ЗАЩИТНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭКРАН ДЛЯ ПРИДОРОЖНОГО ШУМОПОГЛОЩЕНИЯ
PROTECTIVE ACOUSTIC-ELECTRIC SCREEN FOR ROADSIDE NOISE ABSORPTION

Изобретение относится к шумозащитным ограждениям, предназначенным для защиты жителей придорожных застроек от шума и устанавливаемым вдоль автомобильных и железнодорожных магистралей, вокруг строительных площадок, промышленных объектов и других источников шума.
Существует несколько основных вариантов решения поставленной задачи:
1. Отражение (изменение направления) акустической энергии (шума) за счет введения различных отражающих экранов.
2. Преобразование акустической (шумовой) энергии в другие виды энергии, в известных аналогах и прототипе исключительно в тепловую. При этом происходит сжимание вещества с пористой структурой (вата, поролон, вспененная резина и т.д.) за счет энергетического воздействия и последующее восстановление формы при отсутствии аналогичного воздействия (шума), распрямление при этом за счет трения волокон осуществляется преобразованием акустической энергии в тепловую.
Известна панель для поглощения акустической энергии в области низких, средних и высоких частот в диапазоне 400-3000 Гц, состоящая из пластины полужесткого пеноматериала с открытыми и сообщающимися порами и слоя связанных волокон или мягкого пористого материала (РФ №94028651/25, 20.06.1996, США №5493081, 02.20.1996).
Недостатком данного аналога является низкая эффективность подавления, поглощения звуковых волн.
Известен шумозащитный экран, установленный на фундаменте и состоящий из набора акустических панелей, внутренних параллелепипедных полостей, заполненных разнообразными звукопоглощающими модулями. Панели объединены вертикальными и горизонтальными профилями, соединение осуществляется посредством вибродемпфирующих прокладок (патент РФ №2209874, 2001 г.).
Недостатком устройства является недостаточная эффективность и использование специальных прокладок, что существенно затрудняет изготовление подобных шумозащитыых устройств.
Наиболее близким по технической сущности является акустическая панель по патенту РФ №2173372 «Акустическая панель шумозащитного экрана», класс E01F 8/00, заявл. 20.10.1999. Устройство-прототип  содержит корпус, образованный прямоугольной рамой, задней плоской и защитной лицевой стенками, и встроенные в корпус плиты звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов и разделители плит, причем корпус акустической панели: прямоугольная рама, задняя и лицевая стенки - выполнены из базальтополимерпластика (полиэтилен высокого давления+базальтопластик), а встроенные в корпус плиты звукопоглощающих материалов - из стекловолокна или базальтового волокна, в оболочке из стеклоткани или базальтовой ткани, а плиты звукоизолирующих материалов - из базальтопластика или стеклопластика.
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности подавления и поглощения всего спектра звуковых волн и преобразование акустической энергии только в тепловую энергию.
Техническим результатом изобретения является расширение возможностей прототипа, минимизация затрат на строительство, повышение звукопоглощающих свойств защитного экрана за счет преобразования акустической и аэродинамической энергии в тепловую и электрическую.
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается тем, что содержит корпус, образованный прямоугольной рамой, задней плоской и защитной лицевой стенками, и встроенные в корпус плиты звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов и разделители плит, лицевая стенка (первый слой) выполнена в виде подвижной полимерной пленки со встроенными любым способом постоянными магнитами, промежуточный (второй слой) выполнен из звукопоглощающих материалов с минимальной остаточной деформацией, в неподвижную заднюю стенку (третий слой) встроены: катушки индуктивности, полупроводниковые диоды, выпрямительные коммутирующие устройства (компараторы), мостовые полупроводниковые выпрямители и накопительные аккумуляторы, при этом первые выходы катушек индуктивности соединены с первым входом выпрямительного моста, вторые выходы катушек индуктивности соединены с катодом выпрямительного диода, аноды которого соединены с входами коммутирующего устройства (компараторами), выходы которого соединены с вторым входом выпрямительного моста, управляющий вход коммутирующих устройств (компараторов) соединен с отрицательным выходом выпрямительного моста и накопительного аккумулятора, а положительный выход выпрямительного моста - с положительным выходом аккумулятора.
Технический результат - расширение возможностей прототипа, повышение звукопоглощающих свойств защитного экрана, минимизация затрат на строительство - достигается за счет суммирования следующих эффектов:
снижение уровня общего шума на прилегающей к обратной стороне экрана территории;
преобразование акустической и аэродинамической энергии в электрическую с соответствующим коэффициентом полезного действия (КПД);
минимизация затрат на строительство за счет модернизации имеющейся конструкции;
сохранение имеющегося дизайна.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой может быть выполнено заявленное устройство.
Возможность преобразования акустической (шумовой) и аэродинамической энергии, создаваемой движущимся транспортным средством, в электрическую с соответствующим КПД поясняется следующим образом.
Суммарная сила, воздействующая на защитный акустоэлектрический экран, определяется по формуле:
общ
акуст
aэродин,
F=F+F
общ
где F - общая сила, воздействующая на защитный экран;
акуст
F - акустическая сила;
aэродин
F - аэродинамическая сила.
1
2
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ: Выхлопные газы, совместно с шумовой энергией газового потока, при реализации рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (ДВС), подводятся к глушителю по трубопроводной магистрали системы выпуска, распространяются по впускному трубопроводу и поступают в полость впускной камеры глушителя. При этом газы создают акустическое давление за счет столкновения со стенками глушителя (V), за счет чего происходят его поперечные колебания, которые являются источником акустического шума. Вторым источником шума является разность давления газов на выходе глушителя и атмосферным давлением (V) (фиг.16):
1
2
V=V+V
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ. Аэродинамическое сопротивление транспортных средств обусловлено движением последних с некоторой относительной скоростью в окружающей воздушной среде. Среди всех сил, составляющих сопротивление движению автомобиля, эта представляет наибольший интерес в свете всевозрастающих скоростей передвижения транспортных средств. Дело все в том, что уже при скорости движения 50-60 км/час она превышает любую другую силу сопротивления движению автомобиля, а в районе 100-120 км/час превосходит всех их вместе взятых.
Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.
Для количественной характеристики аэродинамического сопротивления используют следующую зависимость:
X
X
mid
2
F=C·P·V·F/2,
где Р - плотность воздуха;
V - скорость относительного движения воздуха и машины;
mid
F - площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая площадь);
X
С - коэффициент лобового сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости).
При движении автомобиля в городском потоке аэродинамическое сопротивление автомобиля мало, на трассе же его значение достигает больших величин. В таких условиях практически вся вырабатываемая двигателем мощность тратится на преодоление сопротивления воздуха. Причем за каждый лишний км/ч прироста максимальной скорости автомобиля приходится платить существенным увеличением его мощности.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 поясняет роль и место защитного акустоэлектрического экрана в дорожной инфраструктуре;
фиг.2 поясняет состав элементарной панели (элемента) защитного акустоэлектрического экрана;
фиг.3 показывает форму переменного напряжения на зажимах (выходах) катушки индуктивности;
фиг.4 показывает форму напряжения на выходе предварительного выпрямителя (входе компаратора);
фиг.5 поясняет устройство защитного акустоэлектрического экрана.
Заявленное устройство реализуется следующим образом.
На защитный экран со стороны магистрали движения действует набегающий шумовой поток работающего и движущегося транспорта, взаимодействующего с покрытием магистрали, обтекающим потоком воздуха, его порывами. Шумовой поток имеет различную частоту и дисперсность колебаний, амплитуду и в конечном счете некоторую мощность, зависящую от характеристик транспортных средств, их количества и интенсивности движения.
На фиг.1 схематично показана роль и место защитного акустоэлектрического экрана в дорожной инфраструктуре, где:
1 - защитный акустоэлектрический экран;
2 - элементарная акустоэлектрическая панель;
3 - дорога;
4 - транспортные средства.
Предлагаемый защитный акустоэлектрический экран представляет собой рамную конструкцию, которая состоит из трех слоев (элементов) (фиг.2): первый слой (1, фиг.5) - полимерная пленка со встроенными любым способом (вклейка, впайка, прессовка и т.д.) постоянными магнитами (М); второй слой (2, фиг.5) - распределенная пружина с минимальной остаточной деформацией, работающей на сжатие и реализованной в виде листов звукоизолирующих (звукопоглощающих) материалов (вспененная резина, поролон и т.д.); третий слой (3, фиг.5) выполнен из любого жесткого материала, в (на) который встроены любым способом катушки индуктивности L (свитый в катушку проводник), выпрямители переменного тока, управляющие устройства, соединительные линии (шины) и клеммы для подключения буферного аккумулятора.
Количество постоянных магнитов в первом слое и количество катушек индуктивности в третьем слое идентично. Общее количество катушек индуктивности определяется по формуле:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>L</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mrow><mi>j</mi><mi>i</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
где k - количество рядов,
N - количество катушек индуктивности в ряду.
упр
упр
На первый слой защитного экрана действуют две силы. Во-первых, сила упругости F распределенной пружины, т.е. второго слоя защитного экрана. Во-вторых, периодическое, знакопеременное воздействие акустической и аэродинамической силы F, порождаемой транспортным потоком. В результате воздействия двух сил постоянные магниты (встроенные в первый слой экрана) будут перемещаться относительно соответствующих катушек индуктивности (встроенных в третий слой).
пер
Согласно теории Максвелла переменные электрическое и магнитное поля взаимосвязаны и одновременно существуют в пространстве. Там, где есть одно из этих полей, непременно есть и другое поле. При относительных колебаниях постоянных магнитов в сторону катушек индуктивности возникает переменное магнитное поле и соответствующее переменное напряжение на зажимах катушки (U, фиг.3,4). В катушке, находящейся в переменном магнитном поле, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС). Это явление описано в опытах Фарадея в «Кратком справочнике по физике», Н.И.Карякин, К.Н.Быстров, П.С.Киреев, Высшая школа, М. - 1962 г., стр.227-234.
ynp
общ
Таким образом, при воздействии противоположных сил F и F пара (постоянный магнит и катушка индуктивности) является элементарным электромагнитным генератором переменного напряжения (11, фиг.5), а в совокупности с выпрямительным устройством, электромагнитным генератором постоянного напряжения.
При подключении нагрузки к электромагнитному генератору постоянного тока возникает сила, противодействующая свободному перемещению постоянного магнита относительно катушки индуктивности, что приводит к преобразованию акустической и аэродинамической энергии в электрическую, а следовательно, снижает уровень шума. Подключение осуществляется с помощью коммутирующего устройства, которое, в частности, реализовано в виде компаратора.
Таким образом, предлагаемый защитный акустоэлектрический экран обеспечивает:
отражение части акустической и аэродинамической энергии, создаваемой транспортным потоком, за счет первого слоя;
преобразование части акустической и аэродинамической энергии в тепловую за счет второго слоя;
преобразование части акустической и аэродинамической энергии в электрическую за счет согласованного взаимодействия элементов всех (первого, второго, третьего) слоев экрана.
В соответствии с известными законами существует возможность параллельного и последовательного соединения выходов элементарных электромагнитных генераторов постоянного тока для получения требуемых напряжений и токов, в зависимости от параметров выбранного буферного аккумулятора, как в рамках одной панели защитного акустоэлектрического экрана, так и совокупности панелей, составляющих защитное ограждение.
Характеристика и примеры реализации элементов защитного акустоэлектрического экрана:
постоянный магнит изготавливается из ферромагнитных материалов;
катушка индуктивности L реализуется в виде свитого в катушку проводника, при этом амплитуда генерируемого переменного напряжения зависит от диаметра, длины катушки и количества витков;
i
предварительное выпрямительное устройство (D) реализовано в виде полупроводникового диода (однополупериодный выпрямитель);
i
коммутирующее (управляющее) устройство {K) реализуется в виде компаратора;
упр
компаратор может иметь «n» входов, «m» выходов и «k» управляющих входов, а также входы напряжения питания. В конкретном случае компаратор имеет один вход и один выход, а также один управляющий вход. Логика работы компаратора заключается в следующем. Если напряжение на входе больше либо равно напряжению на управляющем входе, то вход соединяется с выходом, в противном случае разъединяется. В конкретном примере на управляющий вход подается нулевой потенциал, т.е. U равно нулю. Компараторы массово выпускаются в виде интегральных микросхем;
выпрямительное устройство реализовано в виде классической мостовой схемы, включающей четыре полупроводниковых диода;
аккумулятор любого типа.
i
i
Схема электрического соединения элементов защитного акустоэлектрического экрана представлена на фиг.5. Нижние (на схеме) выводы катушек индуктивности (5) соединяются с первым входом мостового выпрямителя (8). Верхние (по схеме) выводы катушек индуктивности (5) соединяются с катодом выпрямительного диода (D) (6), а анод выпрямительного диода (D) (6) соединен с входом компаратора (7). Управляющий вход компаратора (7) соединен с минусовым выводом аккумулятора (9). Выход компаратора (7) соединен со вторым входом мостового выпрямителя (8). Положительный и отрицательный выводы мостового выпрямителя (8) соединены с соответствующими клеммами накопительного аккумулятора (9).
Устройство работает следующим образом.
i
При перемещении постоянных магнитов (4, фиг.5) относительно соответствующих катушек индуктивности. На выходах последней образуется переменное напряжение. Предварительный выпрямитель (D) пропускает на вход компаратора только положительную или отрицательную полуволну в зависимости от полярности включения. В качестве примера представлен вариант получения положительной полуволны (фиг.3, 4). С учетом логики работы коммутирующего (управляющего) устройства, управляющий вход которого имеет нулевой потенциал, то положительная полуволна переменного напряжения проключается на выход, который соединен со вторым входом мостового выпрямителя. С положительного и отрицательного выхода мостового выпрямителя постоянное напряжение прикладывается к накопительному аккумулятору. Для обеспечения заряда накопительного аккумулятора должно обеспечиваться условие:
пост
aкк
U>U
Условие выполняется за счет последовательного или параллельного соединения необходимого количества параллельных линеек элементарных электромагнитных генераторов. На схеме (фиг.5) приведен вариант параллельного соединения линеек (10) элементарных электромагнитных генераторов (11).
Технико-экономический эффект состоит в том, что за счет использования законов акустических и электромагнитных полей, законов аэродинамики не только расширяются возможности прототипа, минимизируются затраты на его строительство, но и существенно повышаются звукопоглощающие свойства защитного экрана, достигается преобразование акустической и аэродинамической энергии в электрическую.
Могут быть различные варианты выполнения защитного экрана в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов и их комбинации. Иллюстративный материал характеризует только предпочтительность форм его осуществления.