Звукопоглинальні матеріали і конструкції

Відображення звукових хвиль відбувається через неузгодженість хвильових акустичних опорів межують середовищ. Згідно з загальною теорії коефіцієнт відбиття по звуковому тиску

(1.40)

визначається хвильовим акустичним опором повітря δ_віз і хвильовим акустичним опором середовища, що відображає δ_отр. Відображаюча здатність середовища тим більше, чим більше її хвильовий опір.

Відношення інтенсивності відбитих звукових хвиль I_отр до інтенсивності падаючих хвиль називається коефіцієнтом відображення по інтенсивності α_отр, а відношення поглиненої енергії до падаючої, вираженої через інтенсивності, називається коефіцієнтом поглинання α = I/I_пад. Без урахування дифракції справедливо рівність α = 1 - α_отр.

Звукопоглинальні матеріали бувають суцільними і пористими. За призначенням вони поділяються на стінові, лицювальні, для драпірування та спеціальні (мембранні та резонаторні конструкції).

Суцільні матеріали. Це в основному тверді матеріали (бетон, цегла, мармур і т.п.), які мають акустичний опір набагато більше опору повітря. Їх коефіцієнти поглинання дуже малі, не більше 0,05. З м'яких суцільних матеріалів в якості облицювання застосовується щільна гума, коефіцієнт поглинання якої находиться в межах 0,1.

Пористі матеріали. До них відносяться штукатурки, облицювальні плити з перфорацією і без неї, портьєри, килими і т.п. Вони застосовуються тільки для облицювання й драпірування. За ними впритул або на деякій відстані розташовуються огороджувальні конструкції, що мають суцільну структуру (перекриття, стіни). При впливі на пористі матеріали звукових хвиль слід враховувати відображення звуку як від лицьової поверхні, так і від тильної з урахуванням поглинання звуку в матеріалі. Для добре проникних для звуку матеріалів треба враховувати відображення звукових хвиль від огороджувальних конструкцій, що знаходяться за пористим матеріалом. Якщо за ним знаходиться тверда стіна, то відбиті від стіни хвилі будуть повторно проходити через матеріал у зворотному напрямку частково поглинаючись знову від втрат на тертя в порах матеріалу. Поглинання звукової хвилі буде максимальним при розміщенні пористої перегородки на невеликій відстані від стіни (на відстані чверті довжини звукової хвилі).

Якщо пористий матеріал облицювання має досить велику товщину, то коефіцієнт поглинання збільшується з ряду причин. Так як акустичний опір пористих матеріалів близький з з опором повітря, то відбиття від них майже відсутнє. Звукові хвилі відчувають в поглинаючому матеріалі великі втрати через в'язкості матеріалу і тертя частинок повітря в порах, в результаті чого хвилі досягають поверхні стіни значно ослабленими. При зворотному русі звукової хвилі в пористому матеріалі буде також відбуватися по-поглинання енергії, що визначає збільшення коефіцієнта поглинання. На певних частотах коефіцієнт поглинання може бути дуже великим (див. табл. 1).

Існує багато звукопоглинальних матеріалів з акустичним опором, близьким до опору повітря. На певних частотах вони мають коефіцієнт поглинання, що наближається до одиниці.

Ефективні з точки зору звукопоглинання шаруваті конструкції з пористих матеріалів, шари яких підбирають з урахуванням отримання максимального коефіцієнта поглинання.

Таблиця 1

Матеріали	Коефіцієнт поглинання на частотах, Гц
Стіна, штукатурена гіпсом	0,013	0,015	0,020	0,028	0,040	0,050
Акустична штукатурка типу АГШ-Б	0,99	0,78	0,73	0,76	0, 60	0,59
Килим з ворсом 1 см на бетоні	0,09	0,08	0,21	0,27	0,27	0,37
Гумовий килим товщиною 0,5 см	0,04	0,04	0,08	0,12	0,03	0,10
Лінолеум	0,02	0,025	0,03	0,035	0,04	0,01
Соснова панель	0,098	0,110	0,100	0,087	0,082	0,110
Скло ординарної товщини	0,035	0,030	0,027	0,024	0,020	0,020
Щити Бекеш (полотно, натягнуте по ваті)	0,80	0,81	0,73	0,58	0,46	0,43

 

Резонансні (мембранні та перфоровані) конструкції. Резонансними звукопоглиначами можуть служити тонкі перегородки з суцільних матеріалів, поглинання яких визначається інтенсивністю їх коливань як єдиного цілого під впливом звуку. Звукопоглинання обумовлено втратою енергії на тертя і максимальне при резонансі. Мембранні конструкції являють собою дерев'яні рами з прикріпленими тонкими листами фанери, пластмаси, полімерної плівки і т.п. Повітряний зазор між шаром і стіною іноді заповнюють пухким пористим матеріалом. Перфоровані звукопоглиначі це пористо-коливальні системи. Вони містять шар м'якого пористого матеріалу, прикріпленого до стіни і покритого перфорованою пластиною.

Звукоізоляція приміщень

Звукоізоляція приміщень характеризує рівень проникнення шумів ззовні і витік мовної інформації з приміщення.

Розглянемо найбільш характерний випадок: проникнення звукових сигналів з ​​одного приміщення в інше через суміжну перегородку (рис. 1.20).

 

Джерело

звуку

 

 

Рис. 1.20. Звукоізоляція приміщень

При дії звукових хвиль з інтенсивністю I_пад на перегородку великих розмірів у порівнянні з довжиною хвилі інтенсивність хвиль по іншу сторону перегородки I_пр при відсутності відображення звуку в іншому приміщенні буде визначатися провідністю перегородки, яка характеризується коефіцієнтом звукопровідності

α_пр = I_пр/I_пад (1.41)

або звукоізоляцією перегородки

(1.42)

 

де L_пад і L_пр - рівні інтенсивності звукових хвиль, що падають на перегородку і пройшли через неї. Звукові хвилі, проникнувши в приміщення, відбиваються від його внутрішніх поверхонь і збільшують в ньому інтенсивність звуку.

Можна вважати, що добуток інтенсивності звуку I_пр, що пройшов через перегородку, на площу перегородки S_пр буде представляти собою потужність Р_а = I_прS_пр, а щільність енергії в приміщенні

(1.43)

 

де α_срS = A - загальне поглинання обмежуючих поверхонь приміщення. Тоді рівень звуку в приміщенні

(1.44)

 

Так як інтенсивність нульового рівня ε₀ с_зв = I₀, то величина 10lg(I_пр/I₀) = L_пр є рівнем хвиль, що пройшли перегородку. З урахуванням цих зауважень вираз (1.44) можна записати у вигляді

(1.45)

 

З виразу (1.45) випливає, що складова 10lg(S_пр /α_ср S) відповідає збільшенню інтенсивності звуку через його віддзеркалення від обмежуючих суміжне приміщення поверхонь.

Звукоізоляцією приміщення Q_з називають різницю між рівнями звуку із зовнішнього боку захисної конструкції L₁ і всередині суміжного приміщення L₂:

Q_з = L₁ - L₂ = 10lg (I₁/I₀) - 10lg (I_2/I₀) = 10lg (I₁/I₂), (1.46)

де I₁ і I₂ - інтенсивності звуку, відповідні рівням L₁ і L₂.

Враховуючи, що рівень інтенсивності звуку у перегородки з боку основного приміщення L₁ = L_пад, а згідно (1.42) Q_пер = L_пад - L_пр, звідки слідує L_пад = Q_пер + L_пр. Тоді, беручи до уваги значення L₂ з виразу (1.45), вираз (1.46) перетворимо до виду

Q_з=L₁-L₂=L_пад-L₂=Q_пер+L_пр-L₂=Q_пер+L_пр-[L_пр+10lg(S_пр/α_срS)]=

=Q_пер-10lg(S_пр/ α_ср S) (1.47)

З (1.47) випливає, що звукоізоляція приміщення визначається звукоізоляцією огороджувальних конструкцій з поправкою 10lg(S_пр/ α_ср S) на збільшення рівня інтенсивності минулого звуку через відбиття від внутрішніх поверхонь суміжного приміщення. Величина поправки залежить від відношення площі перегородки S_пр до загального поглинання приміщення α_ср S. У лункому приміщенні звукоізоляція буде знижуватися, а в заглушених приміщеннях буде визначатися тільки звукоізоляцією перегородки.

Якщо вважати, що звукові хвилі проникають через складну перегородку, що складається з декількох ділянок з різною звукопровідністю без взаємного впливу, то загальна потужність звукових хвиль, що пройшли дорівнюватиме сумі потужностей окремих ділянок перегородки:

 

де I_пр.k - потік енергії через одиницю k -й поверхні площею S_пр.k.

Проходження звуку через огороджувальні конструкції можливо різними шляхами, в першу чергу через щілини й наскрізні пори (так званий повітряний перенос). Через матеріал перегородок звук проникає із-за поздовжніх коливань (матеріал перенесення) поперечних коливань, схожих з коливаннями мембрани (мембранний перенос). Мембранні коливання в першому наближенні можна розглядати як коливання перегородки як єдиного цілого з коефіцієнтом звукопровідності, обернено пропорційним загальній масі і з низькою резонансною частотою. З підвищенням частоти звуку звукова провідність перегородки пропорційно зменшується.

При матеріальному перенесенні звукопровідність перегородки залежить від відношення питомих акустичних опорів повітря і матеріалу перегородки, які від частоти не залежать.

Від розмірів щілин, пор і т.п., від їх розташування і від тертя повітря об поверхні стінок пор залежить ефективність повітряного переносу. Якщо є не менше двох пор, віддалених один від одного на відстань більше довжини звукової хвилі, то в результаті дифракції звукові хвилі, що падають на перегородку на відстані менше половини довжини хвилі від щілин, будуть також йти через щілини. Провідність такий перегородок на високих частотах буде менше, ніж на низьких.

Для зниження провідності вентиляційних каналів застосовують покриття їх звукопоглинальними матеріалами та акустичні фільтри.

Властивості та особливості акустичних каналів витоку мовної інформації з приміщень випливають з раніше розглянутих основних положень акустики. За акустичним каналам інформація може бути перехоплена за допомогою мікрофонів або безпосереднім прослуховуванням.

Найбільш небезпечними є технологічні вікна, короби комунікацій та вентиляційні конструкції з великою площею поперечного перерізу. Такі конструкції на певних частотах володіють властивостями акустичних хвилеводів, за якими звук поширюється на значні відстані. Особливо небезпечною ситуація стає, якщо поперечні розміри коробів порівняні з довжиною звукових хвиль.

Також небезпечними є звуководи з геометричними розмірами значно меншими довжини хвилі. До них відносяться всілякого виду щілини, отвори, наскрізні зазори у вікнах і дверях. Такі звуководи знижують загальну звукоізоляцію стіни в кілька разів, незважаючи на велике згасання в них звукової хвилі (до 1... 20 дБ / м).

Коливання огороджувальних конструкцій виділеного приміщення, що виникають під дією падаючої хвилі при великих площах поверхні, є причиною перевипромінювання звукової енергії. При достатній величині перевипромінювання звукової енергії мовна інформація може бути перехоплена.

Перевипромінювання є не єдиною причиною витоку мовної інформації. Вібраційні коливання будівельних конструкцій створюють один з найнебезпечніших каналів витоку інформації - віброакустичний канал. Небезпека каналу визначається тим, що затухання звукових коливань у твердих середовищах (суцільний залізобетон, металеві конструкції інженерних комунікацій, цегляна кладка тощо) характеризується низьким значенням в області звукових частот. Ця обставина визначає можливість поширення коливань на значні рас-стояння, що перевищують контрольовану зону, де можуть бути перехоплені реєструючою апаратурою. Перехоплення інформації з виділеного приміщення по несучій стіні можливий в місцях, розташованих через два поверхи від приміщення.

У деяких випадках труби інженерних комунікацій можуть створювати хвилеводи вібраційних коливань, які розповсюджують сигнали на великі відстані. Умови утворення хвилеводів вібраційних коливань визначаються значною різницею величин акустичних опорів матеріалів труб і навколишнього середовища та наявність узгоджених елементів між середовищами, наприклад, батарей опалення.

Теорія розбірливості мови

Якість зв'язку під час передачі неперетворених мовних повідомлень оцінюється розбірливістю мови, названою також артикуляцією. Під артикуляцією розуміють відсоток правильно прийнятих елементів мови із загальної кількості елементів, переданих у даному повідомленні. Як передані елементи мови можуть бути фрази, слова, склади, звуки, форманти. Тоді якість зв’язку оцінюють артикуляцією фраз I, слів W, складів S, звуків D, формант А.

Сприйняття звуку залежить від рівнів формант над порогом чутності. Під час передачі окремого звуку приймання його достовірний тільки у тому випадку, коли усі форманти даного звуку, істотні для розуміння, сприймаються слухачем, у разі передачі ряду послідовних звуків мови ця вимога не є обов’язковою. У цьому випадку звук з неповно прийнятими формантами може бути прийнятий вірно, якщо достатня кількість інших звуків була прийнята правильно. Звичайно, розбірливість звуків D певним чином пов’язують з розбірливістю формант А.

Індивідуальні розрізнення частот формант та їхнє взаємне розташування у різних людей виявляється значним, тому у разі аналізу прийнятого повідомлення мозок слухача виконує величезну роботу щодо порівняння прийнятого сигналу із “еталонами” комбінацій даного звуку, що зберігаються в “чарунках пам’яті”, причому відповідність прийнятого сигналу “еталона” встановлюється не тільки з урахуванням відхилення сигналу від “еталона”, але й імовірності появи даного звуку за попередніми звуками.

Кількісне значення артикуляції визначається експериментальним шляхом. При цьому звичайно користуються артикуляційними таблицями, що містять набір тих чи інших елементів мови. У більшості випадків артикуляційні таблиці складають зі складів чи звукосполучень, що не мають суттєвого значення.

Приклад кількісної оцінки якості зв’язку за допомогою артикуляції проілюструємо за допомогою табл. 1.2, що містить значення розбірливості елементів мови для оцінки якості зв’язку.

З табл. 1.2 видно, що абсолютні зміни форматної розбірливості за своїм значенням значно більші, ніж для звукової, складової і словесної розбірливості. Це означає, що точність вимірів за формантною розбірливістю буде значно вище, ніж за іншими видами розбірливості.

Під час оцінки однієї з основних експлуатаційних характеристик трактів передачі мови – пропускної здатності (чи часу, необхідного для передачі повідомлення) необхідно враховувати, що чим нижче якість переданої мови, тим більше часу потрібно для її повного розуміння.

 

Таблиця 1.2

Вид розбірли-вості, %	Якість зв’язку
зрив зв’язку	мінімально допустима	задовільна	добра	відмінна
A D S W I	–

Дослідження показали, що значення розбірливості формант А обернено пропорційно значенню часу Т, необхідного для повного розуміння змісту мови . Отже, розбірливість формант – це відносне значення гранично можливої швидкості передачі, тобто формантна розбірливість є найбільш показовим видом розбірливості.

Значення формантної розбірливості за умови практики з достатнім ступенем точності визначається добутком ширини частотного діапазону (у герцах) і середнього значення ефективного динамічного діапазону мови (у децибелах)

,

де – середнє значення ефективного динамічного діапазону мови по входу тракту; F – ширина частотного діапазону мови, що пропускається трактом дБ·Гц, тут Гц і дБ.

У роботі [8] зроблено цікавий висновок про те, що кількість прийнятої інформації прямо пропорційна добутку частоти, яка пропускається трактом F, середнього динамічного діапазону D і часу передачі Т:

,

тобто пропорційна добутку формантної розбірливості на час передачі.

Теорія розбірливості мови заснована на статистичному процесі сприйняття формант за умов дії шуму. За цих умов має місце маскування мови шумами, тому велике значення в теорії розбірливості мови має визначення залежності ефекту маскування від рівнів і спектрів шумів.

Для широкополосних рівномірних флуктуаційних шумів низьких і середніх рівнів поріг чутності в критичній смузі слуху визначається виразом

,

де – рівень спектра шуму; – логарифмічна ширина критичної смуги слуху, ; – рівень порога чутності в тиші.

при (1.48)

Із виразу (1.48) випливає, що в кожній ділянці частотного діапазону флуктуаційних шумів рівень порога чутності визначається рівнем спектра шуму і шириною критичної смуги слуху і як би не залежить від маскуючої дії складових на інших ділянках. Насправді маскуючий ефект на кожній такій ділянці визначається сумарною дією всіх складових шуму, причому частка кожної з них тим менше, чим далі він знаходиться від розглянутої області частот. При цьому маскуюча дія більш помітно позначається на частотах, що лежать вище частоти маскуючого тону чи шуму.

Вираз (1.48) показує, що тон може бути почутий, якщо його рівень інтенсивності дорівнює рівню шуму в критичній смузі. Для рівномірного шуму з діапазоном частот 100...4000 Гц це означає, що тон може бути почутий, якщо його рівень на нижче рівня шуму. Для частоти 1000 Гц , отже, загальний рівень шуму може бути на 18 дБ вище рівня тону. Це пояснюється високою вибірковістю слуху.