ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ • Большая российская энциклопедия

Авторы: Г. Л. Осипов

ЗВУКОПОГЛОЩА́ЮЩИЕ КОН­СТРУ́К­ЦИИ, уст­рой­ст­ва для по­гло­ще­ния па­даю­щих на них зву­ко­вых волн. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ные ти­пы З. к. – зву­ко­по­гло­щаю­щие об­ли­цов­ки внутр. по­верх­но­стей (по­тол­ков, стен, вен­ти­ляц. ка­на­лов, шахт лиф­тов и т. п.), штуч­ные зву­ко­по­гло­ти­те­ли, эле­мен­ты аб­сорб­ци­он­ных глу­ши­те­лей шу­ма.

Зву­ко­по­гло­щаю­щие об­ли­цов­ки при­ме­ня­ют для сни­же­ния энер­гии от­ра­жён­ных зву­ко­вых волн. Ча­ще все­го со­сто­ят из слоя од­но­род­но­го по­рис­то­го зву­ко­по­гло­щаю­ще­го ма­те­риа­ла (ино­гда с фак­тур­ным сло­ем) или слоя по­рис­то­го во­лок­ни­сто­го ма­те­риа­ла и за­щит­но­го слоя в ви­де пер­фо­ри­ро­ван­но­го тон­ко­го твёр­до­го эк­ра­на или по­кры­тия (см. Аку­сти­чес­кие ма­те­риа­лы). Эф­фек­тив­ность зву­ко­по­гло­щаю­щей об­ли­цов­ки оце­ни­ва­ет­ся ко­эф. зву­ко­по­гло­ще­ния (КЗП) в оп­ре­де­лён­ном диа­па­зо­не час­тот (ок­та­ва или ¹/₃ ок­та­вы). Зна­че­ние КЗП за­ви­сит от спо­со­ба кре­п­ле­ния кон­ст­рук­ции к ог­ра­ж­де­нию и фи­зич. ха­рак­те­ри­стик са­мой кон­ст­рук­ции, глав­ная из ко­то­рых – ком­плекс­ное аку­стич. со­про­тив­ле­ние (см. Им­пе­данс аку­сти­че­ский). Уве­ли­че­ние зву­ко­по­гло­ще­ния на низ­ких час­то­тах до­с­ти­га­ет­ся утол­щени­ем кон­ст­рук­ции или уст­рой­ст­вом возд. про­слой­ки ме­ж­ду кон­ст­рук­ци­ей и ог­ра­ж­де­ни­ем. Для обес­пе­че­ния поч­ти пол­но­го по­гло­ще­ния зву­ка при­ме­ня­ют­ся зву­ко­по­гло­щаю­щие об­ли­цов­ки в ви­де клинь­ев из зву­ко­по­гло­щаю­ще­го ма­те­риа­ла, ус­та­нав­ли­вае­мых пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти ог­ра­ж­де­ния.

Штуч­ные зву­ко­по­гло­ти­те­ли обыч­но слу­жат для сни­же­ния шу­ма от тех­но­ло­гич. обо­ру­до­ва­ния в про­из­вод­ст­вен­ных зда­ни­ях; пред­став­ля­ют со­бой кон­ст­рук­ции в ви­де отд. щи­тов, ко­ну­сов, призм и т. п., ук­ре­п­ляе­мых (под­ве­ши­вае­мых) в по­ме­ще­ни­ях в не­по­сред­ст­вен­ной бли­зо­сти от ис­точ­ни­ков шу­ма. Эф­фек­тив­ность штуч­ных зву­ко­по­гло­ти­те­лей ха­рак­те­ри­зу­ет­ся зна­че­ни­ем об­ще­го зву­ко­по­гло­ще­ния на 1 штуч­ный зву­ко­по­гло­ти­тель. Бла­го­да­ря ди­фрак­ции волн штуч­ные зву­ко­по­гло­ти­те­ли име­ют боль­ший, чем зву­ко­по­гло­щаю­щие об­ли­цов­ки, ко­эф. зву­ко­по­гло­ще­ния. Стен­ки зву­ко­по­гло­ти­те­лей обыч­но вы­пол­ня­ют из слоя по­рис­то­го во­лок­ни­сто­го ма­те­риа­ла и за­щит­но­го слоя в ви­де пер­фо­ри­ров. твёр­до­го тон­ко­го лис­та.

Эле­мен­ты аб­сорб­ци­он­ных глу­ши­те­лей шу­ма (ча­ще все­го пла­сти­ны или ци­лин­д­ры) сни­жа­ют шу­мы при рас­про­стра­не­нии по­то­ка воз­ду­ха или га­за; они ус­та­нав­ли­ва­ют­ся пре­им. в воз­ду­хо­во­дах аэ­ро­га­зо­ди­на­мич. ус­та­но­вок. Пла­сти­ны мо­гут со­сто­ять из од­но­род­ных по­рис­тых зву­ко­по­гло­щаю­щих ма­те­риа­лов или слоя по­рис­то­го во­лок­ни­сто­го ма­те­риа­ла и за­щит­но­го слоя из пер­фо­ри­ров. твёр­до­го лис­та (обыч­но ме­тал­ла). Эф­фек­тив­ность глу­ши­те­лей шу­ма оце­ни­ва­ет­ся за­ту­ха­ни­ем зву­ка в де­ци­бе­лах (дБ) на 1 м дли­ны глу­ши­те­ля и за­ви­сит от тол­щи­ны пла­стин (диа­мет­ра ци­лин­д­ров), их ко­эф. зву­ко­по­гло­ще­ния и рас­стоя­ния ме­ж­ду эле­мен­та­ми.

8.1.1 Резонансные звукопоглотители — Физические основы строительной акустики

Одним из наиболее
перспективных видов звукопоглощающих конструкций являются конструкции
резонансного типа или резонансные звукопоглотители (РЗП).
Такие поглотители просты в изготовлении, экономичны и, что самое важное, могут
обеспечить хорошее звукопоглощение на средних и низких частотах, где обычные
поглотители из пористых материалов малоэффективны. Кроме того, существует хорошо
разработанная и сравнительно несложная методика расчета их акустических
характеристик. В данном разделе рассматриваются следующие
вопросы:

— конструкция простейшего РЗП,

— физические процессы, происходящие в РЗП под действием
звуковой волны,

— механизм поглощения
энергии звуковых колебаний,

— метод расчета акустического импеданса и коэффициента
звукопоглощения (КЗП),

— влияние основных параметров РЗП на резонансную частоту
и КЗП,

— возможности усовершенствования конструкции РЗП
(зональные РЗП, РЗП с дифракционным экраном),

— области возможного применения РЗП.

Основные характеристики резонансных звукопоглотителей
и методы их расчета

Простейший резонансный
звукопоглотитель представляет собой панель, перфорированную отверстиями,
расположенную на некотором расстоянии от жёсткой стенки. Пространство за панелью
может быть разделено перегородками на отдельные отсеки (см. рисунок).  Впервые поглотитель такого типа был
предложен советским акустиком С.Н. Ржевкиным еще в 1938
году.

Рассматриваемая
конструкция представляет собой колебательную систему, в которой роль упругого
элемента играет воздух, заполняющий пространство за панелью, а в качестве
инерционного элемента выступают воздушные пробки, заполняющие отверстия панели.
При приближении частоты звуковой волны, падающей на лицевую поверхность
звукопоглотителя, к собственной частоте резонатора скорость движения воздуха в
отверстиях панели резко возрастает. При этом увеличиваются потери звуковой
энергии, обусловленные действием сил вязкого трения.

                  
Резонансный звукопоглотитель

 Акустические свойства РЗП характеризуются входным
импедансом Z и коэффициентом
звукопоглощения a. Входной импеданс
поверхности звукопоглотителя равен, по определению, отношению звукового давления
к нормальной составляющей колебательной скорости и, в общем случае, является
комплексной величиной:

Обычно используют так
называемый безразмерный или нормированный импеданс:

                                    ,

где r₀с
–волновое сопротивление среды. Для
воздуха при нормальных условиях r₀с = 420
кг/(м²×с) (ρ₀ = 1,27 кг/м³, с = 330 м/с).

Коэффициент звукопоглощения РЗП равен:

Для получения
максимального коэффициента поглощения (a = 1) необходимо, чтобы входной импеданс
поверхности звукопоглотителя был согласован с волновым сопротивлением среды. В
случае нормального падения плоской звуковой волны на поверхность поглотителя
условие согласования имеет вид:

                                 
R₁ = 1,        
Y₁ = 0.

 С физической точки зрения рассмотрение процесса
отражения звуковых волн от РЗП сводится к решению задачи о дифракции звука на
периодической неоднородной поверхности (лицевой панели РЗП) с учётом вынужденных
колебаний слабо диссипативной среды (воздуха) в объёме поглотителя (за
панелью).Значение действительной (активной)
составляющей импеданса R₁
определяется диссипацией энергии звуковой волны в поглотителе, однако механизмы
диссипации могут быть различными.Если
считать, что основные потери энергии связаны с действием вязкости и
теплопроводности при движении воздуха в отверстиях панели, то для расчёта
импеданса отверстия можно использовать формулу Крендалла для импеданса трубы:

Если считать, что основные потери энергии связаны с
действием вязкости и теплопроводности при движении воздуха в отверстиях панели,
то для расчёта импеданса отверстия можно использовать
формулу Крендалла для импеданса трубы:

где  –
волновое число вязкой волны,  m=2×10^-5 Па×с – коэффициент вязкости воздуха (если материал панели
обладает высокой теплопроводностью, то следует использовать увеличенное значение
коэффициента вязкости m′= 2m),  w=2pf — циклическая частота колебаний в
звуковой волне, r₀ –
радиус
отверстия,  t –
толщина панели, 2d — концевые поправки, учитывающие
дифракционные эффекты.

При k_вr₀ >> 1 формула переходит в формулу
Гельмгольца:

Используя эту формулу, получаем для безразмерного
удельного активного импеданса РЗП выражение

где h — коэффициент перфорации лицевой
панели, равный отношению площади отверстия S_o = pd²/4 к площади
квадратной ячейки, приходящейся на одно
отверстие, S = a².

Для расчета концевой правки при r_o/ 
≤ 0,2 используется формула:

где d = 2r_o —
диаметр отверстия.

Из полученного выражения видно,
что R₁ растет при
увеличении толщины панели и уменьшении отверстий.

Мнимая (реактивная) составляющая
импеданса Y₁ определяется
упругостью воздуха в объеме РЗП и инерционностью воздуха, колеблющегося в
окрестности отверстий перфорированной панели:

где l –
глубина полости РЗП (расстояние от внутренней поверхности панели до жесткой
стенки).

При резонансе
(f = f _рез) Y₁ = 0
и коэффициент звукопоглощения (КЗП) системы α достигает максимального
значения.

Для определения резонансной
частоты f_рез следует решить
уравнение:

В
общем случае это уравнение требует численного решения, однако при условии,
что длина звуковой
волны l >> l (или 2pfl/c << 1),
можно считать

Таким образом:

    и

Из полученной формулы видно, что резонансная частота
снижается при увеличении глубины полости
поглотителя l.

Для построения частотной зависимости коэффициента
звукопоглощения РЗП следует определить его резонансную частоту и найти
значения R₁, Y₁  и α
при f  = f_рез, а затем
рассчитать R₁, Y₁и
α для 10-15 значений частоты из интервала

.

Типичный вид зависимости α(f) приведен на
рисунке:

Кривая звукопоглощения резонансного
звукопоглотителя

Использование РЗП для снижения уровня
шума

Как следует из изложенного выше, основной областью
использования РЗП является глушение так называемого тонального шума. Варьируя
геометрические параметры РЗП, можно добиться того, чтобы резонансная частота
поглотителя совпадала с основной частотой звука, падающего на его поверхность.
При этом достигается высокие значения КЗП и, следовательно, значительное
снижение уровня звука при отражении от поверхности РЗП.

Одним из основных недостатков классической конструкции
РЗП является невозможность его использования для глушения широкополосного
шума.

С целью преодоления данного недостатка С.Н. Ржевкиным была предложена многослойная
конструкция РЗП, представляющая собой несколько последовательно соединенных
резонансных ячеек с различными геометрическими параметрами. Как показали
дальнейшие исследования, многослойные РЗП характеризуются более широкой
частотной характеристикой.

В качестве еще одной меры расширения кривой поглощения
РЗП было предложено вместо каждого из отверстий в панели размещать группу
симметричного расположения отверстий малого диаметра (зону). Такой
звукопоглотитель получил название зонального РЗП (см. рисунок).

  Вид лицевой панели зонального
РЗП

Движение воздуха в отверстиях малого диаметра приводит к
увеличению диссипативных потерь и, следовательно, к расширению кривой
поглощения. Кроме того, изменение размеров зоны и отдельных отверстий дает
возможность варьировать акустические характеристики
поглотителя.

Еще одна конструкция с расширенной областью
звукопоглощения – это так называемый звукопоглотитель со складчатым
заполнителем. В таком РЗП за лицевой панелью размещается складчатая конструкция,
которая представляет собой ряд зигзагов, чередующихся впадинами и вершинами,
получаемая путем сгибания относительно тонкого листового материала по
определенной технологии, с разработанной математической моделью связей
геометрических параметров. Фактически при этом по определенному закону меняется
глубина полости резонаторов, что приводит к эффективному поглощению звука в
более широкой полосе частот.

Основная трудность создания звукопоглотителей для
низкочастотного диапазона связана с крайне малым затуханием низкочастотного
звука как в воздухе, так и в традиционных поглощающих материалах. Поэтому
обычные низкочастотные поглотители весьма громоздки, в то время как РЗП
позволяют получить сильное звукопоглощение при сравнительно малом объеме
конструкций, хотя и в более узком частотном диапазоне.

Для снижения резонансной частоты поглотителя без
чрезмерного увеличения глубины
полости l необходимо увеличить
положительную часть реактивной составляющей
импеданса Y₁, связанную с колебаниями
воздуха в окрестности панели. Такая возможность реализуется в РЗП с
дифракционным экраном. Дифракционный экран представляет собой круглую пластину
радиусаR (R > r_o), закрепленную на некотором
расстоянии l_о за отверстием
параллельно плоскости лицевой панели РЗП (см. рисунок).
Изменение l_о сильно
влияет на
величину Y₁ вследствие
процессов дифракции. Кроме того, дополнительные вязкие потери, возникающие при
движении воздуха в зазоре между лицевой панелью и экраном, приводят к увеличению
активной составляющей
импеданса R₁.

 В развитие этой же идеи был предложен
еще один тип РЗП, в котором дифракционный экран располагается за зоной
симметрично расположенных малых отверстий (зональный звукопоглотитель с
дифракционным экраном).

Расчеты и экспериментальные данные показывают, что РЗП с
дифракционным экраном является на данный момент наиболее перспективным средством
пассивного глушения низкочастотных и инфразвуковых шумов.

РЗП с дифракционным
экраном

Важной проблемой разработки РЗП для низкочастотного
диапазона является учет всех механизмов диссипации энергии звуковых колебаний.
Кроме поглощения энергии, связанного с вязкими и тепловыми потерями при движении
воздуха в отверстиях панели и в зазоре между панелью и дифракционным экраном, о
которых говорилось выше, в РЗП определенную роль играют еще два механизма
диссипации.

Один из них связан с влиянием вязкости и
теплопроводности воздуха, колеблющегося в полости РЗП. Как показывают расчеты,
на низких частотах это влияние может быть существенным.

Другой механизм, связанный с нелинейными процессами в
РЗП, также играет существенную роль на низких частотах и может привести к
заметному увеличению диссипативных потерь энергии звуковой волны и увеличению
коэффициента звукопоглощения.

В настоящее время резонансные звукопоглотители различных
модификаций широко используются для снижения уровня шума авиационных и ракетных
двигателей, а также в строительной акустике.

                     
    Презентация к разделу 8

 < Предыдущая                     Оглавление                      Следующая
>

Выбор и использование пористых поглотителей

Большая реверберационная камера в Университете Солфорда с подготовленной для испытаний панелью EQ Acoustics ColourPanel 60. Фото: Тревор Кокс

Выбор материалов для акустической обработки имеет первостепенное значение. Мы выясняем, чего могут и чего не могут достичь разные типы поглотителей.

Чтобы добиться великолепного звучания в студии, часто используют поглощающую пену и минеральную вату, чтобы уменьшить окраску, которая в противном случае создавалась бы в комнате. Как в контрольных, так и в живых комнатах эти пористые абсорбенты можно использовать для уменьшения чрезмерной реверберации и ослабления отражений, которые в противном случае изменили бы тембр звука на средних и высоких частотах. Но насколько хорошо они работают? Как их следует применять? И предлагают ли бытовые материалы, такие как одеяла, эффективную альтернативу, или это городской миф? Sound On Sound собрал девять сэмплов и отправился в Акустические лаборатории Солфордского университета, чтобы выяснить это.

Пористые абсорбенты могут быть изготовлены из различных материалов. Изделия, предназначенные для этой цели, часто изготавливаются из обернутого тканью стекловолокна или акустической пены, но есть и мягкая мебель, которая «случайно» создает поглощение, например, шторы и ковры. На рис. 1 показано, как поглощение зависит от частоты для всех продуктов, протестированных в Солфорде. Абсорбция количественно определяется коэффициентом абсорбции в соответствии с международным стандартом (более подробную информацию см. во вставке «Предупреждение о покупателях»). Коэффициент поглощения 0 указывает на то, что звук не поглощается, а коэффициент 1 означает, что вся звуковая энергия удаляется. Рисунок 1: График зависимости коэффициента поглощения от частоты для всех протестированных продуктов.

В левой части графика измеряется поглощение на частоте 100 Гц — в музыкальных терминах нота G2 ближе к нижней части диапазона виолончели — и ясно, что ни один из продуктов не дает значительного поглощения в этой области. В общем, пористые поглотители не годятся для обработки басовых эффектов, таких как звон резонансов в помещении. Когда акустику помещения необходимо контролировать на низких частотах, это лучше всего сделать с помощью резонансного поглощения с использованием такого устройства, как мембранный поглотитель (см. наше руководство по проектированию диспетчерской за февраль 2015 г.). Хотя вы можете купить поролоновые «басовые поглотители», мысль о том, что размещение их в углах комнаты является наиболее эффективным и действенным способом контроля баса, противоречит физике.

Как показано на Рисунке 1, для пористого поглощения общая тенденция состоит в том, что поглощение увеличивается с частотой, а затем выравнивается где-то вблизи 1. Любопытной особенностью измеренных коэффициентов поглощения является то, что они могут превышать 1. Это странно, потому что коэффициент поглощения определяется как отношение поглощенной энергии к падающей, а это означает, что коэффициент больше 1 подразумевает обработку, которая каким-то образом поглощает больше звуковой энергии, чем падает на него. Это происходит из-за известного недостатка стандарта измерения. За десятилетия инженеры-акустики привыкли читать эти диаграммы с, казалось бы, невозможными цифрами!

Что говорят эти результаты о том, что делает пористый абсорбент хорошим?

Более мелкие устройства, как правило, находятся внизу графика, а более глубокие — вверху, поэтому более мелкие элементы поглощают меньше энергии. Возьмем в качестве примера коэффициент поглощения при частоте 500 Гц. На рис. 2 показан этот коэффициент поглощения средних частот в зависимости от средней глубины испытанных обработок, измеренной с помощью линейки. Большая глубина означает большее поглощение до тех пор, пока не будет достигнута глубина 5 см, после чего более глубокая обработка не приведет к улучшению характеристик. Рисунок 2: Коэффициент поглощения при 500 Гц в зависимости от средней глубины для протестированных продуктов.

Эффективность многих пористых поглотителей можно объяснить, сравнив размер звуковой волны с глубиной обработки. Размер волны количественно определяется с помощью длины волны, которая представляет собой расстояние между соседними гребнями волны. Длина волны сильно зависит от частоты: при 50 Гц длина волны составляет 6,8 м, при 500 Гц — 0,68 м, а при 5000 Гц — 0,068 мм. Простое эмпирическое правило заключается в том, что для того, чтобы пористый поглотитель был эффективным, он должен иметь толщину не менее одной десятой длины волны. При частоте 500 Гц это соответствует глубине 6,8 см, что примерно соответствует 5 см на рисунке 2. Очень большие длины волн низкочастотных звуков являются причиной того, что голая акустическая пена неэффективно поглощает басы, если только материал не очень толстый. . Например, для звука частотой 52 Гц требуется слой пористого абсорбента толщиной 65 см, чтобы обеспечить поглощение — и это должно покрывать большую площадь поверхности, а не только несколько кусков в углах комнаты.

Изделия, протестированные в Солфордском университете, имели множество различных форм: клиновидные, плоские и волнистые. Просто взглянув на плоские образцы, эффект глубины абсорбента становится более очевидным, как показано на Рисунке 3. Уайли и сыновья, 1998). По мере того, как пена становится глубже, самый большой эффект заключается в том, чтобы увеличить полосу полезного поглощения до более низкой частоты. Пена толщиной 13 мм эффективна примерно от 2000 Гц; удвоить глубину до 25 мм и получить дополнительную октаву высокого поглощения, с хорошей производительностью теперь от 1000 Гц и выше.

Кривые поглощения на Рисунке 1 делятся на два типа: (1) грубая прямая линия, постоянно возрастающая во всем измеренном частотном диапазоне, и (2) характеристика, которая сначала растет, а затем сглаживается на частоте 500 Гц и выше. Последняя форма, которая немного похожа на характеристику фильтра верхних частот, наиболее удобна для акустической обработки помещения. Одним из способов использования поглощения является уменьшение реверберации. В большинстве комнат обычно наблюдается некоторое поглощение на высоких частотах из-за ковров и занавесок, а дополнительная обработка больше всего необходима на низких и средних частотах. Следовательно, наилучший отклик для пористого абсорбента подобен фильтру верхних частот, при этом задача состоит в том, чтобы получить полезный диапазон, начиная с как можно более низкой частоты. Еще одним применением пористого абсорбента является ослабление специфических отражений от стен, потолка и пола комнаты. Здесь необходим как можно более широкий частотный диапазон, чтобы убрать все части отражения. Более тонкие материалы могут быть использованы для устранения специфических высокочастотных дефектов, таких как флаттер-эхо, но в остальном лучше использовать более глубокий поглотитель.

Однако для более тонких продуктов не все потеряно, поскольку их производительность можно значительно улучшить, добавив в них немного воздуха. Когда кусок акустической пены или стекловолокна размещается на стене, большая часть поглощения осуществляется частью материала, которая находится дальше всего от стены (см. вставку «Как они работают»). Следовательно, для получения лучших характеристик не обязательно требуется делать материал толще: установка его вдали от стены может быть столь же эффективной. сзади (данные CM Harris (ed.), Handbook Of Noise Control, 2nd ed. McGraw-Hill, 1991). На рис. 4 показан коэффициент поглощения для двух образцов стекловолокна. Поглощение, обеспечиваемое образцом толщиной 51 мм, идентично поглощению, обеспечиваемому образцом вдвое меньшей толщины, но расположенным на расстоянии 25 мм от стены. Единственная проблема с этим решением заключается в том, что не всегда легко установить абсорбенты вдали от стены. Иногда проще просто купить более толстый материал для удобства крепления.

Единственным продуктом в наших тестах, который явно использует идею удаления абсорбента со стены, был Profoam. Он имеет волнообразный рисунок, который естественным образом создает воздушный зазор позади части материала. Это заставляет его работать немного лучше, чем клинья, которые имели аналогичную глубину, но все еще недостаточно абсорбента достаточно далеко от стены, чтобы создать достаточное поглощение средних частот.

Необходимость удаления пористого поглощения со стен также влияет на то, как следует подвешивать шторы, если они будут использоваться для акустической обработки. На рис. 5 показаны коэффициенты поглощения для двух разных подвесок занавески. Так как штора подвешена с более глубокими складками, большая часть материала находится дальше от стены, и, следовательно, достигается большее поглощение. (по материалам TJ Cox и P D’Antonio, Acoustic Absorbers & Diffusers, CRC Press, 2009 г.).

Рисунок 1 показывает, что из протестированных нами материалов два образца минеральной ваты работают одинаково и сравнимы с Block100, наиболее эффективным из образцов акустической пены. Однако пена Block100 почти в два раза толще двух образцов минеральной ваты. Это показывает, что для изготовления эффективных пористых абсорбентов можно использовать различные материалы. Этого следовало ожидать, потому что значение имеет размер, форма и извилистая связь между воздушными порами, а не материал матрицы. Я слышал, по крайней мере, от одного человека, что меламиновая пена по своей сути лучше, чем полиуретан. С точки зрения акустических характеристик, единственной протестированной меламиновой пеной была Profoam, которая не показала дополнительного поглощения по сравнению с образцами из полиуретана. Если они спроектированы правильно, все эти материалы могут поглощать звук.

Одно из различий между образцами из стекловолокна и пенопласта, которое теряется в стандартном результате измерения, заключается в эффекте краев образцов. Два варианта обработки минеральной ватой имели жесткие рамки по краям, одна из которых была сделана из дерева, а другая из пластика, в то время как у образцов пенопласта абсорбент был открыт по краям. Это означает, что если образцы пены используются в студии с открытыми краями, вы получите немного большее поглощение, чем показано на рисунке 1. Это зависит от толщины образцов, но для площади 10–12 кв. образцов, которые мы тестировали, оставление открытых краев может увеличить поглощение от 3 до 10 процентов. По этой причине размещение пенопластовых плиток с промежутками между ними может увеличить поглощение. Но если зазоры слишком большие, есть риск получить сильное отражение от открытой стены.

Другое различие между материалами заключается в том, что минеральная вата нуждается в покрытии для защиты от повреждений. Если это сделать с помощью тонкой ткани, которая легко пропускает звуковые волны в абсорбент, то разница в характеристиках будет незначительной, как показано на рис. 6. снижает производительность на высоких частотах (согласно TJ Cox и P D’Antonio, Acoustic Absorbers & Diffusers, CRC Press, 2009). Тканевое покрытие, как правило, обеспечивает небольшое усиление поглощения низких частот, но за счет снижения производительности на высоких частотах. Для многих приложений это хороший компромисс, потому что сложно добиться поглощения средних частот. Пена не нуждается в покрытии, но важно, чтобы она соответствовала требованиям пожарной безопасности.

Акустическая пена бывает разных форм. Некоторые компании, кажется, предпочитают пену, повторяющую форму картонных коробок для яиц, другие копируют форму акустических диффузоров, а два образца, протестированные в Солфорде, были сделаны из клиньев. Результаты на рис. 1 показывают, что формирование клиньев из пеноматериала ухудшает акустические характеристики. Что необходимо, так это получить как можно больше пористого абсорбента как можно дальше от стены. По этой причине я подозреваю, что образцы с клиньями будут лучше работать, если их плоская сторона будет обращена к комнате, хотя прикрепить клинья к стене будет сложно! Auralex производит большое количество обработок различной формы из одной и той же акустической пены. Изучая их таблицу опубликованных коэффициентов поглощения для образцов глубиной 50 мм, бросается в глаза одна вещь: все профилированные формы работают хуже, чем простая плоская плитка толщиной 50 мм.

Можно ли использовать мягкую мебель для оформления комнаты и сэкономить деньги на дорогостоящих акустических обработках? Как показано на рис. 5, шторы могут обеспечить некоторое звукопоглощение, но протестированные нами акустические методы показали лучшие результаты. Чтобы шторы лучше поглощали влагу, они должны быть толстыми и тяжелыми. Специальные акустические шторы могут быть изготовлены из шерстяной саржи или бархатного велюра и весят около 0,5 кг на квадратный метр. Пары тонких портьер из вашего местного магазина товаров для дома будет недостаточно. Однако одним из преимуществ штор по сравнению с обработкой, протестированной Салфордом, является то, что их можно отодвинуть, чтобы изменить акустику, что полезно в живых комнатах.

Несмотря на то, что в последние несколько десятилетий твердые напольные покрытия стали очень популярными, использование ковра в студии обеспечит полезное поглощение и уменьшит шум от ходьбы людей и перемещения стульев. Будучи пористым абсорбентом, ковер производит поглощение средних и высоких частот. Чтобы максимизировать поглощение, ковер должен иметь открытую изнанку с подложкой с открытыми ячейками. Поглощение сильно зависит от типа ковра и способа его изготовления. Рисунок 7Рисунок 7: Впитывающая способность ковров сильно различается. На графике показаны наименее и наиболее поглощающие ковры из таблиц в учебниках по акустической инженерии (по TJ Cox и P D’Antonio, Acoustic Absorbers & Diffusers, CRC Press, 2009).). дает представление о лучших и худших коврах по данным различных учебников. Ориентируясь на одну частоту, например 1000 Гц, коэффициент поглощения может варьироваться от 0,1 до 0,8 для разных ковров. При выборе ковра нельзя полагаться на данные из книг: необходимы данные измерений для конкретного продукта, который вы хотите купить.

Старое убеждение, которое отказывается умирать, заключается в том, что ящики для яиц являются хорошими звукопоглощающими материалами, что, возможно, происходит из-за их визуального сходства с некоторыми видами законной акустической обработки. Как показано на рис. 8, они могут обеспечить некоторое поглощение, но оно очень неравномерно по частотному диапазону, с резонансным пиком около 700 Гц. хороший выбор для студий (данные с www.acousticsfirst.com/docs/egg.pdf). Предположительно, это вызвано тем, что картон ящиков резонирует, используя в качестве пружины захваченный воздух за каждой выпуклостью. Чтобы получить более ровный отклик, потребуются коробки разных размеров — возможно, с использованием ящиков, предназначенных как для кур, так и для страусиных яиц…

Лучшее самодельное решение — использовать старые пуховые одеяла. Те, что мы тестировали, были позаимствованы у коллег из Солфордского университета и имели смешанные значения tog. Как показано на Рисунке 1, старые испытанные пуховые одеяла имели такие же характеристики, как и два образца плоской акустической пены аналогичной толщины. Пены работали лучше при частоте 500 Гц и выше, но при этом они значительно дороже.

Как инженер-акустик может использовать результаты испытаний продукта для выбора подходящего поглотителя? Возьмем в качестве примера обработку небольшой диспетчерской шириной 4 м, длиной 4,5 м и высотой 2,5 м. Величина поглощения должна быть выбрана таким образом, чтобы помещение не было слишком «мертвым» или слишком «живым»: выражаясь более научным языком, оно должно иметь правильное время реверберации. Время реверберации измеряет, сколько времени требуется звуку, чтобы затухнуть на 60 дБ. Обычно ожидается, что хорошо обработанная диспетчерская будет иметь время реверберации примерно от 0,2 до 0,3 секунды в полосе частот, в которой эффективны пористые поглотители. Рисунок 9показывает расчет времени реверберации в контрольной комнате примера с различной степенью обработки. Целевой диапазон времени реверберации заштрихован желтым.

Предполагается, что используется ковер. Если необходимо купить напольное покрытие, покупка ковра и подложки, обеспечивающих некоторое впитывание, сэкономит деньги на других впитывающих материалах. Единственный способ быть уверенным, что ковер, который вы покупаете, будет эффективным, — это найти производителя, который публикует коэффициенты поглощения. Небольшое поглощение от 10 квадратных метров диффузоров в помещении также учитывается в расчетах с использованием коэффициентов поглощения, опубликованных производителем.

Когда в комнате есть только ковер и диффузоры, реверберация намного превышает целевой диапазон, как показывает оранжевая линия на графике. Какую пористую абсорбирующую обработку следует использовать, чтобы исправить это? Комната лишь немного превышает заданный частотный диапазон на самой высокой частоте, поэтому приклеивать к стене любую из трех самых тонких обработок в наших тестах — Profoam, AFW305 и Mercury Wedge 600 — было бы не лучшим выбором. Если бы в комнате было добавлено достаточное количество этих обработок, чтобы достичь целевого значения на средних частотах, таких как 500 Гц, то время реверберации было бы ниже целевого на более высоких частотах, и комната, вероятно, звучала бы слишком сухо на высоких частотах. Для этого есть решения, такие как удаление более тонкой пены от стены, но более простой подход — выбрать образец, который создает более плоскую частотную характеристику выше 500 Гц и может быть прикреплен прямо к стене.

Можно использовать любой из других протестированных образцов, и на этом этапе, возможно, стоит рассмотреть стоимость, внешний вид и надежность различных видов обработки. Если рассматривать и другие товары в каталогах производителей, то выбор цветов, отделки и форм приводит в замешательство. Я всегда ориентировался на коэффициенты поглощения, но тестирование выявило несколько простых практических правил. Выбор более глубокого продукта увеличивает полосу поглощения до более низкой частоты, и хотя формирование пористого абсорбента может улучшить внешний вид, если это изменение удаляет пену из части абсорбера, наиболее удаленной от стены, это может привести к снижению производительности.

Предположим, что обработка минеральной ватой с наибольшим поглощением на квадратный метр используется для дальнейшего развития нашего гипотетического проекта диспетчерской. Добавление 18 квадратных метров этого поглотителя приводит время реверберации в соответствие с целевыми критериями для 400 Гц и выше. Это означает, что 30 процентов поверхностей стен и потолка будут покрыты минераловатным абсорбентом. Обычно это распределяется по стенам и потолку, где звук сначала отражается при переходе от громкоговорителя к точке наилучшего восприятия (еще раз, см. Руководство по дизайну диспетчерской за февраль). Это связано с тем, что пористое поглощение должно как контролировать реверберацию, так и уменьшать окраску, вызванную ранними отражениями.

Ни одна из протестированных обработок не может обеспечить время реверберации в проектных пределах ниже 400 Гц. Для этого нужен поглотитель низких частот. Многие компании продают пенопластовые блоки для «обработки» низких частот, но лучшим партнером поглотителя из минеральной ваты является мембранная конструкция, которая может обеспечить поглощение басов без значительного затухания высоких частот. Можно провести аналогию с двухполосным громкоговорителем: резонансный поглотитель — это «басовик», обрабатывающий низкие частоты, а пористый поглотитель — «твитер», обрабатывающий высокие частоты. Например, в дизайн было добавлено 11 квадратных метров коммерческого продукта, чтобы получить окончательную кривую, показанную зеленым цветом.

Тревор Кокс — профессор акустической инженерии Солфордского университета в Великобритании и автор книги Sonic Wonderland (ISBN 9781847922106).

Ряд производителей и дистрибьюторов любезно предоставили нам образцы своей продукции для тестирования. Следует отметить, что в большинстве случаев эти компании предлагают ряд продуктов, поэтому, например, у вас часто будет возможность купить более толстую панель, чем протестированная, если это необходимо. Цены значительно различаются в зависимости от материала, толщины и конструкции: самый дешевый протестированный продукт продается в Великобритании по цене 18 фунтов стерлингов за квадратный метр, а самый дорогой — более 60 фунтов стерлингов.

Profoam от RPG Europe

Меламиновая пена образует волнистую форму, которая изобретательно отодвигает часть абсорбента от стены, создавая дополнительное поглощение. Однако даже при этом поглощение на средних частотах слишком низкое, и поэтому требуется большее расстояние от стены или использование нескольких слоев, уложенных друг на друга. График поглощения на веб-сайте производителя не соответствовал нашим измерениям, потому что продукт, протестированный в Солфордском университете, был изготовлен из другого типа пены.

www.rpgeurope.com

ColourPanel 60 Acoustic Foam Tile от EQ Acoustics

Звукопоглощающая пена толщиной 50 мм со скошенными краями и изящной нейлоновой тканью спереди для улучшения внешнего вида. Потребовалось немало усилий, чтобы найти коэффициенты поглощения на веб-сайте компании, но когда мы нашли, было приятно увидеть близкое совпадение с результатами, которые мы получили. Auralex Sonoflat 22 показал себя немного лучше в диапазоне частот от 250 до 400 Гц.

www.eqacoustics.com

AFW305 от Pro Acoustic

Акустическая пена из полиуретана, производимая в Великобритании компанией Comfortex Acoustics в Олдеме. Коэффициенты поглощения было легко найти на веб-странице продукта, и они соответствовали измерениям, проведенным в Солфордском университете. Образец не очень глубокий, и добавление клиньев означает, что не так много абсорбента находится дальше всего от стены. Чтобы получить хорошую производительность, вам нужно отодвинуть этот образец от стены или вместо этого купить один из более глубоких продуктов компании (см. Ниже).

www.acoustic-foam.co.uk

Block100 от Pro Acoustic

Самый толстый измеренный образец, почти в два раза толще любого другого, и это одна из причин, по которой он входит в тройку лучших протестированных продуктов. Пенополиуретан с данными о коэффициенте звукопоглощения легко найти в сети. Форма профиля разделяет панель, поэтому обработанная стена не превращается в блок серой пены.

www.acoustic-foam.co.uk

Поглотитель RPG

Изготовлен из минеральной ваты с пластиковой окантовкой и обернут тканью в различных вариантах отделки. Акустические данные для этого 50-миллиметрового образца было легко найти в Интернете, и они соответствовали измерениям Солфорда. Это было немного лучше, чем у других поглотителей из минеральной ваты, испытанных в диапазоне от 160 до 315 Гц.

www.rpgeurope.com

Universal Acoustics Mercury Wedge 600

Вспененный полиэстер с лучшими характеристиками в диапазоне частот от 500 до 1600 Гц, чем AFW305 аналогичной формы. Однако в большинстве ситуаций для обеспечения хорошей производительности потребуется расстояние от стены. К сожалению, веб-сайт дает только одно значение NRC в качестве меры производительности, а не полный коэффициент поглощения.

www.universal-acoustics.com

Auralex Sonoflat 22

Не содержит меламина. Пену можно приобрести в самых разных формах, но собственные данные Auralex показывают, что простая плоская конструкция имеет наилучшие акустические характеристики для глубины 50 мм.

www.dolphinmusic.co.uk

www.auralex.com

Панели Spot от GIK Acoustics

Панель Spot изготовлена ​​из массивного деревянного каркаса с волокнистым материалом посередине и обернута тканью. Они были одними из лучших протестированных поглотителей, хотя у RPG Absorbor был небольшой перевес в диапазоне от 160 до 315 Гц.

gikacoustics.co.uk

При покупке акустического поглотителя продавец должен предоставить данные о коэффициенте звукопоглощения, измеренном в соответствии с международным стандартом ISO 354:2003 (или американским эквивалентом ASTM C423). Измерения проводятся в большой реверберационной камере — той, что в Солфордском университете, площадью 220 квадратных метров, с живой акустикой, как в большой церкви. Когда в эту комнату вносят поглощающий материал, он заглушает звук. Стандарт измерения использует это изменение акустики помещения для количественного определения абсорбента через время реверберации. Чрезвычайно громкий шум врывается в комнату, а затем внезапно отключается. Время реверберации — это время, за которое звук затухает на 60 дБ. Время реверберации измеряется при пустой комнате, а затем при наличии 10–12 квадратных метров абсорбента. Коэффициент поглощения рассчитывается по изменению времени реверберации.

Самые надежные данные поступают из независимой аккредитованной лаборатории, такой как Солфордский университет. Даже если вы не совсем понимаете, что измеряется, наличие сертификата испытаний, по крайней мере, дает некоторую уверенность в том, что фирма, продающая звукопоглощение, не просто придумывает цифры. Солфордский университет проводит испытания звукопоглощения с 1965 года и в течение многих лет имеет аккредитацию UKAS (Служба аккредитации Соединенного Королевства) для проведения испытаний по стандарту ISO 354. Это означает, что UKAS проводит регулярные проверки, чтобы убедиться, что в акустических лабораториях действуют правильные процедуры обеспечения качества для обеспечения точных измерений.

Одной из проблем с ISO 354 является расхождение результатов между разными лабораториями. Значения коэффициента поглощения для одного и того же образца могут различаться до 0,2 в разных лабораториях. Что делает этот тест Sound On Sound необычным, так это то, что все разные образцы были измерены в одной и той же реверберационной камере, что делает результаты напрямую сопоставимыми. Коэффициенты абсорбции выше 1 не являются чем-то необычным для пористых абсорбентов. Это происходит потому, что помещение большой площади абсорбента в реверберационную камеру изменяет характер распространения звука по комнате. Хотя этот метод существует уже более пяти десятилетий, никто еще не придумал решения этой проблемы, которое удовлетворило бы всех.

Я бы покупал акустическую обработку только у фирм, которые предоставляют данные о коэффициенте поглощения. На одном сайте, на который я смотрел, есть график «относительного поглощения», что бы это ни было, и просто глядя на график, становится ясно, что это не измерения реверберационной камеры. Еще одна вещь, которую я опасаюсь, это компании, которые просто дают однозначные значения, такие как NRC (коэффициент снижения шума). Это среднее значение для диапазона частот от 250 до 2000 Гц. Что вам нужно знать для пористого абсорбента, так это частоту на графике, при которой абсорбция выравнивается. И последнее предупреждение: многие сайты хвастаются тестированием своей продукции на соответствие международному стандарту, но во многих случаях указанный стандарт относится к огнестойкости, а не к акустическим характеристикам. Обратите внимание на ISO 354:2003 или ASTM C423, так как это акустические стандарты.

Пористые поглотители обычно удаляют звуковую энергию аналогичным образом. Большая часть поглощения происходит из-за того, как звуковые волны протискиваются через лабиринт крошечных взаимосвязанных пор внутри материала. Когда звук проходит через поры, он заставляет молекулы воздуха тянуться по внутренним поверхностям материала. Воздух — это вязкая жидкость, немного похожая на патоку, только гораздо менее вязкая! Требуется усилие, чтобы протащить молекулы воздуха по внутренним поверхностям, и это превращает колебания молекул воздуха, составляющие звуковую волну, в тепло, которое затем рассеивается в материале. Вибрация самого материала обычно очень мало влияет на поглощение.

Поскольку поглощение вызвано колебаниями воздуха внутри пор, пористые поглотители не очень эффективны при наклеивании на стену. Поглощение обусловлено скоростью, с которой молекулы воздуха колеблются вперед и назад, а вблизи стены молекулы воздуха имеют почти нулевую скорость. Вот почему подвешивание пористого абсорбента вдали от стены увеличивает поглощение, потому что он помещает материал в место, где скорость молекул воздуха выше. Структура металлической пены с открытыми порами, видимая через сканирующий электронный микроскоп. Фото: SecretDisc

Электронный микроскоп (справа) показывает поры пенопласта с открытыми порами. Хорошие абсорбенты примерно на 95 процентов состоят из воздуха, что дает большую площадь внутренней поверхности для достижения высокой абсорбции. Поры также должны быть меньше миллиметра в диаметре, чтобы получить достаточное поглощение. Обычные пены, которые могут быть у вас дома на диване, имеют закрытые ячейки (вспомните слои пузырчатой ​​пленки): воздушные карманы не соединены друг с другом и, следовательно, они являются относительно плохими звукопоглощающими материалами.

Не все минеральные ваты являются хорошими звукопоглощающими материалами, и одной плотности недостаточно, чтобы быть уверенным в их характеристиках. Минеральная вата, такая как стекловолокно, изготавливается из шерстяных нитей, склеенных вместе. Слишком много связующего или нити неправильного размера могут нарушить абсорбцию. Минеральную вату следует покупать только в том случае, если известны данные испытаний коэффициента абсорбции (см. графу «Предостережение при покупке»). Были некоторые опасения по поводу долгосрочного воздействия волокон минеральной ваты на здоровье, но текущие данные свидетельствуют о том, что они просто раздражают кожу, а не канцерогенны.

• Пористые поглотители для музыкальных студий используются для решения проблем с акустикой помещения на средних и высоких частотах.
• Обычно изготавливаются из акустического пеноматериала или минеральной ваты; любой материал может быть эффективным, но для заданной глубины минеральная вата работает немного лучше.
• Обработка должна быть толщиной не менее 5 см, для более тонких обработок требуется расстояние от стены.
• Формованная пена может выглядеть более привлекательно, но обрезка материала обычно снижает производительность.
• Покупайте только те продукты, коэффициент поглощения которых измерен в соответствии со стандартом ISO 354:2003 или ASTM C423; золотой стандарт — это данные о производительности, измеренные и сертифицированные независимой лабораторией.
• Пенопласт и минеральная вата сами по себе неэффективны для звукоизоляции, т.е. прекращение проникновения звука в студию или выхода из нее.

Купить версию в формате PDF

hunecke.de | Пористые поглотители

Стоячая волна перед массивной стеной
стр. : звуковое давление
v : скорость звука
λ : длина волны

Пористый поглотитель – это любой пористый или волокнистый материал, такой как текстиль, флис, ковры, пенопласт, минеральная вата, вата и специальные акустические штукатурки. Все они поглощают звуковую энергию, поскольку гасят колебания частиц воздуха за счет трения.

Рассмотрим плоскую звуковую волну, вертикально падающую на твердую стену. Полностью отражается. Падающая и отраженная волны накладываются друг на друга по принципу суперпозиции, образуя стоячую волну. Непосредственно перед стеной, которая должна быть неподвижной, воздух не может двигаться. Непосредственно на стене скорость звука стоячей волны должна быть равна нулю. Однако в этом месте очень вероятно развитие высокого звукового давления. Первый максимум скорости звука находится на расстоянии четверти длины волны от стенки.

Пористые поглотители наиболее эффективны для замедления частиц воздуха с высокой скоростью звука. Поэтому при монтаже непосредственно на стену они должны иметь определенную толщину, чтобы поглощать звуковые волны вплоть до определенной нижней предельной частоты. Если же поглотитель монтируется на расстоянии от стены, его толщина может быть соответственно уменьшена. Этим эффектом пользуются производители акустических потолков. Помимо расстояния от стены большое значение имеет сопротивление материала потоку.

Текстиль:
В акустике помещений текстиль играет роль в виде штор или одежды людей. Шторы с расстоянием от стены около 10 см являются хорошими поглотителями вплоть до более низкой частоты около 125 Гц. Это, однако, требует, чтобы они не были покрыты воздухонепроницаемым синтетическим покрытием. Очень тонкие шторы, сквозь которые можно смотреть, почти не поглощают звук. Их сопротивление потоку слишком низкое.

Флис:
Большинство производителей потолков из перфорированного металла, дерева или гипсокартона используют специальный акустический флис. Эта тонкая ткань обеспечивает оптимальное сопротивление потоку и соответствует требованиям противопожарной защиты. Если перфорированная часть высокая, панель или доска служат только в качестве механического носителя для акустического флиса. Если перфорированная часть небольшая, панель или доска и объем воздуха за ней действуют как резонатор Гельмгольца. В большинстве конструкций коэффициент поглощения можно увеличить за счет дополнительного слоя минеральной ваты.

Ковры:
Поскольку толщина ковров почти никогда не превышает 1 см, они поглощают только высокие частоты примерно от 1 кГц и выше. Поэтому одних ковров недостаточно для достижения хорошей акустики. Необходимо принять дополнительные меры для поглощения более низких частот.

Пена:
Пена часто используется для обивки мебели. Поскольку мягкая мебель обычно распределена по помещению, диффузия звукового поля увеличивается. Пены, специально изготовленные для акустических целей, используются в качестве вкладышей в металлические потолки, в качестве наполнителя для поглотителей панелей или в качестве краевых поглотителей. Визуально ненавязчивой отделки можно добиться, покрыв пенопласт своеобразными текстильными обоями.

Минеральная вата, вата:
Минеральная вата в виде прессованных жестких плит часто используется в акустических потолках. Эти доски вставляются в рельсовые системы с различными профилями и доступны в различных цветах и ​​отделках. В свободном виде минеральная вата часто используется в качестве дополнительного слоя на перфорированных панелях и для улучшения звукоизоляции легких внутренних стен. В таком виде его можно заменить ватой.

Акустическая штукатурка:
Термин акустическая штукатурка относится к специальным штукатуркам, которые наносятся таким образом, что образуется множество взаимосвязанных полостей.