ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЙ ЛЕГКИЙ БЕТОН
SOUND ABSORBING LIGHT CONCRETE

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкции звукопоглощающих стен или облицовок в виде блоков, панелей или монолитного изготовления, которые могут быть использованы в промышленном и гражданском строительстве.
Известны звукопоглощающие стеновые панели, включающие наружные пластины, одна из которых выполнена с перфорациями переменного диаметра, и промежуточные слои с ячейками, образованными сотами шестиугольной формы, или стеновые конструкции, выполненные из различных легких бетонов на пористых крупных заполнителях [1-4]. Недостаток известных конструкций состоит в том, что с увеличением диаметра перфораций уменьшаются диссипативные потери в массиве стеновой конструкции, что приводит к уменьшению эффективности звукопоглощения. Кроме того, данные технические решения направлены строго на фиксированные частоты звукового потока, поэтому обеспечивают глушение шума в очень узком диапазоне частот и являются малоэффективными по своим звукопоглощающим свойствам.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является звукопоглощающая панель, включающая наружные пластины, одна из которых выполнена с перфорациями, а промежуточный слой с ячейками образован сотами шестиугольной формы, расположенными рядами с разными объемами ячеек имеют различную величину [5]. Однако данные конструкции имеют малый интервал строго фиксированных заглушаемых частот от 250 до 500 Гц.
Задача изобретения состоит в расширении диапазона заглушаемых частот.
Поставленная задача достигается тем, что ячейки всех смежных слоев расположены в виде сообщающейся пористой структуры с изменением параметров пор по интегральному принципу, что обеспечивает глушение в широком интервале частот. Кроме того, пористые ячейки одинакового размера и объема расположены отдельными рядами, переходящими от периферии от мелких пор к крупным и далее наоборот.
На чертеже изображена конструкция предлагаемого стенового блока с повышенной звукопоглощающей способностью, который формируется из крупнопористого легкого бетона со следующими слоями: наружный слой на основе мелких фракций из крупного легкого заполнителя диметром 5-10 мм; далее средний слой из крупного заполнителя диаметром 10-20 мм, затем внутренний слой крупнопористого бетона из крупного заполнителя диаметром 20-40 мм (фиг.1).
При формировании крупнопористого бетона из крупного заполнителя одного диаметра возможны два варианта укладки отдельных зерен заполнителя. Если формируется кубическая укладка, то пустоты будут октаэдрического вида; однако такая укладка практически встречается очень редко. В случае формирования ромбоэдрической конфигурации пустоты будут иметь тетраэдрический вид. В первом случае объем пустот может достигнуть 48-50%, а во втором - 26-30%. При этом размер пустот в крупнопористом легком бетоне не будет превышать диаметр крупного заполнителя, т.е. будет соответствовать размеру фракции крупного заполнителя, однако он будет изменяться по сечению (фиг.2). Учитывая этот факт, шумовой (звуковой) поток, проходящий через сечение стенового блока, поглощается во всем диапазоне частот.
Стеновой блок данной конструкции обеспечивает заглушение звука на всех исследованных частотах от 50 до 8000 Гц. На указанных частотах коэффициент поглощения достигал до 0,6.
Расчет поглощающей способности элементарной пористой ячейки крупнопористого бетона по резонансной частоте осуществлялся по следующей формуле Гельмгольца
где с=344 м/с - скорость звука в воздухе;
S - площадь поперечного сечения входного отверстия в пору (пустоту);
V - объем внутренней полости пустоты;
к
l - эквивалентное значение длины горловины (входа) в пористое пространство.
h
Ячейки представляют собой совокупность n элементарных пористых ячеек, каждая из которых представляет собой (с геометрической точки зрения) полость в форме тетраэдрической геометрической фигуры с ребром основания α высотой h.
Тогда
Окончательно соответствие между заглушаемой (резонансной) частотой и размерами ячейки может быть рассчитано по формуле
При заданных характеристиках конструкции: толщина элементарного слоя с одним размером l наружного защитного слоя, условного радиуса r отверстия в поровую структуру, расстояния h между отдельными слоями, резонансная частота является функцией ребра α единичной ячейки и количества элементарных ячеек n. Максимальная резонансная частота, имеющая место при n=1, является однозначной функцией длины ребра α.
Для элементарной поровой ячейки n=1-∞, h=0,001-0,04 м, r=0,0005-0,02 м, l=0,05-0,15 м. Тогда для любого значения а может быть рассчитана частота, заглушаемая ячейкой данного размера или состоящая из n элементарных равных ячеек:
А суммарный эффект шумовой защиты будет представлен интегральной составляющей и примет следующий обобщенный вид
Звуковые волны, попадающие на поверхность легкобетонного блока с интегральным расположением крупного заполнителя, проходят через пористую структуру и подвергаются интенсивному сопротивлению как самих частиц воздуха в порах различного размера, так и в отверстиях пор по отдельным слоям с различным диаметром крупного заполнителя на собственных для данного объема частотах. За счет внутреннего трения между частицами воздуха и поверхностью крупного заполнителя в порах и пустотах, часть энергии падающей волны теряется из-за трения, благодаря чему и происходит поглощение звука. Поскольку стеновой блок содержит пустоты (ячейки) различного объема, а резонансная частота определяется величиной объема ячейки, то это поглощение происходит на всех резонансных для данного блока частотах, что приводит к поглощению звука в широком диапазоне частот. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице, из которой следует, что предлагаемый способ формирования крупнопористого бетона по принципу интегрального расположения крупного заполнителя позволяет в два-три раза повысить шумопоглощающую (звукопоглощающую) способность материала и приблизить эти показатели к одному из лучших материалов - войлоку.
Таблица. Звукопоглощающая способность стен из легких бетонов с интегральным расположением крупного заполнителя (ИРКЗ)
Наименование материала
63 Гц
125 Гц
250 Гц
500 Гц
1000 Гц
2000 Гц
4000 Гц
8000 Гц
Войлок (эталон)
0,16
0,18
0,36
0,71
0,78
0,83
0,85
0,87
Керамзитобетон (традиционный)
0,06
0,06
0,08
0,08
0,12
0,28
0,27
0,23
Стена из керамзитобетона с ИРКЗ
0,12
0,15
0,20
0,28
0,37
0,48
0,47
0,51
Стена из гранулированного торфобетона с ИРКЗ
0,23
0,24
0,32
0,44
0,49
0,57
0,64
0,61
Стена из камышебетона с ИРКЗ
0,14
0,19
0,28
0,41
0,54
0,56
0,58
0,58
Стена из коробетона с ИРКЗ
0,18
0,21
0,26
0,30
0,39
0,53
0,55
0,52
Разработана заводская технология получения легких бетонов с интегральным расположением крупного пористого заполнителя с отработкой пооперационных процессов, что позволило запроектировать конструкции стен, сконструировать и изготовить специальные опалубки и комплект оборудования. Таким образом, предлагаемый способ формирования крупнопористого легкого бетона позволяет получить материал, обладающий достаточной низкой теплопроводностью, улучшенными звукозащитными характеристиками и другими эксплуатационными показателями.
Источники информации
1. Патент США №3380552, кл. 181-33, 1969.
2. Патент ГДР №30948, кл. 37 в 6, 1966.
3. Патент РФ №2211196, 2002.
4. Патент РФ №2255920, 2003.
5. Авторское свидетельство №610956. М.Кл.3 Е04В 1/74.