Панельные резонансные звукопоглощающие конструкции и их использование. Основные параметры, определяющие собственную частоту панельной конструкции. Достоинства и недостатки.

 

Для снижения звуковой энергии на низких частотах на низ­ких частотах находят применение конструкции, состоящие из плотного фанерного, асбоцементного, металлического или иного листа (4), шарнирно закрепленного на деревянном каркасе (1) с воздушной прослой­кой между листом (4) и поверхностью ограждения (2), как это изображено на рис. 6. Лист в таких конструкциях играет роль массы, а воз­душная прослойка за ней - роль пружины. Звуковая энергия переходит в механиче­скую энергию колебания листа, а затем, в конечном счете, в теп­ловую энергию, а затухание не позволяет самой панели стать вторичным источником звука.

Полезный диапазон частот таких поглотителей простирается от 40 до 400 Гц (кривая "А" рис. 7). Незадемпфированные: жесткие панели могут только ухудшить положение в результате появления гармоник (высших частот). Поэтому в воздушных пространство между
панелью и стеной либо помещают волокнистый мат, либо по периметру контура укладывается
валик из звукопоглощающего материала. Это приводит к тому, что максимум 3ПМ сдвигается в сторону более низких частот, да и сами значения КЗП становятся выше (кривая Б), но частотная 06ласть поглощении уменьшается. В том случае, когда за панелью имеется только газовый промежуток, собственную частоту резонанса, на которой имеет место максимум коэффициента поглощения можно опре­делить по формуле: ƒ₀=с_о/2π ρ/m_nd (13)

 

где с₀ - скорость звука, м/с; m_n- поверхностная масса, кг/м; d -толщина, м; р - плотность газа за панелью, кг/м³.

При устройстве резонансной панели на относе от кирпичной стены ее не следует штукатурить, так как стена с не заделанны­ми швами обладает некоторым звукопоглощением, увеличи­вающим звукопоглощение панели. Разновидностью резонирую­щих панелей являются конструкции полуцилиндрического или треугольного профиля (рис. 8). Внутренний объем может быть заполнен волокнистыми материалами. Такие панели дополнительно к значительному звукопоглощению обладают и рассеи­вающими свойствами.

При конструи­ровании панельных поглотителей следует учитывать и тре­бования к их стати­ческой прочности. Это приводит к тому, что толщина пластин и плит достигает не­скольких миллимет­ров, а их размеры кратны четверти длины волны. Так как практически только са­мые низкие резонансные частоты, соответствующие малым по­рядкам собственных колебаний могут при этом возбуждаться, то полностью энергии деформации и тем самым акустические по­тери ограничены.

 

 

Для повышения плотности энергии деформации можно перейти от толщин в несколько сантиметров к пластинам из упругой пленки толщиной 200-400 мкм, резонансные частоты которых лежат в пределах 100-3125 Гц. Отдельный элемент 2 формируется прессованием в ви­де чаши, основанием которой служит пластина 3. Изгиб чаши на краях образует упругое закрепление (рис. 9). 4 - поверхность ог­раждения, 1 - элемент относа. При возбуждении звуком на по­верхности “чаши” возникает картина распределения колебаний (фигуры Хладни). Если закрыть днище чаши гладкой пленкой и разместить элемент на известном расстоянии d от стены, то воз­никает комбинированная многорезонансная система (резонансы пленки и резонансы воздушной прослойки), которая при надлежащем выборе взаимных расстояний приводит к относительно широкой кривой звукопоглощения.

Если вставить 2 чашеобразных элемента один в другой, закрыть их снизу гибкой пленкой отнести от стенки расстояние d, можно получить еще более широкополосный по­глотитель (рис. 10).

Частотная характеристика становится еще более гладкой, если верхний элемент выполняется неровным, так как в этом случае собственные частоты распределяются еще равномернее. Та­ким образом, получается широкополосный поглотитель без и пользования пористого материала, имеющего коэффициенты поглощения > 0,8 в диапазоне частот от 250 до 2000 Гц. Его легко изготовить светопрозрачным, что очень важно для произ­водств, связанными с высокими гигиеническими требованиями, или для производств с высокой влажностью, запыленностью или замасленностью, и для производств с преимущественно дневным естественным освещением.

Колеблющиеся панели имеют ряд преимуществ по сравне­нию с пористыми поглотителями: они гигиеничны, долговечны, влагостойки, устойчивы против механических воздействий, мо­гут покрываться любой краской. Недостаток - не очень широк диапазон

Тканевые резонансные конструкции

По аналогии с пленочными конструкциями, резонансные конструкции могут быть выполнены в виде свободно висящего занавеса на некотором расстоянии от поверхности.

Такие конструкции рекомендуется применять в залах с вы­сокими требованиями акустического комфорта, например, в му­зыкальных классах. В частности для создания переменного по­глощения в широком частотном диапазоне можно использовать большие рамки с полотнищами ткани, которые могут быть уста­новлены вдоль стен или в углах помещения. Так, для ткани ЭЗ-100 с воздушной полостью 4 см резонансная частота системы равна 1250 Гц, а ширина полосы поглощения составляет 1500 Гц (на­чиная с октавы 250 Гц) КЗП: 0,09; 500-0,19; 1000-0,6; 1500-0,8; 2000-0,73; 3000-0,4; 4000-0,08.

Следует отметить, что акустическая эффективность этих конструкций намного превышает ту же величину для пленочных поглотителей при одинаковых значениях поверхностной плот­ности ткани и пленки. Поэтому тканевые системы являются промежуточным звеном между широкополосными акустически­ми облицовками и резонаторами с селективным поглощением звука.

 

20. Резонансные поглотители типа резонатора Гельмгольца

Резонатором является полость в материале, связанная с на­ружным воздухом узким или широким каналом. В первом слу­чае резонатор поглощает энергию, а во втором излучает звуко­вую энергию. Для первого случая масса воздуха в горловине ре­зонатора приводится в колебательное движение внешним звуко­вым давлением. Если частота колебаний падающих звуковых волн достаточно близка к собственной частоте резонатора, то давление всегда действует в направлении движения, скорость воздуха в канале возрастает, но из-за того, что скорость движения падающе­го фронта остается постоянной, для "питания" возрастающего потока воз­духа внутри и вблизи горла необходи­мо, чтобы падающие волны испытли деформацию, т.е. лучи распростране­ния звуковых волн оказываются на­правленными к горловине резонатора. Резонатор как бы всасывает в себя зву­ковую энергию (рис. 11). Очень важ­ный показатель резонатора - это затухание колебаний, которое не должно быть слишком малым, чтобы резонатор не стал излу­чателем звуков и не слишком большим, ибо тогда резонанс бу­дет выражен слабо. Если горловина широкая, то после действия источника звука резонатор отдает затем энергию в окружающую среду. Именно на этом принципе работали "гармоники" в теат­рах Греции и Древнего Рима или "голосники" в русских церквях - устройства в виде кувшинов, замурованные в стенах.

Рис. 11

Во время движения воздуха в горловине всегда происходит некоторое затухание из-за наличия трения. Это затухание мало, когда горловина широкая, но его можно увеличить и уменьше­нием площади горловины и путем размещения в ее полости по­ристого материала. Значительный интерес к резонаторным кон­струкциям подобного типа объясняется тем, что рабочая область частот зависит только от геометрических параметров конструк­ции и может быть определена предварительным расчетом.

Одиночный резонатор

Для одиночного резонатора Гельмгольца резонансная час­тота, на которую приходится максимум поглощения, определя­ется по формуле:

ƒ₀ = (c₀ / 2π) * (S / l _ЭФ V). (14).

l _ЭФ - эффективная длина горловины, м.; l _ЭФ = l + 2δ; δ- поправка, зависящая от формы отверстия горловины (круглая, квадратная, щелевидная); l — геометрическая длина горловины; V- объем резонатора, м³; S - площадь поперечного сечения гор­ловины, м².

У резонаторов Гельмгольца практически нет верхней час­тотной границы, но нижняя не может быть какой угодно малой: она определяется предельно допустимыми габаритами резонато­ра и лежит около 100 Гц. Максимальное звукопоглощение будет тогда, когда длина волны во много раз больше длины горловины и вычисляется по формуле:

A_mаx = λ₀² / 2π (15).

Видно, что поглощение одиночного резонатора может быть значительным в особенности на низких частотах.

Применение резонаторов подобного типа рекомендуется там, где должно быть обеспечено поглощение звука определен­ной частоты (тональный шум) или требуется погасить в поме­щении стоячую волну. К недостаткам резонатора Гельмольца следует отнести очень узкую частотную область, в пределах ко­торой проявляется высокое поглощение (в лучшем случае не­сколько десятков Герц для высоких частот).

Интересно отметить, что эти особенности резонаторов были известны еще в глубокой древности. Реставраторы церковных зданий обнаруживали вазы-резонаторы, вазы-кувшины, которые служили либо как усилители звука, либо как поглотители. Так был даже обнаружен двухкамерный поглотитель, представляв­ший вазу, закрывающую некоторую полость в каменной кладке. Дно вазы имело маленькие отверстия и выходило в помещение, а широкая горловина была обращена в сторону внутренней по­лости. Исследования показали, что такая конструкция поглощает звук в диапазоне 60-350 Гц, а именно на этих частотах время ре­верберации очень велико, что делает речь неразборчивой.

 

 

21. Группы резонаторов, цепочки резонаторов, их частотные характеристики. Достоинства и недостатки.

 

Группы резонаторов

 

 

Для того чтобы действие резонаторов было эффективнее в более широкой области частот применяют большое число резо­наторов Гельмгольца, соединенных между собой параллельно, как это изображено на рис. 12. Осуществляется это довольно-таки просто - на стене делается квадратная обрешетка, к кото­рой прибивается лист 1, отверстия в котором приходятся на ка­ждый одиночный резонатор-секцию 3. Исследования показали, что наличие таких отдельных секций вовсе не обязательно, достаточно иметь лист, в котором сделаны в определенном по­рядке (с определенным шагом) отверстия. Нередко за отвер­стиями приклеивается редкая ткань 2, увеличивающая затуха­ние. Отверстия могут быть различной формы: круглые, квадрат­ные, прямоугольные и щелевые. Такой резонатор называют слоисто-резонансным (см. рис. 12а). Частотная характеристика такой конструкции определяется размерами отверстий, их расположением, массой листа сопротивлением продуванию приклеенного материала, глубиной воздушного слоя и т.д. Ширина частотной области с большими значения КЗП составляет не более одной октавы. Возможен второй вариант когда за перфорированным экран располагается волокнистый ЗПМ (частично или полностью), как это изображено на рис. 12б.

Резонансные конструкции с несколькими перфорированными экранами

Для расширения частотного диапазона и устранения провалов на частотной характеристике звукопоглощения перфорированной конструкции применяют многослойные резонансные конструкции, состоящие из двух параллельных перфорированных экранов с небольшими расстояниями между ними с воздушным промежутком за ними, как это изображено на рис. 13: 1 - экраны; - защитное покрытие 3 - воздушный объем:

При этом расчеты показывают, что конструкция на рис. 136 со сдвинутыми осями отверстий имеет преимущества, увеличива­ются потери энергии на трение, ибо поток в узком канале между экранами искривляется. Ширина частотной области высоких значений КЗП возрастет до двух октав.

Цепочки резонаторов

Резонансные поглотители, описанные выше, являются в большей или меньшей степени избирательными (селективными). Для того чтобы получить поглощение в широкой полосе частот, нередко используют цепочки резонаторов, соединенных после­довательно (рис. 14а) или параллельно (рис. 146).

Типичным примером параллельной цепочки резонаторов яв­ляются гипсовые плиты с двумя или тремя вариантами рисунков перфорации на поверхности плит. Параллельное соединение ре­зонаторов приводит к некоторой потере акустической эффек­тивности каждой группы резонаторов, но расширяет полосу по­глощения.

При последовательном соединении двух резонаторов глу­бина воздушного пространства за резонатором составляет не­сколько сантиметров (не менее 5). Такие конструкции позволяют получить значения КЗП более 0,5 с частотной полосой поглоще­ния более трех октав. Достоинства приведенных выше конст­рукций в том, что они экологически чистые, не изменяют своих поглощающих характеристик со временем.