Звуковая мощность источника звука, направленность излучения, фактор направленности. Сферический и цилиндрический источники звука.

Акустические характеристики звука: высота тона, тембр, акустические гармоники и акустические спектры (дискретные, сплошные, комбинированные). Октава, третьоктавы среднегеометрическая частота. Диапазон частот, принятый для анализа.

Звуковые колебания прежде всего различаются по частоте. Частота звука определяет высоту тона: чем выше частота, тем выше тон. Чистый тон - это звуковое колебание с одним и тем же числом колебаний в секунду. Они создаются, например, камерто­ном. Однако большинство звуков представляют набор частот, т.е. имеем дело со сложным звуком, но тем не менее любой сложный колебательный процесс может быть разложен на простейшие гармонические колебательные процессы, как это и следует из уравнения Фурье, согласно которому любая функция может быть представлена как сумма конечного или бесконечного числа про­стейших, гармонических функций (изменяющихся по закону си­нуса или косинуса).

Операция разложения сложного колебательного процесса на простейшие составляющие называют частотным анализом, а величины, характеризующие распределение энергии по частот­ному диапазону - его частотным акустическим спектром. Акустический спектр можно получить на экране осциллографа, но мы не можем судить по его картинке о составе звука. Спектр можно представить в виде диаграммы, на которой по оси абсцисс откладываются частоты, а по оси ординат энергия на соответст­вующей частоте (или относительная доля энергии от общей энер­гии), звуковая мощность, звуковое давление или уровни звука по полосам частот.

Спектры процессов, которые могут быть представлены в виде ограниченного количества чистых тонов(синусоидаль­ных звуков) называют дис­кретными или линейча­тыми (рис. 2 стр. 7 посмотреть).

(ƒ фи наклонная) Спектры случайных или непериодиче­ских процессов, к которым относятся шумы различных машин, называются сплош­ным (рис. 3) и поэтому нуж­но говорить о ширине поло­сы спектра - его нижней граничной частоте (f _H) и верхней частоте (f _В). За среднюю частоту полосы принимается среднегеометрическая частота (f _cp). Спектры широкополосных акустических сигналов представ­ляют в виде набора среднегеометрических частот: f _cp= f _H f _В. Полоса частот, у которой отношение f _%0 / f = 2, f _р = 1,41 f, называется октавой. Если f _%0 / f = , f _р = 1,12 f, то ширина полосы равна третьоктавы. Набор октавных полос, использующихся для анализа шума, стандартизован и начинается с частоты 31,5 Гц: 31,5; 63; 125; 250,..., 8000 Гц. Каж­дая октавная полоса состоит из трех третьоктавных полос; ска­жем, октавная полоса 125 Гц из третьоктав 100, 125, 160 Гц.

Существует еще одна разновидность акустических спектров - сплошные спектры с наличием в них дискретных составляю­щих. Их создают, например, осевые вентиляторы, имеющие не­сколько дискретных частот, низшая из которых определяется числом лопастей и скоростью вращения.

В музыкальной акустике дискретный спектр звуков, созда­ваемых инструментами, характеризует тембр звука - специфи­ческий оттенок звучания инструмента. Он состоит из обертонов и основного тона. Основной тон соответствует наименьшей час­тоте, присутствующей в сложном звуке; первый обертон - часто­те в 2 раза большей основного тона; второй обертон - в 3 раза и т.д. Тембр звука определяется не только числом гармоник, но и энергетическим вкладом каждой из гармоник в общую энергию. Вопрос о качестве звукового тембра или о красоте звучания того или иного музыкального инструмента довольно субъективен, од­нако общие положения сводятся к тому, что звуковое колебание, бедное гармониками, представляется как звук глухой и бесцвет­ный. Сочный звук воспринимается от звуков, в составе которых есть несколько первых гармоник с достаточно большими и не слишком отличающимися друг от друга энергиями. В том случае, когда в звуке преобладают высшие гармоники с большими отно­сительными амплитудами, то это дает впечатление звука с рез­ким, металлическим, а подчас пронзительным оттенком. Тембр звуков, создаваемых музыкальными инструментами, определяет­ся не только различием в их конструкции, но и тем, как возбуж­даются колеблющиеся детали инструмента. Так, например, вы­бор места удара фортепианного молоточка, прямо влияет на со­став обертонов, окраску и полноту звука струны. Например, воз­буждая струну точно на середине ее длины, мы выключаем из спектра звука все четные гармоники (на длине струны не укла­дывается четное число длин волн), а т.к. 2-я, 4-я, 6-я и т.д. гармо­ники как раз и являются самыми сильными и яркими, то звук, как говорят, получится "мертвым". Ударяя молоточком на 1/3 длины струны, выключим уже нечетные гармоники (на струне не укла­дывается нечетное число половинок длин волн), но состав спек­тра получается уже более богатым. Поэтому в практике форте-пианостроения уже давно установлено, что возбуждать струны молоточками целесообразно в басовом и теноровом регистрах на 1/8 их длины.

В радиотехнике весь спектр сигнала тоже может быть раз­ложен на гармоники начиная с первой (наименьшей).

 

 

Субъективизм слуха человека: границы частного диапазона звуков, тонкость слуха, динамические границы слышимости. Психофизический закон ВЕБЕРА-Фехнера. Децибельная шкала и ее построение. Уровни силы звука и уровни звукового давления. Кривые равной громкости. Сложение уровней силы звука.

Диапа­зон звуковых частот, воспринимаемых молодым здоровым чело­веком, простирается от 16 до 20000 Гц, но участок наибольшей чувствительности ограничивается интервалом от 2000 до5500 Гц. Именно в данной области лежат резонансные частоты слухового прохода, причем усиливающих звук на 5-10 дБ.

Ограниченность частотного диапазона, границы которого из­меняются: с возрастом верхняя граница падает до 12000 Гц на высоких частота и заметно ослабляется на низких частотах.

Другая особенность уха называется тонкостью слуха, т.е. способностью различить два звука порознь, а не как один звук. Увеличение частоты на 3 Гц становится заметным при частоте колебаний в 1000 Гц. Можно считать, что в пределах 600-4000 Гц относительное изменение частоты на 0,3 % становится впервые заметным. При более низких и более высоких звуках требуется большее изменение частоты для того, чтобы оно стало заметным.

У музыкантов существуют два понятия, характеризующие способность ощущать высоту музыкальных звуков и оценивать их абсолютный и относительный слух.

Абсолютным слухом называется сравнительно редко встре­чающаяся способность некоторых людей определять высоту за­данного звука и называть ноту, которой этот звук соответствует, безотносительно к другим нотам, т.е. звука иной частоты. Чело­век, обладающий абсолютным слухом, может воспроизвести го­лосом любую заданную ему ноту, не сверяя ее ни с каким другим звуком.

Относительным слухом обладает человек, способный опре­делять и воспроизводить голосом заданные музыкальные интер­валы, т.е. определять отношение между высотами звуков, оцени­вая их качественно как квиту, кварту, терцию и т.д.

Очень важной особенностью слуха является то, что звуки разной высоты и одинаковой интенсивности воспринимаются по-разному. Человек субъективно их оценивает понятиями "громче", "сильнее", "слабее". В акустике же существует большое различие между двумя понятиями, которые в обычной жизни отождеств­ляются (громкость и сила звука).

Чтобы понять причины расхождения между физическими и физиологическими оценками одного и того же звука, необходимо рассмотреть две динамические границы слышимости, так назы­ваемые пороги слышимости.

1.Порогом болевого ощущения называется граница наиболее сильных звуков, восприятия которых сопровождается болезнен­ным ощущением в ушах. Звуки такой большой силы вызывают, кроме боли в ушах, сравнимой с введением в слуховой проход твердого предмета, давящего на барабанную перепонку, целый ряд расстройств организма: головокружение, тошноту и другие недомогания. Для частоты 1000 Гц порог соответствует 100 Вт/м², и звуковому давлению 200 Па, что соответствует так­тильному чувству осязания.

2.Порогом слышимости называют границу еле слышимых звуков, столь незначительных по своей силе, что они практиче­ски не воспринимаются ухом. Для той же частоты 1000 Гц сила звука равна 10^-12 Вт/м², и звуковое давление 2^-10 Па. Отметим, что эти границы соответствуют здоровому человеку в возрасте 20-25 лет.

Таким образом, в отношении восприятия звуков столь раз­личных по своей величине - больший звук в 10й раз выше ми­нимального -практически трудно найти технический измерительный прибор с таким огромным диапазоном нагрузок при сохранении чувстви­тельности при минимальных нагрузках.

Это явление объясняется физиологическим законом Вебера-Фехнера: если величина раздражения, производимого внеш­ней средой на человеческий организм, возрастает в геомет­рической прогрессии, то ощущения, испытываемые организ­мом, возрастают в арифметической прогрессии. Трансформи­руя этот закон в математическую форму можно сказать, что ве­личина ощущения пропорциональна десятичному логарифму от величины раздражения.

Закон Вебера-Фехнера только приблизительно описывает соотношение между величинами раздражения и ощущения, но удовлетворительно объясняет, каким образом наше сознание, вернее, наша нервная система, защищается от невероятного по своему диапазону скачка нагрузок - внешних раздражений, ис­пытываемых ухом. Отметим, что этот закон распространяется не только на слуховое раздражение, но и на наш зрительный аппа­рат - глаз человека.

Таким образом, минимальное значение энергии или звуково­го давления соответствует "нулевому" ощущению.

В соответст­вии с этим законом была предложена следующая шкала(Децибельная шкала) соответ­ствий ощущений и раздражений: раздражения - шкала значений интенсивности звука:10^-12, 10^-11,10^-10,10^-9,….,100 Вт/м². ощущения - шкала значений громкости: 0, 1, 2, 3, 140. Между этими двумя шкалами следующая формула: L_I = lg * (I/I_O), где L_I – громкость звука – уровень силы звука, I_O = 10^-12 Вт/м².

Единицу измерения громкости назвали бэлл. Ввиду того, что наше ухо может отличать звуки различающиеся на десятые доли бэлла, то бэлл разбили на 10 долей и назвали единицу громкости децибел (дБ).

Если вместо интенсивности звуков использовать ее связь со звуковым давлением, то получим формулу (11): L = 10 lg*(p²ρ₀c₀/ρcp₀²) = 20 lg (p/p₀) + 10lg ρ₀c₀/ρc, где p₀c₀ - акустическое сопротивление воздуха; pc- акустическое сопротивление той среды, где измеряется звуковое давление.

Если все звуковые процессы происходят в воздушной среде при постоянной температуре и давлении, то второе слагаемое равно нулю и тогда громкость звука, выраженная через звуковое давление, называется уровнем звукового давления (для крат­кости обозначаемый у.з.д.), вычисляется по формуле: Lp=20lg(p/p₀)(дБ).

Таким образом можно говорить не только об энергетическом диапазоне сил звуков, воспринимаемых человеком, но и о диапа­зоне громкостей звуков (уровней звукового давления), который составляет 0-140 дБ.

Наконец, существует еще одна очень важная особенность человеческого уха - его неодинаковая чувствительность к звукам различной частоты. На приведенной диаграмме (рис. 6) пред­ставлены кривые зависимости громкости от частоты, построен­ные на основании следующих экспериментов: исследуемый субъект обращается к источнику звуков, создающему чистые то­на разной интенсивности, при этом источник и реципиент нахо­дятся в свободном звуковом поле и при этом сам исследуемый должен иметь здоровый слуховой аппарат и находиться в "нор­мальном" физическом и психологическом состоянии; кроме того он не должен видеть то, что делает экспериментатор. Сначала проверялось, на какой частоте порог слышимости равен мини­мальному значению интенсивности звука; это оказалась частота, лежащая в диапазоне 3000-4000 Гц. Порог слышимости для всех остальных частот оказался больше и составляет, например, для частоты 20 Гц примерно 70 дБ, а для частоты 10000 Гц около 20 дБ. Затем создавался эталонный сигнал на пороговой частоте с у.з.д., равным 10 дБ и с его громкостью сравнивался сигнал дру­гой частоты, уровень которого подбирался таким, чтобы он ка­зался равногромким с эталонным. На основании этого получили вторую кривую равной громкости; затем эталонный сигнал уве­личивался еще на 10 дБ и снова производили эксперименты. В результате были получены кривые равной громкости диаграммы, которая представляет следствие закона Вебера-Фехнера: изме­нение чувствительности при изменении возбуждения обратно пропорционально значению абсолютного возбуждения, имевшей место до начала абсолютного возбуждения.

Кроме указанных уже особенностей восприятия звуков орга­ном слуха, нужно упомянуть об особом свойстве уха, называемом маскирующим эффектом, сущность которого состоит в том, что звук более сильный, заглушает (маскирует) звук более слабый.

Последняя особенность - так называемый "бинауральный эффект", сущность которого сводится к тому, что благодаря наличию двух ушей человек определяет направление, по которому расположен источник звука. Для понимания его сущности достаточно сравнить восприятие звучания симфонического оркестра в зале и при вос­произведении монофонической записи: в зале с закрытыми гла­зами можем определить местонахождение инструмента в оркестре, а при слушании записи отсутствует ощущение распределения источ­ников звука, которое появляется при стереофонической записи.

Учитывая, что громкость связана с силой звука логарифми­чески, то суммарный уровень звукового давления при работе не­скольких источников звука определяется по формуле: L = 10lg(10^0,1L1+10^0,1L2+….+10^0,1Ln).

При одинаковых источниках звука общий уровень: L = 10lg n 10^0,1L1= L₀ + 10lg n.

Таким образом, если имеются два одинаковых по звуковой мощности источника звука, то общий уровень звука в помещении станет на 3 дБ больше, чем от одного.

 

Слоистые ЗПК(с использованием волокнист ЗПМ). Частотная характеристика слоистых звукопоглощающих конструкций. Влияние толщины слоя ЗПМ и плотности ЗПМ. Размещение пористого материала на относе от стенки, достоинства этого приема. Достоинства и недостатки ЗПМ,ЗПК.

Звукоизоляция шума однослойными ограждениями. Зависимость звукоизоляции воздушного шума однослойными ограждениями от частоты и массы, размеров, упругости панелей, эффекта волнового совпадения. Возможные приемы исправления недостатков.

Наиболее простые соотношения для звукоизоляции от воздушного шума были получены при рассмотрении нормального падения звука, когда любой слой ограждения ведет себя как твердая пластина, так как поперечные волны возникают только при косом падении звука. Если акустическое сопротивление среды, в которой распространяется вначале волна ρ₁с_1, а ограждения ρ₂с₂, толщина пластины δ и выполняется условие δ , где λ – длины падающей звуковой волны, то звукоизолирующая способность однослойного ограждения от воздушного шума оценивается выражением:

R₀ = 10lg [ 1+ )²] (27)

Из данной формулы видно, что звукоизолирующая способ­ность воздушного шума в значительной степени определяется соотношениями между акустическими сопротивлениями сред. В частности, пористые материалы в "чистом" виде использовать не имеет никакого смысла, ибо их акустическое сопротивление не столь уж сильно отличается от акустического сопротивления воздуха и, чтобы получить заметную звукоизоляцию, надо взять очень толстый слой материала (сопоставимый с длиной звуко­вой волны), что для низких частот составляет несколько метров.

Из приведенной выше формулы вытекают два случая, ис­пользующиеся на практике. Первый из этих случаев проявляется тогда, когда акустическое сопротивление преграды во много раз больше, чем воздуха (р₂с₂» р₀с₀). Это выполняется для обыч­но использующихся материалов при возведении ограждений зданий.

При выполнении этого условия уравнение (27) упрощается:

R₀=10lg[1+(πm.ƒ/ )²] (28)

где т_n — поверхностная масса, кг/м² (т_n = 𝛾*δ,𝛾- плотность материала, кг/м³). Таким образом, видно, что звукоизолирующая способность растет с увеличением частоты звука и поверхност­ной массы ограждения.

Вторая закономерность будет иметь место тогда, когда сре­дой, окружающей ограждение, является не воздух. Если акусти­ческое сопротивление этой среды много больше, чем "преграды" (» ), то в этом случае формула (4) преобразуется в вы­ражение:

 

R₀ = 10lg [ 1+((πδƒ/ )²], (29) где k_p — модуль объемной упругости материала второй среды.

Резюмируя, можно сказать, что R₀ растет при уменьшении поверхностной жесткости преграды и это широко используется для звукоизоляции от структурных шумов посредством приме­нения упругих прокладок (например, для губчатой резины р₂с₂ = 1,6*10⁴ кг/(м²с) и, если ее поместить между двумя сталь­ными элементами (переборками корабля), то получим эффект звукоизоляции (виброизоляции).

Для помещений различного назначения звуковые волны па­дают на ограждение под всевозможными углами и, если размеры помещения достаточно велики по сравнению с длинами звуко­вых волн, то звуковое поле можно считать близким к диффузно­му. Тогда для определения эффекта звукоизоляции количествен­но, необходимо в уравнение коэффициента звукопроницания ввести его зависимость от угла падения.

Найдя τ можно затем по формуле (25) вычислить R. В ко­нечном счете, получаем формулу

R = R₀ – 10lg 0,23 R₀, где R_Q - звукоизолирующая способность при нормальном паде­нии, определенная по формуле (28).

Как показали измерения, в среднем величина Л на 5 дБ меньше Rq. В этом случае формула (30) преобразуется в более простую:

 

R = 20lg m_nƒ – 47,5

Полученная зависимость отражает так называемый "закон массы": увеличение массы или частоты в два раза приводит к росту величины звукоизоляции на 6 дБ.

Однако приведенные выше теоретические положения не полностью реализуются на практике, ибо возникает много об­стоятельств, в результате которых поведение панели не следует "закону массы".

Во-первых, на очень низких частотах передача звука через панель определяется ее упругими свойствами - при медленно меняющемся звуковом давлении панель будет выгибаться при положительном давлении и прогибаться назад при отрицатель­ном (во вторую половину периода). Начиная с некоторой часто­ты падающей звуковой волны, панель начинает излучать боль­шее значение энергии, чем можно было бы ожидать. Объясняет­ся это тем, что частота внешнего периодического сигнала совпа­дает с первой основной частотой собственных колебаний панели (явление резонанса) - звукоизоляционный эффект снижается. Частоты этих резонансных колебаний незакрепленной панели определяются по формуле:

ƒ_k,n=0,45*c_пδ[(k/α)²+(n/b)²], (32) где c_п — скорость распространения продольной звуковой волны в безграничной среде (панели); аиbлинейные размеры сторон панели; кип- целые числа, которые определяют количество полуволн, по которым изгибается пластина по двум взаимно-перпендикулярным направлениям.

Для закрепленной панели (при k = п = 1)

ƒ_1,1= δ∆c_п/α², (33)

∆ = 5,14[1+(а/b)⁴] + 3,115* [а/b]² (34)

К счастью оказывается, что большинство ограждающих элементов в помещении крупноразмерны и найденные частоты панелей лежат близко к нижнему частотному пределу слышимо­сти и из-за этого слабо воспринимаются ухом человека.

Во-вторых, при наклонном падении звуковых волн на пре­граду может иметь место появление изгибных волн, как это изо­бражено на рис. 18. Эти волны совсем иного типа, чем звуковые волны в твердой среде, но и они характеризуются некоторой частотой и длиной волны. При наклонном падении может ока­заться, что длина звуковой волны в воздухе (λ₀) и длина изгибной волны на панели (λ_u) совпадут. Это может быть отражено в формуле:

 

λ_u = λ₀/sinƟ

 

Рис. 18

 

 

Данное явление в литературе называется по-разному: коисциденс, резонанс совпадения, волновое совпадение. Последнее определение кажется более понятным, так как уравнение (35) связывает два вида волн. Наименьшая частота, при которой ста­новится возможным волновое совпадение, получается при паде­нии звуковой волны вдоль панели (Ɵ - 90°), т.е. в этом случае λ_u = λ₀. Такую наименьшую частоту называют граничной и она может быть вычислена по формуле:

ƒ_гр=0,55*с_о²/δ*с_п, (36) где с_п - скорость продольной волны в материале панели.

Для звуковых волн, имеющих частоту большую, чем гра­ничная, прохождение звука через панель при его диффузном па­дении определяется явлением волнового совпадения, так как из формулы (34) видно, что каждой частоте выше критической со­ответствует свой угол падения и панель имеет наибольшую зву­копроницаемость.

Приведенные выше соображения могут быть отражены на графике зависимости звукоизолирующей способности от часто­ты для четырех частотных диапазонов (рис. 19); в первом диапа­зоне звукоизоляция определяется жесткостью панели, во втором - резонансными явлениями на ней, третий диапазон начинается с двух-, трехкратной величины низшей (основной) резонансной частоты панели и подчиняется закону массы. Четвертый диапа­зон начинается с гра­ничной частоты эф­фекта волнового сов­падения и эффект зву­коизоляции уменьша­ется. Провал характе­ристики в этой облас­ти тем больше, чем меньше затухание (непрерывная кривая на рисунке) и тем меньше, чем больше демпфирование пане­ли (пунктирная кри­вая).

Рис. 19

Одним из спосо­бов улучшения звукоизоляции является расширение области закона массы путем сдвига резонансных частот в низкочастотную область, а критической частоты либо вниз, либо вверх.

Для однослойных панелей, перегородок, у которых ƒ_гр > 1000 Гц рекомендуется уменьшать жесткость (увеличивать упругость) панели. Это не только уменьшает собственные резо­нансные частоты, но и укорачивает изгибную волну, которая снижает звукоизолирующие свойства панели, т.е. повышается граничная частота.

В случае толстых панелей (l _{г р} < 300 Гц) следует, наоборот, понижать критическую частоту путем увеличения жесткости па­нели за счет создания ребер жесткости или увеличением массы.

Увеличение массы конструкции выгодно не только в силу закона массы, но и потому, что, не увеличивая упругость, удает­ся снизить резонансные частоты. Наконец, если покрыть резони­рующую перегородку слоем какого-либо пластичного материа­ла, то при каждой деформации перегородки этот слой будет де­формироваться и поглощать звуковую энергию. Однако это эф­фективно только для тонкослойных конструкций из фанеры, ста­ли, алюминия и т.д.

Итак, основные положения при проектировании однослой­ных ограждений сводятся к следующему: для всех частот, кроме самых низких, необходимо увеличивать массу панели на едини­цу ее площади, уменьшать упругость для толстых панелей и увеличивать ее для тонких, создавать условия для применения демпфирующих материалов с высоким затуханием.

Размеры пластины - толщина, ширина и длина влияют на звукоизоляцию в разной степени.

Толщина пластины входит в выражение поверхностной массы и цилиндрической жесткости. При увеличении толщины пластины больших размеров, если рассматривать отдельно об­ласти частот до и после критической, ее звукоизоляция всегда растет. Однако с увеличением толщины уменьшается граничная частота и, соответственно, докритические и за критические об­ласти частот передвигаются по частотной оси. В связи с этим тонкие пластины могут иметь в определенной области частот гораздо большую звукоизоляцию, чем относительно толстые.

На первый взгляд звукоизоляция панели не должна зависеть от ширины и длины панели, исключая, конечно, резонансную область, так как в приведенные выше формулы (28) и (29) они не входят. Однако такое утверждение справедливо лишь для беско­нечных по размерам пластин. Обычно понятие "звукоизоляция пластины" относится к единице площади, и в этом смысле зву­коизоляция не зависит от общей площади пластины, а, следова­тельно, от размеров. Для реальных, ограниченных по площади панелей, зависимость звукоизоляции от общей площади прояв­ляется в большей или меньшей степени.

Проведенные эксперименты показывают, что звукоизоляция пластины будет мало зависеть от ширины и длины, если в ми­нимальной из указанных размеров пластины укладывается больше четырех-пяти длин изгибных волн при ее жесткой задел­ке по контуру и более трех-четырех длин изгибных волн для свободно опертой пластины.

На звукоизоляцию оказывает влияние и способ закрепления пластины по контуру. Установка звукоизолирующей конструк­ции на мягкие прокладки с повышенными потерями звуковой энергии способствует заметному увеличению звукоизоляции тонкой большой пластины, что может быть объяснено частич­ным заглушением свободных изгибных волн, отражаемых от краев. Поэтому контуры звукоизолирующих пластин желательно обрезинивать или заделывать мягкой пластмассой типа эластич­ного пенополиуретана, что опять же возможно только для тон­кослойных конструкций.

 

27. Многослойные звукоизолирующие конструкции (типы). Некоторые особенности их применения. Факторы, обеспечивающие прирост звукоизоляции многослойных конструкций. Звукоизоляция многослойных ограждений

Чтобы повысить звукоизоляцию кирпичной (бетонной) сте­ны хотя бы на 6 дБ (что не очень значительно) необходимо уве­личить толщину кладки в два раза. Понятно, что данный путь тупиковый, поэтому для увеличения звукоизоляции ограждаю­щих конструкций используются многослойные конструкции, по­зволяющие увеличивать звукоизоляцию без существенного уве­личения массы, что является весьма существенным в зданиях повышенной этажности.

Многослойные ограждения можно условно разделить на две группы. К первой принадлежат конструкции из нескольких сло­ев жестко связанных друг с другом. Расчет их ничем не отлича­ется от расчета однослойных ограждений. К другой группе от­носятся многослойные ограждения с упругими связями между составляющими жесткими слоями. В начале этой главы упоми­налось о том влиянии, которое имеет волновое сопротивление при передаче звука. Если вместо удвоения мас­сы раздвинуть перегородки, оставив между ними воздушный промежуток суммарная масса будет при этом вдвое больше, однако при этом появляются еще два фактора, влияющие на распространение звука, - дополнительные переходы звука из воздуха во вторую перегородку и из нее в воздух. Если бы такой воздушный промежуток был очень большой, то общий звуко­изолирующий эффект равнялся бы арифметической сумме изо­ляций, создаваемых каждой из перегородок в отдельности. К сожалению, по строительным и прочим соображениям нельзя использовать очень большие воздушные промежутки и к тому же приходится их механически соединять, вследствие чего зву­коизоляция оказывается много меньше максимально возможной.

Если панели разные, то у каждой из них будет своя собст­венная частота эффекта волнового совпадения. Теория, разрабо­танная В.И. Заборовым, показывает, что в области частот ƒ _гр1 и ƒ _г2 каждая из плит двойного ограждения характеризуется только массой. Частота резонансных собственных колебаний двойного ограждения при среднем угле падения звуковых волн 45° определяется формулой: ƒ_p= 1/d(1/m₁+1/m₂) (37)

где d - толщина воздушного промежутка, м; т_х и т₂ - поверхно­стные массы панелей, кг/м².

Вследствие того, что на этой частоте наблюдается наиболь­шее прохождение звука, рекомендуется двойные ограждения проектировать так, чтобы эта частота лежала ниже наименьшей частоты нормируемого частотного диапазона.

Для двойных ограждений с воздушным промежутком, у ко­торых одна из пластин более легкая, т.е. m то резонансная частота при тех же единицах измерения равна ƒ_p=85/ dm₂

Двустенная конструкция с воздушным слоем на низких час­тотах вплоть до частоты, определяемой по формулам (37) или (38) не имеет никаких преимуществ перед одностенной конст­рукцией равной массы с точки зрения звукоизоляции и равна звукоизоляции однослойной конструкции с суммарной массой двух элементов. Кроме того, возможно даже некоторое пониже­ние звукоизоляции вследствие резонанса конструкции, пред­ставляющих собой систему двух масс, соединенных упругой воздушной связью или мягким звукопоглощающим материалом. Специфические свойства увеличения звукоизоляции двустенной конструкции проявляются на средних и высоких частотах.

Общий звукоизолирующий эффект в диапазоне частот

R = R₀ + ∆R₀, (39)

где R₀ - звукоизоляция однослойного ограждения с поверхност­ной массой m₁ +т₂ находится по закону массы; ∆ R₀ - дополни­тельная звукоизоляция, определяется следующим образом:

R_{0 =} 40l g ( / ƒ_p) (40)

Так как f_p имеет наименьшее значение при т_] = т₂, то раз­деленное двухслойное ограждение из двух одинаковых панелей обладает наибольшей звукоизолирующей способностью среди других двойных ограждений (при т₁+т₂= const и d = const).

У двухслойного ограждения для одной и той же частоты существуют два угла для эффекта волнового совпадения.

Для частот

ƒ значение звукоизоляции двойного ограж­дения имеет вид:

 

R=R₂ + ∆R (41)

где α- звукоизоляция воздушного шума плитой, имеющей большую цилиндрическую жесткость (условно D₂ > D₁), а

∆R = 40 lg ƒ /ƒ_p- + 20 lg (1 - αβ),

(42)

где a = m₁/m₂-; p = D₂/D₁; D - цилиндрическая жесткость для сплошной плиты, определяется из формулы: D = E*δ³/12(1-μ²),

где μ - коэффициент Пуассона;

Е – модуль Юнга.

Анализ уравнения показывает, что на частотах выше гра­ничных, звукоизоляция при прочих равных условиях выше для плит различной толщины. Оптимальным является отношение толщин, равное 2-4. Однако наибольший эффект звукоизоляции обнаруживается для двойных ограждений из плит одинаковой поверхностной плотностью, но различной цилиндрической же­сткостью отличающейся в 6-7 раз.

Казалось бы, что в принципе для двойных ограждений мож­но получить очень высокую звукоизоляцию (до 70-80 дБ). Од­нако за счет косвенных путей распространения звука в много­этажных зданиях бывает трудно получить среднюю звукоизоля­цию, превышающую 50-60 дБ.

Если рассчитать дополнительную звукоизоляцию при уста­новке второй плиты без жесткой связи по контуру, то ее звуко­изоляция увеличивается от 10 дБ на низких частотах до более чем 30 дБ на высоких. Наличие же жесткой связи по контуру между панелями существенно изменяет прирост: при абсолютно жесткой связи Aft понижается до 6 дБ, а в реальных конструкци­ях соединений плит на средних и высоких частотах ∆R = 8-15 дБ, т.е. примерно в два раза меньше, чем при отсутствии свя­зи по контуру. Введение мягких прокладок по периметру (резина типа 3311, 1847 и др.) дает величину∆R = 24—25 дБ.

Существенное действие на прирост звукоизоляции оказыва­ет введение между панелями звукопоглощающего материала. Исследования показали, что при этом его акустическое сопро­тивление должно быть близко к акустическому сопротивлению воздуха, а произведение его толщины на коэффициент затухания значительно больше единицы. Однако при этом толщина слоя ЗПМ должна быть не менее 50-100 мм, причем для достижения максимального эффекта увеличения звукоизоляции достаточно заполнить звукопоглощающим материалом только 2/3 воздуш­ного промежутка. Реальное увеличение звукоизоляции составля­ет до 15 дБ на высоких частотах за счет того, что ЗПМ ликвиди­рует провалы минимумов звукоизоляции вблизи резонансных частот воздушного слоя.

Следует упомянуть о трудностях, которые возникают при требовании увеличения звукоизоляции уже эксплуатируемых помещений. Обычно для этих целей используют многослойные конструкции. Однако известные способы их крепления к стене существенно снижают звукоизоляцию. Как правило, к стене че­рез деревянную обрешетку или металлический профиль жестко на шурупах или гвоздях крепятся гипсокартонные или гипсово-локнистые листы или листы ДСПЛ Пространство заполняется утеплителем. Таким образом, звуковые вибрации передаются от стены через жесткие связи крепления и профиль на листы об­шивки, которые и переизлучают их в изолируемое помещение. Поэтому вместо ожидаемого увеличения звукоизоляции на 10-15 дБ получаем 3-5 дБ, а иногда и менее. Этот недостаток был снижен в выпускаемой в настоящее время панели дополнитель­ной звукоизоляции ЗИПС (1500x500 мм) толщиной от 40 до 130 мм. Основная панель ЗИПС (рис. 20) состоит из комбинации слоев: 1, 5 - пазогребневой гипсоволокнистый лист толщиной 20 мм; 2, 4 - слой супертонкого стекловолокна, 20 мм; 3 - лист гипсоволокнистый, 10 мм. Толщина звукоизолирующей панели и количество слоев может меняться в зависимости от конкрет­ной задачи (от 40 до 130 мм и от трех до шести слоев). Принци­пиально новым в данной конструкции стал способ крепления панели к стене через виброразвязанные узлы на стадии произ­водства. Проведенные измерения показали, что панель ЗИПС-7 толщиной 70 мм и поверхностной массой 40 кг/м² создает до­полнительную звукоизоляцию 7-9 дБ. ЗИПС-СУПЕР (толщина 130 мм за счет увеличения толщины слоев звукопоглощающего материала) имеет индекс дополнительной изоляции воздушного шума 13 дБ.

Рис. 20

Эти панели просты в монтаже, крепятся гвоздями или шу­рупами, подлежат монтажу и демонтажу без ухудшения акусти­ческих и эксплуатационных свойств.

Сложность применения данной конструкции заключается в том, что в заселенных зданиях недостаточно увеличить звуко­изоляцию стены от шумного соседа, так как не малая часть из­лучения будет идти от поверхностей других ограждающих кон­струкций. Поэтому приходится решать задачу комплексно, уве­личивая звукоизоляцию и других ограждающих конструкций.