Панель резонатор

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к промышленному строительству, а конкретно к защите от акустических волн, образуемых в открытых техносферных зонах при эксплуатации разнообразных машин и механизмов и имеющих по своей специфике самый разнообразный спектр звуковых волн от низко до высокочастотных колебаний.
Из уровня техники известен широкий круг разнообразных разработок посвященных защите от шума путем либо его простого отражения, либо его поглощения. Для поглощения шума на средних и высоких частотах применяются различные звукопоглощающие материалы. Для достижения звукопоглощения на низких частотах применяются резонансные поглотители, они представляют собой совокупность резонаторов Гельмгольца, объединенных в единую конструкцию [Булкин В.В., Беляев В.Е., Сергеев В.Н. Конструкторские расчеты элементов РЭС в условиях механических и акустических воздействий: Учеб. пособие / Под ред. В.В. Булкина. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2004. - 132 с]. Такие устройства широко применяются при создании заданной акустической спектральной характеристики.
Известны панели шумопоглощающие, состоящие из корпуса со щелевыми ловушками и элементов шумопоглощения, расположенными внутри корпуса. Механизм поглощения звука заключается в прохождении звуковых и других волн через щелевые ловушки внутрь корпуса, деформации элемента шумопоглощения из-за воздействия на него волн и рассеивания на элементе шумопоглощения энергии звуковых и других волн. К таким панелям относятся панели, описанные в патентах РФ №2266997, №2222662, №2176005 и др. Недостатками этих поглотителей являются их недостаточная универсальность при изменении спектра частот в акустошумовой картине окружающей среды, а также сложность обеспечения малой толщины конструкции экрана и ее непостоянство, что обусловлено необходимостью менять глубину резонаторов в зависимости от изменяющегося частотного спектра акустического шума, а также недостаточная эффективность звукоглушения, так как все его внутренние резонаторы настроены на поглощение акустических колебаний лишь определенной частоты, в то время как возбуждения звука на современных машинах обычно являются широкополосными, что вызвано существованием большого числа независимых источников звука и нерегулярностью некоторых физических процессов.
Описана конструкция шумопоглотителя с отверстиями для прохода волн в виде отверстий, в которые вставляются сменные элементы для избирательного гашения акустической волны (патент на ПМ №139578). Подбор сменных элементов и их размещение осуществляется подбором расстояний и размеров внутри панели по формуле таким образом, чтобы в соответствии с зависимостью , где d - диаметр отверстия в сменном элементе, м; f - резонансная частота, Гц; L - расстояние между отверстиями, м; h - расстояние между задней внутренней стенкой короба и окончанием сменного элемента, м; 1 - длина сменного элемента, м; с - скорость звука в воздухе при 20°С, обеспечить требуемый спектр поглощаемых частот. В патенте тех же разработчиков ПМ №139581 описана конструкция шумозащитнного устройства, где шумопроникающие отверстия выполнены в виде вертикально расположенных щелей, при этом профиль короба построен таким образом, чтобы расстояние между внутренними поверхностями задней стенки короба и панели было непостоянным, а ширина щели, ее глубина и изменяющееся по вертикали расстояние между внутренними поверхностями задней стенки короба и панели выбираются таким образом, чтобы в соответствии с зависимостью , где h - расстояние между внутренними поверхностями панели и задней стенки короба, м; b - ширина щели, м; f - резонансная частота, Гц; L - ширина реек (расстояние между щелями), м; 1 - глубина щели, м; с - скорость звука в воздухе при 20°С, обеспечить требуемый спектр поглощаемых частот. Наличие щелей на панели обеспечивает образование совокупности резонаторов Гельмгольца, что и позволяет реализовать поглощение (ослабление) акустошумового сигнала, достигающего зоны установки экрана. Ширина и глубина щели, расстояние между внутренними поверхностями задней стенки короба и панели определяются исходя из диапазона частот, в котором необходимо обеспечить шумопоглощение. Таким образом, устройство реализует совокупность резонаторов Гельмгольца щелевого типа. При известном диапазоне частот, в котором необходимо осуществить поглощение, может быть сформировано такое сочетание основных размеров, при которых обеспечивается эффективное поглощение акустического шума в выбранном диапазоне частот. Вертикальное расположение резонаторов позволит получить возможность поглощения акустического шума в широком диапазоне частот без увеличения толщины экрана.
Описанные выше патенты применяются для снижения шума только за счет усиления резонансного эффекта внутри устройства. В конструкциях отсутствует звукопоглощающий материал, что делает конструкцию явно направленной на одну частоту и имеют малые размеры.
Недостатком этих поглотителей является их недостаточная универсальность при изменении спектра частот в шумовой картине окружающей среды, а также усложненная технология их изготовления и перемонтирования для подстройки на нужную частоту, что не позволяет их рекомендовать для изготовления масштабных шумозащитных устройств, например, вдоль авто- и железнодорожных магистралей.
Для решения задачи масштабной и эффективной защиты от шумового загрязнения открытых техногенных территорий на практике широко реализуется изготовление шумозащитных экранов по патенту ПМ №104943. Экран собирается из панелей, выполненных в виде деревянного каркаса, содержащего минераловатную плиту и стенки в виде деревянной обшивки из досок и реек, при этом со стороны источника шума по периметру каркаса установлена сетка, прижатая к шумопоглотителю рейками с зазором не менее 1/3 ширины рейки. Крепление панелей в экран осуществляется через резиновый жгут, установленный по наружному краю каркаса с обеспечением их плотного прилегания, панели прикрепляются к двутавру прижимным уголком. Основными элементами для шумопоглощения такой панели являются минераловатная плита и воздушная полость, образованная между задней стенкой и плитой, а также конструкция лицевой стенки, обращенной к источнику шума, в виде сетки и лицевых реек с фиксированным размером ячеек и зазора между рейками. Однако, шумопоглощающие свойства таких панелей не достаточно эффективны для акустических волн низкой частоты.
Задачей заявляемого технического решения является усовершенствование конструкции устройства с целью расширения применения шумопоглощающей панели в различной акустической обстановке и, в конечном результате, повышение эффективности защиты открытых техногенных территорий, а также упрощение технологии сборки и эксплуатации шумозащитных экранов из таких панелей.
Задача была решена путем изготовления лицевой стенки панели из сетки и решетки, собранной из лицевых реек с зазором, размер которого определяется формулой , где d - величина зазора м; f - резонансная частота, Гц; L - ширина рейки м; h - расстояние между задней внутренней стенкой короба и плитой, м; 1 - длина щели, м; с - скорость звука в воздухе при 20°С.
Достигаемым техническим результатом такого конструктивного решения является обеспечение надежного прилегания сетки к плите, способствующее повышению резонирующих возможностей устройства в целом, а фиксированный в зависимости от частоты волны размер пропускного зазора между рейками в решетке обеспечивает надежное шумопоглощение акустической волны с такой частотой. Это позволяет изготавливать экраны с комбинациями панелей под разные резонансные частоты.
Предлагаемое решение иллюстрируется рисунками. На фиг. 1 приведен общий вид устройства. На фиг. 2 - конструкция прижимной решетки.
Панель резонатор устроена следующим образом: содержит рамный каркас прямоугольной формы (поз. 1 и 2), усиленный двумя ребрами жесткости (поз. 8), лицевую обшивку, выполненную в виде сетки (поз. 7) и прижимной решетки (поз. 11), состоящей из горизонтально расположенных реек закрепленных на вертикальных планках (поз. 12). Задняя стенка (поз. 4) выполнена в виде набора из шпунтованных досок. В полость между обшивками установлен наполнитель (поз. 5 и 6), прикрепленный к каркасу диагоналями (поз. 10). К каркасу прикреплен уплотнитель (поз. 9). Конструкция решетки (фиг. 2) достаточно проста. Рейки по своим концам в горизонтальном положении прикрепляются любым способом к направляющим планкам. Зазор между рейками устанавливается расчетом по известной формуле как функция от частоты акустической волны. Прижимные решетки устанавливаются на лицевую стенку по каркасу панели при помощи гвоздей или саморезов.
Испытания панелей с резонаторными решетками разных зазоров между рейками показали положительные результаты. Панели с резонаторами устанавливаются вокруг источника низкочастотного шума, например трансформатора. Необходимые зазоры между рейками в прижимной решетке подбираются на стадии проектирования. По вышеприведенной формуле рассчитываются конструктивные параметры прижимных решеток, настроенных на определенную резонансную частоту акустической волны. Например, при ширине зазора 1 мм он определяется частотами 125-180 Гц. Прижимная лицевая решетка, собранная из лицевых реек при толщине деревянной планки 20 мм, при ширине планки 50 мм и при ширине зазора 1 мм способна поглощать волну с частотой 157 Гц, создаваемой трансфоматорными подстанциями, установленными в городской черте.
Для ширины зазора 2 мм резонансная частота будет 220 Гц, где звукопоглощение будет достигать почти 1. При применении материала в конструкции звукопоглощение будет работать на частотах от 200 Гц до 240 Гц. При ширине зазора 3 мм шум будет снижаться в диапазоне от 240 Гц до 280 Гц. При ширине зазора 5 мм от 310 до 350 Гц, при ширине зазора 10 мм от 440 до 480 Гц. Т.е. учитывая конструкцию панели, достигается максимальное звукопоглощение в диапазоне до 500 Гц.
Таким образом, панели, настроенные с помощью решетки с заданными зазорами между реек на определенную частоту звуковой волны, работают как резонаторы Гельмгольца. В сочетании со звукопоглощающим материалом, находящимся внутри панели, такие панели обеспечивают защиту от шума в более широком диапазоне акустической волны. Такие панели, установленные вокруг шумового источника, позволят снизить уровни звукового давления от источника во всем диапазоне частот.
Выполнение обшивок панели из обработанной древесины обеспечивает хорошую сочетаемость с архитектурой застройки при наличии надежных шумозащитных качеств. Панели удовлетворяют требованиям СНиП и рекомендованы к применению для установки в экраны. Упрощение технологии сборки экранов, их обслуживание в процессе эксплуатации, заключается в легкоосуществимой замене прижимных решеток на решетки с нужными фиксированными щелевыми зазорами реек, в зависимости от вида шумосоздающего объекта.