Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование звукоизоляции ограждающих конструкций зданий и ее повышение

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Ретлинг, Эрнст Владимирович, Нижний Новгород

JO Ob...... * ^^

/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Волгоградская государственная архитектурно-строительная

академия

На правах рукописи

РЕТЛИНГ ЭРНСТ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ

ЗДАНИИ И ЕЕ ПОВЫШЕНИЕ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава I. Методика исследования звукоизоляции. 8

1.1. Большие акустические камеры 8

1.1.1. Геометрические и акустические 8 характеристики

1.1.2. Оценка точности измерений изоляции 16 воздушного шума

1.1.3. Оценка точности измерений приведенного 23 уровня ударного шума

1.2. Модели помещений 28

1.2.1. Геометрические и акустические 28 характеристики

1.2.2. Оценка точности измерений изоляции 30 воздушного шума

1.2.3. Оценка точности измерений коэффициентов 33 передачи вибраций

1.3. Аппаратура 38

Глава 2. Колебание прямоугольных пластин под 41

действием периодических ударов

2.1. Динамические характеристики пластин 41

2.1.1. Однослойная пластина 41

2.1.2. Система из двух пластин с упругим слоем 53 между ними

2.2. Параметры, характеризующие удар стандартного 66 молотка по пластине

2.3. Колебательная скорость пластины 73 2.4 Фильтрация колебательной скорости пластины 82

полоснопропускающим фильтром

2.5. Колебательная скорость системы из двух 104 пластин с упругим слоем между ними

Глава 3. Собственная звукоизоляция ограждающих 106 конструкций

3.1. Однослойные ограждения 106

3.1.1. Состояние вопроса 106

3.1.2. Исследование звукоизоляции 110

3.2. Двойные ограждения с жесткой связью по контуру 119

3.2.1. Состояние вопроса 119

3.2.2. Исследование звукоизоляции 123

3.3. Ограждения с гибкой плитой на относе 130

3.3.1. Состояние вопроса 130

3.3.2. Исследование звукоизоляции 132

Глава 4. Фактическая звукоизоляция ограждающих 138 конструкций

4.1. Воздушный шум 138

4.1.1. Состояние вопроса 138

4.1.2. Расчет косвенной передачи шума 145

4.1.3. Передача вибрации через сопряжения 150 конструкций

4.1.4. Исследование звукоизоляции 160

4.1.5. Снижение звукоизоляции за счет косвенной 172 передачи шума

4.2. Ударный шум 174

4.2.1. Состояние вопроса 174

4.2.2. Излучение звука прямоугольной пластиной, 179 возбуждаемой сосредоточенной силой

4.2.3. Исследование звукоизоляции несущих 190 частей перекрытий

4.2.4. Исследование звукоизоляции перекрытий с 193 полами на упругом основании

Глава 5. Приближенный расчет фактической звукоизоляции 205 ограждающих конструкций

5.1. Воздушный шум 205

5.2. Ударный шум 219

Глава 6. Повышение фактической звукоизоляции 235

ограждающих конструкций

Вывода 255

Литература 259

Литература, в которой отражено содержание 271

диссертации

Приложение

I. Справка о звукоизоляции комнат для инди- 273

видуальных занятий общежития института культуры в г. Челябинске

ВВЕДЕНИЕ

Шум является в настоящее время одной из наиболее важных характеристик окружающей среды. Он постоянно воздействует на человека и оказывает существенное влияние на его здоровье и работоспособность. Актуальной проблемой, решение которой придается большое значение, является создание акустического комфорта в помещениях жилых, общественных и промышленных зданий. Один из эффективных путей ее реализации заключается в повышении звукоизоляции их ограждающих конструкций. Во многих случаях это наиболее рациональный, а иногда и единственный способ уменьшения шума, проникающего из смежных помещений.

В последнее время увеличилась номенклатура зданий с повышенными требованиями к звукоизоляции их ограждающих конструкций. Это музыкальные учебные заведения, телевизионные студии, студии звукозаписи, компьютерные залы и т. п. Ужесточаются требования к звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций жилых зданий.

Тенденция к удешевлению строительства приводит к снижению массы 1 м2 стен и перекрытий, что объективно является причиной уменьшения звукоизоляции. В результате, ограждения многих жилых и общественных зданий не удовлетворяют существующим нормам, требования которых до сих пор ниже, чем в ряде развитых государств.

Целью работы является разработка способов расчета изоляции воздушного и ударного шумов внутренними ограждающими конструкциями зданий с обычной конструктивно-планировочной схемой и путей ее повышения. Реализация полученных результатов позволит уменьшить вредное влияние шума на людей.

Основные задачи, решаемые в работе:

1. Исследование собственной и фактической изоляции воздушного шума внутренними ограждающими конструкциями зданий, разработка методов расчета и оценки звукоизоляции.

2. Исследование колебаний междуэтажных перекрытий под действием периодических ударов стандартного молотка.

3. Исследование изоляции ударного шума междуэтажными перекрытиями зданий, разработка методов ее расчета и оценки.

4. Разработка эффективных способов повышения фактической звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций зданий.

Методы исследования. В работе использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Теоретический анализ изоляции ударного шума прямоугольной пластиной основан на разложении ее колебаний по собственным формам с фильтрацией каждой из них через полоснопропускающий фильтр. Расчет фактической изоляции воздушного шума исходил из существующей методики определения косвенной передачи шума в зданиях. Экспериментальные исследования проводились в больших акустических камерах, моделях комнат и зданиях по стандартной методике с помощью аппаратуры, использующей аналоговый способ измерения. Их результаты обрабатывались с помощью статистических методов.

Научная новизна работы. Получены аналитические выражения для определения уровня ударного шума под прямоугольной пластиной и системой из двух пластин с упругим слоем между ними под действием периодических ударов стандартного молотка с фильтрацией через стандартные полосовые фильтры, спектров амплитуд и фаз. Оценено влияние волновых процессов в упругом

слое перекрытия на величину снижения уровня ударного шума за счет пола. Приведены зависимости для расчета частотной характеристики собственной изоляции воздушного и ударного шумов однослойными ограждениями, индексов фактической звукоизоляции и их изменения при устройстве дополнительных конструктивных элементов. Дан расчет повышения фактической звукоизоляции.

Пражическая ценность работы. Разработан эффективный способ повышения фактической звукоизоляции ограждений. Предложен расчет приведённого уровня ударного шума под междуэтажными перекрытиями с полами на упругом основании с учетом волновых процессов в нем и фильтрацией сигнала через полосовые фильтры, спектров амплитуд и фаз. Разработан способ оценки фактической изоляции воздушного и ударного шумов внутренними ограждающими конструкциями зданий с обычной конструктивно-планировочной схемой по индексу. Предложен расчет частотной характеристики собственной изоляции воздушного шума однослойными перегородками и приведенного уровня ударного шума несущими частями междуэтажных перекрытий.

Внедрение результатов работы. Разработанный способ повышения фактической звукоизоляции успешно апробирован в здании музыкального училища и применен в общежитии института культуры в г. Челябинске. Способ оценки изоляции воздушного шума включен в справочник проектировщика "Защита от шума", выпущенном в свет Стройиздатом в 1974 г. под редакцией проф. Е. Я. Юдина.

Работа выполнена по госбюджетной теме "Вопросы климатологии и строительной физики в архитектурно-строительном проектировании", $ гос. регистрации 01.9.10052947.

ГЛАВА I

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ 1.1. Большие акустические камеры 1.1.1. Геолетрические и акустические трактеристиш

Исследование собственной звукоизоляции ограждающих конструкций натуральной величины проводились в больших акустических камерах УралНИМстромпроекта (г. Челябинск). Они состоят из трех реверберационных камер (рис 1.1) и типичны для сооружений подобного типа [30,66]. Помещения 2 и 4 являются камерами высокого уровня (КВУ), а помещение 3 - камерой низкого уровня (КНУ). В помещении 1 находится аппаратная, из которой производятся измерения. Фактические объемы камер: помещение 2-116 м3, помещение 4-93 м3, помещение 3 - 69 м3.

Камера низкого уровня представляет собой монолитную железобетонную коробку толщиной 15 см, покоящуюся на слое утрамбованного песка. Она отделена со всех сторон от обеих камер высокого уровня воздушным промежутком и разрезана в трех местах осадочными швами (ОШ). Кроме того, для повышения звукоизоляции между ней и стенами смежных помещений установлена дополнительная армокирпичная перегородка (рис. 1.2). Для получения более диффузного звукового поля бетонной коробке КНУ придана неправильная форма, пол выполнен из керамической плитки, стены окрашены масляной краской.

Между помещениями 2 и 3 имеется проем размером 2,8x3,0 м (в свету), предназначенный для установки междуэтажных перек-

Рис. 1.1. Большие акустические камеры. Продольный разрез

Рис 1.2. Большие акустические камеры. План на отметке -4,000

рытий. Его можно использовать и для исследования перегородок. Он образован четырьмя опорными балками Т-образного сечения, концы которых заделаны в кирпичные стены помещения 2. Исследуемое ограждение укладывается на полки опорных балок. Опорные балки с перекрытием и исследуемым образцом отделены от коробки КНУ воздушым промежутком (рис. 1.1).

Между помещениями 3 и 4 имеется вертикальный проем. Испытуемая перегородка устанавливается в нем на полку бетонной коробки КНУ. Размер проема в свету 2,7 х 2,6 м.

Двери камер представляют собой многослойные конструкции, изготовленные из металлического листа, с обеих сторон которого уложены мягкая асбестовая плитка, доски в шпунт, два слоя картона и лист оцинкованной жести. Вход в КНУ закрывается двумя дверями, одна из которых находится в коробке камеры, другая в наружной стене.

Один из исходных принципов методики измерений звукоизоляции, рекомендуемых ISO И 003 , состоит в том, что по обе стороны исследуемого ограждения звуковое поле должно быть диффузным. Звуковое поле в некотором объеме является таковым, если оно изотропно, что означает равенство потоков энергии, приходящих в точку приема с различных направлений, и однородно, т. е. средние во времени значения плотности звуковой энергии в различных точках объема равны. Кроме того предполагается, что при суперпозиции большого числа волн, несущих сдвинутые во времени эхо-сигналы, их сложение происходит энергетически.

Частота, начиная с которой поле можно считать диффузным, приближенно определяется по формуле Э. Мейера [283:

з/ 180

/=125/ 1 , (1.1)

Я

где V - объем помещения, м .

Для КНУ эта частота составляет 1 ТО Гц. Формула Мейера не учитывает многих факторов, влияющих на диффузность звукового поля: форму помещения, особенности излучения звука, звукопоглощающую способность стен и т. д. Для измерения диффузности имеется ряд способов. Наиболее точным является метод, предложенный В. В. Фурдуевым [633. Однако, он является довольно громоздким. В последнее время находит применение упрощенный способ оценки пригодности акустического поля для измерения звукоизоляции по величине среднеквадратического отклонения пространственного распределения уровней звукового давления

/ *

/ 1

Зр = / -7Г I М

(1 .2)

ггч ,

1=1

п

где ъ = 4- I ;

1=1

уровень звукового давления, измеренный в 1-ой точке пространства камеры; п - число точек пространства камеры, в которых проводились измерения. Звуковое поле считается диффузным, если 1,5 дБ [51.

На рис. 1.3 представлены результаты вычисления 5р по формуле (1.2) для больших акустических камер. В помещениях 2 иЗ п=16, в помещении 4 п= 10. Из графика можно заключить, что 1,5 дБ, начиная с частоты 200 Гц. Это согласуется с

дБ

2.0

],<Н

18

и

V)

1,0 0,8

0.6 (14

ч

\

А\ М\

/ / \ \> У 11

1> 1

V 1 XV/ / ^к/ / УЧ. ' \\ \ \\ \_ Ччч2

\ / V

1 / » \ ч ЛИ V *

! 1 1 1 ! 1 1 1 ! I

¿00

400

800

3150

Частота, Гц

Рис 1.3. Среднеквадратические отклонения пространственного распределения уровней звукового давления 5 в больших акустических камерах:

1 - помещение 2; 2 - помещение 3; 3 - помещение 4

расчетом по формуле (1.1). Измерения звукоизоляции на частотах 100, 125 и 160 Гц можно использовать лишь для предварительной оценки.

Уровень шума помех в камере низкого уровня в диапазоне 500 -г- 4000 Гц не превышает 20 дБ. С уменьшением частоты уровень шума помех равномерно возрастает и на частоте 100 Гц достигает 46 дБ.

Косвенная передача шума в акустических камерах искажает результаты измерений собственной звукоизоляции ограждающих конструкций и делает их в ряде случаев невозможными [14,513. Поэтому необходимо знать их максимально достижимую величину. Анализ косвенной передачи шума в больших акустических камерах УралНИИстромпроекта для исследования перекрытий позволил сделать соответствующую оценку для шарнирного и упругого опира-ний по контуру [14,513.

На рис. 1.4 представлены результаты, полученные для шарнирного опирания, и нанесены для сравнения экспериментальные данные. При устранении излучения опорных балок в этих камерах можно измерять собственную изоляцию воздушного шума однослойными ограждениями массой примерно до 350 кг/м2. Разница между измеренной и собственной звукоизоляцией не будет превышать 0,5 дБ. На рис. 1.4 показано также влияние передачи шума через борта опорных балок на измеренные значения собственной звукоизоляции однослойной и многослойной конструкций. С ростом звукоизоляции ограждения роль косвенной передачи усиливается, особенно на высоких частотах.

Оценка максимально достижимой звукоизоляции в камерах при упругом опирании исследуемого образца по контуру пред-

Частота, Гц

Рис. 1.4. Изоляция воздушного шума перекрытиями при шарнирном опирании несущей плиты по контуру:

1 - измеренная звукоизоляция железобетонной плиты толщиной

12 см при открытых бортах опорных балок;

2 - то же, при закрытых бортах опорных балок;

3 - то же, что и 1, с деревянным полом по лагам на прокладках

из древесноволокнистых плит;

I

3 - расчетная величина максимально достижимой звукоизоляции

при открытых бортах опорных балок;

4 - то же, что и 3, при закрытых бортах опорных балок; »

4 - расчетная величина максимально достижимой звукоизоляции при закрытых бортах опорных балок;

ставлена на рис.1.5. При открытых бортах опорных балок возможны измерения собственной звукоизоляции только однослойных конструкций, а при закрытых - и некоторых многослойных.

На рис. 1.6 даны расчетные значения максимально достижимой звукоизоляции при жестком опирании по контуру в камерах для исследования перегородок и результаты измерения изоляции воздушного шума шлакоблочной перегородкой массой 360 кг/м2 [14,51]. Разница между ними составила в среднем 3,8 дБ. Следовательно, измерить собственную звукоизоляцию перегородки с дополнительной обшивкой со стороны КНУ невозможно. Такое измерение становится реальным лишь при упругом опирании перегородки по контуру.

Значительного повышения верхней границы измерений звукоизоляции в камерах для исследования перекрытий можно добиться путем устройства со стороны КВУ пола на упругом основании и обшивки стен КВУ плоскими асбофанерными плитами толщиной 6 + 8 мм по рейкам толщиной 10 см. Это позволит измерять собственную изоляцию воздушного шума ограждениями величиной до 60 ТО дБ на низких, до ТО * 80 дБ на средних и до 80 -г- 95 дБ на высоких частотах [14,51].

Аналогичным образом можно снизить косвенную передачу шума и в камерах для измерения звукоизоляции перегородок.

1.1.2. Оценка точности излерений изоляции воздушного шума

Известно, что при любых измерениях, в том числе и звукоизоляции, возможны ошибки. Оценка их величины позволяет рассчитать необходимое количество измерений звукоизоляции каждой конструкции, число точек установки микрофона при определении

из

пп;

з: —г сс

О

о гх:

Ш СП

со 60

50

40

3 '' з ✓ ✓ £

4 / 2

7

^ 1 1

1 ! 1 ! ! ! ! 1 1 , 1

100

200

400

800

Частота, Гц

Рис. 1.5. Изоляция воздушного шума перекрытиями при упругом опирании несущей железобетонной плиты по контуру и дополнительной звукоизоляции бортов опорных балок:

1 - измеренная звукоизоляция плиты толщиной 12 см;

2 - то же, с полом из досок толщиной 37 мм по лагам на

прокладках из древесноволокнистых плит толщиной 25 мм;

3 - расчетная величина максимально достижимой звукоизоляции;

4 - то же, при открытых бортах опорных балок;

7П

из

П=Г

от?

Я 50

СП

СО 40

30

1 1 ' - .о'**/

«*» «Ьяь, __ — л Г 1

I 1 ........ 1 ........... 1 1 .1 . 1 ......... 1

?00

40о

опп иии

2500

Частота, Гц

Рис. 1.6. Максимально достижимая звукоизоляция в камерах для исследования перегородок:

1 - расчетная;

2 - измеренная звукоизоляция шлакоблочной перегородки

массой 360 кг/м2

уровней шумов в помещениях и времени реверберации для проведения экспериментальных исследований с заранее заданной точнос