|
|
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИОбщая теория. Причиной отражения звуковых волн от любой пространственной границы двух сред является неравенство (несогласованность) их волновых: акустических сопротивлений. Если волновое акустическое сопротивление воздуха равно звоз, а другой (отражающей) среды — зотр, то по общей теории отражения волн коэффициент отражения по звуковому давлению
а для случая плоской падающей волны
Таким образом, отражающая способность среды тем больше, чем резче отличается ее волновое сопротивление от волнового сопротивления первой среды, например воздуха. Так как обычно пользуются коэффициентами отражения и поглощения по интенсивности звука (см. определение в § 7.1), то соответствующий коэффициент отражения
а коэффициент поглощения
Отраженные звуковые волны, интерферируя с падающими, образуют стоячие волны с пучностями и узлами. В отсутствии реактивных составляющих волновых сопротивлений у обеих сред фаза отраженной волны может или совпадать с фазой падающей или быть сдвинутой в зависимости от того, какое из сопротивлений больше звоз или зотр, т. е. у границы может быть либо пучность, либо узел колебаний. В общем случае сдвиг фаз между падающей и отраженной волнами получается в интервале между 0 и π, поэтому у границы двух сред будет иметь место промежуточное состояние между пучностью и узлом. Если звуковая волна падает на поверхность среды с большим акустическим сопротивлением (например, стена из мрамора), то непосредственно около нее скорость колебаний будет равна нулю, потому что частицы воздуха, подойдя к стене, будут останавливаться и затем двигаться назад. Это означает, что отраженная волна для скорости колебаний будет иметь противоположную фазу по отношению к падающей (сдвиг по фазе на π), т. е. у поверхности стены получается узел скорости колебаний. В то же время звуковое давление у поверхности стены будет иметь пучность, так как давления падающей и отраженной волн, как скалярные величины, складываются арифметически (сдвиг фаз равен нулю). Если акустическое сопротивление отражающей стены будет меньше, чем для воздуха, то картина меняется: у поверхности стены будет пучность скорости колебаний и узел давления, т. е. отраженная волна давления будет сдвинута на л, а отраженная волна скорости колебаний будет в фазе с падающей. Следует заметить, что коэффициенты отражения зависят от угла падения волн: меньший коэффициент отражения получается при падении на отражающую поверхность под прямым углом. Он называется нормальным. В том случае, когда волны падают под всевозможными углами (рассеянная волна), коэффициент отражения (и поглощения) называют диффузным. Звукопоглощающие материалы по строению делятся на сплошные и пористые, а по применению — на стеновые, облицовочные, драпировки и специальные. К последним относятся, например, мембранные и резонаторные конструкции. Сплошные материалы. Эти материалы (бетон, кирпич, мрамор, дерево и т. п.), как правило, твердые, т. е. имеют акустическое сопротивление значительно больше сопротивления воздуха. Поэтому их коэффициенты очень малы, не более 5% (табл7.1). Некоторые из этих материалов (дерево, мрамор) используются и для стен, и как облицовочные. В последнем случае их коэффициент поглощения оказывается больше, чем в первом, так как происходит дополнительное поглощение из-за поперечных колебаний, возникающих в слое облицовочного материала. С увеличением частоты коэффициенты отражения от твердых сплошных материалов немного уменьшаются из-за некоторой шероховатости поверхности материалов и поэтому коэффициенты поглощения растут (см. табл. 7.1).
Таблица 7.1
Из мягких сплошных материалов в качестве облицовочного материала используется только плотная резина. Ее акустическое сопротивление не очень велико, а коэффициент поглощения в среднем равен около 10% (см. табл. 7.1). Пористые материалы. Эти материалы (штукатурки, облицовочные плиты с перфорацией и без нее, щиты, портьеры, ковры и т. п.) используются только как облицовочные материалы и для драпировок, т.е. во всех случаях за ними располагаются (вплотную или на некотором расстоянии от них) ограждающие конструкции из сплошных материалов (стены, потолки, полы и другие перегородки).
Рис. 7.11. К вопросу о поглощении пористым материалом
Рис. 7.12. Частотная зависимость коэффициента поглощения пористого материала: 1 — при расположении его вплотную у стены; 2 — на расстоянии 20 см от стены
При падении звуковых волн на перегородку из пористого материала необходимо учитывать отражение звука как от лицевой поверхности, так (для прошедших в нее волн) и тыльной с учетом поглощения звука в порах. Для материалов, хорошо проницаемых для звука, следует учитывать и возможность возвращения звуковых волн, отраженных от ограждающих конструкций, находящихся за рассматриваемой пористой перегородкой. Например, если за такой перегородкой со сквозными порами (матерчатый занавес, портьера и т. п.) находится твердая стена, то отраженные волны будут вторично проходить через перегородку. Поглощение в этом случае будет определяться только потерями на трение в порах материала перегородки с учетом вязкости материала, потому что звуковые волны не будут отражаться от нее. Так как потери на трение пропорциональны скорости колебаний, то наименьшее поглощение будет получаться при расположении такой перегородки вплотную к твердой стене, потому что там будет узел скорости колебаний, т. е. скорость колебаний будет минимальной (рис. 7.11). Если перегородку расположить на небольшом расстоянии от твердой стены, то поглощение в общем случае будет больше. Максимальное поглощение получается при расположении перегородки в пучности скорости колебаний, которая будет находиться на расстоянии 1/4 длины волны (см. рис. 7.11). Поэтому при удалении перегородки от стены коэффициент поглощения увеличивается, но не монотонно (см. рис. 7.12). Для толстых слоев облицовки из пористого материала коэффициент поглощения получается достаточно большой из-за ряда факторов. Так как акустическое сопротивление таких материалов обычно близко к сопротивлению воздуха, то звуковые волны почти не отражаются от них. Звуковые волны, входя в поглощающий материал, будут испытывать большие потери энергии из-за вязкости материала, трения в порах, поэтому значительно ослабленными они будут достигать твердой стены, находящейся за ним. Скорость колебаний в узле, т. е. у стены, будет мало отличаться от скорости колебаний в пучности, и потери на этом участке хода звуковых волн будут также велики, как и в пучности. При обратном ходе звуковой волны будет также происходить поглощение энергии звуковых волн. Практически звуковая волна вернется в помещение значительно ослабленной, т. е. коэффициент поглощения будет большим. При этом на определенной частоте поглощение может быть очень большим (см. табл. 7.1). Разработано много специальных поглощающих материалов с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению воздуха (например, АГШ — акустическая гипсовая штукатурка). Их коэффициенты поглощения на некоторых частотах близки к единице. Применяются слоистые конструкции из пористых материалов. Их слои подбирают так, чтобы получить как можно больший коэффициент поглощения. Мембранные звукопоглощающие конструкции. Для тонкой перегородки из сплошных материалов поглощение определяется интенсивностью ее колебаний как целого (системы с сосредоточенными постоянными) и как мембран (системы с распределенными постоянными). Первые наблюдаются на низких частотах, вторые — на средних и высоких. В обоих случаях поглощение зависит от частоты. Самый низкочастотный максимум поглощения получается на резонансной частоте, определяющейся массой и гибкостью перегородки. Выше этой частоты максимумы наблюдаются на всех резонансных частотах перегородки как мембраны. Эти частоты определяются поперечными размерами перегородки и скоростью распространения поперечных колебаний в ней. Поэтому поглощение растет с увеличением частоты немонотонно. Если потери в такой перегородке невелики, то максимумы и минимумы поглощения получаются очень резкими. Если увеличить потери, то частотная зависимость становится более монотонной и средний коэффициент поглощения растет. Для увеличения потерь под такую перегородку (панель) подкладывают демпфирующие материалы, например, войлок. Резонирующие панели, изготовленные из натянутого холста с войлочной подкладкой, называют щитами Бекеши. На рис. 7.13 показано устройство этих щитов. Подобные панели изготовляются также из тонкой фанеры с поролоновым демпфером. Они бывают не только в виде плоских конструкций, но и в виде колонн и полуколонн. В зависимости от толщины фанеры или натяжения холста можно изменять частоту резонансов и таким образом получать максимумы поглощения в тех диапазонах частот, в которых требуется большее поглощение. Делаются они в основном для поглощения низких частот, хотя и на высоких частотах их коэффициент поглощения довольно высок (см. табл. 7.1). Резонаторные звукопоглощающие конструкции. Широкое распространение получили конструкции, построенные по принципу резонаторов Гельмгольца (рис. 7.14). Они эффективно поглощают звуковую энергию на частотах вблизи их резонансной частоты. Эффективность поглощения таких резонаторов определяется потерями в горле резонатора, где скорость колебаний максимальна. Там и должен быть расположен материал, вносящий затухание в колебания, например имеющий высокое внутреннее трение (вязкость>. В практике для подобных резонаторов используют различные ниши, выходные отверстия которых затягивают тканью. Подобные резонансные поглотители выполняют также в виде больших щитов (во всю стену или потолок) с отверстиями, затянутыми тонкой металлической сеткой. Отверстия иногда делают разных размеров и на разных расстояниях, в результате чего получаются наборы резонаторов.
Рис. 7.13. Разрез щита Бекеши:
1— натянутый холст; 2 — толстая фанера; 3 — войлок
Заметим, что стенки между резонаторами могут и не ставиться, так как тангенциальные составляющие звуковых волн в них обычно невелики (см. [2], с. 141). Большие неровности на стенах и большие выступы, различные предметы, находящиеся в помещении, поглощают звуковую энергию с учетом эффекта дифракции. При расчетах эти поглощения обычно включают в поглощение ближайших к ним ограждающих конструкций.
Рис. 7.14. Резонаторный поглотитель: 1 — металлическая сетка для внесения потерь в резонатор; 2 — отверстие резонатора с площадью S и длиной lэ; 3 — объем резонатора V с гибкостью См; 4 — металлический лист толщиной l; 5 — воображаемая граница между резонаторами; 6 — жесткая стена
Например, поглощение плотно расположенными слушателями добавляют к поглощению поверхности, на которой они находятся. Коэффициент поглощения слушателей при различной плотности их размещения на поверхности приведен в табл. 7.1. Там же даны коэффициенты поглощения отдельно находящихся людей.
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПОМЕЩЕНИЙ. Звукоизоляция помещений определяет уровень проникающих извне шумов. Для студий, измерительных камер, сурдокамер и т. п. требуется высокая звукоизоляция от внешних шумов и вибраций, создающих акустические шумы. Звукоизоляция требуется и для концертных залов, театров, аудиторий, комнат для прослушивания и, наконец, жилых помещений. Рассмотрим наиболее характерный случай: проникновение шумов из одного помещения в другое через разделяющую их перегородку. При падении звуковых волн с интенсивностью Iпад на какую-либо перегородку больших размеров по сравнению с длиной звуковой волны интенсивность их с другой стороны перегородки Iпр, в отсутствии отражения звука в другом помещении будет определяться только проводимостью перегородки. Эта проводимость характеризуется коэффициентом звукопроводности
где Lпад и Lпр> — уровни интенсивности звуковых волн, падающих на перегородку и прошедших через нее. Звуковые колебания, проникая в помещение, претерпевают отражения от его внутренних поверхностей, поэтому в нем увеличивается интенсивность звука. Можно считать, что произведение интенсивности звука Iпр, прошедшего через какую-либо перегородку, на ее поверхность Sпp будет представлять собой мощность источника звука для прошедших колебаний:
В таком случае плотность энергии в помещении для этих колебаний
где аср S=A — общее поглощение ограничивающих поверхностей помещения . Отсюда находим, что уровень звука в помещении
Разность между уровнями звука с внешней стороны ограждающей конструкции помещения L1 и внутри помещения L2 называют звукоизоляцией помещения
Здесь I1 и I2 — интенсивности звука, соответствующие уровням : L1 = 101g(I1/I0) и L2= 101g(I2/I0). Пути прохождения звука через ограждающие конструкции следующие: через сквозные поры, щели и т. п. (воздушный перенос), через материал перегородки в виде продольных колебаний его частиц (материальный перенос) и через поперечные колебания перегородок, похожих на колебания мембран (мембранный перенос), которые часто можно приближенно рассматривать как колебания всей перегородки в целом. Резонансная частота такой колебательной системы очень низкая, поэтому в звуковом диапазоне частот перегородку можно рассматривать как инерционное сопротивление, определяемое всей ее массой. Коэффициент звукопроводности обратно пропорционален этой массе. Таким образом, при мембранном переносе хорошо проходят через перегородку звуковые колебания низких частот. С увеличением частоты проводимость перегородки уменьшается пропорционально частоте. При материальном переносе проводимость перегородки определяется отношением удельных акустических сопротивлений воздуха и материала перегородки, которые почти не зависят от частоты, поэтому и проводимость практически не будет зависеть от частоты. Воздушный перенос определяется размерами пор (щелей и т. п.), их распределением по поверхности перегородки и трением воздуха о стенки пор. Если имеются одна или несколько щелей, удаленных друг от друга на расстояние не меньше длины звуковой волны в воздухе, то из-за дифракции звуковые волны, падающие на соседние с щелью участки перегородки на расстоянии от нее не более половины длины волны, будут частично также уходить в щели. Проводимость перегородки в этом случае будет значительно больше на низких частотах, чем на высоких. С увеличением частоты растут потери на трение в порах. Это также уменьшает проводимость, поэтому интенсивность звуковых колебаний, проникающих через перегородку, с увеличением частоты также падает. Если поры расположены часто, но имеют такую же общую площадь, как и в первом случае, то частотная зависимость проводимости перегородки будет проявляться в меньшей степени и только из-за потерь на трение в порах. Количественное определение звукопроводности перегородок проводится с учетом всех видов переноса звуковых колебаний. Соответствующие данные приведены в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Для уменьшения воздушного переноса необходимо тщательно следить за устранением различного рода отверстий и щелей в перегородках. Рассмотрим такой пример. Имеется кирпичная стена толщиной 20 см, ее звукоизоляция составляет 50 дБ, т. е. коэффициент звукопроводности апр=10-5. Если поверхность стены Sпр=10 м2, то общая проводимость ее Апр = 10·10-5 = 10-4 м2. Сделаем в этой стене отверстие размером в 1 см2 (10-4 м2). Его проводимость без учета дифракции будет равна 1·10-4=10-4 м2, т. е. равна проводимости стены. Из-за дифракции поток энергии, падающий на стену вблизи отверстия (в радиусе около λ/2), будет частично уходить в это отверстие. На низких частотах отверстие как бы будет расширено в десятки раз. Поэтому проводимость такого отверстия на низких частотах будет во много раз больше проводимости самой стены. Для уменьшения материального переноса необходимо брать слоистые конструкции стен и перегородок из материалов с резко отличающимся удельным акустическим сопротивлением (бетон + поролон и др.). Для уменьшения мембранного переноса необходимо стремиться к увеличению массы перегородки. Для уменьшения шумов от вибрации перегородки применяют различного рода виброизолирующие прокладки. Проникновение шумов через вентиляционные каналы устраняют заглушением, т. е. покрытием стенок каналов поглощающими материалами, а также применением различного рода акустических фильтров (см. [1], § 8.4). Особые требования к звукоизоляции студий и измерительных камер будут рассмотрены далее.
|
|
или звукоизоляцией перегородки в децибелах:
(7.22а)
(7.24)