Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАКУУМНОЙ ПРОСЛОЙКИ В ЗВУКОЗАЩИТНЫХ ПАНЕЛЯХ

Научная статья
Мурзинов В.Л.
Мурзинов П.В.
Мурзинов Ю.В.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.117.3.003
Выпуск: № 3 (117), 2022
Опубликована:
2022/03/17
PDF

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАКУУМНОЙ ПРОСЛОЙКИ В ЗВУКОЗАЩИТНЫХ ПАНЕЛЯХ

Научная статья

Мурзинов В.Л.1, *, Мурзинов П.В.2, Мурзинов Ю.В.3

1, 2, 3 Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия

* Корреспондирующий автор (dr.murzinov[at]yandex.ru)

Аннотация

Одной из актуальных проблем современной жизни является защита от шума на путях его распространения. В настоящее время в различных областях деятельности человека существует необходимость уменьшения шума. Шум кратковременного воздействия не вносит, каких либо существенных изменений в организм человека. Борьба ведется в основном с продолжительными негативными звуками. В этой борьбе существуют различные методы и подходы. В направлении борьбы с шумом предлагались разные варианты решения проблемы. Среди них выделяется метод применения вакуума для защиты от шума. С позиции физики вакуум является идеальной средой, препятствующей распространению звуковых волн. Однако многие попытки применить вакуум в конструкции звукозащитных устройств не получили хороших результатов. В настоящее время поиск устройств, использующих вакуумную прослойку для защиты от шума, продолжается.

Ключевые слова: звукозащитные панели, коэффициент эффективности звукоизоляции, поверхностная плотность, шум, защита от шума, вакуумная прослойка, постоянные магниты.

AN EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING A VACUUM LAYER IN SOUNDPROOFING PANELS

Research article

Murzinov V.L.1, *, Murzinov P.V.2, Murzinov Yu.V.3

1, 2, 3 Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

* Corresponding author (dr.murzinov[at]yandex.ru)

Abstract

One of the current problems of modern life is protection from noise on the ways of its propagation. Currently, there is a need in reducing noise in various fields of human activity. The noise of short-term exposure does not make any significant changes in the human body; the problem is mainly with prolonged negative sounds, which can be tackled through various methods and approaches. In the trajectory of noise control, various solutions to the problem were proposed. The study distinguishes method of applying vacuum to protect against noise. From the standpoint of physics, a vacuum is an ideal medium that prevents the propagation of sound waves. However, many attempts to apply vacuum in the design of sound protection devices have not shown good results. Currently, the researchers continue the search for devices that use a vacuum layer to protect against noise.

Keywords: sound-proof panels, sound insulation efficiency coefficient, surface density, noise, noise protection, vacuum layer, permanent magnets.

Введение

Цель настоящей статьи – это показать возможность использования вакуумной прослойки в звукозащитных панелях и оценить ориентировочно величину ее звукоизоляции.

В настоящее время защита от продолжительного шума применяется во многих областях, где присутствует человек. Это производство, сфера обслуживания, бытовые условия, транспорт. Наибольшее распространение получил способ защиты на путях его распространения с помощью звукозащитных конструкций [1], [2]. Звукозащитные конструкции имеют разнообразное исполнение, обусловленное видом источника шума [3]. Наибольшее распространение среди звукозащитных конструкций получили звукозащитные панели. Каждая звукозащитная панель обладает определенными акустическими характеристиками – это звукоизоляция, коэффициент звукопоглощения, поверхностная плотность [4], которая определяется как масса квадратного метра площади панели. Поверхностная плотность очень важный показатель. Он учитывается при расчете полезной нагрузки для самолетов, автомобилей, в судостроении, при проектировании космических аппаратов [5]. Кроме того, ведутся работы по совершенствованию резонансных панелей [6], [7].

Обзор конструкций, использующих вакуум

Впервые применение вакуума для защиты от шума было предпринято Эрвином Майером [8], известным немецким акустиком. Разработанная им конструкция звукозащитной панели не обладала повышенной звукоизоляцией. Эксперименты показали, что защиты от шума не происходит, так как создание вакуума требует наличие контактных зон между стенками звукоизоляционной конструкции. Эти зоны представляют собой акустические мостики, по которым предается звуковой поток.

В России вопросами применения вакуума в звукозащитных панелях занимался Боголепов И.И. [9], [10]. Однако, конструкции с использованием вакуума в качестве звукоизолятора до сих пор не нашли широкого применения. Анализ результатов экспериментов показал, что заметного снижения шума не происходит, так как наличие акустических мостиков в конструкции сильно снижает эффективность звукоизоляции. Акустически мостики обладают следующим свойством: чем больше на них нагрузка, тем они эффективнее пропускают звуковой поток. Кроме того, поверхностная плотность такой панели весьма высока и составляет десятки килограммов на квадратный метр.

Попытка разгрузить акустические мостики была сделана в конструкции «Многослойное теплозвукоизоляционное ограждение» [11]. В этой конструкции установлены электромагниты, питание которых осуществлялось от внешнего источника. Все это делало конструкцию громоздкой, с высокой поверхностной плотностью и малопригодной для практического использования.

Наиболее эффективной оказалась конструкция, использующая вакуумную прослойку, для защиты органов слуха – это «Противошумные наушники» [12]. В этом устройстве вакуумная прослойка сформирована за счет применения постоянных магнитов. При этом в устройстве отсутствуют контактные зоны, являющиеся акустическими мостиками [13], [14].

Описание вакуумированной панели

Вакуумированная панель содержит вакуумную прослойку. Использование вакуумной прослойки была предложена авторами и подтверждена патентом [12]. Вакуумированная панель представляет собой двухслойную конструкцию из легкого полимерного герметичного материала в виде двух параллельных листов, герметично соединенных по краям между собой через прокладку. Между этими листами создается постоянный вакуум, а на внутренних сторонах каждого листа укреплены постоянные магниты, направленные к листам одинаковыми полюсами. Кроме того, схема расположения постоянных магнитов на параллельных листах одинаковая и симметричная.

Эффективность разработанной вакуумированной панели обусловлена тем, что повышается ее звукозащитная способность за счёт уменьшения интенсивности передачи звуковых потоков от одной стенки к другой через вакуумированный слой и прокладку в результате снижения нагрузки на неё. Нагрузка на листы значительно уменьшена, потому что сила давления от вакуума компенсирована силой отталкивания постоянных магнитов.

Общий вид разработанной звукозащитной панели представлен на рис. 1, где показано сечение вакуумной звукоизолирующей панели; на рис. 2 – вид сверху; на рис. 3 – увеличенное изображение соосно расположенных постоянных магнитов с указанием положения полюсов на магнитах.

1

Рис. 1 – Внешний вид панели вакуумированной панели с вакуумной прослойкой:

1 – полимерный герметичный лист;2 – постоянный магнит; 3 – прокладка между полимерными герметичными листами

Звукозащитная панель с вакуумной прослойкой функционирует следующим образом. Создаётся вакуум между листами 1, что приводит к появлению перепада давления, действующего на листы 1 и стремящегося прижать их друг другу. Но соединиться они не смогут, потому что этому будет препятствовать сила отталкивания между магнитами с противоположных стенок и обращённых друг к другу одноимёнными полюсами. Листы 1 не будут касаться друг друга, а вакуум между ними исключит возможность передачи звукового потока от одного листа к другому.

1

Рис. 2 – Вид сверху вакуумированной панели с вакуумной прослойкой:

1 – полимерный герметичный лист; 3 – прокладка между полимерными герметичными листами

1

Рис. 3 – Увеличенное изображение соосно расположенных постоянных магнитов с указанием положения полюсов на магнитах:

 – атмосферное давление, Па;  – сила отталкивания двух соосно расположенных постоянных магнитов, Н.

Прокладка 3 с позиции акустики представляет собой акустический мостик. Эффективность этого мостика по передаче звукового потока ничтожна, так как прокладка 3 выполнена из гибкого листового герметичного материала. В целом, звукозащитная панель не пропускает звуковой поток, благодаря вакууму между листами. Листы 1 выполнены из не металлического материла, например, из полистирола.

Теоретическое обоснование создания звукозащитных панелей с вакуумной прослойкой

На рис. 4 показана схема вакуумированной панели и положения постоянных магнитов 2.

1

Рис. 4 – Схема вакуумированной панели:

 1 – полимерный герметичный лист;2 – постоянный магнит;3 – прокладка между листами;А, В – габаритные размеры панели;  – шаг между постоянными магнитами

Основные показатели вакуумированной панели это поверхностная плотность МП и величина вакуума РВ, которая определяется силой магнитного отталкивания постоянных магнитов F1 (рис. 3). Поверхностная плотность вакуумированной панели будет определяться соотношением

 1 (1)

где  G– масса звукозащитной панели.

 1 (2)

где  m1 – масса одного постоянного магнита; Mp – поверхностная плотность полимерного герметичного листа.

Величина вакуума определится выражением

 1 (3)

где Pa – атмосферное давление, Па; F1 – сила отталкивания двух соосно расположенных постоянных магнитов, Н.

Пример практического определения параметров вакуумированной панели

Для проведения расчетов введем конкретные числовые значения предполагаемой вакуумированной панели. Основные величины показаны в табл. 1.

Таблица 1 – Числовые характеристики вакуумированной панели

Параметр Числовое значение
Звукозащитная панель
Поверхностная плотность полимерного герметичного листа (сотовый поликарбонат) , кг/м2 1,1
Габаритный размер А, м. 0,2
Габаритный размер В, м. 0,2
Расстояние между центрами постоянных магнитов , м. 0,02
Постоянный магнит
Диаметр постоянного магнита , м. 0,012
Толщина постоянного магнита , м. 0,003
Масса постоянного магнита , кг. 0,0012
Сила отталкивания между двумя соосно расположенными постоянными магнитами , Н. 46,7
Расчет проводился с использованием формулы (1), (2) и (3). Полученные значения показаны в табл. 2. Экспериментальные данные были получены с помощью шумомера RGKSM-20.

Для проведения экспериментов была использована нестандартная методика. В эксперименте было задействовано следующее: канал в стене помещения, динамик, макет звукозащитной панели, шумомер RGKSM-20. Канал в стене помещения был направлен в соседнее помещение. С одной стороны канала был установлен динамик, как источник звука, а с другой стороны был установлен шумомер RGKSM-20 показывающий. На первом этапе в свободный канал подавался звуковой поток от динамика. При этом величина интенсивности звукового потока измерялась на другом конце канала шумомером RGKSM-20. Шумомер RGKSM-20 показал 96 дБ(А). На втором этапе в канале был установлен макет звукозащитной панели, плоскость которой была перпендикулярно осевой линии канала. Динамик излучал то же звук, что и на первом этапе. Шумомер RGKSM-20 показал 38 дБ(А). Следовательно, звукоизоляция макета звукозащитной панели, ориентировочно, составила 96-38=58 дБ(А).

Таблица 2 – Результаты расчетных вычислений

Параметр Числовое значение
Поверхностная плотность вакуумированной панели , кг/м2 7,06
Вакуум, Па./ относительно атмосферы 5441/ 0,054
Звукоизоляция , дБ. 58
Коэффициент эффективности звукоизоляции , (дБ×м2)/кг 8,2
Обсуждение результатов

Была проведена оценка возможности использования вакуумной прослой в звукозащитных панелях. Было установлено, что вакуумная прослойка в конструкции звукозащитной панели обладает эффективностью.

В табл. 3 показано сравнение существующих жестких звукозащитных материалов и разработанной звукозащитной панели с вакуумной прослойкой. Звукозащитная панель в представленном списке занимает пятое место по значению эффективности звукоизоляции среди наиболее распространенных конструкций. Звукозащитная панель с вакуумной прослойкой не доминирует в этом списке по коэффициенту эффективности звукоизоляции, но по абсолютной величине звукоизоляции уступает только композиции «Плита ДВП/базальтовое волокно/плита ДВП».

Таблица 3 – Характеристики некоторых звукозащитных материалов

№ образца Название материала  – поверхностная плотность, кг/м2  – собственная звукоизоляция, дБ  – коэффициент эффективности звукоизоляции
1. Обшивка БСТВ-30/металлический лист 4,86 56 11,60
2. Фанера/ПХВ-1-85/фанера 3,42 35 10,26
3. Павинол ПА-4/ППУ-Э-35-0,8А/фанера/ПХВ-1-85/фанера/ППУ-Э-35-0,8А/павинол ПА-4 4,10 40 9,78
4. Металлический лист/ППУ-30-8Н-60 5,40 45 8,33
5. Звукозащитная панель с вакуумной прослойкой 7,06 58 8,2
6. Marine Firebatts 130/стальной лист 33,00 56 1,70
7. Плита ДВП/базальтовое волокно/плита ДВП 51,00 60 1,18
8. Термопанель ПСБ 30,00 31 1,03
Заключение

Разработана конструкция вакуумированной панели, использующей вакуумную прослойку. Создание вакуумированной панели базируется на известном факте, что звуковые колебания не распространяются в вакууме и плохо распространяются в воздухе с низким давлением. Кроме того, прокладка между листами не подвергается интенсивному сжатию, наоборот, подвергается растяжению, поэтому она не является эффективным акустическим мостиком. Через эту прокладку проходит не большая величина звукового потока, не уменьшающая звукоизолирующие свойства всей конструкции.

Сборка вакуумированной панели с вакуумной прослойкой сложный процесс. Поэтому создание панелей больших размеров требует специального оборудования и специальной технологии. Но применение более мощных постоянных магнитов может заметно увеличить звукоизоляцию панели. Наиболее значимый вывод заключается в том, что создана конструкция вакуумированной панели с вакуумной прослойкой без эффективных акустических мостиков, а вакуумная прослойка выполняет функцию звукоизоляции.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Борьба с шумами на производстве/ под ред. Е.Я. Юдина. М.: Машиностроение, 1985. – 512 с.
  2. Хекл, М. Справочник по акустике / М. Хекл, Х. А. Мюллер; перевод с немецкого Б. Д. Виноградова и Н. М. Колоярцева. – Л.: Судостроение, 1980. – 400 с.
  3. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом / Н.И. Иванов. – М.: Логос, 2007. – 423 с.
  4. Мурзинов В.Л. Облегченные звукозащитные панели / В.Л. Мурзинов, П.В. Мурзинов, Ю.В. Мурзинов и др. // Noise Theory and Practice. 2021. Т. 7. № 2 (24). С. 226-234.
  5. Мурзинов В.Л. Звукоподавляющие панели для защиты от шума на путях его распространения / В.Л. Мурзинов, П.В. Мурзинов // Безопасность труда в промышленности. – 2018, №02. – С.5–11. DOI: 10.24000/0409-2961-2018-2-5-11.
  6. Тюрин А.П. Подходы к исследованию звукопоглощения закрытых резонаторных панелей в условиях импульсного шума / А.П. Тюрин, Б.В. Севастьянов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2009. № 2. С. 80—82.
  7. Патент RU №80895 РФ. Шумозащитная панель / А.П. Тюрин, Б.В. Севастьянов, Д.В. Парахин, С.А. Пигалев. – Опубл. 27.02.2009. – Бюл. № 6.
  8. Meyer E. Versuche uber Korperschalleitung (Schallbrucken) / E. Meyer, Akustische Zeitschrift, № 2, 1937.
  9. Боголепов И.И. Вакуумные звукоизолирующие конструкции / И.И. Боголепов  // Инженерно-строительный журнал. – 2008, № 1. – С. 22-29.
  10. Авторское свидетельство СССР 1270251. Звукоизолирующий элемент / Боголепов И.И., Рыбакова Е.В. –Опубл. 15.11.1984. – Бюл. № 42.
  11. Авторское свидетельство СССР 727775. Многослойное теплозвукоизоляционное ограждение / Дахин Г.К. и др. – Опубл. 15.04.1980. – Бюл. № 14.
  12. Патент 194893 Российская Федерация, МПК A61F 11/06. Противошумные наушники / Мурзинов В.Л., Мурзинов П.В., Мурзинов Ю.В., Попов С.В., Татаринова Ю.В. Заявка – № 2019133021; опубл. 26.12.2019 Бюл. № 36.
  13. Murzinov P. V. Acoustic protection in devices with vacuum layer / P. V. Murzinov, V. L. Murzinov, Yu.V. Murzinov, et al. // Akustika. 2021. Vol. 39. P. 7-9.
  14. Мурзинов В.Л. Защита от шума на путях его распространения с использованием вакуумной прослойки /В.Л. Мурзинов, П.В. Мурзинов, Ю.В. Мурзинов // Безопасность жизнедеятельности. № 08 (248). С. 13-15.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Bor'ba s shumami na proizvodstve [The fight against noise in production] / ed. by E.Y. Yudin. M.: Mechanical Engineering, 1985. - 512 p. [in Russian]
  2. Heckle, M. Spravochnik po akustike [Handbook of Acoustics] / M. Heckle, H. A. Muller; translated from the German by B. D. Vinogradov and N. M. Koloyartsev– - L.: Shipbuilding, 1980. - 400 p. [in Russian]
  3. Ivanov N.I. Inzhenernaja akustika. Teorija i praktika bor'by s shumom [Engineering acoustics. Theory and practice of noise control] / N.I. Ivanov. - M.: Logos, 2007– - 423 p. [in Russian]
  4. Murzinov V.L. Oblegchennye zvukozashhitnye paneli [Lightweight sound-proof panels] / V.L. Murzinov, P.V. Murzinov, Yu.V. Murzinov et al. // Noise Theory and Practice. 2021. Vol. 7. No. 2 (24). pp. 226-234. [in Russian]
  5. Murzinov V.L. Zvukopodavljajushhie paneli dlja zashhity ot shuma na putjah ego rasprostranenija [Sound-suppressing panels for noise protection on the ways of its propagation] / V.L. Murzinov, P.V. Murzinov // Bezopasnost' truda v promyshlennosti [Occupational safety in industry]. - 2018, No.02. - pp.5-11. DOI: 10.24000/0409-2961-2018-2-5-11. [in Russian]
  6. Tyurin A.P. Podhody k issledovaniju zvukopogloshhenija zakrytyh rezonatornyh panelej v uslovijah impul'snogo shuma [Approaches to the study of sound absorption of closed resonator panels in conditions of pulsed noise] / A.P. Tyurin, B.V. Sevastyanov // Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva [Bulletin of the Tupolev KSTU]. 2009. No. 2. pp. 80-82. [in Russian]
  7. Patent RU №80895 RF. Shumozashhitnaja panel' [Patent RU No. 80895 of the Russian Federation. Noise-proof panel] / A.P. Tyurin, B.V. Sevastyanov, D.V. Parakhin, S.A. Pigalev. - Publ. 27.02.2009. - Byul. No. 6. [in Russian]
  8. Meyer E. Versuche uber Korperschalleitung (Schallbrucken) [Experiments on body sound conduction (sound bridges)] / E. Meyer // Akustische Zeitschrift [Acoustic Magazine], No. 2, 1937. [in German]
  9. Bogolepov I.I. Vakuumnye zvukoizolirujushhie konstrukcii [Vacuum soundproof structures] / I.I. Bogolepov // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal [Civil Engineering Journal]. - 2008, No. 1. - pp. 22-29. [in Russian]
  10. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR 1270251. Zvukoizolirujushhij jelement [Copyright certificate of the USSR 1270251. Soundproof element] / Bogolepov I.I., Rybakova E.V. - Publ. 15.11.1984. - Byul. No. 42. [in Russian]
  11. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR 727775. Mnogoslojnoe teplozvukoizoljacionnoe ograzhdenie [Copyright certificate of the USSR 727775. Multilayer heat and sound insulation fencing] / Dakhin G.K. et al. - Publ. 15.04.1980. - Byul. No. 14. [in Russian]
  12. Patent 194893 Rossijskaja Federacija, MPK A61F 11/06. Protivoshumnye naushniki [Patent 194893 Russian Federation, IPC A61F 11/06. Anti-noise headphones] / Murzinov V.L., Murzinov P.V., Murzinov Yu.V., Popov S.V., Tatarinova Yu.V. Application - No. 2019133021; publ. 26.12.2019 Byul. No. 36. [in Russian]
  13. Murzinov P. V. Acoustic protection in devices with vacuum layer / P. V. Murzinov, V. L. Murzinov, Yu.V. Murzinov, et al. // Akustika. 2021. Vol. 39. P. 7-9.
  14. Murzinov V. L. Zashhita ot shuma na putjah ego rasprostranenija s ispol'zovaniem vakuumnoj proslojki [noise Protection on the ways of its distribution using vacuum layer] / V. L. Murzinov, P. V. Murzinov, Y. V. Murzinov // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti [Safety]. 2021. No. 08 (248). pp. 13-15. [in Russian]