Борьбой с шумом занимаются: на судах — судовая акустика [2, 3, 6, 8, 16, 19, 20, 24], на самолетах — авиационная акустика [9, 17], в автомобилях, поездах и строительных машинах — транспортная акустика [7, 31], на предприятиях — промышленная акустика [1, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 15], в зданиях и на территориях — строительная акустика [9, 14, 18, 21, 22, 23, 25, 26, 28].
Последняя является самой старшей и распространенной, постоянно затрагивающей наибольшее количество людей в мире. Все перечисленные науки традиционно озабочены снижением шума: в источнике его возникновения; на пути распространения от источника к объекту шумозащиты; на самих объектах шумозащиты. Строительная акустика занята защитой людей от шума там, где живут, работают, учатся, лечатся и отдыхают миллионы людей.
Снизить шум здесь можно наиболее эффективно на самих объектах шумозащиты. Источниками интенсивного шума в жилых, общественных и промышленных зданиях и на селитебных территориях являются разнообразные машины, устройства и люди (авто-, авиа-, рельсовый и водный транспорт, инженерное оборудование зданий, громкая музыка, шумные соседи, двигатели внутреннего сгорания, вентиляторы, турбины и насосы, электромашины, трансформаторы и т.д.).
При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий необходимо четко представлять себе все современные способы борьбы с шумом с целью их рационального применения для конкретного случая. Но в любом случае должны быть приняты лучшие решения с учетом достижений в продвинутых областях — судовой, авиационной, транспортной и промышленной акустиках. Данная статья посвящена анализу современных способов борьбы с шумом и разработке соответствующих эффективных рекомендаций для инженерастроителя.
Начнем с определения сущности и эффективности основных способов снижения шума машин. Под термином «машина» здесь обозначены все машины, механизмы и производственное оборудование. Акустическим коэффициентом мощности машины назовем отношение звуковой мощности W [Вт], излучаемой во внешнюю среду машиной, к ее функциональной мощности Wм [Вт], создаваемой или потребляемой машиной:
Наибольшим акустическим коэффициентом мощности обладают такие устройства как громкоговорители. Если, например, функциональная мощность громкоговорителя Wм = 10 Вт, а уровень излучаемой звуковой мощности в лучшем случае равен 117 дБ (N = 0,5 Вт), то акустический коэффициент ηa = 0,05 (5 %). Эти устройства созданы специально для звукоизлучения, но их функциональная мощность по сравнению с мощностью машин мала.
Один из наиболее распространенных и типичных источников шума машин — двигатель внутреннего сгорания. Например, уровень мощности внутри цилиндра дизеля равен приблизительно 220 дБ (10 тыс. МВт). Излучаемая корпусом дизеля звуковая мощность на средних частотах равна 120 дБ (W = 1 Вт). Мощность на выходном валу ориентировочно Wм = 1 МВт.
Акустический коэффициент мощности здесь ηa = 10–6 (10–4 %). Несмотря на очень малый ηa, звуковая мощность машин может значительно превысить звуковую мощность самого большого высокоэффективного громкоговорителя. Физический механизм звукоизлучения машины, например, дизеля, может быть представлен схематически следующим образом. Вынужденная переменная сила F(t), определяемая функциональной мощностью Wм, вызывает в некоторой части машины внутри нее в точке 1 колебательную скорость v1(t). Внутренний механический импеданс в этой точке составит:
От действия указанной силы на поверхности машины в точке 2 возникают колебания со скоростью v2(t), в результате чего излучается звуковая мощность W. Пусть колебания в точках 1 и 2 связаны посредством коэффициентом передачи (передаточная функция) aм следующей линейной зависимостью: v2 = aмv1(t).
Тогда звуковая мощность, излучаемая поверхностью машины вблизи точки 2, запишется в виде: W = ρcv2 2 (t)Sγ, где ρc — импеданс среды вокруг машины; S — площадь излучения вблизи точки 2; γ — коэффициент излучения, равный отношению интенсивности звука, излучаемого поверхностью машины вблизи точки 2, к интенсивности звука, излучаемого колеблющимся поршнем с той же площадью S и той же скоростью v2(t). В результате получаем важную для нас формулу звуковой мощности машины:
Проанализируем, исходя из этой формулы, первые шесть основных способов снижения шума.
1. Первый способ состоит в уменьшении вынуждающих сил F(t). Однако технический прогресс обуславливает постоянный рост мощности и скоростных параметров машин, что приводит к увеличению вынуждающих сил. Сокращение допусков, балансировка и другие мероприятия по совершенствованию машины снижает действие этих сил, но, как правило, в меньшей степени, чем происходит их рост от увеличения мощности и скоростных параметров.
Упования на борьбу с шумом в источнике его возникновения в качестве кардинального решения проблемы пока оправдываются редко. Это проблема совершенствования машин, повышения ее коэффициента полезного действия. Решая ее, машиностроители одновременно решают и проблему снижения шума.
2. Второй способ снижения шума машин состоит в увеличении внутреннего механического импеданса Zм. Этот способ также противоречит, но уже другой тенденции технического прогресса — сокращению материалоемкости и уменьшению массы машины, что приводит к увеличению вибровозбудимости: уменьшается Zм, и, как следствие, увеличивается шум машины. Таким образом, увеличение внутреннего механического импеданса, даже в своем простейшем виде путем увеличения массы машин, бесперспективно. По причине роста вынуждающих сил и снижения материалоемкости шум машин растет.
3. Третий способ состоит в уменьшении передачи звуковых колебаний от места возбуждения к месту излучения, т.е. в уменьшении коэффициента передачи aм благодаря виброизоляции. Здесь имеются два пути применения виброизоляции — внутренний и внешний. Первый не находит какого-либо серьезного применения ввиду трудности его совмещения с прямым функциональным назначением машины. А вот внешняя виброизоляция широко используются для снижения структурного звука, к примеру, на судах.
В зданиях (особенно высотных и элитных) этот вид звукоизоляции, безусловно, перспективен, например, в виде звукоизолирующих амортизаторов и вибропрокладок для изоляции структурного звука машин, устройств и инженерных систем. Традиционно он применяется для изоляции ударного шума в междуэтажных перекрытиях.
4. Четвертый способ состоит в уменьшении излучаемой поверхности S. Это иногда удается сделать путем уменьшения габаритных размеров машины (вместо одной большой машины — много малых машин) или использования решетчатого корпуса машины вместо сплошного. Уменьшение излучающей поверхности имеет ограниченное, но реально-эффективное применение. Например, перфорированием поверхности стола высокочастотного вибростенда можно заметно уменьшить излучаемую им звуковую мощность. Из-за простоты применения четвертый способ всегда надо иметь ввиду.
5. Пятый способ состоит в уменьшении импеданса окружающей среды ρc (произведение плотности среды на скорость звука в среде). Замена воздуха другим газом неэффективна, т.к. разница импедансов различных газов в этом случае незначительна. Можно сильно уменьшить импеданс окружающей среды, лишь поместив машину в сильно разреженный воздух. Но необходимо отметить, что в земных условиях это очень дорогой способ снижения шума. Однако, в специальных вакуумных звукоизолирующих конструкциях (например, в теплозвукоизолирующих иллюминаторах) и в космических аппаратах (путем выноса шумных агрегатов наружу) он уже находит реальное применение.
6. Шестой способ состоит в уменьшении коэффициента излучения γ. Это можно сделать, установив вокруг машины звукоизолирующую оболочку. В последние годы для многих сложных машин инженеры разработали совершенные, в т.ч. и с эргономической точки зрения, ограждающие оболочки (например, корпус для многооперационных станков с программным управлением).
К еще более совершенным оболочкам можно отнести корпуса самолетов, вертолетов, судов с динамическими принципами поддержания, легковых автомашин, цельнометаллических пассажирских вагонов. Инженеры-акустики взяли эти оболочки в качестве основы для создания эффективной и удобной звукоизоляции машин и устройств различного назначения. Описанный способ является наиболее распространенным из описанных в этой статье ранее.
7. При рассмотрении седьмого (а также восьмого) способа снижения шума обратимся к ключевой формуле строительной акустики [28]. Эта формула для уровней звука Lp [дБ] в расчетной точке на расстоянии r [м] от источника шума мощностью W [Вт] может быть представлена в виде:
где α — средний коэффициент звукопоглощения ограждающего помещения; Sп — площадь ограждающих поверхностей, м2; Lн — норма допустимого шума в расчетной точке, дБ. Из формулы, в частности, следует, что мощность шума W источника уменьшается в свободном полупространстве пропорционально квадрату расстояния r. Поэтому, если имеется необходимое большое расстояние от источника шума до человека, то седьмой способ — самый простой и эффективный. Однако, в условиях современного города его удается применить редко, т.к. свободного пространства здесь часто нет или оно стоит очень дорого. Но всегда следует помнить о том, что кардинально решить проблему шумового воздействия на чедовека можно, удалив его подальше от источников шума (например, сейчас престижно жить в загородном доме вдали от шума городского).
8. Восьмой способ состоит, как это также следует из вышеуказанной ключевой формулы, в увеличении звукопоглощения в окружающей человека среде — среднего коэффициента звукопоглощения ограждающих поверхностей помещения α. Эта величина имеет также определяющее значение для качества акустики зала. Но для снижения шума в помещении, хотя ее роль здесь качественно обязательна (без звукопоглощения невозможно реализовать звукоизоляцию), звукопоглощение само по себе количественно мало влияет на снижение шума.
Коэффициент звукопоглощения a можно изменить в реальных конструкциях лишь в небольших пределах, а именно от 0,1 до 0,7, т.е. максимум в семь раз (в отличие от звукоизоляции R [дБ], которую конструктор вправе изменить максимально в пределах примерно 60 дБ, т.е. по интенсивности звука в 1 млн раз!). Таким образом, для защиты людей от шума для инженера-строителя в первую очередь важна звукоизоляция.
Однако, специалист не должен исключать применение и других указанных выше способов снижения шума. С целью наиболее эффективного решения задач строительной акустики, в частности, при строительстве современного жилья (см. www.rost.ru), из вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Борьбу с шумом в жилых, общественных и промышленных зданиях и на селитебных территориях рекомендуется осуществлять инженеру-строителю с учетом достижений в других областях техники (судовая, авиационная, транспортная и промышленная акустики), а именно в виде:
- звукоизоляции ограждающих помещение конструкций зданий (стен, пола, потолка, окон и дверей);
- звуковиброизоляции и звуковибропоглощении машин, устройств и инженерных систем в зданиях;
- звукоизоляции и звукопоглощения системы вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях;
- звукоизолирующих кабин управления и комнат для конфиденциальных переговоров;
- акустических (шумозащитных) экранов на внешних магистралях и внутри помещений в зданиях;
- звукоизолирующих (шумозащитных) домов;
- звуковиброизоляции камер для стандартных акустических измерений звукоизоляции, звукопоглощения, виброизоляции и вибропоглощения.
Эффективность звукоизоляции и звукопоглощения, виброизоляции и вибропоглощения определяется по национальным, европейским или международным стандартам [28]. Результаты этого определения должны быть указаны в нормативно-технической строительной документации на здание и сооружение. Осуществлению вышеуказанных рекомендаций по снижению шума посвящена представленная ниже литература [25–32], которую лучше всего получить в оцифрованном виде в трех отечественных книгохранилищах: Российской государственной библиотеке, Российской национальной библиотеке и Президентской библиотеке им. Б. Ельцина.
Литературу [1–24] рекомендуется использовать инженером-строителем как дополнительную. Всю литературу [1–32] удобно разместить в компьютере инженера-строителя в качестве справочного материала. Однако, без высококвалифицированного специалиста-акустика иногда бывает очень трудно представить заказчику нужное решение. В настоящее время готовится к изданию новая книга автора данной статьи «Акустика жилых, общественных и промышленных зданий».
Книга содержит изложение научных основ строительной акустики и разъяснение их инженерных применений с помощью домашних заданий. Целью ставится обучение решению двух главных задач: снижение вредного шума до нормы в современных зданиях и обеспечение в них качественной акустики речи и музыки. В книге уделено должное внимание соответствующим национальным стандартам РФ, Международным стандартам ISO и IEC, Европейским стандартам EN.
Приведен полный перечень более 630 указанных стандартов и даны рекомендации по их рациональному использованию. Замечательное предисловие к книге написал крупный российский ученый, инженер, организатор науки и высшего образования академик РАН, д.т.н., профессор, президент Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГТУ) Ю.С. Васильев.
Книга предназначена:
- для студентов и аспирантов строительных специальностей политехнических высших учебных заведений и соответствующих факультетов других вузов России и стран ближнего зарубежья;
- для инженеров, архитекторов, научных работников, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией зданий различного назначения, планировкой и застройкой населенных мест с целью защиты от шума и обеспечения нормативных параметров акустической среды в зданиях и на территории жилой застройки;
- для санврачей, работников экологических служб и коммунального хозяйства городов, областей, краев и республик РФ, занимающихся вопросами борьбы с шумом в зданиях и акустикой залов;
- для всех жителей городов и весей нашего Отечества и русского зарубежья, страдающих от шума и акустического дискомфорта и активно желающих эти страдания и дискомфорт прекратить.
Книга прошла рецензирование:
- заведующим кафедрой технологии, организации и экономики строительства инженерно-строительного факультета СПбГТУ, профессором, д.т.н. Н.И. Ватиным (рецензия утверждена деканом инженерно-строительного факультета СПбГТУ, профессором, д.т.н. А.И. Альхименко);
- заведующим кафедрой физики факультета естественнонаучного и гуманитарного образования СПбМГТУ, профессором, д.ф.м.н. Ф.Ф. Легушей;
- главным научным сотрудником ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, профессором, д.т.н., заслуженным деятелем науки и техники РФ В.И. Попковым.
Главный санитарный врач Москвы Николай Филатов в «Российской газете» от 21 января 2008 г. заявил, что за последние 10 лет из-за лишних децибел в городе в два-три раза увеличился рост сердечно-сосудистых заболеваний и гипертонии, и что излишне громкие звуки даже сокращают на 8–12 лет продолжительность жизни москвичей. Столичные власти обеспокоены: почти 70 % территории Москвы находятся в зоне шумового дискомфорта. Не лучше обстоит дело и во многих других городах. Проблемы строительной акустики ждут своих эффективных решений.
