UDK 53 Физика
GRNTI 29.37 Акустика
OKSO 03.04.01 Прикладные математика и физика
BBK 223 Физика
TBK 61 Физико-математические науки
BISAC COM059000 Computer Engineering
A model for calculating the sound insulation of a room for confidential negotiations is proposed. Two sources of sound are considered, a conversation between two people. It simulates the passage of sound through sound-absorbing structures such as doors, Windows, walls, and air vents. The simulation is performed using the COMSOL Multiphysics package.
sound, finite element method, sound power, 3D-models
Большая часть информации на переговорах представлена в виде речевой информации. Речь, вызывающая акустические сигналы, представляет собой механические колебания воздушной среды, которые распространяются одинаково во все стороны от источника звука. Попадая на твёрдые тела, поверхности в комнате, они преобразуются в структурные (вибрационные) сигналы, которые, оставаясь по своей природе механическими, распространяются по строительным конструкциям здания на значительные расстояния.
В акустическом канале можно выделить следующие пути распространения акустической волны: воздушная среда комнаты, несущие стены, стены между комнатой для проведения совещания и кабинетами директора, дверь, окна, вентиляционный воздуховод [1].
Целью работы является моделирование прохождения звуковой энергии через ограждающие конструкции, при заданных значения звукопоглощения этих конструкций.
При описании движения частиц в газе рассматривается процесс диффузии. Частицы перемещаются вдоль прямых линий, со случайной периодичностью изменяя направление движения при соударении с молекулами газа. Коэффициент диффузии является функцией длины свободного пробега между двумя последовательными столкновениями. Уравнение акустической диффузии оперирует с воображаемыми "звуковыми частицами", с плотностью, пропорциональной локальной звуковой энергии. Эти частицы сталкиваются не с молекулами воздуха, а скорее, со стенами и перекрытиями, ограничивающими комнату.
Реализацией уравнения акустической диффузии в среде COMSOL Multiphysics является
. (1)
Уравнение решается для плотности акустической энергии ω, из которой можно вывести уровень звукового давления и другие важные измеримые величины. Если отбросить производную по времени, то можно получить стационарную форму уравнения. Коэффициент объёмного поглощения ma, который отвечает за диссипацию в воздухе, часто полагается незначительным, но иногда, в случае очень больших пространств, оказывается важным [2].
(2)
есть коэффициент диффузии и q описывает произвольное распределение объёмных источников звука. В альтернативной формулировке
, (3)
можно также учесть усредненное описание внутреннего убранства помещения. Здесь, αf является средним коэффициентом поглощения предметами мебели. Коэффициент диффузии Df и длина свободного пробега λf определяются из концентрации и среднего поперечного сечения предметов мебели.
Граничные условия метода конечных элементов включают в себя разнообразные способы задания локального коэффициента поглощения и распределения источников звука. Можно также задавать различные точечные источники звука.
Исследуемый объект – комната для совещаний, представляет собой отдельное помещение размером 10 м2 с окном. Окно выходит на улицу, одинарная дверь помещения выходит в коридор (рис. 1).
Рис.1. Распределение звукового давления при разговоре двух человек:1 – кабинет;
2, 3 – источники звука; 4 – коридор; 5 – вентиляционное отверстие; 6 – столы;
7 – окно и заоконное пространство; 8 – шкаф – 9 – дверь; 10 – приемная.
Разработанная модель комнаты позволяет при заданных величинах звуковой энергии источника 2, 3 (рис. 1), рассчитать величину звукового давления, проходящую через дверь 9, стену 4, окно 7 и воздуховод 5. При заданноq величине звуковой мощности каждого голоса W = 0.05(mW), получены значения звукового давления в смежных помещениях показанное на шкале децибел (рис. 1).
На модели можно увидеть потоки энергии, проходящие в соседние помещения. На данном примере видно, что наиболее уязвимое место утечки звуковой энергии, это обыкновенные одинарные двери между кабинетом и приемной (рис. 2).
Рис. 2. Моделирование потока энергии от точечных источников: 1 – дверь между помещениями;
2 – поток звуковой энергии от источника звука;
3 – поток звуковой энергии прошедшей через дверь.
Для моделирования взято реальное помещение одного из офисов. Поэтому были проведены экспериментальные замеры шума в смежных помещениях и за окном, шумомером Benetech GM1351. Экспериментальные измерения показали расхождение с результатом, полученным при моделировании 1 – 2 дБ.
Выводы: сравнительный анализ экспериментальных и рассчитанных значений шума показал, что разработанную модель можно применять на стадии проектирования отдельных помещений сложной формы – кабинетов, больничных палат, защищенных от шума помещений, для оптимизации их акустического качества. К такого рода моделям обычно предъявляются повышенные требования, поскольку необходимо обеспечить подобие звуковых полей в натуре и в модели.
На моделях можно легко изменять отдельные параметры помещения (форму, звукопоглощение, рассеиватели и т.п.) изучая их влияние на звуковое поле.
1. Galkin A. P. Ocenka neobhodimosti zaschity informacii predpriyatiya // Vestnik associacii Russkaya ocenka. 1999. 1. C. 55-58.
2. Dvoryankin C.B. Ochistka rechevogo signala ot shumov i pomeh posredstvom cifrovoy obrabotki izobrazheniy ego sonogramm. // Tezisy dokladov mezhdunarodnoy konferencii "Obrabotka informacii v komp'yuternyh sistemah". M.: MTUSI. 2017. S. 179-180.
