ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ

Общая теория. Причиной отражения звуковых волн от любой пространственной границы двух сред яв­ляется неравенство (несогласованность) их волновых: акустических сопротивлений. Если волновое акустиче­ское сопротивление воздуха равно з_воз, а другой (от­ражающей) среды — з_отр, то по общей теории отра­жения волн коэффициент отражения по звуковому дав­лению

а для случая плоской падающей волны

Таким образом, отражающая способность среды тем больше, чем резче отличается ее волновое сопротивле­ние от волнового сопротивления первой среды, напри­мер воздуха.

Так как обычно пользуются коэффициентами отра­жения и поглощения по интенсивности звука (см. опре­деление в § 7.1), то соответствующий коэффициент от­ражения

а коэффициент поглощения

Отраженные звуковые волны, интерферируя с па­дающими, образуют стоячие волны с пучностями и узлами. В отсутствии реактивных составляющих волно­вых сопротивлений у обеих сред фаза отраженной вол­ны может или совпадать с фазой падающей или быть сдвинутой в зависимости от того, какое из сопро­тивлений больше з_воз или з_отр, т. е. у границы может быть либо пучность, либо узел колебаний.

В общем случае сдвиг фаз между падающей и отра­женной волнами получается в интервале между 0 и π, поэтому у границы двух сред будет иметь место проме­жуточное состояние между пучностью и узлом.

Если звуковая волна падает на поверхность среды с большим акустическим сопротивлением (например, стена из мрамора), то непосредственно около нее ско­рость колебаний будет равна нулю, потому что частицы воздуха, подойдя к стене, будут останавливаться и за­тем двигаться назад. Это означает, что отраженная волна для скорости колебаний будет иметь противопо­ложную фазу по отношению к падающей (сдвиг по фа­зе на π), т. е. у поверхности стены получается узел скорости колебаний. В то же время звуковое давление у поверхности стены будет иметь пучность, так как давления падающей и отраженной волн, как скалярные величины, складываются арифметически (сдвиг фаз ра­вен нулю). Если акустическое сопротивление отражаю­щей стены будет меньше, чем для воздуха, то картина меняется: у поверхности стены будет пучность скоро­сти колебаний и узел давления, т. е. отраженная волна давления будет сдвинута на л, а отраженная волна скорости колебаний будет в фазе с падающей.

Следует заметить, что коэффициенты отражения зависят от угла падения волн: меньший коэффициент отражения получается при падении на отражающую поверхность под прямым углом. Он называется нор­мальным. В том случае, когда волны падают под все­возможными углами (рассеянная волна), коэффициент отражения (и поглощения) называют диффузным.

Звукопоглощающие материалы по строению делятся на сплошные и пористые, а по применению — на стено­вые, облицовочные, драпировки и специальные. К последним относятся, например, мембранные и резонаторные конструкции.

Сплошные материалы. Эти материалы (бе­тон, кирпич, мрамор, дерево и т. п.), как правило, твер­дые, т. е. имеют акустическое сопротивление значитель­но больше сопротивления воздуха. Поэтому их коэф­фициенты очень малы, не более 5% (табл7.1). Некоторые из этих материалов (дерево, мрамор) ис­пользуются и для стен, и как облицовочные. В послед­нем случае их коэффициент поглощения оказывается больше, чем в первом, так как происходит дополнитель­ное поглощение из-за поперечных колебаний, возника­ющих в слое облицовочного материала. С увеличением частоты коэффициенты отражения от твердых сплош­ных материалов немного уменьшаются из-за некоторой шероховатости поверхности материалов и поэтому ко­эффициенты поглощения растут (см. табл. 7.1).

Таблица 7.1

Из мягких сплошных материалов в качестве обли­цовочного материала используется только плотная ре­зина. Ее акустическое сопротивление не очень велико, а коэффициент поглощения в среднем равен около 10% (см. табл. 7.1).

Пористые материалы. Эти материалы (шту­катурки, облицовочные плиты с перфорацией и без нее, щиты, портьеры, ковры и т. п.) используются только как облицовочные материалы и для драпировок, т.е. во всех случаях за ними располагаются (вплотную или на некотором расстоянии от них) ограждающие конструкции из сплошных материалов (стены, потолки, полы и другие перегородки).

Рис. 7.11. К вопросу о поглощении пористым материалом

Рис. 7.12. Частотная зависимость коэффи­циента поглощения пористого материала: 1 — при расположении его вплотную у стены; 2 — на расстоянии 20 см от стены

При падении звуковых волн на перегородку из по­ристого материала необходимо учитывать отражение звука как от лицевой поверхности, так (для прошед­ших в нее волн) и тыльной с учетом поглощения звука в порах. Для материалов, хорошо проницаемых для звука, следует учитывать и возможность возвращения звуковых волн, отраженных от ограждающих конструк­ций, находящихся за рассматриваемой пористой пере­городкой. Например, если за такой перегородкой со сквозными порами (матерчатый занавес, портьера и т. п.) находится твердая стена, то отраженные волны будут вторично проходить через перегородку. Поглоще­ние в этом случае будет определяться только потерями на трение в порах материала перегородки с учетом вяз­кости материала, потому что звуковые волны не будут отражаться от нее. Так как потери на трение пропор­циональны скорости колебаний, то наименьшее погло­щение будет получаться при расположении такой пере­городки вплотную к твердой стене, потому что там бу­дет узел скорости колебаний, т. е. скорость колебаний будет минимальной (рис. 7.11). Если перегородку распо­ложить на небольшом расстоянии от твердой стены, то поглощение в общем случае будет больше. Максималь­ное поглощение получается при расположении перего­родки в пучности скорости колебаний, которая будет находиться на расстоянии 1/4 длины волны (см. рис. 7.11). Поэтому при удалении перегородки от стены ко­эффициент поглощения увеличивается, но не монотонно (см. рис. 7.12).

Для толстых слоев облицовки из пористого мате­риала коэффициент поглощения получается достаточно большой из-за ряда факторов. Так как акустическое сопротивление таких материалов обычно близко к со­противлению воздуха, то звуковые волны почти не от­ражаются от них. Звуковые волны, входя в пог­лощающий материал, будут испытывать большие поте­ри энергии из-за вязкости материала, трения в порах, поэтому значительно ослабленными они будут дости­гать твердой стены, находящейся за ним. Скорость ко­лебаний в узле, т. е. у стены, будет мало отличаться от скорости колебаний в пучности, и потери на этом участке хода звуковых волн будут также велики, как и в пучности. При обратном ходе звуковой волны будет также происходить поглощение энергии звуковых волн. Практически звуковая волна вернется в помещение значительно ослабленной, т. е. коэффициент поглоще­ния будет большим. При этом на определенной частоте поглощение может быть очень большим (см. табл. 7.1).

Разработано много специальных поглощающих ма­териалов с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению воздуха (например, АГШ — акустическая гипсовая штукатурка). Их коэффициенты поглощения на некоторых частотах близки к единице. Применяются слоистые конструкции из пористых материалов. Их слои подбирают так, чтобы получить как можно боль­ший коэффициент поглощения.

Мембранные звукопоглощающие кон­струкции. Для тонкой перегородки из сплошных ма­териалов поглощение определяется интенсивностью ее колебаний как целого (системы с сосредоточенными постоянными) и как мембран (системы с распределен­ными постоянными). Первые наблюдаются на низких частотах, вторые — на средних и высоких. В обоих слу­чаях поглощение зависит от частоты. Самый низкоча­стотный максимум поглощения получается на резонанс­ной частоте, определяющейся массой и гибкостью пере­городки. Выше этой частоты максимумы наблю­даются на всех резонансных частотах перегородки как мембраны. Эти частоты определяются поперечными раз­мерами перегородки и скоростью распространения попе­речных колебаний в ней. Поэтому поглощение растет с увеличением частоты немонотонно. Если потери в такой перегородке невелики, то максимумы и минимумы по­глощения получаются очень резкими. Если увеличить потери, то частотная зависимость становится более моно­тонной и средний коэффициент поглощения растет. Для увеличения потерь под такую перегородку (панель) подкладывают демпфирующие материалы, например, вой­лок. Резонирующие панели, изготовленные из натяну­того холста с войлочной подкладкой, называют щита­ми Бекеши. На рис. 7.13 показано устройство этих щи­тов. Подобные панели изготовляются также из тонкой фанеры с поролоновым демпфером. Они бывают не только в виде плоских конструкций, но и в виде колонн и полуколонн. В зависимости от толщины фанеры или натяжения холста можно изменять частоту резонансов и таким образом получать максимумы поглощения в тех диапазонах частот, в которых требуется большее поглощение. Делаются они в основном для поглощения низких частот, хотя и на высоких частотах их коэффи­циент поглощения довольно высок (см. табл. 7.1).

Резонаторные звукопоглощающие кон­струкции. Широкое распространение получили кон­струкции, построенные по принципу резонаторов Гельмгольца (рис. 7.14). Они эффективно поглощают звуко­вую энергию на частотах вблизи их резонансной ча­стоты.

Эффективность поглощения таких резонаторов опре­деляется потерями в горле резонатора, где скорость ко­лебаний максимальна. Там и должен быть расположен материал, вносящий затухание в колебания, например имеющий высокое внутреннее трение (вязкость>. В практике для подобных резонаторов используют раз­личные ниши, выходные отверстия которых затягивают тканью. Подобные резонансные поглотители выполняют также в виде больших щитов (во всю стену или пото­лок) с отверстиями, затянутыми тонкой металлической сеткой. Отверстия иногда делают разных размеров и на разных расстояниях, в результате чего получаются наборы резонаторов.

Рис. 7.13. Разрез щита Бекеши:

1— натянутый холст; 2 — толстая фанера; 3 — войлок

Заметим, что стенки между резо­наторами могут и не ставиться, так как тангенциаль­ные составляющие звуковых волн в них обычно неве­лики (см. [2], с. 141).

Большие неровности на стенах и большие выступы, различные предметы, находящиеся в помещении, погло­щают звуковую энергию с учетом эффекта дифракции. При расчетах эти поглощения обычно включают в поглощение ближайших к ним ограждающих конструкций.

Рис. 7.14. Резонаторный поглотитель:

1 — металлическая сетка для внесения потерь в резонатор; 2 — отверстие ре­зонатора с площадью S и длиной l_э; 3 — объем резонатора V с гибкостью С_м; 4 — металлический лист толщиной l; 5 — воображаемая граница между резонаторами; 6 — жесткая стена

Например, поглощение плотно расположенными слуша­телями добавляют к поглощению поверхности, на кото­рой они находятся. Коэффициент поглощения слушате­лей при различной плотности их размещения на по­верхности приведен в табл. 7.1. Там же даны коэффи­циенты поглощения отдельно находящихся людей.