ЧТО ВЗЯТЬ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗВУКА:
ВАТНОЕ ОДЕЯЛО ИЛИ КРОВЕЛЬНОЕ ЖЕЛЕЗО?
Тебе удивляться нимало не надо,
Что сквозь преграды, глазам ничего не дающие видеть,
Звуки доходят до нас и касаются нашего слуха.
Лукреции Кар.
О природе вещей Кн.4
Раскроем цитированное в эпиграфе творение римского
философа-материалиста и писателя Лукреция, Если извлечь из этого
творения все высказывания, касающиеся звука, то можно из них одних
составить небольшую, но полную интересных наблюдений книгу по акустике.
И приведенное нами извлечение как бы убеждает читателя: да, не нужно
удивляться, даже каменные стены могут пропускать звук.
До поры до времени человечество как-то мирилось с этим. Но по мере
роста "акустической загрязненности" среды, увы, неизменно сопутствующего развитию цивилизации, усилилась необходимость исследовать
процесс прохождения звука через различные ограждения и научиться
по возможности препятствовать этому процессу.
Интуитивно можно было предполагать, что в явлении изоляции, то есть
"непропускания", звука значительную роль играет масса
любой строительной конструкции - стенки, пола и т. п. А. Шох дал
этому строгое доказательство. Но одно дело физические величины-
звуковое давление, звуковая энергия, проходящие через стенку, и
совсем другое дело - имеющий при этом место физиологический эффект,
т.е. снижение ощущения громкости шума за стенкой. Во второй части
книги физиологической акустике будет уделено достаточное внимание,
здесь же мы отметим лишь, что при учете снижения громкости шума
в дело неизбежно вмешивается логарифмический закон. А этот закон
в вопросах звукоизоляции ведет к довольно серьезным последствиям
с точки зрения массы конструкций.
Пусть имеется весьма легкая звукоизолирующая стенка (скажем, масса
ее на единицу площади не превышает 1 килограмма на квадратный метр),
и мы, с целью увеличения звукоизоляции, заменим ее вдесятеро более
тяжелой стенкой, т. е. с удельной массой 10 килограммов на квадратный
метр.
Громкость шума какого-либо акустического источника, находящегося
за стенкой, уменьшится в определенное число раз (не приводя объяснений,
которые нас завели бы далеко, укажем, что эта громкость уменьшится
не более чем в 3--4 раза). Но вот беда, оказалось, что это уменьшение громкости недостаточно и надо уменьшить ее, скажем, еще во столько
же раз. Потребуется, следуя логарифмическому закону, увеличить массу
стенки опять в 10 раз, т. е. с 10 до 100 килограммов на квадратный
метр.
"Закон массы" в действии: каждое увеличение массы стенки в три раза уменьшает громкость проходящего через стенку шума приблизительно в два раза.
Неумолимый акустический "закон массы" оборачивается для
строителей и эксплуатационников довольно неприятными последствиями.
Слабым утешением является то, что теперь мы уже можем ответить на
вопрос, поставленный в заголовке. Лист железа все же. тяжелее ватного
одеяла той же площади, и этот лист с точки зрения звукоизоляции
следует предпочесть одеялу. Впрочем, дело не только в массе, но
и в том, что для обеспечения звукоизоляции материал должен быть
не рыхлым, а плотным, без пор и пустот, проводящих звук, как это
имеет место в том же слое ваты.
Впрочем, следует ли полностью отвергать одеяло? Звукоизолирующий
материал отбрасывает звуковую энергию обратно, и если ее не поглотить,
то неизбежно увеличение звукового уровня в помещении источника,
а следовательно, и в самом изолируемом помещении. Оптимальным является
сочетание звукоизолирующей конструкции со звукопоглощающей. Так
собственно, и осуществляют звукоизолирующие кожухи и капоты для
шумящих механизмов: стальные стенки с нанесенными изнутри на них
слоями рыхлых волокнистых или пористых материалов.
Итак, можно сказать: "звукоизоляция любит массу". Но...
Едва лишь строительные и архитектурные акустики начали понемногу
привыкать к неумолимому "закону массы", как на сцене появился
незнакомец, который более чем что-либо другое (кроме сквозных отверстий)
ухудшает звукоизоляцию стенок в области максимальной чувствительности
слуха. Разумеется, это не живое существо, а процесс. Но прежде -
два слова истории.
Еще в 1941 году С. Н. Ржевкин с одним из своих сотрудников наблюдали
аномальное - прохождение звука через пластинки. При некоторых частотах
колебаний и углах падения звуковой волны на пластинку наблюдалось
интенсивное прохождение через нее звука. Удовлетворительного объяснения
этому явлению подыскать тогда не удалось.
Несколько позже Л. Кремер, производя теоретический анализ взаимодействия
звукоизолирующих стенок со звуковым полем, открыл так называемый резонанс совпадения. Суть его заключается в том, что при равенстве
фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности пластины (а эта
скорость является в данном случае не чем иным, как проекцией на
плоскость пластины вектора скорости в падающей волне) и скорости
изгибных волн в пластине падающая волна должна полностью пройти
через пластину. Иными словами, при данной частоте и данном угле
падения звука звукоизоляция пластины будет равна нулю (если в ней
нет потерь энергии).
При увеличении толщины стенки звукоизоляция на низких и средних
частотах увеличивается, но "коварный" резонанс совпадения,
вызывающий ухудшение звукоизоляции, начинает проявляться на более
низких частотах и захватывает более широкую их область.
Мы уже касались ранее резонансных явлений, преимущественно в акустических
системах, малых по сравнению с длиной звуковой волны. Неизбежно
пойдет речь о резонансах и при последующем рассмотрении виброизоляции в механических системах. Резонанс совпадения
- своеобразнейший из резонансов. Прежде всего, это пространственный
резонанс; при его возникновении пластина (стенка) взаимодействует
со звуковым полем не в точке или локальной области, а по определенной,
обычно достаточно большой площади.
А как ведут себя частоты "обычных" резонансов в зависимости
от основных параметров колебательных резонирующих систем? Практически
каждому человеку хоть раз довелось наблюдать, что чем большая масса
подвешивается к крючку безмена, тем ниже частота колебаний этой
массы на пружине безмена. Частота акустического резонатора, собственные
частоты пластинок или стержней также тем ниже, чем больше массы
и чем меньше жесткости соответствующих элементов. Частота же резонанса
совпадения, наоборот, возрастает с увеличением массы и уменьшением
жесткости пластин, на которые падает звук.
Наконец, обычные резонансы проявляются, как правило, в достаточно
узкой полосе частот. Частота резонанса совпадения зависит от угла
падения звука. А так как в диффузном, размешанном звуковом поле
все углы падения звука на пластину равновероятны, то при этом виде
поля, характерном для большинства помещений, полоса частот резонанса
совпадения каждой перегородки или стенки (а следовательно, и полоса
частот, в которой перегородка или стенка пропускает звук) достаточно
широка.
"Дефективный" резонанс совпадения обусловил довольно противоречивую
картину зависимости звукоизоляции от толщины стенки. С одной стороны,
увеличение толщины стенки согласно "закону массы" увеличивает
звукоизоляцию. Но с другой стороны, поскольку при этом уменьшается
отношение массы стенки к ее изгибной жесткости, ухудшающий звукоизоляцию
резонанс совпадения проявляется на более низких частотах и захватывает
более широкую полосу частот.
Где выход? Тот же Л. Кремер предложил делать тонкие пропилы в стенках
на определенную глубину. Не изменяя практически массу стенки, эти
пропилы резко уменьшают ее жесткость, и частота резонанса совпадения
перемещается в более высокую область частот. У свинцовых же звукоизолирующих
перегородок, например, благодаря их большой массе и весьма малой
жесткости, резонанс совпадения находится в неслышимой ультразвуковой
области частот.
Кирпичные стены. Это - масса, а значит, и звукоизоляция. И резонанс
совпадения по некоторым причинам здесь проявляется слабее. Но кирпичные
стены не поставишь на теплоход или самолет. Нужно "обмануть"
закон массы; нужны облегченные, но хорошо изолирующие звук устройства.
В какой-то мере это удается достичь применением двухстенных конструкций.
Воздушный промежуток между стенками с точки зрения увеличения эффекта
звукоизоляции - примерно то же, что воздушный слой между стеклами
оконной рамы для увеличения теплоизоляции.
Ширина воздушного слоя между стенками, влияет ли она на величину
звукоизоляции? Одно время, ссылаясь на возникающие в воздушном слое
резонансы объема воздуха, утверждали, что существует оптимальная
ширина воздушного зазора в двухстенной конструкции и что больше
определенной величины этот зазор делать не следует, иначе резонансы
будут возникать с более низких частот и захватят более широкую их
область. Опыт показал, что при наличии в зазоре звукопоглощающих
материалов бояться этих резонансов нечего.
Таким образом, чем больше зазор между стенками, тем выше звукоизоляция
двухстенной конструкции. Л. Кремер в возглавляемом им Институте
технической акустики демонстрировал советским специалистам двухстенную
конструкцию из стеклоблоков с зазором между стенками, достигающим
почти метра. Конструкция предназначалась для световых проемов в
баптистской церкви, находящейся на одном из самых шумных перекрестков
Западного Берлина. Как выяснилось, прихожане этой церкви не могли
с должной сосредоточенностью совершать обряды даже при малейшем
шуме. Последовало обращение, во имя бога, к строительным акустикам,
подкрепленное, впрочем, земными, финансовыми стимулами. Разработанная
световая конструкция обеспечивала звукоизоляцию до 80 децибелов,
что не уступает звукоизоляции кирпичной стены, имеющей значительно
большую массу.
Влияние "закона массы" на звукоизоляцию по-разному проявляется в конструкциях различной площади. Значительную роль играют характер
заделки звукоизолирующей стенки по контуру и вид элементов, связывающих
между собой стенки в двухстенной конструкции.
Эти и другие вопросы
применительно к изоляции воздушного и ударного шума (последний имеет
место в конструкциях полов) исследовались ведущими советскими строительными
акустиками С. П. Алексеевым, И. И. Боголеповым, В. И. Заборовым,
С. Д. Ковригиным, М. С. Седовым и другими, во многом содействовавшими
внедрению эффективных звукоизолирующих конструкций в строительстве,
на производстве и на транспорте.
Другие страницы из книги И.И. Клюкина « Удивительный мир звука»
