6545

На правах рукописи

Паузин Сергей Александрович

ИЗОЛЯЦИЯ ШУМА ЛЕГКИМИ ОРТОТРОПНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород — 2005

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

член-корреспондент РААСН, кандидат технических наук, профессор Бобылёв Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Борисов Лев Александрович,

кандидат технических наук,

доцент Данилин Сергей Григорьевич

Ведущая организация

Муниципальное предприятие

«Институт развития города НижегородгражданНИИпроект»

Защита состоится «22 » декабря 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.03 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская.65, корпус V, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А к т у а л ь н о с т ь р а б о т ы Современному миру характерен рост городов, бурное развитие транспор-

та, промышленности, внедрение в производство и быт разнообразных технических устройств - мощных моторов, энергооборудования, радио, телевидения, бытовых приборов. Результатом этого является рост шумового фона и его влияния на человека. Защита от шума становится неотъемлемой частью вопросов проектирования, строительства и реконструкции зданий, сооружений и градостроительных комплексов.

Наиболее эффективным методом снижения шума, распространяющегося по воздуху, является устройство на пути его распространения звукоизолирующих преград: стен, перегородок, специальных выгородок, кожухов и т.п. Важное место в создании шумозащитных преград принадлежит разработке и совершенствованию методов расчета их звукоизоляции.

В зданиях и сооружениях различного назначения все большее применение находят легкие ограждающие конструкции с элементами, представляющими собой анизотропные пластинки, т.е. пластинки, у которых сопротивление механическим воздействиям различно для разных направлений. Однако обоснованному применению таких конструкций существенно мешает отсутствие знаний об их акустической эффективности и механизме прохождения звука через них. Поэтому требуются глубокие исследования звукоизоляционных свойств современных облегченных анизотропных конструкций и выработка эффективных конструктивных решений с целью обеспечения нормальных условий работы и проживания в современных индустриальных зданиях.

Ц е л ь р а б о т ы Выяснение механизма прохождения звука через ортотропные пластины

реальных размеров; выявление факторов, влияющих на численное значение звукоизоляции таких конструкций; разработка количественных зависимостей с целью прогнозирования звукоизоляции легких ортотропных ограждений.

2

В соответствии с поставленной целью в представленной диссертационной

работе решаются следующие о с н о в н ы е з а д а ч и :

-теоретические исследования формирования изгибными волнами собственных колебаний ортотропной пластины;

-теоретические исследования механизма прохождения диффузного звука через однослойную ортотропную конструкцию с учетом резонансной и инерционной составляющих;

-теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических и физико - механических характеристик ортотропной конструкции на её звукоизоляцию;

-выявление резервов повышения звукоизоляции ортотропных конст-

рукций;

-на основании теоретических и экспериментальных исследований получение зависимостей для прогнозирования звукоизоляции ортотропных конструкций;

-проектирование новых типов облегченных внутренних ограждений с повышенными значениями звукоизоляции в нормируемом диапазоне частот.

М е т о д ы и с с л е д о в а н и я В работе использовались как теоретические, так и экспериментальные

методы исследования. Теоретический анализ механизма прохождения звука через исследуемое ортотропное ограждение базируется на представлении замкнутого волнового переноса колебательной энергии с ее минимальной затратой и проведен на основе теории самосогласования звуковых и вибрационных полей. Экспериментальные исследования звукоизоляции конструкций проводились в больших реверберационных камерах лаборатории акустики ННГАСУ с помощью современной электроакустической аппаратуры. Полученные результаты обрабатывались статистическими методами.

3

Научная новизна работы:

-впервые теоретически исследован процесс прохождения диффузного звука через ортотропную конструкцию с учетом двойственной природы прохождения звука;

-выявлена степень влияния на звукоизоляцию ортотропной пластины массы, изгибных жёсткостей, размеров, внутренних потерь, характера взаимодействия вибро— и звукополей в широкой области частот;

-выявлено теоретически и подтверждено экспериментально существование резерва повышения звукоизоляции ортотропных конструкций;

-найдены верхние пределы значений звукоизоляции ортотропных конструкций;

-получены расчетные формулы, позволяющие прогнозировать звукоизоляцию ортотропных конструкций.

П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь р а б о т ы :

-получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать звукоизоляцию однослойных ортотропных ограждающих конструкций с учётом двойственной природы прохождения звука;

-разработанный метод позволяет с помощью ЭВМ рассчитывать собственную звукоизоляцию однослойной ортотропной конструкции конечных размеров в нормируемом диапазоне частот с построением частотной характеристики;

-доказана возможность повышения звукоизоляции ортотропной конструкции путём изменения её физико-механических и геометрических параметров;

-определены аналитические зависимости эффективного коэффициента потерь ограждения, при котором звукоизоляция ортотропной конструкции имеет максимальные значения;

-предложены пути повышения звукоизоляции ортотропных ограждений в практически важном диапазоне частот за счёт соответствующего измене-

4

ния размеров, изгибных жесткостей, коэффициента потерь без увеличения массы конструкций;

- предложенный практический способ оценки позволяет определить звукоизоляцию многослойной перегородки с ортотропным слоем.

Р е а л и з а ц и я р е з у л ь т а т о в р а б о т ы Разработанное «Руководство по расчету звукоизоляции многослойных

перегородок с ортотропным средним слоем» внедрено в практику проектирования внутренних ограждающих конструкций гражданских зданий в МП ИРГ «НижегородгражданНИИпроект».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре архитектуры для студентов направления 270100 «Строительство». Составлены и апробированы задания расчета звукоизоляции ортотропных ограждающих конструкций для практических и лабораторных работ.

В соответствии с заданием ООО «СтройМонтажИзоляция» результаты диссертационной работы использованы при проектировании и возведении внутренней ортотропной ограждающей конструкции нового типа с повышенными значениями звукоизоляции в реконструируемом здании в г. Кстово Нижегородской области.

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно—исследовательской работы: №14— РО/2003 «Технология снижения повышенного низкочастотного уровня шума города эффективными звукоизолирующими конструкциями зданий и сооружений. Технология повышения изоляции низкочастотного шума ограждающими конструкциями зданий без увеличения их веса. Прохождение звука через ортотропные конструкции», финансированной за счет государственного бюджета и выполненной по программе РААСН в срок с 3 января по 31 декабря 2003 г.

5

А п р о б а ц и я р а б о т ы Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на:

- научно-технической конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов и студентов «Строительный комплекс - 98». Секция «Архитектура, архитектурное проектирование», г. Н. Новгород, ННГАСУ, 1998;

-научно-технической конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство - 2000». Секция «Архитектура, архитектурное проектирование», Н. Новгород, ННГАСУ, 2000;

-Всероссийском семинаре с международным участием «Новое в теоретической и прикладной акустике», г. С-Петербург, Балтийский гос. ун-т «Военмех», 2001;

-научно-технической конференции профессорскопреподавательского состава, докторантов, аспирантов, магистрантов и студентов «Архитектура и строительство - 2003». Секция «Архитектура», г. Н. Новгород, ННГАСУ, 2003;

-IX нижегородской сессии молодых учёных, технические науки, г. Дзержинск, 2004;

-Международной конференции «Актуальные проблемы строительного

идорожного комплексов», г. Йошкар-Ола, МарГТУ, 2004;

-XV сессии Российского Акустического общества, г. Н. Новгород, ИПФ РАН, 2004;

-XIII Словацко-польско-российском семинаре «Теоретические основы строительства», г. Жилина, Словакия, 2004;

-форуме «Архитектура и градостроительство: устойчивое развитие современной среды жизнедеятельности», секция «Современные строительные конструкции», проходившем в рамках VII международного форума «Великие реки - 2005», г. Н. Новгород, 2005;

-XVI сессии Российского Акустического общества, г. Москва, МГГУ,

2005.

6

Н а з а щ и т у в ы н о с я т с я :

- результаты теоретических исследований механизма прохождения диффузного звука через однослойные ортотропные конструкции с учётом резонансной и инерционной составляющих;

-результаты теоретических исследований по определению выражений для аналитического вычисления звукоизоляции однослойных ортотропных ограждений конечных размеров при диффузном падении звука с учётом двойственной природы его прохождения;

-результаты теоретических и экспериментальных исследований по установлению влияния геометрических и физико-механических характеристик на численные значения звукоизоляции ортотропных ограждений;

-результаты теоретических и экспериментальных исследований по установлению резервов повышения звукоизоляции однослойных ортотропных ограждений;

-способы управления звукоизоляцией однослойных ортотропных огра-

ждений;

-разработанный метод расчета звукоизоляции однослойных ортотропных ограждающих конструкций;

-практический способ оценки звукоизоляции многослойных перегородок с ортотропным средним слоем.

Пу б л и к а ц и и

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе Руководство по расчету, перечень которых приведён в конце автореферата.

С т р у к т у р а и о б ъ ё м р а б о т ы Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и

выводов, списка литературы, включающего 107 наименований и четырех приложений. Общий объём работы составляет 130 стр., в том числе 28 рисунков, 13 таблиц.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели исследования, указывается научная новизна и практическая значимость выполненной диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных исследований в области звукоизоляции ортотропных ограждений. В силу комплексности задачи рассматриваются работы, касающиеся прохождения звука не только через ортотропные, но и через изотропные конструкции.

Отмечено, что теории прохождения звука через ограждения уделено внимание в работах Е.Я. Юдина, И.И. Клюкина, Л.М. Лямшева, Б.Д. Тартаковского и др. Значительный вклад в развитие и совершенствование методов расчета звукоизоляции ограждений и защиты от шума внесен отечественными учеными В.И. Заборовым, Г.Л. Осиповым, С.Д. Ковригиным, И.И. Боголеповым, М.С. Седовым, Л.А. Борисовым и др. Среди зарубежных ученых следует отметить лорда Рэлея, X. Рейсснера, Л. Кремера, М. Хекля, А. Шоха, А. Лондона, Р. Жосса, К. Лямюра, М. Крокера, М. Баттачария, А. Прайса.

Механизм прохождения звука через изотропные ограждения конечных размеров наиболее полно объяснен М.С. Седовым. Теория согласования волновых полей, созданная им, устанавливает двойственный характер прохождения звука через преграду - резонансное и инерционное прохождение. С помощью этой теории можно аналитически рассчитывать звукоизоляцию изотропных ограждений с учетом их физико-механических параметров. При этом теоретические и экспериментальные частотные характеристики имеют хорошую сходимость во всем нормируемом диапазоне частот.

Несмотря на относительно большое количество выполненных исследований, остаются нерешенными вопросы звукоизоляции анизотропных, и в частности, ортотропных ограждений. Экспериментальные и теоретические исследования М. Хекля, И.И. Боголепова, Е.Л. Шендерова, Б.Д. Тартаковского, Л.Я. Кудисовой, Ф.И. Соляника, И. Гиадера, С. Леже, Ю. А. Гуровича, В.Н. Романо-

8

ва и др. позволили установить, что анизотропия влияет на акустические свойства пластин и тем значительнее, чем она больше.

Вместе с тем, в вопросе о влиянии на звукоизоляцию ограждений их анизотропии, практические рекомендации основываются в большинстве случаев, исключительно на результатах экспериментальных данных. К тому же теоретические исследования звукоизоляции проведены только для бесконечных ограждений, т.е. без учета их реальных размеров и условий закрепления по краям. Следует отметить, что теоретическая оценка звукоизоляции ортотропных конструкций всеми современными теориями проводится без учета двойственной природы прохождения звука.

Отсутствие теоретического расчета и потребность в проектировании эффективной звукоизоляции ортотропных ограждающих конструкций выдвинули на повестку дня разработку методов расчета звукоизоляции подобных ограждений. Однако, существующие инженерные методы расчета либо вообще не учитывают анизотропию конструкций, либо имеют ряд ограничений по линейным размерам преграды, расчетному частотному диапазону, соотношению жесткостей, что значительно сужает область их применения.

Проведенный анализ результатов известных к настоящему времени теоретических и экспериментальных исследований позволил сформулировать цель и задачи работы.

Во второй главе рассмотрен механизм прохождения звука через ортотропные пластины ограниченного размера. На основе теории самосогласования волновых полей выполнен подробный анализ звукового поля в плоскости пластины, а также волнового поля собственных и инерционных колебаний ортотропного ограждения с учётом двойственной природы прохождения звука.

В соответствии с этой теорией, прохождение звука через ограждающую конструкцию определяется величиной характеристики самосогласования звуковых полей с обеих сторон ограждающей конструкции и волновых полей собственных колебаний ограждения, которая зависит от характера соотношения