6.3. REDUKCJA HAŁASU NA DRODZE PROPAGACJI

Transkrypt

1 6.3. REDUKCJA HAŁASU NA DRODZE PROPAGACJI Hałas generowany przez źródło propaguje się następnie zgodnie z nałożonymi ograniczeniami miejsca generacji, są to: podłoże, ściany, sufit lub ścianki kanału. Na drodze tej dźwięk doznaje wielokrotnych odbić, ugięć i osłabień. Dążąc więc do minimalizacji hałasu na drodze propagacji, należy wykorzystać wszystkie te momenty propagacji do zamierzonej redukcji intensywności hałasu. Trzeba więc rozważyć niżej po kolei materiały tłumiące do wyłożenia ograniczeń i ścian, ekrany dźwiękoizolacyjne do osłony częściowej lub nawet całkowite obudowy źródła MATERIAŁY I USTROJE DŹWIĘKOCHŁONNE Jak stwierdziliśmy w rozdziale pierwszym każde ograniczenie propagacji dźwięku rozdziela energię fali (intensywność) na trzy składowe: odbitą, pochłoniętą i przenikającą, czyli zgodnie z (1.65) Wynikająca stąd definicja współczynnika pochłaniania α = I poch / I pad w związku z powyższym uwidacznia, że im więcej zostanie pochłonięte, tym mniejsza intensywność dźwięku ulegnie odbiciu i przeniknięciu. W naszych poczynaniach minimalizacyjnych należy więc dołożyć starań, by współczynnik pochłaniania ograniczeń -propagacji hałasu był maksymalnie możliwy (wiedząc, że 0 <α < 1). Generalnie każdy materiał konstrukcyjny pochłania dźwięk, lecz zasadą jest, że im twardszy i bardziej zwarty jest materiał, tym mniejszy jego współczynnik pochłaniania, np. dla stali i gładkiego betonu jest on rzędu 0,01 0, 001; zależnie od częstotliwości, z tendencją wzrostu α, dla wyższych częstotliwości. Najlepszymi własnościami pochłaniającymi charakteryzują się materiały porowate, typu wata, filc, wata mineralna - zamocowane na twardym podłożu (stal, beton, Rys Wpływ grubości materiału pochłaniającego na wartość i pasmo pochłaniania dźwięku [95, p. 55 ]

2 Tabela 6.1 Oktawowe współczynniki pochłaniania dźwięku materiałów i ustrojów dźwiękochłonnych [96, r.6]

3 sklejka, ściana z cegły). Tutaj im grubsza warstwa materiału, tym większy współczynnik pochłaniania w szerszym paśmie częstotliwości. Właściwość tę dobrze zilustruje rys. 6.3 zaczerpnięty z [95] Ten sam zaś materiał pochłaniający odsunięty od ograniczenia na ( 2n + 1) c odległość d daje maksima pochłaniania dla częstotliwości f n =, lub inaczej 4 d ( 2n + 1) λ, tam gdzie część długości fali, pokrywa odstęp d. Innymi słowy chodzi o to, 4 by strzałka prędkości cząstek ośrodka wypadła właśnie w miejscu położenia materiału, co daje maksymalne pochłanianie (zamianę na ciepło) dźwięku. W tabeli 6.1 [96, s. 240] podano zakresy częstościowej zmienności współczynnika pochłaniania α. Dalsze dane i tablice do projektowania można znaleźć np. w monografii Sadowskiego [78]. W praktyce spotyka się specjalnie konstruowane ustroje pochłaniające, do zawieszania na ścianach, suficie itp. Współczynniki pochłaniania α, bądź równoważne powierzchnie pochłaniające A, zależą tu bardzo silnie od sposobu ekspozycji na hałas.

4 W projektowaniu więc należy się kierować opisami wytwórców dla optymalnego wykorzystania ich własności. Przestudiowanie zamieszczonych zasad i tabeli daje nam podstawową wiedzę, tzn. jak, gdzie, i co zastosować do redukcji hałasu odbitego. Popatrzmy zatem na możliwości, jakie stwarza odgrodzenie źródła dźwięku BARIERY I EKRANY DŹWIĘKOIZOLACYJNE Generalnie ich zasada działania oparta jest na dyfrakcji, czyli zjawisku ugięcia na przeszkodzie. Tak więc zgodnie z rozdziałem pierwszym ekrany będą mało efektywne dla niskich częstotliwości, gdzie długość fali α może być współmierna z wymiarami ekranu d. Stosowane w praktyce przemysłowej ekrany mają Rys Tłumienie dźwięku pochłaniania [97.] L przez ekran w funkcji odległości i współczynnika zwykle wymiary: wysokość 2 m, szerokość 2 3 m, grubość 5 10 cm. Ich konstrukcja musi zapewnić samonośność oraz duży współczynnik pochłaniania dźwięku, rzędu α = 0,7 0,9. Z uwagi na ugięcie fal dźwiękowych wokół ekranu ich stosowanie jest celowe, jeśli częstotliwości dominujące w widmie są większe od 500 Hz ( α < 60 cm ). Szczegóły konstrukcyjne typowych ekranów i uzyskiwane efekty można znaleźć w poradnikach, dla ilustracji zaś podajemy w ślad za [97] efekty tłumienia dźwięku 2 m za ekranem. Jak widać z rysunku 6.4 uzyskane efekty są rzędu 20 db i wzrastają ze wzrostem współczynnika pochłaniania dźwięku materiału ekranu. Projektując nowe ekrany dźwiękoizolacyjne, zgodnie z teorią dyfrakcji dźwięku, sumujemy intensywności dźwięku przychodzące do strefy cienia akustycznego z każdej strony ekranu, gdzie możliwe jest przejście odrębnego promienia dźwiękowego. Na tej podstawie dla ekranów prostokątnych o swobodnym polu akustycznym słuszny jest następujący wzór [98 ] Jak wynika z badań Crokera [99J przeprowadzonych dla częściowej osłony dalekopisu

5 wzór ten dobrze aproksymuje rzeczywisty spadek poziomu rzędu 20 db. Rys Zmniejszenie poziomu hałasu za półnieskończonym ekranem [98] gdzie 2 d i / λ = N - liczby Fresnela, będące ilorazem różnicy dróg akustycznych (z ekranem i bez) do długości fali dźwięku. Sumowanie odbywa się tu po różnych możliwych drogach dźwiękowych i tak dla ekranu prostokątnego skończonego na podłożu n = 3; dla półnieskończonego n = 1. Sposób określenia różnicy tych dróg i wykres- projektowy według wzoru (6.14) dla ekranu półnieskończonego (n = 1) przedstawia rys Bardziej efektywnym środkiem zmniejszenia hałasu bezpośredniego maszyn i urządzeń są ekrany wielostronne, otwarte jedynie od strony koniecznego dostępu do maszyny. Obliczenia projektowe takich ekranów, zwłaszcza pracujących w silnie odbijających lub małych pomieszczeniach, wymagają uwzględnienia ich własności akustycznych. Traktując układ akustyczny pomieszczenie-obudowa", jak układ dwu pomieszczeń sprzężonych, oznaczmy przez A1 = α1s1 i powierzchnię od strony źródła hałasu oraz A2 = α 2s2 - powierzchnię pochłaniającą od strony odbiornika. Wtedy spadek poziomu hałasu przy odbiorniku może być oszacowany z wzoru [99] gdzie D - współczynnik kierunkowości promieniowania źródła, r - odległość od źródła w m, s 0α 0 -powierzchnia pochłaniająca pomieszczenia, S - powierzchnia sprzęgająca obudowę i pomieszczenie, C-współczynnik dyfrakcji jak we wzorze (6.14)

6 Jak wynika z badań Crokera [99] przeprowadzonych dla częściowej osłony dalekopisu wzór ten dobrze aproksymuje rzeczywisty spadek poziomu rzędu 20 db OBUDOWY DŹWIĘKOIZOLACYJNE W przypadku maszyn o dużym poziomie hałasu, rzędu kilku watów (ponad 120 db mocy akustycznej), takich jak silniki spalinowe, turbogeneratory, sprężarki wirnikowe, zachodzi konieczność ich całkowitej obudowy dźwiękoizolacyjnej. Obudowę taką, zwaną również kożuchem dźwiękoizolacyjnym, wykonuje się z drewna, blachy, tworzyw sztucznych, czyli materiałów o dużej dźwiękoizolacyjności R. Na wewnętrzną stronę kożucha (od strony maszyny) należy tu nanieść warstwę materiału pochłaniającego o dużym współczynniku pochłaniania α. Jak wiadomo przez izolacyjność przegrody na dźwięki powietrzne rozumiemy różnice poziomu dźwięku po obu jej stronach (wzór (1.65)). Dla płaskiej przegrody (np. ściany) o gęstości l powierzchniowej G = ρ h, w kg/m, i znanej, częstotliwości f, w Hz, wielkość tę można obliczyć wg prawa masy Wzór ten dobrze opisuje izolacyjność pojedynczej przegrody aż do częstości koincydencji f kr, gdy długość fali giętnej w płycie staje się równa długości fali podłużnej w powietrzu [5.s.363] gdzie B- sztywność giętna płyty o grubości h; ρ, E jej gęstość i moduł Younga (h - w cm). Rys Jakościowa zależność prawa masy z poprawką na zjawisko koincydencji. [5, s. 363]

7 Tak więc izolacyjność przegrody pojedynczej wg wzoru (6.16) z efektem obniżenia przy częstości krytycznej ma postać jak na rys Podobne efekty notuje się dla przegród wielowarstwowych, lecz już na wyższym poziomie izolacji R. Tabela 6.2 Średnie izolacyjności dźwiękowe wybranych materiałów konstrukcyjnych [12. s. 129] W tabeli 6.2 podano średnie izolacyjności dźwięku niektórych materiałów. Jak widać, izolacyjności przegród nie są małe i nawet 0,5 cm karton daje izolacyjność rzędu kilkunastu db. Jest to jednak izolacyjność typu nieskończonej przegrody. Jeśli jednak z takiej płyty utworzymy obudowę dźwiękoizolacyjna, to stworzymy inne warunki propagacji dźwięku wewnątrz obudowy. Wtedy do głosu dochodzi pochłanianie dźwięku materiału obudowy, które musi być znaczące, bo inaczej obudowa wypromieniuje całą energię akustyczną w postaci drgań. Odpowiedni wzór, uwzględniający to zjawisko dla izolacyjności kożucha R, ma postać [12, s. 191 ] k Skąd widać, że dla współczynnika pochłaniania obudowy α = 0,1 spadek izolacyjności R wyniesie aż 10 db Trzeba więc kożuch wytłumić wewnątrz, chociaż na mocy prawa odwracalności akustycznej [77, s. 195] można to również zrobić zewnętrznie (lecz praktycznie z mniejszym skutkiem). Jeśli natomiast nie cała powierzchnia kożucha wyłożona jest materiałem tłumiącym, to współczynnik α należy zastąpić średnim α = A / S, obliczonym jak dla pomieszczenia. Z powyższego wynika, że jako materiału na obudowy należy używać blach stalowych (duże G) wyłożonych dobrym materiałem dźwiękochłonnym α ~ 1. Wszelkie zaś przyłącza do maszyny i odprowadzenia, np. wentylacyjne i elektryczne, powinny być starannie wykonane i izolowane akustycznie, a w przypadku konieczności zapewnienia swobodnego obiegu powietrza, jego wyjście i wejście, powinny być typu labiryntowego, (rys.6.7)

8 Sam zaś kożuch musi być oparty na wibroizolatorach. Przy takim wykonaniu można liczyć, że spadek poziomu hałasu z tytułu zastosowania kożucha będzie bliski wartości teoretycznej. gdzie L L m, mk - poziomy hałasu maszyny w punkcie kontrolnym bez, i z kożuchem W pewnych przypadkach praktyki przemysłowej wykonanie obudowy dla maszyny jest niemożliwe bądź niecelowe, natomiast istotna jest ciągła obserwacja (lub nawet sterowanie) procesu produkcyjnego. W takich przypadkach dla obsługi instaluje się stałe lub ruchome kabiny dźwięko-izolacyjne-sterownicze. Sposób obliczeń własności akustycznych takich kabin jest identyczny jak dla kożuchów maszyn, zaś poziom hałasu w kabinie L k można znaleźć z oczywistego wzoru Trzeba tu dodać, że istotny wpływ na izolacyjność R k kabin i kożuchów ma szczelność połączeń, przepustów itd. i może to być istotnym powodem spadku izolacyjności [12, r. 33]

9 INNE MOŻLIWOŚCI EKRANOWANIA DŹWIĘKÓW BEZPOŚREDNICH Elastyczne i przezroczyste tworzywa sztuczne typu PCV stwarzają nowe możliwości dowolnego podziału hali fabrycznej za pomocą wiszących pasów folii o szerokości 2 3 m i grubości kilku mm. Daje to izolacyjność rzędu 15 db, nie zmniejszając widoczności, a jednocześnie daje między innymi odgrodę termiczną, kurzu a, nawet drobnych zwierząt i insektów (na podstawie katalogu f-my Roberts-Anglia).Zmniejszenie poziomu hałasu wydostającego się na zewnątrz hal fabrycznych lub emitowanego przez ruch uliczny nie jest takie proste. Rolę ekranu mogą tu spełniać specjalne ściany lub pasy zieleni. Zagadnienia te należą już do akustyki architektonicznej i nie będziemy się nimi zajmować. Warto jednak podać, że obszerne wyniki badań szczegółowych znajdują się w [ 5, 30, 77, 100 ]. Warto tu również wspomnieć o antyhałasowym usytuowaniu hal fabrycznych, budynków magazynowych, stacji trafo i innych dających obniżki nawet rzędu kilkunastu db. Tyle w skrócie o możliwościach tłumienia hałasu na drodze propagacji, za wyłączeniem dwu specjalnych środowisk propagacji dźwięku, jakim są pomieszczenie i kanał wentylacyjny. Środowiska te są na tyle ważne samodzielnie, że rozpatrzymy je niżej w oddzielnych punktach.