3.2. Зниження шуму методами звукопоглинання

Одним із способів зниження шуму у приміщенні є застосування звукопоглинаючих конструкцій. Під звукопоглинанням розуміють властивість акустично оброблених поверхонь зменшувати інтенсивність відбитих ними хвиль за рахунок перетворення звукової енергії на теплову. Цей метод застосовують для зменшення інтенсивності відбитого (дифузного) звука. Якщо прямий звук від джерела у точці контролю шуму переважає, в цьому випадку акустична обробка приміщення незначно вплине на рівень шуму. Тому перед застосуванням звукопоглинаючих матеріалів і конструкцій необхідно оцінити ефективність акустичної обробки приміщення шляхом порівняння інтенсивності прямих і відбитих складових від джерел звука. Обробка приміщення буде ефективною, якщо є велика кількість відносно несуттєвих джерел шуму, розташованих не дуже близько один від одного. У цьому випадку сумарний внесок у загальне акустичне поле розподілених джерел шуму виявиться помітним і акустична обробка приміщення буде обгрунтована.

У найбільш поширених схемах звукопоглинання застосовуються наступні звукопоглинаючі матеріали і конструкції:

• пористі звукопоглиначі;

• резонансні звукопоглиначі;

• панельні звукопоглиначі;

• комбіновані конструкції поглиначів.

Акустичні характеристики звукопоглинаючих конструкцій залежать від коефіцієнта звукопоглинання , що визначається як відношення (для заданої смуги частот ) поглиненої акустичної енергії до падаючої енергії.

Максимальне зниження РЗТ шуму в октавних смугах частот у приміщенні при звукопоглинаючому облицюванні його поверхонь визначається формулою

,

де - акустичне відношення.

Вибір матеріалів і типу конструкції звукопоглинання залежить від ряду чинників:

• акустичної ефективності матеріалів;

• об'єму приміщення;

• доступності місця для акустичної обробки;

• небезпеки обробки для здоров'я;

• впливу вологи і сонячного світла;

• методів технічного обслуговування покриття;

• можливості захисту покриття від механічного пошкодження;

• впливу метеорологічних чинників на покриття, переміщення повітря у приміщенні, запилення повітря;

• пожежебезпеки покриття;

• можливості поєднання акустичної обробки з термоізоляцією;

• сумісності покриття з технологічними процесами у приміщенні.

Пористі поглиначі у вигляді плит, збірних елементів виготовляються із капронового волокна, штапельного волокна, мінеральної вати, базальтового волокна, супертонкого скловолокна, пінопласту з відкритими порами й інших матеріалів. Механізм дії волокнистого поглинача базується на втратах (завдяки в'язкому тертю при поворотно-поступальному коливальному руху повітря) у порах звукопоглинача. На низьких частотах відбувається інтенсивний теплообмін між повітрям і волокнами. Це приводить на низьких частотах до ізотермічного процесу стиснення і розширення повітря. Коливання волокон каркаса поглинача також спричинюють втрати акустичної енергії.

Звукопоглинальні властивості матеріалів і конструкцій характеризуються коефіцієнтом відбиття . Припустимо, що імпеданс матеріалу , де - відповідно активна і реактивна компоненти акустичного опору. При нормальному падінні звука на матеріал

.

Нехай , тоді , . Звукопоглинальні властивості однорідних матеріалів характеризуються двома комплексними величинами - хвильовим опором і коефіцієнтом поширення , де - коефіцієнт затухання, - хвильове число. Для гармонічних хвиль параметри, що характеризують матеріали, пов'язані із щільністю і модулем об'ємної пружності

.

У пористих матеріалах враховується пористість (що визначається як відношення об'єму пор до загального об'єму), тому для пористого середовища , де дорівнює відношенню теплоємності повітря при постійному тиску і об'ємі. Для гармонічного поширення звука у пористому матеріалі , , де - структурна стала, - стала опору. Тому для основних характеристик пористого матеріалу маємо співвідношення

де =1,4 для частот більше за 300 Гц; =1 для низьких частот.

Резонансні звукопоглиначі (РЗП) являють собою перфоровану панель, встановлену на відстані від жорсткої стінки. Втрати у РЗП зумовлені або тертям повітря в отворах, або тертям в матеріалі сітки, тканини, вміщених в отворах. Параметрами РЗП є: - площа отвору, на якому розташований один отвір; - площа одного отвору діаметром; , - товщина панелі; - постійна опору; - питомий акустичний опір; при , при , де - коефіцієнт динамічної в'язкості; - поправка на кінець отвору. Характеристики РЗП можуть бути вибрані з умови, що коефіцієнт звукопоглинання буде більшим або дорівнювати заданому значенню у діапазоні частот , за допомогою співвідношень

Відстань між отворами визначається у вигляді

.

Питомий опір матеріалу, що вноситься в отвори, дорівнює

.

Багатошарові конструкції складаються із шарів різних матеріалів. Найпростішою конструкцією є шар матеріалу, розташованого на стінці, що має імпеданс . При нормальному падінні звука вхідної імпеданс конструкції дорівнює

,

де - товщина шару, - нормовані до величини питомого опору повітря (що визначено індексом 1).

Для жорсткої стінки ( ) отримуємо (для частот, що перевищують на 30…40 % резонансну частоту шару):

.

На низьких частотах звукопоглинальна конструкція у вигляді шару неефективна. Поліпшення поглинання на цих частотах можна досягнути за допомогою перфорованої панелі, яка безпосередньо прилягає до шару з боку падіння звука.

Вплив плівкового покриття на звукопоглинання пористого матеріалу враховується шляхом додавання до інерційного опору матеріалу опору плівки (для поверхневої маси плівки кг/м²): , де

.

У табл. 4.6 наведені значення опору для ряду плівок, що застосовуються.

Таблиця 4.6

Тип плівки	, кг/м2	Частоти октавних смуг, Гц
		63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Поліамідна, ПМ	0,057	0,05	0,11	0,21	0,43	0,85	1,70	3,41	6,82
Крехалон	0,049	0,05	0,09	0,18	0,37	0,74	1,48	2,96	5,92
Склотканина марки СТФ	0,05	0,05	0,09	0,19	0,37	0,75	1,49	2,99	5,98
Поліетилен- терефталатна	0,07	0,07	0,13	0,26	0,52	1,05	2,09	4,19	8,37
Поліетиленова	0,046	0,04	0,08	0,17	0,34	0,69	1,37	2,75	5,50

Нарівні з розглянутими звуковбирними конструкціями використовуються об'ємні, мембранні поглиначі звука.

3.3. Розрахунок звукоізоляції житлових будинків

Звукоізоляція є одним із ефективних методів зниження шуму при поширенні звукових коливань з одного приміщення в інше. При впливі звукових коливань на захищаену конструкцію падаюча хвиля спричинює коливальні рухи конструкції і стає джерелом шуму у навколишньому просторі. Розглянемо задачу проходження звукової хвилі через тонку безмежну пластину за допомогою імпедансного методу. Для гармонічних коливань швидкість згин пластини . Для згинних коливань пластини під дією сили випливає, що

.

Оскільки відношення амплітуди сили до швидкості є імпеданс пластини, тому

, (4.1)

де - хвильове число згинних коливань у пластині; - довжина згинної хвилі. Швидкість поширення згинних хвиль дорівнює . Вхідний імпеданс пластини визначається за допомогою співвідношення

,

де величина коефіцієнта відбиття може бути отримана у вигляді

.

Остаточно вираз для амплітуди тиску , коефіцієнтів звукопроникнення і звукоізоляції записуються у вигляді

(4.2)

Оскільки , а , імпеданс пластини (4.1) дорівнює

.

З урахуванням втрат у матеріалі пластини, взявши , отримуємо

.

Як випливає зі співвідношення (7.10), звукоізоляція дорівнює нулю, якщо =0. Це має місце, коли або 0. Рівність імпедансу нулю відповідає просторовим резонансам тонкої пластини. Зі співвідношення (4.1) при 0 виконується умова , коли проекція хвильового вектора у середовищі збігається з хвильовим числом згинних коливань пластини.

Для інженерних розрахунків звукоізоляції одностінних перешкод застосовується графоаналітичний метод. Цей метод застосуємо, якщо мінімальний розмір (висота, ширина або довжина) буде , де - довжина згинної хвилі на критичній частоті. Нижня границя розрахункового діапазону звукоізоляції повинна бути на октаву вище від першої резонансної частоти одностінної перешкоди , де - мінімальний лінійний розмір перешкоди. Верхня границя розрахункового діапазону визначається за формулою

де - товщина пластини. Ребра жорсткості, якщо вони є у перешкоді, слід розташувати у одному напрямку на відстані більше за 0,5 м один від одного, а їх висота не повинна перевищувати 30-кратної товщини пластини. Конструкція не повинна мати акустичних отворів.

Рис. 4.5. Розрахункова схема звукоізоляції одностінної конструкції

Розрахунок звукоізоляції одностінної конструкції (рис. 4.5) виконується у такій послідовності.

1. Для заданого матеріалу і товщини пластини одностінної конструкції критична частота розраховується за формулою .

2. На координатній сітці (по осі абсцис нанесені в логарифмічному масштабі середньогеометричні значення 1/3-октавних смуг частот , а по осі ординат - звукоізоляція ) в межах розрахункового діапазону частот відкладаються чотири значення абсцис: 0,25 , 0,5 , , 2 , як показано на рис. 4.5: 1 - приклад розрахунку, 2 - експериментальна крива для сталевої пластини товщиною 7 мм з ребрами жорсткості.

3. Для вказаних чотирьох абсцис будують чотири значення ординат за даними табл. 4.7.

Таблиця 4.7

Матеріал конструкції	Щіль- ність, кг/м2	Звукоізоляція на частотах
		0,25	0,5		2
Сталь	7800	35	37	30	39
Титанові сплави	4500	32	36	27	36
Алюмінієво-магнієві сплави	2800	29	33	25	34
Склопластик	1700	29	32	28	34
Фанера	800	26	29	26	32
Скло силікатне	2500	29	33	26	34
Скло органічне	1200	31	36	30	39

4. Знайдені таким чином чотири точки з'єднують прямими лініями, потім від першої точки у бік низьких частот проводять пряму із нахилом вниз, що дорівнює 4 дБ на октаву, а від четвертої точки у бік високих частот - пряму вгору, що дорівнює 6 дБ на октаву.

Одним із ефективних способів збільшення звукоізоляції одностінних тонких перешкод є застосування легких звукопоглинаючих матеріалів, що покривають рівним шаром всю поверхню перешкоди. Звукоізоляція отриманої двошарової конструкції , де звукоізоляція тонкої пластини розраховується розглянутим вище графоаналітичним методом, а додаткова звукоізоляція конструкції зі звукопоглиначем знаходиться за емпіричною залежністю. Методика розрахунку двостінних і спеціальних конструкцій наведена в довідковій літературі.