Исследование звукового давления вблизи ограждений судового

XXVII сессия Российского акустического общества,
посвященная памяти ученых-акустиков
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
А. В. Смольякова и В. И. Попкова
Санкт-Петербург,16-18 апреля 2014 г.
Е.Н. Елтышева, А.В. Безъязычный, И.В. Королев, А.В.Попов,
А.Н. Соколов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
krylov6@krylov.spb.ru
+7(812)727-96-32
Исследование звукового давления вблизи
ограждений судового помещения
Грамотное проектирование противошумового комплекса при постройке и
переоборудовании судов всех классов, типов и назначений возможно только
при наличии информации об акустической обстановке в защищаемом
помещении и процессах формирования его акустического поля. Наиболее
сложными с этой точки зрения являются помещения источников (машинные
отделения, помещения вспомогательного оборудования). В работе
представлены результаты экспериментальных исследований звукового
давления вблизи ограждений судового машинного и дизель-генераторного
отделений при искусственном возбуждении воздушного шума. Приведены
результаты расчетов уровней звукового давления вблизи ограждающих
конструкций данных помещений, полученные в соответствии с методикой,
основанной на полуреверберационной структуре акустического поля.
Выполнена
сравнительная
оценка
результатов
расчетных
и
экспериментальных исследований, показывающая степень соответствия этих
данных друг другу и определяющая частотный диапазон, для которого
методика расчета дает практически приемлемую точность.
Воздушный
шум,
уровни
характеристики помещений.
звукового
давления,
акустические
ВВЕДЕНИЕ
Грамотное проектирование противошумового комплекса при постройке и
переоборудовании судов всех классов, типов и назначений возможно только при
наличии информации об акустической обстановке в защищаемом помещении и
процессах формировании в нем акустического поля. Наиболее сложным с этой точки
зрения являются помещения источников (машинные отделения, помещения
вспомогательного оборудования). Именно передача колебательной энергии от
источников воздушного шума и вибрации, расположенных в таких помещениях, в
значительной степени определяет уровни шума в смежных помещениях.
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
2
_________________________________________________________________________________________
1. СТРУКТУРА ПОЛЯ СУДОВОГО ПОМЕЩЕНИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА
УРОВНЕЙ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ВБЛИЗИ ЕГО ОГРАЖДЕНИЙ
1.1. Описание структуры акустического поля в судовом помещении
Шум в машинных отделениях и в помещениях вспомогательного оборудования
формируется за счет непосредственного излучения звука источниками,
расположенными в рассматриваемом помещении, которые характеризуются уровнями
звуковой мощности, излучаемой их вибрирующими поверхностями.
Используемые в настоящее время для расчета уровней воздушного шума в судовых
помещениях методики базируются на так называемой полуреверберационной модели
звукового поля.
Полуреверберационное звуковое поле является суперпозицией «прямой»
составляющей, обусловленной излучением звука источником в идеальных условиях
свободного пространства, и «отраженной» составляющей, обусловленной
многократными отражениями прямого звука от частично поглощающих ограждений
помещения, а также от расположенного в помещении оборудования. Поэтому поле
отраженного звука диффузно, то есть предполагается, что оно, во-первых, однородно
(плотность звуковой энергии во всех точках поля одинакова) и, во-вторых, изотропно
(интенсивность диффузного звука постоянная во всех точках поля). Диффузное поле
отраженного звука постоянно получает энергию от источника за счет прямого звука
(который становится отраженным после первого отражения) и теряет энергию при
последующих отражениях.
Отражающая и поглощающая способности ограждающих помещения поверхностей
и оборудования, находящегося в нем, существенно различаются и зависят от частоты,
поэтому значимость различных составляющих поля в одной и той же точке помещения
также зависит от частоты. Степень влияния диффузной составляющей акустического
поля на уровни прямого звука источника характеризуется частотно-зависимым
диффузным коэффициентом звукопоглощения ограждений помещения.
1.2. Метод расчета уровней воздушного шума вблизи ограждений помещения
источника
Одним из параметров, характеризующих звуковое поле в помещениях источников,
являются среднеквадратичные по точкам вблизи ограждений уровни звукового
давления,
создаваемые
i -ым механизмом, которые в рамках теории
полуреверберационного акустического поля могут быть определены по формуле (1).
Первые два члена формулы (1) характеризуют уровни звукового давления,
обусловленные прямым звуком источника в идеальных условиях свободного
пространства, третий член учитывает влияние отраженной (диффузной) составляющей
звукового поля в помещении.
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
3
_________________________________________________________________________________________
LˆПPi  LWi  10  lg( S П )  LП , дБ
 4  (1   П ) 
 , дБ
LП  10  lg 1 


П

(1)
где: LWi — уровни звуковой мощности i -ого источника, дБ;
S П — площадь ограждений помещения, м2;
LП — поправка на влияние отраженного звука в помещении;
 П — диффузный коэффициент звукопоглощения в помещении.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЕЙ ВОЗДУШНОГО ШУМА ВБЛИЗИ
ОГРАЖДЕНИЙ СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
2.1. Схема измерений
Для проверки точности основанного на полуреверберационной модели звукового
поля метода расчета среднеквадратичных по точкам вблизи ограждений помещения
источника уровней звукового давления, а также с целью исследования процессов
формирования звуковых полей вблизи конструкций, ограждающих помещения, был
выполнен ряд исследований.
Проводились измерения акустических характеристик в помещениях судна при
искусственном возбуждении воздушного шума в кормовом машинном отделении
(КМО) и дизель-генераторном отделении (ДГО) на различных режимах работы
системы возбуждения.
Для обеспечения возможности возбуждения воздушного шума был сформирован
тракт, состоящий из четырех акустических колонок № 1, 2, 3.1 и 3.2 на базе
широкополосных динамиков типа 4А-32, усилителей мощности типа LV-103 фирмы
«Роботрон» и генератора сигналов типа 1027 фирмы «Брюль и Къер».
Акустические колонки № 3.1 и № 3.2 в форме параллелепипеда включали по четыре
динамика, расположенные в его гранях. Акустические колонки № 1 и № 2 были
организованы каждая из двух излучателей, имеющих по два динамика, расположенных
во фронтальной плоскости. Для исключения непосредственной передачи колебательной
энергии в виде структурной вибрации от акустических колонок к корпусным
конструкциям, колонки вывешивались на упругом подвесе.
Схемы расположения акустических колонок, а также контрольных точек измерения
воздушного шума в КМО и ДГО приведены на рисунках 1 и 2. Точки измерения
воздушного шума располагались на расстоянии порядка 30 см от ограждений
помещений.
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
4
_________________________________________________________________________________________
Рис. 1. Схема расположения акустических колонок и контрольных точек в КМО
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
5
_________________________________________________________________________________________
Рис. 2. Схема расположения акустических колонок и контрольных точек в ДГО
Возбуждение воздушного шума в КМО и ДГО производились сигналом типа «белый
шум» в диапазоне частот 20 – 20000 Гц.
Возбуждение воздушного шума в КМО производилось на следующих режимах:
 работает колонка № 1;
 работает колонка № 2;
 работают колонки № 3.1 и № 3.2;
 работают колонки № 1, 2, 3.1 и 3.2.
Возбуждение воздушного шума в ДГО производилось при совместной работе
колонок № 3.1 и № 3.2.
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
6
_________________________________________________________________________________________
Так как уровни помех на низких частотах при неработающей системе возбуждения
были сравнимы или превосходили уровни полезного сигнала, оценки акустических
характеристик в помещениях судна выполнялись в третьоктавных полосах частот:
 125 – 10000 Гц в КМО;
 80 – 10000 Гц в ДГО.
В ходе испытаний определялись следующие спектральные характеристики
акустических параметров в соответствии с [1-3]:
 уровни звукового давления в контрольных точках вблизи ограждений
помещений;
 время реверберации в помещениях.
Значения времени реверберации в помещениях были полученные путем усреднения
соответствующих значений в контрольных точках 1–9, расположенных вблизи
ограждений КМО и контрольных точках 1–10, расположенных вблизи ограждений ДГО
(см. рис. 3 и 4).
Трев, сек
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
125
200
315
500
800
1250
2000
3150
5000
8000
f, Гц
Рис. 3. Время реверберации в КМО
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
7
_________________________________________________________________________________________
Трев, сек
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
80
125
200
315
500
800
1250
2000
3150
5000
8000
f, Гц
Рис. 4. Время реверберации в ДГО
Коэффициенты звукопоглощения в помещениях судна определялись
использованием измеренных значений времени реверберации по формуле:
 Трасч
 0.16 
рев
V
Т рев  S огр
с
(2)
где: V — объем помещения, м3;
Sогр — площадь ограждений помещения, м2;
Tрев — усредненное по точкам вблизи ограждений помещения время реверберации, сек.
Также значения коэффициентов звукопоглощения рассчитывались на основе
среднестатистических значений коэффициента звукопоглощения в машинных
отделениях  МО [4] и расчетных значений коэффициента насыщения помещения
оборудованием  по формуле:
2


расч
 МО
  МО  1   3 


(3)
где:  — коэффициент насыщения помещения оборудованием (отношение объема
помещения, заполненного оборудованием ( V М ), к объему помещения ( V П ).
2.2. Результаты
В качестве примера, на рисунках 5 и 6 приведены результаты расчетных оценок
среднеквадратичных по точкам вблизи ограждений КМО и ДГО уровней воздушного
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
8
_________________________________________________________________________________________
шума при совместной работе всех колонок (для КМО) и колонок 3.1 и 3.2 (для ДГО), в
сравнении с соответствующими экспериментальными значениями.
Расчетные оценки выполнены в двух вариантах:
 с
использованием
значений
коэффициентов
звукопоглощения,
рассчитанных на основе измеренного времени реверберации  Tрасч
;
рев
 с
использованием
значений
коэффициентов
звукопоглощения,
рассчитанных на основе среднестатистических значений коэффициента
расч
звукопоглощения в машинных отделениях  МО
и расчетных значений
коэффициента насыщения КМО оборудованием  .
L̂Пр , дБ
90
85
80
75
рассчетные значения с использованием измеренного
времени реверберации
70
рассчетные значения с использованием
среднестатистических значений коэ-та звукопоглощения
65
60
125
экспериментальные значения
250
500
1000
2000
4000
8000
f, Гц
Рис. 5. Среднеквадратичные по точкам вблизи ограждений КМО уровни воздушного
шума при совместной работе всех колонок (№ 1, № 2, № 3.1 и № 3.2)
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
9
_________________________________________________________________________________________
L̂Пр , дБ
90
85
80
75
70
рассчетные значения с использованием измеренного времени
реверберации
65
рассчетные значения с использованием
среднестатистических значений коэф-та звукопоглощения
экспериментальные значения
60
80
160
315
630
1250
2500
5000
10000
f, Гц
Рис. 6. Среднеквадратичные по точкам вблизи ограждений ДГО уровни воздушного
шума при работе колонок № 3.1 и № 3.2
Сравнение результатов расчетных оценок среднеквадратичных по пространству
вблизи ограждений помещений судна уровней воздушного шума, выполненных в КМО
и ДГО на различных режимах работы системы возбуждения, с соответствующими
экспериментальными значениями показывает, что:
 расчетные оценки, выполненные с использованием значений
коэффициентов звукопоглощения, полученных на основе результатов
измерений времени реверберации в помещениях, и приведенных
коэффициентов
звукопоглощения,
полученных
на
основе
среднестатистических значений для машинных отделений с учетом
степени насыщения помещения оборудованием, близки по величине;
 усредненная по помещениям судна и по режимам работы системы
возбуждения воздушного шума разность расчетных оценок и
экспериментальных значений составляет +5 - +2,5 дБ в третьоктавных
полосах частот 125 – 630 Гц и порядка  1,5 дБ в третьоктавных полосах
частот 800 – 10000 Гц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким
образом,
результаты
выполненных
расчетно-экспериментальных
исследований показали, что применение теории, основанной на полуреверберационной
структуре акустического поля, для расчета среднеквадратичных по точкам вблизи
ограждений помещения источника уровней звукового давления дает практически
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
10
_________________________________________________________________________________________
приемлемую точность в диапазоне частот выше 400-500 Гц. На более низких частотах
расчет на основе использования полуреверберационной модели звукового дает
завышенные результаты. Для выявления причин сравнительно высокой погрешности
расчета в области частот ниже 400 Гц необходимо проведение дополнительных
исследований структуры звуковых полей в судовых помещениях источников.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 12.1.020-79 «Шум. Методы контроля на морских и речных судах».
2. РД ИМЯН.154-2007 «Методика выполнения измерений характеристик воздушного
шума в помещении (отсеке)».
3. ИСО 3382 «Измерения времени реверберации в помещениях».
4. РД 5.0173-87 «Уровни шума в судовых помещениях. Методика расчета».
_________________________________________________________________________________________
А.В. Безъязычный, Е.Н. Елтышева, И.В. Королев, А.В., А.Н. Соколов
Исследование звукового давления вблизи ограждений судового помещения