Звукоизоляция

Рис 35. Принципиальная конструкция пирамидальных поглотителей

Рис 3.3. Схема расположения звукопоглощающего материала

Таблица 3.1. Зависимость звукопоглощения некоторых материалов от частоты

ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ

Звукопоглощением называется процесс перехода части энергии звуковой волны в тепловую энергию среды, в которой распрост­раняется звук.

Как отмечалось выше, звукопоглощение в непрерывных средах характеризуется уменьшением амплитуды распространяющихся звуковых волн в зависимости от расстояния.

Дисперсия звукопоглощения. Звукопоглощение обладает диспер­сией, т. е. достаточно сильно зависит от частоты. При ее увеличении звукопоглощение увеличивается. Величина звукопоглощения для некоторых материалов, из которых видна зависимость коэффициен­та поглощения от частоты звука, представлена в табл. 3.1.

Материал	Частота, Гц
Минеральная вата	—	0,3	0,66	0,76	—	—
Шторы (у стены)	0,03	0,04	0,11	0,17	0,24	0,35
Шторы (от стены 20 см)	0,08	0,29	0,44	0,50	0,40	0,35
Ковер (плюш на войло-
ке, толщиной 9,5 мм)	0,11	0,14	0,37	0,43	0,27	0,25
Штукатурка на деревян-
ной решетке	0,012	0,013	0,018	0,045	0,028	0,055
Стул с бархатной спин-
кой	—	0,17	0,16	0,17	0,21	—

Зависимость линейного коэффициента экстинкции от частоты для некоторых звукопоглощающих материалов представлена в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Зависимость х от частоты

Звукопоглощающий	Среднегеометрическая частота охтааной полосы	.Гц
Плиты минераловатные (фе-
нольные)	1,8	6,1	10,4
Холст из супертонкого стекло-
волокна
Холст из супертонкого база-
льтового волокна
АТМ-1	1,4		3,5
Полиуретановый поропласт
(ППУ-ЭТ)

Наряду с непосредственным переходом части звуковой энергии в тепловую, звуковая волна ослабляется за счет ее частичного проникновения через ограждения щели, окна и т. д.

Диффузный коэффициент звукопоглощения. Кроме частотной ха­рактеристики звукопоглощение зависит от угла падения плоских звуковых волн на границу раздела. На практике используется диф­фузный коэффициент звукопоглощения, который является усреднен­ной величиной коэффициентов поглощения для разных направлений падения на поверхность материала. Применение звукопоглощения позволяет уменьшить уровень шума от источников, расположенных в этом или другом помещении. Звукопоглощающие материалы применяются как в объеме, где находится источник шума, так и в изолируемых помещениях. Полное звукопоглощение измеряется в реверберационных камерах по времени реверберации до и после внесения исследуемого звукопоглощающего материала.

Виды звукопоглощающих материалов. К звукопоглощающим ма­териалам относятся такие материалы, у которых А^>0,3- В зависимости от механизма звукопоглоще­ния материалы делятся на несколько видов. К первому виду относятся материалы, в которых поглощение осуществляется за счет вязкого тре­ния воздуха в порах (волокнистые пористые материалы типа ультра­тонкого стеклянного и базальтового волокна), в результате чего кинети­ческая энергия падающей звуковой волны переходит в тепловую энер­гию материала. Это типичный при­мер диссипативной структуры. Ко второму виду звукопоглощающих материалов относятся материалы, в которых помимо вязкого трения в порах происходят релаксационные потери, связанные с деформацией нежесткого скелета (войлок, древесноволокнистые матери­алы, минеральная вата и т. п.). К третьему виду относятся панель­ные материалы, звукопоглощение которых обусловлено деформа­цией всей поверхности или некоторых ее участков (фанерные щиты, плотные шторы и т. п.). Этот вид звукопоглощающих материалов имеет максимальное затухание на низких частотах.

Для увеличения поглощения пористых материалов на низких частотах либо увеличивают их толщину, либо используют воздуш­ный промежуток между материалом и ограждением (рис. 3.3). Мак­симум поглощения наблюдается тогда, когда воздушный зазор 2 между поверхностями конструкции 1 и материала 3 равен полови­не длины волны падающего звукового колебания 4. При этом будет максимальное увеличение потерь по трению, так как звукопоглоща­ющий материал располагается в области 5 наибольшего колеба­тельного движения.

Относительные поглощающие материалы не дают необходимо­го поглощения на всех частотах звукового диапазона. С этой целью применяются звукопоглощающие конструкции. Конструктивно зву­копоглощающие материалы выполняются нескольких типов: резо-нансныеГ слоистые, пирамидальные.

Резонансные конструкции. Конструкции этого типа используют резонансные свойства отдельных резонаторов интенсивно погло­щать энергию звуковой волны на определенных частотах. Принци­пиальная схема конструкции резонансных поглотителей представ­лена на рис. 3.4. На перфорированный лист 5 наклеивается вместе с защитным слоем 4 пористый поглощающий материал 5. Данная конструкция располагается на некотором расстоянии (воздушный зазор 2) от стены (ограждения) 1. Каждое отверстие представляет собой отдельный резонатор, в котором происходит взаимодействие между воздушным зазором и массой воздуха в резонаторах.

Рис. 3.4. Резонансная конструкция звукопоглотителя

Располагая один за другим не сколько таких листов на различных расстояниях и варьируя диаметром и числом отверстий, можно получать значительное звукопоглощение в определенных диапазонах частот, в том числе и широком диапазоне.

Слоистые поглотители. Этот тип конструкции вьшолняется в виде определенного числа слоев из звукопроницаемых материалов (тканей, металлических сеток, пер­форированных листов, фанеры и т. п.), разделенных друг от друга воздушными промежутками. Различные комбинации проклеенных воздухонепроницаемых тканей и металлических сеток позволяют получать звукопоглощение по энергии падающей звуковой волны до 99%. Толщина таких поглотителей должна составлять примерно половину наибольшей длины волны звукового поля.

Пирамидальные конструкции. Этот тип звукопоглотителей пред­ставляет собой пирамидальные каркасы с вершинами, направлен­ными внутрь помещений (рис. 3.5).

Решетчатые каркасы 3 заполняются пористым поглощающим материалом 1 (например, минеральной ватой), обернутым защит­ной стеклотканью 2, предохраняющей поглощающий материал от выдувания. Пирамидальные конструкции крепятся на стене 5. Коэф­фициент отражения звуковой волны 4 в данном случае ничтожно мал (£3%), а общее поглощение таких конструкций может быть большим в широком частотном диапазоне. Применение звукопо­глощающих материалов и пирамидальных конструкций особенно полезно при разработке звукомерных камер, в которых коэффициент отраже­ния звуковой волны от стен должен быть ничтожно мал.

Комплексные акустические (механические) сопротивления и электрические аналогии. При рассмотрении акустичес­ких свойств различных материалов в зависимости от частоты звукового поля необходимо учитывать, что в об­щем случае переменное звуковое давле­ние и переменная объемная скорость по фазе могут не совпадать друг с дру­гом (см. приложение VIII). Поэтому вводят понятие комплексного акусти­ческого сопротивления (акустического импеданса), комплексного механичес­кого сопротивления..

Расчет коэффициента звукопоглощения в этом случае связан с величиной комплексного механического сопротивления.

Комплексное сопротивление состоит из активной и реактивной составляющих. При этом очень полезно воспользоваться аналоги­ями из теории электрических цепей.

В формуле (2.10) звуковое давление по аналогии можно рассмат­ривать как переменное напряжение, а А_а — сопротивление перемен­ному току.

В слоистых поглотителях каждый слой можно рассматривать как эквивалент электрического двухполюсника и характеризовать его сквозным механическим сопротивлением. В качестве реактивной составляющей можно рассматривать воздухонепроницаемую ткань, а в качестве активного сопротивления рассматривать металличес­кую сетку.

Величину комплексного сопротивления звукопоглощающих (звукоотражающих) материалов следует находить на основе изме­рений. В ряде случаев эта величина у пористых материалов может быть рассчитана по физико-техническим характеристикам, учиты­вая коэффициент вязкого трения в порах (газодинамическое со­противление); массу слоя; пористость (отношение объема пор к об­щему объему); форму пор (структурный фактор) и т. д.

Панельные поглотители обладают определенной жесткостью от­носительно длин упругих звуковых волн, распространяющихся в них, а, следовательно, определенной величиной импеданса со­противлений.

В теории четырехполюсников электрических цепей часто приме­няется передаточная функция K(jco) (рис. 3.6). Рассматривая по аналогии вместо напряжений — звуковые давления, а передаточ­ную функцию как комплексный коэффициент проницаемости рас­сматриваемого поглощающего (звукоотражающего) материала и используя аппарат теории цепей, можно с успехом определять частотные зависимости К_и, К_пр, а, следовательно, и К^.

Рис. 3.6.- Схема четырехполюсника: U₁, U₂ - компласные напряжения соответственно на входе и выходе четырехполюсника

По аналогии можно также рассматривать емкостный и индуктивный харак­тер реактивных составляющих акустического импеданса, учитывая, что при высоких частотах акустическое сопротивление

уменьшается в случае емкостного характера реактивной составляющей, а в слу­чае уменьшения реактивной составля­ющей акустического импеданса на низких частотах — индуктивного характера.

В приложении VIII представлены качественные характеристики коэффициента передачи KQ'ai) для некоторых типов четырехполюсников. По ним можно синте-зировать звукопоглощающие материалы с заранее задаваемыми частотными свойствами звукопоглощения и звукопроницаемости, используя различные комбинации реактивных составляю­щих.

Можно получать частотную зависимость коэффициента прони-, цаемости возрастающего или спадающего характера, можно полу­чить резонансную зависимость К^ в определенной частотной по­лосе.

Средства и методы звукопоглощения. Средства и методы звуко­поглощения выбирают для каждого конкретного случая.

Звукопоглощающие материалы и конструкции применяют как в помещении самого источника шума, так и в смежных или изо­лированных помещениях.

Основной целью акустической обработки помещений является снижение уровня шумов отраженных звуковых волн. Акустическая обработка позволяет снизить уровень шумов как в производствен­ном помещении и тем самым улучшить условия труда, так и в жи­лых застройках, расположенных рядом с производственными поме­щениями.

При акустической обработке с целью звукопоглощения применя­ют облицовки стен, потолков и т. п. как по всей поверхности, так и частично. Наряду с применением облицовочных материалов ис­пользуют также штучные звукопоглотители.

Выбор звукопоглощающих материалов производится не только с целью получения максимального эффекта поглощения в требу­емом частотном диапазоне, но и с учетом опасных и вредных производственных факторов конкретного производства. Таким об­разом, не каждый звукопоглощающий материал будет обладать необходимыми эффективностью и сроком службы в определенных производственных условиях. При выборе средств звукопоглощения учитывается так же и геометрия помещения.

При небольших высотах помещения (3 — 5 м) наиболее эффек­тивна облицовка потолка, так как в данном случае эта поверхность вносит основной вклад в эффект отражения. При наличии высокого потолка (высота больше ширины помещения) и в вытянутых поме­щениях наиболее целесообразна облицовка стен звукопоглоща­ющим материалом. В помещениях, размеры которого по трем измерениям примерно одинаковые, эффективна облицовка и стен, и потолка.

Нормативные параметры, справочные данные и методики рас­четов по звукопоглощению для большого числа практических слу­чаев представлены в [1, 2, 5 — 11].

Под звукоизоляцией понимается процесс снижения уровня шума, проникающего через ограждение в помещение (рис. 3.7). Как по­казано на рисунке помещение А изолировано ограждением 2 от помещения Б, в котором на­ходится

Рис 3.7. Принципиальная схема звукоизоля­ции и звукопоглощения:

источник шума 1. Акустический эффект при звукоизоляции обеспечива­ется процессом отражения звуковой волны от огражде­ния (препятствия). Как пра­вило, звукоизоляция часто применяется совместно со звукопоглощением (помеще­ние В). Для изоляции источ­ников шума на практике часто применяются звукоизолирующие кожухи 4. Методы звукоизоляции эффективнее методов звукопо­глощения.

К средствам звукоизоляции относятся ограждения, звукоизоли­рующие кожухи и акустические экраны.

Звукоизоляционные ограждения. В звукоизолированном помеще­нии звуковая энергия зависит не только от коэффициента проница­емости К_пр, но и звукопоглощения S K_пS_i). Звукоизолирующая спо­собность S_и ограждения с учетом звукопоглощения может быть записана для изолируемого помещения в виде:

где S — площадь ограждения, м²; остальные обозначения соответ­ствуют ранее принятым [см. формулы (3.3); (3.11)].

Звукоизоляцию характеризуют средними величинами по всему частотному диапазону, либо величиной звукоизоляции на некото­рых средних частотах. Ограждающие конструкции должны обла­дать такой звукоизоляцией, при которой уровень громкости прони­кающего через них шума не превышал допускаемого (нормирован­ного) шума. Расчеты звукоизолирующих ограждений, справочные и нормированные данные представлены в [1, 2, 5 — 11].

Звукоизоляция ограждающей конструкции не зависит от физи­ческой структуры материала, если составляющие элементы облада­ют примерно одинаковой плотностью и модулем упругости. В этом случае звукоизоляция определяется, в основном, массой на единицу площади. На собственных частотах звукоизоляция массивных огра­ждений резко уменьшается. Для увеличения звукоизоляции приме­няются слоистые ограждающие конструкции. В них жесткие элемен­ты, имеющие большую массу, чередуются с гибкими слоями (воз­душные зазоры, упругие прокладки и т. п.).

Для увеличения звукоизолирующих свойств сплошного заграж­дения от импульсного шума, возникающего от непосредственных ударов по ограждению, последние выполняют из чередующихся модулей, резко отличающимися по объемному весу и модулю упругости. При этом используются также звукопоглощающие слои.

Для увеличения звукоизоляции в области низких частот следует применять прокладки из материалов с меньшим модулем упругости i и большой толщиной. Для звукового диапазона наиболее исполь­зуемыми прокладками являются древесноволокнистые, минерало-ватные плиты толщиной 2 — 4 см с плотностью 200 — 400 кг/м³, а также резиновые прокладки.

При разработке звукоизолирующих ограждений, имеющих окна, двери и другие неплотности, через которые легко проникает шум, учитывают среднюю звукоизоляцию такого ограждения и считают ее больше требуемой величины.

Звукоизолирующие кожухи. Для эффективной борьбы с шумом машин, различных устройств и оборудования применяются звуко­изолирующие кожухи, которые полностью закрывают источники шума, не давая распространяться звуковым колебаниям в свобод­ном пространстве или в производственных помещениях. Конструк­ция кожухов отличается большим многообразием в соответствии с типом механизма и может быть стационарной, разборной, съем­ной, иметь смотровые окна, двери и т. п.

Звукоизолирующие кожухи применяются совместно с поглоща­ющими материалами и глушителями шума.

Требуемая эффективность D L^х_тр звукоизолирующего кожуха рас­считывается по приближенной формуле:

где L — уровень звукового давления в зоне измерения или в расчет­ной точке; L_доп — нормированный (допустимый) уровень.

Принято считать, что фактическое снижение шума в результате применения кожуха АЬ*^АЦр. В качестве примера в табл. 3.3 представлены значения AL* для кожухов с плоскими стенками.

Таблица 3.3. Значения L^к для кожуховс плоскими стенками

Конструкция	Толщина листа, мм	Размер элемента, м	i AL при среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
Стальной лист, покры­тый минераловатной пли­той (р = 100 кг/м3) толщи­ной 70 мм	1.5	1x1
Дюралюминевый лист, покрытый минераловат­ной плитой толщиной 80 мм		2x2

Суммарное снижение шума с помощью звукоизолирующего кожуха с учетом звукопоглощения, его размеров, особенностей источника шума и других факторов можно выразить приближенным соотношением с учетом (3.15):

(3.17)

Размер стенки кожуха, мм	Дополнительная звукоизоляция для охтавных полос частот
/<1	—
/>2

где AS — дополнительная звукоизоляция облицовки (табл. 3.4).