1.2 Конструкции объектов и звук

1.2.1 Распространение звука в ограниченном пространстве

При своем распространении звуковые волны, доходя до какой–либо преграды, частично отражаются от нее, а частично ее огибают. Последний эффект определяется дифракционной способностью волн и зависит от соотношения между размерами преграды и длиной волны. Для звуковых волн в воздухе в диапазоне частот 30–15000 Гц дифракция может наблюдаться при размерах преград от нескольких сантиметров до нескольких мет­ров. При встрече звуковых волн с преградами больших размеров дифракционный эффект присутствует только на краях преграды. Часть энергии звуковых волн отра­жается, а часть поглощается, соотношение этих частей определяется свойствами материала преграды. Для учета этого эффекта введены понятия коэффициентов поглощения и отражения звука. Отношение интенсив­ности отраженных звуковых волн к интенсивности падающих называется коэффициентом отражения , а отношение поглощенной энергии к па­дающей – коэффициентом поглощения

, где – интенсивность поглощенной энергии. Если нет дифракции, то . Заметим, что коэффициенты поглощения и отражения зависят от частоты. Отражен­ные волны интерферируют с падающими волнами и об­разуют стоячие волны с пучностями и узлами [5].

1.2.2 Звукопоглощающие материалы и конструкции

Причиной отражения звуковых волн от любой пространственной границы двух сред яв­ляется неравенство (несогласованность) их волновых акустических сопротивлений. Если волновое акустиче­ское сопротивление воздуха равно , а другой (от­ражающей) среды – , то по общей теории отра­жения волн коэффициент отражения по звуковому дав­лению а для случая плоской падающей волны

(1.3)

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, то соответствующий коэффициент от­ражения , а коэффициент поглощения

. (1.4)

Сопротивления обеих сред в общем случае могут быть комплексными, т. е. и , поэтому абсолютное поглощение (коэффициент отраже­ния, равный нулю) может быть только при равенстве вещественных и мнимых частей сопротивлений и

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 на π в зависимости от того, какое из сопро­тивлений больше или , 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 , 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 ), 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 , 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 (табл. 1.2) очень малы, не более 5% (табл. 1.1). 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 увеличение частоты коэффициенты отражения от твердых сплошных материалов немного уменьшаются из–за некоторой шероховатости поверхности материалов и поэтому ко­эффициенты поглощения растут (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Материалы (объекты)	Коэффициенты поглощения на частотах, Гц
	125	250	500	1000	2000	4000
Стена, штукатуренная, окрашенная	0,012	0,013	0,017	0,020	0,023	0,025
Акустическая штукатурка	0,22	0,27	0,31	0,31	0,33	0,40
Акустическая штукатурка типа АГШ	0,61	0,94	0,99	0,86	0,73	0,46
То же, типа АГШ–Б	0,99	0,78	0,73	0,76	0,60	0,59
Ковер с ворсом 1 см на бетоне	0,09	0,08	0,21	0,27	0,27	0,37
Резиновый ковер толщиной 0,5см	0,04	0,04	0,08	0,12	0,03	0,10
Линолеум	0,02	0,025	0,03	0,036	0,04	0,045
Сосновая панель	0,098	0,110	0,100	0,087	0,082	0,110
Стекло ординарной толщины	0,035	0,30	0,027	0,024	0,020	0,020
Мрамор	0,010	0,010	0,010	0,013	0,015	0,017
Драпировка вплотную к стене (бумажная ткань 500 г/м^2)	0,04	0,07	0,13	0,22	0,32	0,35
Щиты Бекеши (холст, натянутый по вате)	0,80	0,81	0,73	0,58	0,46	0,45
Один слушатель	0,33	0,41	0,44	0,46	0,46	0,46
Кресла, обитые бархатом, в расчете на 1шт.	0,14	0,22	0,34	0,40	0,52	0,60
Два слушателя на 1 м^2	0,25	0,44	0,78	0,97	1,0	1,0
Три слушателя на 1 м^2	0,2	0,33	0,67	0,84	0,92	0,97

Таблица 1.2

Материалы и конструкции перегородок	Толщина, мм	Звукоизоляция, дБ
Плотная кирпичная кладка (1/2 кирпича со штукатуркой)	140	47
То же в два кирпича	520	59
Стекло	6	31
Фанера тройная	7	21
Доска сплошная дубовая	45	27
Войлок	100	19
Деревянная стена с воздушным промежутком 5 см	90	12
Шлаковый блок со штукатуркой	200	56
Окно двойное, плотно закрытое		25
Дверь двойная		27
Двери с тамбуром		30

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 (табл. 1.1).

Пористые материалы. Эти материалы (шту­катурки, облицовочные плиты с перфорацией и без нее, щиты, портьеры, ковры и т. п.) используются только как облицовочные 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).

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 с 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. Если перегородку распо­ложить на небольшом расстоянии от твердой стены, та поглощение в общем случае будет больше. Максималь­ное поглощение получается при расположении перего­родки в пучности скорости колебаний, которая будет находиться на расстоянии длины волны. Поэтому при удалении перегородки от стены ко­эффициент поглощения увеличивается, но не монотонно.

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 (табл. 1.1).

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. 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 (табл. 1.1).

Резонаторные звукопоглощающие кон­струкции. Широкое распространение получили кон­струкции, построенные по принципу резонаторов Гельмгольца. 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. Заметим, что стенки между резо­наторами могут и не ставиться, так как тангенциаль­ные составляющие звуковых волн в них обычно неве­лики.

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. 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 таблице 1.1 [5].