Поглощение звука и дырки в потолке

Зайдем в любое здание современной конструкции и взглянем вверх: мы увидим на потолке тысячи мелких отверстий. Привычное зрелище — акустический потолок. Зачем? Многие приписывают рядам этих дырочек почти волшебное свойство «высасывать шум», или «распылять тишину» в помещении. Иные дав волю своему воображению, затевали постройку звуконепроницаемых стенок из перфорированных панелей; их ждало жестокое разочарование. Но другого и нельзя было ожидать. Акустический потолок — это просто плохой отражатель звука: когда звук бежит по воздуху и наталкивается на твердую, плотную преграду, он отражается, подобно тому как свет отражается от зеркала. Темная бумага — плохой отражатель света, и в нее не посмотришься как в зеркало; если оклеить стены темными обоями, освещенность комнаты уменьшится. Акустический потолок — это всего лишь акустические темные «обои».

Что же в действительности кроется за словами «звук отражается хорошо» и «звук отражается плохо»? Мы воспринимаем факт отражения звука как нечто само собой разумеющееся. Однако, чтобы понять принцип действия различных поглотителей звука и правильно оценить, когда они полезны, а когда бесполезны, следует вернуться к проблеме отражения и рассмотреть ее более детально.

В большинстве случаев плоские твердые поверхности фактически ведут себя как акустические зеркала; толстая гранитная стена отражает 99 % «ударяющегося» об нее звука, другие твердые поверхности отражают около 95 % звука. Если вспомнить о децибелах и громкости, нетрудно увидеть, что при отражении звуковая волна не претерпевает заметного или хотя бы легко измеримого снижения уровня. Что же происходит? Мы знаем, что звуковая волна — это волна сгущения, сопровождаемая разрешением, которая распространяется в воздухе с большой скоростью, подобно тому как передается толчок между не вплотную сцепленными вагонами поезда. Воздух в целом не движется, но для создания сгущений частицы воздуха должны сблизиться, чуть-чуть смещаясь вдоль линии распространения звука. Вследствие упругости воздуха сблизившиеся частицы быстро отскакивают назад и, минуя свое исходное положение, разлетаются друг от друга дальше, чем они находились в положении равновесия, — так возникает разрежение. Однако только немногие звуки создают правильное чередование сгущений и разряжений, чаще молекулы воздуха толпятся, как пассажиры метро в час пик[13].

Что же произойдет, если на пути волны сгущения встретится гранитная стена? Передаваясь от одного слоя молекул другому, сгущение дойдет до воздушного слоя, прилегающего к поверхности гранита, к тяжелой, твердой и жесткой стене. Когда частицы этого последнего слоя получат толчок сзади, у них уже не найдется соседей спереди, которым они могли бы передать толчок; частицы наткнутся на стену, и вблизи нее давление увеличится. Затем вследствие упругости воздуха частицы оттолкнутся от стены с возросшей силой давления и образуют новую волну сгущения, бегущую в обратном направлении и почти такую же сильную, как и волна, ударившая в стену.

Несмотря на всю свою жесткость, гранит тоже в какой-то малой степени податлив и также деформируется при воздействии давления. Когда мы стоим на гранитной глыбе, то именно сопротивление деформации дает нашим ногам опору и действует на них с силой, как раз достаточной для того, чтобы мы не провалились в гранит; это же сопротивление заставляет отскочить ударившийся о стену кусок гранита (впрочем, это уже из другой оперы). Аналогично, под давлением слоя воздуха, прижатого к поверхности стены, гранит прогибается, хотя это прогибание ничтожно мало. Прогибание, или деформация, посылает звуковую волну внутрь гранита, и вот здесь-то и расходуется большая часть этого одного процента потерянной звуковой энергии.

Поглощенная гранитом энергия «изымается» из ударившей в стену волны, и от стены отражается всего 99 % падающей энергии. Часть поглощенной энергии затрачивается на нагревание, которое сопровождает деформацию, но основная доля энергии уходит в гранит, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе. Чем стена тоньше, легче и мягче, тем больше она деформируется под давлением звуковой волны. Если толщина стены мала по сравнению с длиной волны в ее материале, то стена прогнется как целое. Обычно так и бывает; в подобных случаях жесткость вещества стены несущественна, а главную роль играет инерция стены. Чем тяжелее стена, тем больше ее инерция и тем меньше она сдвигается под действием силы. Если футболист ударит ногой по мячу, мяч отлетит от его ноги, если же он ударит по скале, скала останется на месте, а он два-три дня не будет играть в футбол, но зато будет рассказывать, что его нога «отразилась» от скалы и сила отражения разбила ему пальцы на ноге. И, чем тяжелее скала, тем сильнее ушиб!

За исключением некоторых особых случаев, даже относительно легкая, но непористая стена отражает на всех частотах по меньшей мере 90 % энергии звука. Такое большое отражение нас не устраивает, и разработка различных звукопоглощающих устройств — это попытки заставить отражающие поверхности поглощать возможно большую часть падающего звука, а не отсылать его обратно.

Возвращаясь к пограничному слою воздуха, напомним об одном обстоятельстве: если отпустить груз, закрепленный на пружине, он снова подпрыгнет вверх; но если снабдить пружину амортизатором наподобие автомобильного, в котором трение или силы вязкости сопротивляются движению пружины вверх и вниз, груз почти не подпрыгнет. Все видели, как прыгает вверх-вниз передок автомобиля с изношенными амортизаторами.

Как мы уже знаем, воздух может вести себя подобно пружине, и именно это свойство позволяет ему создавать отраженную волну и вообще передавать звуковые волны. Если бы воздух можно было амортизировать, как пружину, результат оказался бы тот же, что и для пружины. Когда на отражающей поверхности растет давление, частицы воздуха сближаются и чуть-чуть смещаются в направлении отражающей поверхности. Что же получится, если создать небольшое трение, затрудняющее передвижение частиц воздуха? Амортизация! Воздух частично утратит свои пружинящие свойства, так как преодоление трения, препятствующего движению частиц, создает тепло, а необходимая для этого энергия будет забрана из звуковой волны. Однако, если кто-то, узнав об этом, вздумает отапливать свой дом с помощью устройств, поглощающих шум самолетов, напомним ему, что даже при шуме в 100 дБ поток энергии составляет всего 0,01 Вт/м2.

Создать необходимое трение очень легко; вспомним, что втягивать в себя воздух сквозь сигарету труднее, чем сквозь пустую трубочку, это обусловлено именно трением или, точнее, силами вязкости. Воздух обладает определенной вязкостью, хотя гораздо меньшей, чем, например, нефть. Но нефть испытывает большое сопротивление, когда протекает даже по широкой трубе; воздух также испытывает большое сопротивление, протекая через очень узкую трубочку, или просачиваясь между волокнами табака в сигарете. Поэтому, если вблизи отражающей поверхности поместить слой или мат из волокнистого или ячеистого материала, силы вязкости будут сопротивляться движению частиц воздуха при сгущениях и разрежениях и энергия у отраженной волны будет отбираться. При этом может возникнуть неожиданное затруднение: если волокна в мате уложены слишком тесно, его поверхность окажется излишне плотной, и тогда встанет уже известная нам проблема — волны будут отражаться от наружной поверхности мата. Следовательно, при выборе плотности материала поглотителя требуется найти какое-то компромиссное решение. Как выяснилось, наиболее эффективны волокнистые материалы с плотностью 50—200 кг/м3. Очевидно, в ячеистых поглощающих материалах ячейки должны соединяться между собой открытыми порами.

Мы только начали свое знакомство с пористыми поглотителями, и прежде всего нам необходимо рассмотреть самый основной фактор, а именно зависимость поглощения звука от его частоты. Частота звука вообще играет определяющую роль в акустике. Как мы уже видели, большая часть звуков включает компоненты широкого диапазона частот с длинами волн примерно от 20 мм до нескольких метров. Для низкочастотных звуков с длиной волны в несколько метров поглощение в волокнистом слое толщиной 20—30 мм незначительно, но, если толщина слоя сравнима с длиной волны или даже превышает ее, поглотитель становится чрезвычайно эффективным. Увеличение толщины слоя на большой площади обойдется очень дорого; однако можно значительно улучшить поглощение, просто отодвинув пористый мат от отражающей поверхности. В этом случае усиление эффективности поглощения не связано, как при утолщении мата, с увеличением размеров области взаимодействия волны с волокнами; здесь действие волокон более эффективно потому, что на некотором расстоянии от отражающей поверхности движение частиц воздуха, совершающих низкочастотные колебания, более интенсивно. Поэтому силы вязкости со стороны волокон оказывают в этом месте большее воздействие.

Но самое странное начинается тогда, когда длина волны оказывается меньше толщины волокнистого слоя. Чем выше частота, тем меньшее расстояние проходят частицы в процессе своих колебаний (при заданном звуковом давлении) и, следовательно, тем меньше подвергаются действию сил вязкости; на некоторых частотах волокнистый слой ведет себя подобно пружине, что уменьшает его эффективность. К тому же с ростом частоты возрастает отражающее действие наружной поверхности мата.

Из сказанного очевидно, что частота имеет первостепенное значение для эффективности поглощения звука. Большая часть пористых поглотителей мало что дает для низких частот, эти поглотители очень эффективны для средних и высоких частот и несколько менее полезны при очень высоких частотах. Мужчина, говорящий по телефону из заглушённой будки, может заметить, что его голос становится более гулким, — это результат значительно меньшего поглощения низких компонент его голоса. В лучшем случае волокнистые маты в зависимости от пористости, плотности и толщины поглощают от 80 % и почти до 100 % звука на частоте, на которой их эффективность максимальна. У некоторых типов акустических плиток эффективность снижается до 60—70 % — таковы жертвы, приносимые в угоду дешевизне, долговечности и внешнему виду. Зависимость поглощения от частоты для разных типов поглотителей показана на рис. 36. Эффективность представленных на рисунке материалов выражена посредством коэффициента поглощения α. Для поверхности, поглощающей 100 % падающего на нее звука, коэффициент α = 1,0, при поглощении 50 % α = 0,5 и т. д.

По сравнению с твердыми стенами, отражающими около 95 % энергии падающего на них звука, стена, покрытая волокнистым слоем и отражающая всего 10 или 20 %, казалось бы, поглощает очень сильно. Но так ли это? Никогда не следует забывать удивительное соотношение между громкостью и децибелами. В гл. 4 мы узнали, что падение интенсивности звука на 80 % уменьшает уровень всего на 7 дБ. Из гл. 5 выяснилось, что изменение уровня на 10 дБ, грубо говоря, соответствует увеличению или уменьшению громкости вдвое. Отсюда следует, что пористые материалы чудес не совершают: если уровень упавшего на стену звука 80 дБ, а отраженного — 73 дБ, то остался еще очень громкий звук.

Читатель может подумать, что если силы вязкости так сильно влияют на отраженную волну, то они способны оказать не меньшее действие и на волну, вошедшую в стену или проходящую сквозь нее, и что, заполнив оконный проем слоем стеклянной ваты, мы задержим большую часть шума. Поразмыслим над этим! Звук, проходящий сквозь слой волокон, подвергается менее сильному воздействию, чем отраженный. В последнем случае волокна действуют на частицы воздуха и тогда, когда те движутся вперед при формировании волны сгущения, и тогда, когда отходят назад при образовании отраженной волны; однако все происходящее с отраженной волной не имеет никакого отношения к волне, бегущей вперед. А в результате звук, идущий сквозь пористый мат толщиной, скажем, 20 мм или около того, ослабляется менее чем на 3 дБ, то есть едва заметно, так что цена стеклянной ваты не окупается!

Рис. 36. Эффективность различных поглощающих материалов на разных частотах.

1 — 50-миллиметровый слой минеральной шерсти на твердом основании;

2 — подвешенная минерально-волокнистая плита с щелевой перфорацией;

3 — перфорированная сухая штукатурка на подложке из минеральной шерсти;

Поиск по сайту: