Типы зп материалов и конструкций. Механизмы пористого, воздушно-резонаторного и панельного зп. Многослойные и дифракционные звукопоглотители.

ЗПМ делятся по структурным признакам на 4 типа: волокнистой, зернистой, ячеистой и смешанной структурами. материалы с волокнистой структурой выпускаются на основе минеральной или стеклянной ваты. используются в качестве ЗПК или в виде материалов полной заводской готовности. в последнем случае материал, изготовленный в виде плит, выполняет роль звукопоглотителя при креплении к жесткой стенке.

материалы с зернистой структурой обладают только межгранульной пористостью, образуемоей между зернами скелетообразователя – перлита, вермикулита, шамота – пемполит, вибровулканит.

материалы с ячеистой структурой представляют собой двухфазную сиситему, состоящую из скелетообразного заполнителя и диспергированной газовой формы. известны полимерные и минеральные материалы с ячеистой структурой – винипор, пеногипс.

материалы со смешанной структурой характеризуются наличием как внутризерновой пористости, так и межзерновой (межгранульной).

 

Обработка поверхностей помещений звукопоглощающими материалами и конструкциями необходима для получения оптимальных акустических характеристик, среди которых особую роль играет время стандартной реверберации.(время, в течение которого плотность звуковой энергии снижается на 60 дБ после выключения источника).

Для достижения требуемой частотной характеристики звукопоглощения обычно комбинируют конструкции, поглощающие энергию преимущественно на низких, средних и высоких частотах звукового диапазона.

Поглощающие свойства материалов определяются коэффициентом поглощения материала a. Коэффициенты поглощения зависят от угла падения звуковой волны на поглощающий материал. Различают нормальный коэффициент поглощения (для угла падения 90°) и диффузный (для всевозможных углов падения). В таблицах обычно приводят только диффузный коэффициент поглощения.Коэффициенты поглощения зависят от частоты. Одни материалы имеют большее поглощение на низких частотах, другие – на высоких, третьи – на средних. Ряд материалов имеет немонотонную зависимость коэффициента поглощения от частоты. Все это позволяет подбирать оптимальное общее поглощение в помещении во всем диапазоне передаваемых частот.

Звукопоглощающие конструкции в зависимости от механизма звукопоглощения можно разделить на три группы: нерезонансные, резонансные и комбинированные, реализующие одновременно нерезонансный и резонансный способы поглощения.

При создании ЗПК необходимо выполнить две задачи: поглощение звука внутри конструкции и передачу звука без отражения в материал звукопоглотителя (согласование). Нерезонансное поглощение осуществляется в результате затухания звука в процессе его распространения в материале ЗПК. Резонансный механизм поглощения реализуется в специально сконструированных резонаторах, интенсивно поглощающих звуковую энергию на собственных частотах.

При нерезонансном способе поглощения необходимо использовать материалы относительно большой толщины, чтобы обеспечить достаточное поглощение звуковой волны по мере ее распространения. При этом волновое сопротивление материала поглотителя должно мало отличаться от волнового сопротивления воздушной среды.

Коэффициент отражения на границе ЗПМ - воздушная среда

Реактивная составляющая волнового сопротивления пропорциональна коэффициенту механических потерь материала и определяет степень затухания волны. Нетрудно видеть, что идеальное согласование(β=0) поглощающей среды выполнить невозможно. Следовательно, необходимо допустить конечность значений коэффициента отражения β и определить допустимые значения коэффициента потерь, определяющего значение реактивной составляющей.

Следовательно, малые величины коэффициента отражения можно получить только при небольших значениях коэффициента потерь.

Эффективное поглощение достигается при толщинах звукопоглотителя, сравнимых с длиной волны. При необходимости снижения уровня звука на НЧ звукового диапазона применение нерезонансных звукопоглотителей требует направленных конструкционных решений, позволяющих уменьшить толщину материала при высокой эффективности. при этом используют неоднородные среды, искусственно создаваемые на основе композиций слоев, обладающих разными акустическими свойствами. Волновое сопротивление неоднородной среды изменяется по определенному закону в направлении распространения волны, обеспечивая акустическую эффективность на НЧ при толщинах поглотителя l=(0,3-0,4)λ

Эффективное звукопоглощение можно получить, применяя резонансный механизм потерь звуковой энергии в относительно тонких слоях. При этом максимальное поглощение происходит на резонансной частоте системы, определяемой выражением

Степень согласования определяется величиной активного сопротивления резонансной системы. Полоса эффективного поглощения обратно пропорциональна отношению массы и упругости.

Упругость резонансной конструкции определяется либо упругостью слоя воздуха, либо упругостью резонирующей пластины, масса – эффективной массой воздуха в резонаторе либо погонной массой пластины. В любом варианте резонансных конструкций согласование зависит не только от параметров материала, но и геометрических размеров резонаторов. Обычно не удается осуществить хорошее согласование входного сопротивления поверхности резонансного звукопоглотителя, поэтому коэффициент поглощения последнего невелик. Эффективность резонансного звукопоглотителя может проявляться на более низких частотах при относительно небольшой толщине конструкции звукопоглотителя, в отличие от нерезонансных конструкций. Однако эффективность указанных звукопоглотителей реализуется в пределах 2-2,5 октав.

Комбинированный тип конструкции реализует нерезонансный и резонансный механизмы звукопоглощения

Первый обеспечивает звукопоглощение на высоких частотах, когда средний размер конструкции намного больше величины длины волны звука. Резонансный механизм проявляется при условии кратности размера конструкции полуволне звука. Эффективность комбинированных звукопоглотителей, выполненных в виде объемных конструкций, намного превышает звукопоглощающую эффективность плоских ЗПК.

Последнее обстоятельство объясняется эффектом нелокального поглощения звуковой энергии. Указанное явление наблюдается при падении звуковой волны на препятствие, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Резкое изменение волновых свойств среды, наблюдаемое на границе воздух – препятствие, приводит к возмущенному состоянию звукового поля. Звуковая волна рассеивается, трансформируется в другие виды волн. Возникают три вида рассеяния энергии падающей волны.

Один из них связан с зеркальным рассеянием, которое определяется законами геометрической оптики. Другой вид рассеяния сопровождается так называемыми «ползущими» волнами, которые огибают рассеивающее тело в различных направлениях, постепенно излучаясь в окружающую среду. Третий вид – волны типа Рэлея, которые входят в тело под определенными дискретными углами и распространяются вдоль поверхности.

-нерезонансные однородные

-нерезонансные неоднородные

Композиция, составленная из слоев, имеющих разные акустические свойства.

Нетрудно заметить, что, выбирая волновое сопротивление первого слоя, близкое к волновому сопротивлению воздуха, можно осуществить постепенный переход от воздушной среды к третьему слою, обладающему значительным звукопоглощением, поддерживая незначительное отражение от последнего.

Распространены звукопоглощающие клинья, выполненные из волокнистых материалов. Нижняя граничная частота определяется длиной клина.

-резонансные

Поглощение обусловлено наличием механических потерь в материале пластины. Гистерезисный механизм поглощения приводит к потерям колебательной энергии, пропорциональным амплитуде колебаний. Эффективное поглощение происходит на частотах резонансных мод колебаний пластины.