«ОЦЕНКА ШУМОВОГО РЕЖИМА ПРИ РАЗРАБОТКЕ СТРОИТЕЛЬНОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ШУМА В ЗДАНИЯХ С КРУПНОГАБАРИТНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ И НА ПРИЛЕГАЮЩИХ К НИМ ТЕРРИТОРИЯХ ...»

ФГБОУ ВПО «ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

на правах рукописи

СОЛОМАТИН ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ

ОЦЕНКА ШУМОВОГО РЕЖИМА ПРИ РАЗРАБОТКЕ СТРОИТЕЛЬНОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ШУМА В ЗДАНИЯХ

С КРУПНОГАБАРИТНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ

И НА ПРИЛЕГАЮЩИХ К НИМ ТЕРРИТОРИЯХ

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Леденев В.И.

Москва

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ шумового режима производственных объектов, средств снижения шума и методов расчета шумовых характеристик оборудования и зданий

1.1 Источники шума на промышленных предприятиях и их особенности

1.2 Меры по ограничению шума, используемые на промышленных объектах

1.3 Методы оценки шумового режима в зданиях и на территориях промышленных предприятий

1.3.1 Методы расчета распространения прямого звука от источников шума и оценка возможности их применения к оборудованию и зданиям промышленных объектов

1.3.2 Существующие методы расчета отраженных шумовых полей и возможность их использования для оценки распространения шума в замкнутых объемах промышленных объектов

Выводы по главе 1 и определение направлений исследований.............. Глава 2. Оценка распространения прямого звука от источников шума с различными геометрическими и акустическими параметрами

2.1 Классификация источников производственного шума, располагаемых в зданиях и на территориях промышленных объектов............... 2.2 Расчеты уровней прямого звука от точечных источников шума...... 2.3 Расчеты уровней прямого звука от поверхностей здания как от линейных источников шума

2.4 Расчеты уровней прямого звука от поверхностей здания как от плоских источников шума

2.5 Расчеты уровней прямого звука от зданий как от объемных источников шума

Выводы по главе 2

Глава 3. Метод расчета шумовых полей в замкнутых объемах зданий промышленных предприятий

3.1 Комбинированная расчетная модель шумового поля производственных помещений промышленных предприятий

3.2 Методика использования метода прослеживания звуковых лучей при оценке шумового режима в производственных помещениях на основе комбинированной расчетной модели

3.3 Статистическая энергетическая модель отраженного звукового поля и численный метод ее реализации в комбинированной расчетной модели

3.4 Методика расчетов уровней звукового давления на основе комбинированной расчетной модели

3.5 Расчет шума на наружных поверхностях ограждений производственных зданий промышленных предприятий

3.6 Сравнительный анализ результатов расчетов уровней шума с данными экспериментальных исследований

Выводы по главе 3

Глава 4. Комбинированный метод оценки распределения шума в крупногабаритных газовоздушных каналах

4.1 Особенности распространения шума в крупногабаритных газовоздушных каналах и их влияние на выбор методов расчета уровней отраженного шума

4.2 Численный статистический энергетический метод расчета уровней звукового давления в крупногабаритных газовоздушных каналах. 4.3 Комбинированный метод расчета уровней звукового давления в крупногабаритных газовоздушных каналах

4.4 Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных уровней шума в крупногабаритных газовоздушных каналах

Выводы по главе 4

Глава 5. Компьютерная реализация методов расчета шумового режима производственных объектов и прилегающих к ним территорий.................. 5.1 Компьютерная программа по оценке уровней шума в крупногабаритных каналах, производственных помещениях и на прилегающих к ним территориях

5.2 Компьютерное моделирование распространения прямого звука от сложных по форме источников шума

5.3 Экспериментальная проверка расчетных методов и их компьютерной реализации при решении практических задач борьбы с шумом Выводы по главе 5

Основные выводы

Список литературы

Приложение 1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одним из негативных воздействий промышленных предприятий на окружающую среду является шум. Часто располагаясь в черте поселений предприятия и среди них энергетические объекты, ТЭЦ, РТС, котельные и др., создают повышенные уровни шума не только внутри зданий, но и на прилегающих к ним территориях. В этой связи на предприятиях, располагаемых в черте поселений, при оценке шумового воздействия приходится решать две последовательные задачи. Первая задача связана с оценкой распределения звуковой энергии, возникающей внутри производственных помещений при работе технологического оборудования. Целью является установление уровней шума внутри помещений и последующего определения уровней на наружных поверхностях ограждении здания. При решении второй задачи производится оценка распространения шума от этих зданий на прилегающей территории как от источников звуковой энергии. В случаях, если выясняется, что шумовой режим в помещениях и на территориях не соответствует нормам, производится разработка строительноакустических средств снижения шума и последующие повторные расчеты шумового режима. Так как процесс разработки средств шумозащиты циклический и требует значительных затрат времени, необходима его автоматизация. При этом в основе компьютерных программ должны быть надежные методы расчета шумового режима и оценки акустической эффективности средств снижения шума. Таким образом, разработка методов расчета уровней шума в производственных зданиях и на прилегающих к ним территориях, учитывающих характер и особенности распространения прямой и отраженной составляющих шума, является актуальной научной задачей, имеющей практическое значение.

Степень разработанности темы. Существующие методы расчетов уровней звукового давления прямого и отраженного звука в помещениях, каналах и на территориях промпредприятий не учитывают ряд особенностей, влияющих на распределение звуковой энергии. К ним относятся: отличие форм помещений и источников шума от правильных объемов; отсутствие точных сведений о характере отражения звука от ограждений; наличие в помещениях крупногабаритного оборудования и источников сложной формы; характер и неоднородность излучения звука с поверхностей источников. Необходима разработка методов расчета, учитывающих эти особенности.

При оценке шума на территории предприятий необходимо иметь методы расчета прямого звука от источников шума в виде зданий, учитывающие реальный характер излучения звука с их поверхностей. В настоящее время используются упрощенные методы, не обеспечивающие требуемую точность.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета уровней звукового давления, обеспечивающих при разработке строительноакустических средств защиты от шума надежную оценку шумового режима в зданиях с крупногабаритным оборудованием и объемными источниками, в крупногабаритных газовоздушных каналах и на прилегающих к зданиям территориях.

Основные задачи

исследований:

- произвести анализ шумового режима и источников его формирования на промышленных предприятиях, а также акустической эффективности строительноакустических средств снижения шума на них;

- выполнить анализ методов расчета энергетических параметров звуковых полей с точки зрения возможности их использования для оценки распределения звуковой энергии в производственных помещениях с крупногабаритным оборудованием при смешанном зеркально-диффузном характере отражения звука от ограждений и оборудования;

- разработать методы расчета прямого звука от источников шума с целью использования их для оценки шума в зданиях и на территориях, прилегающих к шумным зданиям;

- разработать метод расчета распределения звуковой энергии в производственных помещениях с крупногабаритным оборудованием;

- разработать метод расчета шума в крупногабаритных газовоздушных каналах;

- выполнить экспериментальную оценку точности предлагаемых расчетных методов и установить экспериментальные соотношения распределений энергии между зеркальной и диффузной составляющими отражаемой энергии при смешанном характере отражения звука от ограждений;

- разработать компьютерную программу для реализации предложенных расчетных методов.

Методы исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе геометрической и статистической теорий акустики помещений. Все расчеты произведены по разработанным в работе программам. Экспериментальные исследования выполнены в вентиляционных шахтах и каналах, в помещениях сложной формы с крупногабаритными рассеивателями.

Научная новизна работы:

- предложены новые методы расчета прямого звука от линейных, плоских и объемных источников шума и дана оценка их точности;

- предложен новый метод оценки распределения звуковой энергии в производственных помещениях с крупногабаритным оборудованием при смешанном зеркально-диффузном характере отражения звука от ограждений и оборудования и разработана компьютерная программа для его реализации;

- предложен новый метод расчета шума в крупногабаритных каналах при смешанном характере отражения звука от ограждений канала и разработана компьютерная программа для его реализации;

- получены новые данные о влиянии зеркально-диффузного характера отражения звука от поверхностей ограждений на распределение звуковой энергии в помещениях и крупногабаритных каналах и установлены соотношения между зеркальной и диффузной составляющими отраженной энергии для ряда наиболее распространенных материалов ограждений;

- разработаны методика оценки распределения шума от зданий и других излучающих шум объектов предприятий и компьютерная программа для расчета шума на территориях, прилегающих к этим объектам.

Достоверность теоретических результатов. При разработке методов использованы положения геометрической и статистической теорий акустики. Допущения, использованные при разработке методов, общеприняты в работах российских и зарубежных авторов. Адекватность методов подтверждена сравнением теоретических и экспериментальных данных, полученных при исследованиях шума в помещениях с крупногабаритными источниками, в каналах и на территории.

Практическая значимость работы. Разработанные методы позволяют производить достоверную оценку распределения прямой и отраженной составляющих звуковой энергии в зданиях с крупногабаритным оборудованием и на прилегающих к ним территориях и тем самым более обоснованно принимать решения при разработке и применении строительно-акустических средств снижения шума.

Комплексная компьютерная программа позволяет производить разработку строительно-акустических средств снижения шума в зданиях и на территориях с учетом реального влияния на распределение звуковой энергии объемно-планировочных и конструктивных решений зданий, акустических свойств ограждений и крупногабаритного оборудования.

Реализация результатов работы. Исследования выполнялись в рамках научных исследований научно-исследовательского центра «ТГТУ-НИИСФ РААСН». Результаты исследований переданы в НИИСФ РААСН и используются в акустических лабораториях при выполнении научных и практических работ. Компьютерные программы применяются в Научно-техническом центре по проблемам архитектуры и строительства ТГТУ при решении задач борьбы с шумом. На основе предложенных методов произведены исследования шума предприятия «Картон-тара» в г. Тамбове и разработаны эффективные средства его снижения. Результаты работы используются в учебном процессе ТГТУ по дисциплинам «Строительная физика» и «Физико-технические основы проектирования, строительства и эксплуатации ограждений зданий» (направление 270800 «Строительство»).

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись и обсуждались на международных научных конференциях «Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Осипова Г.Л.» (г. Москва, 2009 - 2013 гг.); на международной научно-практической конференции «Гармонизация европейских и российских нормативных документов по защите населения от повышенного шума» (Москва - София - Кавала, 2009 г.); на XXIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Саратов, 2010 г.); на международной научно-практической конференции «Энергосбережение и экология в строительстве и ЖКХ, транспортная и промышленная экология» (Москва - Будва, 2010 г.); на XV международной научнопрактической конференции «Проблемы и пути развития энергосбережения и защиты от шума в строительстве и ЖКХ» (Москва - Будва, 2011 г.); на научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества» (г. Москва, 2011 г.); на международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и энергосбережение в строительстве» (Москва - Кавала, г.); на международной заочной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» ( г. Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 статей (в том числе 10 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК), зарегистрировано 2 программы для ЭВМ в федеральной службе по интеллектуальной собственности.

На защиту выносятся:

- методы расчета прямого звука от зданий как источников шума;

- метод расчета шума в помещениях с крупногабаритным оборудованием при смешанном зеркально-диффузном характере отражения звука от поверхностей ограждений и оборудования;

- метод расчета шума в крупногабаритных каналах при смешанном характере отражения звука от ограждений канала;

- величины соотношений между зеркальной и диффузной составляющими отраженной энергии исследованных в работе материалов ограждений помещений и каналов;

- комплексная компьютерная программа, реализующая расчеты шумового режима в помещениях с крупногабаритным оборудованием, в крупногабаритных каналах, а также на территориях, прилегающих к шумным зданиям и другим источникам шума промпредприятий.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (137 наименований) и приложения. Общий объем работы 181 страница. Основной текст, включая 62 рисунка и 4 таблицы, изложен на страницах, объем приложения 35 страниц.

Работа выполнена на кафедре «Городское строительство и автомобильные дороги»

ТГТУ под руководством д.т.н. Леденева В.И. Автор выражает особую благодарность к.т.н. Антонову А.И. за оказанную научную и методическую помощь в работе.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ШУМОВОГО РЕЖИМА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ

ОБЪЕКТОВ, СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ШУМА И МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ И ЗДАНИЙ

В практике борьбы с шумом на промышленных предприятиях широкое распространение имеют методы и средства борьбы с шумом, разработанные на основе исследований И. И. Боголепова, Л. А. Борисова, В. П. Гусева, Н. И. Иванова, С. Д. Ковригина, Г. Л. Осипова, М. С. Седова, В. Б. Тупова, И. Л. Шубина, Е. Я. Юдина и др. Основными из них являются средства борьбы в источнике шума и его ближней зоне, архитектурнопланировочные методы и строительно-акустические средства. В процессе их применения необходимо выполнять оценку акустической эффективности мероприятий, учитывая закономерности формирования и распространения прямой и отраженной составляющих шума. Исследованиям этих закономерностей и разработке расчетных методов посвящены работы российских ученых С. Д. Ковригина, Г. Л. Осипова, В. И. Леденева, А. И. Антонова, С. И. Крышова, М. В. Сергеева, И. Л. Шубина и др., а также зарубежных ученых H. Kuttruff, M.R. Schroeder, H. Gober, W. Jeske. В последнее время этими исследованиями за рубежом занимаются также A. Billon, J. Picaut, V. Valeau, A. Sakout, C.

Foy, M. Hodgson и др. В тоже время остаются открытыми вопросы, связанные с расчетом прямого звука от крупногабаритных источников, а также с расчетом отраженного шума при зеркально-диффузном факторе отражения звука от поверхностей и наличии в помещениях крупногабаритного оборудования. Во многих случаях это приводит к снижению достоверности акустических расчетов и, соответственно, достоверности оценки акустической эффективности предлагаемых средств снижения шума.

В главе, на примере оборудования энергетических предприятий оценено его шумовое воздействие на окружающую среду, рассмотрены основные мероприятия по снижению прямого и отраженного шума, выполнен анализ существующих методов расчета шумовых характеристик в производственных помещениях и на прилегающих к ним территориях. На основе анализа определены задачи исследований.

1.1 Источники шума на промышленных предприятиях и их особенности Промышленные предприятия отличаются друг от друга наличием разнообразного шумного оборудования. На одних предприятиях шумное оборудование мало различается между собой, например, станки в механических цехах. Наоборот, на других, например в деревообрабатывающих цехах, оборудование существенно различается по габаритным размерам, сложности геометрических форм, излучаемой звуковой энергии и т. д. Наиболее характерными с точки зрения разнообразия являются источники шума на энергетических предприятиях. Энергетические предприятия, располагаясь в городской застройке, из-за особенностей излучения шума могут создавать значительное зашумление застройки, и соответственно, требуется надежная оценка возникающего шума. Ниже, на примере энергетических предприятий, рассмотрены основные источники шума и проанализированы их особенности.

Оборудование тепловых электростанций (ТЭС), теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), конденсационных электростанций (КЭС) и других энергетических объектов непрерывно излучает шум во всем диапазоне частот, воспринимаемом человеком. При этом большая часть оборудования, располагаясь в производственных помещениях, создает повышенные уровни звукового давления в зонах обслуживания. В свою очередь шум, распространяясь внутри помещений, проникает через ограждения и проемы наружу и излучается с поверхностей здания. Таким образом, часть зданий, входящих в состав энергетического предприятия, сами становятся объемными источниками шума. На энергопредприятиях имеются также источники, непосредственно излучающие в окружающую среду. К ним относятся дымовые трубы, воздухозаборы, градирни, устройства выброса пара в атмосферу, газораспределительные пункты (ГРП) и т.д. Такие источники можно считать точечными, излучающими звуковую энергию с определенной направленностью.

Для оценки излучаемого шума и последующего установления степени зашумления прилегающей территории необходимо учитывать факторы, влияющие на распространение звуковой энергии. К основным из них относятся: место размещения источников (внутри или вне помещений), высота расположения источников, направленность излучения, величина звуковой мощности, характер излучаемой звуковой энергии и т.п.

Размещение основных источников шума на территории энергетического объекта представлено на примере генерального плана пылеугольной ТЭЦ (см. рисунок 1.1) [83].

Наибольший интерес здесь представляет главный корпус, в котором располагается основная часть оборудования, излучающего звуковую энергию. На рисунке 1.2 представлен пример компоновки главного корпуса ТЭЦ мощностью 350 МВт с размещением оборудования и агрегатов в пределах производственного здания [94]. Следует отметить, что каждый вид оборудования излучает звуковую энергию с различными частотными характеристиками и уровнями звукового давления и, соответственно, вносит свой определенный вклад в общую шумовую картину внутри энергетического объекта и на прилегающей к нему территории.

Рисунок 1.1 - Генеральный план пылеугольной ТЭЦ: 1 - главный корпус; 2 - служебный корпус; 3 - переходные мостики; 4 - главный щит управления; 5 - главное распределительное устройство; 6 - открытые распределительные устройства; 7 - химическая водоочистка; 8 - угольный склад с мостовым перегружателем; 9 - разгрузочная эстакада; 10 ленточный конвейер склада; 11 - разгрузочное устройство с лопастными питателями; - дробильный корпус; 13 - галерея конвейеров топливоподачи; 14 - дымовые трубы; 15 – градирни; 16 - мазутное хозяйство; 17 - механическая мастерская; 18 - материальный склад; 19 - трансформаторная мастерская; 20 - склад масла; 21 - проходная контора Рисунок 1.2 - Главный корпус ТЭЦ-350 МВт с размещением энергетического оборудования: 1, 2 – турбина; 3 – котлоагрегат; 4 – углеразмольные мельницы; 5 – циклон; 6 – сепаратор; 7 – конвейеры топливоподачи; 8 – дутьевой вентилятор; 9 – золоуловитель;

10 – дымосос; 11 – дэаэратор; 12 – распредустройство собственных нужд; 13 – помещение теплового щита; 14 – дэаэратор теплосети; 15 – питательные электронасосы; 16 – подогреватели сетевой воды; 17 – питатели сырого угля; 18 - дымовая труба.

Одним из самых мощных источников постоянного шума являются газотурбинные установки (ГТУ). Шум при работе ГТУ возникает в корпусе машины, а также в системе воздухозабора и выхлопа отработанных газов. В целом газотурбинная установка представляет собой крупногабаритный источник шума сложной формы, излучающий звуковую энергию внутри машинного зала. При этом излучение с поверхностей корпуса является неравномерным. Звуковая мощность зависит от размера корпуса машины, его жесткости, наличия теплоизоляции и номинальной мощности турбины [95]. Воздействие шума от корпуса ГТУ на окружающую среду определяется условиями распространения шума внутри помещения, где она установлена, а также звукоизоляцией ограждений.

Располагаемые в машинном зале паровые турбины представляют собой объемные источники шума с неравномерным излучением звуковой энергии с поверхностей оборудования. На рисунке 1.3 приведены спектры шума паровых турбин ПТ-175-130 и Т-250на расстоянии 1 м от агрегатов [95]. Видно, что уровень звукового давления зависит от места измерения. Шум производится различными узлами: редуктором, масляным насосом, уплотнениями, лопаточным аппаратом и т.д. Уровни звука около различных участков турбин колеблются в пределах 90-100 дБА.

Рисунок 1.3 - Уровни звукового давления, на расстоянии 1 м от турбин: а) ПТ-175-130, б) Т-250- Мощными источниками шума являются тягодутьевые машины (ТМ). Шумы от корпуса, воздухозабора дутьевого вентилятора и устья дымовой трубы излучается непосредственно в окружающую среду. При оценке шумового режима прилегающей территории эти источники можно рассматривать как точечные. наиболее неблагоприятное воздействие на прилегающий район оказывает устье дымовой трубы, излучающее шум от дымососов. Это связано с тем, что звуковая энергия излучается на большой высоте и практически не снижается за счет естественных и искусственных преград. Шум от вентиляторов и дымососов, в которых используются радиальные и осевые машины, имеет аэродинамическую природу с тональными составляющими. Максимальные уровни звуковой мощности осевых машин достигают 150 дБ, а радиальных – 135 дБ. В целом, уровни звуковой мощности различных видов ТМ при среднегеометрических частотах 500 и 1000Гц составляют: для системы нагнетания и всасывания – 120-140 дБ, для корпуса – 100-120 дБ.

Основным источником шума районных тепловых станций (РТС) являются энергетические газовоздухопроводы водогрейных котлов. Следует отметить, что уровни звуковой мощности данного оборудования значительно ниже аналогичного от ГТУ и ТМ, однако его воздействие на окружающую среду является существенным в связи с близким расположением РТС к жилой застройке.

Примерами точечных источников, излучающих звуковую энергию в помещении и на открытом пространстве, служит дросселирующая арматура (задвижки, вентили, клапаны), применяемая для редуцирования давления природного газа в газораспределительных пунктах (ГРП) и пара в редукционно-охладительных установках (РОУ, БРОУ).

Шум от арматуры возникает главным образом при дросселировании и его уровень в зоне обслуживания может достигать 120 дБА. Уровни звукового давления РОУ, приходящиеся на среднегеометрические частоты 4000 и 8000 Гц, составляют 100-110 дБ.

Градирни представляют собой точечные источники шума, излучающие в открытое пространство. Основное излучение происходит у поверхности земли через входные окна. При этом уровни звукового давления в среднем составляют 73-76 дБ. Уровень шума у верхнего края градирни ниже на 8-10 дБ.

Выброс пара в атмосферу, при котором происходит кратковременное увеличение уровня звука на 30-40 дБА, является наиболее мощным источником шума, воздействующим на прилегающую территорию. Шум имеет аэродинамическую природу. На расстоянии 1 – 15 м от трубопровода уровни звука составляют 120-140 дБА.

К объемным источникам на энергопредприятиях можно отнести углеразмольное оборудование, а к точечным - трансформаторы, насосы и компрессорные установки, излучающие шум в помещения и в окружающее пространство.

Шаровые и молотковые мельницы, дробилки, конвейеры угля, входящие в состав угольного хозяйства электростанций, представляют собой мощные источники низкочастотного шума, излучающие в помещении машинного зала. Уровень звука на расстоянии 1 м от этого оборудования находится в пределах 85-100 дБА.

Из выполненного обзора источников шума энергетических объектов видно, что оборудование предприятий оказывает шумовое воздействие как внутри производственных помещений, так и на прилегающей территории. Источники шума могут быть точечными или крупногабаритными простой и сложной формы, с равномерным излучением звуковой энергии с поверхностей или иметь определенный фактор направленности.

Кроме перечисленных, к основным источникам шума на предприятиях относятся также крупногабаритные газовоздушные каналы. Шум от них распространяется на прилегающую к объектам территорию через устья дымовых труб и воздухозаборы [35]. Поэтому для оценки излучаемого шума необходимо производить расчеты распространения звуковой энергии в газовоздушных трактах от источника шума до выхода из устья.

В целом, как видно, уровни излучаемой звуковой энергии оборудованием значительно превышают допустимые значения. Это требует проведения мероприятий по шумоглушению. В разделе 1.2 рассмотрены общие методы снижения шума, используемые на промышленных объектах.

1.2 Меры по ограничению шума, используемые на промышленных объектах Для снижения шума до требуемого уровня в производственных зданиях и на прилегающей к ним территории необходимо применение комплекса мероприятий. Различают два основных способа снижения шума: к первому относятся мероприятия, направленные на снижение шума в источнике возникновения и в его ближней зоне, ко второму – мероприятия, снижающие шум на путях его распространения [66].

Снижение шума в источнике и его ближней зоне являются эффективными способами улучшения шумового режима. Способы заключаются в усовершенствовании конструкций источника, повышении его вибро- и звукоизоляции при установке кожухов или боксов, снижении излучения звуковой энергии за счет установки глушителей шума в газовоздушных каналах [16, 27, 44]. Установка глушителя шума является дорогостоящим мероприятием, эффективность которого зависит от правильного выбора конструкции глушителя и места его монтажа в тракте в каждом конкретном случае [27,44]. Для достижения эффекта при установке глушителя необходим метод расчета, позволяющий провести объективную оценку распространения звуковой энергии в канале до выхода из устья и обеспечить достоверность технико-экономических расчетов возможных вариантов глушения.

Размещение производственного оборудования в специальных кожухах или боксах приводит к снижению шума от корпуса агрегата и улучшению шумового режима внутри помещения. Закрытое в кожухах и боксах оборудование представляет собой объемный источник шума с разными излучающими характеристиками поверхностей. Необходимы методы расчета шума, излучаемого с этих поверхностей.

При невозможности использования мер снижения шума в источнике и его ближней зоне или при их недостаточной эффективности применяют архитектурнопланировочные и строительно-акустические средства борьбы с шумом [66]. В этой связи они могут быть основными или дополнительными мерами снижения шума.

Разработка противошумных технологических и архитектурно-планировочных мероприятий наиболее рациональна на ранних стадиях проектирования. Мероприятия увязываются с той частью проекта, в которой решаются вопросы размещения оборудования внутри здания. Снижение шума обеспечивается группированием отдельных источников по степени их шумности, изолированием в отдельных помещениях мощных источников. Помещения также группируются по степени шумности с возможным удалением малошумных помещений от помещений с высокими уровнями шума. Мероприятия позволяют снижать уровни звуковой энергии на рабочих местах в пределах 5-10 дБ.

Разработка строительно-акустических средств снижения шума основана на выборе конструкций зданий с соответствующими звукопоглощающими, звукоизолирующими или экранирующими свойствами [13, 16, 18, 43, 44, 54, 55, 56, 78, 80, 87].

Мероприятия по звукоизоляции применяются при невозможности удалить малошумные помещения от шумных или это связано со значительными затратами. Звукоизоляционные конструкции применяются также в помещениях с интенсивными локальными источниками шума для отделения их от менее шумной части помещения, а также в помещениях с шумным оборудованием для устройства звукоизолирующих кабин для обслуживающего персонала [43, 54, 76]. Эффективность применения звукоизоляции составляет 20-30 дБ для звукоизолирующих выгородок, а для перегородок неполной высоты – не превышает 10-15 дБ.

Особое внимание необходимо уделять звукоизоляции наружных конструкций. Это связано с тем, что шум крупногабаритного оборудования, распространяясь внутри производственных помещений, создает высокие уровни звукового давления на наружных поверхностях зданий [43, 76]. В результате само здание становится объемным источником шума, излучающим звуковую энергию на прилегающую территорию. Величина звукоизоляции ограждений зданий зависит от материала конструкций и качества их монтажа. Влияние оказывает также наличие в ограждениях окон, дверей, проемов и отверстий для технологических коммуникаций, имеющих низкую звукоизоляцию. Это приводит к неравномерному излучению звуковой энергии с поверхностей зданий и увеличению уровней звукового давления на прилегающей территории. Для оценки степени неравномерности излучения и разработки мероприятий по увеличению звукоизоляции каждой ограждающей конструкции необходим метод расчета, позволяющий определять уровни звукового давления на поверхностях зданий, с учетом распределения звуковой энергии внутри помещений с крупногабаритным оборудованием.

Снижение шума на рабочих местах возможно применением звукопоглощающих материалов и конструкций. Ограждения, как правило, имеют низкие коэффициенты звукопоглощения (в пределах = 0,05-0,10). В результате отражений звуковых волн от ограждений уровень шума в помещениях повышаться на 5-15 дБ. В этой связи увеличение звукопоглощения ограждений является эффективной мерой снижения шума в помещениях. Снижение шума звукопоглощением может быть применено при проектировании объекта, его реконструкции и при эксплуатации. Эффективность звукопоглощения зависит от частотной характеристики звукопоглощающего материала, конструкции звукопоглощающих элементов, места и способа размещения в помещениях, объемнопланировочных параметров помещений и других факторов [18, 38, 39, 44, 61, 76, 78, 80, 87]. Максимальное снижение шума наблюдается в зоне отраженного звукового поля и достигает 8-10 дБ в области низких частот и 10-12 дБ в области высоких частот. Вблизи источников шума эта величина не превышает 2-5 дБ.

Эффективным способом снижения шума на путях распространения является экранирование. Различают экраны, применяемые внутри помещений, и экраны, препятствующие распространению шума на территории. В производственных зданиях применяют акустические экраны, выгородки и перегородки неполной высоты. Снижение шума зависит от собственной эффективности экрана, акустических характеристик помещения и количества источников шума [24, 87]. Экран целесообразно устанавливать в зоне действия прямого звука источника. В помещениях промышленных зданий применение экранов не всегда эффективно. Связано это с наличием крупногабаритного оборудования, трубопроводов и других источников шума, не позволяющих выделить отдельные участки с преобладающим влиянием прямого звука. Поэтому применение экранов в производственных зданиях ограничено.

Применение экранов на территории, прилегающей к предприятиям, может быть эффективным. Их применяют в основном для уменьшения шума от локальных источников – трансформаторов, передвижных компрессорных станций и т.д. В редких случаях применяют экранирование всего объекта. Соответствующее размещение шумного оборудования за экранами позволяет в некоторых случаях решить проблему зашумленности жилого района. Максимальная эффективность экранов на открытом воздухе может достигать 20-25 дБА [17, 43, 87, 95, 99].

Наибольшая эффективность достигается при комплексном применении мер [66].

В целом выбор мероприятий по снижению шума в зданиях и на прилегающей к ним территории или их комплекса может быть осуществлен после оценки распределения звуковой энергии и определения требуемого снижения уровней шума. Для нахождения этих величин необходим метод расчета шумовых полей помещений, учитывающий зависимости распространения звуковой энергии в помещениях от их акустических и объемно-планировочных параметров. Анализ методов расчета уровней шума в производственных помещениях и на территории выполнен в разделе 1.3.

Расчетный метод, позволяющий объективно оценить процесс формирования шумового режима в зданиях и на прилегающей к ним территории, должен отвечать требованиям, которые можно разделить на две группы. По требованиям первой группы, связанным с обеспечением соответствия расчетных и экспериментальных данных, метод должен:

- учитывать факторы, влияющие на процесс формирования шумового поля внутри помещений (см. рисунок 1.4, а) и на распространение шума в открытом пространстве (см. рисунок 1.4, б);

Рисунок 1.4 - Факторы, влияющие на процесс формирования шумовых полей: а) в замкнутых объемах промышленных объектов; б) на территории, прилегающей к ним - позволять производить контроль над изменениями шумовой обстановки при изменениях условий возникновения и распространения шума в зданиях и на территориях.

По требованиям второй группы, связанным с автоматизацией расчетов и проектированием шумозащиты, метод должен:

- использовать аналитические зависимости большой степени общности или позволять алгоритмизировать предлагаемую расчетную модель метода;

- обеспечивать быстродействие и надежность результатов при многовариантном анализе эффективности мер снижения шума.

Уровни звукового давления в любой точке пространства определяются энергией прямого звука, приходящего от источника шума, и отраженной энергией, формирующейся при отражениях звука от ограждений, предметов и других поверхностей. При расчете звуковых полей в помещениях и на территориях необходимо использовать методы, позволяющие объективно оценивать распределение прямой и отраженной энергий. Ниже произведен обзор существующих методов и выполнена оценка возможности их применения к решению поставленных задач.

1.3.1 Методы расчета распространения прямого звука от источников шума и оценка возможности их применения к оборудованию и зданиям промышленных объектов Существенный вклад в формирование шумового режима производственных зданий и прилегающей к ним территории вносит энергия прямого звука. Величина вклада индивидуальна для каждого источника шума и зависит от его геометрических параметров, местоположения, фактора направленности звука, характера излучаемой энергии, и других факторов (см. рисунок 1.4).По представленным в разделе 1.1 данным видно, что источники шума на предприятиях достаточно разнообразны. Можно выделить крупногабаритные источники сложной формы, а также локальные источники. Излучение звуковой энергии от каждого из них имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при разработке расчетных методов. Анализ методов оценки прямого звука показал, что при расчетах используются две идеализированные модели источника шума: точечная и объемная. Последняя используется при простой геометрической форме.

Шум, излучаемый оборудованием и зданиями, образует звуковое поле, в котором можно выделить ближнюю и дальнюю зоны источника. Ближним полем источника является пространственная область вокруг него с радиусом r, удовлетворяющим условию r 2lmax, где lmax - максимальный размер источника шума [44, 76, 87]. Фронт звуковых волн в ближнем поле имеет изломанный вид и индивидуален для каждого источника. В дальнем поле фронт волн сглаживается и стремится к сферической поверхности, а сам источник рассматривается как точечный. В дальнем поле источника, расположенного в помещении, октавные уровни прямого звука следует определять по формуле [44, 76, 87]:

где L p - октавный уровень звуковой мощности источника; П д = /r 2 - функция, определяющая характер излучения в дальнем поле источника; - фактор направленности источника; r – расстояние от акустического центра источника до расчетной точки; пространственный угол, в который излучается.

Для ближнего поля источника нельзя считать точечным и акустический расчет по формуле (1.1) не применим. При расчетах фронт звуковых волн вблизи источника представляется в виде пространственных геометрических поверхностей, повторяющих форму источника, на которых уровни звукового давления имеют равную величину - поверхности равных уровней. Уровни звукового давления при этом определяются по формуле [44, 76, 87]:

где П б = /S - функция, определяющая характер излучения в ближнем поле источника шума; S – площадь, воображаемой поверхности правильной геометрической формы (параллелепипед, полуцилиндр), окружающей источник, упрощенно повторяющей его форму и проходящей через точку наблюдения. Для источника в виде параллелепипеда со сторонами l, b и h поверхность имеет вид параллелепипеда со скругленными углами и ребрами (см. рисунок 1.5). Площадь этой поверхности находится как:

В дальнейшем данный метод называется методом эквивалентных поверхностей.

При размещении источника шума и расчетной точки на территории октавные уровни звукового давления прямого звука в дальней зоне определяются по формуле, учитывающей влияние на распространение звука факторов окружающей среды [43, 76]:

где b a - коэффициент поглощения звука в воздухе; DLотр - повышение уровня звукового давления вследствие отражений звука от поверхностей (земли, стен и т.д.), расположенных вблизи расчетной точки; DLс = DLэкр + DLпов + b зел l - дополнительное снижение уровня элементами среды; DLэкр - снижение экранами, расположенными между источником и расчетной точкой; DLпов - снижение за счет влияния поверхности земли; b зел коэффициент ослабления звука полосой лесонасаждений; l - ширина полосы, м.

Рисунок 1.5 - К расчету уровней прямого звука в ближнем поле источника шума Расчет уровней прямого звука в ближнем поле источника шума, расположенного на территории, производится по формуле (1.2) Представленные методы оценки прямого звука в ближней и дальней зонах источников, расположенных в помещениях или на открытых пространствах, не учитывают ряд факторов, влияющих на распределение звуковой энергии [91]. Каждый объект необходимо рассматривать отдельно как источник шума со своими объемнопланировочными и излучающими звук особенностями. Это не всегда представляется возможным при использовании рассмотренных формул. Метод эквивалентных поверхностей позволяет оценивать распределение прямой звуковой энергии в ближней зоне несоразмерных источников. Однако он не применим для крупногабаритного оборудования сложной формы. Представление в этом случае поверхностей равных уровней в виде простых геометрических фигур приводит к снижению точности расчетов. Метод не учитывает неоднородность излучения энергии с поверхностей источника. Неоднородность излучения звука характерна практически для всего оборудования предприятий, а также для поверхностей зданий, излучающих шум в открытое пространство. Формулы для расчетов уровней прямого звука в дальнем поле применимы для соразмерных источников шума и не учитывают их геометрические особенности и неоднородность излучения с поверхности.

Достаточно неопределенной в методиках остается ситуация с оценкой шума, когда объемный источник можно считать точечным и использовать формулу (1.1). Существуют переходные зоны в пространстве, когда формулы (1.2) и (1.1) дают неприемлемые для практики погрешности. Это, в первую очередь, относится к оценке шума, распространяющегося от крупногабаритного оборудования и от зданий.

В целом следует, что применение методик оценки распространения энергии прямого звука от крупногабаритного оборудования и зданий ограничивается простыми случаями и в большом количестве ситуаций может давать при расчетах погрешности.

В случае распространения звуковой энергии внутри газовоздушного канала источником шума в нем является, как правило, все входное отверстие, поэтому источник можно рассматривать в виде плоской излучающей поверхности. Расчет уровней прямой энергии в этом случае производится по формуле где S – площадь поверхности параллелепипеда со скругленными ребрами, опирающегося на сечение в месте излучения энергии и проходящего через расчетную точку где h, b – размеры канала; r – расстояние от места ввода шума до расчетной точки.

Формула (1.5) дает хорошую сходимость результатов. В случае нахождения в канале точечного источника расчет прямого звука производится по формуле (1.1).

1.3.2 Существующие методы расчета отраженных шумовых полей и возможность их использования для оценки распространения шума При оценке шумового режима в зданиях используется большое количество методов расчета. Как правило, каждый из них основан на одном из методов теоретического анализа акустических условий в помещениях и используется лишь в пределах, определяющих применимость метода. Существует три основных направления теоретического анализа шумового режима помещений. Они соответствуют положениям волновой, геометрической и статистической теорий акустики [19, 20, 45, 75, 86, 96].

Волновая теория акустики базируется на представлениях о формировании звуковых полей в помещениях как процессах, протекающих в колебательной системе с распределенными параметрами [75]. Опыт использования волновой теории для расчетов звуковых полей помещений показал, что ее применение для решения практических задач весьма ограничено. Это связано с двумя причинами. Первой причиной является сложность теории и ее математического аппарата. Вторая причина обусловлена идеализацией граничных условий. Наличие в помещениях сложного по форме крупногабаритного оборудования, отклонения форм помещений от правильных объемов, акустическая неоднородность ограждений, отсутствие точных данных о звукопоглощении приводит к неопределенности в задании граничных условий. Поэтому методы волновой теории в основном применяется при оценках звука, распространяющегося в пустых помещениях и каналах, когда размеры помещений меньше или сравнимы с длинами волн [33, 59, 82].

В этих случаях используются прямые методы решения волнового уравнения [59, 82] и методы конечного элемента [109]. Для помещений в зданиях промпредприятий с большим количеством крупногабаритного оборудования, с наличием развитой системы трубопроводов волновые методы оценки шумовых полей мало пригодны.

Все основные существующие методы расчетов уровней звукового давления в производственных помещениях разработаны на основе положений геометрической и статистической теорий акустики [19, 75, 86, 96]. Границы их применения определяются условиями и факторами, влияющими на формирование звуковых полей (см. рисунок 1.4, а).

С этих позиций рассмотрены методы расчетов шумовых полей, разработанные на основе геометрической и статистической теорий акустики, и оценена возможность их применения для решения поставленных в работе задач. При оценке распространения звуковой энергии в помещениях на основе геометрической теории акустики, используется представление о лучевой картине звукового поля [47, 79, 97]. При этом отраженная звуковая энергия в расчетных точках помещения оценивается как результат суммирования энергий отражений от ограждений, приходящих в эти точки. В практике расчетов используются лучевые методы и метод мнимых источников.

Метод мнимых источников рассматривает каждый отраженный луч как идущий от некоторого фиктивного источника, расположенного на продолжении линии, соединяющей точку приема с точкой последнего отражения. В этом случае звуковое поле представляется образованным группой мнимых источников, расположенных в узлах пространственной решетки. В 70-е годы 20-го века метод нашел применение при теоретических исследованиях закономерностей распространения звуковой энергии и при практических расчетах уровней звукового давления [36, 37, 49, 53, 98, 104, 108, 112, 117, 125]. Практика применения метода показала, что в большинстве случаев он не обеспечивает требуемую точность расчетов по двум основным причинам [46, 66, 87].

Первая причина - высокая степень идеализации граничных условий. В методе принята схема зеркальных отражений лучей (см. рисунок 1.6, а), которая не обеспечивается в большинстве помещений. При отражении звука от поверхностей происходит смешанное отражение, сопровождающееся частичным рассеиванием энергии в направлениях, не совпадающих с направлением луча от мнимого источника (см. рисунок 1.6, в). Характер рассчитанных спадов уровней из-за этого не соответствует реальной форме спада, особенно, в несоразмерных плоских и длинных помещениях.

Рисунок 1.6 - Характер отражения звуковой энергии от поверхностей с различными свойствами: а) зеркальное (направленное) отражение; б) диффузное (рассеянное) отражение, в) смешанное отражение Вторая причина заключается в том, что построение пространственной решетки мнимых источников требует идеализированной формы прямоугольного параллелепипеда. Реальные формы помещений всегда существенно отличаются от идеальных. Учитывая это, а также наличие внутри помещений большого количества оборудования, рассеивающих звук и изменяющих направление звуковых лучей, точное построение пространственной решетки источников становится невозможным. Для оценки шумового режима в помещениях зданий с крупногабаритным оборудованием метод мнимых источников практически не применим.

При моделировании акустических процессов в помещениях и при расчетах уровней звука используется метод прослеживания звуковых лучей, который предложил в 70-х годах 20-го века M. R. Schroeder [132, 133]. Суть метода заключается в прослеживании траекторий некоторого набора звуковых лучей, испускаемых источником, расчете энергии каждого луча с учетом потерь при отражениях и в суммировании энергии всех звуковых лучей, попадающих в расчетную точку. Метод использован в работах, связанных с оценкой акустических качеств помещений [15, 106, 120, 129, 137]. Он также использован при оценке эффективности снижения шума строительно-акустическими средствами [36, 37, 77, 111, 126].

Метод не накладывает ограничений на форму помещения. При этом, модель отражения лучей от поверхностей может быть принята зеркальной или диффузной [114, 129]. В случаях рассеянного отражения от поверхностей используются сочетания лучевого принципа и вероятностного подхода [103, 105, 106, 121, 122, 123]. Имеются предложения по использованию метода прослеживания лучей в помещениях с рассеивающим звук оборудованием. В зарубежной практике к ним, в частности, относится работа [114], а также работы Макарова А.М. и Матвеевой И.В. [3, 69, 124] в России. Последние работы относятся к случаю равномерного распределения по объему рассеивающих звук предметов [71]. Более надежно лучевой принцип можно использовать при расчетах в производственных помещениях с крупногабаритным оборудованием. Метод позволяет выполнять анализ влияния геометрических параметров помещения, звукопоглощения ограждений и характера отражения звука на процесс распределения отраженной энергии при наличии в помещении крупногабаритного оборудования.

Метод требует значительного времени на выполнение расчетов. Это проявляется при расчетах в помещениях сложной формы с большим количеством оборудования. Его целесообразно использовать совместно с другими методами, и в частности, со статистическими методами расчета. Данный подход рассмотрен и реализован в работе при построении расчетной модели распределения отраженной звуковой энергии в помещениях и крупногабаритных газовоздушных каналах (см. главы 3 и 4) [5, 28, 29].

Методы расчета звуковых полей помещений на основе статистической теории акустики, получили широкое применение при проектировании шумозащитных мероприятий в производственных зданиях [76, 78, 80, 87, 88, 89, 93]. В основе статистической теории акустики помещений лежит представление об отраженном диффузном звуковом поле, создаваемом в замкнутом объеме наложением множества плоских волн со случайным распределением амплитуд, направлений и фаз. Это возможно при диффузном характере отражения звука от поверхностей. Диффузному полю присущи свойства однородности и изотропности [96]. Однородность определяется равенством во всех точках поля усредненной по времени плотности звуковой энергии, а изотропность – равновероятностью прихода в любую точку равной по величине энергии со всех направлений.

Погрешность формул статистической теории зависит от степени соблюдения условий однородности и однотропности. В производственных помещениях отраженная энергия не распределяется равномерно по объему, а спадает по мере удаления от источника [9, 68, 73]. Тем самым нарушается однородность звукового поля. По этой причине формулы статистической теории дают погрешности. Наибольшие погрешности наблюдаются в несоразмерных помещениях. С учетом поправки на нарушение диффузности по однородности уровень звукового давления согласно [88] определяется как где P – мощность источника звука; I0 – интенсивность звука на пороге слышимости;

эффициент звукопоглощения помещения; a i, S i –коэффициент звукопоглощения и площадь i-го ограждения; Ai, N i – эквивалентное поглощение и число j-ых объектов, размещенных в помещении; k – коэффициент, учитывающий нарушение диффузности поля по однородности, определяемый по [88] в зависимости от величины a.

СНиП [88] рекомендовал использовать формулы диффузной теории для расчетов в соразмерных помещениях. В работе [42] рекомендуется их применять для помещений с соотношением размеров не более 1:5. В длинных и плоских помещениях формула дает уровни звукового давления, заниженные в ближней к источнику шума зоне и завышенные в дальней. Учесть распределение звуковой энергии при наличии крупногабаритного оборудования в статистической теории не представляется возможным.

При неоднородном распределении звуковой энергии отраженные звуковые поля отвечают требованиям изотропности по равновероятности прихода энергии с разных направлений, но не отвечают условию равенства этих энергий по величине, то есть не соблюдается условие однородности поля. Такие поля носят название квазидиффузных [66]. Для оценки уровней отраженного шума в квазидиффузных полях предложены методы, основанные на статистическом энергетическом подходе [51, 66].

При таком подходе характер отражения звука от поверхностей принимается диффузным и используются обобщенные статистические характеристики поля: средняя длина свободного пробега волн; средний коэффициент звукопоглощения ограждений;

коэффициент переноса, определяющий связь плотности результирующего потока и градиента плотности отраженной энергии в квазидифузном поле.

Одна из ранних попыток использования такого подхода приведена в [125]. На основе упрощенных уравнений энергетического баланса получены выражения для описания плотности энергии e отраженных звуковых полей в длинных и плоских помещениях Здесь Sп и L – площадь и периметр поперечного сечения длинного помещения, H – высота плоского помещения, a - средний коэффициент звукопоглощения помещения.

Формулу (1.8) часто используют для оценки распространения звуковой энергии в крупногабаритных газовоздушных каналах. Однако ее экспериментальная проверка показывает, что во многих случаях рассчитанные спады уровней звукового давления не согласуются с экспериментальными данными [73].

В работе [68] на основании феноменологического и статистического подходов определена связь плотности результирующего потока q и градиента плотности отраженной энергии в квазидиффузном звуковом поле помещений. С использованием этой связи разработана математическая модель, описывающая распределение плотности отраженной звуковой энергии в квазидиффузных звуковых полях помещений, и для ее реализации разработаны аналитические и численный методы [66, 68]. На ее основе для решения задачи о распределении звуковой энергии в помещениях правильной прямоугольной формы предложен расчетный метод, использующий при решении дифференциального уравнения в частных производных второго порядка метод изображений [50].

При его разработке применен формальный прием замены поглощения отраженной энергии на границах ее эквивалентным поглощением в воздушной среде. Наличие оборудования в помещениях в методе учитывается через изменение среднего коэффициента звукопоглощения. Это возможно, когда оборудование не крупногабаритное и равномерно распределено в помещении. Недостатком метода является то, что он, используя средние значения, не учитывает звукопоглощение конкретных поверхностей [74].

Для решения задач в рамках статистической энергетической модели разработан также метод разделения переменных (метод Фурье) [66, 68]. Он позволяет учитывать коэффициенты звукопоглощения ограждений в пределах каждой из шести поверхностей. Влияние звукопоглощения оборудования в методе, как и ранее, производится через коэффициент a. Метод не учитывает перераспределения энергии в объеме помещения за счет наличия крупногабаритного оборудования.

Методы пригодны для применения в помещениях прямоугольной формы. В помещениях сложной формы, к которым относится большинство производственных помещений, для реализации статистической энергетической модели может быть применен метод энергетических балансов [66, 68]. Метод обеспечивает возможность расчетов в помещениях сложной формы, учитывая конкретную величину звукопоглощения в пределах каждого участка ограждения и на оборудовании. Основы метода изложены в работах [66, 68]. Принципы использования метода для борьбы с шумом рассмотрены в работах [4, 12, 39, 64, 70]. Результаты применения метода при решении строительноакустических задач борьбы с шумом [2, 21, 23, 61, 63, 64, 66, 70] показали его высокую точность и большие возможности. По этим причинам метод использован в работе.

Следует отметить, что близкий к рассмотренной статистической энергетической модели подход был использован позднее в зарубежной практике [102, 115, 116, 127, 130, 135,]. Основываясь на представлениях о диффузии частиц в среде, F. Ollendorff в работе [128] впервые попытался обосновать возможность оценки отраженного шума с позиции теории диффузии. Возможность использования теории диффузии для разработки расчетной модели отраженного шума в соответствии с предложениями работы [128] была показана в работе [135]. Подход был использовано для исследования шумовых полей в помещениях с различными объемно-планировочными параметрами и в системах акустически связанных помещений [100, 101, 130, 135].

Во всех рассмотренных методах статистической и геометрической теории акустики используются идеализированные диффузная или зеркальная модели отражения звуковой энергии от ограждений. В реальных условиях во многих случаях отражение близко к смешанной модели отражения, когда одна часть падающей на ограждение энергии отражается зеркально, а другая рассеивается диффузно (см. рисунок 1.6, в). Наличие в реальности такого отражения существенно влияет на точность расчетных методов, использующих одну из идеализированных моделей [60, 67].

Для снижения погрешностей расчетов, возникающих из-за выбора модели отражения звука, не отвечающей реальным условиям, в настоящее время предлагаются комбинированные методы расчетов. Впервые такой метод предложен в работах [48, 50, 58, 62, 72]. Предполагается непосредственный учет отраженной энергии первых мнимых источников, а энергию остальных мнимых источников следует определять диффузным методом исходя из условий формирования для оставшейся части отраженной энергии диффузного поля. В некоторой мере предложенный метод соответствует смешанной модели отражения звука. Комбинированному геометрическому статистическому методу присущи недостатки методов мнимых источников и диффузного поля. Однако он позволяет сократить время, затрачиваемое на расчет, и повысить в отдельных случаях точность расчетов. Более высокая точность обеспечивается в комбинированном методе, когда энергия первых отражений вычисляется методом мнимых источников, а энергия последующих отражений определяется статистическим энергетическим методом изображений [57]. Ему также присущи недостатки методов мнимых источников и изображений. Комбинированный подход может также быть реализован и при использовании метода прослеживания лучей [113, 131]. Указанные комбинированные методы достаточно формально учитывают разделение зеркально и диффузно отраженной энергии. В реальных условиях процесс перехода зеркальной энергии в диффузную происходит непрерывно при каждом отражении зеркальной энергии от поверхностей.

Вопросы смешанного отражения звука от поверхностей рассматривались также зарубежными авторами при оценке точности предложенной ими диффузной модели отраженного шума. Были использованы формальные приемы изменения коэффициента диффузии в уравнении связи плотности потока и градиента плотности отраженной энергии [107, 134, 136]. Авторы считают, что при наличии в общем объеме отражения зеркальной составляющей коэффициент диффузии необходимо увеличивать путем введения поправочных коэффициентов. Подход является весьма формализованным и не соответствует реальным условиям формирования отраженного поля. Ранее выше указанных зарубежных работ в 80-х годах 20-го века Антоновым А. И. [9] было показано, что коэффициент связи при наличии зеркальных отражений не является постоянной величиной, а изменяется при удалении от источника шума и в этой связи зеркально отраженную энергию нельзя оценивать на основе рассмотренных выше статистических моделей.

В действительности в объеме помещения при смешанном отражении существует два отраженных поля, сформированных зеркальной и диффузной составляющими отражения.

При этом следует иметь ввиду, что процесс формирования этих полей связан с постоянным переходом при отражениях звука от поверхностей части зеркальной энергии в диффузную. Зная долю перехода зеркальной энергии в диффузную, можно производить расчеты двух указанных выше полей, используя комбинированный метод расчета, учитывающий взаимодействие процессов распределения зеркально и диффузно отраженных звуковых энергий.

Анализ процесса отражения показывает, что разработка комбинированной расчетной модели, соответствующей смешанному характеру отражения, возможна на основе метода прослеживания лучей и численного энергетического метода. Методы позволяют производить расчеты в помещениях сложной формы, учитывать конкретное звукопоглощение ограждений, а также перераспределение энергии в помещениях с крупногабаритным оборудованием. Разработка такой модели и ее компьютерная реализация для производственных помещений выполнены в данной работе.

Выводы по главе 1 и определение направлений исследований 1. Существенный вклад в формирование шумового режима промышленных объектов вносит энергия прямого звука. Для объективной оценки данной составляющей звукового поля расчетные методы должны учитывать геометрические параметры источников шума, неоднородность излучения с их поверхности и характеристики излучаемой звуковой энергии. Методы должны позволять выполнять оценку мощности источников шума, работающих в помещении и на открытом пространстве.

2. Надежность и достоверность оценки шумового режима производственных помещений зависит от степени соответствия описания в расчетном методе отраженной составляющей шума. В этой связи, необходимо использовать расчетные модели, учитывающие влияние на распределение отраженной энергии следующих факторов:

характер отражения звука от поверхностей, геометрические параметры помещения, звукопоглощающие характеристики ограждений, наличие излучающего и рассеивающего шум крупногабаритного оборудования.

3. Большинство используемых в расчетной практике методов не дают возможности в полной мере учесть влияние перечисленных факторов на формирование отраженных шумовых полей. Наиболее приемлемой расчетной моделью оценки шумового режима в помещениях промышленных предприятий может быть комбинированная зеркальнодиффузная расчетная модель, которая должна отвечать всем требованиям, предъявляемым к методу решения поставленных в работе задач.

Исходя из изложенного выше и поставленной цели работы, основными направлениями исследования являются:

- разработка методов оценки прямого звука, излучаемого источниками шума различных геометрических и акустических параметров;

- разработка метода расчета шумовых полей в производственных помещениях, обеспечивающего объективную оценку распределения звуковой энергии в помещениях сложной формы при наличии в них крупногабаритного оборудования, и создание на его основе компьютерной программы, дающей возможность проектирования объемнопланировочных и конструктивных решений производственных зданий с учетом требований защиты от шума, а также определения уровней звукового давления на наружных поверхностях зданий с целью проектирования шумозащиты на территории;

- разработка метода расчета распространения шума в крупногабаритных газовоздушных каналах, позволяющего оценивать уровни звукового давления на выходе из устья канала и эффективность мер по их снижению;

- экспериментальные исследования распределения звуковой энергии в помещениях различных пропорций и крупногабаритных газовоздушных каналах с различными звукопоглощающими характеристиками с целью обоснования выбора параметров расчетной модели и оценки точности разработанных расчетных методов.

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРЯМОГО ЗВУКА

ОТ ИСТОЧНИКОВ ШУМА С РАЗЛИЧНЫМИ

ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ И АКУСТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Для получения сведений об уровнях звукового давления в производственных зданиях и для оценки зашумления территории, прилегающей к ним, необходима достоверная информация о прямой звуковой энергии, излучаемой производственными источниками шума внутри здания, а также зданиями как линейными, плоскими или объемными источниками. С достоверностью этой информации неразрывно связана степень достоверности оценки отраженной звуковой энергии и, соответственно, достоверность оценки общего шумового режима в зданиях и на прилегающих территориях. В главе предложены методы оценки распространения прямого звука от различных источников шума, которые необходимо использовать при оценке уровней звукового давления в помещениях и на прилегающих к зданиям территориях.

2.1 Классификация источников производственного шума, располагаемых в зданиях и на территориях промышленных объектов Как показано в главе 1, источники шума на предприятиях отличаются большим разнообразием. Это разнообразие приводит к необходимости использования при расчетах уровней прямого звука различных расчетных методов. При выборе методов необходимо учитывать особенности источников шума. Анализ показывает, что с этих позиций все источники шума следует классифицировать по трем основным признакам, а именно, по габаритным и пространственным размерам, по расположению в пространстве, а также по фактору направленности излучаемой энергии (см. рисунок 2.1).

По размерам источники делятся на точечные, линейные, плоские и объемные.

К точечным относятся источники, размеры которых значительно меньше чем расстояние от них до точки определения уровней шума. Точечные источники могут располагаться в воздушном пространстве, а также излучать энергию, располагаясь в пределах ограждения здания или оборудования. По фактору направленности излучаемой энергии точечные источники могут быть со сферическим и направленным излучением.

Рисунок 2.1 – Классификация источников производственного шума Линейными являются источники, у которых размеры по длине значительно больше чем поперечные размеры. Линейные источники, как правило, равномерно излучают звуковую энергию по всей длине источника. В тоже время длинные источники, например, газовоздушные тракты могут иметь разную энергию излучения. Линейные источники могут располагаться в воздушном пространстве, а также излучать из плоскости ограждения зданий. По фактору направленности излучаемой энергии линейные источники могут быть с цилиндрическим и направленным излучением.

Плоскими являются источники, излучение звуковой энергии которых происходит с больших плоскостей. Такими источниками, как правило, являются плоскости ограждений зданий. Излучение плоских источников может быть равномерным по всей плоскости или неравномерным с различными по мощности излучаемой энергии участками.

К объемным относятся источники, излучение звуковой энергии с которых происходит по всем поверхностям, ограничивающим объем источника. Объемными источниками является технологическое оборудование. Здания также могут представлять собой объемные источники. Излучение звуковой энергии с поверхностей объемных источников редко бывает равномерным. В основном каждая плоскость источника излучает не одинаково по сравнению с другими поверхностями.

Источники шума также можно классифицировать по их технологическому и функциональному назначению (см. рисунок 2.1).

Классификация источников по размерам является достаточно условной. Например, трансформаторную подстанцию при оценке шума вблизи нее следует рассматривать как объемный источник, а на значительном удалении от нее уровни прямого звука с достаточной точностью можно определять как от точечного источника. Тоже самое можно отнести и к линейным источникам. Следовательно, существуют зоны, где источник шума нельзя принимать идеализированным точечным, линейным, плоским и т.п. В этих случаях следует применять методы расчета, учитывающие реальные размеры источника и его расположение по отношению к расчетным точкам.

2.2 Расчеты уровней прямого звука от точечных источников шума Предполагая, что точечные источники достаточно малы по размерам и все расчетные точки находятся за пределами ближнего поля, расчеты плотности прямого звука и уровней звукового давления можно производить по элементарным формулам, учитывающим направленность точечных источников. Для источников, располагаемых в воздушном пространстве и излучающих равномерно в сферу (см. рисунок 2.2, а) плотность звуковой энергии и уровни звукового давления определяются как Рисунок 2.2 – Схемы излучения точечных источников: а) сферический источник в пространстве; б) источник, излучающий в полусферу; в) источник, излучающий в пространство направленно (труба); г) источник, излучающий с плоскости фасада (устье трубы вентиляции, окно и т.п.) На предприятиях встречаются источники, излучающие равномерно в полусферу (см. рисунок 2.2, б). В этом случае расчеты прямого звука производятся по формулам К точечным источникам на промышленных предприятиях, например, можно отнести трубы, излучающие шум по схеме рисунка 2.2, в. Источники являются направленными и расчеты прямого звука производятся по формулам Точечными источниками можно считать устья вентиляционных труб, располагаемые на фасадах зданий, небольшие по размерам отдельные проемы и окна (см. рисунок 2.2, г). Расчеты в этих случаях производятся по формулам К точечным источникам при определенных условиях можно отнести и ряд других, например, объемных источников. На расстояниях расчетных точек от источника равных R > 2l max (см. п. 1.3.1), то есть за пределами ближнего поля, к ним можно, например, отнести компрессорные установки, насосы и другие малогабаритные источники шума.

При использовании метода точечного источника необходимо учитывать возможность возникновения погрешностей расчета, особенно, при расположении источника на поверхности пола или другой отражающей звук плоскости. В зоне, где объемный источник рассматривается как точечный, плотность звуковой энергии определяется по формуле (2.3). Она записана для источника шума, излучающего в полупространство, например, для источника на полу помещения. С учетом частичного поглощения звука отражающей поверхностью пола можно записать более точное выражение Погрешности использования формулы (2.3) вместо (2.9) оцениваются как График изменения DL приведен на рисунке 2.3. Видно, что вблизи источника DL составляет 3 дБ. При звукопоглощении поверхности a п > 0 погрешности уменьшаются при удалении от источника. При R >> h погрешность определяется как Рисунок 2.3 – График погрешностей использования формулы (2.3) вместо (2.9) при: 1 п = 1; 2 - при п = 0,4; 3 - при п = 0,2; 4 - при п = 0,1; 5 - при п = 2.3 Расчеты уровней прямого звука от поверхностей здания К линейным источникам на зданиях относится ленточное остекление с малой по сравнению с остальными ограждениями здания звукоизоляцией, а также поверхности крупногабаритных воздуховодов и каналов.

При излучении звуковой энергии ленточным остеклением как линейным источником или поверхностью канала может быть принята модель излучения энергии по известному закону Ламберта p ' (a ) = p ' cos a (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4. - Схема излучения линейного источника по закону Ламберта Источник излучает звуковую энергию равномерно по всей длине с линейной мощностью p’, Вт/м. Схема к расчету представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Схема к расчету звуковой энергии от линейного источника, размещенного в пространстве При расположении расчетных точек в плоскости по линии источника, перпендикулярной поверхности (линия 1 на рисунке 2.4) выражение для плотности энергии, приходящей от участка dL с мощностью p' dL = ( p' r / cos2 j )dj, имеет вид [14] и, соответственно, В случае, если расчетные точки располагаются в плоскости по линии с углом a (линия 2 на рисунке 245) формула 2.13 имеет вид В большинстве случаев на практике, при конечных линейных размерах источника, расчеты производят приближенно, рассматривая линейный источник конечной длины как точечный источник или, наоборот, как линейный источник бесконечной длины. При этом, как правило, оценка возникающей погрешности не производится. Ниже приведена оценка погрешностей для линейных источников, расположенных в плоскости ограждения и излучающих по закону Ламберта, и показаны границы возможной замены источников конечной длины на точечный источник и на бесконечный линейный источник.

На рисунке 2.6 представлена схема для расчета уровней прямого звука такого источника. Расчетная точка (РТ) располагается на расстоянии r от линии источника и на расстоянии R от центра источника.

Рисунок 2.6 – Схема к расчету при линейном источнике конечной длины Произведем в общем случае при cos a < 1 (линия 2 на рисунке 2.4) преобразование формулы (2.12) путем умножения и деления ее на произведение LR. Тогда имеем (sin j 2 - sin j1 )R ® 1 источник можно считать точечным и для расчетов исПри пользовать формулы При этом погрешность будет определяться как В случае замены конечного линейного источника, излучающего по закону Ламберта, бесконечным линейным источником погрешность будет определяться как Для расчетов в этом случае следует использовать формулу В таблице 2.1 приведены результаты расчетов погрешностей с использованием формул (2.17) и (2.18) при расположении расчетных точек на линии, перпендикулярной источнику конечной длины, при расположении ее по центру и по торцу источника. Видно, что в первом случае погрешность 0,5 дБ и ниже возможна при замене источника конечной длины точечным при R > 1,2 L. При замене бесконечным линейным источником погрешность 0,5 дБ и ниже при R < 0,25 L. Во втором случае погрешность замены линейного источника конечной длины точечным источником не будет превышать 0,5 дБ при R > 2 L. При замене его бесконечным линейным источником погрешность составляет 3 дБ и более.

Таким образом, при расчетах прямого звука от линейных источников конечной длины, являющихся поверхностями здания, можно использовать упрощенные расчетные модели с оценкой их погрешностей по формулам, предложенным выше.

Таблица 2.1 - Погрешности расчетов уровней звукового давления при замене линейного источника конечной длины с излучением по закону Ламберта точечным источником или линейным источником бесконечной длины при расположении расчетных точек при расположении расчетных точек 2.4 Расчеты уровней прямого звука от поверхностей здания Плоскими источниками шума могут быть большие плоскости оборудования, внутренние и наружные стены здания и т.д. По геометрическим параметрам их можно разделить на соразмерные с отношением L / h 3 и вытянутые с L / h > 3,где L и h – длина и высота источника. По интенсивности излучения они могут быть с равномерным излучением со всех участков поверхности источника и со значительной неравномерностью излучения. Направленность излучения стены или поверхности оборудования имеет зависимость Ламберта. По ориентации в пространстве они могут быть вертикальными (например, оконные заполнения и стены) и горизонтальными (например, покрытия).

Общее уравнение для плотности энергии прямого звука плоского источника может быть записано в виде [10] где F = cosq - фактор направленности; q - угол между нормалью к поверхности и направлением на расчетную точку (см. рисунок 2.7); W - пространственный угол излучения звука; p ' ' - единичная мощность излучения звуковой энергии поверхностью, Вт/м2;

R - расстояние от элемента источника dS до расчетной точки. В общем случае излучаемая мощность переменна в границах поверхности излучения.

Для плоского источника уравнение (2.20) удобнее использовать в виде где r - расстояние от расчетной точки до плоскости источника (см. рисунок 2.7).

Используя численное интегрирование уравнений (2.20) или (2.21), можно рассчитывать плотность звуковой энергии в расчетной точке от любого плоского источника.

Ниже рассмотрены более частные случаи источников, когда для расчета плотности прямого звука возможно получить аналитические выражения.

Рисунок 2.7 – Расчетная схема к определению плотности прямого звука от плоского источника Для получения результирующего значения плотности прямого звука в расчетной точке от источника конечных размеров прямоугольной формы разделим плоскость источника на горизонтальные полосы высотой dh. Полосы в этом случае можно считать линейными источниками. Расчетная схема приведена на рисунке 2.8. Плотность энергии от линейного источника высотой dh в этом случае будет определяться как Величина плотности от всей поверхности источника будет определяться как Интеграл (2.23) не имеет решения. Если принять j 1 » j1 и j 2 » j 2, из (2.22) имеем В формуле (2.24) j1 и j 2 - углы краев источника в уровне середины его высоты.

Для расчетов уровней прямого звука от источника шума размерами L и H удобнее использовать выражение для p ' ' в виде p ' ' = P / LH, где P – общая мощность источника. Тогда уровень прямого звука плоского источника будет определяться как Рисунок 2.8 – Расчетная схема прямоугольного источника Так как при выводе формулы (2.24) использованы допущения, необходимо оценить погрешность, возникшую за счет замены углов j1 и j 2 на углы j1 и j 2. Для этого произведено сравнение расчетов по формуле (2.24) с данными численного интегрирования уравнения (2.21). На рисунке 2.9 показаны погрешности (дБ), возникающие при использовании формулы (2.24) вместо (2.21). Источник имеет размеры 4х2 м. Расчетная плоскость проходит через середину источника. Результаты расчетов (см. рисунок 2.9) показали, что перед источником погрешность расчетов по формуле (2.24) не превышает 0, дБ. Достаточная точность обеспечивается и на боковых зонах, за исключением участков, откуда плоский источник виден под острым углом. Здесь погрешность может достигать 3-5 дБ.

Следует отметить, что в областях пространства с малыми углами видимости плоского источника шума излучение по закону Ламберта не соответствует действительному распределению энергии от плоского источника. За счет дифракции звука, как правило, экспериментальные уровни звука в этих зонах оказываются выше расчетных уровней.

При определенных условиях возможна замена при расчетах уровней прямого звука плоского источника конечных размеров идеализированными моделями источников: бесконечным плоским или точечным источником. Ниже рассмотрены погрешности, возникающие при заменах, и границы применимости принимаемых моделей.

Рисунок 2.9 – Погрешности расчетов по формуле (2.24) в сравнении с численным интегрированием Оценка возможности использования модели точечного источника шума вместо модели плоского источника шума конечных размеров.

Точечный источник, излучающий энергию в полупространство по закону Ламберта и заменяющий плоский источник, создает плотность прямого звука, определяемую как где R – расстояние от расчетной точки до центра источника; q - угол между нормалью к плоскости источника и направлением на расчетную точку из центра источника.

Расчеты с использованием формулы (2.26) будут согласовываться с расчетами по выражению (2.24) при p ' ' = P / LH, когда будет выполняться условие Видно, что отличие значения (2.27) от единицы определяет погрешность замены плоского источника точечным. В уровнях погрешность можно оценить как Подставив в (2.28) R = r / cos q окончательно получим Таблица 2.2 – Результаты расчета погрешностей при использовании точечной модели источника для оценки уровней прямого звука вместо плоского источника конечных размеров при разных соотношениях L/H В таблице 2.2 приведены погрешности использования точечной модели для точек вдоль центральной оси источника различных пропорций L / H = { ;2;4}. Расчеты показали, что при расстояниях r > 1,5L вместо плоского источника с погрешностью менее 0,5 дБ можно использовать модель точечного источника.

Для оценки точности метода расчета прямого звука от плоских источников произведены экспериментальные исследования и выполнено сравнение расчетов с их результатами. В качестве объекта исследования было выбрано соразмерное помещение с открытым проемом в ограждении. Размер проема составлял 0,6х0,6 м. Стены помещения выполнены из кирпичной кладки и оштукатурены. Пол и потолок выполнены бетонными. Внутри помещения создавалось диффузное звуковое поле всенаправленным точечным источником шума (додекаэдр) OED-SP-012-600. Измерения излучаемой из открытого проема звуковой энергии производились на открытой площадке вблизи рассматриваемого помещения шумомером ЭКОФИЗИКА-110А. Исследования выполнялись в плоскости центра проема на высоте 1,5 м от земли. Результаты эксперимента и расчетов даны на рисунке 2.10. Оценка зашумленности территории производилась по формуле (2.21).

Как видно расчетный метод с достаточной точностью описывает характер излучения звуковой энергии плоского источника в виде открытого проема шумного помещения. Погрешность расчетов не превышает 3 дБ. Существенные расхождения между экспериментальными и расчетными данными получились вблизи ограждения. Это объясняется тем, что расчетный метод не учитывает явление дифракции звуковых волн от поверхности, излучающей звуковую энергию. Данное явление и его влияние на характер распределения прямого звука в открытом пространстве рассмотрено в п. 2.5.

Рисунок 2.10 - Экспериментальные и расчетные уровни прямого звука от плоского источника 2.5 Расчеты уровней прямого звука от зданий как от объемных источников шума Для расчета прямого звука от объемного источника предлагается использовать принципы математического моделирования на основе суммирования звуковой энергии, приходящей в расчетную точку от элементарных участков dS, на которые разбивается поверхность Sи источника шума (см. рисунок 2.11).

Интенсивность излучения каждого участка источника связана с его акустической мощностью выражением Рисунок 2.11 - Схема к расчету прямого звука от объемного источника При одинаковой интенсивности источника ( I = const ) ее величина равна где Sи - излучающая звуковую энергию поверхность источника.

Величина плотности звуковой энергии в расчетной точке от объемного источника e об определяется суммированием вкладов от каждого участка dS где F - фактор направленности; r - расстояние от элемента участка источника до расчетной точки; W - приведенный пространственный угол излучения равный Точность расчета прямого звука с использованием (2.32) определяется несколькими факторами и прежде всего фактором направленности F. При излучении поверхности по закону Ламберта F = cosq и, соответственно, W = p. При указанном факторе направленности для расчета плотности энергии могет быть использовано приближенное выражение для плоского источника шума при I = const :

где углы j и a определяются согласно схеме на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 - Схемы к расчету углов и Общая величина плотности прямой энергии от объемного источника в точке определяется суммированием вкладов от всех видимых k-х поверхностей источника Сравнение результатов расчета плотности и уровней звуковой энергии численным интегрированием и на основе приближенного выражения (2.34) показало хорошее совпадение. Расхождения не превышают 0,20 дБ.

Важным фактором, влияющим на точность расчетов от объемного источника, является надежность сведений о распределении интенсивности излучения энергии по поверхности источника. Для отдельных случаев ее распределение может быть известным.

Например, если источником является кожух с известной звукоизоляцией Ri элементов, интенсивность излучения элементов может определяться как где e ист - плотность звуковой энергии внутри кожуха.

Звуковое поле внутри кожуха можно считать диффузным и расчет плотности производить по известным зависимостям статистической теории. Аналогичный подход можно использовать для источников в виде выгородок.

В случаях, если объемным источником является здание, расчет интенсивности на поверхностях производится в соответствии с методикой, приведенной в главе 3 работы.

Важным фактором, влияющим на величину энергии в ближнем поле источника, является энергия первого отражения от пола или другой подстилающей под источником поверхности. Как правило, энергию первого отражения учитывают совместно с прямой энергией (см. п. 2.2). В случае использования выражения (2.32) для расчета ближнего звукового поля возможно учитывать также и энергию первых зеркальных отражений от пола. Расчеты показывают, что за счет первого отражения от подстилающей поверхности в зависимости от ее коэффициента звукопоглощения повышение уровней звука может достигать 3 дБ.

Наиболее сложным и наименее изученным фактором является дифракция звуковых волн от излучающих поверхностей источника в зонах акустической тени. За счет дифракции происходит постепенное выравнивание уровней прямого звука по разным направлениям по мере удаления от источника. В работе выполнены оценочные расчеты прямого звука в расчетных точках от видимых поверхностей источников, а также от экранированных (невидимых) поверхностей с учетом дифракции звука (см. рисунок 2.13).

Расчет дифрагированного звука выполнялся с использованием чисел Френеля в зависимости от разности хода «прямого» ri и огибающего звука d i = ( ai + bi ) - ri [17, 43, 87]. Результаты расчета уровней звука от источника с учетом и без учета дифракции приведены на рисунке 2.14. Видно, что в дальних от источника зонах дополнительный учет дифракции приводит к росту уровней прямого звука на 3 дБ и более. В ближней зоне этот рост менее значителен и мало влияет на точность расчетов. Следует отметить, что в настоящее время процессы дифракции звука объемных источников не учитываются в практических расчетах. В помещениях в дальней зоне преобладает отраженный звук и, следовательно, проблема учета дифракции теряет свою актуальность. Учет дифракции имеет значение при расчетах прямого звука от источников, размещаемых на открытом пространстве. В этом случае для упрощенной оценки дифракционной составляющей при типовых источниках может использоваться специально подобранный фактор направленности, перераспределяющий часть энергии в зону акустической тени. Подбор таких факторов является специальным исследованием и выходит за рамки данной работы.

Рисунок 2.13 - Схема к расчету звука от экранированных поверхностей Рисунок 2.14 - Результаты расчета прямого звука с учетом (а) и без учета (б) дифрагирования звука. Размеры источника 2,0х0,5х0,5(h). Интенсивность излучения всех поверхностей постоянна I = const Для оценки изложенных подходов к расчету звука от объемных источников произведены экспериментальные исследования и выполнено их сравнение с расчетами.

В качестве объемного источника шума использовалась модель с размерами 2,0х0,5х0,5 (h) м (см рисунок 2.15). В центре короба был установлен точечный всенаправленный источник звука. Стенки короба выполнены из древесностружечных плит и имеют незначительную звукоизоляцию. Интенсивность излучаемой энергии зависит от распределения звуковой энергии внутри короба. Интенсивность излучения торцевых поверхностей, наиболее удаленных от внутреннего точечного источника, была в 2,5 раза ниже интенсивности боковых стенок и крышки короба.

Расчеты энергии прямого звука выполнялись для варианта при одинаковой интенсивности излучения всех поверхностей источника шума и для варианта при различной интенсивности излучения (см. формулу (2.34)).

Рисунок 2.15 - Схема объемного источника шума Результаты расчета уровней шума в октавной полосе с fср = 4000 Гц приведены в таблице 2.3 и 2.4 и на рисунке 2.16. Уровни звукового давления получены на высоте 0,25 м от поверхности земли в направлении основных горизонтальных осей перпендикулярно боковым и торцевым поверхностям источника (см. рисунок 2.15).

Таблица 2.3 – Рассчитанные и измеренные уровни шума по линии, перпендикулярной к боковой поверхности источника Расстоя- Эксперис использованием (2.34) Таблица 2.4 – Рассчитанные и измеренные уровни шума по линии, перпендикулярной к торцевой поверхности источника В таблице 2.4 в знаменателе граф 6 и 7 приведены данные, когда интенсивность по боковым и верхней поверхностям изменяется от Imax в центре до Imin = 0,4 Imax на краях.

Как видно из таблиц 2.3 и 2.4, наиболее точные результаты в ближней к источнику зоне дает метод расчета по формулам (2.34) и (2.35) с учетом дифракции. Точность формул зависит от точности определения интенсивности излучения звука.

В случае источников, излучающих неравномерно с поверхностей, а также источников неправильной формы в работе предложен метод расчета прямого звука от объемных источников шума, располагающихся в помещениях. Метод основан на современных компьютерных технологиях и приведен в главе 5.

Рисунок 2.16 - Результаты эксперимента и расчета уровней прямого звука: а) методом эквивалентных поверхностей по формулам (1.2) и (1.3); б) методом интегрирования по поверхности по формуле (2.34) и (2.35) с учетом дифракции; в) методом точечного источника по формуле (2.9); г) методом интегрирования по поверхности по формулам (2.34) и (2.35) без учета дифракции 1. Расчеты прямого звука от точечных источников шума определяются формулами, учитывающими условия излучения звуковой энергии. К точечным можно относить также объемные источники в случае расположения расчетных точек от этих источников на расстояниях, превышающих соотношение r 2lmax, где lmax - максимальный размер источника. При расчетах уровней прямого звука точечного источника необходимо учитывать наличие подстилающей поверхности и ее коэффициент звукопоглощения.

2. Расчеты прямого звука от линейных источников определяются формулами, учитывающими условия излучения источника, размеры и расположение в пространстве.

Установлено, что для источников, излучающих по закону Ламберта, формулы для точечного источника можно применять с погрешностью 0,5 дБ при R > 2L, а формулы для бесконечного линейного источника при R < 0.25L. В диапазоне соотношений 0.25L < R < 2L расчеты следует вести по формулам, предложенным в работе.

3. Расчеты прямого звука от плоских источников определяются формулами, учитывающими условия излучения источника, его размеры и расположение относительно расчетных точек. Установлено, что при излучении звука с поверхности по закону Ламберта расчеты уровней прямого звука плоского источника можно вести как для точечного источника с погрешностью 0,5 дБ, если соотношение кратчайшего расстояния от расчетной точки до плоскости источника будет составлять r > 1,5L, где L - наибольший размер источника. При использовании упрощенной расчетной модели в других случаях оценку погрешностей следует производить по формулам, приведенным в главе.

4. Для оценки уровней прямого звука от объемных источников необходимо использовать метод интегрирования по поверхности источника. Для случаев плоских поверхностей источника предложены упрощенные формулы численного интегрирования. Установлено, что для повышения точности расчетов следует учитывать энергию, дифрагированную в расчетную точку с поверхностей источника, невидимых из расчетной точки.

Учет дифрагированной энергии имеет значение для объемных источников, излучающих шум в открытое пространство.

ГЛАВА 3. МЕТОД РАСЧЕТА ШУМОВЫХ ПОЛЕЙ В ЗАМКНУТЫХ

ОБЪЕМАХ ЗДАНИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

производственные здания, в которых размещается крупногабаритное оборудование.

Шум, излучаемый этим оборудованием, создает высокие уровни звукового давления внутри помещений и на наружных поверхностях зданий. В результате этого само здание становится объемным источником шума, излучающим в открытое пространство. Для определения глубины проникновения повышенного шума в застройку и установления требуемой величины снижения шума на ее передней кромке необходимо производить расчеты распространения звуковой энергии внутри производственных зданий с целью последующего установления уровней шума на его наружных поверхностях. В главе представлен комбинированный метод оценки шумового режима в замкнутых объемах промышленных объектов, основанный на принципах метода прослеживания звуковых лучей и статистического энергетического подхода.

3.1 Комбинированная расчетная модель шумового поля производственных помещений промышленных предприятий Уровень звукового давления в любой i-ой точке помещения определяется прямой и отраженной составляющими звуковой энергии, распространяющейся в замкнутом объеме где I0 – интенсивность звука на пороге слышимости; eпрi, eотрi – соответственно, плотности прямой и отраженной звуковой энергии в i-ой точке помещения.

Расчет плотности прямой звуковой энергии eпрi, в случае источников небольших размеров (точечных источников), как правило, не представляет особых трудностей (см.

главы 1 и 2). В зданиях промышленных предприятий источники крупногабаритные. Для них можно использовать методы, предложенные в главе 2, а также рассмотренный в главе 5 компьютерный метод оценки распределения плотности прямой звуковой энергии, основанный на использовании метода прослеживания лучей, исходящих вероятностным образом с поверхностей излучающего шум оборудования. Метод позволяет получать распределение плотности прямой энергии с учетом экранирования звука оборудованием и крупными строительными конструкциями.

Распределение отраженной звуковой энергии определяется более сложными пространственными закономерностями. На формирование отраженного шумового поля помещений оказывают влияние различные факторы. Как показано в главе 1, к основным из них относятся объемно-планировочные параметры помещения, характеристики звукопоглощения поверхностей ограждений и оборудования, характер отражения звука от поверхностей, место положения источников шума, место и габариты оборудования, размещаемого в помещениях и т.д. (см. рисунок 1.4, а). В связи с тем, что форма производственных помещений отличается от правильных объемов, отсутствуют достаточно точные сведения об акустических характеристиках их поверхностей, а также имеется ряд других факторов, повышающих степень неопределенности в задании исходных и граничных условий, наиболее приемлемыми для решения задачи о распределении звуковой энергии в таких условиях являются методы, разработанные на основе статистического энергетического подхода [66] и принципов компьютерного моделирования траекторий и энергий лучей, испускаемых источником звука [132, 133].