ШТУЧНЫЙ ЗВУКОПОГЛОТИТЕЛЬ СО ЗВУКООТРАЖАЮЩИМ ОБЪЕМНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
SINGLE SOUND ABSORBER WITH VOLUMETRIC SOUND-REFLECTING ELEMENT

Изобретение относится к промышленной акустике.
Известны конструкции штучных звукопоглотителей, выполненных в виде объемных параллелепипедов, кубической формы, конические, полости которых заполнены звукопоглощающим материалом [1, 2, 3, 4]. В настоящее время волокнистые звукопоглотители являются наиболее употребительными в строительной практике.
Недостатками известных штучных звукопоглотителей являются сравнительно невысокая эффективность на низких и средних частотах, а также они не отвечают возросшим требованиям, предъявляемым к дизайну помещений.
Известен конический штучный звукопоглотитель по патенту РФ №2282004 [5], состоящий из жесткого каркаса, подвешиваемого за крючья на тросах к потолку производственного здания с расположенным внутри каркаса звукопоглощающим материалом, обернутым сетчатой капроновой тканью, каркас выполнен по форме в виде конуса с прикрепленной к его нижнему фланцу полусферой, также содержащей звукопоглощающий материал, обернутый сетчатой капроновой тканью или стеклотканью, причем заполнение звукопоглощающим материалом может быть как с воздушными полостями, расположенными на периферии полусферы, так и внутри нее в шахматном порядке по трем координатным плоскостям.
Недостатком его является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, из-за отсутствия звукоотражающих слоев, выполняющих функции звукоизоляции на высоких частотах.
Известен цилиндрический резонансный штучный звукопоглотитель по патенту РФ №2303679 [6], состоящий из жесткого каркаса, подвешиваемого за крючья на тросах к потолку производственного здания с расположенным внутри каркаса звукопоглощающим материалом, обернутым сетчатой капроновой тканью, каркас выполнен цилиндрическим в виде перфорированного стакана и перфорированной круглой крышки, внутри которого расположен жестко закрепленный на оси стакана центральный стержень, на котором установлены с возможностью их фиксации круглые перегородки, внутри одной из которых расположен звукопоглощающий материал, обернутый сетчатой капроновой тканью.
Недостаток - сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на низких частотах, из-за стесненных габаритов для размещения резонансных камер.
Известен кубический штучный звукопоглотитель по патенту РФ №2334062 [7], состоящий из жесткого каркаса, подвешиваемого за крючья на тросах к потолку производственного здания с расположенным внутри каркаса звукопоглощающим материалом, обернутым сетчатой капроновой тканью, каркас выполнен по форме в виде двух кубических поверхностей, одна из которых - внешняя выполнена перфорированной, а другая внутренняя - акустически прозрачной, причем звукопоглощающий материал, обернутый сетчатой капроновой тканью, расположен в промежутке между каркасами, которые соединены между собой посредством резонансных вставок разного диаметра, а внутренняя полость разделена перегородкой на две резонансные полости, одна из которых заполнена звукопоглотителем.
Недостаток - сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, из-за отсутствия звукоотражающих слоев, выполняющих функции звукоизоляции на высоких частотах.
Известен объемный штучный звукопоглотитель по патенту РФ №2354786 [8], состоящий из жесткого каркаса, подвешиваемого на крепежном элементе к потолку производственного здания, каркас выполнен по форме в виде двух концентричных объемных поверхностей правильных многогранников Платоновых тел, одна из которых - внешняя выполнена перфорированной, а другая внутренняя - сплошной, причем звукопоглощающий материал, обернутый акустически прозрачным материалом, расположен в промежутке между поверхностями.
Недостаток - сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, из-за отсутствия звукоотражающих слоев, выполняющих функции звукоизоляции на высоких частотах.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является штучный звукопоглотитель по патенту РФ №2485256 [9], состоящий из жесткого каркаса, подвешиваемого за крючья на тросах к потолку производственного здания с расположенным внутри каркаса звукопоглощающим материалом, обернутым сетчатой капроновой тканью, к каркасу прикреплен просечно-вытяжной стальной лист, а каркас может быть выполнен по форме в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами ребер L×H×B, отношение которых лежит в оптимальном интервале величин L:H:B=2:1:0,5, или куба с размером ребра k×L, где min L=100 мм; k - коэффициент пропорциональности, лежащий в пределах от 1 до 10 с шагом 2 - (прототип).
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, так как звукопоглощающий элемент, расположенный внутри обечаек перфорированной цилиндрической втулки, выполнен однослойным и не имеет звукоотражающих слоев, выполняющих функции звукоизоляции на высоких частотах.
Технический результат - повышение эффективности шумоглушения на высоких частотах путем введения в звукопоглощающий элемент, расположенный внутри обечаек, перфорированной цилиндрической втулки звукоотражающих слоев, которые выполняют функцию звукоизоляции на высоких частотах.
Это достигается тем, что в штучном звукопоглотителе со звукоотражающим объемным элементом, состоящим из жесткого каркаса, подвешиваемого за крючья на тросах к потолку производственного здания с расположенным внутри каркаса звукопоглощающим элементом, причем каркас выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами ребер L×H×B, отношение которых лежит в оптимальном интервале величин L:H:B=2:1:0,5, а звукопоглощающий элемент выполнен в виде комбинированной многослойной звукопоглощающей конструкции, состоящей из симметрично расположенных перфорированных стенок, между которыми расположены три слоя: центральный слой из звукоотражающего материала, сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и симметрично прилегающих к нему звукопоглощающих слоев из материалов разной плотности, при этом каждая из перфорированных стенок имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий - 3÷7 мм, процент перфорации 10÷15%, а в качестве звукопоглощающего материала используются плиты из минеральной ваты на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральной ваты типа «URSA», или базальтовой ваты типа П-75, или стекловаты с облицовкой стекловойлоком, причем звукопоглощающий элемент по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа Э3-100 или полимером типа «повиден».
На фиг.1 представлен фронтальный разрез предлагаемого штучного звукопоглотителя со звукоотражающим объемным элементом, на фиг.2 - сечение его профильной проекции.
Штучный звукопоглотитель со звукоотражающим объемным элементом состоит из жесткого каркаса 1 (фиг.1), выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами ребер L×H×B, отношение которых лежит в оптимальном интервале величин L:H:B=2:1:0,5. Горизонтальные 2 и вертикальные 3, равномерно расположенные и жестко скрепленные в точках пересечения, ребра образуют полость каркаса 1 для размещения комбинированной многослойной звукопоглощающей конструкции (фиг.2).
Каркас подвешивается за крючья 4 на тросах либо непосредственно крепится к потолку производственного здания (на чертеже не показано).
Звукопоглощающая конструкция (фиг.2) выполнена в виде симметрично расположенных перфорированных 6 и 5 стенок, между которыми расположен звукопоглощающий элемент, выполненный в виде трех слоев: центрального слоя 9 из звукоотражающего материала, сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и симметрично прилегающих к нему звукопоглощающих слоев 7 и 8 из материалов разной плотности. Каждая из перфорированных стенок имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий - 3÷7 мм, процент перфорации 10÷15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля, при этом в случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.
Каждая из перфорированных стенок 6 и 5 может быть выполнена из конструкционных материалов, с нанесенным на их поверхности с одной или двух сторон слоем мягкого вибродемпфирующего материала, например мастики ВД-17, или материала типа «Герлен-Д», при этом соотношение между толщинами материала и вибродемпфирующего покрытия лежит в оптимальном интервале величин: 1/(2,5…3,5).
Каждая из перфорированных стенок 6 и 5 может быть выполнена из нержавеющей стали или оцинкованного листа толщиной 0,7 мм с полимерным защитно-декоративным покрытием типа «Пурал» толщиной 50 мкм или «Полиэстер» толщиной 25 мкм, или алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и толщиной покрытия 25 мкм. Коэффициент перфорации перфорированных листов принимается равным или более 0,25.
Каждая из перфорированных стенок 6 и 5 может быть выполнена из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкции, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа Э3-100 или полимером типа «повиден», или неткаными материалами, например «лутрасилом».
3
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 9 может быть применен материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10…20 МПа, например пеноалюминия, или применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
В качестве звукопоглощающего материала слоев 7 и 8 может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена. Причем звукопоглощающий материал по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа Э3-100 или полимером типа «повиден», или поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т), или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
Кроме того, в качестве звукопоглощающего материала слоев 7 и 8 может быть использован пористый шумопоглощающий материала, например пеноалюминий, или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 30÷45%, или металлопоролон, или материал в виде спрессованной крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, полиуретана, или пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3…2,5 мм, а также могут быть использованы пористые минеральные штучные материалы, например пемза, вермикулит, каолин, шлаки с цементом или другим вяжущим, или синтетические волокна, при этом поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух, например типа «Acutex Т», или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например «Лутрасилом».
В качестве звукоотражающего материала может быть применен материал на основе фольги, или стеклопластика, или углепластика, или пластмассы, содержащей в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна.
В качестве звукоотражающего материала применен материал на основе магнезиального вяжущего с армирующей стеклотканью или стеклохолстом.
В качестве звукопоглощающего материала использован полиэстер.
В качестве звукопоглощающего материала использован пористый волокнистый или пенистый звукопоглощающий материал, который выполнен на основе базальтовых или стеклянных волокон, или открытоячеистого пенополиуретана с защитной звукопрозрачной оболочки из тонкой стеклоткани или алюминизированной лавсановой пленки.
3
В качестве звукопоглощающего материала использован пористый звукопоглощающий керамический материал, имеющий объемную плотность 500÷4000 кг/м и состоящий из 100 массовых частей перлита с диаметром частиц 0,5÷2,0 мм, 100÷200 массовых частей одного или нескольких спекающих материалов и 10÷20 массовых частей связующих материалов. В процессе спекания частицы перлита в точках соприкосновения образуют смежные поры. Этот материал обладает хорошей звукопоглощающей способностью в широком диапазоне частот, но имеет высокую плотность, связанную с содержанием большого количества спекающих материалов.
Штучный звукопоглотитель со звукоотражающим объемным элементом работает следующим образом.
Преимуществом предлагаемого изобретения является его универсальность применения для различных производственных помещений, имеющих самые разнообразные шумовые характеристики. При этом следует отметить относительную легкость настройки штучного звукопоглотителя на требуемый частотный диапазон шумоподавления и его экономически обоснованную эффективность (имеется в виду снижение шума до санитарно-гигиенических норм). Кроме того, выполнение звукопоглотителя из негорючих материалов делает конструкцию пожаробезопасной.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированные стенки 5 и 6 попадает на слои 7 и 8 звукопоглощающего материала, а затем на слой 9 звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и которые расположены соответственно у перфорированных 5 и 6 стенок, а затем падает на слои 7 и 8 мягкого звукопоглощающего материала разной плотности. В волокнистых поглотителях рассеяние энергии колебания воздуха и превращение ее в тепло происходит на нескольких физических уровнях. Во-первых, вследствие вязкости воздуха, а его очень много в межволоконном пространстве, колебание частиц воздуха внутри поглотителя приводит к трению. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, 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 звукопоглотителя. Кроме того, происходит трение воздуха о волокна, поверхность которых также велика. В-третьих, волокна трутся друг о друга и, наконец, происходит рассеяние энергии из-за трения кристаллов самих волокон. Этим объясняется, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.
Источники информации
1. Кочетов О.С., Сажин Б.С. Снижение шума и вибраций в производстве: теория, расчет, технические решения. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. - 319 с. (рис.П. III. 10, стр.263).
2. Кочетов О.С. Текстильная виброакустика. Учебное пособие для вузов. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, группа «Совьяж Бево» 2003. - 191 с. (рис.П.2, стр.176).
3. Кочетов О.С. Лабораторный практикум по производственной санитарии. Учебное пособие для вузов. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, группа «Совьяж Бево» 2004. - 168 с. (рис.6.6, стр.120).
4. Кочетов О.С. Звукопоглощающие конструкции для снижения шума на рабочих местах производственных помещений. Журнал «Безопасность труда в промышленности», №11, 2010, стр.46-50. (рис.1; стр.48 и рис.2; стр.48).
5. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д., Елин A.M. Конический штучный звукопоглотитель // Патент на изобретение №2282004. Опубликовано 20.08.2006. Бюллетень изобретений №23.
6. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д. Цилиндрический резонансный штучный звукопоглотитель // Патент на изобретение №2303679. Опубликовано 27.07.2007. Бюллетень изобретений №21.
7. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д. Кубический штучный звукопоглотитель // Патент на изобретение №2334062. Опубликовано 20.09.2008. Бюллетень изобретений №26.
8. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Кочетов С.С., Кочетов Сергей Сергеевич. Объемный штучный звукопоглотитель// Патент на изобретение №2354786. Опубликовано 10.05.2009. Бюллетень изобретений №13.
9. Кочетов О.С. Штучный звукопоглотитель // Патент на изобретение №2485256. Опубликовано 20.06.2013. Бюллетень изобретений №17.