Модуль шумопоглощающей панели для шумозащитного экрана

Полезная модель относится к области дорожного строительства, в частности к созданию шумозащитных сооружений для защиты жилых массивов, находящихся вблизи автомагистралей, трасс рельсовых путей и промышленных объектов.
Известен шумозащитный экран, состоящий из отдельных элементов, размещенных в каркасе. Каждый элемент снабжен звукопоглощающей плитой. Передняя стенка выполнена сборной из отдельных удлиненных наклонных пластин с козырьками, образующих щелевые ловушки. Козырьки предназначены для отражения и рассеивания низкочастотного шумового потока, разделения и улавливания в активной фазе высокочастотного шумового потока. В щелевых ловушках осуществляется первичное подавление разделенного шумового потока и направление его на звукопоглощающие плиты из материалов с различными свойствами шумопоглощения (патент РФ №2176004 по кл. E01F 8/00 от 20.11.2001).
Недостаток данного решения заключается в отсутствии непосредственного контакта звукопоглощающей плиты с передней стенкой элемента, наличии паразитного объема между ними. В результате передняя стенка колеблется самостоятельно. Резонирующий объем воздуха может вызвать колебания передней стенки и генерирование вторичного шума, что снижает эффективность шумопоглощения. Выполнение передней стенки из отдельных пластин снижает также прочность шумозащитного экрана.
Известен модуль шумопоглощающей панели, содержащий корпус с передней и задней стенками, во внутренней полости которого размещен наполнитель в виде звукопоглощающей плиты. На передней стенке параллельными рядами размещены звуковые ловушки, выполненные в виде выштампованных пазов с полукруглой стенкой (патент ЕР №527115 по кл. E01F 8/00 от 10.02.1993). Пористая звукопоглощающая плита в зависимости от варианта исполнения может иметь непосредственный контакт с задней стенкой корпуса или нет. Передняя поверхность плиты может покрываться различными пленками.
Недостаток данного решения также заключается в отсутствии непосредственного контакта звукопоглощающей плиты с передней стенкой, наличии паразитного резонирующего объема между ними. Указанный объем может вызывать колебания передней стенки, способствовать их усилению, служить источником дополнительного шума, что снижает эффективность шумопоглощения. Кроме того, передняя стенка может начать резонировать под действием других внешних возбуждающих сил, становясь источником вторичного шума, а наличие полукруглой стенки у звуковой ловушки препятствует направлению падающей звуковой волны во внутреннюю полость модуля, поскольку часть звука, отражаясь от полукруглой стенки, не попадет во внутреннюю полость корпуса.
Сущность полезной модели
Техническая проблема, решаемая созданием заявленной полезной модели, заключается в повышении эффективности шумопоглощения путем более полного использования демпфирующих свойств конструкции при совместной работе передней стенки и звукопоглощающего наполнителя.
Техническим результатом является улучшение шумозащитных свойств экрана за счет снижения уровня колебаний передней стенки в диапазоне частот, воспринимаемых ухом человека, при работе передней стенки совместно с звукопоглощающим наполнителем.
Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в модуле звукопоглощающей панели для шумозащитного экрана, который содержит корпус с передней стенкой, воспринимающей звуковые волны, задней стенкой и боковыми стенками, с формированием внутренней полости корпуса, ограниченной этими стенками, с размещенным в ней пористым звукопоглощающим наполнителем, предназначенным для поглощения энергии звуковых волн, при этом в передней стенке выполнены звуковые ловушки, расположенные параллельными рядами на передней стенке корпуса, согласно полезной модели каждая звуковая ловушка сформирована в виде углубления, имеющего заглубленную внутрь корпуса плоскую отражающую стенку, направляющую падающую звуковую волну во внутреннюю полость корпуса, присоединенную под углом к передней стенке корпуса и ограничивающую углубление с одной стороны, расположенную напротив отражающей плоской стенки полочку, соединяющую свободную кромку отражающей плоской стенки с передней стенкой корпуса, и боковые стенки, соединяющие свободные боковые кромки отражающей стенки и полочки с передней стенкой корпуса, в полочке выполнены окна, соединяющие полость кармана с внутренней полостью корпуса и обеспечивающие проход звуковых волн во внутреннюю полость корпуса, при этом звуковые ловушки погружены в звукопоглощающий наполнитель, полностью заполняющий внутреннюю полость корпуса модуля.
Формирование звуковой ловушки в виде углубления на передней стенке корпуса, имеющего заглубленную внутрь корпуса плоскую отражающую стенку, направляющую падающую звуковую волну во внутреннюю полость корпуса, присоединенную под углом к передней стенке корпуса и ограничивающую углубление с одной стороны, расположенную напротив отражающей стенки полочку, соединяющую свободную кромку отражающей стенки с передней стенкой корпуса, и боковые стенки, соединяющие свободные боковые кромки отражающей стенки и полочки с передней стенкой корпуса, увеличивает площадь поверхности передней стенки, повышает общую жесткость передней стенки. Наличие в полочке окон обеспечивает передачу звуковой энергии (акустических колебаний) в виде звуковой волны, отраженной плоской наклонной стенкой внутрь корпуса, где обеспечивается поглощение звуковой энергии звукопоглощающим наполнителем. Поглощение энергии начинается сразу на выходе из окна в полочке, поскольку наполнитель полностью заполняет внутреннюю полость корпуса модуля и звуковые ловушки погружены в этот наполнитель. Развитая поверхность передней стенки повышает шумозащитные свойства. Кроме того, все элементы передней стенки, включая стенки углубления, находятся в контакте с звукопоглощающим наполнителем, формируя динамический гаситель диссипативного типа, где стенка с наполнителем работает как единая панель, колеблющаяся как одно целое. Наполнитель выполняет роль демпфирующего элемента диссипативного типа. Колебания (вибрация стенки) непосредственно передаются звукопоглощающему наполнителю, который поглощает звуковые колебания и оказывает сильное демпфирующее воздействие на переднюю стенку, подавляя ее колебания. Степень заглубления кармана может изменяться в зависимости от требуемой жесткости стенки и может быть рассчитана с использованием известных зависимостей, инженерных расчетов.
Таким образом, приведенная совокупность существенных признаков обеспечивает решение заявленной технической проблемы, заключающейся в необходимости повышения эффективности шумопоглощения путем более полного использования демпфирующих свойств конструкции при совместной работе передней стенки и звукопоглощающего наполнителя и получение обеспечиваемого полезной моделью технического результата - улучшение шумозащитных свойств экрана за счет снижения уровня колебаний передней стенки в диапазоне частот, воспринимаемых ухом человека при работе совместно с звукопоглощающим наполнителем.
Существенные признаки заявленной полезной модели могут иметь развитие.
В предлагаемом модуле звукопоглощающей панели углубления целесообразно выполнить в виде отдельных карманов, расположенных на передней стенке корпуса.
Кроме того, в предлагаемом модуле звукопоглощающей панели углубления могут быть выполнены в виде желобов, расположенных параллельными рядами на передней стенке корпуса. При этом каждый из желобов может простираться вдоль всей передней стенки корпуса. Кроме того, боковые стенки желоба могут быть совмещены с боковыми стенками корпуса модуля, причем желоб оснащен перегородками, соединяющими полочку с наклонной отражающей плоской стенкой.
Для улучшения шумозащитных свойств экрана полочку с окнами целесообразно ориентировать параллельно нижней боковой поверхности корпуса модуля.
Также целесообразно выбирать размеры углублений с учетом длины поглощаемой звуковой волны.
Решение технической проблемы обеспечивается также тем, что боковые противолежащие стенки корпуса модуля оснащены элементами шпунтового соединения для обеспечения соединения со смежным модулем.
При этом элементы шпунтового соединения могут быть выполнены в виде фальцев.
Кроме того, целесообразно, чтобы первый элемент шпунтового соединения был выполнен в виде паза на одной из боковых поверхностей корпуса, а ответный второй элемент соединения выполнен в виде шипа, форма которого согласована с формой паза, и расположен на противолежащей боковой стенке этого корпуса, с возможностью взаимодействия со смежным модулем шумозащитного экрана. Причем второй элемент соединения может быть выполнен в виде прямого или трапециевидного шипа.
Используя полезную модель, можно изменять частоту собственных колебаний передней стенки и степень демпфирования колебаний (вибрации) передней стенки, изменяя способ обеспечения поверхностного контакта стенки с наполнителем, пористость и плотность наполнителя, что дает дополнительные возможности для эффективного шумоглушения.
Предложенный узел соединения двух смежных модулей обеспечивает непосредственный контакт двух прилегающих стенок смежных модулей без использования каких-либо соединительных деталей, что обеспечивает однородность характеристик шумоглушения по всей площади шумозащитного экрана, а также упрощает монтаж шумозащитного экрана вдоль трассы.
Выполнение полочки параллельно нижней боковой поверхности корпуса модуля позволит правильно организовать прохождение отраженной звуковой волны внутрь корпуса, минимизируя рассеяние звуковых волн в окружающее пространство.
Следовательно, все признаки, включенные в формулу полезной модели, являются существенными, т.к. обеспечивают достижение заявленного технического результата - улучшение шумозащитных свойств.
Сущность полезной модели подробно поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 представлен внешний вид звукопоглощающей панели, состоящей из отдельных модулей;
на фиг. 2 - общий вид отдельного модуля со звуковыми ловушками, выполненными в виде карманов;
на фиг. 3 показано сечение А-А на фиг. 2 по звуковой ловушке - карману;
на фиг. 4 приведен общий вид отдельного модуля со звуковыми ловушками, выполненными в виде желобов.
На фигурах обозначены цифрами:
1 - направляющий паз каркаса звукопоглощающей панели;
2 - модуль звукопоглощающей панели;
3 - элемент шумозащитной панели звукоотражательный оптически прозрачный;
4 - шип шпунтового соединения модуля звукопоглощающей панели;
5 - паз шпунтового соединения модуля звукопоглощающей панели;
6 - звуковая ловушка - карман модуля звукопоглощающей панели;
7 - задняя стенка корпуса модуля звукопоглощающей панели;
8 - звукопоглощающий наполнитель;
9 - наклонная отражающая плоская стенка желоба/кармана;
10 - полочка желоба/кармана;
11 - окна, выполненные в полочке;
12 - передняя стенка корпуса модуля звукопоглощающей панели;
13 - звуковая ловушка - желоб модуля звукопоглощающей панели;
14 - фальц шпунтового соединения, выполненный на верхней боковой продольной стенке модуля;
15 - фальц шпунтового соединения, выполненный на нижней боковой продольной стенке модуля.
Пример реализации полезной модели
Звукопоглощающая панель содержит каркас с направляющими пазами 1, выполненными в виде двутавра, в которых размещены модули 2 звукопоглощающей панели. В этих же пазах 1 могут быть размещены прозрачные звукоотражательные элементы 3.
Набор звукопоглощающих модулей 2 и звукоотражательных элементов 3 и их взаимное расположение в шумопоглощающей панели может быть различным. Количество модулей 2 и элементов 3 и их взаимное расположение определяется местом установки шумозащитного экрана и требуемыми характеристиками.
Каждый модуль 2 шумопоглощающей панели для шумозащитного экрана снабжен расположенными на боковых продольных стенках продольными элементами шпунтового соединения. Элементы шпунтового соединения выполнены в виде шипа 4 и паза 5 (см. фиг. 2). Монтажный шип 4 расположен на верхней боковой продольной стенке модуля 2, а на противоположной - нижней боковой стенке модуля 2 выполнен продольный паз 5. Форма монтажного паза 5 согласована с формой шипа 4 соседнего модуля 2 панели. Шип 4 может быть выполнен прямым или трапециевидным. Модуль 2 снабжен звуковыми ловушками, расположенными параллельными рядами. Каждая звуковая ловушка выполнена в виде кармана 6 (см. фиг. 3), обращенного в сторону дорожного полотна (или иного источника шума).
Внутренняя полость корпуса модуля 2 заполнена пористым наполнителем 8, предназначенным для поглощения энергии звуковых волн (акустических колебаний). При этом звукопоглощающий наполнитель 8 размещен внутри корпуса так, что заполняет весь его внутренний объем, ограниченный боковыми и торцевыми стенками модуля 2 (см. фиг. 2), задней стенкой 7 и передней стенкой 12, в которой сформированы карманы 6, образованные наклонной отражающей плоской стенкой 9 и полочкой 10 (см. фиг. 3). В полочке 10 выполнены окна 11. Свободные кромки отражающей плоской стенки 9 и полочки 10 соединяются боковыми стенками кармана с передней стенкой 12 с образованием полости звуковой ловушки.
Формирование звуковой ловушки в виде кармана на передней стенке корпуса, имеющего заглубленную внутрь корпуса отражающую стенку, направляющую падающую звуковую волну во внутреннюю полость корпуса, установленную под углом к передней стенке корпуса и ограничивающую карман с одной стороны, расположенную напротив отражающей стенки полочку и боковые стенки, соединяющие свободные кромки отражающей стенки с передней стенкой, увеличивает площадь поверхности передней стенки, повышает общую жесткость передней стенки. Наличие в полочке 10 окон 11 обеспечивает передачу звуковой энергии (акустических колебаний) в виде звуковой волны, отраженной наклонной стенкой внутрь корпуса, где обеспечивается поглощение звуковой энергии звукопоглощающим наполнителем. Поглощение энергии начинается сразу на выходе из окна 11 в полочке 10, поскольку наполнитель 8 полностью заполняет внутреннюю полость корпуса модуля и весь карман, в том числе и полочка, утоплены в этот наполнитель. Развитая поверхность передней стенки 12 повышает шумозащитные свойства. Кроме того, все элементы передней стенки, включая стенки кармана, находятся в контакте с звукопоглощающим наполнителем, формируя динамический гаситель диссипативного типа, где стенка с наполнителем работает как единая панель, колеблющаяся как одно целое. Наполнитель 8 выполняет роль демпфирующего элемента диссипативного типа. Колебания (вибрация стенки) непосредственно передаются звукопоглощающему наполнителю, который поглощает звуковые колебания и оказывает сильное демпфирующее воздействие на переднюю стенку, подавляя ее колебания. Степень заглубления кармана 6 может изменяться в зависимости от требуемой жесткости стенки и может быть рассчитана с использованием известных зависимостей, инженерных расчетов.
Звуковые ловушки, сформированные в виде карманов 6, погружены в пористый наполнитель 8, полностью заполняющий внутреннюю полость корпуса модуля 2. Величина пористости наполнителя 8 выбирается исходя из необходимой степени шумоглушения и обеспечения расчетной частоты собственных колебаний передней стенки 12, контактирующей с пористым наполнителем 8. Кроме того, частота собственных колебаний передней стенки 12 и уровень диссипации акустической энергии при совместном колебании передней стенки и наполнителя могут быть изменены посредством изменения способа обеспечения поверхностного контакта передней стенки 12 и/или задней стенки 7 с пористым наполнителем 8. Например, поверхностный контакт наполнителя 8 с передней стенкой 12 может быть обеспечен с использованием клейкого вещества. В случае использования отверждаемого клейкого вещества обеспечивается жесткое соединение наполнителя 8 и стенки 12. Если клейкое вещество не отверждается, то полученные частотные характеристики могут быть другими. Расчет частоты собственных колебаний осуществляется на основе известных физических закономерностей либо демпфирующие свойства могут верифицироваться путем проведения соответствующих акустических испытаний.
Формирование звуковой ловушки в виде кармана 6 на передней стенке 12 корпуса, имеющего заглубленную внутрь корпуса отражающую наклонную плоскую стенку 9, полочку 10 и ограниченного боковыми стенками (на фиг. 3 не показано), увеличивает контактную площадь поверхности передней стенки 12, повышает общую жесткость передней стенки. Развитая поверхность передней стенки 12 обеспечивает лучшие шумозащитные свойства. Кроме того, передняя стенка 12 в совокупности со звукопоглощающим наполнителем 8, который выполняет функцию дополнительной массы, формируют динамический гаситель диссипативного типа (см., например, http://know.alnam.ru/book_vb6.php?id=59). Наполнитель 8 выполняет роль демпфирующего элемента диссипативного типа. Колебания (вибрация стенки) непосредственно передаются звукопоглощающему наполнителю, который поглощает звуковые колебания и оказывает сильное демпфирующее воздействие на переднюю стенку 12, поглощая ее колебания. Степень заглубления кармана может изменяться в зависимости от требуемой жесткости стенки и может быть рассчитана с использованием известных зависимостей.
При необходимости повышения эффективности шумоглушения размеры кармана 6 выполняются с учетом длины поглощаемой звуковой волны.
Учет длины волны при выборе геометрических параметров может быть выполнен, например, так же как для щелевых резонансных поглотителей, конструкция которых основана на известном свойстве резонатора Гельмгольца совершать низкочастотные собственные колебания, длина волны которых значительно больше размеров самого резонатора. Порядок расчета резонансной частоты и геометрических параметров понятен специалисту. Один из подходов для таких расчетов приведен в публикации (http://www.acoustic.ua/recommendations/567).
При необходимости звуковые ловушки - углубления могут быть выполнены в виде желобов 13 (фиг. 4), расположенных параллельными рядами на передней стенке 12 корпуса. При этом каждый из желобов 13 может иметь определенный, заданный размер или может быть выполненным по всей длине корпуса звукопоглощающего модуля. Кроме того, боковые стенки желоба могут быть совмещены с боковыми стенками корпуса модуля, причем желоб 13 может быть оснащен перегородками (не показано), соединяющими полочку 10 с наклонной отражающей плоской стенкой 9.
Как и в первом примере реализации полезной модели, полочка 10 может быть размещена параллельно нижней боковой поверхности корпуса модуля. Такая ориентация полочки 10 позволит правильно организовать прохождение отраженной звуковой волны внутрь корпуса, минимизируя рассеяние звуковых волн в окружающее пространство.
На фиг. 4 показан также вариант выполнения элементов шпунтового соединения в виде фальцев 14, 15, расположенных на верхней и нижней боковых продольных стенках модуля, соответственно.
Описываемое устройство работает следующим образом. Шумопоглощающая панель набирается из множества модулей 2 и 3, торцевые поверхности которых входят в пазы 1 каркаса. При этом продольные шипы 4 входят в пазы 5 соседнего модуля 2, создавая жесткую надежную и легко разбираемую конструкцию.
Шум от источника, в виде совокупности звуковых волн, сталкиваясь с препятствием в виде шумопоглощающей панели, трансформируется передней стенкой в механические колебания и поглощается пористым наполнителем 8. Кроме того, шум поглощается непосредственно пористым наполнителем. Процесс шумозащиты может быть описан следующим образом.
Звуковая волна, попадая в звуковую ловушку, отражается от наклонной поверхности отражающей плоской стенки 9 кармана 6. Отраженная волна попадает на полочку 10. Через выполненные в ней окна 11 отраженная звуковая волна перенаправляется в полость корпуса с наполнителем 8, поглощающим энергию волны.
Развитая поверхность передней стенки 12 позволяет повысить эффективность улавливания звуковых волн.
Эффективность шумопоглощения обеспечивается также за счет использования принципа динамического гашения колебаний (см. http://know.alnam.ru/book_vb6.php?id=59), который в данном случае реализован путем присоединения к передней стенке 12 демпфирующего элемента диссипативного типа - пористого наполнителя 8. Частота собственных колебаний передней стенки также зависит от свойств поверхностного контакта, величины внутренних потерь в зоне контакта и т.п.
Для обеспечения большей эффективности работы карманы 6 выполняются с размерами, соответствующими длине поглощаемой звуковой волны (с учетом длины волны), что способствует дополнительному поглощению энергии волн за счет интерференции. В зависимости от потребностей может выбираться тот или иной диапазон длин волн, который необходимо подавить наиболее эффективно. Размеры карманов могут быть неодинаковыми по поверхности передней стенки корпуса и могут формировать градиентно-направленные области.
Степень заглубления карманов 6 может изменяться в зависимости от требуемой жесткости стенки и моделируется с использованием известных зависимостей. При этом угол наклона полочки 10 к отражающей плоской стенке 9 может быть таким, что она расположена, например, в плоскости параллельной плоскости дорожного полотна, что позволяет защитить наполнитель как от деструкции под воздействием солнечного излучения, так и от влаги и грязи. Такое выполнение угла наклона полочки обеспечивает дополнительное повышение эффективности шумопоглощения, которое остается практически постоянным во времени.
Форма карманов 8 выполнена такой, что отсутствуют труднодоступные полости, в которых может скапливаться грязь и влага. При этом воздействие ветра выдувает из карманов 8 даже то, что могло осесть на его поверхностях. Доступ к очищающим устройствам при обслуживании также открыт и не требует разборки самого элемента 2. При этом панель может быть легко и быстро разобрана для обслуживания с последующей повторной сборкой без ухудшения прочностных свойств изделия.
Кроме того, могут легко подбираться элементы 2 с различными параметрами карманов для особых зон шумоглушения или для расширения спектра заглушаемого звука и чередования их с прозрачными элементами 3 в различной последовательности. Корпус модуля может быть выполнен из металла или композиционного материала. Применение композита (композиционного материала) вместо металла обеспечивает отсутствие затрат на восстановление окраски шумозащитного экрана. Пластик обладает антивандальными свойствами (не позволяет наносить надписи и рисунки).