КУБИЧЕСКИЙ ШТУЧНЫЙ ЗВУКОПОГЛОТИТЕЛЬ
CUBIC SINGLE-PIECE SOUND ABSORBER

Изобретение относится к промышленной акустике, в частности к широкополосному шумоглушению, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства при шумоглушении производственного оборудования методом звукопоглощения.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является штучный звукопоглотитель (Патент РФ №2334062, кл. Е04В 1/84, - прототип), включающий подвешенный на несущей конструкции каркас с звукопоглощающими элементами в виде чередующихся между собой активных, со звукопоглощающим материалом, и реактивных полостей, разделенных перегородками, закрепленными на днище каркаса с его внутренней стороны.
Недостатком известного технического решения, принятого в качестве прототипа, вляяется сравнительно невысокая эффективность шумоглушения за счет необходимости постоянной настройки шага расположения звукопоглощающих элементов и выбора их угла наклона к отражающей поверхности, что ограничивает спектральные возможности шумоглушения из-за отсутствия резонансных объемов, настроенных на определенную полосу частот.
Технический результат изобретения - повышение эффективности шумоглушения за счет расширения частотного диапазона и улучшение эксплуатационных свойств.
Это достигается тем, что в кубическом штучном звукопоглотителе, состоящем из жесткого каркаса, подвешиваемого за крючья на тросах к потолку производственного здания, каркас выполнен по форме в виде двух перфорированных кубических конгруэнтных поверхностей, внешней и внутренней, между которыми расположен звукопоглощающий элемент, а в промежутке между внешней и внутренней поверхностями расположены, по крайней мере, две резонансные вставки с отверстиями разного диаметра, которые соединяют между собой внешнюю и внутреннюю поверхности, а внутренняя полость разделена перегородкой на две резонансные полости, одна из которых, заполнена звукопоглощающим материалом, а звукопоглощающий элемент выполнен двухслойным, причем слой, прилегающий к одной из стенок, выполнен звукопоглощающим, а прилегающий к другой перфорированной стенке, выполнен из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, 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, 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 ЭЗ-100 или полимером типа «повиден».
На фиг. 1 представлен фронтальный разрез предлагаемого кубического штучного звукопоглотителя, на фиг. 2-3 - схемы звукопоглощающего элемента.
Кубический штучный звукопоглотитель состоит из жесткого каркаса 1, подвешиваемого за крючья на тросах 2 к потолку 3 производственного здания. Каркас выполнен по форме в виде двух перфорированных кубических конгруэнтных поверхностей, внешней 4 и внутренней 5, между которыми расположен звукопоглощающий элемент 10.
В промежутке между внешней 4 и внутренней 5 поверхностями расположены по крайней мере две резонансные вставки 9 и 13 с отверстиями 11 и 12 разного диаметра, которые соединяют между собой внешнюю 4 и внутреннюю 5 поверхности, а внутренняя полость разделена перегородкой 6 на две резонансные полости 7 и 8, одна из которых, полость 8, заполнена звукопоглощающим материалом. В резонансных вставках могут быть размещены светильники с автономным электропитанием (на чертеже не показано).
Звукопоглощающий элемент 10 (фиг. 2) выполнен в виде двух перфорированных стенок 14 и 15, между которыми расположен двухслойный комбинированный звукопоглощающий элемент, причем слой 16, прилегающий к одной из стенок 14, выполнен звукопоглощающим, а слой 17, прилегающий к другой перфорированной стенке 15, выполнен из звукоотражающего материала, сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны. Перфорированная стенка 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. При этом звукопоглощающий слой 16 помещен в акустически прозрачный материал 18, например стеклоткань типа ЭЗ-100, или полимер типа «повиден», или нетканый материал, например «лутрасил».
Каждая из стенок 14 и 15 может быть выполнена из конструкционных материалов, с нанесенным на их поверхности с одной или двух сторон слоя 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 стенок 14 и 15 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 стенок 14 и 15 может быть выполнена из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим».
3
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 4 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 слоя 16 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 ЭЗ-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 слоя 16 может быть использован пористый шумопоглощающий материала, например пеноалюминий или металлокерамика или 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.
Звукопоглощающий элемент работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированные стенки 14 и 15, попадает на слои 16 и 17. Слой 17 позволяет отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, а часть звуковой энергии проходит через слой 4 из звукоотражающего материала, и взаимодействует со слоем 16 из звукопоглощающего материала, где происходит окончательное рассеивание звуковой энергии. 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.
Возможен вариант, когда звукопоглощающий элемент 10 (фиг. 3) выполнен в виде внешней 19 и внутренней 20 перфорированных поверхностей, между которыми размещен звукопоглотитель, состоящий из трех слоев звукопоглощающего материала, при этом первый слой 21, более жесткий, выполнен сплошным и профилированным и закреплен на внешней поверхности 19, второй слой 22, более мягкий чем первый, выполнен прерывистым и расположен в фокусе звукоотражающих поверхностей первого слоя 21.
Прерывистый звукопоглощающий слой 22, расположенный в фокусе сплошного профилированного слоя 21 выполнен в форме тел вращения, например в виде шаров, эллипсоидов вращения и крепится с помощью стержней 24 (на чертеже показано сечение с одним стержнем 24), параллельных перфорированным поверхностям 19 и 20, которые жестко связанны между собой посредством вертикальных, перпендикулярных к ним, крепежных элементов, например в виде пластин 25, один конец которых жестко закреплен на внешней поверхности 19, а второй выполнен в виде хомута, охватывающего стержень 24, и стягивающего его винтом (на чертеже не показано).
Сплошной профилированный слой 21 звукопоглощающего элемента выполнен из более жесткого звукопоглощающего материала, у которого коэффициент отражения звука больше, чем коэффициент звукопоглощения, причем профили 23 образованы сферическими поверхностями, соединенными между собой таким образом, что в целом каждый из профилей 23 образует цельный куполообразный профиль, фокусирующий отраженный звук на один и тот же мягкий прерывистый звукопоглощающий слой 22.
Третий слой 26 звукопоглощающего элемента выполнен из вспененного звукопоглощающего материала, например строительной герметизирующей пены, который повышает звукоизолирующие свойства конструкции в целом, за счет заполнения пустот, образованных слоями 19 и 20, а также увеличивает надежность конструкции в целом при установке ее на оборудовании, работающем в условиях с повышенными ударными и вибрационными нагрузками. Третий слой 26 расположен между первым, более жестким слоем 21, и перфорированной поверхностью 20 звукопоглощающего элемента.
3
В качестве звукопоглощающего материала первого, более жесткого, слоя 21 применен материал на основе алюминийсодержащих 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.
В качестве звукопоглощающего материала второго, более мягкого, слоя может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая ваты типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена.
Материал перфорированных поверхностей 19 и 20 может быть выполнен из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности 6, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкция, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден».
Звукопоглощающий элемент работает следующим образом.
Звуковая энергия, пройдя через слой внешней перфорированной поверхности 19 и третий слой 22 звукопоглощающего элемента, выполненного из вспененного звукопоглощающего материала, падает на прерывистый звукопоглощающий слой, расположенный в фокусе сплошного профилированного слоя 21, где происходит первичное рассеивание звуковой энергии. Затем звуковая энергия попадает на сплошной профилированный слой 21 из звукопоглощающего материала, образованного сферическими поверхностями, образующими цельный куполообразный профиль, и фокусирующий отраженный звук на мягкий звукопоглотитель. Здесь осуществляется переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии), т.е. в порах звукопоглотителя, представляющих собою модель резонаторов “Гельмгольца", имеют место потери энергии за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети микропор звукопоглотителя.
Низкочастотное звукопоглощение осуществляется за счет мембранного возбуждения стенок корпуса и, косвенно, внутренних объемов воздуха. За счет большого декремента затухания в материале возникает поглощение звуковой энергии при диссипации. 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.
Кубический штучный звукопоглотитель работает следующим образом.
Звуковые волны, распространяясь в производственном помещении, взаимодействуют с заполненными звукопоглощающим элементом 10 полостями. Звукопоглощение на низких и средних частотах происходит за счет акустического эффекта, построенного по принципу резонаторов Гельмгольца, образованных полостями 7 и 8. Различные объемы резонансных полостей служат для подавления звуковых колебаний в требуемом звуковом диапазоне частот, как правило большие объемы для подавления шума в низкочастотном диапазоне, а малые - в области средних и высоких частот.
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.