Защита от шума горных машин многослойными ограждающими конструкциями на примере компрессорных и вентиляторных установок

Актуальность темы

исследования. Шумовое загрязнение в городах и промышленных зонах и, в первую очередь, на горных предприятиях, является одной из актуальных проблем современности. Обзор литературных источников по борьбе с шумом горных машин показал, что благодаря работам таких ученых, как Боголепов И. И., Юдин В. Н., Заборов В. И., Деев А. И., Флавицкий Ю. В., Картавый Н. Г., Осипов Г. Л., Водяник Г. М., Ковалевская В. И., Бабак Г. А., Пак В. В., Терехин A.C., Добровольский Г. Д., Иванов И. И., Молчанов В. Н., Седов М. С., Епифанов A.B., Кожевников С. Г., Тарасова О. Г., Алексеев С. П., Пятибратова JI.H., по исследованию шума на рабочих местах при эксплуатации очистных горных машин, горных транспортных машин, стационарных установок главного проветривания, шахтных компрессорных станций, поршневых компрессоров и турбокомпрессоров, подъемных установок, дробильных машин, обогатительного оборудования, а также других промышленных объектов собран обширный фактический и достоверный материал по их шумовым характеристикам, которые вошли в ГОСТы и в требования по уровню снижения шума на преобладающих частотах. Эта информация перенесена на электронные носители и может использоваться при разработке эффективных средств шумозащиты.

Известно, что самым эффективным способом снижения шума является подавление шума в источнике его образования, т. е. необходимо делать малошумными подъемные машины, компрессорные станции, вентиляторные установки главного проветривания, очистные комбайны. Глобальное снижение шума таким методом — это будущее промышленности России. На данный момент достаточно эффективно и значительно экономичнее решать эту проблему защиты работающего персонала установкой звукоизолирующих многослойных ограждающих конструкций. Этому вопросу и посвящается настоящая диссертацияприменительно к компрессорным станциям и вентиляторным установкам.

Как показали наши исследования, попытка переложить проблему борьбы с шумом на Министерство экологии или на организации гражданского строительства не дают положительного результата. Горные предприятия, выступающие как заказчики строительства зданий, компрессорных станций, вентиляторных установок главного проветривания, подъемных установок, должны предъявлять свои требования к ограждающим устройствам, разработанные на основе аналогичных научных исследований.

На этом основании мы считаем, что проблема создания эффективных звукоизолирующих ограждающих конструкций актуальна как для горной промышленности, так и для промышленных предприятий других отраслей.

Источниками шума, в большинстве случаев, являются промышленные здания и сооружения, машины и установки, транспортные средства.

Комплексная механизация горных предприятий, способствующая увеличению масштабов производства и роста производительности труда, приводит к тому, что человек на производстве постоянно подвергается вредному воздействию шума высокого уровня.

В горных выработках, камерах и производственных помещениях, на транспортных и других самоходных машинах для защиты обслуживающего персонала сооружаются кабины управления, наблюдения и отдыха. Для этих целей требуется создание ограждений из современных легких материалов, которые должны обладать необходимыми звукозащитными свойствами в требуемых спектрах частот.

Мощные, высокопроизводительные машины излучают шум высокой интенсивности, превышающий допустимые санитарные нормы на частотах от 125 до 8000 Гц. При этом шумовые характеристики различных машин неодинаковы, и имеет место наличие частотных спектров, в которых уровни шума наиболее высокие.

Высокая эффективность используемых звукозащитных ограждений может быть достигнута поиском оптимального решения при проектировании с учетом спектра шума, создаваемого конкретным источником.

Интерес представляют однослойные и многослойные конструкции из малоизученных материалов, позволяющие за счет рационального подбора различного сочетания этих материалов, слоев, а также их параметров обеспечить высокую звукоизоляцию в требуемых спектрах частот для конкретного источника.

Ранее выполненные исследования по математическому описанию звукоизоляции некоторых однослойных и многослойных конструкций не всегда дают хорошую сходимость с реальными условиями. Довольно поверхностно изучено влияние таких параметров, как акустическое самосогласование волновых полей при прохождении через ограждения из различных материалов, влияние на самосогласование волн толщины и числа слоев конструкций, а также изменения модуля упругости.

Известные математические модели не позволяют в явном виде представить звукоизоляцию непрозрачных ограждении, как функцию влияющих на нее перечисленных величин. В результате этого невозможно исследование и решение задач на оптимум.

Идея выполненных исследований состоит в раскрытии влияния на звукоизоляцию конструкций из ряда материалов акустического самосогласования волновых полей при изменении толщины и числа слоев ограждения, изменения модуля упругости материала для однослойных и слоистых конструкций, в выявлении такой оптимальной толщины элементов многослойных звукозащитных ограждений, при которых они приобретают максимальную изоляцию от проникновения воздушного шума в заданных среднегеометрических полосах частот.

Цель исследований состоит в повышении звукоизоляционных свойств однослойных и многослойных непрозрачных ограждающих конструкций за счет рационального выбора толщины слоев и расстояния между ними с учетом спектра преобладающих частот источника шума.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Звукоизоляция однои многослойных (двойных и слоистых) непрозрачных конструкций существенно зависит от акустического самосогласования звуковых полей, от влияния на величину и характер самосогласования числа слоев конструкций и их геометрических размеров по толщине, модуля упругости ограждения, учитывая которые в теоретическом расчете можно установить наилучшие материалы для конкретной защиты от шума и определить предполагаемую звукоизоляцию в требуемых спектрах частот. Теоретический расчет, с учетом самосогласования волновых полей, модуля упругости, дает более хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных по сравнению с известными.

2. Исследования звукоизоляционных свойств однослойных, слоистых и двойных конструкций дополняют сведения по звукоизоляции непрозрачных ограждений. Применение таких конструкций дает возможность существенно улучшить звукоизоляцию при значительном снижении массы ограждений.

3. Математические модели звукоизоляции двойных непрозрачных ограждающих конструкций, таких как кожухи вентиляторов и стенки кабин управления, с воздушным промежутком между слоями различного по физическим свойствам материала, полученные методом планирования эксперимента в виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине конструкции, адекватны эксперименту и с высокой степенью точности описывают закономерность распределения звукоизоляции конструкции по среднегеометрическим полосам частот. При этом форма записи математических моделей звукоизоляции позволяет определить долю звукоизоляции каждого элемента конструкции и выполнить исследование функции на наличие экстремумов.

4. Многослойные ограждающие конструкции кожухов и кабин управления горных машин при определенных оптимальных значениях геометрических параметров по толщине составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцию. Оптимальные размеры определяются анализом на экстремум математических моделей звукоизоляции, как многофакторных функций, с учетом спектров частот, в которых шумовые характеристики источников имеют наиболее высокие значения. Использование таких конструкций обеспечивает максимально возможную звукоизоляцию, защищает рабочее место человека от воздействия шума и дает экономию в расходовании материала по массе.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы: преемственностью разработанных математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций с фундаментальными научными положениями в области акустикипроведением большого объема экспериментальных исследований с применением метода планирования эксперимента по критерию Доптимальностивысокой сходимостью результатов теоретических расчетов и расчетов по математическим моделям с экспериментальными данными. Сходимость математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, представленных в виде уравнений регрессии, с экспериментальными данными соответствует 5%-ному уровню значимости по критерию Фишера.

Научная новизна работы заключается:

• в установлении влияния на звукоизоляцию конструкций из непрозрачных материалов таких факторов как акустическое самосогласование волновых полей, модуль упругости, число слоев материала, что позволило получить новый способ уменьшения резонансных явлений в ограждении;

• в получении новых сведений по звукоизоляции однои многослойных конструкций, с применением малоизученных материалов;

• в установлении функциональной зависимости между толщиной многослойных непрозрачных ограждающих конструкций с воздушным промежутком между слоями и звукоизоляции конструкции в целом;

• в установлении экстремальных значений звукоизоляции элементов конструкций при определенных значениях геометрических параметров по толщине для октавных полос частот и по шкале «А»;

• в разработке методики выбора оптимальных геометрических размеров по толщине элементов конструкции, исходя из достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров частот шума;

• в развитии представлений о путях повышения звукоизоляции многослойных непрозрачных ограждающих конструкций, являющихся важными составляющими элементами защиты среды обитания человека от проникновения аэродинамического шума.

Практическое значение работы заключается в создании методик расчета оптимальных геометрических параметров по толщине элементов двойных непрозрачных ограждающих конструкций с воздушным промежутком между слоями, обладающих максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных полосах среднегеометрических частот воздушного шума.

Разработанная программа расчета на ЭВМ позволяет выполнить инженерный расчет оптимальных геометрических параметров двойных непрозрачных конструкций с воздушным промежутком между слоями и их звукоизоляции.

Конструкции с оптимальными геометрическими параметрами обладают максимальной звукоизоляцией и являются наиболее экономичными по материальным затратам при их изготовлении.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методика расчета оптимальных по звукоизоляции двойных ограждающих конструкций из непрозрачных материалов с воздушным промежутком между слоями передана проектному институту «Кавказцветметпроект» и принята к использованию в инженерных проектах, а также используется в учебном процессе на кафедре «Строительных конструкций» (СКГТУ).

Положения диссертационной работы реализованы при разработке технических проектов трех звукоизоляционных кабин наблюдения в компрессорных станциях и в камере вентилятора главного проветривания рудника «Архон» Садонского свинцово-цинкового комбинатазвукоизоляционного кожуха вентилятора местного проветривания, расположенного в забое рудника.

Практическое использование результатов исследований позволило обеспечить высокую звукоизоляцию кабин наблюдения и снизить воздушный шум вентилятора местного проветривания до санитарных норм.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы, полученные в диссертации, докладывались и получили одобрение на:

• IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 16−18 июня 1999 г.);

• в Новочеркасском Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ) на секции кафедры «Горных машин и оборудования»;

• ежегодной научно-технической конференции СКГТУ (1998;2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (215 наименований).

Результаты исследования звукоизоляции сотовых панелей, выполненных на основе стеклопластика, показывают, что по своим звукоизолирующим свойствам такие панели уступают некоторым стальным одностенным конструкциям равного веса. Подтверждено экспериментально, что сотовые панели равного веса с дюралюминиевыми несущими слоями и сотами из алюминия имеют звукоизоляцию в среднем на 10 дБ больше, чем звукоизоляция панелей с сотами из бязи, пропитанной смолой [134], и что увеличение толщины сотовых панелей более 20 мм не дает существенного прироста звукоизоляции [136].

На рис. 1.9 приведены результаты испытаний панели толщиной 12 мм из двух одинаковых листов дюралюминия толщиной 0,3 мм, между которыми находится стандартный стеклосотозаполнитель с размером ячейки 2,5 мм (кривая 1). Кривая 2 описывает звукоизоляцию этой панели с нанесенным на нее с одной стороны мягкого вибропоглощающего слоя КЛ (клейкая лента). Звукоизоляция панели, с двух сторон имеющей покрытие КЛ, показана кривой 3. Максимальное увеличение звукоизоляции сотовой панели за счет мягкого вибропоглотителя составило 5 дБ на низких и высоких частотах, и около 10 дБ — на средних.

Рассмотрено влияние вибропоглотителя (пластмассы «Агат») — на звукоизоляцию сотовых панелей из стеклопластика общей толщиной 12 мм.

Стеклопластик имел толщину одного слоя 0,5 мм, другого — 0,8 ммячейки размером 2,5 мм. Толщина вибродемпфирующего слоя 4 мм.

Вибродемпфирование существенно увеличило звукоизоляцию сотовой панели: примерно на 10 дБ в диапазоне нижних и верхних частот и на 20 дБ — в средней части диапазона. Рекомендуется принимать толщину сотовой панели без покрытия 10−15 мм, а толщину вибропоглощающего покрытия — порядка половины толщины панели [136].

Выполнены исследования звукоизолирующей способности легких перегородок [134] (гипсовых, асбестоцементных, фанерных и др.) с заполнением промежутка между ними сотопластом, представляющим собой бумажные соты, пропитанные отвердевшей синтетической смолой. Звукоизоляция перегородки из гипсовых плит с промежутком между ними, заполненным таким сотопластом ниже, на 9 дБ по индексу и на 17−25 дБ в диапазоне высоких частот подобной конструкции с незаполненным воздушным промежутком толщиной 60 мм (рис. 1.10). Объясняется такая существенная разница тем, что сотопласт увеличивает жесткость конструкции. Колебания одной гипсовой плиты из-за большого числа равномерно распределенных по площади жестких ребер сотопласта практически без ослаблений передаются на второй слой. Увеличение между гипсовыми плитами расстояния, заполненного сотопластом, не сказалось на звукоизоляции, и I в=30 дБ в обоих случаях. Такой же индекс изоляции воздушного шума имеет перегородка, состоящая из гипсовой плиты, прижатой с двумя древесностружечными плитами и с сотопластом в 25 мм, огражденным с другой стороны второй гипсовой плитой. При введении в середину перегородки из гипсовых плит между двумя слоями сотопласта слоя из твердых древесноволокнистых плит звукоизолирующая способность повышается во всем рабочем диапазоне (рис. 1.10, кривая 2). Но жесткая связь слоев через сотопласт не дает увеличить звукоизоляцию так, как при наличии воздушного промежутка между гипсовыми плитами (кривая 3) [134].

Результаты исследований звукоизоляции сотовых панелей и перегородок с заполнением сотопластом воздушного промежутка показали, что жесткие ребра сотопласта снижают звукоизолирующую способность ограждения. И в практических целях желательно применять конструкции с другим заполнителем.

Рассмотрено влияние слоя звукопоглощающего материала на звукоизолирующие свойства одинарных конструкций из алюминиево-магниевого сплава толщиной 4 мм. Слой звукопоглотителя устанавливали вплотную к пластине и удерживали деревянной рамкой. В качестве звукопоглотителя исследовали три лучших звукоизолирующих материала — маты из штапельных супертонких базальтовых волокон, облицованные стеклотканью, с объемной массой 15 кг/м и толщиной 60 мм (изделие марки БЗМ) — маты из штапельных супертонких базальтовых волокон, облицованных стеклотканью, с объемной массой 15 кг/м и толщиной 50 мм (звукопоглощающий материал марки АТМ-1) и поропласт полиуретановый эластичный марки ПГТУ-ЭТ с объемной массой 40 кг/м и толщинами 30 и 60 мм, облицованный гидрозащитной пленкой. В испытаниях пластины с рыхловолокнисты-ми материалами марок БЗМ и АТМ-1 варьировали толщину этих материалов посредством сжатия от 50−60 мм в естественном состоянии до 30 и 15 мм в сильно сжатом. Слой БЗМ толщиной 60 мм увеличил звукоизоляцию пластины в нижней части диапазона частот 800−8000 Гц на 10 дБ и на 3 дБв верхней его части. Это существенное увеличение звукоизоляции при добавлении массы всего лишь на 8% первоначальной массы пластины. Сжатие звукопоглощающего материала существенно (на 5−10 дБ) уменьшает звукоизоляцию по всему измеряемому диапазону час.

1 / А ——¿-г/. 3 а / у У'-' ту.

2,0 Н, 0 2,0 кГи,.

Рис. 1.8. Дополнительная звукоизоляция моделей двойных ограждений по сравнению с однослойными: двойное ограждение из фанерных плит толщиной 12 мм, жестко связанных ребрами толщиной 4 мм с воздушным промежутком 10 (1) и 20 (2) ммдвойное ограждение из деревоплит толщиной 5 мм с воздушным промежутком 50 мм, с брусом по контуру сечением 5×20 см2(3). йЗБ 6й.

5Ь.

Чо.

30 20 у / ^ ~<Ъ г" ф г и——^ у 1.

— 1 / /.".

00 аоо.

800 1600 2гаоо частота ,"(., Гц,.

Рис. 1.10. Частотная характеристика для перегородок: 1 — две гипсовые плиты толщиной 8 мм, между ними слой сотопласта толщиной 50 мм- 2 — две гипсовые плиты толщиной по 10 мм каждая, два слоя сотопласта по 28 мм, разделенные древесно-волокнистой плитой толщиной 40 мм- 3 — две гипсовые плиты толщиной 10 мм с воздушным промежутком 60 мм. тот. Уплотнение материала в процессе эксплуатации приводит к уменьшению звукоизоляции [136].

Результаты измерений звукопоглощающего материала марки АТМ-1 показали, что сжатие мало влияет на его звукоизоляцию, особенно в области высоких частот, что объясняется особенностями структуры этого материала [136]. Исследован также звукопоглощающий материал марки ППУ-ЭТ, представляющий собой эластичный поропласт, структура которого, толщина и форма не меняются. Поэтому результаты измерений звукоизоляции пластины со слоем этого материала отличаются от двух предыдущих. Здесь первый слой звукопоглотителя толщиной 30 мм, приставленный к пластине, и второй слой той же толщины, приставленный к первому слою дали примерно одинаковое увеличение звукоизоляции.

Приклейка звукопоглощающего материала к пластине не оказывает влияние на звукоизоляцию ни за счет звукопоглощения, ни за счет вибропоглощения. Увеличение звукоизоляции за счет звукопоглощения в области более низких частот весьма желательно, поэтому следует рекомендовать устанавливать звукопоглотитель с воздушным промежутком. Одностенная конструкция со слоем звукопоглощающего материала — основной вид звукоизоляции для кожухов машин, кабин управления и т. д.- она является необходимой частью двойных звукоизолирующих конструкций, используемых в промышленной звукоизоляции.

При использовании пластин из стали, алюминиево-магниевых сплавов и стеклопластика толщиной 3−4 и даже 10 мм критическая частота опускается ниже верхней границы расчетного диапазона частот. Тогда в верхней части расчетного диапазона частот, в связи с эффектом волнового совпадения, резко уменьшается звукоизоляция, увеличить которую в этом районе частот можно с помощью вибропоглощающего слоя и покрытия. Вибропоглощающее покрытие призвано увеличить внутренние потери звуковой энергии в пластине [136, 137]. Внутренние потери значительны при толщине вибропоглощающего покрытия, не превышающей двукратной толщины пластины.

Для использования в промышленной звукоизоляции рекомендуют твердое вибропоглощающее покрытие типа пластмасс «Агат», «Радуга» и «Антивибрит-3». Улучшение твердого вибропоглощающего покрытия на основе поливинилхлорида или эпоксидных смол, предназначенного для звукоизолирующих конструкций, должно осуществляться путем увеличения его плотности с использованием тяжелых наполнителей.

Проведенные специальные исследования показали, что коэффициент внутренних потерь г и динамический модуль упругости Е вибропогло-щающих покрытий из пластмасс имеют сильную зависимость от температуры [150].

Жесткие пеноплас^ты и вибропоглощающие материалы («Агат», «Антивибрит-3», «Виброизол», «ВМЛ-25», «Випонит») применяются в качестве материала внутреннего слоя между двумя внешними стальными, дюралюминиевыми или пластмассовыми обшивками.

Трехслойная пластина, обкладки которой выполнены из легкого сплава, а заполнитель из пенопласта ПС-1, обладает более высокой звукоизолирующей способностью по сравнению с однослойной древесностружечной плитой с той же поверхностной плотностью. Ограждение с заполнителем имеет большие потери звуковой энергии, а также увеличивает звукоизоляцию смещением вверх по частотной шкале граничной частоты волнового совпадения [151].

В последние годы появились новые легкие материалы: полимерные пленки, высокопрочные синтетические ткани, брезентальные парусины, материал «Теза» и др. Возникает вопрос о возможности использования этих материалов в качестве звукоизоляционных [152].

Вибропоглощающие материалы повышают потери энергии в системах, выполняемых из материалов с малыми потерями (например, тонких металлических листов). Нанесение на металлические поверхности слоев вибропоглощающих упруговязких материалов приводит к уменьшению вибрации конструкций при воздействии заданных сил, более быстрому их ослаблению на пути распространения по конструкции и уменьшению излучаемого ими шума. Обычно толщина однородных покрытий рекомендуется не менее двух-трех толщин металлической пластины [153, 118].

Помимо однородных вибропоглощающих покрытий применяются слоистые, состоящие из сочетания слоя упруговязкого материала с дополнительным наружным слоем. Мягкие вибропоглощающие покрытия изготовляют из мягких пластмасс, различных мастик на основе битума и других материалов. Свойства пластмасс из высокополимеров могут быть сравнительно легко изменены путем введения пластификаторов и наполнителей.

Для снижения шума и вибраций в некоторых случаях рекомендуют использовать пористые эластичные пенопласты типа пенополиуретана (ППУ) и пенополивинилхлорида (ПВХ) [154, 155]. В виде акустических панелей для облицовки колеблющихся ограждающих поверхностей используют металлокерамические конструкции [156].

Лучшие вибропоглощающие мастики — ВД-17−58 и ВД-17−59, представляют смесь синтетических смол и наполнителей [118], эффективные гасители колебаний — слоистые материалы, представляющие собой два металлических (стальных, алюминиевых) листа или две ленты с промежуточным слоем из эластичной пластмассы. Толщина слоев может быть одинаковой (0,5+слой пластмассы+0,5) или различной (0,7+слой пластмассы+0,3) [153, 157, 158].

Рассмотренные нами конструкции из новых материалов (пенопласта ПС-1, базальтовых волокнистых звукопоглотителей, АТМ-1, поропласта.

ППУ-ЭТ и др.) не находят широкого применения из-за сложности изготовления и большой стоимости.

Во многих зарубежных странах этот вопрос решен с помощью вторичной переработки сырья. В Германии и в Италии большинство элементов шумозащитных стенок на 100% изготавливают из бытовых отходов пластмасс. В некоторых случаях между пластинами из пластмассы вводят слой звукопоглотителя из нетканой минеральной шерсти.

Впервые подобные варианты рециклирования отходов предложила фирма ЬАП в 1988 г. Отмечается, что такое строительство существенно дешевле, чем из стали, алюминия, бетона, дерева [159 — 162]. В тяжелой промышленности звукопоглощающие ограждения из пластмасс в большинстве случаев неприменимы, так как могут быть подвержены температурным и деформационным нагрузкам.

Оригинальный противошумовой барьер предложила фирма 1РА. Несущий слой стенки выполнен из прочного бетона, другой слой, обращенный к источнику звука, состоит из звукопоглощающего керамзитобетона. Между ними расположен изоляционный слой, препятствующий диффузии звука. Предложенный барьер обеспечивает гашение звука на 16 дБА [163].

Но сведений о толщине и характере звукоизоляционного слоя нет. Возможно, толщина слоев велика, и полученное снижение в 16 дБА не оправдывает затрат материала.

Противошумовые барьеры сооружают из бетонных и металлических конструкций, а также из деревянных, пропитанных защитным раствором в автоклаве [164 — 166].

На рис. 1.11 показаны частотные характеристики измерений и расчета двустенных ограждений из гипсокартона и гипса. Конструкция, состоящая из гипсокартонных плит толщиной 12,5 мм с воздушным промежутком между слоями, заполненным минеральной ватой толщиной 50 мм, показала высокую звукоизолирующую способность. На частотах 2000 Гц и выше 5000 Гц звукоизоляция достигает 70−80 дБ. На частотах 2500−4000 Гц происходит провал волнового совпадения, замеченный и у расчетной кривой. Еще более высокую звукоизолирующую способность показала двустенная гипсовая конструкция с толщиной стенок 80 мм. Толщина заполнителя между плитами из минеральной ваты составила 30 мм [167]. Предполагается, что данные по звукоизоляции этих конструкций несколько завышены, а исследования носят частный характер и не позволяют выявить закономерности изменения звукоизоляции при других сочетаниях слоев.

На рис. 1.12 показаны частотные характеристики изоляции шума перегородками на стальном каркасе из гипсокартона (данные отечественные и зарубежные). Все три кривые имеют одинаковый рост на низких частотах, на частоте 2500 Гц также у всех конструкций происходит резонансный провал. По зарубежным данным звукоизоляция ограждения на средних частотах существенно превышает результаты, полученные в наших лабораториях [132, 168, 169].

Не приводится толщина гипсокартонного ограждения и другие параметры, необходимые для анализа звукоизоляции конструкций из гипсокартона. В данном случае дать оценку результатов невозможно. Сведения о звукоизоляции гипсокартонных ограждающих конструкций в литературных источниках крайне ограничены. Можно сказать, что этот материал мало изучен экспериментально и теоретически.

ТО 60 Я).

ЛО 10 го.

400 200 500 Ш 2000 3<50 5000 ШОО частота.

Рис. 1.11. Частотные характеристики звукоизоляции двустенных конструкций:

1 — гипсокартонные плиты толщиной 12,5 мм, воздушный промежуток заполнен минеральной ватой толщиной 50 мм- 2 — то же расчет- 3 — гипсовые плиты толщиной 80 мм, минеральная вата толщиной 30 мм- 4 — то же расчет.

• / / У / • У «/ /у '¿-У 1 / / \ ч 4 ^^ '/ г у •? 1.

11/ юо 200 /юо 80о «ъго о {А.

Рис. 1.12. Частотные характеристики изоляции воздушного шума перегородками на стальном каркасе с обшивками из гипсокартона: 1 — в жилом доме в Горьком- 2 — то же в Москве- 3 — в испытательных камерах (шведские данные).

1.3. Теоретические исследования в области влияния волновых полей на звукоизоляцию пластин.

Первое теоретическое исследование звукоизолирующей способности акустически однородных ограждений выполнено Рылеем (Дж. В. Стрэтт), который рассмотрел нормальное падение звука на пластину неограниченной протяженности [170]. Принятые им условия значительно отличаются от реальных.

В дальнейшем теория развивалась в направлении приближения к реальным условиям работы ограждения. Основы теории звукоизоляции разработаны JI. Кремером [171]. Был установлен закон, по которому звукоизоляция ограниченной пластины при некоторых условиях определяется законом массы, по которому звукоизоляция возрастает на 6 дБ с увеличением частоты поверхностной массы. Действие этого закона нарушается на низких частотах, где происходят мембранные колебания пластины, и на высоких частотах, вследствие так называемого резонанса совпадения, возникающего в районе граничной (критической) частоты.

Л. Кремер и В. И. Заборов рассмотрели падение звуковых волн под произвольными углами также на пластину неограниченной протяженности. М. Хекль перешел к пластине ограниченной длины и безграничной ширины. М. С. Седов рассмотрел взаимодействие волновых процессов в конструкции и в воздухе помещений, разработал теорию акустически однородных ограждений реальных размеров, ограниченных в двух направлениях [172 — 174]. Теоретические разработки в этой области выполняли и зарубежные исследователи: Т. Кильман, М. Бхаттачариа и М. Крокер и др. 175, 176]. Отражение и прохождение звука в жидкости исследованы Л.М. Ля-мишевым [177].

Измерения звукоизолирующей способности конструкций показывают, что их частотные характеристики существенно отличаются от таковых, построенных по закону массы. У реальных конструкций вместо равномерного увеличения звукоизолирующей способности во всем диапазоне при росте частоты звука наблюдаются участки с различным темпом ее роста, а также участки, где звукоизолирующая способность не увеличивается, а даже снижается при повышении частоты звука. Эти отклонения от закона массы объясняются при рассмотрении волновых процессов в конструкции и в воздухе помещений с учетом явления частотного и пространственного резонанса. Исследователи указывают, что определяющими являются низшая собственная частота и граничная частота волнового совпадения. М. С. Седов упоминает, что имеются дополнительные колебания на частоте в два раза меньше граничной частоты, но эта идея не получила дальнейшего развития. Теория М. С. Седова позволяет получать результаты, более близкие к экспериментальным, однако она требует трудоемких вычислений, что затрудняет ее практическое использование. Метод расчета М. С. Седов приводит, в основном, для тонких однослойных ограждений из металла и стекла. Для других тонких конструкций (фанеры и картона) приводятся конечные результаты, и нет анализа прохождения звука через них. Метод расчета конструктивно более сложных ограждающих конструкций (двойных с воздушным промежутком, слоистых и др.) требует существенной доработки и упрощения, так как малопригоден для инженерных расчетов в проектных институтах из-за сложности и трудоемкости.

1.4. Характеристика конструкций.

Обзор состояния вопроса и характеристика звукоизолирующих конструкций показали, что в различных литературных источниках типы конструкций называют по-разному. Ограждения, состоящие из одной пластины, называют одинарными, однослойными и т. п. Ограждения, состоящие из нескольких слоев с воздушным промежутком и без него, в некоторых источниках именуют двойными, двухслойными, в других — двустенными, слоистыми и многослойными.

Чтобы избежать путаницы в названиях конструкций, рассматриваемых нами, мы приводим схемы и названия ограждений с краткой характеристикой.

Ограждения, состоящие из одного слоя (пластины), мы называем однослойными (рис. 1.13а). Конструкции, состоящие из нескольких слоев, плотно прижатых друг к другу, называются слоистыми. Слои могут быть из одного материала или из различных по своим свойствам и структуре (рис. 1.13б). Конструкции, состоящие из двух стенок с воздушным промежутком между ними, в работе будут рассматриваться как двойные (рис. 1.13 в).

1.5. Задачи исследования.

С целью повышения звукоизоляционных свойств многослойных ограждающих конструкций за счет рационального сочетания слоев различных материалов и выбора оптимальных геометрических параметров по толщине составных элементов конструкции необходимо решить следующие задачи:

— теоретически установить влияние на звукоизоляцию акустического самосогласования волновых полей и модуля упругостиления эффективного сочетания слоев ограждений, используемых для защиты от шума горных машин;

— исследовать по методике планируемого эксперимента звукоизоляцию ограждающих конструкций кабин управления и кожухов горных машин с целью разработки математических моделей, описывающих закономерность изменения звукоизоляции в зависимости от геометрических параметров слоев ограждающих конструкций по толщине;

— разработать конструктивные решения кабин управления операторов горных машин и звукоизолирующий кожух для вентилятора местного проветривания с использованием современных материалов и с оптимальными акустическими параметрами.

Вывод по главе 1.

1. Шумовые характеристики большинства стационарных машин и механизмов, используемых в горно-добывающей и металлургической отраслях, значительно превышают допустимые санитарные нормы, что приводит к росту профессиональных заболеваний и негативно сказывается на здоровье работающих.

2. Обзор средств, используемых для снижения шума оборудования, показал, что эффективность установки глушителей и звукопоглощающих экранов находится в пределах 8−15 дБА. Снижение шума кожухами и звукоизоляционными кабинами, описанными в литературных источниках, не превышает 20 дБА. Но, в основном, уровень шума оборудования превышает допустимые санитарные нормы на 30−50 дБА, а в ряде случаев и больше. Следовательно, используемые в настоящее время устройства по борьбе с шумом не обеспечивают достаточного снижения шума. Необходимо создать новые конструктивные решения устройств для снижения шума с использованием современных материалов с высокими звукопоглощающими свойствами и с оптимальными параметрами по толщине слоев ограждений с учетом шумовых характеристик конкретных источников.

3. Анализ конструктивных элементов и материалов, составляющих стенки кожухов, показал, что все разработанные устройства имеют одинаковый характер. В основном, стенки кожухов состоят из двух слоев: наружного (металлического) и внутреннего (звукопоглощающего). В качестве звукопоглотителя применяют чаще однотипные материалы, имеющие волокнистую структуру. Звукопоглотитель с внутренней стороны во многих случаях отделяется от машины сетками и перфорированными металлическими листами, что снижает звукоизолирующую способность кожуха, образуя звуковые поля в замкнутом пространстве, вследствие отражения кожухом звуковых волн. Но такая мера необходима при использовании волокнистых материалов для исключения контакта мягкой облицовки с машиной.

4. Но если использовать современные материалы (влагостойкий гип-сокартон, пенопласт), то сетки устанавливать нет необходимости и, следовательно, звукоизоляция всей конструкции должна повыситься.

5.

Введение

воздушного промежутка в слои кожухов может также существенно изменить их звукоизоляционные характеристики в широком диапазоне частот. Воздушный промежуток в известных конструкциях отсутствует.

6. Не используют кожухи, в которых скомбинированы различные по звукопоглощению материалы и не изучено рациональное сочетание слоев из этих материалов. Создание кожухов с многослойными ограждающими поверхностями позволит повысить их эффективность с точки зрения изоляции и уменьшит их вес.

7. Установлено, что на звукоизоляцию однослойных ограждений влияет масса, толщина, коэффициент потерь, жесткость и различные виды защемления. Звукоизоляция однослойных конструкций возрастает: с увеличением размеров пластин (на низких и средних частотах) — с уменьшением жесткостис увеличением коэффициента потерь, поверхностного веса и частоты.

8. Установлено, что звукоизоляция двустенных конструкций выше, чем одностенных и до определенной величины растет с увеличением толщины воздушного промежутка. Материал с высокими звукопоглощающими свойствами, расположенный между стенками, повышает эффективность звукоизоляции на средних и высоких частотах до 7−10 дБ. Известно, что ухудшение звукоизоляции двустенной конструкции происходит за счет: соединительных элементов между пластинамирезонанса всей системы, как системы двух масс, соединенных упругостью воздушного объемарезонанса воздушного объёма- «поперечных» резонансных мод воздушной прослойки на частотах, на которых по толщине воздушной прослойки уложится целое число полуволнрезонанса панелей (на низких частотах).

9. Значительно уменьшают звукоизолирующую способность ограждения ребра жесткости и передающие звук мостики. Снижается звукоизоляция и при заполнении промежутка между стенками конструкции сотами и сотопластом.

10. Некоторые исследования показывают, что на однослойные и многослойные ограждения в значительной мере влияют волновые совпадения, существенно уменьшающие звукоизоляцию. Однако, до настоящего времени это явление мало исследовано, и имеющиеся данные не позволяют прогнозировать влияния волнового совпадения в конкретных случаях.

11. Нами замечено, что в некоторых случаях звукоизоляция однослойной конструкции бывает больше звукоизоляции двухслойнойограждение меньшей толщины обладает звукоизолирующей способностью выше, чем ограждение большей толщины.

12. Исследование закономерностей влияния волнового совпадения позволит проектировать конструкции с оптимальными параметрами по толщине, которые будут обеспечивать высокую звукоизоляцию при минимальном расходе материала.

13. Вид звукопоглощающего материала для заполнения воздушного промежутка однотипен: в основном используются минераловатные плиты и стекловолокно. В некоторых источниках предлагаются другие мягкие материалы, но они являются малораспространенными и отличаются высокой стоимостью.

14. Ограничены данные о величине заполнения воздушного промежутка. В большинстве исследованных конструкций воздушный промежуток звукопоглощающим материалом заполняется полностью.

Большой практический интерес представляют исследования конструкций с эффективным звукопоглотителем между стенками и воздушным промежутком, заполненным частично.

15. Мало данных о слоистых конструкциях с двумя и более воздушными промежутками. Возможно, разделение трехстенной конструкции двумя воздушными промежутками привело бы к значительному увеличению звукоизолирующих свойств при сохранении одного и того же веса ограждения и без увеличения материальных затрат.

16. Сведения о звукоизоляции многих, используемых в современном строительстве, материалах в литературных источниках найти довольно сложно, часто они противоречивы и не дают точного представления о свойствах материала и ограждения из него. Такой пример — материал гипсокар-тон, отличающийся многими положительными свойствами и получивший широкое распространение как в зарубежных странах, так и в отечественном строительстве. Недостаточно полно исследованы акустические свойства пенопласта и «Изовера».

17. Существенные противоречия теории волнового совпадения и закона масс требуют дальнейшего анализа и проработки материалов. Необходимо рассмотреть влияние волнового совпадения на возможно большее количество ограждений с разными геометрическими параметрами из различных материалов.