Создание экологичной звуковой среды в зданиях с использованием звукоизолирующих слоистых ограждений с вибропоглощением

требованиям при меньшей поверхностной плотности, чем традиционные ограждения.

Примером таких конструкций являются легкие ограждения из слоистых элементов, широко используемые в настоящее время в строительстве. Проведенные исследования подтверждают, что данные конструкции при целенаправленном их проектировании с заданными звукоизоляционными характеристиками можно использовать для создания экологичной звуковой среды в зданиях. Конструктивные решения легких звукоизолирующих ограждений могут быть: однослойные; однослойные с вибродемпфирующим покрытием (ВДП); двухслойные; многослойные вибродемпфирован-ные панели; звукоизолирующие конструкции из слоистых вибродепфированных панелей (СВДП), которые делятся на светопрозрачные и непрозрачные. Светопрозрачные конструкции: двойные конструкции из слоистых вибро-демпфированных панелей; тройные конструкции из стекла и слоистых вибродемпфирован-ных панелей; а также однокамерные и двухкамерные стеклопакеты. Непрозрачные конструкции делятся на: двойные конструкции из слоистых вибродемпфированных панелей с заполнением воздушного промежутка звукопоглощающим материалом; а также с измененной изгибной жесткостью. Непрозрачные конструкции могут применяться как конструкции дополнительной звукоизоляции существующих перегородок, стен, междуэтажных перекрытий и как элементы для защиты от шума оборудования в промышленности и на транспорте.

При исследовании слоистых конструкций выявлено, что их звукоизоляция значительно возрастает в случае введения в конструкцию слоев из вибродемпфирующих материалов, повышающих конструкционные коэффициенты потерь в ограждении. Однако оставался неизученным вопрос влияния материала слоев конструкции и изгибной жесткости слоистой конструкции на ее звукоизоляционные характеристики в различных частотных диапазонах с целью проектирования эффективных звукоизоляционных конструкций с использованием современных строительных материалов.

Для определения звукоизоляции СВДП рассмотрим процесс прохождения звука через прямоугольную в плане трехслойную панель размером а х в с промежуточным вибродемпфирующим слоем с шарнирным опиранием по контуру. Отклик панели записываем в виде:

Для области средних частот, где преимущественный вклад делают неполные пространственные резонансы, получаем зависимость:

P H = ^p c a_d

4 f 2 cos ^ 2

u  m^

mn ₀ 2

n ² n c ² p

( n _c ² _p

A f

х

12 2

^- n cp )

^m 0 ⁿ

n ₂

m c ² p

( m 2p - m C ²) ²

,(3)

^

w = Yw mn m =1

. m n x . n П у y sin sin

а в

где числа m и n характеризуют числа звуковых полуволн.

Величину скорости распространения упругих волн можно определить из дифференциального уравнения движения трехслойной панели [1]:

62  44

С и ^cs + ^cu ^cs

Cu C2Cs

c1 c 4 = 0

где числа m и n характеризуют числа проекций половины длины упругих волн на оси x =0, α, y =0, в . Анализ выражения амплитуды колебаний панели W mn указывает, что ее значения различны для отдельных областей частот. На основе анализа можно сказать, что степень прохождения звука будет наибольшей на высоких частотах, пониженной – на средних и наименьшей – на низких.

Величину излучаемой акустической мощности определим как произведение колебательной скорости панели и звукового давления прошедших звуковых волн по площади а х в . В результате получаем выражение для области полных пространственных резонансов:

рП _ ^Р0 ^С 0    ² О

^Р 2     ~ ^aev mn S mn

2               ,        (2)

где v _m ² _n - квадрат колебательной скорости; S mn – коэффициент излучения:

S mn = L ⁽ f 2 cos ⁰ 2 ^- f , ^cos 0 1 )

Здесь θ – угол падения (излучения); Δ f = f 2 – f 1 ; индексы "2" и "1" относятся к верхней и нижней частотам полосы Δ f .

Здесь Ñ ₁, C ₂, C _s - скорости изгибных и сдвиговых волн в однослойной пластине с различными цилиндрическими жесткостями.

В соответствии с изложенным при проектировании трехслойных ограждений, звукоизоляция которых во всем расчетном диапазоне частот определяется законом массы, необходимо выполнить, по меньшей мере, два требования. Первое требование: скорость сдвиговых волн среднего слоя, нагруженного с обеих сторон массой обкладок, должна быть меньше скорости звука в воздухе C s 0 . Второе требование: граничная частота некоторой пластины с поверхностной плотностью m' и цилиндри-

„ (г _L^hh 3 )

ческой жесткостью I F n I должна лежать выше расчетного диапазона частот, т.е.

C 02 I     y N

2п'\/( FN - TLh ₃ )

> ^f рас .

.

Полученные выражения колебательных скоростей и излучаемой акустической мощности позволяют определить звукоизоляцию слоистых вибродемпфированных панелей (СВДП). Так, для области полных пространственных резонансов получаем:

R = 101 g 1,41 y ² f_C p A f • n /10⁴ / S mh (cos 2 O 2 - cos 2 0 1 )

где η – суммарный коэффициент потерь.

Для области неполных пространственных резонансов:

R = 101 g 2,8 y ² f Cp A f -n /10 3 [ 1 - ( f Cp / f , )² ] S mn 0

.

Легко видеть, что в области частот звукоизоляция (6) зависит от размеров ограждения. С их увеличением звукоизоляция повышается и в области простых пространственных резонансов выражение звукоизоляции получаем в виде:

R = 101 g 1,14 2 g f cp Д f ■ n /10 3 [ 1 - ( f_cp /. f 2 ) 2 ] S m 0 n 0

.

Рис. 1. Частотные характеристики звукоизоляции ограждения, состоящего:

1 – из гипса толщиной 20,0 мм: R W =26дБА; 2 – из двух гипсоволокнистых листов (ГВЛ) толщиной по 10,0 мм и прослойки из техноэласта толщиной 3,0 мм, g =31,00 кг/м² без пропилов, R_W=41дБА; 3 - с пропилами с двух сторон, R W =43дБА; 4 – закон массы

Экспериментальные исследования СВДП и однослойных ограждений равных по поверхностной плотности представлены на рис. 1. Видно, что звукоизоляция слоистых вибро-демпфированных панелей по сравнению с однослойными незадемпфированными ограждениями, равными по поверхностной плотности, повышается за счет смещения граничного полного пространственного резонанса в область более высоких частот, а также за счет увеличения общего коэффициента потерь.

В настоящее время широкое распространение получили внутренние ограждающие конструкции в виде каркасных перегородок с обшивками из плитных листовых материалов из гипсокартоновых листов (ГКЛ) или гипсоволокнистых листов (ГВЛ); перегородки из пазогребневых блоков. Главным недостатком данных ограждений является их низкая звукоизоляция по сравнению с более массивными конструкциями. Известно решение по увеличению индекса изоляции воздушного шума ограждающими конструкциями проектируемых или существующих зданий с использованием обшивок из слоистых вибродемпфиро-ванных панелей [2,4] на 4-7 дБ. Результаты исследований, проведенные в больших реверберационных камерах лаборатории акустики ВоГТУ, представлены на рис. 1, где видно, что кривая звукоизоляции в области средних и высоких частот максимально приближается к закону массы.

Представляет интерес изучение влияния на звукоизоляцию изгибной жесткости слоистой конструкции в различных частотных диапазонах. Подтверждение теории Кремера [5] получил Ю.М. Ильяшук [6], который экспериментально доказал, что после уменьшения из-гибной жесткости ограждения путем нанесения пропилов происходит смещение граничной частоты волнового совпадения в область более высоких частот. Результаты исследования звукоизоляции СВДП с измененной изгиб-ной жесткостью представлены на рис. 1 (кривая 3). С целью уменьшения изгибной жесткости панели без изменения ее массы в наружных «жестких» слоях выполняются пропилы [3]. Таким образом, экспериментально подтверждено, что уменьшение изгибной жесткости слоистой вибродемпфированной панели обеспечивает повышение звукоизолирующих характеристик в области средних и высоких частот. На практике данное явление может быть использовано при необходимости увеличения звукоизоляции воздушного шума ограждающими конструкциями зданий.

Как видно из формул (5)-(7), звукоизоляция СВДП в широком диапазоне частот, в том числе на низких и средних частотах, управляется массой, частотой звука, коэффициентом потерь, зависит от размеров ограждения и его жесткостных параметров. Подсчетом звукоизоляции можно убедиться, что для случая больших внутренних потерь существует некоторый эффективный коэффициент потерь, превышение которого не приводит к росту звукоизоляции из-за заметного здесь вклада излучаемой мощности чисто вынужденными волнами.