Звукопоглощение.

Рис. 4.9.Коэффициент звукопоглощения минерального волокна с защитной полиэтиленовой пленкой

Такие материалы, как минеральное волокно, маты из стекловолокна, асбест и т. д., являются хорошими акустическими поглощающими материалами.

Коэффициент звукопоглощения материала определяется как отношение поглощаемой им звуковой энергии к падающей. (Коэффициент звукопоглощения для открытого окна принимается равным единице, так как в этом случае отражение равно нулю, т. е. вся звуковая энергия как бы уходит через окно.)

Коэффициенты звукопоглощения материалов различных марок указываются для определенного диапазона частот в зависимости от их толщины и особенностей установки (с воздушным промежутком или без него). Таблицы и диаграммы с акустическими характеристиками вместе с материалом поставляются изготовителями.

На рис. 4.9 приведен для примера график коэффициента звукопоглощения конструкции, закрепленной на переборке. Конструкция состоит из слоя минерального волокна толщиной 5 см (3), защищенного полиэтиленовой пленкой толщиной 0,035 мм (1) и перфорированным листом (2) с коэффициентом перфорации 15%.

Обычно коэффициент звукопоглощения имеет более высокие значения на средних частотах и быстро падает на частотах ниже 500 Гц.

Повышение коэффициента звукопоглощения на более низких частотах может быть получено путем увеличения толщины поглощающего материала.

На средних и высоких частотах увеличение толщины более чем на 5-10 см дает незначительное приращение α.

Улучшение поглощения в диапазоне низких частот можно добиться с помощью перфорированного покрытия с определенными коэффициентом перфорации и толщиной защитной пластины. Однако при этом поглощение в диапазоне высоких частот уменьшится.

При использовании поглощающего материала должны учитываться и такие его свойства, как огнестойкость, маслостойкость, механическая прочность.

Влияние звукопоглощения на уровень звукового давления.Если звук интенсивностью I Вт/м², в одной октавной полосе падает на поверхность площадью S м², то поток звуковой энергии, Вт, воспринимаемый ею,

W = I S. (4.23)

Если поверхность способна поглощать звук с коэффициентом поглощения α, то поток звуковой энергии, Вт, в той же октаве уменьшится на величину

W_а = I S α. (4.24)

Произведение Sα дает значение общего звукопоглощения поверхности площадью S с коэффициентом поглощения α.

Общее звукопоглощение в помещении, м², которую в литературе принято обозначать как число Сэбин, находится сложением произведений Sα всех поглощающих поверхностей помещения:

A = S₁α₁ + S₂α₂ = S₃α₃ + … (4.25)

Величина А обычно называется площадью эквивалентного поглощения в помещении.

Средний коэффициент звукопоглощения в помещении находится по выражению

(4.26)

где S — сумма всех поверхностей.

Мебель, оборудование и люди создают дополнительное поглощение; оно также определяется в квадратных метрах (иногда встречаются значения в квадратных футах). Значения дополнительного поглощения приведены в табл. 4.3 и могут быть использованы для приближенных расчетов.

Таблица 4.3

Среднее значение коэффициента звукопоглощения α зависит от акустических свойств помещения.

α

Заглушённое 0,40

Полузаглушенное 0,25

Со средним поглощением 0,15

Полугулкое 0,10

Гулкое 0,05

Кинозал является заглушённым помещением. Это тоже применимо к обычным залам заседаний. Бетонные подвалы и стальные отсеки являются гулкими помещениями.

Зависимость уровня звукового давления от общего поглощения в помещении иллюстрируется следующим. Шум передается в помещение через стену площадью S, м². Интенсивность звука в помещении (в октавных полосах) I_s, Вт/м².

Когда звуковая энергия передается в помещение непрерывно, звуковое давление в нем достигает уровня, при котором поглощаемая энергия равна энергии поступающей. Если звуковое давление в помещении равно р, то интенсивность звука, падающего на ограждающие его поверхности, будет

I = p² / 4ρ₀ c (4.27)

где р - звуковое давление в помещении, Па;

ρ₀ = 1,293 - плотность воздуха, кг/м³;

с = 340 - скорость звука в воздухе, м/с.

Поскольку поглощаемая энергия равна поступающей, имеем:

(4.28)

или

p² = 4ρ₀ c I_S S (4.29)

Если эквивалентная площадь поглощения в помещении увеличивается

с A₁ до А₂, то звуковое давление уменьшится:

(4.30)

Уменьшение уровня звукового давления, дБ, определится по выражению

ΔL = L₁ – L₂ = 10 lg (A₂/A₁) (4.31)

Предположим, что первоначально общая площадь поглощения была 10 м². Путем покрытия поглощающим материалом потолка она была увеличена до 100 м². Уровень звукового давления, дБ, тогда уменьшится:

L₂ = L₁ – 10 lg (100/10) = L₁ - 10

т. е. уменьшение составит 10 дБ.

Если величина А увеличивается от 100 до 200 м² посредством облицовки стен, уровень звукового давления, дБ.

L₃ = L₂ – 10 lg (200/10) = L₃ - 3

Таким образом, дополнительная облицовка стен дает сравнительно малый эффект. Это объясняется тем, что конечный результат зависит от величины поглощения в помещении до внесения изменений.

Время реверберации.Время реверберации в помещении — это параметр, который часто используется для оценки эффективности звукопоглощения. Оно означает время, за которое уровень шума в этом помещении уменьшается на 60 дБ при прекращении действия сильного источника шума.

Время реверберации, с, определяется по формуле Сэбина

T = 0,161 V/A (4.32)

где V - объем помещения, м³;

A - эквивалентная площадь поглощения, м².

Время реверберации измеряется специальной аппаратурой.

Величина А и средний коэффициент звукопоглощения а для ограждающих поверхностей помещения могут быть рассчитаны по измеренному времени реверберации:

A = αS = 0,161 V/T (4.33)

где S — общая площадь поверхности.

Формула Сэбина не совсем точна, но она широко используется в соответствии с рекомендациями ISO R 354.

Между величиной A и временем реверберации Т в помещении имеется определенная зависимость. Поэтому снижение уровня звукового давления можно выразить через время реверберации до и после внесения дополнительного поглощения (соответственно Т₁ и Т₂).Уменьшение уровня звукового давления, дБ, будет равно 10 lg (T₁/T₂).

Резонансные поглотители.На рис. 4.10 показан резонатор, воздух в горле которого может колебаться подобно грузу, подвешенному к спиральной пружине. Закрытый объем воздуха V будет действовать как пружина, когда воздух внутри и непосредственно снаружи горла резонатора движется вверх и вниз. Резонансная частота, Гц, может быть рассчитана по формуле

(4.34)

Где с - скорость звука, м/с;

r - радиус горла резонатора, м;

V - объем воздуха, м³;

l - длина горла колбы, м.

Если длина горла резонатора мала или равна нулю, то формула упростится:

(4.35)

Емкость с каналом к открытому пространству часто называют резонатором Гельмгольца.

Когда звуковые волны с частотой, равной собственной частоте резонатора, падают снаружи на отверстие, в нем будут возбуждаться резонансные колебания воздуха. Из-за затрат энергии на возбуждение этих колебаний резонатор будет действовать как поглотитель колебательной энергии на этой частоте. На других частотах резонатор имеет малое поглощение (см. рис. 4.10, а).

Этот эффект используется в конструкциях, где перед слоем поглощающего материала размещается перфорированная пластина. Отверстия вместе с воздушным пространством за пластиной образуют резонатор Гельмгольца. При соответствующем выборе диаметра отверстий, коэффициента перфорации и толщины пластины может быть увеличен коэффициент поглощения на низких частотах вследствие снижения резонансных частот. Из приведенной выше формулы видно, что резонансная частота снижается при увеличении толщины перфорированной пластины и уменьшении коэффициента перфорации.

Рис. 4.10.Резонатор Гельмгольца:

а - кривая затухания и принципиальная схема; б - поверхность с отверстиями для ослабления шума; в - глушитель шума выхлопа

Однако следует иметь в виду, что уменьшение коэффициента перфорации будет снижать поглощение на высоких частотах.

Эффект затухания в резонаторах используется также в глушителях. На рис. 4.10. показано несколько примеров резонаторных конструкций.

Средства звукопоглощения в зависимости от конструкции подразделяются на:

- звукопоглощающие облицовки (рис. 4.11.);

- объемные (штучные) поглотители звука.

Рис. 4.11. Звукопоглощающие облицовки:

1. защитный перфорированный слой;

2. звукопоглощающий материал;

3. защитная стеклоткань;

4. стена или потолок;

5. воздушный промежуток;

6. плита из звукопоглощающего материала.