АКУСТИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЦЕХА
WORKSHOP ACOUSTIC STRUCTURE

Изобретение относится к промышленной акустике, в частности к широкополосному шумоглушению, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства в качестве средства защиты от шума.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является акустическая конструкция по патенту РФ №2480561, кл. F01N 1/04 [прототип], содержащая каркас на перекрытии здания и стены со звукопоглощающей облицовкой.
Недостатком технического решения, принятого в качестве прототипа, является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения за счет сравнительно невысокого коэффициента вибродемпфирования межэтажного перекрытия.
Технический результат - повышение эффективности шумоглушения.
Это достигается тем, что в акустической конструкции цеха, содержащей каркас цеха, несущие стены с ограждениями в виде пола и потолка, которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, оконные и дверные проемы, а также штучные звукопоглотители, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием, пол выполнен на упругом основании и содержит установочную плиту, выполненную из армированного вибродемпфирующим материалом бетона, которая устанавливается на базовой плите межэтажного перекрытия с полостями через слои вибродемпфирующего материала и гидроизоляционного материала с зазором относительно несущих стен производственного помещения, причем полости базовой плиты заполнены вибродемпфирующим материалом, например вспененным полимером.
На фиг. 1 изображен общий вид акустической конструкции цеха, на фиг. 2 - конструкция пола на упругом основании, на фиг. 3 - конструкция подвесного потолка, на фиг. 4 - элемент штучного глушителя шума, на фиг. 5 - схема звукопоглощающей ограждающей конструкции цеха, на фиг. 6, 7, 8 - варианты звукопоглощающей ограждающей конструкции цеха.
Акустическая конструкция цеха (фиг. 1) содержит каркас цеха (на чертеже не показан), оконные 9 и дверные 10 проемы, несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6: пол 6 и подвесной потолок 5 (фиг. 3), причем стены облицованы звукопоглощающими конструкциями (фиг. 5 и 6), а штучные звукопоглотители 7 и 8 (фиг. 4) содержат каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал и установлены они над шумным оборудованием 11. Конструкция пола на упругом основании (фиг. 2) содержит установочную плиту 12, выполненную из армированного вибродемпфирующим материалом бетона, которая устанавливается на базовой плите 15 межэтажного перекрытия с полостями 16 через слои вибродемпфирующего материала 14 и гидроизоляционного материала 13 с зазором 17 относительно несущих стен 1, 2, 3, 4 производственного помещения. Чтобы обеспечить эффективную виброизоляцию установочной плиты 12 по всем направлениям, слои вибродемпфирующего материала 14 и гидроизоляционного материала 13 выполнены с отбортовкой, плотно прилегающей к несущим конструкциям стен 1, 2, 3, 4 и базовой несущей плите 15 перекрытия. Для повышения эффективности звукоизоляции и звукопоглощения в цехах, находящихся под межэтажным перекрытием, полости 16 заполнены вибродемпфирующим материалом, например вспененным полимером, например полиэтиленом или полипропиленом, а стены 1, 2, 3, 4 облицованы звукопоглощающими конструкциями. В качестве звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций 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 (на чертеже не показано), например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден».
Потолок 5 выполнен акустическим подвесным (фиг. 3) и состоит из жесткого каркаса 18, выполненного по форме в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами сторон в плане a×b, отношение которых лежит в оптимальном интервале величин а:b=1:1…2:1, подвешиваемого к потолку производственного здания с помощью подвесок 21, закрепленных на штанге 19, жестко связанной посредством скоб 20 с каркасом 18. Крепление каркаса к потолку осуществляется с помощью дюбель-винтов (на чертеже не показаны). К каркасу прикреплен перфорированный лист 24, на котором через слой акустического прозрачного материала 23 расположен слой звукопоглощающего материала 22, при этом в каркасе установлены светильники 26. При монтаже акустического потолка должны соблюдаться оптимальные соотношения размеров: d - от точки подвеса каркаса до любой из его сторон и с - толщины слоя звукопоглощающего материала, причем отношение этих размеров должно находиться в оптимальном интервале величин: c:d=0,1…0,5. Перфорированный лист 24 имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий 25 - 3÷7 мм, процент перфорации 10%÷15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля (на чертеже показаны круглые отверстия). В случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.
Элемент штучного глушителя шума (фиг. 4) состоит из корпуса 27 с откидной крышкой 30, заполненного звукопоглотителем (звукопоглощающим материалом) 28, помещенным в защитную оболочку 29. Стенки корпуса 27 каждого штучного звукопоглотителя образованы звукопоглощающей конструкцией, выполненной в виде цилиндрических перфорированных коаксиальных оболочек внешней и внутренней, между которыми расположен звукопоглотитель, в качестве звукопоглощающего материала 28 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, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена, причем звукопоглощающий элемент по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом 29 (защитной оболочкой), например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден». В качестве звукопоглощающего материала звукопоглотителя также может быть использован пористый шумопоглощающий материала, например пеноалюминий или металлокерамика, или металлопоролон, или 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 (на чертеже не показано).
В качестве звукопоглощающего материала может быть использован также жесткий пористый материал, например пеноалюминий или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 30÷45%. В качестве звукопоглощающего материала может быть использован материал в виде крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, или полиуретана, или пластиката, причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3÷2,5 мм (на чертеже не показано).
Звукопоглощающая ограждающая конструкция (фиг. 5) выполнена в виде жесткой 31 и перфорированной 34 стенок, между которыми расположены два слоя: звукоотражающий слой 32, прилегающий к жесткой стенке 31, и звукопоглощающий слой 3, прилегающий к перфорированной стенке 34. При этом слой звукоотражающего материала выполнен сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, а 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. В качестве звукопоглощающего материала слоя 33 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. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, «Acutex Т») или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например «Лутрасилом».
В качестве звукопоглощающего материала 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».
Перфорированная стенка 34 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).
Перфорированная стенка 34 может быть выполнена из твердых декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкция, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден», или неткаными материалами, например «Лутрасилом».
Перфорированная стенка 34 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.
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 32 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.
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 32 могут быть применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
Звукопоглощающая ограждающая конструкция работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированную стенку 34, попадает на слой 33 из мягкого звукопоглощающего материала, где происходит ее поглощение, а затем на слой 32 из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, снова направляя их на звукопоглощающий материал для вторичного поглощения и рассеяния 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.
Акустическая конструкция цеха работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования 11, находящегося в помещении, попадает на слои звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций, которыми облицованы несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5,6 (пол 6 и потолок 5), а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал и которые установлены над шумным оборудованием 11. 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. Коэффициент перфорации перфорированной стенки принимается равным или более 0,25. Для предотвращения высыпания мягкого звукопоглотителя предусмотрена стеклоткань, например типа ЭЗ-100, расположенная между звукопоглотителем и перфорированной стенкой.
Подвешивание подвесного акустического потолка осуществляют на подвесках 21, которые крепятся к потолку с помощью дюбель-винтов, а другим концом закреплены на каркасе 18 через штангу 19 и скобы 20.
3
При установке виброактивного оборудования на плиту 12 происходит двухкаскадная виброзащита, за счет вибродемпфирующих вкраплений в саму массу плиты 12, а также за счет слоя вибродемпфирующего материала 14, в качестве которого могут быть использованы: иглопробивные маты типа «Вибросил» на базе кремнеземного или алюмоборосиликатного волокна, материал из твердых вибродемпфирующих материалов, например пластиката, из звукоизоляционных плит на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
Возможен вариант звукопоглощающих конструкций (фиг. 6, 7), которыми облицованы несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5,6 (пол 6 и потолок 5), выполненных в виде акустического триплекса типа «САУНДЛАЙН-dB» - специализированный трехслойный материал (толщина 12,5 мм) для устройства звукоизолирующей обшивки каркасных перегородок, облицовок и подвесных потолков в совокупности с перфорированной декоративной облицовкой типа "звездное небо". Коэффициент звукопоглощения - 0,45. Перфорация: круглая нерегулярная ("звездное небо"). Диаметр отверстий: 8, 15 и 20 мм. Степень перфорации: 10%. Размер: 1200×1960×12,5 мм.
Звукопоглощающий элемент (фиг. 8) выполнен в виде внешней 35 и внутренней 36 перфорированных поверхностей, между которыми размещен звукопоглотитель, состоящий из трех слоев звукопоглощающего материала, при этом первый слой 37, более жесткий, выполнен сплошным и профилированным и закреплен на внешней поверхности 35, второй слой 38, более мягкий, чем первый, выполнен прерывистым и расположен в фокусе звукоотражающих поверхностей первого слоя 37.
Прерывистый звукопоглощающий слой 38, расположенный в фокусе сплошного профилированного слоя 37, выполнен в форме тел вращения, например в виде шаров, эллипсоидов вращения, и крепится с помощью стержней 40 (на чертеже показано сечение с одним стержнем 40), параллельных перфорированным поверхностям 35 и 36, которые жестко связаны между собой посредством вертикальных, перпендикулярных к ним, крепежных элементов, например в виде пластин 41, один конец которых жестко закреплен на внешней поверхности 35, а второй выполнен в виде хомута, охватывающего стержень 40, и стягивающего его винта (на чертеже не показано).
Сплошной профилированный слой 37 звукопоглощающего элемента выполнен из более жесткого звукопоглощающего материала, у которого коэффициент отражения звука больше, чем коэффициент звукопоглощения, причем профили 39 образованы сферическими поверхностями, соединенными между собой таким образом, что в целом каждый из профилей 39 образует цельный куполообразный профиль, фокусирующий отраженный звук на один и тот же мягкий прерывистый звукопоглощающий слой 38.
Третий слой 42 звукопоглощающего элемента выполнен из вспененного звукопоглощающего материала, например строительной герметизирующей пены, который повышает звукоизолирующие свойства конструкции в целом, за счет заполнения пустот, образованных слоями 35 и 36, а также увеличивает надежность конструкции в целом при установке ее на оборудовании, работающем в условиях с повышенными ударными и вибрационными нагрузками. Третий слой 42 расположен между первым, более жестким слоем 37, и перфорированной поверхностью 36 звукопоглощающего элемента.
3
В качестве звукопоглощающего материала первого, более жесткого, слоя 37 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.
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 35 и 36 может быть выполнен из твердых декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности 40, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкция, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден».
Звукопоглощающий элемент (фиг. 8) работает следующим образом.
Звуковая энергия, пройдя через слой внешней перфорированной поверхности 35 и третий слой 38 звукопоглощающего элемента, выполненного из вспененного звукопоглощающего материала, падает на прерывистый звукопоглощающий слой, расположенный в фокусе сплошного профилированного слоя 37, где происходит первичное рассеивание звуковой энергии. Затем звуковая энергия попадает на сплошной профилированный слой 37 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.