ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА И ДЫРКИ В ПОТОЛКЕ из "Шум " Зайдем в любое здание современной конструкции и взглянем вверх мы увидим на потолке тысячи мелких отверстий. Привычное зрелище—акустический потолок. Зачем Многие приписывают рядам этих дырочек почти волшебное свойство высасывать шум , или распылять тишину в помещении. Иные дав волю своему воображению, затевали постройку звуконепроницаемых стенок из перфорированных панелей их ждало жестокое разочарование. Но другого и нельзя было ожидать. Акустический потолок — это просто плохой отражатель звука когда звук бежит по воздуху и наталкивается на твердую, плотную преграду, он отражается, подобно тому как свет отражается от зеркала. Темная бумага — плохой отражатель света, и в нее не посмотришься как в зеркало если оклеить стены темными обоями, освещенность комнаты уменьшится. Акустический потолок — это всего лишь акустические темные обои . [c.142] Что же в действительности кроется за словами звук отражается хорошо и звук отражается плохо Мы воспринимаем факт отражения звука как нечто само собой разумеющееся. Однако, чтобы понять принцип действия различных поглотителей звука и правильно оценить, когда они полезны, а когда бесполезны, следует вернуться к проблеме отражения и рассмотреть ее более детально. [c.142] Что же произойдет, если на пути волны сгущения встретится гранитная стена Передаваясь от одного слоя JVIoлeкyл другому, сгущение дойдет до воздушного слоя, прилегающего к поверхности гранита, к тяжелой, твердой и жесткой стене. Когда частицы этого последнего слоя получат толчок сзади, у них уже не найдется соседей спереди, которым они могли бы передать толчок частицы наткнутся на стену, и вблизи нее давление увеличится. Затем вследствие упругости воздуха частицы оттолкнутся от стены с возросшей силой давления и образуют новую волну сгущения, бегущую в обратном направлении и почти такую же сильную, как и вол-на, ударившая в стену. [c.143] За исключением некоторых особых случаев, даже относительно легкая, но непористая стена отражает на всех частотах по меньшей мере 90% энергии звука. Такое большое отражение нас не устраивает, и разработка различных звукопоглощающих устройств — это попытки заставить отражающие поверхности поглощать возможно большую часть падающего звука, а не отсылать его обратно. [c.144] Возвращаясь к пограничному слою воздуха, напомним об одном обстоятельстве если отпустить груз, закрепленный на пружине, он снова подпрыгнет вверх но если снабдить пружину амортизатором наподобие автомобильного, в котором трение или силы вязкости сопротивляются движению пружины вверх и вниз, груз почти не подпрыгнет. Все видели, как прыгает вверх-вниз передок автомобиля с изношен- ными амортизаторами. [c.144] Как мы уже знаем, воздух может вести себя подобно пружине, и именно это свойство позволяет ему создавать отраженную волну и вообще передавать звуковые волны. Если бы воздух можно было амортизировать, как пружину, результат оказался бы тот же, что и для пружины. Когда на отражающей поверхности растет давление, частицы воздуха сближаются и чуть-чуть смещаются в направлении отражающей поверхности. Что же получится, если создать небольшое трение, затрудняющее передвижение частиц воздуха Амортизация Воздух частично утратит свои пружинящие свойства, так как преодоление трения, препятствующего движению частиц, создает тепло, а необходимая для этого энергия будет забрана из звуковой волны. Однако, если кто-то, узнав об этом, вздумает отапливать свой дом с помощью устройств, поглощающих шум самолетов, напомним ему, что даже при шуме в 100 дБ поток энергии составляет всего 0,01 Вт/м . [c.145] Создать необходимое трение очень легко вспомним, что втягивать в себя воздух сквозь сигарету труднее, чем сквозь пустую трубочку, это обусловлено именно трением или, точнее, силами вязкости. Воздух обладает определенной вязкостью, хотя гораздо меньшей, чем, например, нефть. Но нефть испытывает большое сопротивление, когда протекает даже по широкой трубе воздух также испытывает большое сопротивление, протекая через очень узкую трубочку, или просачиваясь между волокнами табака в сигарете. Поэтому, если вблизи отражающей поверхности поместить слой или мат из волокнистого или ячеистого материала, силы вязкости будут сопротивляться движению частиц воздуха при сгущениях и разрежениях и энергия у отраженной волны будет отбираться. При этом может возникнуть неожиданное затруднение если волокна в мате уложены слишком тесно, его поверхность окажется излишне плотной, н тогда встанет уже известная нам проблема — волны будут отражаться от наружной поверхности мата. Следовательно, при выборе плотности материала поглотителя требуется найти какое-то компромиссное решение. Как выяснилось, наиболее эффективны волокнистые материалы с плотностью 50—200 кг/м . [c.145] Очевидно, в ячеистых поглощающих материалах ячейки должны соединяться между собой открытыми порами. [c.146] Мы только начали свое знакомство с пористыми поглотителями, и прежде всего нам необходимо рассмотреть самый основной фактор, а именно зависимость поглощения звука о г его частоты. Частота звука вообще играет определяющую роль в акустике. Как мы уже видели, большая часть звуков включает компоненты широкого диапазона частот с длинами волн примерно от 20 мм до нескольких метров. Для низкочастотных звуков с длиной волны в несколько метров поглощение в волокнистом слое толщиной 20—30 мы незначительно, но, если толщина слоя сравнима с длиной волны или даже превышает ее, поглотитель становится чрезвычайно эффективным. Увеличение толщины слоя на большой площади обойдется очень дорого однако можно значительно улучшить поглощение, просто отодвинув пористый мат от отражающей поверхности. В этом случае усиление эффективности поглощения не связано, как при утолщении мата, с увеличением размеров области взаимодействия волны с волокнами здесь действие волокон более эффективно потому, что на некотором расстоянии о г отражающей поверхности движение частиц воздуха, совершающих низкочастотные колебания, более интенсивно. Поэтому силы вязкости со стороны волокон оказывают в этом месте большее воздействие. [c.146] Но самое странное начинается тогда, когда длина волны оказывается меньше толщины волокнистого слоя. Чем выше частота, тем меньшее расстояние про ходят частицы в процессе своих колебаний (при за данном звуковом давлении) и, следовательно, те меньше подвергаются действию сил вязкости на не которых частотах волокнистый слой ведет себя по добно пружине, что уменьшает его эффективность К тому же с ростом частоты возрастает отражающее действие наружной поверхности мата. [c.146] По сравнению с твердыми стенами, отражающими около 957о энергии падающего на них звука, стена, покрытая волокнистым слоем и отражающая всего 10 или 20%, казалось бы, поглощает очень сильно. Но так ли это Никогда не следует забывать удивительное соотношение между громкостью и децибелами. В гл. 4 мы узнали, что падение интенсивности звука на 80% уменьшает уровень всего на 7 дБ. Из гл. 5 выяснилось, что изменение уровня на 10 дБ, грубо говоря, соответствует увеличению или уменьшению громкости вдвое. Отсюда следует, что пористые материалы чудес не совершают если уровень упавшего на стену звука 80 дБ, а отраженного — 73 дБ, то остался еще очень громкий звук. [c.147] Эффективность различных поглощающих материалов на разных частотах. [c.148] Очевидный ответ на этот вопрос —начать наращивать толщину пористого мата. Однако одной этой меры недостаточно, а при низкочастотных звуках потребуется неосуществимо большая толщина. Кроме того, наружная поверхность покрытия сама представляет собой достаточно резкую границу, на которой отразится значительная часть высокочастотного звука. Правильное решение поставленной задачи — уложить волокна в длннные заостренные клинья, которые при необходимости можно поддержать редкой тканью. Эти поглощающие клинья следует расположить так, чтобы любой звук, отразившись от одного из них, тут же попадал на другой, затем на третий и т. д. в результате интенсивность звука снизится до пренебрежимо малой величины. Высота таких клиньев может достигать метра и более за ниЫи создают воздушную полость, и эффективность такого покрытия приближается к 100% в очень широком диапазоне частот. Однако поглощающие клинья из-за их высокой стоимости и нелепого вида редко где находят применение, кроме помещений специального назначения. [c.149] Но мы пока еще не объяснили, зачем же делают дырки в потолке Вряд ли чье-нибудь любопытство удовлетворится утверждением, что эти дырки там ни к чему и что волокнистый материал позади них был бы так же эффективен. Чтобы усилить путаницу, добавим, что, если бы там не было и волокнистого материала, перфорированная облицовка продолжала бы поглощать звук Если и это еще не достаточно парадоксально, можно сообщить дополнительно, что нет необходимости ни в дырках, ни в волокнах самая простая панель тоже будет поглощать звук И как это ни удивительно, все три утверждения совершенно справедливы. [c.150] издаваемые бутылкой, когда мы дуем поперек ее горлышка, — просто резонанс, хотя несколько отличающийся от резонанса в трубе. Этот вид резонанса больше похож на поведение груза на пружине, чем на наложение прямой и отраженной волн, создающее в резонансной трубе стоячую волну большой амплитуды. Если заткнуть отверстие велосипедного насоса и нажать на его ручку, воздух внутри будет действовать как пружина. Если наверху пружины закрепить груз, нажать на нее и отпустить, груз будет регулярно колебаться вверх-вниз при одной и той же пружине и одном и том же грузе эти колебания будут происходить с постоянной частотой. Обычно частота колебания пружины под грузом, так называемая собственная частота, относительно невелика — всего несколько сотен колебаний в минуту. Если нагрузка небольшая, а пружина достаточно тугая, собственная частота может увеличиться до многих сотен колебаний в минуту и попасть уже в слышимый диапазон. Почему пружины обладают собственной частотой Если вместо того, чтобы заставлять груз колебаться вверх и вниз, мы осторожно и плавно опустим его на пружину, она сожмется на определенную величину, которая зависит не только от массы нагрузки, но и от жесткости пружины жесткая пружина опустится на меньшее расстояние, чем мягкая. Для того чтобы сжаться под нагрузкой, пружине потребуется определенное время, как и для того, чтобы распрямиться, когда нагрузку снимут. Следовательно, частота колебаний пружины зависит от расстояния, которое она проходит при сжатии, и от скорости, с которой она сжимается. Все эти рассуждения применимы и к велосипедному насосу с заткнутым отверстием. [c.151] Если звук внезапно оборвать, колебания воздушной пробки спустя короткое время прекратятся. Отчего Теоретически они, казалось бы, должны продолжаться вечно , но, как и во всех вечных двигателях , движению препятствует трение, или уже знакомая нам сила вязкости. В трубе ближайший к стенкам слой воздуха прилипает к ним. Это явление связано с поверхностным натяжением етенок и воздуха. Если дуть вдоль трубы, воздух посередине трубы двинется вперед и при этом молекулы воздуха будут скользить по своим соседям, удерживаемым на стенках трубы. Сопротивление скольжению создает вязкое торможение и поглотит часть энергии, которая превратится в теплоту. Чем быстрее движение воздуха в трубе, тем больше вязкое торможение. [c.153] Горлышко бутылки можно рассматривать как короткий отрезок трубы, где действуют малые силы вязкости, оказывающие сопротивление движению воздушной пробки. Это воздействие сил вязкости и приводит к остановке воздушной пробки после прекращения подачи звука. Но это значит, что силы вязкости действовали и при наличии звука, то есть имел место непрерывный расход энергии, поэтому колебания и не усиливались до бесконечной амплитуды. [c.153] Рис 37 Поглощение звука панелью и резонатором Гельмгольца. [c.155] НО его максимальная эффективность значительно снижена . [c.155] Вернуться к основной статье