ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ ПАНЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к системам, предназначенным для подавления шума, и может быть использована в транспортном машиностроении, в строительной индустрии для подавления шума, создаваемого в помещениях, преимущественно, работой средств жизнеобеспечения, в частности, работой систем вентиляции и кондиционирования, и воздействующего на находящихся в них людей и на окружающую среду.
Уровень техники
Характерной особенностью шума, воздействующего сегодня на человека и окружающую среду, является широкий частотный спектр, содержащий ряд доминирующих областей, сформированных чаще всего интенсивными дискретными составляющими (ДС); последнее особенно справедливо для техногенного шума. Поэтому в звукопоглощающих устройствах и материалах нередко используют конструкции резонансного типа, в том числе резонаторы Гельмгольца (РГ), собственные частоты которых настраивают различными способами на доминирующие спектральные составляющие.
Из уровня техники известна комбинированная звукопоглощающая панель (RU 2639759), предназначенная для использования, в том числе, в зашумленном помещении. Панель представляет собой объемную конструкцию, содержащую внутреннюю полость и внешний облицовочный звукопрозрачный воздухонепродуваемый слой. Внутренняя полость заполнена дроблеными фрагментированными звукопоглощающими элементами, при этом внутренняя полость образована сообщающимися камерными и горловыми частями акустических резонаторов Гельмгольца. Поверхности стенок камерных и горловых частей акустических резонаторов Гельмгольца футерованы воздухонепродуваемой пленочной эластичной звукопрозрачной оболочкой, адгезивно закрепленной со стороны внутренней поверхности стенок. Широкая полоса эффективного шумопоглощения достигается за счёт размещения в крупногабаритной панели многочисленных резонаторов РГ с различными размерами камерных и горловых частей. В этой связи, такая панель может быть размещена в просторном помещении (см. фиг. 1, 2 описания RU 2639759). В описании изобретения не представлены конкретные параметры нижней границы частотной характеристики звукопоглощения, однако из анализа представленных материалов, характеризующих габариты встроенных РГ, следует, что в рабочий диапазон комбинированной звукопоглощающей панели не входит низкочастотный шум (в диапазоне ниже 200 Гц), что является существенным недостатком известного решения.
3
f
f
рез
рез
Из уровня техники известна звукопоглощающая панель из гипсокартона фирмы КНАУФ (WO 2017108146A1), представляющая собой перфорированный лист, прикрепляемый к стене или потолку помещения. Подробная информация размещена на сайте производителя (Интернет-ресурс: https://www.knauf.ru). В частности сообщается, что «КНАУФ-Акустика - перфорированный гипсокартонный лист с обрезанными кромками различной формы и наклеенным на тыльную сторону звукопоглощающим слоем нетканого полотна. Производится с разным типом перфорации». В конструкции плиты (звукопоглощающей панели) фактически воспроизводится техническое решение, предложенное в 1933 г. Винтергерстом и обоснованное теоретически и экспериментально в 1934-1936 гг. С.Н. Ржевкиным. Было показано, что вырезанную ячейку материала с одним отверстием можно рассматривать как РГ. Горло РГ создаётся отверстием в плите, а полость - объемом между ней и стеной помещения. С.Н. Ржевкиным также было предложено для увеличения поглощения вставлять в горло продуваемый материал, причем в экспериментах, проведенных им с различными материалами, была показана эффективность металлической сетки. (Ржевкин С.Н. Обзор работ по резонансным звукопоглотителям. УФН. 1946. Вып.1-2. СС. 40-62.) При установке звукопоглощающей панели КНАУФ (размер отверстия-горла 12х12х12,5 мм) объём создаётся за счёт ее размещения на расстоянии от стены 20 (или 6) см. Возможно выполнение звукопоглощающей панели с минеральной ватой в горле и без неё. Частотная характеристика в первом варианте имеет максимум около 500 (или 1000) Гц, соответственно расстояниям от стены; полоса эффективного поглощения - приблизительно от (0,4…0,5)до (2…2,5). При этом следует отметить, что конструкция звукопоглощающей панели не рассчитана на область низкочастотного шума. Получение панели с шумопоглощением в низкочастотном спектральном диапазоне требует увеличения объема плиты на порядок. Данное техническое решение принято за прототип.
Оценка резонансной частоты может быть проведена исходя из известной формулы (см. например, RU 2362892):
, (1)
f
с -
S -
l -
V
рез
где  - собственная частота РГ,  скорость звука,  площадь поперечного сечения горла,  длина горла, - объём полости.
l
При оценке резонансной частоты под понимается эффективная длина горла, превышающая фактическую (конструктивную) длину на величину так называемой концевой поправки. Введением данной поправки учитывается физический эффект увеличения колеблющейся в объёме горла массы воздуха на величину присоединенной массы, образующейся за счёт диссипативных потерь энергии звуковой волны в окрестностях входного и выходного сечений горла. Наиболее распространенная в практических приложениях формула оценки:
l = l
d
0
+ 0,8,
l
d
0
где - фактическая длина горла, а - его диаметр.
f
V
S
l
f
S
d
l
l
V
рез
0
рез
0
2
3
Из формулы (1) следует, что резонансная частота РГ пропорциональна 1/√, то есть увеличение объема полости резонатора приводит (при неизменных значениях и), к снижению значения . Однако используемые в прототипе геометрические размеры панели (=0,5 см (=0,8 см) и =1,89 см (=1,25 см)) при рекомендуемых зазорах 6 и 20 см (объём полости одной ячейки =19,44 и 64,8 смсоответственно) дают значения резонансных частот 632 и 345 Гц соответственно. Для понижения резонансной частоты в 10 раз необходимо уменьшить подкорневое выражение в формуле (1) в 100 раз. Если числитель уменьшить в 5 раз, то знаменатель нужно увеличить в 20 раз. Если шаг перфорации увеличить в три раза, то толщину панели или ширину зазора надо увеличить более чем в 2 раза. Увеличение толщины панели делает систему слишком тяжелой, а увеличение ширины зазора - слишком громоздкой. Такая система звукопоглощения становится громоздкой и неудобной для использования на низких звуковых частотах, а возможность использования её в инфразвуковом диапазоне практически исключается. Это является серьёзным недостатком прототипа.
Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является существенное расширение границ диапазона рабочих частот шумоподавления в низкочастотную область, вплоть до инфразвукового диапазона, без увеличения габаритов панели.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом является обеспечение возможности шумоподавления в диапазоне рабочих частот, нижняя граница которого находится в пределах инфразвукового диапазона, без увеличения габаритов панели.
Технический результат достигается при использовании звукопоглощающей панели, выполненной с диссипативными элементами в виде отверстий, предназначенной для установки на стене с зазором, который совместно с отверстиями панели образует упругие поглощающие элементы типа резонатора Гельмгольца в количестве, равном числу отверстий. Панель содержит размещенные в отверстиях дополнительные диссипативные элементы в виде вязкой среды с большей плотностью, по сравнению с газо-воздушной средой, являющейся средой заполнения зазора между панелью и стеной ее крепления, при этом вязкая среда в отверстии панели размещена между двумя изолирующими слоями, внутренним и внешним, выполненными из газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки.
В качестве вязкой среды могут быть использованы жидкость, гель, или метаматериал, имеющий акустические характеристики, близкие к характеристикам вязкой жидкости, и обладающий свойством сохранения формы. Внутренний и внешний слои плёнки расположены со стороны внутренней и внешней поверхности панели, соответственно.
В одном из вариантов полезной модели в отверстии размещен продуваемый материал в виде решетки, находящейся внутри заполняющей отверстие среды.
3
Диссипативный элемент размещен в отверстии панели с полным или частичным его заполнением. В качестве вязкой среды может быть использовано масло касторовое плотностью 947 кг/м.
Перфорированная панель, закрепленная на некотором расстоянии от стены, может рассматриваться как набор резонаторов Гельмгольца. Часть панели, содержащую одно отверстие, вместе с объёмом в зазоре между панелью и стеной, можно рассматривать как РГ. В качестве упругого элемента (полости резонатора) здесь выступает сжимаемый объем воздуха между панелью и стеной, а в качестве диссипативного элемента (горла резонатора) - отверстие, в которое можно помещать дополнительные диссипативные элементы, например, решетку. В полезной модели предлагается в качестве дополнительного диссипативного элемента использовать размещенную в горле РГ среду с большей плотностью, например, жидкость, гель или метаматериал. Использование РГ, горло которого заполнено средой с плотностью, значительно (примерно на три порядка) превышающей плотность воздуха, позволяет значительно снизить резонансную частоту при сохранении размеров резонатора (и, соответственно, габаритов панели). При выявлении в спектральной полосе частот нескольких доминирующих ДС, в том числе отличающихся по частоте на декаду и более, на инфразвуковых и низких звуковых частотах применяют резонаторы с увеличенной массой среды в горле, а на высоких частотах применяют резонаторы с газовой средой во всём его объеме.
Среда, отличная от газовой, и имеющая увеличенную массу, например, жидкость или гель, удерживается в горле РГ двумя изолирующими слоями, выполненными, например, из газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнки, таким образом, что внутренний слой плёнки разделяет между собой горло и полость, а внешний слой плёнки отделяет горло резонатора от внешней среды.
Данный принцип использован при создании нового звукопоглощающего материала в виде перфорированной панели, отверстия которой заполняют средой, увеличивающей колеблющуюся в отверстиях панели массу, например, вязкой жидкостью, или гелем, или метаматериалом, что позволяет при креплении такой панели на стене помещения, жилого или производственного (или, например, на стене салонов и кабин транспортных средств), с незначительным, не более 3 см, зазором, снизить уровни воздействующего на людей низкочастотного шума.
3
Низкочастотный шум является одним из главных факторов окружающей среды, негативно влияющих на физическое и психическое состояние людей. В многоэтажных зданиях источником его, в большинстве случаев, являются средства жизнеобеспечения, такие, как системы водоснабжения, вентиляции и кондиционирования, лифты. Примером могут служить мощные вентиляторы, производительностью в несколько тысяч м/ч, работающие на скоростях вращения около 1200-1300 об/мин, и создающие интенсивный шум в области частот вблизи 20 Гц. Данные о соответствии нормам в сертификатах на вентиляторы не должны успокаивать потребителей, так как измерения шума, в соответствии с нормативной документацией [ГОСТ 31353.1-2007 (ИСО 13347-1:2004). Шум машин. Промышленные вентиляторы. - Интернет-ресурс: https://docs.cntd.ru)], производятся в октавных полосах, начиная с октавы 63 Гц. Для более низких, тем более инфразвуковых частот, нормы отсутствуют и замеры не делаются. В такой ситуации применение эффективных в этом диапазоне звукопоглощающих устройств может дать положительный результат.
Использование полезной модели позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот звукопоглощающих систем и материалов, включив в него области низкочастотного шума и, частично, инфразвука, при габаритных размерах, не превышающих габариты известных средств подавления шума.
,
Если горло РГ заполнено средой с плотностью ρ1, отличной от плотности ρ заполняющего полость РГ воздуха формула для оценки резонансной частоты принимает вид:
Формула (2) следует из приведенных в книге (Исакович М.И. Общая акустика. - М.: Наука, 1974. С.371) математических зависимостей, с учетом соотношения, связывающего сжимаемость со скоростью звука и плотностью. Из формулы (2) следует, что резонансная частота может быть значительно снижена при неизменных значениях геометрических параметров РГ, если конструкция резонатора допускает возможность заполнения его горла средой, плотность которой многократно превышает плотность воздуха. Этот принцип положен в основу заявляемого технического решения.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг.1 схематично показан вид сверху фрагмента звукопоглощающей панели с двумя вариантами перфорации - круглой и квадратной;
на фиг.2 схематично изображено сечение фрагмента панели при полном заполнении отверстий жидкостью, или гелем, или метаматериалом.
на фиг.3 схематично изображено сечение фрагмента панели при частичном заполнении отверстий жидкостью или гелем.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - панель, 2 - отверстия, заполненные жидкостью, или гелем, или метаматериалом, 3 - изолирующий материал, 4 - решетка, 5 - пленка, 6 - стена, 7 - воздушный зазор, 8 - полость резонатора Гельмгольца (ограничена штриховыми линиями).
Осуществление полезной модели
Далее представлено подробное описание заявляемой полезной модели, которое носит пояснительный характер, демонстрирует возможность достижения заявленного технического результата, и не ограничивает сущность полезной модели. Настоящие техническое решение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, может изменяться состав материала выполнения панели, заполняющей горло среды, исполнение изолирующих слоёв, и т.д.
Возможные варианты реализации заявляемой полезной модели представлены на фиг.1., на котором схематично показан вид сверху фрагмента панели 1 с двумя вариантами перфорации 2 - круглой и квадратной, на фиг.2 схематично изображено сечение фрагмента панели при полном заполнении отверстий жидкостью, или гелем, или метаматериалом.
k
k
Отверстия 2 заполнены средой, увеличивающей колеблющуюся в отверстии массу, например, жидкостью, маслом (касторовым техническим), гелем или метаматериалом; при использовании панели из гигроскопичного материала, стенки отверстия покрыты слоем изоляционного материала 3; внутри отверстия помещена решетка 4, предназначенная для увеличения трения при колебаниях среды внутри отверстия. С этой целью может быть применена плоская решётка, выполненная из равномерно перфорированного тонкого металлического листа, характеризуемая коэффициентом живого сечения  = 0,1…0,2.  определяется как отношение суммарной площади всех отверстий решётки к площади сечения решётки (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. Раздел 8).
Поверхности панели 1 полностью, в данном примере, закрыты с обеих сторон адгезивно закрепленной газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнкой 5, обеспечивающей, наряду с изоляцией заполняющей отверстия 2 среды, защиту поверхностей от пыли и влаги. В качестве пленки - внутреннего и внешнего слоев - может быть использована пленка толщиной от тысячных долей до 0,1 мм. (Цельноформованные шумопоглощающие структуры для улучшения акустического комфорта автотранспортных средств. А.В. Краснов, М.И. Фесина, А.А. Балуев. В кн.: Сборник тезисов докладов на Международной научно-технической конференции с участием молодых учёных «Динамика и виброакустика машин», 5-7 сентября 2012 г. - Самара: Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета, 2012.). Свойствами газовлагонепроницаемости и динамической податливости обладает широкий класс пленок, в частности, пленки уретановые, виниловые, полиэтиленовые, полиэстеровые алюминизированные, а также тонкая алюминиевая фольга. Если панель выполнена из гигроскопичного материала, внутренняя поверхность горла также футеруется влагонепроницаемой пленкой. Панель монтируется на стене 6 с воздушным зазором 7, величина которого составляет несколько сантиметров.
l
d
b*b
b
L.
L
0
3
3
Часть панели 1, содержащую одно отверстие 2, вкупе с объёмом воздуха 8 в зазоре 7 между панелью 1 и стеной 6, можно рассматривать как РГ. В качестве упругого элемента (полости) здесь выступает сжимаемый объем воздуха 8 между панелью 1 и стеной 6, а в качестве диссипативного элемента (горла резонатора) - отверстие 2, в которое помещена решетка 4. Таким образом, РГ содержит горло (цилиндрической формы в случае круглой перфорации) 2 длиной и диаметроми полость 8 (в форме прямоугольного параллелепипеда) площадью поперечного сечения  при шаге перфорации  и длиной Объем полости при неизменном шаге перфорации можно изменять варьированием величины зазора. Горло может быть заполнено вязкой жидкостью, гелем или метаматериалом; в таблице приведены результаты расчёта собственной частоты резонатора для случаев заполнения горла маслом касторовым техническим, имеющим плотность 947 кг/м(ГОСТ 6757-96. Масло касторовое техническое. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2011) и глицерином техническим Т-94, имеющим плотность 1244 кг/м (ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1997).
Возможность значительного, в сравнении с прототипом, снижения нижней границы частотной характеристики поглощения, осуществляемого за счёт увеличения массы среды, колеблющейся в горле 2, доказывает следующий пример реализации заявляемой полезной модели (ПМ).
3
Применим РГ с параметрами, указанными в графе 2 нижеприведенной таблицы (скорость звука при оценочных расчетах принимается равной 340 м/с, плотность воздуха - равной 1,20 кг/м). Параметры представлены для круглого отверстия.
Таблица
Параметры
ПМ
Прототип
ПМ
ПМ
Прототип
ПМ
1
2
3
4
5
6
7
S<sub></sub>(горла), см<sup>2</sup>
0,5 (d=0,8)
0,5(d=0,8)
0,5 (d=0,8)
0,5 (d=0,8)
0,5 (d=0,8)
0,5 (d=0,8)
V(полости), см<sup>3</sup>
19,44
19,44
19,44
64,8
64,8
19,44
l, см
1,89(l<sub>0</sub>=1,25)
1,89(l<sub>0</sub>=1,25)
3,1 (l<sub>0</sub>=2,5)
1,89(l<sub>0</sub>=1,25)
1,89(l<sub>0</sub>=1,25)
1,89(l<sub>0</sub>=1,25)
Среда заполнения горла
Маслокасторовое
Воздух
Маслокасторовое
Маслокасторовое
Воздух
Глицерин
f<sub>рез </sub>, Гц
22
632
18
12
345
20
V
L
3
Значение резонансной частоты такого РГ, в соответствии с формулой (2), составит 22 Гц. Для панели с шагом перфорации 18 мм для создания рабочего объёма =20см требуется рабочая длина (величина зазора)  порядка 6 см. Изменяя величину зазора (и, соответственно, уменьшая или увеличивая рабочий объём полости 8), можно осуществлять тонкую подстройку в пределах, приблизительно, одной октавы. Минимально возможное значение рабочей частоты, достигаемой с помощью заявляемого устройства, составляет единицы герц. Для сравнения, РГ с теми же геометрическими параметрами, но с воздушной средой во всём объёме резонатора (графа 3 таблицы), будет иметь резонансную частоту 632 Гц. Использование РГ с горлом, заполненным жидкой средой, обеспечивает возможность снижения собственной частоты резонатора примерно в 28 раз, в сравнении с РГ таких же размеров с газовой средой в горле. В графах таблицы 4, 5, 6, 7 приведены параметры РГ при увеличении толщины панели и величины зазора и замене касторового масла на глицерин, соответственно. Видно, что увеличение толщины панели или ширины зазора существенно снижает резонансную частоту, а замена масла на глицерин почти на нее не влияет (поскольку плотности масла касторового и глицерина почти одинаковы).
b
a
L
f
f
рез
рез
При выполнении панели 1 толщиной 1,2 см, перфорированной, с шагом =3 см, квадратными отверстиями 2, со стороной =1 см, и зазором между панелью 1 и стеной 6 величиной =3 см, для максимума частотной характеристики поглощения значение частоты составит примерно 25 Гц. Ширину полосы эффективного поглощения можно примерно оценить частотным интервалом от (0,4…0,5) до (2…2,5) , то есть для данного случая - от (10…12,5) Гц до (50…60) Гц. При изготовлении аналогичной панели с геометрическими параметрами, обеспечивающими максимум частотной характеристики поглощения ≈100 Гц, используемые вместе, эти две панели перекроют весь диапазон низкочастотного шума и часть диапазона инфразвука. Комплект из двух таких панелей, монтируемый с незначительным (≤ 3 см) зазором на стене жилого или производственного помещения (или, например, на стенах салонов и кабин транспортных средств), обеспечит снижение уровней негативно воздействующего на людей низкочастотного шума.
l
i
Для перестройки частотной характеристики РГ можно также применить частичное заполнение горла 2 жидкостью такой же плотности (фиг.3): слой жидкости в данном случае, занимает лишь часть горла длиной .
1
i
0
рез
i
l
=l
f
l
При изменении длины слоя изменяется масса среды в горле 2 и, соответственно, изменяется плотность ρ, входящая в формулу 2. Например, при толщине слоя /4 значение плотности уменьшится в 4 раза, что приведет к увеличению в 2 раза значения . Для удержания в горле 2 слоя жидкости или геля могут быть использованы, так же, как и в описанном выше варианте панели, два изолирующих слоя, например, слой такой же газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки, с той разницей, что внутренний слой 9 закрепляют по образующей внутренней поверхности стенки отверстия на требуемом расстоянии  от границы горла 2 с полостью резонатора.
Для обеспечения необходимых характеристик звукопоглощающий материал, так и изделие целиком или его конструктивные элементы могут быть изготовлены из акустического метаматериала. Акустические метаматериалы, работающие в низкочастотном диапазоне, в случае изделия, выполненного из одного материала, могут быть изготовлены с помощью простого одностадийного метода (такого как традиционная механическая обработка или 3Д печать) [C. Choi, S. Bansal, S. Subramanian, N. Münzenrieder. Fabricating and Assembling Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals. Adv. Eng. Mater. 2021, 23, 2000988]. Их преимуществами, помимо экономичности, доступности и простоты, является также возможность быстрого прототипирования посредством автоматизированного проектирования (САПР), совместимого как с технологиями 3-Д печати [S. A. M. Tofail, E. P. Koumoulos, A. Bandyopadhyay, S. Bose, L. O’Donoghue, C. Charitidis, Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities. Mater. Today. 2018, 21, 22], так и с технологиями обработки станком с числовым программным управлением (ЧПУ). В случае изделия, состоящего из разных материалов, может понадобиться многостадийный способ изготовления, включающий склейку или иные дополнительные операции.