ШУМОПОГЛОЩАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ
NOISE-ABSORBING STRUCTURE

Изобретение относится к промышленной акустике, в частности к широкополосному шумопоглощению и снижению динамических нагрузок на здания и сооружения, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в строительстве: ограждающие строительные конструкции, архитектурные панели и экраны; облицовка зданий и помещений; шумопоглощающие строительные конструкции для лифтовых шахт; шумопоглощающие строительные конструкции вдоль автомобильных дорог; защитные конструкции опасных производственных объектов и в других отраслях промышленности.
Существующие методы повышения звукоизолирующих свойств железобетонного перекрытия, хотя бы на 6 дБ, требует увеличить его толщину примерно в два раза. Это справедливо и для стен из любого однородного материала - кирпича, пенобетона, стекла, металла и т.д. В связи с чем используются многослойные конструкции, которые позволяют повышать звукоизоляцию стен и перекрытий без существенного увеличения их массы. Снижение уровня колебаний строительных конструкций можно осуществить следующими способами: отстройкой конструкции от резонанса (при гармонических колебаниях) посредством изменения ее жесткости, массы или конструктивной схемы (введением жестких узлов, превращением разрезных конструкций в неразрезные, изменением размеров пролетов и т.д.).
Несмотря на вышеперечисленные способы, применение способа шумоизоляции и снижения вибрации непосредственно в ограждающих строительных конструкциях, авторам неизвестно, так как, априори, такой способ считается до сих пор тупиковым.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является шумопоглощающая панель по патенту РФ №2324793, опубл. 20.05.2008, МПК F01N 1/04, содержащая каркас и расположенную в его внутренней полости звукопоглощающую вставку.
Известная шумопоглощающая панель является дополнительной панелью, применяемой совместно с ограждающими строительными конструкциями. Шумопоглощающая панель по прототипу не снижает динамические нагрузки на здание; обладает сравнительно невысокой эффективностью шумоглушения за счет частичного отражения звуковых волн от звукопоглотителя, а также сравнительно узким (исключительно высокие частоты > 800 Гц) диапазоном шумоглушения.
Задача изобретения заключается в получении ограждающих конструкций, сочетающих возможность шумопоглощения и снижения вибрации в широком диапазоне.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение эффективности шумопоглощения и снижение вибрации за счет создания шумопоглощающей конструкции, состоящей из набора поглощающих резонаторов, каждый из которых обеспечивает гашение волн определенной частоты.
Технический результат достигается за счет того, что в ограждающей строительной конструкции (в детали ограждающей конструкции) формируют шумопоглощающую конструкцию, выполненную в виде набора поглощающих резонаторов, установленных с определенным шагом относительно друг друга и образующих пространственную решетку, при этом камеры резонаторов выполнены в форме коаксиальных цилиндров разных диаметров, предпочтительно от одного до трех, отношение диаметра горла которых к их длине составляет 1:4-6, и размещены таким образом, что расстояние от горла резонаторов до фронтальной стороны ограждающей конструкции не превышает длины резонатора, а расстояние между резонаторами составляет не менее 4-6 диаметров наибольшей камеры наименьшего резонатора, при этом ось симметрии коаксиальных цилиндров резонаторов перпендикулярна к направлению падающей волны.
3
Для повышения эффективности поглощающих резонаторов ограждающих конструкций камеры резонаторов могут быть заполнены мелкодисперсной фракцией, например дроблеными отходами кабельной продукции или гидрокарбонатом натрия NaHCO (пищевой содой).
Поглощающие резонаторы шумопоглощающей конструкции обеспечивают гашение волн на заданных частотах и снижение вибрации от воздействия инфразвуковых, звуковых, ультразвуковых и ударных волн.
Каждый резонатор для поглощающей конструкции может быть выполнен с количеством камер в форме коаксиальных цилиндров разных диаметров предпочтительно от одной до трех.
Для резонатора, выполненного в форме двух коаксиальных цилиндров, горлом резонатора является цилиндр с меньшим диаметром, а камерой - следующий коаксиальный цилиндр с большим диаметром.
Для резонатора, выполненного в форме трех коаксиальных цилиндров, горлом резонатора является цилиндр с наименьшим диаметром, а камерой - два последующих коаксиальных цилиндра.
При этом ось симметрии каждого резонаторов должна быть расположена перпендикулярно падающей шумовой или вибрационной волне для обеспечения наибольшей эффективности работы поглощающего резонатора.
Резонатор, выполненный в форме от двух до трех коаксиальных цилиндров разных диаметров, целесообразнее выполнять при соотношении диаметра горла резонатора к его высоте в соотношении 1:4…6. Данное соотношение было установлено экспериментально.
Взаимное расположение резонаторов в теле ограждающей конструкции выбирается из условия, что расстояние между резонаторами должно быть не менее 4-6 диаметров наибольшей камеры наименьшего резонатора. Это соотношение обусловлено исключением взаимовлияния рассеяния выделенных частот на соседние резонаторы.
3
Заполнение камер резонаторов, образующих шумопоглощающую конструкцию, например, дроблеными отходами кабельной продукции или гидрокарбонатом натрия NaHCO, способствует увеличению шумопоглощающих свойств благодаря повышению тепловых потерь в камерах резонаторов в связи с переходом энергии шумовых волн в тепловую энергию.
Вещества для заполнения камер резонаторов были подобраны экспериментально на основе опытных испытаний. Для предотвращения высыпания веществ из камер резонаторов донце резонатора закрывают пробкой, например заклеивают бумагой, или его капсулируют в процессе изготовления или строительства.
Изобретение поясняется фотографиями: на Фиг. 1 представлена фотография продольного разреза шумопоглощающей конструкции, выполненной в строительной ограждающей конструкции, с резонаторами в виде трех коаксиальных цилиндров разных диаметров.
На Фиг. 2 представлена фотография шумопоглощающей конструкции, в которой резонаторы заполнены измельченными отходами кабельной продукции и размещены в шахматном порядке.
На Фиг. 3 представлена фотография стандартного кирпича с выполненными в нем двухкамерными резонаторами, заполненными отходами кабельной продукции.
Шумопоглощающая конструкция с резонаторами, поглощающими различные заданные частоты, например частоты собственных колебаний зданий, сооружений, частоты шума городской среды, ударного шума, может формироваться в теле ограждающей конструкции различными методами.
Например, резонаторы могут быть выполнены в узлах пластмассовой (например, полиэтилен) сетки. В этом случае шумопоглощающая конструкция, выполненная в виде сетки, может быть прикреплена к наружной стороне ограждающей строительной конструкции. После чего на нее наносят слой штукатурки, в 2 раза превышающий длину резонаторов, что обеспечивает условие размещения резонаторов в теле конструкции.
Поглощающие резонаторы могут быть сформированы в плитах ограждающих конструкций, представляющие пространственную решетку и расположенные в узлах этой решетки, в ходе строительных работ путем размещения их в теле конструкции совместно с арматурой, с последующей заливкой бетоном. Размеры пространственной решетки и расположение резонаторов в ее узлах определяют на стадии проектирования.
Кроме того, набор резонаторов для поглощения одной или нескольких частот может быть выполнен в строительных камнях, в частности в кирпичах. В этом случае для осуществления шумопоглощения и снижения динамических нагрузок создают проект укладки резонаторов в виде облицовки здания (сооружения) строительными камнями, в структуре которой предусматривают наличие резонаторов, обеспечивающих гашение шума и динамических нагрузок в заданном диапазоне (пакете) частот.
Шумопоглощающая конструкция работает следующим образом.
Заявляемая шумопоглощающая конструкция обеспечивает увеличение диссипативной способности шумопоглощения непосредственно в ограждающих конструкциях, в том числе и в несущих. Это позволяет отказаться от ряда конструктивных схем, которые не обеспечивают работу применяемых дополнительных шумопоглощающих материалов в течение всего жизненного цикла здания и сооружения. Звуковая волна (вибрация) диссипируется непосредственно в теле ограждающей конструкции.
Звуковая (ударная) волна, падающая на ограждающую конструкцию, проходя через ее тело, разрушается при поглощении резонаторами за счет перехода энергии звуковых и вибрационных волн в тепловую энергию. Поглощающие резонаторы подбираются, исходя из требований, определенных на основе проектных характеристик и условий размещения здания или сооружения, а также по результатам измеренных, прогнозируемых воздействий на ограждающие конструкции для обеспечения безопасности пользователей.
Работа шумопоглощающей конструкции с заполненными камерами резонаторов различными веществами в виде мелкой фракцией зависит от плотности этих веществ, то есть от адиабатической сжимаемости среды. С точки зрения поставленной задачи снижения шума целью применения заполнителей является снижение добротности резонатора, результатом последнего является поглощение шума и преобразование его в тепловую энергию.
В таблице 1 представлены результаты экспериментальных исследований поглощения резонаторами шума на макетах ограждающих конструкций с различными типами поглощающих резонаторов. Под номером 1 - макет без резонатора.
На основе результатов проведенных испытаний с шумопоглощающей конструкцией с 2- и 3-камерными резонаторами в форме коаксиальных цилиндров, результаты которых представлены в табл. 1, доказывают высокую степень шумопоглощения в диапазоне частот 31,5 - 16000 Гц.
-6
3
В таблице 2 представлены результаты испытаний по шумопоглощению резонаторов, выполненных в кирпиче с заполнителями и без заполнителя (Фиг. 3). В облицовочном кирпиче было выполнено семь 2-камерных резонаторов в форме коаксиальных цилиндров диаметрами 8 и 12 мм. Длина камер взята равной ее четырем диаметрам, объем резонатора (вторая камера) - 5,42592 ⋅ 10 м.
Как видно из таблицы для различных частот следует подбирать различные заполнители. Так заполнитель №1 эффективно работал на частотах 37.5, 63, 125 и 8000 Гц, а заполнитель №2 оказался эффективнее только на частоте 8000 Гц. Наличие экспериментальных данных позволяет выявить наиболее эффективные комбинации резонаторов с различными заполнителями или без них.
Кроме этого, были проведены испытания по гашению вибрации с шумопоглощающей конструкцией с трехкамерными резонаторами с размерами камер: диаметр первой камеры 6 мм, длина первой камеры 5 мм; диаметр второй камеры =8 мм, длина второй камеры 5 мм; диаметр третьей камеры 10 мм, длина третьей камеры 5 мм и однокамерный резонатор с диаметром камеры 4 мм и длиной 16 мм, которая полностью гасила вибрацию на частоте 8 Гц. В других исследованных образцах на данной частоте наблюдалось снижение вибрации от 5,7 до 28,4 децибел. При этом эффективность работы резонаторов на различных частотах менялась при изменении набора резонаторов с различным числом камер, что подтверждает необходимость предварительного подбора резонаторов для создания шумопоглощающей конструкции с учетом требуемых частот поглощения для расширения полосы поглощения шума и вибрации.
В случае расположения шумопоглощающих резонаторов в узлах пластмассовой сетки возможно ее применение в качестве геосетки для асфальтобетона, применяемой в дорожном строительстве, что позволит снизить дорожный шум.
Ограждающие конструкции, например, здания, которые отделяют внутреннее пространство помещения от внешней среды, а также разделяют пространство на смежные помещения (перегородки, перекрытия, стены и др.) как внешние (или наружные), так и внутренние проектируются с учетом устройства в них резонаторов для диссипации частот.
ф
Применение шумопоглощающей конструкции может обеспечить не только повышение срока эксплуатации здания и сооружения, но и обеспечить его устойчивость в случае воздействия на здание расчетной ударной волны, так как часть энергии ударной волны будет рассеиваться в резонаторах и перейдет в тепловую энергию. За счет чего время перехода здания (сооружения) в резонанс на частотах собственных колебаний от нагрузок, возникающих при воздействии ударной волны (Δр ∙Δt), будет увеличиваться. Таким образом, при прочих равных условиях, здания (сооружения), в которых проектом предусмотрено гашение собственных частот с помощью резонаторов, размещенных в теле ограждающих конструкций, выдержит большую нагрузку от ударной волны, чем здание (сооружение) не использующее систему гашения собственных колебаний.