Устройство шумозащитного кубоидного экранного элемента
DEVICE OF THE NOISE-PROTECTIVE CUBOID SCREEN ELEMENT

Изобретение относится к шумозащитным экранным элементам, предназначенным для защиты от мощного низкочастотного ультразвукового излучения, которое распространяется в воздушной среде и применяемого, например, для промышленной коагуляции аэрозолей, абсорбции газа, акустической сушки, интенсификации процессов горения, пеногашения, предпосевной обработки семян и т.д., а также может использоваться для защиты селитебных территорий населенных пунктов от негативного шумового воздействия, производящего акустическое загрязнение окружающей среды.
Низкочастотные (от 20 кГц до 100 кГц) ультразвуковые колебания, могут распространяться воздушным путем. Низкочастотные ультразвуки обладают способностью хорошо распространяться в воздушной среде. Мощный низкочастотный ультразвук применяется для промышленной коагуляции аэрозолей, абсорбции газа, акустической сушки, интенсификации процессов горения, пеногашения, предпосевной обработки семян и т.п. [В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности / Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010 – 203c.].
Ультразвуковые волны способны вызывать разнонаправленные биологические эффекты, характер которых определяется интенсивностью ультразвуковых колебаний, частотой, временными параметрами колебаний (постоянный, импульсный), длительностью воздействия, чувствительностью тканей. Мощный, особенно низкочастотный, ультразвук способен механически разрывать клеточные мембраны, что приводит к нарушению целостности и гибели клеток. Действие ультразвука может приводить к существенному изменению механических, электрических и иных свойств клеточных мембран.
Нормирование ультразвука и защита от ультразвука осуществляется согласно ГОСТ 12.1.001-89 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности» и СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения».
Известны технические решения по обеспечению защиты от ультразвукового излучения, распространяющегося в воздухе за счет использования звукоизолирующих устройств (кожухи, экраны) из листовой стали или дюралюминия толщиной 1 мм, покрытых звукопоглощающим материалом (рубероид, техническая резина, пластмасса типа «Агат», антивибрит), а также гетинакса толщиной 5 мм или установки экранов, в том числе прозрачных, между оборудованием и работающим.
Известны устройства шумопонижающих экранов, принцип действия которых основан преимущественно на процессах отражения звуковых волн в сторону непосредственных источников их излучения [Патенты РФ 201071; США 4007919; EP 0213521; FR 2780074; DE 10159160]. В качестве элементов шумопонижающих экранов используются плоские панели, изготовленные из различных металлических сплавов (например, на основе стали, алюминия) или из светопрозрачного полимерного материала (например, поликарбонатного пластика).
Основным и наиболее важным недостатком такого типа представленных технических решений является отсутствие звукопоглощающих элементов в составе их структур, не обеспечивающих необратимого преобразования (рассеивания) энергии падающих звуковых волн в тепловую энергию, реализуя при этом лишь процесс частичного отражения акустической энергии, излучаемой шумоактивными объектами. Неотраженная доля акустической энергии переизлучается частично акустически прозрачными и динамически возбуждающими падающими акустическими волнами составными элементами шумопонижающего экрана, а также свободно распространяется через его верхнюю зону на близлежащие обитаемые (селитебные) территории.
Известны акустические поглощающие элементы, выполненные в виде перфорированных пластин, между которыми симметрично располагают слои акустически отражающего материала, а в центре между слоями акустически отражающего материала располагают слои поглощающего материала разной плотности. Причем слои акустически отражающего материала выполняют сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, которые располагают соответственно у перфорированных пластин, причем перфорированная пластина выполнена из пластмассовой, капроновой или металлической сетки с мелкой ячейкой, при этом в качестве поглощающего материала используют пористый поглощающий керамический материал, а в качестве материала акустически отражающих слоев применяют материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом [Патент РФ 2646876].
Известны акустические поглотители, которые представляют собой перфорируемые экраны, устанавливаемые с зазором относительно жесткой стенки, для образования резонансных поглощающих звук полостей [Неустойчивость горения ЖРД. Под ред. Д.Т. Харрье, Ф.Г. Рирдона. – М.: Мир, 1975, с. 599-600, А.С. (СССР) 930364].
Известны устройства элементов шумопонижающих экранов, содержащие в своем составе тыльную звукоотражающую панель, изготовленную из плотного конструкционного материала (металлического, полимерного) и перфорированную сквозными отверстиями или соответствующим образом профилированную лицевую панель (например, зигзагообразного профиля или отгибов с щелевыми отверстиями), расположенную с заданным воздушным зазором относительно тыльной панели [Патенты РФ 139581; DE 19804862; DE 10251506; ЕР 1031671; GB 2251256; US 5942736]. В результате представленное конструктивное исполнение такого типа шумопонижающего экрана образует резонаторную шумопонижающую конструкцию множества резонаторных горлышек и камер (резонаторов Гельмгольца), позволяющих достичь настроенного на относительно узкий частотный диапазон поглощения энергии падающих звуковых волн. Возможны конструктивные варианты исполнения шумопонижающих экранов с расположением в полости, образованной между двумя панелями (тыльной звукоотражающей и лицевой звукопрозрачной), семейств разнообразных (разногабаритных) резонаторных камер, каждая из которых обеспечивает тот или иной настроенный шумопонижающий эффект в отдельных диапазонах частот звукового (шумового) спектра.
Недостатком такого типа конструкций шумопонижающих экранов является относительно узкополосный по частотному диапазону эффект поглощения акустической энергии.
Для расширения частотного диапазона эффективного поглощения акустической энергии в патентах [DE 3012514; EP 1077446; US 2003/0006090; WO 2007/140728] представлены различные конструкции элементов шумопонижающих экранов, в которых в полости, образованной тыльной акустически отражающей панелью и лицевой акустически прозрачной (перфорированной) панелью, размещается монолитная плосколистовая поглощающая панель, изготовленная преимущественно из пористого волокнистого материала на основе натуральных, синтетических или минеральных волокон. При этом указанная поглощающая панель устанавливается с образованием заданного воздушного зазора относительно лицевой акустической прозрачной и тыльной акустически отражающей панелей.
Для исключения загрязнения и попадания в пористую структуру плосколистовой поглощающей панели мелких аморфных частиц, влаги, эксплуатационных жидкостей ее лицевая поверхность (в отдельных случаях и торцевые поверхности) облицовывается защитным акустически прозрачным слоем газовлагонепроницаемой пленки или ткани.
Недостатком представленного технического решения является недостаточно высокая акустическая (шумопонижающая) эффективность такого типа используемой плосколистовой акустически поглощающей панели в составе конструкций шумопонижающих экранов вследствие неудовлетворительных поглощающих свойств структур панельного типа, характеризующихся выраженным скачкообразным изменением (рассогласованием) волнового сопротивления на границе сопряжения лицевого слоя панели с воздушной средой, уменьшающим поглощающий эффект, а также препятствие к проветриванию участков с источниками шума.
В качестве прототипа выбрано устройство элемента шумопонижающего экрана, содержащего тыльную акустическую отражающую панель и перфорированную сквозными отверстиями лицевую акустически прозрачную панель, монолитную плосколистовую акустическую отражающую панель из волокнистого нетканого материала (минеральной ваты), расположенной в воздушном зазоре между тыльной акустически отражающей и лицевой акустически прозрачной панелями [Патент РФ 2155252].
Недостатком устройства элемента шумопонижающего экрана являются недостаточная эффективность акустического шумоподавления и невозможность проветривания участков с источниками шума.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка акустических шумозащитных экранных элементов, обладающих хорошими шумозащитными свойствами и повышенной прочностью, сочетающимися с возможностью к проветриванию участков с источниками шума за счет движения воздушных потоков через конструкцию экранного шумозащитного элемента.
Сущность изобретения заключается в предотвращении отражения акустической энергии в сторону источника шума, в максимальном поглощении акустической энергии, за счет субволновой фокусировки акустического излучения непосредственно на элементе поглотителя.
Технический результат - повышение эффективности работы элемента шумозащитного экрана за счет увеличения шумопоглощения и снижения шумоотражения экраном, возможность к проветриванию участков с источниками шума за счет движения воздушных потоков через конструкцию экранного шумозащитного элемента.
1
1
1
1
Поставленная цель достигается тем, что шумозащитный экранный элемент, содержащий тыльную акустическую отражающую панель, лицевую панель и акустическую панель, расположенную между тыльной акустически отражающей и лицевой панелями, новым является то, что лицевая панель выполнена в виде мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы, образованной из решетки параллельных V-образных пластин с углом раствора α в диапазоне от 120 и не более 180 градусов к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более λ/2, где λ наименьшая длина волны в спектре шума, а пластины выполнены из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, с характерным размером акустически проводящей частицы от λ до 50λ, где λ наибольшая длина волны спектра шума и фокусирующей падающее на нее излучение в субволновую область, расположенную в теле частицы и не выходящее на ее теневую поверхность, причем акустическая панель, расположенная между тыльной и лицевой панелями выполнена в виде акустически поглощающей панели, размещенной на теневой поверхности мезоразмерной акустически проводящей частицы по ее оптической оси и с характерным размером не менее λ. Кроме того, акустически проводящие частицы расположены в двойной решетке в шахматном порядке.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое устройство шумопонижающего экрана имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет "изобретательский уровень" по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг.1 показана схема устройства шумозащитного экранного элемента.
На фиг. 2 приведен пример субволновой фокусировки акустического излучения кубоида с характерным размером 3λ и с углом раствора α V - образных пластин менее 120 градусов и более 120, но не более 180 градусов.
На фиг. 3 пример схемы размещения устройства шумозащитного экранного кубоидного элемента в форме куба в двойной решетке в шахматном порядке.
На фиг. 4 пример схемы размещения устройства шумозащитного экранного кубоидного элемента в форме прямоугольного параллелепипеда в двойной решетке в шахматном порядке.
Обозначения: 1 – акустическое излучение; 2 – мезоразмерный кубоидный элемент из V образных пластин; 3 – субволновая область фокусировки акустического излучения; 4 – поглотитель акустического излучения; 5 – акустическая отражающая панель.
Известен искусственный диэлектрик образованный из решетки параллельных пластин установленных под углом θ к падающему излучению. Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/сosθ раз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве n=1/сosθ [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828–836 (1946); Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82.; Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.; T. Togashi, H. Kitahara, K. Takano, M. Hangyo, M. Mita, J. C. Young, and T. Suzuki, Terahertz path-length lens composed of oblique metal slit array // Appl. Phys. A 118, 397–402 (2015); Pimenov and A. Loidl, Experimental demonstration of artificial dielectrics with a high index of refraction // Phys. Rev. B 74, 193102 (2006)].
В таком искусственном диэлектрике эффективный показатель преломления зависит только от угла наклона пластин решетки. На первый взгляд, кажется, что наклонное положение пластин решетки приводит к изменению направления распространения акустической волны. Учет принципа Гюйгенса-Френеля и суммирование элементарных волн, зарождающихся за щелями между полосками, показывает, что, однако, возможна фокусировка падающей волны с плоским волновым фронтом.
В акустическом диапазоне длин волн для субволновой фокусировки используются акустически проводящие мезоразмерные частицы с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления (продольной скоростью звука) в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 [Патент РФ 197437].
Работа устройства, мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы, происходит следующим образом.
1
1
Источник акустического шума излучает акустическое излучение 1 которая освещает устройство мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы 2, которым осуществляется субволновая фокусировка акустического излучения 3 в теле мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы 2 и не выходящего на его теневую сторону. На теневой поверхности мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы 2 непосредственно размещается по ее оптической оси акустически поглощающая панель 4 с характерным размером не менее λ, где λ наибольшая длина волны в спектре акустического шума. На внешней стороне акустически поглощающей панели 4 размещена акустическая отражающая панель 5.
Переход акустической энергии в тепловую в области субволновой фокусировки кубоидной частицы происходит между параллельными V образными пластинами за счет нагрева окружающего воздуха и материала пластин.
Переход акустической энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах акустически поглощающего материала, представляющих собою модель резонаторов Гельмгольца, где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора, о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор шумопоглощающего материала.
В качестве акустических поглотителей могут использоваться, например, акустические поглотители с воздушными полостями с использованием сетчатого материала, состоящего из любых термопластичных волокон (полиэтилентерефталат, полипропилен, полиэтилен, полиамид, полимолочная кислота, полиэфирэфиркетон и т.д.) и их любых комбинаций и также может использоваться любой сетчатый материал из минеральных волокон или волокон из термореактивного материала (пара-арамид, мета-арамид, полиимид, базальт и т.п.) [Патент РФ 2661477]; звукопоглощающие элементы, включающие в себя в качестве входного слоя пористые проницаемые обшивки или сетки, а в качестве объемного заполнителя - один или несколько слоев металлических или полимерных сот [Патент Великобритании №2223448, Патенты США №6183837, 6176964] или многослойные звукопоглощающие элементы [Патент РФ 2307216].
Характерный размер акустически поглощающей панели 4 превышает поперечный размер субволновой области фокусировки акустического излучения, чем достигается эффективное шумопонижение и экономия материала.
1
1
В результате математического моделирования и натурных исследований было установлено, что мезоразмерная акустически проводящая кубоидная частица с характерными размерами от λ до примерно 50λ из V образных пластин обеспечивает субволновую фокусировку акустического излучения непосредственно на теневой поверхности мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы и при угле раствора α V - образных пластин находящихся в диапазоне от 120 до менее 180 градусов субволновая фокусировка излучения происходит в теле мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы. Данный диапазон углов соответствует эффективному показателю преломления более 2, когда область фокусировки излучения располагается внутри тела мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы. При эффективном показателе преломления мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы менее 2 и более 1.2 субволновая область фокусировки излучения формируется непосредственно на теневой поверхности мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы и эффективность поглощения акустической волны снижается, т.к. поглощение происходит только на акустически поглощающей панели.
С увеличением характерных размеров мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы возрастает интенсивность фокусировки излучения.
1
1
Выбирая характерный размер не менее λ, где λ наибольшая длина волны в спектре акустического шума, обеспечивается работоспособность его на более высоких частотах.
Расстояние между пластинами выбиралось менее λ/2. При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» искусственного материала, но уменьшается величина интенсивности поля в области фокусировки излучения. Выбирая расстояния между пластинами мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы не более λ/2, где λ наименьшая длина волны в спектре шума, обеспечивается его работоспособность на более низких частотах.
Выполнение пластин мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, например, металла или керамики обеспечивает эффективное распространение акустического излучения между пластинами.
Акустическое излучение 1 падает на кубоидную акустически проводящую частицу 2. В результате субволновой фокусировки 3 излучения в теле частицы 2 и размещения на его теневой поверхности акустически поглощающего 4 и акустически отражающего акустическое излучение 5 экранов, излучение из мезоразмерной акустически проводящей кубоидной частицы 2 не выходит.
Для уменьшения величины пропускания акустического излучения, рассеянного на шумозащитном кубоидном экране, шумозащитные элементы экрана расположены в двойной решетке в шахматном порядке.