Ограждающие конструкции зданий и сооружений проходят проверку на звукоизолирующую способность. Соответствие бетонных/железобетонных перекрытий нормам по звукоизоляции оценивается путем проведения натурных или лабораторных испытаний на воздействие воздушного и ударного шума

Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 27296-2012 «Методы измерения звукоизоляции ограждающих конструкций». Также данным нормативным документом регламентируются методы и аппаратура для измерения звукоизоляции. Все испытания по измерению звукоизоляции перекрытий проводятся в третьоктавном диапазоне частот от 100 Гц до 3150 Гц, так как именно в данном диапазоне частот звук воспринимается человеческим ухом. 

Лабораторные испытания проводят в специальных реверберационных помещениях, а на этапе проектирования провести натурные испытания невозможно. Именно поэтому численное моделирование звукоизолирующей способности является актуальным направлением исследований в области акустики.

В качестве демонстрации возможностей при решении акустических задач проведем сравнение звукопоглощающей способности двух плит: многопустотной плиты типа 1ПК (рисунок 1) и сплошной плиты 1П. Сравнение будет проводиться по изоляции воздушного и ударного шумов.

Рисунок 1 – Многопустотная плита

Измерение изоляции воздушного шума

В процессе моделирования и обработки результатов необходимо руководствоваться ГОСТ 27296-2012.  В соответствии с ним, воздушный шум должен представлять собой диффузное звуковое поле (звуковое поле в замкнутом объеме, образованное отражениями от поверхностей и характеризуемое равномерным распределением уровня звука и уровня звукового давления по всему объему и равновероятностью направлений прихода звуковых волн в любую точку помещения).

Для проведения виртуальных испытаний на воздействие воздушного шума используется акустический модуль Ansys Harmonic Acoustics, который содержит необходимое граничное условие Diffuse Sound Field (DSF, Диффузное звуковое поле). Данное граничное условие создает набор случайных плоских волн, направленных под случайными углами, что является прямым аналогом диффузного звукового поля в натурных условиях. 

На границах акустического домена под плитой использовано граничное условие излучения. Плита жестко закреплена по кромке. На рисунке 2 представлены действующие граничные условия и воздействия.

Рисунок 2 – Граничные условия при измерении изоляции воздушного шума

В задаче моделируется идеализированная картина звукопередачи (только через плиту перекрытия) без передачи акустических колебаний по косвенным путям – через несущие и конструктивные элементы здания (стены), а также щели и отверстия (окна, дверные проемы). 

В качестве результатов расчетов выступают спектры изоляции воздушного шума в третьоктавной полосе частот (рисунок 3).  Спектр изоляции представляет собой распределение значений изоляции воздушного шума почастотно (на каждой из частот третьоктавного диапазона).

Рисунок 3 – Спектры изоляции воздушного шума

Используя полученные распределения изоляции, можно качественно сравнить звукопоглощающую способность рассматриваемых плит. Таким образом, определяем, что сплошная плита обладает лучшей изоляционной способностью на более высоких частотах (от 400 Гц до 2000 Гц), чем многопустотная.

Также, используя полученные результаты, можно провести оценку изоляционной способности перекрытий одним числом – определить индекс изоляции воздушного шума в соответствии с методикой, приведенной в ГОСТ 27296-2012. Для рассматриваемых плит индексы изоляции воздушного шума составляют 66 дБ и 68 дБ соответственно для сплошной и многопустотной плит. 

Таким образом, звукоизоляционная способность по воздушному шуму для сплошной и многопустотной плит почти одинакова. Однако, многопустотная плита является более оптимальным выбором, так как она пригодна для прокладывания в ее отверстиях различных коммуникаций.

Измерение изоляции ударного шума

Для испытаний по определению изоляционной способности плиты к ударному шума используются специализированные ударные машины. 

В расчетной модели нам необходима только часть этой ударной машины, а именно тело молотка, он изображен на рисунке 4 и представляет собой цилиндр со сферической ударной частью.

Рисунок 4 – Граничные условия при измерении изоляции ударного шума

Для моделирования распространения ударного шума и получения результирующего акустического давления использован модуль Ansys Transient Structural. Расчетная модель состоит из плиты перекрытия и акустической области (домена), в которой моделируется распространение акустических колебаний. На границах акустического домена использованы граничные условия излучения. Аналогичные граничные условия использованы для многопустотной плиты перекрытия.

В испытаниях плит на воздействие ударного шума по ГОСТ 27296-2012 молоток устанавливают на высоте 40 мм.

Распределение уровня ударного шума в заданной частотной области получено преобразованием Фурье колебаний давления во временной области (рисунок 5).

Рисунок 5 – Спектры уровня звукового давления

Исходя из результатов расчета на изоляцию ударного шума, уровень звукового давления за многопустотной плитой выше, чем за сплошной. Это говорит о том, что многопустотная плита хуже поглощает воздействие ударного шума.

Заключение

Рассмотренный пример охватывает только небольшую часть из огромного перечня задач акустики, которые можно решить с использованием Ansys. В рамках строительства это расчеты изоляции не только бетонных междуэтажных перекрытий, но и ограждающих конструкций с окнами, дверьми и изоляционными покрытиями.

Рассматривая другие области применения моделирования акустики, можно отметить следующие интересные задачи: минимизация шума от машин и механизмов на рабочих местах, задачи распространения акустических колебаний под водой, моделирование акустики концертных залов, моделирование акустики звукозаписывающих студий и прочее.