Теоретические основы звукоизоляции и звукопоглощения

Звуковая волна, проходя через конструкцию претерпевает следующие процессы: отражение, поглощение, звукопередача (рис.4).

Рисунок 4 – Путь прохождения волны через конструкцию

Звукоизоляция – снижение уровня шума за счёт установки на его пути звукоизолирующих преград в виде стен, перегородок, перекрытий, кожухов, кабин, экранов.

На практике зачастую возникает необходимость определять прохождение звука через преграду, представляющую собой, например, перегородку между помещениями или звукозащитный кожух, устанавливаемый вокруг источника интенсивного шума. При падении звуковых волн на перегородку через неё проходит лишь часть энергии этих волн, остальная энергия волн, падающих на перегородку, отражается от неё и поглощается в ней (рис. 4). Отражение звуковой энергии от перегородки обусловлено различием сопротивлений перегородки и среды, соприкасающейся с ней. Это отражение тем значительнее, чем существеннее различаются упомянутые сопротивления. Очевидно, что при этом увеличивается и звукоизоляция. [2, стр. 323].

Звукоизоляционные качества ограждений от воздушного шума характеризуются коэффициентом звукоизоляции, равным отношению интенсивностей звуковых волн, падающих не преграду J₁, к интенсивностям прошедших через преграду J₂:

r= J₁/J₂ (5)

Для оценки звукоизоляции используют формулу:

R=10lg(P₁/P₂), (6)

где P₁ - мощность звука, падающего на преграду;

P₂ - мощность звука, излучаемого обратной стороной преграды.

Эта формула справедлива только в тех случаях, когда звукоизолирующая преграда разделяет два помещения одинакового размера. Как правило, рассматриваемая строительная конструкция разделяет два различных помещения. В этом случае при условии возникновения и в том и в другом помещении диффузных звуковых полей расчет следует производить по формуле:

R=L₁-L₂+10lg(S/A₂), (7)

где L₁ – уровень звукового давления в помещении с источником шума;

L₂ - уровень звукового давления в звукоизолируемом помещении;

S – площадь разделяющей помещение конструкции;

A₂ – эквивалентная площадь звукопоглощения в изолируемом помещении.

Требуемая величина звукоизоляции R_тр, дБ , ограждающей конструкции в октавной полосе частот при проникновении шума из одного помещения в другое определяется по формуле:

(8)

где: L₁ – октавный уровень звукового давления в помещении с источником шума, дБ;

В - постоянная помещения, защищаемого от шума, м² ;

S₁ - площадь ограждающей конструкции (или отдельного ее элемента), через которую проникает шум в защищаемое помещение;

Lдоп - допустимый октавный уровень звукового давления, дБ, в защищаемом помещении;

n - общее количество ограждающих конструкций или их элементов, через которые проникает шум.

Изоляция воздушного звука зависит в первую очередь от плотности применяемого в

конструкции материала ρ, его модуля упругости Е и коэффициента внутренних потерь η. Основными звукоизолирующими материалами являются: алюминиевые сплавы, асбокартон, базальтовый картон, бетон, гетинакс, медные сплавы, органическое стекло, ПВХ линолеум, пробковые плиты, твердая резина, титановые сплавы, свинец, силикатное стекло, сталь, стеклопластик, фибра и др.

В конструктивном плане различают однослойные и многослойные звукоизолирующие конструкции (рис.5).

•

Рис.5. Примеры звукоизолирующих конструкций:

а) однослойная, б) многослойные

При использовании многослойной конструкции можно добиться значительно более высокой звукоизоляции, чем у однослойной стены равной массы.

Кроме звукоизолирующих экранов могут применяться звукоизолирующие кожухи.

Этот способ защиты от шума является более действенным, чем другие строительно-акустические способы (применение звукопоглощающих облицовок, экранов, выгородок и т.п.), поскольку он предполагает достижение эффекта снижения шума на любую требуемую величину даже в непосредственной близости от источника шума. Для повышения эффективности применения кожухов их внутренние поверхности должны быть облицованы звукопоглощающими материалами.

Звукоизолирующий кожух машины представляет собой всесторонне замкнутую оболочку, внутри которой размешается источник шума. Идеальным конструктивным решением кожуха считается решение, при котором обеспечивается полная герметичность. В этом случае величина требуемой звукоизоляции стенок R_тр может быть определена по эмпирической формуле:

(9)

где: DL_тр – требуемая величина снижения уровня звукового давления кожухом в расчетной точке источником шума, дБ;

S_к – площадь поверхности кожуха, м²;

S_доп – площадь воображаемой поверхности, вплотную окружающей источник шума.

Реальные конструкции кожухов весьма далеки от идеала, так как в условиях их эксплуатации герметичность замкнутого пространства нарушается из-за необходимости подводки внутрь кожуха трубопроводов, устройства каналов для прохода воздуха и отвода избыточного тепла, смотровых окон и открывающихся дверей. Кроме того, наличие обязательных стыковых соединений, неизбежно сопровождающихся щелевыми отверстиями и не плотностями, также ведет к усложнению конструктивных решений и значительным трудностям при попытках обеспечить выполнение требований формулы (9).

Рассмотрим на примере кожуха машины (рис.6) наиболее характерные из путей проникновения шума в защищаемое помещение.

Рис.6 – Возможные пути передачи звука через кожух машины

Основным путем передачи звука в защищаемое помещение является путь, обозначенный на рис.6 символом А - передача через ограждающую конструкцию. Величины снижения проникающих уровней определяются потерями на звукоизоляцию и могут достигать в зависимости от спроектированной конструкции ограждения значений:

(10)

где: R - звукоизолирующая способность ограждающей конструкции кожуха, дБ, определяется по формуле (9);

Sк - площадь поверхности кожуха, м²;

Ак - средний коэффициент звукопоглощения в пространстве под кожухом.

Наличие технологически необходимых отверстий или не плотностей в кожухе или отдельных его деталях приводит к интенсивной передаче воздушного звука по путям, обозначенным на рис.6 символами Б₁ , Б₂ , Б₃. Ещё одним путем передачи звука из-под кожуха машины в помещение является передача структурного звука в местах соприкосновения изолируемой машины с фундаментом или полом помещения (Г₁) либо звука, непосредственно излучаемого выступающими деталями машины (Г₂), излучение кожухом звука, проникающего в его стенки при жестком опирании на корпус (В₁) пол или фундамент машины (В₁) или соприкосновении с выступающими деталями машины (В₂). Если первый из рассматриваемых пулей передачи звука (А) зависит только от конструктивного решения стенок кожуха, то два других требуют выполнения ряда дополнительных операций по устранению возможностей проникновения шума в помещение этими путями, например, установки в местах выхода отверстий специальных глушителей шума или опирание кожуха на ограждающие конструкция через упругие прокладки.

Звукопоглощение. Применяют, когда снижение шума в источнике и звукоизолирующие устройства неосуществимы или снижают шум недостаточно. Ослабление шума этим методом достигается облицовкой внутренних поверхностей (стен, потолка) помещений звукопоглощающими чаще всего пористыми, материалами (аппаратные телеграфа, звукоизолирующие кабины и кожухи, судовые машинные отделения с помещениями небольшого объема, до 400— 500 м). Ослабление шума в этих случаях происходит вследствие поглощения отраженных от поверхности звуков, подобно тому, как уменьшается освещенность в помещении при окраске стен и потолка черной краской.

Снижение шума при таких облицовках не превышает 7—8 дБ, величина эта уменьшается при возрастании объема помещения, поэтому в больших помещениях устройство таких облицовок нецелесообразно [2, стр. 318].

При отражении звуковой волны от преграды часть звуковой энергии теряется: преобразуется в тепло или проходит сквозь преграду. Потери энергии характеризуются коэффициентом звукопоглощения поверхности:

a₀=(I_пад-I_отр)/I_пад, (11)

где I_пад – интенсивность падающей звуковой волны;

I_отр – интенсивность отраженной звуковой волны.

Звук в помещении поглощается не только на поверхностях, но и в воздушном объеме вследствие теплопроводности воздуха, его вязкости и молекулярной диссипации.

Поглощение в воздухе дает большой вклад в средний коэффициент звукопоглощения в полосах частот 4000 и 8000 Гц.

Звукопоглощающие облицовки, как правило, размещают на потолке и на верхних частях стен. Для достижения максимально возможного поглощение рекомендуется облицовывать не менее 60% общей площади ограждающих помещение поверхностей.

Если стены помещения и перекрытия запроектированы светопрозрачными и площадь свободных поверхностей мала, рекомендуется дополнительно применять штучные (объемные) звукопоглотители различных конструкций.