СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШУМОПОНИЖАЮЩИХ ЭКРАНОВ И ШУМОПОНИЖАЮЩИЙ ЭКРАН
METHOD OF IMPROVEMENT OF EFFICIENCY OF NOISE-REDUCING SCREENS AND NOISE-REDUCING SCREEN

Заявленное техническое решение относится к области защиты урбанизированных пространств от акустошумового загрязнения, в частности в строительстве, при архитектурно-планировочных мероприятиях, в машиностроении, на железнодорожном транспорте и т.д.
Известен способ изоляции шума путем отражения звуковых волн многослойным ограждением с каналами, образованными плитами ограждения, отличающийся тем, что по упомянутым каналам прокачивают газ или жидкость [1].
Недостатком способа является то, что он предусматривает прокачку жидкости или газа, что возможно не во всех случаях.
Данный способ реализуется устройством, состоящим из изолирующих плит, каналов и устройства прокачки, причем устройство прокачки может состоять из компрессора, циркуляционного насоса или аналогичного им устройства, обеспечивающего высокие скорости прокачки газа или жидкости [1].
Недостатком устройства является необходимость применять для защиты прокачку жидкости или газа, что возможно не во всех случаях. Кроме того, в состав устройства должны входить компрессор или циркуляционный насос для обеспечения высокой скорости прокачки.
Известен способ повышения эффективности шумозащиты территорий, заключающийся в применении панелей, внутренняя полость которых заполнена звукопоглощающими элементами [2]. Способ обеспечивает не только отражение, но и поглощение падающей на него звуковой волны, однако обладает невысокой эффективностью шумоглушения за счет узкого (исключительно высокие частоты) диапазона шумоглушения.
Данный способ реализуется шумопоглощающей панелью [2], содержащей каркас и расположенный в его внутренней полости звукопоглощающий элемент.
Недостатком панели является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения за счет узкого (исключительно высокие частоты) диапазона шумоглушения.
Ближайшим аналогом заявляемого способа повышения эффективности шумоподавляющих барьеров является способ, заключающийся в построении шумоподавляющего барьера в виде резонатора, образованного двумя панелями, расположенными по V-образной схеме таким образом, чтобы горловина резонатора находилась в верхней части барьера, причем ширина раскрыва панелей и глубина образующегося резонатора определяются доминирующим диапазоном частот, при этом поглощение падающего на экран акустического сигнала осуществляется за счет использования свойств резонансного поглощения [3].
Способ позволяет обеспечить более эффективную защиту при меньшей высоте экрана, особенно в области т.н. геометрической тени. Обусловлено это тем, что наличие горловины резонатора в верхней зоне барьера обеспечивает поглощение лучей, рассеиваемых на верхней кромке барьера, в значительной степени и определяющих проникновение акустического сигнала за барьер, в зону геометрической тени.
Однако недостатком его является наличие значительного коэффициента отражения падающей на переднюю панель акустической волны. В результате барьер, выполняя функции преграды на пути распространения акустической волны в защищаемую зону, не осуществляет функции снижения уровня шума перед барьером, в области расположения источника сигнала.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является шумопоглощающая панель [4], содержащая каркас и расположенную в его внутренней полости шумопоглощающую вставку, каркас выполнен в виде параллелепипеда, образованного передней и задней стенками панели, каждая из которых имеет П-образную форму, причем на передней стенке имеется щелевая перфорация, коэффициент перфорации которой принимается равным или более 0,25, а стенки панели фиксируются между собой вибродемпфирующими крышками, а шумопоглощающая вставка выполнена цельной или состоящей из шумопоглощающих элементов, имеющих каркас, вписанный в контур панели, при этом передняя и задняя стенки каркаса шумопоглощающих элементов выполнены 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 из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и с покрытием толщиной 25 мкм, причем отношение высоты h каркаса к его ширине b находится в оптимальном отношении величин: h/b=1,0÷2,0, отношение толщины s′ каркаса в сборе к его ширине b находится в оптимальном отношении величин: s′/b=0,1÷0,15, а отношение толщины s звукопоглощающего материала к толщине s′ каркаса в сборе находится в оптимальном отношении величин: s/s′=0,4÷1,0.
Недостатком панели является сложность конструкции, необходимость применения строго определенного набора конструкционных материалов, применения специальных технологических процессов для обработки поверхностей элементов, а также отсутствие возможности «настройки» поглощающих свойств панели на требуемый конкретными условиями частотный диапазон.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности шумоподавляющих барьеров при организации защиты урбанизированных территорий.
Поставленная цель достигается тем, что в способе повышения эффективности шумоподавляющих экранов, основанном на поглощении падающего на экран акустического сигнала благодаря использованию свойств резонансного поглощения, дополнительно обеспечивается и поглощение акустических лучей, рассеиваемых на верхней кромке экрана.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности шумоподавляющих барьеров при организации защиты урбанизированных территорий.
Поставленная цель достигается тем, что в шумопоглощающем экране, выполненном в виде параллелепипеда, образованного передней и задней панелями, причем на передней панели имеется щелевая перфорация, а между панелями установлена шумопоглощающая вставка, передняя и задняя панели выполнены из любых плотных материалов, задняя панель выполнена в виде короба, герметично присоединенного к передней панели, при этом профиль короба построен таким образом, чтобы расстояние между внутренними поверхностями стенки короба и передней панели было непостоянным, при этом ширина щели, ее глубина и изменяющееся расстояние между внутренними поверхностями 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; ƒ - резонансная частота, Гц; L - расстояние между щелями, м; l - глубина щели, м; с - скорость звука в воздухе при 20°C, обеспечить требуемый спектр поглощаемых частот.
По второму варианту в верхней части экрана установлена перегородка, таким образом, чтобы образовался дополнительный объем требуемой глубины, причем в верхней части данного объема имеются отверстия щелевого типа в верхней стенке короба, при этом глубина дополнительного объема и размеры профиля щелевого отверстия в верхней стенке короба выбираются таким образом, чтобы в соответствии с зависимостью , где h - глубина дополнительного объема, м, обеспечить требуемый спектр поглощаемых частот.
По третьему варианту выбор соотношения размеров может осуществляться в соответствии с зависимостью .
По четвертому варианту шумопонижающая панель может иметь ребра жесткости, связывающие между собой короб и переднюю панель.
По пятому варианту щелевая перфорация может выполняться без разрывов на всем протяжении рабочей поверхности передней панели или верхней стенки короба, таким образом, чтобы не выходить за пределы внутреннего объема короба.
По шестому варианту щелевая перфорация может выполняться с профилем переменной ширины, определяемой, например, в соответствии с зависимостью .
По седьмому варианту щелевая перфорация может выполняться с профилем переменной глубины, определяемой, например, в соответствии с зависимостью .
По восьмому варианту щели могут содержать демпфирующий материал.
По девятому варианту дополнительный объем образуется установкой в верхней части экрана с внешней стороны задней панели дополнительного элемента в виде короба.
По десятому варианту верхняя крышка дополнительного объема имеет выгнутую форму.
По одиннадцатому варианту верхняя крышка дополнительного объема имеет вогнутую форму.
По двенадцатому варианту дополнительный элемент выполнен таким образом, чтобы дальняя от передней панели часть была выше верхней части передней панели и верхняя крышка дополнительного элемента имела уклон в сторону передней панели.
По тринадцатому варианту дополнительный элемент выполнен таким образом, чтобы дальняя от передней панели часть была ниже верхней части передней панели и верхняя крышка дополнительного элемента имела уклон от передней панели.
По четырнадцатому варианту панель может выполняться без шумопоглощающей вставки.
По пятнадцатому варианту дополнительный объем может выполняться с шумопоглощающей вставкой.
По шестнадцатому варианту отверстия в передней панели и верхней крышке дополнительного объема выполняются круглыми, и размеры горловин образующихся резонаторов определяются по соотношению , где d - диаметр отверстия, м.
По семнадцатому варианту резонатор в верхней части панели может иметь изменяющийся профиль в сечении.
По восемнадцатому варианту резонатор в верхней части панели может содержать демпфирующий материал в горловине.
На фиг. 1 представлен шумопонижающий экран со стороны передней панели. На фиг. 2 - возможные варианты контура экрана (вид сбоку). На фиг. 3 - разрез А-А фиг. 1. На фиг. 4 - разрез экрана (B-B) с заполнением внутренней полости поглощающей вставкой, на фиг. 5 - разрез экрана с демпфирующим материалом в горловине резонатора, а на фиг. 6 - разрез экрана с установленными ребрами жесткости. На фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 показаны возможные варианты установки дополнительного резонатора в верхней части экрана. На фиг. 10 показаны возможные варианты расположения верхней крышки дополнительного резонатора. На фиг. 11 показаны возможные варианты щелевой перфорации на передней панели экрана.
Шумопонижающий экран состоит из панели 1 с отверстиями 2, а также короба 3. Во внутреннем объеме устройства могут размещаться ребра жесткости 4 и шумопоглощающая вставка 5, а в горловине резонатора - демпфирующий материал 6. Верхний резонатор (дополнительный объем) образуется перегородкой 7 внутри объема экрана между панелью 1 и коробом 3, или установкой дополнительного элемента (короба) 8. Функции горловины резонатора выполняет отверстие 9 в верхней части короба 3 или дополнительного элемента 8. В горловине дополнительного объема (резонатора) может устанавливаться демпфирующий материал 10, а во внутреннем объеме - шумопоглощающая вставка 11.
Причинно-следственная связь между признаками изобретения и достигаемым результатом (повышение эффективности шумопонижающих экранов) определяется следующей совокупностью признаков.
Герметичное соединение панели 1 и короба 3 создает замкнутый объем. Наличие щелей 2 на панели 1 обеспечивает образование совокупности резонаторов Гельмгольца, т.е. образование полигармонического резонатора, что и позволяет реализовать поглощение (ослабление) акустошумового сигнала, достигающего зоны установки экрана. Ширина и глубина щели 2, расстояние между внутренними поверхностями задней стенки короба 3 и панели 1 определяются исходя из диапазона частот, в котором необходимо обеспечить шумопоглощение. При достижении зоны установки шумопоглотителя, распространяющегося в урбанизированной среде акустошумового сигнала, обеспечивается его поглощение. Наличие ребер жесткости 4 повышает жесткость конструкции, т.е. снижает вероятность возникновения вибраций панели и короба, увеличивая способность резонаторов к поглощению сигналов, а шумопоглощающая вставка 5 улучшает условия поглощения. Демпфирующий материал 6, устанавливаемый в горловине резонатора, обеспечивает повышение активного акустического сопротивления и, как следствие, коэффициента поглощения резонатора в целом.
Установка перегородки 7 внутри панели или дополнительного элемента (короба) 8 в верхней части панели и наличие отверстия 9 в верхней части короба 3 или дополнительного элемента 8 образуют еще один резонатор, функции которого заключаются в поглощении (ослаблении) акустических волн, образующихся при рассеянии на верхней кромке экрана и в обычной ситуации проникающих за пределы преграды в область геометрической тени. В данном случае имеется возможность дополнительного ослабления этих волн, что и обеспечивает повышение эффективности функционирования экрана и всей системы шумозащиты в целом. Применение шумопоглощающей вставки 11 и демпфирующего материала 10 обеспечивает повышение активного акустического сопротивления и улучшает условия поглощения резонатора в целом. Изменение профиля верхней крышки дополнительного элемента (резонатора) должно осуществляться в зависимости от конкретных условий применения, в том числе - диапазона частот, расстояния до источника шума, высоты расположения этого источника, наличия элементов, приводящих к дополнительным переотражениям акустического шума и т.д.
Резонансная частота ƒ резонатора Гельмгольца для случая выполнения отверстий в виде щелей определяется выражением , где b - ширина щели, м; L - расстояние между отверстиями, м; h - расстояние между внутренними поверхностями панели и задней стенки короба, м; l - глубина щели, м; c - скорость звука в воздухе при 20°C [5, стр. 66]. Проведя несложные преобразования, получим выражения для вычисления одного из определяемых параметров при заданных остальных, например .
2
При использовании отверстий круглого типа расчеты производятся на основании формулы, где S - площадь сечения отверстия, м [5, стр. 66]. С учетом соотношения, где d - диаметр отверстия, м, проведем несложные преобразования и получим . Последующие преобразования позволят получить выражения для определения одного из определяемых параметров при заданных остальных, например.
При известном диапазоне частот, в котором необходимо осуществить поглощение, может быть сформирован такой профиль задней стенки короба, при котором обеспечивается эффективное поглощение акустического шума в выбранном диапазоне частот. Аналогичным образом может быть сформирован профиль внутреннего объема дополнительного резонатора.
Причинно-следственная связь между существенными признаками устройства и достигаемым результатом заключается в том, что заявляемое устройство позволяет реализовать существенные признаки заявляемого способа повышения эффективности шумопонижающих экранов.
Использование предлагаемых способа повышения эффективности шумопонижающих экранов и шумопонижающего экрана обеспечивает упрощение конструкции, снижение себестоимости изготовления панелей и обеспечение возможности адаптации частотных свойств панели к условиям акустошумового загрязнения конкретной техногенной среды.
Источники информации
1. Пат. РФ, №2030525, E04B 1/84, E04B 1/86. Способ изоляции шума. / Генералов А.В. Далабухов В.Н. - Опубл. 10.03.1995.
2. АС СССР, №348755, F01N 1/04. / Опубл. 1970 г.
3. Вовк И.В., Мацупыра В.Т., Сотникова Т.А. Об одном методе повышения эффективности шумоподавляющих барьеров. / Акустичний висшк, 2006, т. 9, №2. - С. 17-26.
4. Пат. РФ №2362855, E04B 1/82. Шумопоглощающая панель / Кочетов О.С., Кочетова М.О. Опубликовано: 27.07.2009.
5. 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: ИГЩ МИ ВлГУ, 2004. - 132 с.