Выявление причин снижения звукоизоляции окон Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.16

ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ОКОН

© 2014 В.Ю. Кирпичников1, Л.Ф. Дроздова2, Д.В. Ляпунов1- А.В. Кудаев2

1 ФГУП Крыловский Научный Центр, г. Санкт-Петербург 2 Балтийский государственный технический университет им. Д.Ф. Устинова (Военмех),

г. Санкт-Петербург

Поступила в редакцию 13.01.2014

В статье экспериментально и теоритически исследовано влияние резонансов изгибных колебаний в стеклах на прохождение звука через окна. Наличие максимумов в спектрах вибровозбудимости стекол подтвердили наличие в стеклах изгибных резонансов. Анализ полученной расчетной информации показал, что многие расчетные значения резонансных частот изгибных колебаний стеклопаке-тов находятся в частотных диапазонах минимальной условной звукоизоляции окна. Проведенные исследования подтвердили значимость влияния резонансных явлений в элементах остекления окон на прохождение через них звукового сигнала. Ключевые слова: структурный шум, моделирование, рельс, колесо

Эффективным методом снижения шума на пути его распространения является звукоизоляция ограждающих источник шума конструкций. Листовые конструкции, составляющие звукоизолирующие перегородки, двери, окна помещений, снижают уровень шума за счет отражения и рассеяния звуковой энергии. Механизм прохождения звука материал ограждающих конструкций заключается в том, что под действием падающих звуковых волн ограждение приводится в колебательное движение и само начинает излучать звук. По созданной Л.Кремером [1] теории собственной звукоизоляции тонкой пластины необходимо учитывать явления волнового совпадения, Поэтому важно иметь информацию о влиянии на звукоизоляцию ограниченной пластины возникающих в ней резонансных явлений.

Звукоизоляцию ограждающих конструкций задают ее значениями в октавных полосах частот преимущественно от 63 до 8000 Гц, либо индексом изоляции воздушного шума, вычисление которого проводят с использованием значений звукоизоляции в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами от 100 до 3150 Гц.

Стекла окон и дверей являются, как правило, наиболее слабыми звукоизолирующими элементами ограждающих конструкций помещений. Результаты исследований их звукоизоляции приводятся во многих работах, [2-6].

Кирпичников Валерий Юлианович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник. E-mail: [email protected]

Дроздова Людмила Филипповна, кандидат технических наук, профессор. E-mail: [email protected] Ляпунов Дмитрий Вячеславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. E-mail: [email protected] Кудаев Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected]

Авторами было выполнено экспериментальное исследование влияния резонансов изгибных колебаний в стеклах на прохождение шума через окна из помещений на улицу. Звукоизоляция наружной стены зданий, где находились помещения, в которых проводились исследования, была много больше звукоизоляции окон.

Были исследованы 15 однокамерных стекло-пакетов пяти окон в трех различных помещениях.

На начальном этапе работы были измерены спектры вибровозбудимости стеклопакетов при ударе вибромолотком. (Под вибровозбудимостью подразумевалась величина виброускорения в дБ относительно 10-6 м/с2, нормированная возбуждающей силой 20^Р/Р0, где Б0 = 1 Н).

Типовые узкополосные ( А1 = 0,7 Гц) спектры вибровозбудимости стекол одной из стеклопаке-тов приведены на рис. 1. Измерения выполнялись на внутреннем стекле (ти2). Возбуждались ударом последовательно внутреннее (тв1) и наружное (тв1/) стекла стеклопакета. Из рисунка видно, что спектры вибровозбудимости стекла содержат большое число максимумов.

Была произведена идентификация форм из-гибных колебаний внутреннего стекла стеклопа-кета на низших частотах максимумов.

Номера форм колебаний (т и п - числа полуволн вдоль длинной и короткой сторон) приведены в таблице 1. Там же указаны измеренные значения собственных частот и частот максимумов в спектрах вибровозбудимости. (Их некоторое различие обусловлено рядом факторов, в том числе положением стеклопакетов, открыто-закрыто, точностью считывания частот и т.д.).

Был сделан вывод, что наличие максимумов в спектрах вибровозбудимости связано с возникновением в стеклах изгибных резонансов.

1891

Частота, Гц

Рис. 1. Типовые узкополосные (Д£ = 0,7 Гц) спектры вибровозбудимости стекол стеклопакета

Таблица 1. Номера форм колебаний

Форма колебаний Собственные частоты, Гц Частоты максимумов, Гц

т п

1 1 24 24

2 1 45 51

3 1 79 79-81

4 2 124 125

- 2 152 151-152

4 - 201 195

Значения резонансных частот четырех стек-лопакетов одного из испытанных окон сведены в табл. 2. Там же приведены условные диапазоны нахождения этих частот и их число в каждом из диапазонов. Общее число обнаруженных резонансных частот стекол окна в диапазоне, ограниченном сверху частотой 1 кГц, составило 150.

Узкополосные частотные характеристики условной звукоизоляции окна (разницы, по трем парам точек измерения, уровней звукового давления в помещении и на улице) изображены на рис. 2 и 3.

На обоих рисунках приведены частоты минимальной звукоизоляции, большинство из которых, как показал анализ, попадает в условные диапазоны резонансных частот стекол стеклопа-кетов или совпадает с этими частотами (с учетом погрешности их определения).

Результаты измерений были подтверждены расчетами собственных частот изгибных колебаний стекол стеклопакетов. Расчеты собственных частот /тп изгибных колебаний отдельного стек-

ла производились по формуле [7]:

/ =-тп ^ ^

ЕЙ

2 ((

3р(1 -а2)

т

V (

' 1С

I С

V ^ 2Ь п

п

2М

В,

-г,

т

т

л2 (

\ 2 Л

' 1 Ст

I С

Vе2ЬпУ

(1)

где т = 1,2,3,... и п = 1,2,3,...; 11 - длина стекла, м; 12 - ширина стекла, м;

,3

Вст = Е1 =

ЕЙ3

12(1 -а )

кость стекла;

- изгибная жест-

Е - модуль Юнга стекла, Е = 6 • 1010 Па ;

I = -

Й3

12(1-а2)

Й - толщина стекла, м;

момент инерции пластины;

п

+

п

+

1892

Таблица 2. Значения резонансных частот четырех стеклопакетов одного из испытанных окон

Резонансные частоты, Гц Условные диапазоны, Гц, и число резонансных частот, Гц

Стеклопакет 1 Стеклопакет 2 Стеклопакет 3 Стеклопакет 4

24 23; 27; 34 28 24; 31 23-31; 4

51 44; 52 46; 51 40; 54; 60 40-60; 6

79-81 75; 79 80 - 75-80; 3

125 101; 118; 128 103; 126 104;135 101-135; 8

151-152 153; 154 159 158 151-158; 6

195 165; 179; 204 197 174; 184 165-204; 7

228 223; 235; 241 231 213 213-241; 6

240-244 - - 241; 256 240-256; 4

292 296 287 280; 294 280-296; 5

343-344 318; 320; 336; 344 326; 345 311; 339 311-344; 9

367-369 376 - 364 364-376; 4

385 - 380 392 380-392; 3

430 418; 419 431 419; 443 418-443; 5

450 459; 471; 472 453 460; 480 450-480; 7

541-542 519; 520; 542 521; 545 533; 557 519-557; 8

574-578 580; 587 589 573 573-589; 6

608 604;632 606 613; 637 604-637; 6

658-660 666 641; 659; 669 688 641-688; 7

693-698 - - 698 693-698; 2

712-714 - 707 718 707-718; 4

758 748; 751; 768; 771 764 752 748-771; 7

793-794 792 - 788 788-794; 4

802-803 804; 805 800; 807 806 800-807; 7

825-830 818 820 835 818-835; 5

876 867; 875 854; 875 884 854-884; 5

920-922 933;935 905 902; 945 902-945; 7

967-968 958; 961 968 - 958-968; 4

- - - 986 986; 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Частота, Гц

Рис. 2. Частотная характеристика условной звукоизоляции окна

1893

50

40

ш ч:

30

20

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Част020, Гц

Рис. 3. Частотная характеристика условной звукоизоляции окна

а - коэффициент Пуассона стекла, с учетом отсутствия надежных данных принимался в расчетах равным нулю;

= рЙ - масса единицы поверхности

3

т

стекла;

Ст

р - плотность стекла

а

1 + 0,23/ т

Сп =

р = 2500 кг/м3

а

1 + 0,23/п

а - коэффициент, учитывающий степень защемления пластины (при свободном опирании й = 1,11; при защемленных кромках й = 1 ).

Вычислялась также резонансная частота каждого стеклопакета, состоящей из двух элементов с воздушным промежутком [1]:

/Р = 85,

1

I й

(

\

11

— + —

т1 т2 у

(2)

где й-1 - ширина воздушного промежутка, м;

т1 и т2 - массы единицы поверхности отдельных стекол, кг/м2.

Критическая частота колебаний стекла в воздухе рассчитывалась по формуле

/кр

С02

тс

2П Вс

(3)

Результаты расчетов резонансных частот из-гибных колебаний одного из стеклопакетов окна с размерами в плане 1,05х2,00 м (рис. 4) приведены в табл. 3. Там же приведены размеры стекло-

пакета и определенные с использованием измерений частоты минимальной условной звукоизоляции окна.

Расчетные значения резонансных частот из-гибных колебаний всех стеклопакетов, близких к частотам минимальной условной звукоизоляции окна, приведены на рис. 5 и 6.

На этих же рисунках показаны расчетные значения резонансных частот стеклопакетов ( /„ = 300,5 Гц) и критической частоты стекла (/кр =3121 Гц). На рисунках изображена также расчетная частотная характеристика условной звукоизоляции окна.

Анализ полученной информации подтвердил, что многие расчетные значения резонансных частот /тп изгибных колебаний стеклопакетов находятся в частотных диапазонах минимальной условной звукоизоляции окна. Минимальная звукоизоляция окна зарегистрирована и вблизи расчетных значений резонансной частоты испытанных стеклопакетов /р и критической частоты стекла /кр .

О значимом влиянии резонансных явлений в стеклах на прохождение звука через окна свидетельствовало и сопоставление частотных характеристик спектров виброускорения (схема точек на рис. 4) озвучиваемых стекол и когерентности виброускорения со звуковым давлением.

На рис 7 и 8 изображен спектр (0-250 Гц) виброускорения наружного стекла одной из стек-лопакетов и спектр указанной когерентности.

Видим, что некоторые частоты максимумов в

и

1894

■1,05 м -

■1,05 м-

Рис. 4. Схема измерительных точек окна • т.10в, т.10н - точки измерения вибрации внутреннего и наружного стекол, соответственно спектрах когерентности близки к частотам максимумов в спектрах виброускорения. Число максимумов в спектрах виброускорения меньше числа максимумов в спектрах когерентности, так как виброприемник находился в геометрическом центре стекол стеклопакета, т.е. в пучности только нечетно-четных форм их изгибных колебаний. К основным результатам выполненного ком-

плекса исследовании по выявлению причин снижения условной звукоизоляции окон можно отнести следующие:

- в спектрах вибровозбудимости стекол окон содержится большое число максимумов резонансного происхождения (в диапазоне, ограниченном сверху частотой 1600 Гц, в спектрах вибровозбудимости пятнадцати обследованных однокамерных стеклопакетов зарегистрировано от 72 до 150 резонансных максимумов). Поддиапазоны с резонансными частотами изгибных колебаний стекол окон занимают значительную часть частотной области измерений.

- экспериментально зарегистрированные частоты минимальной звукоизоляции (ЗИ) окон, как правило, находятся в поддиапазонах резонансных частот ( fmn ) их изгибных колебаний, рассчитанных для случаев свободного опирания (min fmn ) и жесткой заделки (max fmn ) кромок стекол.

- расчетные значения звукоизоляции по закону массы удовлетворительно совпадают с измеренными значениями звукоизоляции окон лишь на редких частотах диапазона ограниченного сверху частотой около 500 Гц (примерно 0,16&р); на большинстве частот расчетные значения ЗИ превышают измеренные значения; наиболее вероятной причиной такого соотношения является уменьшение звукоизоляции окон, связанное с возникновением резонансных явлений в элементах остекления; превышение расчетных значений ЗИ окон над измеренными значениями

50

м «

К со

45 40 35 30 25 20 15 10 5

0 н— 100

-измерения ЗИ

♦ свободное опирание (fmn) ■ жесткая заделка(/mn) X fp ---расчет ЗИ

200

300

400

500

600

700

800

900 1000

Частота, Гц

Рис. 5. Частотная ( А/ = 1,25 Гц) характеристика звукоизоляции окна и расчетные значения резонансных частот колебаний стекол и одной из стеклопакетов

1895

Частота, Гц

Рис. 6. Частотная ( А/ = 12,5 Гц) характеристика звукоизоляции окна и расчетное значение критической частоты колебаний одной из стеклопакетов

Таблица 3. Результаты расчетов резонансных частот изгибных колебаний одного из стеклопакетов окна

Номера форм Резонансные частоты /тп Частоты ЗИт1п (рис. 7)

т п Свободное опирание Жесткая заделка

1 1 55 68 -

2 1 83 102 -

3 1 125 154 147

1 2 155 191 183

2 2 182 225 -

4 1 184 226 -

3 2 225 277 -

5 1 258 317 293

4 2 283 349 293, 342

1 3 313 385 342

2 3 340 419 403

5 2 357 440 403

3 3 382 471 464

4 3 441 543 464, 476

5 3 515 634 573

1 4 528 650 647

2 4 555 684 647

3 4 598 736 -

4 4 656 808 -

5 4 730 899 891

1 5 800 986 891

2 5 828 1020 -

3 5 870 1072 -

4 5 929 1144 -

5 5 1003 1235 -

Стеклопакет 1 - 0,96 х 0,5 х 0,004 м ( 11 X12 X Й ), й = 0,016 м .

1896

Уровни виброускорения (отн. 10 "6 м/с2)

80

Когерентность 1.0

70

60

50

40

30

20

10

-виброу( корение

когерентность

0.6 0.4 0.2 0.0

50

100

150

200

250

Частота, Гц

Рис. 7. Спектры виброускорения внутреннего стекла одной из стеклопакетов и когерентности виброускорения со звуковым давлением на улице

Уровни виброускорения (отн. 10-6 м/c2)

80

Когерентность 1.0

70 60 50 40 30 20 10

/

-виброу скорение

-когерентность

0.6 0.4 0.2 0.0

50

100

150

200

250

Часто3т0а0, Гц

Рис. 8. Спектры виброускорения наружного стекла одной из стеклопакетов окна и когерентности виброускорения со звуковым давлением на улице

возрастает с увеличением частоты, что можно объяснить, в частности, изменением физической сути взаимодействия падающих звуковых волн со стеклами (изменение соотношения длин волны звука и изгибных колебаний в стеклах);

Полученные результаты свидетельствуют о значимом влиянии резонансных явлений в эле-

ментах остекления окон на прохождение через них шумового сигнала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cremer L. Theorie der Schaldammung dunner Wande bei schrägem Einfall // Akust. Zeitscrift, 1942, 7, p. 71-82.

2. Боголепов И.И. . Промышленная звукоизоляция.

0

0

0

0

1897

Судостроение, Ленинград, 1986.

3. Климухин А.А. Акустические характеристики светоп-розрачных конструкций (окон). URL: http:// www.yamax.ru (по материалам технического совещания в АПРОК 21 апреля 2001 г.) (дата обращения 22.12.2013).

4. Звукоизоляция и звукопоглощение. Учебное пособие для студентов вузов / Л.Г. Осипов, ВН. Бобылев, ЛА. Борисов и др. [под ред. Г.Л. Осипова, В.Н. Бобылева]., М.: ООО "Издательство АСТ", ООО "Издательство Аст-рель" 2004.

5. Боголепов И.И., Столярова Н.П. Три метода определения необходимой звукоизоляции окон: плюсы и минусы. С-Пб.: ГОУ С-Петербургский государственный политехнический университет.

6. Васильев А.В. Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок. Автореф. дисс. ... докт. техн. наук. Санкт-Петербург, 2006.

7. Luzzi S., Vasilyev A. V. Noise mapping and action planning in the Italian and Russian experience. 8th European Conference on Noise Control 2009, EURONOISE 2009 - Proceedings of the Institute of Acoustics 2009.

WHAT ARE THE REASONS FOR THE REDUCTION OF SOUND INSULATION OF WINDOWS

© 2014 V.Y. Kirpichnikov1, L.F. Drozdova2, D.V. Lyapunov1, A.V. Kudaev2

1 Krylov Scientific Center - State Enterprise, St. Petersburg 2 Baltic State Technical University "VOENMECH" named after D.F. Ustinov, St. Petersburg

Article experimentally and theoretically investigated the influence of resonances flexural vibrations in glasses on the propagation of sound through the windows. The presence of peaks in the spectra of vibration of glasses confirmed the presence in glasses flexural resonances. Analysis of received calculation data showed that many of the calculated values of resonant frequencies of flexural vibrations of glass are in the frequency ranges minimal conditional insulation in windows. Studies have confirmed the significance of the influence of resonant phenomena in the elements of glass windows of the passage through the sound. Keywords: structure noise, modeling, rail, wheel

Valery Kirpichnikov, Doctor of Technics, Professor, Chief Researcher. E-mail: [email protected] Lyudmila Drozdova, Candidate of Technics, Professor. E-mail: [email protected]

Dmitry Lyapunov, Candidate of Technics, Senior Researcher. E-mail: [email protected]

Alexander Kudaev, Candidate of Technics, Associate Professor. E-mail: [email protected]

1898