Звукопоглощение

Звукопоглощающие материалы. Акустические поглощающие материалы обычно бывают пористыми или волокнистыми. Внутренняя структура материала такова, что падающая звуковая энергия преобразуется там в тепловую за счет трения в порах.

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

Наименование	Поглощение, м^2, на частотах, Гц
Сидящий человек	0,17	0,36	0,47	0,52	0,50	0,46
Стулья, шезлонги, скамейки	0,02	0,02	0,02	0,04	0,04	0,03
Кресла	0,17	0,23	0,23	0,22	0,19	0,18
Кровати	0,68	0,92	0,92	0,88	0,76	0,72

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.

Дата добавления: 2014-11-06