Область эффекта совпадений

Из всего сказанного следует, что перегородка, масса которой представляется достаточной, чтобы обеспечить хорошую изоляцию звука, на самом деле вследствие эффектов резонанса и совпадения оказывается почти бесполезной на целом ряде частот. Частотная зависимость звукоизоляции такой перегородки будет выглядеть так, как показано на рис. 42: закон масс окажется выполненным лишь в узкой полосе частот в середине спектра. Что же можно сделать? Одним из способов улучшить изоляцию является попытка расширить эту центральную полосу, сдвинув резонансные частоты как можно дальше вниз, а критическую частоту — как можно дальше вверх по спектру.

Прежде всего выясним, какую роль может сыграть упругость в осуществлении этой задачи. Чем податливей пружина, к которой прикреплена масса, тем ниже собственная частота. Уменьшение упругости перегородки не только понизит ее собственные частоты, но и укоротит изгибную волну, которая снижает изолирующие свойства панели, и тем самым повысит критическую частоту. Более тонкая перегородка также имела бы более высокую критическую частоту, но при этом уменьшилась бы ее масса, что, как мы уже знаем, нежелательно.

Следующий прием — увеличение массы перегородки; это выгодно не только в силу закона масс, но также и потому, что если это можно осуществить, не увеличивая упругость перегородки, удастся также снизить резонансные частоты и поднять критическую частоту.

Существует, однако, и другой способ решить нашу проблему, и его можно использовать как независимо, так и совместно с вышеуказанными мерами. Он заключается в следующем: вместо того чтобы отодвигать резонансы и критические частоты в дальние концы спектра (где ведь также может понадобиться хорошая звукоизоляция), попытаться снизить амплитуды резонансных колебаний и волны совпадений. Потеря изоляционных свойств перегородки в результате резонанса вызвана тем, что при резонансе к энергии, полученной перегородкой от упавшей на нее волны, прибавляется энергия, приносимая все новыми волнами. Если бы эту энергию удалось каким-то образом поглотить, эффект резонанса значительно бы снизился.

Для деформации кусочка замазки или глины достаточно затратить небольшую энергию. После деформации кусочек остается в новом состоянии, не приобретая какой-либо потенциальной энергии. Куда же девалась энергия, затраченная на деформацию такого пластичного материала? Она поглотилась в результате трения между молекулами замазки или глины и обратилась в тепло. Это как раз то, что нам нужно: если покрыть резонирующую перегородку слоем какого-либо пластичного вещества вроде глины, то при каждой деформации перегородки в процессе резонансных колебаний слой также будет деформироваться и поглощать энергию. Этим способом можно ввести затухание в колебания перегородки. Конечно, обмазывать перегородку глиной не очень-то удобно, но существует множество материалов — от смол до различных патентованных составов, — которые действуют подобным образом. На рис. 42 пунктиром показано действие вводимого таким путем затухания: в результате даже чрезмерно упругая перегородка становится пригодной для целей звукоизоляции.

Теперь мы можем сформулировать несколько положений, которыми необходимо руководствоваться при проектировании звукоизолирующих перегородок. Для всех частот, кроме самых низких, определяющими факторами являются:

1) большая масса,

2) малая упругость,

3) высокое затухание.

Конечно, многие материалы сами по себе в той или иной степени обладают внутренним затуханием, и поэтому не всегда необходимо вносить затухание извне. Например, внутреннее затухание в фанере велико — в сто раз больше, чем в стали или алюминии. Однако при равных массах фанера обладает гораздо большей упругостью, чем стальной лист. Поэтому при введении достаточного затухания, например путем нанесения демпфирующего состава, стальной лист оказывается гораздо лучше фанеры, так как его резонансные частоты ниже, а критическая частота выше. Наилучшим материалом был бы свинец: его масса значительна, упругость мала, а затухание велико. Но свинец дорог. В Приложении 1 даны величины плотности (массы), упругости и критической частоты для различных материалов. Вообще, для однослойных перегородок задемпфированный стальной лист — наилучший вариант с точки зрения стоимости, практичности и звукоизолирующих свойств.

Однако существуют изоляторы звука гораздо более эффективные, чем однослойные перегородки. Допустим, имеется задемпфированная перегородка с малой упругостью и с поверхностной плотностью 5 кг/м2 и нам требуется улучшить звукоизоляцию. Что для этого следует сделать? Если считать, что резонансы и эффект совпадений уже по возможности подавлены, то остается одна свободная переменная — масса. Можно увеличить массу перегородки, но даже если это удастся сделать, не увеличивая ее упругости, то, как следует из закона масс, при удвоении массы нельзя рассчитывать больше, чем на 6 дБ, а практически лишь на 5 дБ. Вряд ли такое увеличение звукоизоляции оправдает двойной расход материалов. Если учесть, что улучшение на 15 дБ потребует увеличения поверхностной плотности до 40 кг/м2, то этот путь мало заманчив, особенно если увеличение веса недопустимо с инженерной точки зрения.

В начале этой главы мы говорили о роли волнового сопротивления при передаче звука. Для упрощения, обсуждая поведение тонких перегородок, мы не касались импедансов, и, возможно, напрасно, потому что, говоря о втором законе Ньютона, об увеличении ускорения или массы, мы просто иными словами повторяли соображения, относящиеся к несогласованным импедансам. Реактивным массовым импедансом (или удельным импедансом передачи) перегородки называют произведение массы перегородки на частоту. Теперь рассмотрим механизм звукоизоляции перегородки как результат несогласования импедансов между воздухом и перегородкой со стороны, откуда падает звук, и между перегородкой и воздухом с той стороны, куда звук передается.

Что произойдет, если вместо удвоения массы перегородки мы поставим позади первой вторую перегородку, оставив между ними небольшой воздушный промежуток? Суммарная масса будет вдвое больше, как если бы мы просто удвоили толщину первой перегородки, однако при этом мы ввели еще два фактора, обусловливающих нарушение согласования импедансов, — дополнительные переходы звука из воздуха во вторую перегородку и из нее снова в воздух. Поэтому можно ожидать, что двойная перегородка окажется более эффективной, чем однослойная перегородка двойной массы. Так оно и получается на самом деле. А если бы удалось раздвинуть перегородки достаточно далеко друг от друга, оставив между ними большой воздушный промежуток, то общий эффект почти равнялся бы арифметической сумме изоляций, выраженных в децибелах, создаваемых каждой из этих перегородок в отдельности.

К сожалению, обычно приходится ставить перегородки близко друг к другу и, кроме того, каким-либо образом, например шпильками, соединять их механически друг с другом. Механические соединения увеличивают импеданс воздушного промежутка по сравнению с импедансом свободного воздуха снаружи перегородки, в результате степень несогласования импедансов внутри такой перегородки уменьшается. Тем не менее двухслойные перегородки много эффективнее, чем эквивалентные однослойные, и дают выигрыш в 10 дБ и более. При этом все проблемы, связанные с резонансами и эффектами совпадений, по-прежнему остаются существенными и даже усложняются. Появляется новый резонанс: воздух между перегородками может вести себя как резонансная труба, уже описанная в этой книге, что также снижает звукоизоляцию. К счастью, нетрудно снизить резонансный эффект слоя воздуха, применив какой-либо пористый материал. Такой слой действует на воздух подобно демпферу и влияет на резонансные свойства воздушной полости так же, как демпфирующие слои на однослойную перегородку.

Можно было бы без конца увеличивать звукоизоляцию, добавляя все новые и новые перегородки. Главным фактором здесь становится степень механической изоляции одной перегородки от другой. Если между перегородками расположен пружинящий слой типа микропористой резины, вне резонансной частоты такой «пружины» все будет хорошо, а при резонансе решающую роль сыграет степень задемпфированности слоя. К сожалению, хорошее демпфирование в межперегородочном пространстве означает повышение импеданса, а поскольку импедансы перегородок высоки, следует по возможности уменьшать импеданс промежуточного слоя. Поэтому, помещая между перегородками упругий слой или упругие элементы, предпочтительнее бороться с резонансом слоя путем уменьшения резонансной частоты (уменьшая для этого коэффициент упругости слоя), а не путем применения повышенного демпфирования.

Иногда нельзя обойтись без жесткого механического соединения между перегородками. Если воздушный промежуток узкий, а стенки тяжелые, то результирующий эффект мало отличается от изоляции, создаваемой одиночной перегородкой с той же суммарной массой. Например, двойная кирпичная стена толщиной 280 мм с воздушным промежутком внутри толщиной 50 мм и с множеством металлических связей между обеими половинками немногим лучше, чем сплошная стена толщиной 230 мм. Можно несколько улучшить положение, убирая связи и все, что может передавать колебания, например заполняющую щебенку, а воздушную полость заполнить микропористой резиной, однако, чтобы при этом изоляция заметно возросла, потребуется увеличить воздушный промежуток по крайней мере до 100 мм.

Наиболее известный пример осуществления принципа двойной перегородки — это двойные оконные рамы. И здесь, как и в других аналогичных случаях, господствует путаница. Так, двойная рама со стеклами, жестко закрепленными в раме на расстоянии 20 мм друг от друга, дает не большую изоляцию, чем рама с одним стеклом суммарной массы. Акустическая двойная рама должна удовлетворять трем требованиям:

1. Воздушный промежуток должен составлять 100 мм или более.

2. По крайней мере одно из стекол должно быть закреплено не жестко.

3. Оконные притолоки должны иметь звукопоглощающую облицовку.

Боюсь, что сказанное может повредить продаже обычных теплоизолирующих двойных рам. Жители северных стран, например Норвегии, с давних пор устанавливают двойные рамы с большим воздушным промежутком. Поэтому в этих странах проблема возрастающего транспортного шума стоит менее остро, чем в других.

Можно указать много примеров применения многослойных перегородок для целей изоляции звука. В Приложении 2 приведены данные по звукоизоляции некоторых типов перегородок и панелей. В крайних случаях, в частности для студий и акустических лабораторий, следует строить бетонное помещение, внутри которого строят второе полностью независимое бетонное помещение, подвешиваемое на податливых креплениях, так чтобы между обоими помещениями оставался большой воздушный промежуток. К поверхностям стен прикрепляют слой звукопоглощающего материала, и твердые соединения между помещениями полностью отсутствуют. В таком помещении необходимы двери специальной конструкции, но об этом мы расскажем в гл. 13.

Другой пример — плавающий пол. Его основу составляет бетонная плита, на которую кладется мат из минеральной шерсти и пятидесятимиллиметровый настил, подкрепленный проволочной сеткой. Это одна из лучших конструкций звукоизолирующего перекрытия, при условии что мат завернут на краях и отсутствует «акустическое короткое замыкание», например при контакте с плинтусом. Такое перекрытие также весьма эффективно уменьшает передачу ударного звука с верхних этажей на нижние. Плавающие полы и изоляцию от ударного звука мы также рассмотрим в гл. 13.

Пожалуй, наиболее непроизводительный расход с точки зрения акустики — это установка жильцами акустических плиток на потолках своих квартир, с помощью которых они надеются улучшить звукоизоляцию потолков. Как мы увидим в следующей главе, небольшой эффект действительно есть, однако вовсе не потому, что уменьшается передача звука через потолок. Хотя, как мы видели, пятидесятимиллиметровый пористый мат может уменьшить интенсивность проходящего через него звука на 3 дБ, даже этот мизерный выигрыш не достигается при расположении мата на потолке. Это объясняется тем, что импеданс пористого мата имеет промежуточное значение между импедансами воздуха и основного перекрытия, и поэтому смягчает резкость скачка, создавая более плавный, переход от малого к большому значению импеданса. Поскольку в данной конструкции изоляция звука определяется, именно резкостью несогласования импедансов, наличие пористого мата приводит к увеличению количества звука, проникающего внутрь потолка. Правда, в целом изоляция не ухудшается, потому что в мате силы вязкости, действующие между волокнами или внутри пор, приводят к поглощению энергии и снижению интенсивности примерно на те же 3 дБ; в результате звукоизоляция потолка не изменяется.

Теперь рассмотрим, как повлияет отверстие в звукоизолирующей перегородке на ее звукоизоляцию. Это нужно знать, так как во многих перегородках приходится проделывать отверстия, а даже если их и закрывают, то используют для этого материал с худшими звукоизолирующими свойствами, чем стена. Так, в стенах имеются дверные проемы, а массы дверей меньше соответствующих масс стен. Хуже того, стены зачастую имеют непредусмотренные отверстия. Как же влияют отверстия и участки с худшей звукоизоляцией на результирующий эффект?

Мы много говорили об измерении звукоизоляции в децибелах, однако точно не установили, что за этим кроется. Вопрос несложен: если звукоизоляция перегородки составляет 40 дБ на частоте 1 кГц, это значит, что уровень интенсивности прошедшей волны на 40 дБ меньше, чем уровень интенсивности падающей волны. Выше мы говорили, что при колебаниях перегородки, вызываемых падающим звуком, ее заднюю сторону можно рассматривать как источник звука. В гл. 4 мы объяснили, как измерять в децибелах полный энергетический выход источника звука — уровень мощности источника. Поэтому можно суммировать весь звук, излучаемый задней стороной перегородки, и рассчитать таким образом уровень звуковой мощности. Уровень интенсивности звука, как мы знаем, это отношение соответствующих значений, выраженных в единицах Вт/м2, представленное в децибелах. Стена площадью 4 м2 излучит энергию, равную интенсивности (в Вт/м2), умноженной на 4. Конечно, складывать величины, выраженные в децибелах, следует не по арифметическому, а по логарифмическому правилу; для этого нужно воспользоваться таблицей, данной в Приложении 3. Таким образом, для перегородки площадью 4 м2 при уровне проходящей волны 50 дБ и частоте 100 Гц уровень мощности прошедшей волны будет равен 56 дБ (одно удвоение площади даст 3 дБ, второе— еще 3 дБ).

Теперь проделаем в стенке отверстие. Что произойдет? На рис. 43 дан график, позволяющий произвести расчет: исходя из относительной доли площади с низкой звукоизоляцией и площади с большой звукоизоляцией находят потерю изоляции перегородки, обусловленную «плохими» участками.

В качестве примера рассмотрим перегородку с трещиной у пола. Пусть площадь трещины составляет всего 1/500 часть площади перегородки, и пусть на частоте 4 кГц звукоизоляция перегородки равна 60 дБ. Согласно рис. 43, трещина снизит звукоизоляцию перегородки на целых 33 дБ! Отсюда ясно, как важно тщательно ликвидировать всякие трещины и зазоры во всех случаях, когда необходима хорошая звукоизоляция. Поразительно, как редко доходят до понимания этого обстоятельства! Ниже мы увидим, насколько важно герметизировать дверь по всему периметру. Кирпичные стены всегда следует штукатурить, чтобы не оставалось сквозных пор.

Рис. 43. Снижение изоляции при наличии участков малой изоляции на перегородке с большой звукоизоляцией

(множитель 1000 относится к правой половине рисунка).

Неблагоприятный эффект малых отверстий особенно сильно сказывается на высоких частотах. Волны отражаются от отверстий, малых по сравнению с длиной волны, а не проходят через них. Читателя это не должно удивлять: мы видели, что резонансы в трубе вызываются отражением волн от открытых концов. Здесь мы вновь сталкиваемся с различием импедансов: импеданс отверстия в стене выше, чем импеданс свободного воздуха. Поскольку же почти любая звукоизолирующая перегородка гораздо более эффективна на высоких, чем на низких частотах, утечка звука скажется более сильно на высоких частотах.

Для звука, прошедшего через отверстие средних размеров, характеристика направленности оказывается различной для высоких и низких частот — это обусловлено дифракцией и интерференцией. Пучок высокочастотного звука, исходящий из отверстия, направлен прямо перпендикулярно стене. Низкочастотный звук дифрагирует во все стороны, и его характеристика направленности больше похожа на полусферу.

Итак, подведем итоги тому, что мы узнали о звукоизоляции.

1. Для однослойной перегородки требуется высокая поверхностная плотность (например, кирпичная перегородка толщиной 230 мм имеет плотность 400 кг/м2). Поскольку удвоение или уменьшение в два раза массы перегородки дает изменение ее звукоизолирующей способности всего на 4—5 дБ, оказывается, можно применять и перегородки с поверхностной плотностью всего 5 кг/м2, при условии что

2. упругость перегородки мала (за исключением случаев, когда требуется изолировать только низкие частоты, 30 Гц и ниже). При малой упругости резонансы колебаний и резонанс совпадений раздвигаются на края частотного диапазона, где эти явления обычно менее существенны. В противном случае следует иметь в виду, что резонансы и эффект совпадений значительно снижаются, если

3. перегородка сильно задемпфирована либо вследствие внутреннего трения в материале перегородки, либо в результате нанесения на ее поверхность слоя поглощающего материала.

4. Наилучшая звукоизоляция при заданном суммарном весе достигается путем применения двух или большего числа раздельных перегородок, связанных между собой возможно более податливыми связями. Звукоизоляция улучшается при увеличении воздушного промежутка между перегородками. Поскольку резонансы промежуточного воздушного объема могут снизить звукоизоляцию (в наихудшем случае двойная перегородка может оказаться хуже однослойной),

5. промежуточное пространство должно быть заполнено тем или иным звукопоглощающим веществом. В ряде случаев можно заставить поглотитель весьма эффективно выполнять вторую функцию — нести на себе вторую перегородку, как, например, в случае плавающих полов или листового материала с наклеенным на него слоем микропористой резины.

6. Эффект изоляции может оказаться катастрофически сниженным при наличии трещин, зазоров и отверстий, однако, как показывает рис. 43, и в случае, когда от участков с меньшей изоляцией освободиться нельзя, еще не все потеряно.

7. Нанесение на стены звукопоглощающих материалов, например пористых матов, само по себе не улучшает звукоизоляцию.

8. Звукоизолирующие перегородки и панели почти всегда создают большую изоляцию на высоких частотах и зачастую очень малую на низких. Частично это связано с законом масс (улучшение изоляции на 5 дБ при удвоении частоты), а частично с тем, что резонансы обычно имеют место на низких частотах. Поэтому выражение звукоизоляции перегородки каким-то одним числом децибел вводит в заблуждение, и весьма важно провести расчеты для всего диапазона интересующих нас частот. Для этого удобнее пользоваться октавными полосами частот (см. гл. 4). Иногда тем не менее оперируют некими усредненными величинами звукоизоляции, выраженными в децибелах, для всего диапазона частот от 100 до 3200 Гц.

Поиск по сайту: