О проектировании звукоизоляции легких ограждений с промежуточным вибродемпфирующим слоем

акустика

О проектировании звукоизоляции легких ограждений с промежуточным вибродемпфирующим слоем

A.A. Кочкин

Во многих случаях повышение звукоизоляции ограждений является наиболее рациональным способом снижения шума, проникающего в помещениях из смежных объемов и из окружающей здание внешней среды.

Как правило, снижение шума за счет звукоизоляции в большинстве случаев приводит к увеличению массы звукоизолирующих конструкций. Вследствие этого, из-за необходимости дополнительного увеличения несущей способности основных конструкций остова здания, происходит существенное удорожание строительства. В этой связи традиционные внутренние и наружные ограждения здания, выполняемые виде сплошных элементов из тяжелых строительных материалов, являются весьма неэффективными с точки зрения экономики звукоизолирующих конструкций. Требуется разработка новых конструкций, обладающих необходимой звукоизоляцией и имеющих при этом меньшую по сравнению с традиционными ограждениями поверхностную плотность. К таким конструкциям относятся легкие ограждения из слоистых элементов. В настоящее время такие ограждения широко применяются в практике строительства в качестве светоп-розрачных ограждений и внутренних, разделяющих помещения конструкций. Выполненные исследования показали, что подобные конструкции при целенаправленном их проектировании и усовершенствовании можно эффективно использовать в качестве звукоизолирующих ограждений, обеспечивающих требуемый звуковой комфорт в помещениях.

Эффективность слоистых конструкций существенно повышается при использовании в их составе слоев из вибродемпфирующих материалов, повышающих конструкционные коэффициенты потерь в ограждениях. Слоистые вибродемпфированные панели представляют собой два и более жестких листа (стекла, металла, гипсокартона, гипсоволок-на) соединенных между собой промежуточными вибродемпфирующими материалами.

Целенаправленное проектирование звукоизолирующих конструкций с вибродемпфирующими слоями требует надежных методов оценки влияния различных параметров элементов и материалов слоистых конструкций на их звукоизоляцию как отдельных элементов, так и в составе ограждения.

Для повышения звукоизоляции легких огражде-

ний необходимо смещать граничную частоту волнового совпадения в область более высоких частот путем уменьшения изгибной жесткости панели.

Для нахождения излучаемой звуковой мощности необходимо знание типов упругих волн, формирующих волновое поле ограждения. Для этого уравнение свободных колебаний трехслойной панели с промежуточным вибродемпфирующим слоем запишем в виде [1 ]:

с6с2 + c4ci _ c2c4c2 _ c4c4 = о,

и s u 3 и 2 S 13 '

где C. = л/ю

F _

N

F + T

C 2 = л/ю _ ¡- 4[n~

C3 = 4 — скорости изгибных волн He-

ll m'

которых однослойных пластин соответственно с изгибными жесткостями I F N I' + T

С3 = у/Б / т' — скорость сдвиговых волн вибродем-пфирующего слоя, нагруженного массами внешних слоев; Р, Т, L, Ы, Б — жесткостные параметры.

Следует отметить: если принять с2 = с3, что возможно при выполнении условия И1 = Ь2 << Ь3, то выражение (1) по форме будет совпадать с уравнением Куртце, который в своих исследованиях трехслойных конструкций пользовался методами электроакустического моделирования.

Анализ уравнения (1) показывает, что весь диапазон частот можно разбить на три области.

1. На низких частотах, когда с1 << с$, пренебрегая вторым и последним членами уравнения, будем иметь си ~ с3, т.е. панель колеблется в виде изгибных волн как пластина с поверхностной массой т' и цилиндрической жесткостью N.

2. На высоких частотах с1 >> с$, пренебрегая первым и третьим членами, получим с1 ~ с3, т.е. колебания пластины в основном будут определяться изгибными колебаниями обшивок, нагруженных массой среднего слоя.

3. В промежуточном диапазоне частот от

4

m

акустика

ю, =

y/m'N

до Ю2 =

lm'\F -

N

преимуще-

ственные значения будут иметь сдвиговые колебания заполнителя, т.е. с5 ~ с^. Из полученных данных можно сделать заключение, что с вибродемпфи-рующим промежуточным слоем сдвиговые деформации играют существенную роль в формировании скорости упругих волн.

Как известно, скорость распространения сдвиговых волн не зависит от частоты, если она будет меньше скорости звука в воздухе, то волнового совпадения не произойдет, по меньшей мере, до частоты Ю2 и звукоизоляция трехслойной панели будет определяться законом массы.

При анализе дисперсионных кривых (рис. 1) от-

С, м/с

__ С0=344 м/с

мечаем, что на низких частотах они асимптотически приближаются к кривой с3, на высоких частотах — к кривой с1. В промежуточной области частот наблюдается некоторое выполаживание дисперсионной кривой, которое можно объяснить влиянием волн сдвига среднего слоя.

Заметим также, что граничная частота волнового совпадения трехслойной панели находится в районе граничной частоты однослойной пластины равной массы, с цилиндрической жесткостью

F - TLh3

N

В соответствии с изложенным, при проектировании трехслойных ограждений, звукоизоляция которых во всем расчетном диапазоне частот определяется законом массы, необходимо выполнить, по меньшей мере, два требования. Первое требование: скорость сдвиговых волн среднего слоя, нагруженного с обеих сторон массой обкладок, должна быть меньше скорости звука в воздухе с5 < с0. Второе требование: граничная частота некоторой пластины с поверхностной массой т' и цилиндри-

ческой жесткостью

F - TLh3

N

должна лежать выше

расчетного диапазона частот, т.е.

2

_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_L

63 125 250 500 1000 2000 4000 f, Гц

Рисунок 1. Дисперсионная кривая слоистой вибродемпфированной панели, состоящей из двух гипсоволокнистых листов толщиной по 10 мм и прослойки из линокрома толщиной 3 мм

2к\ (FN - TLh3

> L

Из сопоставления кривых на рис.1 видно, что виб-родемпфирующий промежуточный слой изменяет характер скорости распространения упругих волн

R, дБ

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10

Y < *

3 Г < Л

4 1 ч. < Ь

t -< 4.1 *

1 h » ' 4 % \ 4 > i / ) N 2

/ * A

/ I k f 1 = 3558 Гц гР 4

/ f 2 = 1665 Гц гР

Гц

f,

О U1 о о о сч ^о о

о о

Рисунок 2. Частотныю характеристики звукоизоляции ограждений

192

1 — два листа ГВЛ толщиной по 10мм с вклеенной прослойкой из линокрома толщиной 3мм, R =40 дБ;

толщиной по 10мм склеенных между собой эпоксидной смолой; к =33 дБ;

3 — закон массы.

2010

S

S

о

3

акустика

вдоль пластины принципиально так же, как и жесткий пластмассовый заполнитель с малым коэффициентом потерь в известных сэндвичевых панелях.

То есть в трехслойных панелях с промежуточным вибродемпфирующим слоем сдвиговые деформации делают существенный вклад в суммарное волновое синусоидальное движение панели в широкой области частот. Следует только стремиться, чтобы скорость волн с преимущественным вкладом сдвига в среднем слое, нагруженном с обеих сторон массой обкладок, была меньше скорости звука в воздухе. Следует также стремиться и к тому, чтобы граничная частота волнового совпадения некоторой условной пластины со скоростью с1 лежала выше расчетного диапазона частот.

Экспериментальные исследования звукоизоляции слоистых вибродемпфированных панелей, состоящих из двух гипсоволокнистых листов толщиной по 10 мм и вклеенной прослойки из линокрома толщиной 3 мм, проводили в больших ревербера-ционных камерах ВоГТУ.

Как видно на рис. 2, звукоизоляция исследуемого слоистого ограждения с промежуточным вибро-демпфирующим слоем по сравнению со слоистой панелью с жестко склеенными эпоксидной смолой листами повышается за счет смещения граничной частоты волнового совпадения в области более высоких частот и повышенного коэффициента потерь.

В области неполных пространственных резонан-сов и простых пространственных резонансов существует эффективный коэффициент потерь слоистых вибродемпфированных панелей, превышение которого не ведет к увеличению звукоизоляции. В области неполных пространственных резонансов некоторое превышение звукоизоляции над «законом массы» можно объяснить прохождением звуковой энергии с инерционными волнами.

Таким образом, рассмотренные в статье особенности и закономерности распространения звуковой энергии в слоистых панелях дают основание для проектирования оптимальных звукоизолирующих ограждающих конструкций путем варьирования характеристиками слоев.

Литература

Седов М.С., Кочкин А.А. О звукоизоляции слоистых вибродемпфированных панелей ограниченных размеров / / Известия вузов. Строительство и архитектура, 1987. — Вып. 8. — С. 55-58.

О проектировании звукоизоляции легких ограждений с промежуточным вибродемпфирующим слоем

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований звукоизоляции ограждающих конструкций с вибродемпфированием. Показано, что путем регулирования физико-механических характеристик слоев конструкции можно повысить звукоизоляцию ограждения без увеличения ее поверхностной плотности.

Design of Sound Insulation for the Lightweight Partitions with the use of Interlayers, Damping the Vibrations

by Alexander A. Kochkin

We present the results of the theoretical and experimental research on sound insulation for the partitions structures developed with the use of interlayers, damping the vibrations. It is shown that by adjusting the physical and mechanical characteristics of the layers in the structure the sound insulation of a partition can be improved without increasing the surface density.

Ключевые слова: звукоизоляция, конструкции с вибропоглощением, коэффициент внутренних потерь, модуль сдвига.

Keywords: sound insulation, vibration absorbing structure, coefficient of internal losses, shear modulus.