Звукопоглощение и звукопроницаемость материалов

Прохождение звука через материал может быть описано уравнением, подобным соотношению (1). Однако описание акустических свойств материалов включает в себя не только понятия и величины, характеризующие звук как физическое явление, но и связанные с особенностями его физиологического восприятия человеком. Кроме того, для строителей имеет значение не только прохождение звука через материал, но и отражение его от поверхности материала.

Звуковая волна, как и любая другая, может быть изображена лучом, направленным перпендикулярно фронту распространения волны (рис 1).

Если обозначить I_ПАД - интенсивность звука (прим.6.4), падающего на материал (волна 1), I_ОТР - интенсивность отраженного от материала звука (волна 2), I_ПР - интенсивность проходящего (преломленного) звука (волна 3), то I_ПАД < I_ОТР + I_ПР, потому что в точке падения при механическом воздействии звука на материал происходит поглощение части звуковой энергии, переход ее в тепловую. Звук большой частоты (ультразвук) даже заметно нагревает материал.

Человек слышит звуки с частотой от 20 Гц до 20 кГц. Минимальная интенсивность, при которой звук в этом диапазоне частот еще улавливается ухом - порог слышимости,- составляет 10^-12 Вт/м². Максимальная интенсивность, вызывающая болевые ощущения в органах слуха - болевой порог, - 10^-12 Вт/м².

Для характеристики величин, изменяющихся в столь больших интервалах числовых значений, удобно пользоваться логарифмической шкалой.

Рис.1. Звуковые волны (лучи): 1 - падающие на поверхность материала из среды; 2 - отраженные от поверхности; 3 - проходящие в материал (преломленные). Углы: a - падения и отражения; b - преломления.

Уровнем интенсивности звука (L) называется умноженный на 10 десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука:

L = 10 lg(I/I_О), (8)

где I - интенсивность данного звука; I_О - интенсивность более слабого звука, с которым сравнивается данный звук. В качестве I_o можно принять порог слышимости.

В принципе величина L как логарифм отношения безразмерна. Тем не менее для численного значения логарифма применяют название децибел (дБ). Децибел используют как единицу измерения. Hапример, уровень интенсивности 60 дБ означает, что данный звук интенсивнее, чем порог слышимости в 10⁶ раз.

Для звука с частотой 1 кГц, к которому наиболее чувствительно ухо человека, понятия "уровень интенсивности" и "громкость" практически совпадают.

В строительной акустике материал (изделие, конструкция) рассматриваются как средство создания акустического комфорта для человека. При этом различают два практически важных результата взаимодействия звука с материалом.

ЗВУКОПОГЛОЩЕHИЕ - ослабление отраженного звука вследствие поглощения части звуковой энергии поверхностью материала. Человек, воспринимающий звук, находится в том же помещении, что и источник звука.

ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ - ослабление звука, проходящего через ограждающую конструкцию, вследствие поглощения части звуковой энергии материалами ограждения. Источник звука и человек, воспринимающий звук, разделены ограждением (стеной, перегородкой, перекрытием и т.п.).

Задача звукопоглощения имеет значение, например, для ослабления шума от работающего в помещении оборудования.

В уши работающих в шумном помещении одновременно попадают не только прямые звуки от источников шума, но и звуковые импульсы, отраженные от стен, потолка, пола. При неудачном выборе материалов ограждений отраженния происходят многократно, т.е. шум практически не поглощается поверхностями ограждающих конструкций и в результате многократно усиливается. Для ослабления шума необходимо применять материалы, хорошо поглощающие звуковую энергию.

Любой материал характеризуется коэффициентом поглощения звука:

, (9)

где E_ПОГЛ и E_ПАД -соответственно количество звуковой энергии, поглощенной материалом и падающей на него за одно и то же время.

Пределы изменения a для разных материалов от 0 до 1. Так, для металлов a - сотые доли единицы, для обычных каменных материалов стен и перекрытий около 0,1 , для акустической штукатурки - 0,2 , для мягких ворсистых ковровых материалов - 0,5 и более. При a > или = 0,2 материал называют звукопоглощающим.

Величина коэффициента звукопоглощения определяется структурой материала, характером его пористости, а также модулем упругости, способностью к деформации. Большие коэффициенты звукопоглощения имеют материалы с крупными сквозными порами. Иногда с целью повышения коэффициента звукопоглощения изделия (плиты, плитки, листы) изготавливают перфорированными - с отверстиями (перфорацией) по всей площади.

Схема на рис.2. показывает, что звук гасится в конструкции подвесного потолка с перфорированными плитами в результате многократных отражений, главным образом, в зазоре между перекрытием и потолком.

Рис.2. Схема поглощения звука в конструкции подвесного потолка с плитой (3), имеющей отверстия перфорации. Зазор (2) отделяет плиту от перекрытия (1). Звук гасится в результате последовательных отражений в точках а, b, c, d в результате чего I_ОТР оказывается практически равной 0.

Совершенно аналогично "запутывается" звук в несквозных порах неправильной формы, например, на поверхности акустической штукатурки. Еще лучше поглощают звук мягкие ворсистые (волокнистые с поверхности) материалы. В этом случае при каждом отражении звука между волокнами (как в открытых порах) теряется больше звуковой энергии, чем в жестком материале, ввиду необратимого перехода ее в тепловую энергию. (Прим. 6.6)

Поглощение звука материалами ослабляет интенсивность не только отраженной, но и проходящей через материал звуковой волны. Звукоизолирующую способность материала принято характеризовать коэффициентом звукопроницаемости (t), равным отношению интенсивностей проходящей через материал и падающей на него звуковой волны:

. (10)

Звукоизолирующая способность конструкции ограждения (L_ЗИ) характеризуется разностью уровней интенсивности звука до (L₁) и после (L₂) его прохождения через ограждение:

L_ЗИ = L₁ – L₂. (11)

Hапример, если уровень шума в производственном зале цеха L₁ = 80 дБ, а в соседнем (через стену) бытовом помещении L₂ = 20 дБ, то стена ослабляет звук на величину L_ЗИ = 60 дБ, т.е. в миллион раз. Если в выражении (8) I = I_ПАД, а I_О = I_ПР, то L = L_ЗИ

(12)

или

, (12.1)

где в отличие от (11) содержится коэффициент звукопроницаемости t, характеризующий материалы ограждения.

Величина коэффициента t зависит от пористости и модуля упругости материала. Hаименьшую, т.е. наилучшую в отношении звукоизоляции величину имеют материалы с закрытой пористостью и малым модулем упругости.

Звукопоглощающий материал обычно является одновременно отделочным. Он должен иметь красивую, декоративную поверхность. Звукоизолирующий материал может быть скрыт внутри конструкции, в этом случае требование декоративности к нему не предъявляется.

Многие материалы выполняют обе акустические функции. Hапример, ворсовое полимерное покрытие пола обладает свойствами как звукопоглощающего, так и звукоизоляционного материала. Hаружный ворс (открытые поры) гасят отраженный звук. Ворс закреплен в пористой (вспененной) подоснове с закрытыми порами, создающими сопротивление проходящему звуку.