Звуконепроницаемость — разоблаченный миф

«Звуконепроницаемость» — какое великолепное слово! Инженеров-акустиков всегда просят обеспечить звуконепроницаемость. Ведь водонепроницаемая обшивка не пропускает воду, так почему бы не существовать специальной обшивке, которая бы не пропускала звук? Так как роль отверстий в акустических плитках огромна, у инженеров возникла сплошная путаница между понятиями поглощения и изоляции звука. И не удивительно, потому что вопрос не прост. В предыдущей главе мы самым подробным образом объяснили, что устанавливать тонкий пористый мат с целью задержать звук, идущий из одной точки в другую, — это просто потеря времени. Максимум, чего можно добиться таким путем, — это снизить уровень на 3 дБ на высоких частотах.

Конечно, пористые материалы поглощают звук, а так как они частично уменьшают энергию звука, они уменьшают и энергию волны, проходящей через них. Но для того чтобы получить мало-мальски стоящее затухание, толщина слоя поглощающего материала должна быть сравнима с длиной звуковой волны. Так как на практике часто приходится иметь дело со звуковыми волнами длиной в несколько метров, ясно, что об использовании поглощающих материалов непосредственно в качестве звукоизоляторов не может быть и речи. Что же применить в таком случае? Из какого вещества изготовить «звуконепроницаемость»? По-видимому, требуется нечто необыкновенное, поскольку вполне разумное значение звукоизоляции 40 дБ означает, что интенсивность звука нужно уменьшить в десять тысяч раз!

Вернемся назад и снова внимательно присмотримся к тому, что происходит, когда звуковая волна падает на некоторую поверхность. Обычно большая часть звуковой энергии отражается, некоторое количество ее поглощается и переходит в тепло, а часть проникает через поверхность. В силу закона сохранения энергии в каждом случае сумма всех этих долей энергии: отраженной, поглощенной и прошедшей — всегда должна равняться энергии волны, падающей на поверхность. Так как нам желательно уменьшить долю прошедшей волны, логично попытаться увеличить долю отраженной или поглощенной волны. Но увеличить поглощение нельзя: это требует большого объема и дорогих материалов (кроме случая высоких частот); поэтому остается только увеличивать интенсивность отраженной волны за счет прошедшей.

В такой постановке проблема упрощается: чем больше отражает поверхность, тем меньше звука проникает через нее. В предыдущей главе мы рассмотрели условия отражения звука. Так, гранитная стена настолько массивна и так мало сжимаема, что легкие молекулы воздуха не могут оказать на нее заметного воздействия. Для дальнейшего нам было бы полезно располагать некоторой мерой, которая одновременно учитывала бы и упругость, и плотность вещества. Вспомнив, что скорость звука в среде зависит от упругости и плотности этой среды, в качестве такой меры мы можем выбрать волновое сопротивление среды. Понять значение этой величины несложно. Плотность гранита велика, а вследствие его малой сжимаемости скорость звука в нем также велика. Поэтому волновое сопротивление гранита огромно. В результате этого, как мы уже знаем, при падении звуковой волны из воздуха на гранитную стену отражается больше 99 % падающей энергии. Но если бы мы заменили гранитную стену «стеной» воздуха, скачка от малого к большому импедансу не было бы, а потому исчезло бы и отражение. Чем больше различие (несогласование) импедансов двух сред, тем больше отражение и тем меньшая доля падающей волны проходит из одной среды в другую.

Однако около 1 % звуковой энергии все же входит в гранит, и, поскольку стена не бесконечно толстая, часть энергии, которая проникла в гранит и не поглотилась в нем, дойдет до второй границы стены. Теперь возникает вопрос о переходе звука из гранита снова в воздух. Поскольку импеданс гранита велик, ничтожные смещения его частиц уже создают высокие давления в волне; однако эти же смещения создадут в воздухе лишь весьма малое давление. Поэтому волна, распространяющаяся в граните, при падении на его границу с воздухом создаст в воздухе волну весьма малой интенсивности: передача энергии снова будет малоэффективна.

Толстая, плотная каменная стена — наилучший простой изолятор звука. На высоких частотах кирпичная стена толщиной всего 350 мм обеспечивает снижение звука более чем на 60 дБ. Однако целесообразно ли добиваться звукоизоляции, возводя тяжелую каменную стену толщиной во много десятков сантиметров? Это можно делать только в самом крайнем случае. Обычно строят стены настолько тонкие, что обе их стороны движутся почти синфазно, поскольку толщина стены мала по сравнению с длиной волны. Тогда задача о распространении звука в материале стены перестает интересовать нас, а поведение звуковой волны принимает другой характер.

Представим себе тонкую панель или перегородку площадью 3 м2, имеющую опору, но не закрепленную по периметру. Если с одной стороны приложить к ней постоянное давление, она прогнется, и величина прогиба будет целиком определяться ее упругостью (жесткостью). Так, резиновая панель сильно выгнется, тогда как стальная едва поддастся. Если давление на. одну сторону будет медленно переходить от положительного к отрицательному, возникающие выпучивание и выгибание панели по-прежнему будут определяться ее упругостью. Однако поскольку панель обладает инерцией, при достаточном увеличении частоты знакопеременного давления ее масса начнет сказываться в той же степени (а затем и больше), что и упругость. Представим себе дверь, подвешенную на упругих петлях. Если попытаться медленно покачивать дверь вперед-назад, ее движение в основном будет ограничиваться упругостью подвески. Если же начать быстро дергать дверь туда и обратно, то главную роль начнет играть ее инерция: фанерную дверь гораздо легче раскачивать, чем дубовую, даже если упругость петель не изменилась.

Рис. 39. Изменение смещения, скорости и ускорения панели от времени

(при двух частотах колебания, справа частота вдвое выше, чем слева).

Поэтому говорят, что на очень низких частотах передача звука через панель управляется ее упругостью, но по мере роста частоты инерция (масса) становится значительно более существенной. Поясним это на примере, когда возбуждающая сила — синусоидальный звук (чистый тон). В этом простейшем случае смещение панели синусоидально. Мы уже знакомы с графиком синусоидальной функции. Скорость изменения положения — это скорость, скорость же изменения скорости — ускорение. На рис. 39 показаны графики смещения, скорости и ускорения для панели, колеблющейся на некоторой определенной частоте, а также на частоте вдвое большей. При данном звуковом давлении с увеличением частоты смещение убывает по амплитуде, но скорость частиц остается без изменения. Далее, на рисунке видно, что при этом скорость изменения скорости стала вдвое больше: максимальное значение ускорения удваивается при удвоении частоты. Но, согласно второму закону Ньютона, ускорение прямо пропорционально приложенной силе. Таким образом, теоретически при удвоении частоты потребовалась бы вдвое большая сила, чтобы заставить панель колебаться с той же скоростью. Однако, так как действующая со стороны звуковой волны сила не изменилась, удвоение частоты звука приведет к уменьшению амплитуды колебаний панели вдвое.

По другую сторону от панели картина такова, как если бы источником звука была панель. Звук, падающий с одной стороны, приводит ее в колебания, и эти вынужденные колебания излучают с другой стороны звуковые волны — ослабленные копии падающих волн. Поскольку при удвоении частоты амплитуда скорости уменьшается вдвое, можно ожидать, что звуковое давление излучаемых с другой стороны волн также уменьшится вдвое. Теоретически так и есть. Вспоминая, что при уменьшении звукового давления, вдвое уровень его уменьшается на 6 дБ, приходим к заключению, что удвоение частоты увеличивает звукоизоляцию на 6 дБ.

Как мы знаем из второго закона Ньютона, ускорение обратно пропорционально массе тела. Отсюда следует, что при данной частоте звукоизоляция панели увеличивается на 6 дБ при каждом удвоении массы панели. Однако это чисто теоретические рассуждения, и, как мы скоро увидим, на практике возникает множество обстоятельств, в результате которых поведение панели не следует этому «закону масс». Вместо улучшения изоляции на 6 дБ в самом лучшем случае удается добиться не более 4—5 дБ. Эмпирически полученный «закон масс» выглядит, как показано на рис. 40.

Рис. 40 Закон масс

Какие же ловушки подстерегают проектировщиков при создании звукоизолирующих перегородок? Если руководствоваться исключительно законом масс, то можно встретиться с весьма неприятными сюрпризами. Всякая перегородка обладает не только массой, но и упругостью. Хотя мы видели, что звукоизоляционные свойства перегородки определяются ее упругостью лишь на очень низких частотах, это не значит, что в других случаях упругость не играет роли. Вспомним медные тарелки из гл. 3, они резонируют именно вследствие своей упругости. От мягкой тарелки не было бы никакого проку. А перегородка, находящаяся под постоянным односторонним давлением? Величина ее прогиба определяется ее упругостью Если давление внезапно снять, перегородка выгнется в обратную сторону, и это произойдет тем быстрее, чем больше упругость перегородки Приобретя скорость, она проскочит положение равновесия и успеет совершить несколько колебаний туда-сюда, прежде чем успокоится Частота этих колебаний — резонансная частота перегородки — определяется упругостью и массой перегородки Если частота падающей волны равна или близка резонансной частоте, то перегородка будет сильно раскачиваться под действием этой волны, в результате передача звука с одной ее стороны на другую будет происходить очень эффективно Поскольку перегородка может резонировать на многих частотах, становится очевидным, что закон масс сильно нарушается.

Рис. 41 Эффект совпадений λ = λизг соответствует критической частоте

И чтобы еще более усложнить проблему, обнаруживается дополнительный тип резонансов, который также нужно принимать во внимание То, о чем только что было сказано, напоминает резонанс груза, подвешенного на пружине, с которым мы подробно познакомились в предыдущей главе Однако, говоря о медных тарелках, мы описывали резонанс, связанный с изгибными волнами, бегущими по их поверхности. А по перегородке также могут бежать изгибные волны, как показано на рис. 41 Это волны совсем другого типа, чем звуковые волны в твердой среде, но они тоже характеризуются частотой и длиной волны При наклонном падении звуковой волны на перегородку может оказаться, что длина волны звука, отсчитываемая вдоль перегородки, и длина изгибной волны на ней совпадают В этом случае перегородка также начинает усиленно раскачиваться, что сопровождается весьма эффективной передачей звука с одной стороны на другую. Из рис. 41 видно, что для данной длины изгибной волны существует такая частота падающего звука, ниже которой подобный «эффект совпадения» невозможен, так как даже при падении волны точно вдоль перегородки длина волны звука оказывается больше, чем длина изгибной волны. Эту частоту называют критической.

Рис. 42. Типичная частотная характеристика звукоизоляции однослойной незадемпфированной перегородки.

1 — затухание определяется упругостью;

2 — область резонансов;

3 — затухание определяется массой;

Поиск по сайту: