Средства звукоизоляции и звукопоглощения акустического сигнала

Звукоизоляция обеспечивается с помощью архитектурных и инженерных конструкций: звукоизолирующих ограждений поме­щений и зданий, экранов, кабин, кожухов (рис. 23.1).

Рис. 23.1. Основные средства звукоизоляции

Звукоизолирующие ограждения помещений и зданий — это стены, перекрытия, перегородки, окна, двери, имеющие по пери­метру контакты с другими ограждениями. Величина звукоизоля­ции однослойного ограждения характеризуется сложной нелиней­ной зависимостью как от частоты f колебания акустической вол­ны, так и от большой группы характеристик ограждения. В общем случае эту зависимость можно представить в виде следующей фун­кции:

R = F(f_3B,m,h/f_or,p,v),

где m — поверхностная масса (масса 1 м²) ограждения; h — коэф­фициент потерь энергии в материале; f_or —собственная частота ко­лебаний ограждения; р — удельная плотность материала огражде­ния; v — скорость звука в материале ограждения.

Звукоизоляция ограждающей конструкции, содержащей нес­колько элементов, должна оцениваться звукоизоляцией наиболее слабого элемента. Такими элементами чаще бывают однослой­ные плоские ограждения. Для повышения величины ослабления на плоское ограждение наносят слой звукопоглощающего матери­ала, которое увеличивает звукоизоляцию R за счет дополнительно­го ослабления звука в звукопоглощающем материале и повышения общей массы составного ограждения.

Для повышения звукоизоляции применяют также многослой­ные ограждения, чаще двойные. Они состоят из двух однослой­ных поверхностей, разделенных в простейшем случае воздушным слоем. Между поверхностями, соединенными ребрами жесткости, помещают различные звукопоглощающие материалы.

Значения ослабления звука ограждениями (стенами и меж­этажными перекрытиями), выполненными из некоторых часто при­меняемых строительных конструкций, указаны в табл. 23.1 и 23.2.

Таблица 23.1

Таблица 23.2

Одними из наиболее слабых звукоизолирующих элементов ог­раждающих конструкций выделенных помещений являются двери и окна. Двери имеют существенно меньшие по сравнению с основ­ными ограждающими конструкциями поверхностные плотности, а также зазоры и щели. Стандартные двери не удовлетворяют требо­ваниям по защите информации в помещениях от подслушивания. Повышение звукоизоляции дверей обеспечивается:

•устранением щелей между дверью и дверной коробкой путем применения уплотняющих прокладок из резины, порога или ре­зинового фартука между дверью и полом;

•применением для дверного полотна более плотных пород дере­ва, увеличением толщины дверного полотна и обивки его де­рматином или аналогичным материалом по слою войлока или ваты с валиком по периметру двери;

•установкой звукоизолирующей двери, выполненной в виде мно­гослойного дверного полотна с размещением между слоями зву­коизолирующего материала;

•установкой двойных дверей с тамбуром между ними шириной 20-30 см.

В табл. 23.3 приведены примеры повышения звукоизоляции дверей путем применения дополнительных уплотняющих прокла­док по периметру притвора дверей.

Таблица 23.3

Конструкция двери	Условия приме­нения	Звукоизоляция в дБ на часто­тах, в Гц
250		1000		4000
Стандартное дверное полотно толщиной 40мм	без уплотняю­щих прокладок
с прокладками из пористой ре­зины
Щитовая дверь тол­щиной 40 мм, обши­тая фанерой с двух сторон	без уплотняю­щих прокладок
с прокладками из пористой ре­зины
Щитовая дверь из древесноволокнистых плит толщиной 4-6 мм с воздушным зазором 50 мм	без уплотняю­щих прокладок
с прокладками из пористой ре­зины
Дверь звукоизолирующая облегчен­ная, с прокладками из пористой рези­ны

Дверь звукоизолирующая облегчен­ная, двойная с тамбуром шириной 200 мм, с прокладками из пористой резины
Дверь звукоизолирующая тяжелая, с прокладками из пористой резины
Дверь звукоизолирующая тяжелая, двойная с тамбуром шириной 300 мм, с прокладками из пористой резины
Дверь звукоизолирующая тяжелая, двойная с тамбуром шириной 300 мм с облицовкой тамбура звукопоглощаю­щими материалами, с прокладками из пористой резины

Уплотнение притворов повышает звукоизоляцию дверей на 5-10 дБ. Однако необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации в результате обжатия, износа, затвердевания резиновых прокладок звукоизоляция снижается. Дополнительные меры повышают зву­коизоляцию дверей на 10-15 дБ, а применение тамбуров увеличи­вает ее примерно на 20 дБ.

Следовательно, для защиты информации необходимо приме­нять либо специально разработанные звукоизолирующие двери, либо двойные двери с тамбуром. При этом целесообразно при­менять утяжеленные полотна дверей, обивать их материалами со слоями ваты или войлока, использовать дополнительные уплотнительные прокладки, герметизирующие наплавы, валики и т. п. При организации тамбуров дверей звукоизоляцию повышает уплотне­ние щелей над полом при отсутствии порогов, а также полезна об­лицовка внутренних поверхностей тамбура звукопоглощающими покрытиями.

Окна, занимающие для обеспечения освещенности достаточно большие площади ограждающих конструкций помещений, часто являются, так же как и двери, элементом среды распространения потенциальных каналов утечки информации. Значения звукоизо­ляции окон различных схем остекления приведены в табл. 23.4.

Таблица 23.4

Схема остекления	Звукоизоляция в дБ на частотах Гц
250		1000		4000
1	2	3	4		6
Одинарное остекление, мм:
Двойное остекление с воздуш-
ным промежутком, мм:
3-57-3
3-90-3
4-57-4
4-100-4
4-200-4
Тройное остекление с двумя воз-
душными промежутками*', мм:
4-16-4-200-3
4-16-4-650-3
Стеклопакет: 6-98-6
Окна телестудий: 10-8-10

Примечание. *) Стекло — воздушный зазор — стекло — воздушный за­зор — стекло.

Из приведенных данных следует вывод о том, что звукоизо­ляция одинарного остекления соизмерима со звукоизоляцией оди­нарных дверей и недостаточна для надежной защиты информации в помещении. Повышение звукоизоляции оконных проемов дости­гается:

•уплотнением притворов переплетов путем подгонки частей пе­реплета между собой, уплотнением стекол с помощью прокла­док из резины;

•применением уплотняющих прокладок между переплетом и ко­робкой, обеспечивающих плотное закрытие окон;

•облицовкой периметра межстекольного пространства звукопоглощающим материалом;

•установкой оконных блоков с повышенной звукоизоляцией (с двойным и тройным остеклением).

Необходимо отметить, что увеличение числа стекол не всег­да приводит к увеличению звукоизоляции в диапазоне частот ре­чевого сигнала вследствие резонансных явлений в воздушных промежутках и эффекта волнового совпадения (см. табл. 23.3). Разработаны конструкции окон с повышенным звукопоглощением на основе стеклопакетов с герметизацией воздушного промежутка, с заполнением при пониженном давлении промежутка между стек­лами различными газовыми смесями или созданием даже между ними вакуума. Уплотнение частей окон повышает их звукоизоля­цию приблизительно на 10 дБ, при облицовке межстекольного про­странства по периметру звукопоглощающим покрытием она уве­личивается еще примерно на 5 дБ.

Побелка (окраска) потолков, навесные потолки, паркет (ламинат, линолеум), ковер (ковролин) на полу увеличивают звукоизоля­цию перекрытий. Для снижения опасного акустического сигнала в помещени­ях применяют также акустические экраны, размещаемые на пути распространения звука. Акустические экраны устанавливают на опасных направлениях распространения акустической волны с защищаемой информацией. Эффективность экрана повышается с увеличением соотношения его линейных размеров и длины акус­тической волны. Размеры экранов должны превышать более чем в 2-3 раза длину волны. Реально достигаемая эффективность акус­тических экранов, покрытых звукопоглощающими материалами, составляет 8-10 дБ.

Акустические экраны могут использоваться для дополнитель­ной защиты дверей, окон, технологических проемов, панелей кон­диционеров, отверстий воздушной вентиляции и других конструк­ций, имеющих не удовлетворяющую действующим нормам ло­кальную звукоизоляцию. Применение акустических экранов целе­сообразно также для защиты акустической информации в помеще­ниях временного использования, когда их капитальный ремонт не­целесообразен.

Для звукоизоляции по всем направлениям в ограниченном пространстве применяют кабины (для людей) и кожуха (для излу­чающих звуки механизмов и машин). Основное отличие звукоизо­лирующего кожуха от кабины заключается в необходимости обес­печения в кабине условий для пребывания в ней человека — венти­ляции воздуха, освещения, средств связи.

В конструктивном отношении звукоизолирующие кабины де­лятся на каркасные и бескаркасные. В первом случае на метал­лическом каркасе крепятся звукопоглощающие панели. Примером таких кабин являются кабины междугородной телефонной связи. Кабина с двухслойными звукоглощающими плитами обеспечива­ет ослабление звука до 35-40 дБ. Более высокой акустической эф­фективностью обладают кабины бескаркасного типа. Они собира­ются из готовых многослойных щитов, соединенных между собой через звукоизолирующие упругие прокладки. Такие кабины доро­гие в изготовлении, но снижение уровня звука в них может дости­гать 50-55 дБ. Для повышения звукоизоляции минимизируют воз­можное число стыковочных соединений отдельных панелей между собой и с каркасом кабины, стыки тщательно герметизируют и уп­лотняют, применяют звукопоглощающие облицовки стен и потолка, глушат звуки средств вентиляции и кондиционирования воз­духа.

Перспективными кабинами являются прозрачные переговор­ные кабины. Двухслойные ограждающие поверхности и стыко­вочные узлы этих кабин, а также мебель (столик и стулья) изготав­ливают из органического стекла. Прозрачность ограждений и ме­бели позволяет быстро обнаруживать закладные устройства и кон­тролировать во время переговоров пространство вокруг кабины. Например, кабина Л-44 и различные модификации кабины Л-45 предназначены для 2-8 человек, имеют площадь внутри кабины 4-8 м², обеспечивают звукоизоляцию в диапазоне 300-5000 Гц не ме­нее 25 дБ. В дальнейшем предполагается нанесение на поверхность кабины прозрачных композитивных пленок на лавсановой основе, что обеспечит одностороннюю (из кабины) проводимость света, почти в 20 раз увеличит механическую прочность прозрачных ог­раждающих конструкций, вдвое повысит устойчивость поверхнос­ти огню, исключит возможность лазерного подслушивания.

Звукоизолирующие кабины в зависимости от требований к изоляции звука подразделяются на 4 класса. Кабины 1-го класса должны обеспечивать ослабление звука в диапазоне 63-8000 Гц на 25-50 дБ, 2-го класса на 15-49 дБ в том же диапазоне, 3-го и 4-го классов — до 39 и 29 дБ соответственно. Наименьшие значения со­ответствуют низким частотам, наибольшее ослабление происходит на частотах 2000-4000 Гц.

Звукоизолирующие кожуха проще по конструкции и изго­товляются из листовых материалов (стали, дюралюминия и др.). Поверхность стенок кожухов облицовываются звукопоглощающи­ми материалами толщиной 30-50 мм в виде матов из минеральной ваты, супертонкого стекла или базальтового волокна.

Кожух для блокирования передачи структурного звука уста­навливается на виброизолирующих прокладках. Внутри кожу­ха помещаются источники звука. Кожуха бывают съемными, раз­движными и капотного типа, сплошной герметичной или неодно­родной конструкции— со смотровыми окнами, открывающими дверцами, проемами для ввода коммуникаций, циркуляции возду­ха. Кожуха снижают уровень звука на 20-40 дБ.

В зависимости от способа глушения звука глушители подразделяются на абсорбционные, реактивные и комбинированные.

В абсорбционных глушителях происходит звукопоглощение в материалах и конструкции, в реактивных — в результате отраже­ния звука обратно к источнику. Комбинированные глушители объ­единяют оба этих способа.

Звукопоглощение обеспечивается путем преобразования в звукопоглощающем материале кинетической энергии в тепло­вую. Звукопоглощающие материалы имеют волокнистое, зер­нистое или ячеистое строение с различной степенью жесткости. Поглощающая способность звукопоглощающих материалов обус­ловлена их пористой структурой, содержащей большое количест­во (не менее 75%) открытых сообщающихся между собой пор диа­метром не более 2 мм. Стенками пор создается большая удельная поверхность звукопоглощающих материалов, при взаимодействии с которой звуковые колебания преобразуются в тепловую энергию вследствие потерь на трение между частицами материала.

Пористые материалы представляют звукопоглощающие об­лицовки в виде акустических плит мелкой зернистой или ячееч­ной структуры (плиты минераловатные «Акмигран», «Акмант», «Силакпор», «Винипор», ПА/С, ПА/О, ПП-80, ППМ, ПММ) и штучные звукопоглотители. Плоский слой звукопоглощающего материала облицовок устанавливается на жестком основании, ко­торое крепится непосредственно или с воздушным промежутком на поверхности ограждения, к потолку или стенам. Штучные пог­лотители представляют собой одно- или многослойные объемные звукопоглощающие конструкции (в виде куба, параллелепипеда, конуса), подвешиваемые к потолку помещения. Размеры граней штучных звукопоглотителей составляют 40-400 см.

По степени жесткости звукопоглощающие материалы делятся на мягкие, полужесткие и жесткие.

Мягкие звукопоглощающие материалы изготавливаются на ос­нове минеральной ваты или стекловолокна в виде матов и рулонов с объемной массой до 70 кг/м³, которые обычно применяются в со­четании с перфорированным листовым экраном из алюминия, ас­бестоцемента, жесткого поливинилхлорида и др. или покрываются пористой пленкой. Они имеют коэффициент поглощения 0,7-0,85.

Полужесткие материалы представляют собой минераловатные или стекловолокнистные плиты с объемной массой 80-130 кг/м³, Древесно-волокнистые плиты с объемной массой 180-300 кг/м³, а также плиты из пористых пластмасс из пенополиуретана, полистирольного пенопласта и др. Поверхность плит покрывается порис­той краской или пленкой. Коэффициент поглощения полужестких материалов составляет 0,65-0,75.

Твердые материалы изготавливаются на основе гранулирован­ной или суспензированной минеральной ваты и коллоидного свя­зывающего вещества (крахмального клейстера, раствора карбок-симетилцеллюлозы), в виде плит, в состав которых входят порис­тые заполнители (вспученный перлит, вермукулит, пемза) и бе­лые или цветные портланд-цементы, а также плит из фибролита. Поверхность плит окрашена и имеет различную фактуру (трещи­новатую, рифленую, бороздчатую). Объемная масса твердых зву­копоглощающих материалов составляет 300-400 кг/м³ и коэффи­циент поглощения — 0,6-0,7.

Для повышения звукопоглощающей способности ограждений (стен, потолка, дверей) применяют пористые материалы с жестким каркасом (в виде плиток на пемзолите, оштукатуренных плит с за­полнителем, плит из цементного фибролита), с полужестким кар­касом в виде древесно-волокнистых и минерально-ватных плит, с упругим каркасом из полиуретанового пенопласта, пористого поливинихлорида, прошитых и обернутых в ткань маты из капроно­вого волокна. Они укрепляются с воздушным зазором на поверх­ности ограждений или между ограждениями с недостаточным зву­копоглощением.

Коэффициенты звукопоглощения а типовых пористых погло­тителей указаны в табл. 23.5.

Таблица 23.5

		а в зависимости от частоты, Гц
		250				4000
Минерально-ватные		0,40	0,72	0,98	0,97	0,79	0,75
Древесно-волокнистые		0,30	0,34	0,32	0,41	0,42	0,42
Маты из стекловолокна		0,26	0,64	0,89	0,75	0,78	0,84
Маты из минеральной ваты	—	0,59	0,99	0,98	0,96	0,87	0,84.
Тарная ткань в сборку		0,28	0,46	0,60	0,58	0,60	0,68

Примечание. Ь — зазор между отражателем и поглотителем.

Из анализа данных таблицы следует, что большинство порис­тых поглотителей имеют резонансные свойства в речевом диапазо­не частот.

Существенное повышение звукопоглощения обеспечивают многослойные панели из комбинации плотных (из гипсо-волокнистых плит) и размещаемых между ними рыхлых легких слоев из минеральной и (или) стеклянной ваты различной толщины. В зависимости от требований количество слоев таких звукоизоли­рующих панелей составляет от 2 до 6, а толщина панелей — 40-130 мм.

Отдельную группу образуют мембранные и резонаторные звукопоглотители. Мембранные поглотители представляют со­бой тонкие плотные материалы — натянутую ткань, тонкую фане­ру, картон и др., образующие мембраны, за которыми укрепляется хорошо демпфирующий материал (поролон, губчатая резина, вой­лок, минеральная вата и др.). Поглощение осуществляется на резо­нансных частотах поглотителя, величины которых зависят от гео­метрических размеров, плотности материала мембраны и силы ее натяжения. Значения коэффициентов звукопоглощения мембран­ных поглотителей приведены в табл. 23.6.

Таблица 23.6

Поглотитель	d, мм	ь, мм	а в зависимости от частоты, Гц
250	500	1000	2000	4000
Фанера		—	0,39	0,18	0,18	0,13	0,12 '	0,10
Древесно-стружеч-ный	—	—	0,09	0,09	0,08	0,09	0,14	0,14
Бумажно-слоистый		—	0,38	0,22	0,14	0,02	—	—
Дюралюминиевый			0,34	0,16	0,08	0,02	—	—
Сухая гипсовая шту­катурка	—		0,31	0,13	0,09	0.06	0.13	0.04
Пенопласт	—	—	0,02	0,19	0,16	0.14	0.12	0,12

Примечание, d — толщина заполнителя, Ь — зазор между поглотителем и отражателем.

К резонаторным поглотителям относятся перфорированные акустические экраны, образующие систему воздушных резонаторов. Простейшим резонаторным поглотителем является деревян­ный лист с равномерно распределенными на его поверхности от­верстиями (перфорациями), расположенный на определенном рас­стоянии от стены. Резонансная частота для такого поглотителя оп­ределяется по формуле:

где S — сечение отверстия; с — скорость структурного звука в де­реве; 5 =8 + 0,5 л/я8 — эффективная толщина листа; 5 — толщи­на листа; h — расстояние от стены или потолка; d — расстояние между отверстиями.

Перфорированные резонаторные поглотители применяют, пре­жде всего, для уменьшении энергии акустической волны, падаю­щей на нагревательные конструкции (отопительные батареи, пане­ли, стены). Они состоят из перфорированных листов металла, древесно-волокнистых и асбестоцементных плит, фанеры и других ма­териалов, оклеенных с обратной стороной тканью. Характеристики поглотителей выбираются такими, чтобы, с одной стороны, обес­печить требуемое поглощение речевого акустического сигнала, а с другой стороны, не затруднять движение теплого воздуха.

Значения коэффициентов звукопоглощающих резонаторных поглотителей указаны в табл. 23.7.

Таблица 23.7

Поглотители	d, мм	ь, мм	а в зависимости от частоты, Гц
250	500	1000	2000	4000	6000
Фанера, 5 мм			0,52	0,27	0,14	0,12	0,10	одо
Фанера 20 мм			0,98	0,95	0,50	0,32	0,27	0,28
Слоистый пластик, подклеенный марлей	—		0,32	0,35	0,12	0,07	—	—
Дюралюминий 5 мм			0,89	0,99	0,47	0,15	0,04	—
Акустические плиты гипсованные		—	0,47	0,98	0,73	0,44	0,41	0,41
Акустические плиты гипсованные, подкле­енные бязью		—	0,69	0,94	0,76	0,51	0,43	0,42

В реальных условиях применяются комбинации различных звукопоглощающих материалов. Коэффициенты поглощения неко­торых широко применяемых материалов на частотах речевого диа­пазона приведены в табл. 23.8.

Таблица 23.8

Материал	Коэффициент поглощения а на частотах, Гц
250	500	1000	2000	4000
Кирпичная стена	0,025	0,032	0,041	0,049	0,07
Деревянная обивка	0,11	0,11	0,08	0,082	0,11
Стекло одинарное '	—	0,027	—	0,02	—
Штукатурка известковая	0,04	0,06	0,085	0,043	0,058
Войлок (толщина 25 мм)	0,36	0,71	0,8	0,82	0,85
Ковер с ворсом	0,08	0,21	0,27	0,27	0,37
Стеклянная вата (толщиной 9 мм)	0,4	0,51	0,6	0,65	0,6
Хлопчатобумажная ткань	0,04	0,11	0,17	0,24	0,35

Для акустической обработки помещений с целью уменьшения чрезмерно большого времени реверберации к потолку подвеши­вают штучные объемные звукопоглощающие средства в виде щи­тов, конусов, призм, шаров, параллелепипедов. Их выполняют из перфорированных листов твердого картона, пластмассы, металла, алюминиевой фольги, которые оклеиваются изнутри войлочной тканью или пористым звукопоглощающим материалом.

Обеспечение рациональных значений рассмотренных условий достигается как общим количеством звукопоглощающих материа­лов в помещении, так и распределением звукопоглощающих мате­риалов по ограждающим конструкциям с учетом конфигурации и геометрических размеров помещения.