Акустическая обработка помещений

Ранее было отмечено, что интенсивность звука в помещениях зависит не только от прямого, но и от отраженного звука. Поэтому если нет возможности уменьшить прямой звук, то для снижения шума нужно уменьшить энергию отраженных волн. Этого можно достичь, увеличив эквивалентную площадь звукопоглощения помещения путем размещения на его внутренних поверхностях звукопоглощающих облицовок, а также установки в помещении штучных звукопоглотителей. Это мероприятие называется акустической обработкой помещения.

Свойствами поглощения звука обладают все строительные материалы. Однако звукопоглощающими материалами и конструкциями принято называть лишь те, у которых коэффициент звукопоглощения a на средних частотах больше 0,2. У таких материалов, как кирпич, он на порядок меньше.

Процесс поглощения звука происходит за счет перехода энергии колеблющихся частиц воздуха в теплоту вследствие потерь на трение в порах материала. Наиболее часто в качестве звукопоглощающей облицовки применяют конструкции в виде слоя однородного пористого материала определенной толщины, укрепленного непосредственно на поверхности ограждения либо с отнесением от него на некоторое расстояние (рис. 9).

1 – защитный перфорированный слой; 2 – звукопоглощающий материал; 3 – защитная стеклоткань; 4 – стена или потолок; 5 – воздушный промежуток; 6 – плита из звукопоглощающего материала

В настоящее время применяют такие звукопоглощающие материалы, ультратонкое стекловолокно, минеральная вата, древесноволокнистые и минераловатные плиты на различных связках с окрашенной и профилированной поверхностью. Звукопоглощающие свойства пористого материала зависят от толщины слоя, частоты звука, наличия воздушного промежутка между слоем и отражающей стенкой, на которой он установлен.

Величину снижения шума (дБ) в помещении в зоне преобладания отраженного звука путем применения звукопоглощающей облицовки определяют по формуле

где В₁ и В₂ – постоянные помещения до и после его акустической обработки.

Постоянную помещения до его акустической обработки рассчитывают по формуле

где A₁ = a₁S _п – эквивалентная площадь звукопоглощения помещения до проведения акустической обработки; a₁ - средний коэффициент звукопоглощения этого помещения; S _п – площадь внутренних поверхностей помещения, м².

Постоянная помещения после его акустической обработки

где A₂ – эквивалентная площадь помещения после его акустической обработки; a₂ - средний коэффициент звукопоглощения акустически обработанного помещения.

Величину A₂ можно представить в виде A₂= А + DА, где А – эквивалентная площадь звукопоглощения помещения, не занятая облицовкой,

S_обл – площадь звукопоглощающей облицовки; DА – добавочное поглощение, вносимое при акустической обработке,

a_обл – коэффициент звукопоглощения облицовки; А _шт – эквивалентная площадь звукопоглощения штучного поглотителя; n _шт – число поглотителей.

В расчетных точках помещения, где вместе с отраженным звуком приходит и прямой звук от различных источников, величина снижения шума в результате акустической обработки помещения оказывается существенно меньше рассчитанной по формуле (11).

На эффективность звукопоглощающих облицовок влияет и высота расположения их над источниками шума, а также конфигурация помещения. Облицовки более эффективны при относительно небольшой высоте помещения (до 4…6 м). Это объясняется тем, что в низких помещениях большой площади потолок и пол являются основными отражающими поверхностями, а применение облицовок, как отмечалось выше, основано на уменьшении отраженного звука. Наоборот, в высоких и вытянутых помещениях, где высота больше ширины, облицовка стен дает больший эффект. В помещениях кубической формы облицовывают как стены, так и потолок.

Для защиты работающих от непосредственного (прямого) воздействия шума используют экраны, устанавливаемые между источником шума и рабочим местом (рис. 10).

1 – источник шума; 2 – высокочастотная область; 3 – среднечастотная область; 4 – низкочастотная область; 5 – акустическая тень

Акустический эффект экрана основан на образовании за ним области тени, куда звуковые волны проникают лишь частично. По этой причине экраны применяют в основном для защиты от средне- и высокочастотного шума. На низких частотах экраны мало эффективны, так как за счет эффекта дифракции звук легко их огибает. Важным является также расстояние от источника шума до экранируемого рабочего места: чем оно меньше, тем больше эффективность экрана.

В особо благоприятных условиях экраны обеспечивают снижение уровня шума на 25 дБ. Однако практически нет оснований ожидать снижения уровня шума более чем на 10 дБ, а в ряде случаев уменьшение шума с помощью экранов едва-едва оправдывает вложенные затраты.

При использовании экранов в помещениях, где звук многократно отражается от всех внутренних поверхностей, шум передается на площадь тени реверберирующим компонентом звукового поля, что в значительной степени снижает эффективность экрана. Таким образом, преграды можно эффективно использовать только в открытом пространстве или в акустически обработанных помещениях. Для повышения эффективности экраны часто делают сложной формы, при этом их облицовывают звукопоглощающим материалом.

Физические явления, характеризующие процессы звукоизоляции и звукопоглощения, различны, но тесно связаны между собой. Рассматривая процесс прохождения звука через препятствие (перегородку) (рис. 11), можно видеть, что интенсивность падающего на препятствие звука I _пад разделяется на энергию, отраженную от этого препятствия I _отр, поглощенную в нем I _погл и прошедшую через препятствие I _пр.

Рис. 11. Распределение звуковой энергии при падении на

Звукоизоляция перегородки определяется через отношение интенсивности прошедшего через перегородку звука к интенсивности падающего на нее звука. Она обозначается через R и выражается обычно в дБ:

Процесс звукоизоляции оценивается отношением прошедшего потока энергии к потоку падающей энергии независимо от того, отразилась она или поглотилась препятствием. Процесс звукопоглощения оценивается отношением доли энергии, перешедшей в теплоту, к падающей энергии.

Звукоизоляция может определяться как отражением (рассеянием) звуковой волны от перегородки, так и поглощением звуковой энергии в перегородке. Звукоизоляцию однородной однослойной перегородки определяют с помощью следующего выражения:

где m₀ – поверхностная масса перегородки, кг/м².

§ звукоизоляция ограждений тем выше, чем они тяжелее, она меняется по так называемому закону массы; так, увеличение массы в 2 раза приводит к повышению звукоизоляции на 6 дБ;

§ звукоизоляция одного и того же ограждения возрастает с увеличением частоты; другими словами, на высоких частотах эффект от установки ограждения будет значительно выше, чем на низких частотах.

В качестве звукопоглощающих материалов используются материалы: объемные волокнистые, вспененные полимерные и комбинированные. Заметим, что все эти материалы имеют низкий коэффициент теплопроводности, поэтому одновременно могут использоваться и для теплоизоляции.

Волокнистые материалы обладают высоким звукопоглощением и могут быть изготовлены из отходов текстильной промышленности по экологически чистой технологии. Предпочтительным является использование синтетических волокон в силу их прочности, стойкости к старению, устойчивости к гниению, воздействию грибка, атмосферным воздействиям, огнестойкости.

Широко используются материалы на основе стеклянных или базальтовых волокон. Так теплозвукоизоляционные маты марки СМ производятся из отходов производства стеклянного волокна и покрыты с двух сторон стеклотканью. Базальтовые маты БЗМ из супертонких стеклянных волокон горных пород, облицованных акустически прозрачной оболочкой, применяют в качестве звукопоглощающего наполнителя в средствах шумозащиты, работающих при высоких температурах, например, в глушителях шума.

К вспененным полимерным материалам относятся эластичный пенополиуретан, обладающий открытоячеистой структурой. Он стоек к действию бензина, масел, малогигроскопичен и используется в качестве звуко- и теплоизоляционного материала.

При разработке шумозащитных мероприятий все шире применяются многослойные комбинированные материалы, отвечающие определенным требованиям как к акустическим, так и к механическим свойствам. Это особенно важно, когда материал используется в неблагоприятных условиях эксплуатации, например, внутри моторного отсека машины. К таким материалам относится “Изомат”, состоящий из слоя пенополиуретана, защищенного стекловолокном, алюминиевой фольги и монтажного клеевого слоя; “Фолгин”, состоящий из нетканого волокнистого материала, соединенного с алюминиевой фольгой.

Иногда отождествляют понятия «изоляция» и «поглощение» звука, хотя между ними есть принципиальное различие. Звукоизолирующая конструкция служит для того, чтобы не пропускать звук из шумного помещения в более тихое, изолируемое помещение. Основной акустический эффект обусловлен отражением звука от конструкции.

Звукопоглощающие материалы и конструкции предназначены для поглощения звука как в помещениях с источником, так и в соседних помещениях.

Звукоизолирующие кожухи, кабины. Звукоизолирующими кожухами закрывают наиболее шумные машины и механизмы, локализуя таким образом источник шума. Кожухи изготовляют обычно из дерева, металла или пластмассы. Внутреннюю поверхность стенок кожуха обязательно облицовывают звукопоглощающим материалом (рис. 12). С наружной стороны на кожух иногда наносят слой вибродемпфирующего материала. Кожух должен плотно закрывать источник шума.

Рис. 12. Звукоизолирующие кожухи энергетической установки:

1, 2 – глушители шума на впуске и выпуске двигателя внутреннего сгорания (ДВС); 3 – кожух с звукопоглощающим материалом; 4, 5 – каналы с глушителями для входа и выхода воздуха;

Для машин, выделяющих теплоту (электродвигателей, компрессоров и т. п.), кожухи снабжают вентиляционными устройствами с глушителями.

Устанавливаемый кожух не должен жестко соединяться с механизмом.

В противном случае его применение дает отрицательный эффект (кожух становится дополнительным источником шума). Сама машина также должна устанавливаться на виброизоляторы, что дает существенный положительный эффект главным образом на низких частотах.

В тех случаях, когда невозможно изолировать шумные машины или в связи с необходимостью следить за рабочим процессом, пульт управления машин заключают в звукоизолированную кабину со смотровым окном, при этом помещение кабины акустически обрабатывают.

Для снижения воздушного шума, создаваемого газодинамическими установками, содержащими участки с движением газа, используют глушители шума. Их главное назначение – существенно снизить шум, вызываемый потоком газа на выходе канала, где происходит выпуск газов в атмосферу. Совершенно очевидно, что в отличие от устройств звукоизоляции и звукопоглощения, в которых основной функцией является решение только акустической задачи, глушители шума кроме этого не должны существенно изменять производительность канала по выпуску газов, циркуляции воздуха и заметно снижать КПД газодинамической установки.

Глушители шума можно разделить на абсорбционные (диссипативные), реактивные и комбинированные. В диссипативных глушителях снижение шум достигается за счет потерь акустической энергии на трение в звукопоглощающих материалах (волокнистых или пористых поглотителях), расположенных на пути распространения звука. В реактивных глушителях (так называемых отражающих) это уменьшение шума достигается отражением энергии набегающих звуковых волн обратно к источнику. Глушители, в которых наблюдаются и диссипация, и отражение звуковой энергии, называют комбинированными. Строго говоря, любой глушитель является комбинированным, так как диссипативные элементы глушителей частично отражают волны, а в реактивных – энергия колебаний после переотражений переходит в тепловую.

Диссипативные глушители. Они эффективно работают в широком диапазоне частот, когда коэффициент звукопоглощения применяемого материала близок к единице (a = 0,8…1,0). Их целесообразно использовать для снижения шума, характеризуемого непрерывным (сплошным) спектром или дискретным спектром с большим числом гармонических составляющих. При этом в каналах с большой скоростью потока, высокой температурой или агрессивной средой применение таких глушителей предъявляет особые требования к содержащимся в них звукопоглощающим материалам. Так при использовании этого типа глушителей в системах выпуска двигателей используют температуростойкие поглотители. Обычно это минеральная вата, стекловолокно, базальтовые волокна.

Наиболее простым и распространенным глушителем абсорбционного типа является так называемый трубчатый глушитель, облицовка трубы которого осуществлена звукопоглощающим материалом (рис. 13, а).

С целью увеличения заглушения звука используются пластинчатые глушители, в которых аэродинамический трактат разделен продольными перегородками, облицованными звукопоглощающим материалом (рис. 13, б).

На выходе канала в атмосферу или на входе в канал устанавливают экранные глушители (рис. 14). На низких частотах экран практически не оказывает влияния на излучаемый шум. На высоких частотах эффективность его установки составляет 10…25 дБ, причем максимальный эффект наблюдается в осевом направлении.

Рис. 14. Типовые конструкции экранных глушителей шума

Реактивные глушители. Реактивные глушители шума представляют собой, по сути, акустические фильтры и характеризуются чередующимися полосами заглушения и пропускания звука, поэтому применяются для снижения шума с резко выраженными дискретными составляющими спектра. Реактивные глушители подразделяются на камерные, резонансные и комбинированные.

Камерные глушители состоят из одной или нескольких камер, представляющих собой полости в виде расширения трубопровода по его сечению (рис. 15, а). В камерном глушителе звуковые волны отражаются от противоположной стенки и, возвращаясь к началу в противофазе по отношению к прямой волне, уменьшают ее интенсивность.

Резонансные глушители бывают двух типов: резонаторы Гельмгольца и четвертьволновые резонаторы.

Резонатор Гельмгольца представляет собой полость объемом V, соединенную с трубопроводом отверстиями, называемыми горлом резонатора (рис. 15, б). Полость и отверстия в таком резонаторе образуют систему, обеспечивающую практически полное отражение звуковой энергии обратно к источнику на частотах, близких к его собственной (резонансной) частоте.

Собственная частота резонатора Гельмгольца определяется формулой:

где n – количество отверстий; S – площадь одного отверстия; L – эффективная длина горла резонатора, L = t +pd/4; t,d – соответственно глубина отверстий (толщина стенки трубопровода) и их диаметр.

а – камерный; б – резонатор Гельмгольца; в – четвертьволновой резонатор; г – комбинированный

В четвертьволновом резонаторе (рис. 15, в) звуковая волна на резонансной частоте проходит путь до торца трубы и обратно, кратный половине длины волны, и затем встречается со вслед бегущей волной, будучи с ней в противофазе. Образуется узел стоячей волны, через который, как известно, энергия на данной частоте не распространяется, т.е. шум на данной частоте будет заглушен.

Для создания более совершенной системы заглушения используют несколько четвертьволновых элементов различной длины или комбинацию камерного и четвертьволнового элементов (рис. 15, г).

Широкое распространение получили на практике реактивные глушители с перфорированными трубами. Наиболее простой из них, концентрический резонатор, представлен на рис. 16.

Отметим, что реактивные глушители следует использовать прежде всего для снижения шума на низких частотах, где они эффективнее диссипативных глушителей. Большим достоинством реактивных глушителей является то, что они не боятся засорения газовыми выбросами и легко прочищаются.

Наибольшее применение глушители нашли для снижения газодинамического шума двигателей внутреннего сгорания. Так, в системах выпуска автотранспортных средств устанавливаются, как правило, два или даже три глушителя шума, один из которых является диссипативного или комбинированного типа.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: