained ways to improve their effectiveness.

The paper presents a generalized mathematical and solved the problem of diffraction of sound radiated by an infinite line source at an acoustically rigid half-plane in acoustically hard wedge of arbitrary angle. When developing the solution method of partial domains considered the existence of local features of the field in the vicinity of the edges, allowing to correctly carry out the coordination area acoustic field on the top edge of the barrier.

In this work the effect of height and tilt barrier on its performance, advanced approaches and received sound fields to assess the effectiveness of the screen based on the relative position of the barrier, the sound source and the area is protected from the noise. A method for evaluating the effectiveness of sound-absorbing noise barrier and shows the negative impact of inadequate acoustic design of the barrier on its effectiveness.

Keywords: diffraction, efficiency, noise barrier, noise source, sound insulation, sound pressure level.

Размещено на Allbest.ru

...