Распространение звука в материале шумозащитных конструкций

По принятым представлениям, механизм гашения звука в материале заключается в том, что при падении звуковой волны на пористый материал воздух, заключенный в порах, начинает колебаться. Вследствие наличия в порах сопротивления трения и вязкости воздуха часть звуковой энергии превращается в теплоту, при этом за счет теплопроводности стенок пор материала происходит необратимая потеря энергии. Кроме того, при неидеальной упругости материала могут происходить релаксационные потери энергии.

Распространение и гашение звука в пористом материале с учетом сил трения, вызывающих переход звуковой энергии в тепловую, описывается дифференциальным уравнением:

(10.6)

где Х – структурный фактор материала;

П – пористость материала;

r_в – плотность воздуха;

v – скорость колебания;

r – удельное сопротивление продуванию;

х – отклонение от скорости равновесия в момент t.

Структурный фактор Х характеризует отношение приведенной плотности воздуха в порах материала (r) к плотности свободного воздуха: .

Из-за особенностей пор в материале (изгибы, изменения поперечного сечения) r всегда больше r_в и поэтому, всегда больше 1. Наиболее эффективными являются материалы со структурным фактором, близким к единице (например, изделия из минеральной ваты).

Структурный фактор материала неразрывно связан с его пористостью П.

При прохождении звуковой волны процесс сжатия воздуха сопровождается теплообменом между воздухом и поверхностью пор. При этом в теплообмене участвуют не только сквозные, но и тупиковые поры. Для учета этого в уравнение движения воздуха вводится поправочный коэффициент (в пределах 1…4).

Требуемая толщина звукопоглощающего материала (h) может быть определена по формуле:

(10.8) или (10.9)

где r – сопротивление продуванию (r = 10 r_в×с_в , 10³ Н×с/м³; r_в – плотность воздуха; с_в – скорость распространения звука в воздухе);

П – пористость материала;

f – среднее значение частоты звуковых волн, Гц;

х – структурный фактор.

На практике эффективность звукопоглощающих материалов оценивается по коэффициенту звукопоглощения α:

(10.10)

где Е_пад и Е_отр – соответственно падающая и отраженная энергия звуковой волны.

С учетом требований ГОСТ 23499-79 «Материалы и изделия звукопоглощающие и звукоизоляционные» материалы, в зависимости от значения коэффициента звукопоглощения (α),делятся на три класса:

I класс α > 0,8; II класс α = 0,4-0,8; III класс α = 0,2-0,4.

Материалы с α < 0,2 не относятся к звукопоглощающим.

Для объективной оценки коэффициент звукопоглощения определяется для низкочастотного (Н), среднечастотного (С) и высокочастотного (В) диапазона. При этом к низким относятся частоты 63, 125 и 250 Гц, средним – 500 и 1000 Гц, высоким – 2000, 4000 и 8000 Гц. Принадлежность звукопоглощающего материала или изделия к какому-либо классу обозначается буквенными и числовыми символами. Например, НСВ-321, где: Н – низкие частоты, 3 – третий класс α < 0,4, С – средние частоты, 2 – второй класс, α = 0,4…0,8, В – высокие частоты, 1 – первый класс α > 0,8.

При определении коэффициента звукопоглощения применяются: акустический интерферометр для определения коэффициента звукопоглощения при нормальном (перпендикулярном) падении звука.

Большое влияние на звукопоглощение оказывает пористость материала – величина пористости, распределение пор по размерам, преобладающий характер пор. Для оценки возможности применения различных материалов в качестве звукопоглощающих в табл 10.5 приведены сравнительные данные по их пористости.

Таблица 10.5. Характеристика пористости материалов различной структуры

 

Структура материала	Материалы	Пористость, %
общая	открытая	закрытая
Ячеистая	Ячеистый бетон	85-90	40-50	40-45
Пеностекло	85-90	2-5	83-85
Пенопласты	92-94	1-55	45-98
Волокнистая	Минераловатные	85-92	85-92
Зернистая	Перлитовые	85-88	60-65	22-25
Стеклопоровые	92-99	60-65	30-35

 

Из табл. 10.5 следует, что пористые материалы различной структуры имеют преимущественно одинаковую пористость. Однако эффективнее материалы с волокнистой структурой, обладающие открытой пористостью. Заведомо худшие материалы, имеющие зернистую ячеистую структуру. Под сомнение ставится целесообразность применения для гашения воздушных звуковых волн пеностекла и пенопласта, имеющих преимущественно закрытую пористость.

На эффективность звукопоглощения влияет не только абсолютное значение открытой пористости, но и размер пор, их форма и распределение. С уменьшением размера пор при сохранении абсолютных значений пористости увеличивается их количество и, следовательно, увеличивается звукопоглощение.

Классификация звукопоглощающих материалов и изделий возможна по многим признакам. Лучшей является классификация, в основе которой лежит механизм поглощения звуковой энергии. К таким материалам относятся:

- пористые материалы и конструкции;

- мембранные материалы и конструкции;

- резонаторные конструкции.

ГОСТ 23499-79 классифицирует звукопоглощающие строительные материалы по назначению, форме, жесткости, возгораемости (горючести) и структуре. Данная классификация является достаточно полной с точки зрения применения звукопоглощающих материалов.

Вопросы для самопроверки

 

1. Объекты дорожной отрасли, требующие применения теплоизоляции с целью энергосбережения.

2. Классификация теплоизоляционных материалов.

3. Рыхлые и жесткие теплоизоляционные материалы.

4. Водопроницаемость бетонов.

5. Агрессивность воды.

6. Виды гидроизоляции.

7. Кровельные гидроизоляционные материалы.

8. Герметизирующие материалы и их классификация.

9. Лакокрасочные материалы, их состав.

10. Эмалевые краски.

11. Акустические материалы (их виды).