Перфорированная древесноволокнистая плита

Как мы уже видели, коэффициент поглощения α = 0,8 не так уж хорош, однако в гл. 10 мы узнаем, что во многих случаях этого вполне достаточно. Но иногда необходимо поглощение, близкое к 100 % в широком диапазоне частот, например в лабораториях или студиях. Каждое незначительное приращение эффективности поглощения сверх 80 % дает все больший выигрыш в смысле снижения уровня отраженной волны, выраженного в децибелах, — еще одна из причуд этой шкалы; поэтому иногда есть смысл добиваться максимально возможного коэффициента поглощения. Но как?

Очевидный ответ на этот вопрос — начать наращивать толщину пористого мата. Однако одной этой меры недостаточно, а при низкочастотных звуках потребуется неосуществимо большая толщина. Кроме того, наружная поверхность покрытия сама представляет собой достаточно резкую границу, на которой отразится значительная часть высокочастотного звука. Правильное решение поставленной задачи — уложить волокна в длинные заостренные клинья, которые при необходимости можно поддержать редкой тканью. Эти поглощающие клинья следует расположить так, чтобы любой звук, отразившись от одного из них, тут же попадал на другой, затем на третий и т. д.; в результате интенсивность звука снизится до пренебрежимо малой величины. Высота таких клиньев может достигать метра и более; за ними создают воздушную полость, и эффективность такого покрытия приближается к 100 % в очень широком диапазоне частот. Однако поглощающие клинья из-за их высокой стоимости и нелепого вида редко где находят применение, кроме помещений специального назначения.

Более дешевый, но менее эффективный способ заглушить звук в помещении состоит в применении слоев волокнистого или вспененного материала возрастающей плотности. Снаружи укладывают самый тонкий и легкий слой с большими просветами, поверхность которого сама по себе не создает сколько-нибудь заметного отражения; однако слишком рыхлая структура этого слоя не порождает и достаточных сил вязкости. Следующие слои делают все более и более плотными, пока поглощение в них не достигнет значительной величины. Этим способом удается ослабить отражение от наружной поверхности поглотителя.

Но мы пока еще не объяснили, зачем же делают дырки в потолке! Вряд ли чье-нибудь любопытство удовлетворится утверждением, что эти дырки там ни к чему и что волокнистый материал позади них был бы так же эффективен. Чтобы усилить путаницу, добавим, что, если бы там не было и волокнистого материала, перфорированная облицовка продолжала бы поглощать звук! Если и это еще не достаточно парадоксально, можно сообщить дополнительно, что нет необходимости ни в дырках, ни в волокнах: самая простая панель тоже будет поглощать звук! И как это ни удивительно, все три утверждения совершенно справедливы.

Забудем на время о волокнах и покрытиях и поговорим о дырках в потолке, вернее, о дырках и некотором объеме воздуха, заключенном позади них. В связи с этим описанием вспомним самый обычный предмет — простую бутылку. Часто школьники ухитряются наигрывать мелодии на колпачках от самопишущих ручек, искусно дуя поперек отверстия колпачка, как в свисток. С бутылкой получится то же самое, только звук будет ниже, а если взять большую бутылку с коротким горлышком, например двухлитровую винную бутыль, и умело дуть, получится басовая нота. Несомненно, подобные сосуды были праотцами самых ранних духовых инструментов; тысячелетия назад первобытный человек мог услышать пение ветра над горлышком открытого сосуда. И позже во все времена люди извлекали звуки из сосудов. Витрувий упоминал, что поющие сосуды, или голосники, применялись в греческих театрах на открытом воздухе. Однако только в XIX веке Герман Гельмгольц заинтересовался этим явлением с научной точки зрения. Гельмгольцу и его современнику Рэлею принадлежат важнейшие исследования поглощения звука, и их именами названы два типа поглотителей звука: пористый поглотитель, впервые предложенный Рэлеем, — «рэлеевская копна» и «поющая бутылка», которая ведет себя как резонатор Гельмгольца.

Звуки, издаваемые бутылкой, когда мы дуем поперек ее горлышка, — просто резонанс, хотя несколько отличающийся от резонанса в трубе. Этот вид резонанса больше похож на поведение груза на пружине, чем на наложение прямой и отраженной волн, создающее в резонансной трубе стоячую волну большой амплитуды. Если заткнуть отверстие велосипедного насоса и нажать на его ручку, воздух внутри будет действовать как пружина. Если наверху пружины закрепить груз, нажать на нее и отпустить, груз будет регулярно колебаться вверх-вниз; при одной и той же пружине и одном и том же грузе эти колебания будут происходить с постоянной частотой. Обычно частота колебания пружины под грузом, так называемая собственная частота, относительно невелика — всего несколько сотен колебаний в минуту. Если нагрузка небольшая, а пружина достаточно тугая, собственная частота может увеличиться до многих сотен колебаний в минуту и попасть уже в слышимый диапазон. Почему пружины обладают собственной частотой? Если вместо того, чтобы заставлять груз колебаться вверх и вниз, мы осторожно и плавно опустим его на пружину, она сожмется на определенную величину, которая зависит не только от массы нагрузки, но и от жесткости пружины: жесткая пружина опустится на меньшее расстояние, чем мягкая. Для того чтобы сжаться под нагрузкой, пружине потребуется определенное время, как и для того, чтобы распрямиться, когда нагрузку снимут. Следовательно, частота колебаний пружины зависит от расстояния, которое она проходит при сжатии, и от скорости, с которой она сжимается. Все эти рассуждения применимы и к велосипедному насосу с заткнутым отверстием.

Оставим насос и вернемся к бутылкам — с ними происходит то же самое. Если в горлышко бутылки вставить поршень, воздух в ней, как и в велосипедном насосе, уподобится пружине, и в каждой данной бутылке поршень будет ходить вверх и вниз с частотой, определяемой его весом. Уберем поршень — тогда в качестве груза останется только воздух в горлышке. Воздух внутри бутылки будет продолжать колебаться подобно пружине, только с гораздо большей частотой, потому что воздушная пробка в горлышке — сравнительно легкий груз. Частота колебаний воздуха настолько значительна, что получится слышимый звук, а чтобы возбудить и поддерживать эти колебания, потребуется только возмущение воздуха в горлышке бутылки, для чего достаточно дуть поперек отверстия.

Собственная частота пружины определяется не только упругостью, но и массой ее витков. То же относится и к воздуху в бутылке: у маленького объема воздуха упругость больше, чем у большого. Поэтому заданное движение воздушной пробки в горлышке вызовет в малом объеме воздуха пропорционально большее сгущение или разрежение, чем в большом. Постепенно заполняя бутылку водой, можно услышать, как по мере роста упругости уменьшающегося объема воздуха повышается собственная частота бутылки. Эта частота в такой же степени зависит и от размеров горлышка, играющего роль груза: чем оно короче и шире, тем легче, а следовательно и быстрее происходят колебания воздуха. У двух поллитровых бутылок с горлышками разной ширины частоты колебаний будут различными: у бутылки с более узким горлом частота ниже. Форма и длина горлышка также влияют на частоту, но довольно сложным образом, и вычисление точной резонансной частоты бутылки может оказаться довольно хлопотным.

Какое отношение, однако, все это имеет к поглощению звука? Вделаем бутылку в стену так, чтобы ее отверстие было заподлицо с поверхностью стены, потом определим, хотя бы экспериментально, ее собственную частоту и направим на стену волну звука этой частоты. Проследим за участью волны сгущения: вот она подошла к отверстию бутылки: ее приход подействует, как толчок на груз, висящий на пружине, — воздушная пробка в горлышке будет вталкиваться внутрь бутылки. Сразу после этого пробка выскочит обратно, проскочит положение равновесия, и воздух выйдет из горлышка. Воздушная пробка, совершая такие колебания, сама станет источником звука и будет посылать в обратном направлении (то есть отражать) такую же звуковую волну. Так как колебания в бутылке происходят с той же частотой, что и в падающей звуковой волне, воздушная пробка начнет повторное движение точно в тот момент, когда подойдет следующая волна сгущения, то есть спустя полный цикл колебаний после первой волны. При колебаниях пробки ее энергия будет непрерывно превращаться из потенциальной в кинетическую и обратно. Эту энергию передают пробке и первое и последующие сгущения, так что сначала амплитуда колебаний пробки растет.

Если звук внезапно оборвать, колебания воздушной пробки спустя короткое время прекратятся. Отчего? Теоретически они, казалось бы, должны продолжаться вечно[14], но, как и во всех «вечных двигателях», движению препятствует трение, или уже знакомая нам сила вязкости. В трубе ближайший к стенкам слой воздуха прилипает к ним. Это явление связано с поверхностным натяжением стенок и воздуха. Если дуть вдоль трубы, воздух посередине трубы двинется вперед и при этом молекулы воздуха будут скользить по своим соседям, удерживаемым на стенках трубы. Сопротивление скольжению создает вязкое торможение и поглотит часть энергии, которая превратится в теплоту. Чем быстрее движение воздуха в трубе, тем больше вязкое торможение.

Горлышко бутылки можно рассматривать как короткий отрезок трубы, где действуют малые силы вязкости, оказывающие сопротивление движению воздушной пробки. Это воздействие сил вязкости и приводит к остановке воздушной пробки после прекращения подачи звука. Но это значит, что силы вязкости действовали и при наличии звука, то есть имел место непрерывный расход энергии, поэтому колебания и не усиливались до бесконечной амплитуды.

Когда частота звуковой волны и собственная частота колебаний воздуха в бутылке совпадают, то есть при резонансе, частицы воздушной пробки движутся вперед-назад гораздо быстрее, чем частицы воздуха в падающей звуковой волне, и расход энергии на преодоление вязкого торможения становится весьма значительным. Если уменьшить отверстие горлышка, натянув на него, например, слой марли и оставляя открытыми только отверстия в ткани (объем воздуха в бутылке следует отрегулировать так, чтобы резонансная частота бутылки осталась прежней), то, очевидно, силы вязкости значительно вырастут и с прекращением звука колебания воздушной пробки также прекратятся практически после одного периода. Другими словами, к тому моменту, когда воздушная пробка должна была бы выйти из горлышка, она уже потеряет столько энергии, что звуковая волна, которую она пошлет обратно (то есть отразит), окажется совсем ничтожной. Вот мы и получили поглотитель![15]

При резонансе поглощение звука может доходить почти до 100 %. Можно вынудить воздух в бутылке колебаться с частотой, близкой к собственной частоте, но не совпадающей с ней, и, чем больше разница между этими частотами, тем слабее колеблется воздух в бутылке. По этой причине резонансная полость или простой резонатор Гельмгольца эффективен только при частоте, близкой его собственной частоте или совпадающей с ней. Это видно из рис. 37. Диапазон частот большого поглощения можно расширить, если наполнить горлышко бутылки волокнистым материалом, но максимальная эффективность поглощения при этом понизится: при частотах, отличных от собственной частоты, колебания продолжают возбуждаться, но значительно уменьшается амплитуда резонансного колебания; поэтому нельзя получить звук, дунув над отверстием бутылки с горлышком, набитым волокнистым материалом. Следовательно, такой резонатор действует в более широком диапазоне частот, но его максимальная эффективность значительно снижена[16].

Рис. 37. Поглощение звука панелью и резонатором Гельмгольца.

Наконец-то мы добрались до дырок в потолке. Теперь их назначение легко объяснить: если сложить вместе множество бутылок, стенки их окажутся ненужными — горлышки и объемы самих сосудов будут резонировать так же хорошо (рис. 38). Если горлышки достаточно узкие, можно обойтись без марли, так как сила вязкости будет достаточной. Многие акустические плитки — это просто набор резонаторов Гельмгольца, наполненных волокнистым материалом, в которых убраны лишние стенки.

Это частично и объясняет парадоксальные утверждения, сделанные ранее в этой главе. Мы уже говорили о высокой эффективности поглощения звука простым пористым покрытием без перфорированной или какой-либо другой облицовки. Иными словами, акустический потолок без всяких дырок, а просто представляющий собой слой минеральной шерсти, стеклянной ваты или подходящего пенистого материала, вполне пригоден как поглотитель звука. Трудно только удержать такой пласт на потолке! Волокнистые материалы очень непрочны и легко распадаются на кусочки, а кусочек стеклянной ваты, попавший за шиворот, весьма сомнительное удовольствие. Кроме того, даже полужесткие поглотители из листов микропористого материала имеют весьма непривлекательный внешний вид, способный отпугнуть любого декоратора помещений от всяких попыток использовать звукопоглощающие материалы.

Рис. 38. Акустическая плита, действующая на звук так же, как резонатор Гельмгольца.

Конечно, с помощью сеток можно предотвратить осыпание с потолка волокнистых слоев, но внешний вид потолка при этом не улучшится; если же применить сплошное покрытие, потеряется эффект пористости. Над решением этой задачи немало поломали голову те, кто впервые задумал организовать массовое производство акустических плит. Прежде всего необходимо было добиться выработки изделий, прочных и приятных на вид. Изобретатели начали с лучшей, точнее, с единственной имевшейся в их распоряжении комбинации материалов: минеральной шерсти, удерживаемой на месте мелкой проволочной сеткой. Сначала использовали крупноячеистую сетку, затем переходили на все более мелкие отверстия и измеряли поглощение звука, чтобы определить, как сильно при этом снижается эффективность поглотителя. Когда открытую площадь отверстий сократили до 30 % от общей площади, то неожиданно для всех выяснилось, что потери эффективности очень незначительны: поглощение несколько упало лишь в высокочастотной области. Вскоре удалось найти почти идеальный вариант покрытия — слой минеральной ваты толщиной 25 мм, прикрытый перфорированным стальным листом, который можно было эмалировать. Такое устройство хорошо поглощало звук, и на него был выдан патент.

Все это происходило около пятидесяти лет назад; сейчас акустические покрытия самых разных типов наводнили рынок. Некоторые из них имеют оригинальную конструкцию, другие различаются типом используемых волокнистых материалов; изготавливают и жесткие покрытия из окрашенных поверхностей, перфорированных малыми или большими отверстиями, расположенными регулярно или беспорядочно. Часто делают отверстия разных размеров, что придает потолку менее скучный внешний вид и позволяет более широко раздвинуть резонансные частоты, значения которых зависят от величины отверстий. Изготовляют также покрытия со щелями. Отверстия не обязательно должны быть круглыми.

Эффективность таких поглотителей несколько различается, но для всех характерна малая эффективность поглощения на низких частотах (ее удается улучшить, помещая поглотитель на некотором расстоянии от стены), большая эффективность для средних и высоких частот и несколько меньшая — для очень высоких частот. Выше мы рассматривали отверстия как элементы резонаторов, однако резонанс лишь частично обусловливает эффективность покрытия. Отверстия и металл между ними мало сказываются на низкочастотных длинноволновых звуках, и для них покрытие действует так, как если бы перфорированной облицовки совсем не было. При средних и высоких частотах эффективность использования волокнистого материала как поглотителя могла бы ухудшиться вследствие уменьшенной площади отверстий, но это снижение компенсируется возникновением резонансного эффекта отверстий. При очень высоких частотах эффективность поглощения снова падает, потому что эти частоты лежат выше резонансных частот, и для коротковолнового звука участки металла между отверстиями служат хорошими отражателями. Что можно сказать по поводу утверждения, что акустический потолок может поглощать звук и без отверстий или волокнистых материалов? Теперь это нетрудно объяснить. Как мы уже знаем, бутылка — это самый обычный резонатор, но ведь есть и другой столь же обычный резонатор — барабан. Если ударить в барабан, он издаст музыкальный звук, хотя, из-за множественных резонансов, и не очень определенной частоты, но тем не менее это будет некоторая нота. По существу, барабан не так уж сильно отличается от бутылки, только в нем воздух заключен в гибкую оболочку, которая при натяжении приобретает упругость, и таким образом вводит в действие добавочные факторы — свои массу и упругость. Масса барабанной кожи играет роль груза на пружине, а ее натяжение и упругость воздуха внутри барабана совместно действуют как пружина. Если ослабить натяжение кожи барабана, он перестанет звучать при ударе, потому что мягкую, провисшую кожу нельзя заставить колебаться: ее упругие свойства проявляются только под натяжением. Такая кожа будет похожа на амортизатор, который мы рассмотрели в этой главе, но по-прежнему сохранит одну из своих функций, продолжая служить оболочкой для определенной массы воздуха Заключенный в ней воздух не утратит свойств пружины и сможет колебаться, если только получит достаточно энергии, чтобы перемещать оболочку. Как и в случае нагрузки на пружину, чем тяжелее кожа, тем ниже собственная частота, а чем меньше объем воздуха, тем более упруга воздушная пружина, а значит, тем выше частота.

Если такой барабан со слабо натянутой кожей установлен на стене и на него падает звуковая волна, частота которой совпадет с собственной частотой барабана, то непрерывное поступление энергии волны будет достаточно для того, чтобы вызвать резонанс барабана; но в процессе движения и сгибания ненатянутой кожи барабана значительная часть этой энергии израсходуется в результате поглощения. Чем пластичнее и мягче кожа, тем сильнее она гасит колебания и тем больше энергии поглощает (конечно, поглощенная звуковая энергия при этом превращается в тепловую энергию). Как и в других аналогичных случаях, если барабан набит волокнистым материалом, резонансные свойства станут менее выраженными и барабан будет легче вынудить к колебаниям на других, близких частотах.

Рабочая характеристика подобного панельного, или мембранного, поглотителя очень сходна с характеристикой резонатора Гельмгольца, но только для гораздо более низких частот. У резонаторов Гельмгольца практически нет верхней частотной границы, но нижняя граница есть: она определяется предельно допустимыми габаритами резонатора и лежит вблизи 100 Гц. Собственная частота панельного поглотителя зависит от массы панели и глубины воздушного пространства за ней; полезный диапазон частот такого поглотителя простирается от 40 до 400 Гц. Для более высоких частот трудно подобрать достаточно легкую оболочку. Такой поглотитель можно изготовить из любого материала, отвечающего следующим основным требованиям: подходящая масса, достаточное затухание и достаточная гибкость. Масса и глубина воздушного слоя определяют резонансную частоту; затухание не позволяет самой панели стать вторичным источником звука и обеспечивает поглощение энергии; гибкость мембраны создает возможность низкочастотного резонанса. Незадемпфированные жесткие панели могут только ухудшить положение в результате появления гармоник. Однако этим обстоятельством можно воспользоваться, если ввести поглощение таким образом, чтобы панели сохраняли резонанс на частотах гармоник и при этом поглощали и более высокие частоты. Жесткие панели часто изготовляют из фанеры, но у таких панелей недостаточное внутреннее трение. Делая с обратной стороны прорези, можно снизить жесткость панели, почти не уменьшая ее массу, а добавочное поглощение удается получить, нанося на панель специальную оклейку Мягкую панель можно сделать из одного-двух слоев толевого картона; для расширения частотного диапазона эффективности поглощения в воздушное пространство между картоном и стеной часто помещают волокнистый мат.

Где целесообразно применять резонансные поглотители? Они эффективны в ограниченном диапазоне частот, и их размеры должны быть строго подобраны. В результате усиления колебаний воздуха — а именно оно лежит в основе механизма их действия — звуковое давление на заднюю стенку полости возрастает и большее количество звука поступает в стену. Повторяется старая история: поглотители поглощают звук, то есть уменьшают энергию в проходящей волне, но одновременно помогают этой волне проникнуть в стену, поэтому для звуковой изоляции они совершенно бесполезны.

Однако для некоторых целей резонансные поглотители чрезвычайно полезны; избирательность их действия может обернуться преимуществом, например если потребуется погасить в помещении стоячую волну определенной частоты или уменьшить эхо в концертном зале. Панельные резонаторы эффективны в области низкочастотных звуков, для поглощения которых другими способами потребовались бы слои волокнистого материала огромной толщины. Существует немало приемов, позволяющих расширить диапазон эффективного поглощения звука панельными резонаторами: можно, например, скосить заднюю стенку полости резонатора или разнообразить размеры отверстий. Резонаторы Гельмгольца с успехом применяют также в специальных глушителях, предназначенных для случаев, когда шум преимущественно сосредоточен на одной определенной частоте.

[13] Здесь речь идет, конечно, не о тепловом движении молекул, а о беспорядочном движении частиц среды при прохождении сложного звука типа широкополосного шума. — Прим. ред.

[14] Даже теоретически колебания не будут продолжаться вечно в отсутствие поглощения: колебания воздуха в горлышке резонатора излучают сферическую звуковую волну наружу и колебательная энергия резонатора постепенно «высвечивается» в виде этих звуковых волн. — Прим. ред.

[15] В действительности наибольшее поглощение получается при гораздо меньшем трении, когда после прекращения возбуждения число колебаний упадет всего вдвое по сравнению со случаем отсутствия поглощения. — Прим. ред.

[16] В действительности эффективность резонатора снизится во всем диапазоне частот, но, поскольку снижение наиболее значительно вблизи резонанса, эта уменьшенная эффективность будет сохраняться в более широком диапазоне частот. — Прим. ред.

Поиск по сайту: