Способ настройки частотных характеристик звукопоглощающих систем и материалов
Владельцы патента RU 2789296:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) (RU)
Изобретение относится к областям строительной акустики и транспортного машиностроения. Сущность изобретения заключается в том, что определяют спектр воздействующего шума и выявляют в нём доминирующие спектральные составляющие, на которые затем настраивают собственные частоты резонаторов Гельмгольца путем подбора размеров резонатора, определяющих значение собственной частоты, а для перестройки собственной частоты резонатора в область низкочастотного шума и инфразвука значительно увеличивают массу колеблющейся в горле среды, для чего заполняют горло иной средой, например вязкой жидкостью или гелем, при сохранении в полости резонатора газовой среды, а при выявлении в спектре нескольких доминирующих дискретных составляющих, в том числе отличающихся по частоте на декаду и более, на инфразвуковых и низких звуковых частотах применяют резонатор с увеличенной массой среды в горле, а на высоких частотах применяют резонатор с газовой средой во всём его объеме, при этом для удержания в горле резонатора иной среды формируют два изолирующих слоя, внутренний и внешний, выполненные, например, из газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки, таким образом, что внутренний слой плёнки разделяет между собой горло и полость, а внешний слой плёнки отделяет горло резонатора от внешней среды. Исполнение резонатора Гельмгольца с увеличенной массой среды в горле применяют также при создании предназначенного для подавления низкочастотного шума звукопоглощающего материала, выполняемого в виде перфорированной панели, монтируемой с зазором на стене помещения, для чего заполняют отверстия панели иной средой, например вязкой жидкостью. Техническим результатом изобретения является существенное расширение границ диапазона рабочих частот шумоподавления в низкочастотную область, вплоть до инфразвукового диапазона, без увеличения габаритов резонатора Гельмгольца. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам, предназначенным для подавления шума, и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности для подавления шума, создаваемого транспортными средствами, а также в строительной индустрии для подавления шума, создаваемого в помещениях, преимущественно, работой средств жизнеобеспечения, в частности, работой систем вентиляции и кондиционирования, и воздействующего на находящихся в них людей и на окружающую среду.
Уровень техники
Характерной особенностью шума, воздействующего сегодня на человека и окружающую среду, является широкий частотный спектр, содержащий ряд доминирующих областей, сформированных чаще всего интенсивными дискретными составляющими (ДС); последнее особенно справедливо для техногенного шума. Поэтому в звукопоглощающих устройствах и материалах нередко используют конструкции резонансного типа, в том числе резонаторы Гельмгольца (РГ), собственные частоты которых настраивают различными способами на доминирующие спектральные составляющие.
Из уровня техники известны способы и системы для подавления шума, согласно которым, при неизменных внешних габаритах РГ, содержащихся в системах, настройку резонансной частоты РГ производят изменением действующих (эффективных) размеров горла и полости (камеры) РГ.
В частности, из уровня техники известны способ и система для снижения шума, связанного с РАБОТОЙ ДВС (EP 0111336 А2), предусматривающие возможность изменения проходного сечения горла РГ. Для реализации данной функции РГ содержит коническую вставку, которая может вдвигаться из полости РГ в горло (также имеющее форму усеченного конуса), изменяя эффективное сечение горла и, соответственно, перестраивая резонансную частоту. Однако таким образом обеспечивается регулировка шумоподавления лишь в незначительном интервале частот - от 50 Гц до 180 Гц, - что является недостатком данного изобретения.
Из уровня техники известна звукопоглощающая панель из гипсокартона фирмы КНАУФ (WO 2017108146A1), представляющая собой перфорированный лист, прикрепляемый к стене или потолку помещения. Подробная информация размещена на сайте производителя (Интернет-ресурс: https://www.knauf.ru). В частности, сообщается, что «КНАУФ-Акустика - перфорированный гипсокартонный лист с обрезанными кромками различной формы и наклеенным на тыльную сторону звукопоглощающим слоем нетканого полотна. Производится с разным типом перфорации». В конструкции плиты (звукопоглощающей панели) фактически воспроизводится техническое решение, предложенное в 1933 г. Винтергерстом и обоснованное теоретически и экспериментально в 1934-1936 гг. С.Н. Ржевкиным. Было показано, что вырезанную ячейку материала с одним отверстием можно рассматривать как РГ. Горло РГ создаётся отверстием в плите, а полость - объемом между ней и стеной помещения. С.Н. Ржевкиным также было предложено для увеличения поглощения вставлять в горло продуваемый материал, причем в экспериментах, проведенных им с различными материалами, была показана эффективность металлической сетки. (Ржевкин С.Н. Обзор работ по резонансным звукопоглотителям. УФН. 1946. Вып.1-2. СС. 40-62.) При установке звукопоглощающей панели КНАУФ (размер отверстия-горла 12х12х12,5 мм3) объём создаётся за счёт ее размещения на расстоянии от стены 20 (или 6) см. Возможно выполнение звукопоглощающей панели с минеральной ватой в горле и без неё. Частотная характеристика в первом варианте имеет максимум около 500 (или 1000) Гц, соответственно расстояниям от стены; полоса эффективного поглощения – приблизительно от (0,4…0,5)fрез до (2…2,5)fрез. При этом следует отметить, что конструкция звукопоглощающей панели не рассчитана на область низкочастотного шума. Получение панели с шумопоглощением в низкочастотном спектральном диапазоне требует увеличения объема плиты на порядок.
Известны также способ и устройство для снижения шума системы выпуска ДВС (RU 2362892), которые основаны на использовании акустического резонатора типа РГ с изменяемой резонансной частотой, который устанавливают перед глушителем. Согласно изобретению, предварительно получают спектр шума внутри трубы и определяют спектральные составляющие частоты следования выхлопов с повышенными уровнями, а резонансную частоту акустического резонатора при работе двигателя на любых оборотах синхронно настраивают на частоту гармоники следования выхлопов с повышенными уровнями шума. Резонансную частоту РГ настраивают на доминирующую область спектра шума подбором его геометрических параметров, а «тонкую» подстройку (в пределах приблизительно октавы) производят путём изменения объёма полости РГ. Для этого задняя стенка предлагаемого РГ выполнена в виде подвижного поршня, перемещаемого посредством управляющего сигнала, подаваемого на исполнительный механизм. Снижение шума резонатором происходит благодаря трению при колебаниях газовой среды в горловине резонатора. Увеличить трение в горловине можно путем установки внутри нее продуваемого материала, например, металлической сетки. Данное техническое решение принято за прототип.
В изобретении по патенту RU 2362892 оценка резонансной частоты проведена исходя из известной формулы:
где f рез - собственная частота РГ, с – скорость звука, S – площадь поперечного сечения горла, l – длина горла, V – объём полости.
При оценке резонансной частоты под l понимается эффективная длина горла, превышающая фактическую (конструктивную) длину на величину так называемой концевой поправки. Введением данной поправки учитывается физический эффект увеличения колеблющейся в объёме горла массы воздуха на величину присоединенной массы, образующейся за счёт диссипативных потерь энергии звуковой волны в окрестностях входного и выходного сечений горла. Наиболее распространенная в практических приложениях формула оценки:
l = l0 + 0,8d ,
где l0 – фактическая длина горла, а d – его диаметр.
Из формулы (1) следует, что резонансная частота РГ fрез пропорциональна 1/√V, то есть увеличение объема полости резонатора приводит (при неизменных значениях S и l0), к снижению значения fрез. Этот принцип и положен в основу реализуемого в прототипе устройства, один из резонаторов которого должен быть настроен на изменение его резонансной частоты в диапазоне 45-105 Гц (с.6 описания). Однако для получения значения резонансной частоты, равного 50 Гц, при S=1 см2 (d=1,13 см) и l=8 см (l0=7,1 см), необходим объём полости V=1500 см3, для чего при диаметре полости, равном 10 см (площадь сечения 78 см2), потребуется установить длину L полости равной 19 см. Длина РГ в целом составит при этом L+ l0 =26 см, что делает такую систему звукопоглощения громоздкой и неудобной для использования на низких звуковых частотах, а возможность использования её в инфразвуковом диапазоне практически исключает. Это является серьёзным недостатком прототипа.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является существенное расширение границ диапазона рабочих частот шумоподавления в низкочастотную область, вплоть до инфразвукового диапазона, без увеличения габаритов РГ.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом является обеспечение возможности шумоподавления в диапазоне рабочих частот, нижняя граница которого находится в пределах инфразвукового диапазона, без увеличения объема резонатора.
Технический результат достигается способом настройки частотных характеристик звукопоглощающих систем и материалов, содержащих упругие поглощающие элементы типа резонатора Гельмгольца с размещенным в его горле продуваемым материалом, заключающимся в том, что определяют спектр воздействующего шума и выявляют в нём доминирующие спектральные составляющие, на которые затем настраивают собственные частоты резонатора Гельмгольца путем подбора размеров резонатора, определяющих значение собственной частоты, согласно изобретению,
собственную частоту резонатора сдвигают в область низкочастотного шума и инфразвука при сохранении размеров резонатора посредством размещения в горле резонатора диссипативных элементов в виде слоев вязкой среды с большей плотностью, по сравнению с газовой средой, которой заполняют полость резонатора, при этом в качестве вязкой среды используют жидкость или гель, размещаемые в горле резонатора между двумя изолирующими слоями, внутренним и внешним, выполненными из газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки, или метаматериал, имеющий акустические характеристики, близкие к характеристикам вязкой жидкости, и обладающий свойством сохранения формы.
В качестве звукопоглощающей системы может быть использована перфорированная панель, при этом резонаторы Гельмгольца формируют посредством расположения панелей с зазором относительно стены с заполнением отверстий панелей вязкой средой.
Использование РГ, горло которого заполнено жидкостью с плотностью, значительно (примерно на три порядка) превышающей плотность воздуха, позволяет значительно снизить резонансную частоту при сохранении размеров резонатора. При выявлении в спектральной полосе частот нескольких доминирующих ДС, в том числе отличающихся по частоте на декаду и более, на инфразвуковых и низких звуковых частотах применяют резонатор с увеличенной массой среды в горле, а на высоких частотах применяют резонатор с газовой средой во всём его объеме.
Среда, отличная от газовой, и имеющая увеличенную массу, например, жидкость или гель, удерживается в горле РГ двумя изолирующими слоями, выполненными, например, из газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнки, таким образом, что внутренний слой плёнки разделяет между собой горло и полость, а внешний слой плёнки отделяет горло резонатора от внешней среды.
Заявляемое техническое решение также может быть использовано при создании нового звукопоглощающего материала в виде перфорированной панели, отверстия которой заполняют средой, увеличивающей колеблющуюся в отверстиях (представляющих собой фактически горло РГ, полостью которого является объём между панелью и стеной) массу, например, вязкой жидкостью или гелем, что позволяет при креплении такой панели на стене помещения, жилого или производственного (или, например, на салонов и кабин транспортных средств), с незначительным, не более 3 см, зазором, снизить уровни воздействующего на людей низкочастотного шума.
Использование изобретения позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот звукопоглощающих стенках систем и материалов, включив в него области низкочастотного шума и, частично, инфразвука, при габаритных размерах, не превышающих габариты известных средств подавления шума.
Если горло РГ заполнено средой с плотностью ρ1, отличной от плотности ρ заполняющего полость РГ воздуха, формула для оценки резонансной частоты принимает вид:
Формула (2) следует из приведенных в книге (Исакович М.И. Общая акустика. – М.: Наука, 1974. С.371) математических зависимостей, с учетом соотношения, связывающего сжимаемость со скоростью звука и плотностью. Из формулы (2) следует, что резонансная частота может быть значительно снижена при неизменных значениях геометрических параметров РГ, если конструкция резонатора допускает возможность заполнения его горла средой, плотность которой многократно превышает плотность воздуха. Этот принцип положен в основу заявляемого технического решения.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена схема устройства с одним из вариантов крепления изолирующих слоев (1 – горло резонатора, 2 – полость резонатора, 3 – поршень, 4 – шток, 5 – внутренний изолирующий слой, 6 – внешний изолирующий слой, 7 – передняя стенка полости, 8 – стенка горла, 9 – решетка);
на фиг. 2 - схема выполнения горла как отдельной сборочной единицы;
на фиг.3 представлена типовая схема вентиляции помещения (Интернет-ресурс: https://tehnika.expert/klimaticheskaya/ventilyator/montazh-kanalnogo.html);
на фиг.4 представлена одна из возможных схем установки РГ на элементы воздуховода (1 – горло резонатора, 2 – полость резонатора, 10 – резонатор, 11 – воздуховод);
на фиг.5 представлена схема устройства с частичным заполнением горла (1 – горло резонатора, 2 – полость резонатора, 5 – внутренний изолирующий слой, 6 – внешний изолирующий слой, 7 – передняя стенка полости, 8 – стенка горла, 12 – слой жидкости);
на фиг.6 схематично показан пример выполнения горла из двух сборочных единиц (1 – горло резонатора, 2 – полость резонатора, 12 – слой жидкости, 13 – первый сборочный элемент горла, 14 – внешний изолирующий слой, 15 – внутренний изолирующий слой, 16 – второй сборочный элемент горла);
на фиг.7 схематично показан фрагмент звукопоглощающей панели: вид сверху;
(17 – панель, 18 – отверстия в панели);
на фиг.8 схематично изображен разрез фрагмента панели 17, выполненной из жесткого материала, например, гипсокартона. (9 – решетка, 17 – панель, 18 – отверстия в панели, 19– пленка, 20 – стена, 21 – зазор).
Осуществление изобретения
Далее представлено подробное описание заявляемого изобретения, не ограничивающее его сущность. Изобретение имеет широкую область применения, и описание его осуществления носит пояснительный характер, демонстрирующий возможность достижения заявленного технического результата. Настоящие техническое решение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, может изменяться состав заполняющей горло среды, исполнение изолирующих слоёв, материал панели и т.д.
Возможная конструкция устройства, реализующего заявляемый способ, схематично представлена на фиг.1. Цилиндрический РГ содержит горло 1 длиной l0 и диаметром d и камеру 2 диаметром D и длиной L, объем полости которой можно изменять перемещением поршня 3, образующего заднюю стенку камеры 2, например, путём воздействия на шток 4 исполнительного механизма (на схеме не показан). Горло 1 может быть заполнено вязкой жидкостью или гелем; в таблице приведены результаты расчёта собственной частоты резонатора для случаев заполнения горла маслом касторовым техническим, имеющим плотность 947 кг/м3 (ГОСТ 6757-96. Масло касторовое техническое. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2011) и глицерином техническим Т-94, имеющим плотность 1244 кг/м3 (ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1997). В полости 2 находится воздух. Жидкость удерживается в горле 1 двумя изолирующими слоями, внутренним 5 и внешним 6, газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки. Внутренний 5 слой, закреплённый на передней стенке 7 полости 2, герметично отделяет горло 1 от полости 2. Внешний 6 слой, закреплённый кольцеобразно по внешней поверхности края стенки 8 горла 1, герметично закрывает входное сечение горла 1. При этом, наряду с удержанием жидкости в горле 1, выполняется дополнительно функция защиты внутренней среды РГ от загрязнения возможными включениями, переносимыми потоком воздуха. В горле 1 помещена решётка 9, являющаяся дополнительным диссипативным элементом, выполненная из прутьев плохообтекаемой формы, например, квадратного сечения. Возможна конструкция горла 1 как отдельной сборочной единицы, предусматривающая крепление внутреннего 5 слоя пленки на выходном сечении горла 1 аналогично и симметрично тому, как крепится внешний 6 слой на входном сечении (фиг.2).
В качестве пленки – внутреннего и внешнего слоев может быть использована пленка толщиной от тысячных долей до 0,1 мм (Цельноформованные шумопоглощающие структуры для улучшения акустического комфорта автотранспортных средств. А.В. Краснов, М.И. Фесина, А.А. Балуев. В кн.: Сборник тезисов докладов на Международной научно-технической конференции с участием молодых учёных «Динамика и виброакустика машин», 5-7 сентября 2012 г. - Самара: Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета, 2012.). Свойствами газовлагонепроницаемости и динамической податливости обладает широкий класс пленок, в частности, пленки уретановые, виниловые, полиэтиленовые, полиэстеровые алюминизированные, а также тонкая алюминиевая фольга.
При монтаже РГ оформленное таким образом горло 1 соединяется с полостью резонатора (камерой резонатора) 2, например, адгезивным способом. С учетом сложности конструкции, при незначительных её размерах, изготовление РГ может быть реализовано с применением технологии 3Д-печати.
Возможность значительного, в сравнении с прототипом, снижения нижней границы частотной характеристики поглощения, осуществляемого за счёт увеличения массы среды, колеблющейся в горле 1, доказывает следующий пример реализации заявляемого изобретения.
Применим РГ с параметрами, указанными в графе 2 нижеприведенной таблицы (скорость звука при оценочных расчетах принимается равной 340 м/с, плотность воздуха – равной 1,20 кг/м3).
Таблица
| Параметры | Изобретение | Прототип | Изобретение | Изобретение | Прототип | Изобретение |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| S (горла), см2 | 1 (d=1,13) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| V(полости), см3 | 80 | 80 | 21 | 5,3 | 156 | 80 |
| l, см | 5 (l0=4,1) | 5 | 3 (l0=2,1) | 3 | 3 | 5 |
| Среда заполнения горла | Масло касторовое |
Воздух | Масло касторовое |
Масло касторовое |
Воздух | Глицерин |
| fрез , Гц | 10 | 270 | 25 | 50 | 250 | 9 |
Значение резонансной частоты такого РГ в соответствии с формулой (2), составит 10 Гц. Если камера 2 имеет диаметр D=5см, то для создания рабочего объёма Vраб=80см3 требуется рабочая длина (удаление поршня 3 от передней стенки полости 2) Lраб=4см. Перемещая поршень 3 вперёд или назад (и соответственно уменьшая или увеличивая рабочий объём полости 2), можно осуществлять тонкую подстройку в пределах, приблизительно, одной октавы. Минимально возможное значение рабочей частоты, достигаемой с помощью заявляемого устройства, составляет единицы герц. Для сравнения, РГ с теми же геометрическими параметрами, но с воздушной средой во всём объёме резонатора (графа 3 таблицы), будет иметь резонансную частоту 270 Гц. Использование РГ с горлом, заполненным жидкой средой, обеспечивает возможность снижения собственной частоты резонатора в 27 раз, в сравнении с РГ таких же размеров с газовой средой в горле.
Низкочастотный шум является одним из главных факторов окружающей среды, негативно влияющих на физическое и психическое состояние людей. В многоэтажных зданиях источником его, в большинстве случаев, являются средства жизнеобеспечения, такие, как системы водоснабжения, вентиляции и кондиционирования, лифты. Примером могут служить мощные вентиляторы, производительностью в несколько тысяч м3/ч, работающие на скоростях вращения около 1200-1300 об/мин, и создающие интенсивный шум в области частот вблизи 20 Гц. Данные о соответствии нормам в сертификатах на вентиляторы не должны успокаивать потребителей - измерения шума, в соответствии с нормативной документацией (ГОСТ 31353.1-2007 (ИСО 13347-1:2004). Шум машин. Промышленные вентиляторы. – Интернет-ресурс: https://docs.cntd.ru), производятся в октавных полосах, начиная с октавы 63 Гц. Для более низких, тем более инфразвуковых частот, нормы отсутствуют и замеры не делаются. В такой ситуации применение эффективных в этом диапазоне звукопоглощающих устройств может дать положительный результат.
Возможный вариант применения РГ для снижения шума в вентилируемом помещении (см. типовую схему вентиляции на фиг.3) проиллюстрирован схемой, приведенной на фиг.4.
Резонаторы 10, в данном примере – четыре (для упрощения показаны одинаковыми), устанавливаются на стенках воздуховода 11. В данном примере элемент воздуховода 11, на котором выполнена установка РГ, имеет квадратное сечение. Возможна установка такого или большего числа резонаторов на стенках переходника вентиляционной решетки (фиг.3) или иного элемента воздуховода с прямоугольным сечением. Настройку резонансной частоты производят подбором геометрических параметров резонаторов 10, преимущественно применяя на частотах инфразвука и низкочастотного шума РГ с жидкостью в горле 1, а на более высоких частотах – РГ с воздушной средой во всём объеме. Пример подбора параметров резонатора приведен в таблице.
Для перестройки частотной характеристики РГ можно также применить частичное заполнение горла 1 жидкостью такой же плотности (фиг.5): слой 12 жидкости в данном случае занимает часть длины горла 1.
При изменении длины слоя 12 изменяется масса среды в горле 1 и, соответственно, изменяется плотность ρ1, входящая в формулу 2. Например, при li=l0/4 значение плотности уменьшится в 4 раза, что приведет к увеличению в 2 раза значения fрез. Для удержания в горле 1 слоя 12 могут быть использованы, так же, как и в описанном выше варианте резонатора (фиг.1), два изолирующих слоя, внутренний 5 и внешний 6, например, такой же газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки, с той разницей, что внутренний 5 слой закрепляют по образующей внутренней поверхности стенки 8 на требуемом расстоянии от границы горла 1 с полостью 2. Возможен также вариант исполнения горла 1 сборным, из двух частей (фиг.6).
При этом часть 13 горла 1 с жидкостью 12 имеет длину li, объем её полностью занят жидкостью. Герметичность обеспечивается двумя изолирующими часть 13 горла 1 слоями 14 и 15, выполненными, например, из газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнки. При монтаже сборочные единицы горла 1, части 13 и 16, соединяются между собой и затем - с камерой 2. В обоих случаях в слое 12 жидкости помещена решётка 9 (на фиг.фиг. 5, 6 не показана). Возможно применение при изготовлении РГ в данном варианте технологии 3Д-печати.
Заявляемое изобретение может быть использовано для снижения шумности в обитаемых модулях российского сегмента Международной космической станции (МКС). Данные измерений, проведенных за период 2008-2015 гг. показали, что в модулях станции шумность не соответствовала установленным нормам. Превышение предельно-допустимых уровней звука зарегистрировано в модулях СМ и МИМ-1 в 90%, а в модуле ФГБ в 80% наблюдений (Афанасьев А.В. и др. Акустический фон российского сегмента Международной космической станции: результаты измерений и проблемы его снижения. – Космонавтика и ракетостроение. 2015. №5 (84). С. 61-69.). Медиками отмечено негативное влияние повышенной шумности на здоровье членов экипажей МКС, снижение работоспособности в период пребывания на станции (Кутина И.В. и др. О снижении уровня шума в российском сегменте Международной космической станции. - Авиакосмическая и экологическая медицина. 2017. Т. 51. № 2. С. 5–12). Основными источниками шума являются системы жизнеобеспечения станции, прежде всего системы вентиляции и кондиционирования. Характерной особенностью спектра акустического фона служебного модуля станции (основного места работы и отдыха космонавтов) являются выраженные ДС в третьоктавах с частотами 25 и 50 Гц, а также подъем спектра в области 200…250 Гц, формируемый, в основном, вкладом ДС частотой около 250 Гц. В случае реализации заявляемого способа на станции, РГ с жидкостью в горле для частот 25 и 50 Гц будут иметь возможные геометрические параметры, указанные в таблице (графы 4, 5). Для подавления тонального шума с частотой около 250 Гц целесообразно использовать РГ прототипа, целиком заполненный воздухом (таблица, графа 6).
Заявляемое изобретение может быть реализовано также при создании нового звукопоглощающего материала в виде перфорированной панели. На фиг.7 схематично показан вид фрагмента панели 17 сверху, на фиг.8 схематично изображен разрез фрагмента панели 17, выполненной из жесткого материала, например, гипсокартона.
Отверстия 18 заполнены средой, увеличивающей колеблющуюся в отверстии массу, например, маслом касторовым техническим маслом или гелем; при использовании панели из гигроскопичного материала, стенки отверстия покрыты слоем изоляционного материала; внутри отверстия помещена решетка 9, предназначенная для увеличения трения при колебаниях среды внутри отверстия, аналогично сетке, предлагаемой в способе-прототипе. С этой целью может быть применена плоская решётка, выполненная из равномерно перфорированного тонкого металлического листа, характеризуемая коэффициентом живого сечения k = 0,1…0,2. k определяется как отношение суммарной площади всех отверстий решётки к площади сечения решётки (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992. Раздел 8).
Поверхности панели 17 полностью, в данном примере, закрыты адгезивно закрепленной газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнкой 19, обеспечивающей, наряду с изоляцией заполняющей отверстия 18 среды, защиту поверхностей от пыли и влаги. Панель монтируется на стене 20 с зазором около 1 см. Часть панели 17, содержащую одно отверстие 18, вкупе с объёмом в зазоре между панелью 17 и стеной 20, можно рассматривать как РГ. В качестве упругого элемента (полости) здесь выступает сжимаемый объем воздуха между панелью 17 и стеной 20, а в качестве диссипативного элемента (горла резонатора) – отверстие 18, в которое помещена решетка 9. При выполнении панели 17 толщиной 1,2 см, перфорированной, с шагом 3 см, квадратными отверстиями 18, со стороной 1 см, и зазором между панелью 17 и стеной 20 величиной 3 см, для максимума частотной характеристики поглощения значение частоты составит примерно 25 Гц. Ширину полосы эффективного поглощения можно примерно оценить частотным интервалом от (0,4…0,5) fрез до (2…2,5) fрез, то есть для данного случая – от (10…12,5) Гц до (50…60) Гц. При изготовлении аналогичной панели с геометрическими параметрами, обеспечивающими максимум частотной характеристики поглощения ≈100 Гц, то вместе эти две панели перекроют весь диапазон низкочастотного шума и часть диапазона инфразвука. Комплект из двух таких панелей, монтируемый с незначительным (≤ 3 см) зазором на стене жилого или производственного помещения (или, например, на стенках салонов и кабин транспортных средств), обеспечит снижение уровней негативно воздействующего на людей низкочастотного шума.
Для обеспечения необходимых характеристик звукопоглощающий материал, так и изделие целиком или его конструктивные элементы могут быть изготовлены из акустического метаматериала. Акустические метаматериалы, работающие в низкочастотном диапазоне, в случае изделия, выполненного из одного материала, могут быть изготовлены с помощью простого одностадийного метода (такого как традиционная механическая обработка или 3-Д печать) [C. Choi, S. Bansal, S. Subramanian, N. Münzenrieder. Fabricating and Assembling Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals. Adv. Eng. Mater. 2021, 23, 2000988]. Их преимуществами, помимо экономичности, доступности и простоты, является также возможность быстрого прототипирования посредством автоматизированного проектирования (САПР), совместимого как с технологиями 3-Д печати [S. A. M. Tofail, E. P. Koumoulos, A. Bandyopadhyay, S. Bose, L. O’Donoghue, C. Charitidis, Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities. Mater. Today. 2018, 21, 22], так и с технологиями обработки станком с числовым программным управлением (ЧПУ). В случае изделия, состоящего из разных материалов, может понадобиться многостадийный способ изготовления, включающий склейку или иные дополнительные операции.
1. Способ настройки частотных характеристик звукопоглощающих систем и материалов, содержащих упругие поглощающие элементы типа резонатора Гельмгольца с размещенным в его горле продуваемым материалом, заключающийся в том, что определяют спектр воздействующего шума и выявляют в нём доминирующие спектральные составляющие, на которые затем настраивают собственные частоты резонатора Гельмгольца путем подбора размеров резонатора, определяющих значение собственной частоты, отличающийся тем, что собственную частоту резонатора сдвигают в область низкочастотного шума и инфразвука при сохранении размеров резонатора посредством заполнения горла резонатора вязкой средой с большей плотностью, по сравнению с газовой средой, которой заполняют полость резонатора, при этом в качестве вязкой среды используют жидкость или гель, размещаемые в горле резонатора между двумя изолирующими слоями, внутренним и внешним, выполненными из газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки, или метаматериал, имеющий акустические характеристики, близкие к характеристикам вязкой жидкости, и обладающий свойством сохранения формы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве звукопоглощающей системы используют перфорированную панель, при этом резонаторы Гельмгольца формируют посредством расположения панели с зазором относительно стены с заполнением отверстий панели вязкой средой.
