Расчет акустической эффективности кабин, устанавливаемых в помещениях Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК: 534.6.08 OECD: 1.03. AA

Расчет акустической эффективности кабин, устанавливаемых в

помещениях

Воронова А.А.1*, Иванов Н.И.2, Тюрина Н.В.3 1 Магистрант 2'3 Д.т.н., профессор 1>2'3 Кафедра «Экология и производственная безопасность», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,

г. Санкт-Петербург, РФ

Аннотация

Звукоизолирующая кабина может располагаться как в помещении, так и являться неотъемлемой частью транспортных машин. Звукоизолирующие кабины операторов, машинистов и водителей предназначены для управления и наблюдения за производственным процессом и при этом обеспечивают защиту работников от повышенного шума. В статье приведен новый метод расчета акустической эффективности кабин, устанавливаемых в производственных помещениях. Акустическая эффективность кабины определяется как разность уровней звукового давления (УЗД) и уровней звука (УЗ) при работающих источниках шума на рабочем месте в отсутствие кабины и при её установке. В предложенном методе расчета учтены приведенная звукоизоляция панелей кабины, среднее звукопоглощение в кабине, эквивалентная площадь звукопоглощения, площадь элементов кабины, а также степень отклонения звукового поля в помещении от диффузного. Представлены данные о фактической звукоизоляции панелей кабины, позволяющие выполнить расчет эффективности кабины по предложенной формуле.

Ключевые слова: шум, уровень звукового давления, стационарная шумозащитная кабина, акустическая эффективность, звукопоглощение, расчет снижения шума.

Calculation of the acoustic efficiency of cabins installed indoors

Voronova A.A.1*, Ivanov N.I.2, Tyurina N.V.3 1 Graduate Student 2,3 DSc, Professor 1,2,3 Department of Ecology and Industrial Safety, Baltic State Technical University 'VOENMEH',

St. Petersburg, Russia

Abstract

Sound-proofed cabin can be a part of a vehicles both may be located indoors proving noise control in industrial premises. Sound-proofed cabins at workplace of operators and drivers are designed to control and monitor the production processes and at the same time protect workers from increased noise levels. A new method for calculating the acoustical efficiency (insertion loss) of cabins installed indoors is presented in the article. The acoustical efficiency of cabins is defined as the difference between sound pressure levels (SPL) and sound levels (SL) with operating noise sources at the workplace in the absence of a cabin and when the cabin is installed. The proposed calculation method takes into account the sound insulation of the cabin panels, the average sound absorption of the cabin, the equivalent sound absorption, the area of the cabin elements, as well as the degree of deviation of the sound field in the room from the diffuse one. The cabin panels sound reduction

*E-mail: [email protected] (Воронова А.А.)

obtained experimentally is presented, which make it possible to calculate the efficiency of the cabin according to the proposed formula.

Keywords: noise, sound pressure level, sound-proofed cabins, insertion loss, sound insulation, efficiency, sound absorption, calculation method.

Введение

Стационарные кабины, устанавливаемые для защиты от повышенного шума внешних источников, являются сложной шумозащитной конструкцией, в которой звуковая энергия преобразуется в результате отражения и поглощения звука, возникновения резонансных явлений, звукоизлучения и др [1, 2]. Кабина выполняет функции акустического фильтра.

Звуковое поле в производственных помещениях диффузное, поэтому в новом методе расчета принимается допущение о том, что звуковая энергия на ограждениях кабины распределена равномерно и вклад составляющих звука, проникающего в кабину, зависит от звукоизолирующих и звукопоглощающих свойств ограждающих конструкций (стен, потолка, окон и др.). Для достижения требуемого эффекта снижения шума необходимо стремится к тому, чтобы звукоизоляция всех элементов ограждения кабины была примерно одинаковой. Кроме составляющей шума, проникающего через различные ограждения воздушным путём, внутри кабины также происходит отражение звука от внутренних элементов кабины. Таким образом, суммарное звуковое поле образуется двумя составляющими: проникающим звуком (который зависит от звукоизолирующих свойств кабины) и отраженным (который зависит от звукопоглощения в кабине) [3, 4].

1. Вывод формулы для расчета акустической эффективности кабины

Упрощенная расчетная схема звукоизолирующей кабины в производственном помещении показана на рис. 1.

Расчетная формула выведена с использованием следующих допущений:

- звуковое поле в производственном помещении, где устанавливается звукоизолирующая кабина (ЗИК), диффузное;

- звук равномерно распределяется на всех внешних ограждениях кабины;

- звуковое поле в кабине квазидиффузное.

Для вывода формулы расчета эффективности снижения шума звукоизолирующей кабиной воспользуемся методом последовательного преобразования звуковых полей [5, 6].

Акустическая эффективность звукоизолирующей кабины в помещении рассчитывается по следующей формуле:

т б/к

△ЩМ = Шу-Р/к, дБ, (1)

-рт

где: -рТк — интенсивность звука в расчетной точке (РТ) без кабины, Вт/м2;

-рТк — интенсивность звука в РТ при установленной кабине, Вт/м2.

Найдем числитель в (1), предполагая, что звук попадает в РТ двумя путями: прямым от ИШ и отраженным от ограждающих поверхностей помещения.

Интенсивность звука в расчетной точке при отсутствии кабины рассчитывается следующим образом:

/б/к = W рт ' ' ист

Хист + 4

2 кг2 Ф B

1 ^пом^пом

Воронова А.А., Иванов Н.И.,Тюрина Н.В. Расчет акустической эффективности кабин, устанавливаемых в помещениях

ч J: 1 Л \ [ ^5 /

/ Л J у у * /S *.- Г -=) 7 /

Рис. 1. Расчетная схема ЗИК: 1 — производственное помещение; 2 — источник шума (ИШ); 3 — звукоизолирующая кабина; 4-6 — ограждения кабины с различной звукоизоляцией; 7 — расчетная точка (рабочее место)

где: WjjCT — акустическая мощность источника шума (ИШ), Вт;

Хиег — коэффициент, определяемый в зависимости от отношения максимального размера ИШ к расстоянию до РТ;

Фпом — коэффициент, показывающий степень отклонения звукового поля в помещении от диффузного;

Впом — акустическая постоянная помещения, м2.

Найдем значение знаменателя в формуле (1) путем нескольких преобразований. Интенсивность падающего на установленную кабину звука /пад можно принять равной интенсивности звука в расчетной точке при отсутствии кабины, рассчитываемой по формуле (2).

Звуковая мощность, излучаемая элементами установленной кабины, определяется следующим образом:

^каб — 1падт каб^каб) (3)

где: ткаб — приведенная звукопроводность кабины;

SKa6 — суммарная площадь ограждений кабины, через которые звук проникает в кабину, м2.

Интенсивность звука в РТ при установленной кабине:

/р/к — 4^каб(1 - акаб), Вт/м2, (4)

Ф каб A каб

где: акаб — среднее значение коэффициента звукопоглощения в кабине;

Фкаб — коэффициент, показывающий степень отклонения звукового поля в кабине от диффузного;

Акаб — эквивалентная площадь звукопоглощения в кабине, м2.

Подставив (3) в (4), получим:

Iс/к

ист

Хист _

2пг2 + ФпомД

+

пом впом

ткаб ^'каб4(1 акаб)

Ф каб A каб

Подставим (2) и (5) в (1): АЬкаб = 10ig-

Хист _

2 nr2 + ФпомД

+

пом впом

Фкаб Акаб

Хист _

2ПГ2 1 ФпомВ

пом впом

т Ka6SKa64(l акаб)

После преобразований и логарифмирования определим эффективность звукоизолирующей кабины:

А 1 ДЬкаб = 10/$-^ + Ш^Фкаб + 10/$ =--10/$(1 - «каб) - 10/$4, дБ, (7)

пкаб т каб

Учитывая известное соотношение ЗИ = 10/$, третий член формулы может

_Т каб

быть заменен приведенной звукоизоляцией кабины ЗИкаб, равной:

ЗИкаб = 10/^я ^"-Й ЗИкаб. , ДБ, (8)

2^г=0 Пкаб410 1

где: Пкаб4 — площадь 1-го ограждения кабины, м2;

п — число ограждений кабины;

ЗИкабг — звукоизоляция 1-го элемента кабины, дБ.

С учетом 10/$4 = 6 дБ, а также (8) формула акустической эффективности кабины, установленной в помещении:

А V"" с

ДЬкаб = 10/$^ + 10/$Фкаб + 10/$ п ^г=° п-аоб1 зи б — 10/$(1 — «каб) — 6, дБ (9)

Пкаб 2^г=0 Пкаб410 ' каб^

2. Применение метода расчета эффективности кабин, устанавливаемых в производственных помещениях

Для анализа достоверности разработанного метода расчета эффективности звукоизолирующей кабины проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены данные, сведенные в таблицу 1. В составе натурных измерений определены звукоизоляция отдельных элементов кабины, а также время реверберации [7, 8]. На основании измеренного времени реверберации определен коэффициент звукопоглощения в помещении (в кабине) апом по следующей формуле:

аПом = п ^ , (10)

ппомт пом

где: V — объем помещения, м3; ППом — площадь ограждающих поверхностей, м2.

Результаты расчета эффективности кабины (ДЬкаб) приведены в таблице 1. Сравнение расчетной эффективности кабины с результатами замеров показало высокую сходимость.

Воронова А.А., Иванов Н.И.,Тюрина Н.В. Расчет акустической эффективности кабин, устанавливаемых в помещениях

Таблица 1

Расчет акустической эффективности стационарной кабины

Исходные данные для Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот со

расчета среднегеометрическими частотами, Гц

125 250 500 1000 2000 4000

Акаб = ai 4,7 2,4 7,1 9,1 8,7 5,7

SKa6 43,4 43,4 43,4 43,4 43,4 43,4

Вкаб 5,9 2,9 9,2 12,3 12,2 7,7

Фкаб 0,2 0,06 0,2 0,3 0,3 0,2

Время реверберации, Т, с 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,3

акаб 0,2 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3

10/о Aкаб ■J SKa6 -9,6 -12,5 -7,8 -6,8 -6,9 -8,8

Ш$Фкаб -8,6 -11,6 -6,7 -5,4 -7,5 -7,4

101g(1 — «каб) -0,4 -0,2 -0,7 -1,1 -0,9 -0,6

101gvn S ^ 1П-0Д ЗИкаб4 ¿^¿=0 дкаб,- 10 i 16,1 26,8 35,1 39,3 50,1 49,6

АЬкаб (ф-ла 10) 7 4 15 22 32 27

Заключение

1. Предложен новый метод расчета акустической эффективности звукоизолирующей кабины, в котором учтены приведенная звукоизоляция панелей кабины, среднее звукопоглощение в кабине, эквивалентная площадь звукопоглощения, площадь элементов кабины, а также степень отклонения звукового поля в помещении от диффузного.

2. Выполнены натурные замеры звукоизоляции и эффективности опытной кабины, в которой были получены необходимые данные для расчета и апробации формулы.

3. Результаты расчетов акустической эффективности кабины по разработанной формуле показали высокую сходимость с результатами экспериментов.

Список литературы

1. Иванов Н.И., Шашурин А.Е. Учебное пособие «Защита от шума и вибрации», издание второе - дополненное и переработанное / — СПб.: Печатный Цех, 2019. - 284с.

2. Борьба с шумом на производстве: Справочник / Под общ. ред. Е.Я. Юдина. М.: Машиностроение, 1985.

3. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: Учебник / Н.И. Иванов. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Логос, 2013. — 432 с.

4. Акустика: Учебник для вузов / Ш.Я. Вахитов, Ю.А.Ковалгин, А.А. Фадеев. Ю.П. Щевьев / Под ред. Ю.А.Ковалгина. М.: Горячая линия-Телеком, 2009.

5. Шашурин А.Е., Иванов Н.И., Тюрина Н.В., Курченко П.С. Использование метода преобразования звуковых полей для расчета эффективности шумозащитных конструкций // Noise Theory and Practice, 2020, №6 (4) - С. 128-134.

6. Ivanov N., Kurtsev G., Shashurin A. The method of sequential transformation of the sound fields Akustika. 2021. Т. 39. С. 143-149.

7. Боголепов И.И. Промышленная звукоизоляция: Л.: Судостроение, 1986.

8. Звукоизоляция и звукопоглощение: Учебн. пособие / Под ред. Г.Л. Осипова, В.Н. Бобылева. М.: АСТ, 2004.

References

1. Ivanov N.I., Shashurin A.E. Textbook 'Protection from noise and vibration', second edition - expanded and revised / — St. Petersburg: Printing Shop. — 2019. — 284 p.

2. Noise control in industry: Handbook/ Ed. Yudin E.Ya.. M.: Mechanical Engineering, 1985.

3. Engineering acoustics. Theory and practice of noise control: Textbook / N.I. Ivanov. - 3rd ed.- M.: Logos, 2013. - 432 p.

4. Acoustics: Textbook for universities / Sh.Ya. Vakhitov, Yu.A. Kovalgin, A.A. Fadeev, Yu.P. Shchevyev / Ed. Yu.A. Kovalgina. M.: Hotline-Telecom, 2009.

5. Shashurin A.E., Ivanov N.I., Tyurina N.V., Kurchenko P.S. Using the method of transforming sound fields to calculate the effectiveness of noise protection structures // Noise Theory and Practice, 2020, No. 6 (4) - p p. 128-134.

6. Ivanov N., Kurtsev G., Shashurin A. The method of sequential transformation of the sound fields Akustika. 2021. T. 39. C. 143-149.

7. Bogolepov I.I. Industrial sound insulation: Leningrad: Sudostroenie, 1986.

8. Sound insulation and sound absorption: Textbook / Ed. G.L. Osipov, V.N. Bobylev. M.: AST, 2004.