СПОСОБ ОЦЕНКИ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ ВОЛОКНИСТО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF ESTIMATING SOUND ABSORPTION OF POROUS FIBROUS MATERIALS

Изобретение относится к области определения одной из основных характеристик шумоизолирующих материалов - коэффициента их звукопоглощения и может быть использовано для оценки коэффициента звукопоглощения волокнисто-пористых материалов.
В настоящее время для определения коэффициента звукопоглощения материалов используют в основном два метода: метод стоячей волны и метод реверберационной камеры.
Сущность метода измерения звукопоглощения в реверберационной камере [1] заключается в последовательном измерении времени реверберации пустой камеры и камеры с образцом и последующем определении коэффициента звукопоглощения и изменения эквивалентной площади звукопоглощения. Этот метод используют для испытания звукопоглощающих строительных материалов [2, 3] для измерения коэффициента звукопоглощения акустических материалов, применяемых для стен или потолков, а также эквивалентной площади звукопоглощения объектов (например, мебели, группы людей или пространственных звукопоглотителей) в реверберационной камере [4]. Разновидности этого метода описаны в патентах [5] и [6].
Метод стоячей волны используют для определения коэффициента звукопоглощения технических нетканых полотен для автомобильной промышленности [7], а также звукоизоляционных и звукопоглощающих строительных материалов и изделий [8].
Данный метод определения коэффициента звукопоглощения заключается в образовании стоячей волны, распространяющейся в цилиндрической трубе, на конце которой помещен образец. Измерение коэффициентов звукопоглощения материалов осуществляют чаще всего при нормальном падении звуковых волн на небольших образцах (например, диаметром 10 см) в специальной трубе. На одном конце трубы помещен громкоговоритель, излучающий требуемые для измерений чистые тона. Плоские звуковые волны движутся по трубе и достигают испытуемого образца материала, помещенного в держателе с толстой задней стенкой на другом конце трубы. Затем звуковая волна частично отражается образцом, в результате падающая и отраженная волны образуют в трубе стоячую волну. Микрофон помещен в специальной тележке, движущейся по направляющим полозьям, имеющим шкалу, по которой можно точно определить расстояние между концом трубки зонда и исследуемым образцом. Напряжение с микрофона измеряют вольтметром. Из максимального и минимального давления в стоячей волне определяют коэффициент поглощения звука на заданной частоте.
В последнее время в строительстве, автомобилестроении и других отраслях широкое применение нашли нетканые теплозвукоизолирующие материалы. К нетканым материалам относят текстильные изделия, изготавливаемые из натуральных и химических волокон или нитей, соединяемых между собой без применения ткацкого станка. Началом эпохи нетканых материалов считают 1930-е гг. Первые образы были созданы в Европе. Это были полотна из вискозных волокон, скрепленных между собой химическими связующими. Несколько позже были освоены и другие способы их получения, различающиеся как по виду сырья, так и по способу скрепления.
Интерес к нетканым полотнам возник мгновенно. Выяснилось, что формирование текстильных полотен нетрадиционными способами и возможность использования в них всех известных видов волокон как индивидуально, так и в самых разных сочетаниях (зачастую невозможных при классических способах получения тканей и трикотажа) наряду со свойствами, присущими тканым изделиям, придают им совершенно новые качества. Разнообразные, порой уникальные свойства нетканых материалов позволили применять их в самых разных областях от медицины до строительства зданий, сооружений, автострад.
До недавнего времени производство нетканых полотен было сосредоточено в основном в США, Западной Европе и Японии. В конце XX в. этот список пополнился странами Азии, причем развитие производства в них идет намного более быстрыми темпами. В Беларуси производство нетканых полотен из природных и синтетических волокон освоено в ОАО «Могилевхимволокно», ЗАО «Политекс» (Могилевский район) и ОАО «БЕЛФА» (г. Жлобин).
В связи с возросшими объемами применения нетканых волокнисто-пористых материалов возникла необходимость экспресс-оценки их звукопоглощающих свойств. Стандартные методы определения коэффициента звукопоглощения, основанные на использовании сложного и дорогостоящего оборудования, не всегда доступны потребителю. Поскольку указанные материалы воздухопроницаемы, то представляется возможным оценить звукопоглощение материала по сопротивлению воздушному потоку, протекающему через образец испытуемого материала.
Задача настоящего изобретения - оценить коэффициент звукопоглощения волокнисто-пористых материалов по их сопротивлению воздушному потоку.
Для решения задачи необходимо исследовать звукопоглощение материала методом стоячей волны, определить сопротивление материала воздушному потоку и построить регрессионные зависимости, связывающие коэффициент звукопоглощения и сопротивление воздушному потоку.
В качестве объектов исследования были выбраны волокнисто-пористые нетканые материалы на основе природных (льняные) и синтетических (полипропиленовые или полиэфирные - лавсан) волокон производства ОАО «БЕЛФА» (г. Жлобин). Образцы в виде круга диаметром 120 мм и толщиной h=10 мм вырезали из нетканого полотна. Для изготовления образцов использовали материалы шести составов (Табл. 1).
Увеличение толщины исследуемого образца осуществляли путем наращивания количества слоев. Внешний вид образцов представлен на Фиг. 1.
Коэффициент звукопоглощения α материалов в диапазоне частот 50÷1600 Гц определяли с помощью системы акустических испытаний производства компании «Брюль и Къер» (Дания), в которой используется метод «двух микрофонов», основанный на разложении широкополосного стационарного случайного сигнала на падающую и отраженную составляющие. Сигнал генерируется источником звука (динамической головкой в большой измерительной трубе), а падающая и отраженная составляющие определяются из соотношения между величинами акустического давления, измеряемыми микрофонами в двух точках на поверхности трубы. Сигналы с измерительных микрофонов поступают на многоканальный анализатор спектров PULSE, выполняющий цифровую обработку сигналов по заданным алгоритмам. С анализатора спектров информация передается на ПК для отображения результатов измерений, хранения данных, печати, а также управления процессом измерений.
-3
S
Сопротивление образцов продуванию воздушным потоком исследовали в соответствии с [9]. Измерения проводили на установке PA-SW (ЕТ GmbH, Германия) с цилиндрической измерительной камерой (Фиг. 2). Прибор обеспечивает измерение снижения разности давлений до минимального значения, равного 0,1 Па, с точностью ±5% установленного значения. Перепад давления Δp измеряли при линейной скорости потока воздуха u=0,5·10 м/с. Удельное сопротивление (или коэффициент сопротивления) продуванию потоком воздуха R, Па·с/м, определяли по формуле
S
R=R·A,
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>v</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
3
3
2
v
где
- сопротивление продуванию потоком воздуха образца, Па·с/м; Δp - разность между давлением воздуха, проходящего через образец, и давлением атмосферного воздуха, Па; q - объемная скорость потока воздуха, проходящего через образец, м/с, А - площадь поперечного сечения образца, перпендикулярного к направлению потока воздуха, м.
На Фиг. 3 представлены результаты измерения удельного сопротивления продуванию потоком воздуха образцов различного состава и разной толщины. Видно, что для всех образцов наблюдается практически линейный рост R с толщиной образца.
Анализ результатов, приведенных на Фиг. 3, приводит к следующим заключениям.
1) Образцы на основе волокон льна и полиэфира (№4-6, таблица 1) в целом оказывают большее сопротивление потоку воздуха, чем образцы на основе волокон льна и полипропилена (№1-3, таблица 1).
2) В каждой из указанных групп сопротивление потоку воздуха увеличивается с ростом содержания волокон льна в образце (30, 60 и 70%).
Для последующего анализа полученных данных использованы результаты измерения коэффициентов звукопоглощения этих же образцов, измеренных с помощью системы для проведения акустических испытаний материалов (производства компании «Брюль и Къер», Дания).
На Фиг. 4-9 приведены зависимости коэффициента звукопоглощения от частоты для образцов различного состава (Фиг. 4 - образец 1; Фиг. 5 - образец 2; Фиг. 6 - образец 3; Фиг. 7 - образец 4; Фиг. 8 - образец 5; Фиг. 9 - образец 6). При небольшой толщине образцов (10÷20 мм) для всех материалов наблюдается практически линейный рост коэффициента звукопоглощения α с частотой. При больших толщинах образцов α сначала резко возрастает с частотой, а при частотах, превышающих 600÷700 Гц, практически не зависит от частоты.
S
S
S
S
Поскольку получить универсальное уравнение связи коэффициента звукопоглощения α с удельным сопротивлением продуванию потоком воздуха R невозможно, нами выбраны 4 значения частоты (50, 200, 700 и 1500 Гц), для которых найдены уравнения, связывающие α и R с толщиной образца. Таким образом, задача установления взаимосвязи между R и α решалась в три этапа: 1) нахождение зависимостей R от толщины образца h, 2) нахождение зависимостей α от h на разных частотах, 3) установление связи между R и α.
S
Первый этап аппроксимации проиллюстрирован на Фиг. 3: зависимости R от h аппроксимированы линейными отрезками.
На втором этапе экспериментальные кривые α(h) на четырех выбранных частотах были аппроксимированы линейными зависимостями на участках роста и стабилизации коэффициента звукопоглощения (Фиг. 10 - образец 1; Фиг. 11 - образец 2; Фиг. 12 - образец 3; Фиг. 13 - образец 4; Фиг. 14 - образец 5; Фиг. 15 - образец 6). Уравнения этих зависимостей приведены в таблице 2. Уравнения в данной таблице являются линейными и начиная от 200 Гц разделены на два участка. Далее они использованы для нахождения связи между коэффициентом сопротивления продуванию потоком воздуха R и коэффициентом звукопоглощения α.
S
В таблице 3 приведены уравнения связи коэффициента сопротивления продуванию потоком воздуха R и коэффициента звукопоглощения α. При частоте 50 Гц уравнения связи для всех составов образцов являются линейными и не зависят от толщины образца. На более высоких частотах уравнения связи линейно зависят от толщины образцов в диапазоне толщин от 0 до 50-70 мм. А для более толстых образцов уравнения связи не зависят от толщины образца и определяются только составом материала.
На Фиг. 16-21 построены регрессионные зависимости коэффициента сопротивления продуванию потоком воздуха от коэффициента звукопоглощения материалов различного состава (Фиг. 16 - образец 1; Фиг. 17 - образец 2; Фиг. 18 - образец 3; Фиг. 19 - образец 4; Фиг. 20 - образец 5; Фиг. 21 - образец 6). Графики на этих рисунках соответствуют уравнениям, приведенным в таблице 3.
S
Все графики представляют собой кривые, состоящие из двух линейных участков. Исключением является линейная зависимость R(α), которая характерна для всех составов на частоте 50 Гц. Первый линейный участок характеризует зависимость R(α) для малых толщин образцов. Эта толщина тем меньше, чем больше частота. На больших толщинах коэффициент звукопоглощения практически не меняется на всех частотах (кроме 50 Гц), а коэффициент сопротивления продуванию растет с толщиной образца.
Таким образом, зная толщину образца и коэффициент сопротивления продуванию воздушным потоком, можно оценить коэффициент звукопоглощения материалов различного состава на основных частотах, экспериментально выбранных нами.
S
S
3
На Фиг. 22-23 сведены на одном графике регрессионные зависимости R(α) материалов различного состава для частот 1500 и 700 Гц. Каждая точка на кривых соответствует определенной толщине образца, начиная от 10 мм и заканчивая 120 мм, с интервалом толщин в 10 мм. На Фиг. 22 видно, что если материал имеет сопротивление потоку воздуха R порядка 11·10 Па·с/м, то коэффициент его звукопоглощения на частоте 1500 Гц лежит в диапазоне 0,6÷0,8 при толщине образцов более 20 мм. При такой же величине сопротивления потоку воздуха коэффициент звукопоглощения материалов на частоте 700 Гц лежит в интервале 0,45÷0,7 (Фиг. 23).
S
S
S
Проверку предложенного способа осуществили на образце, составленном из двух слоев волокнисто-пористого листового материала «Ворсонит» (ГОСТ 26149-84). Удельное сопротивление продуванию воздушным потоком для образца толщиной 11,4 мм составило 606 Па·с/м. Из номограммы на Фиг. 22-23 находим, что такой толщине образцов и такому сопротивлению продуванию соответствует диапазон коэффициента звукопоглощения R=0,3÷0,4 на частоте 1500 Гц, и R=0,15÷0,2 на частоте 700 Гц. Контрольный замер коэффициента звукопоглощения с помощью системы акустических испытаний производства компании «Брюль и Къер» дал следующие результаты: на частоте 1500 Гц R=0,38; на частоте 700 Гц R=0,18. Видно, что предложенный способ позволил определить коэффициент звукопоглощения по удельному сопротивлению продуванию воздушным потоком с достаточно высокой точностью.
Таким образом, задача, поставленная в изобретении, решена. Зная толщину образца и коэффициент сопротивления продуванию воздушным потоком, можно оценить коэффициент звукопоглощения волокнисто-пористых материалов различного состава на основных рабочих частотах. Способ может быть использован также для оценки коэффициента звукопоглощения любых материалов с открытой системой воздушных пор.
Источники информации
1. СТ СЭВ 1929-79. Шум. Метод измерения звукопоглощения в реверберационной камере.
2. ГОСТ 26417-85. Материалы звукопоглощающие строительные. Метод испытаний в малой реверберационной камере.
3. Лопашев Д.З., Осипов Г.Л., Федосеева Е.Н. Методы измерения и нормирования шумовых характеристик. - М.: Издательство стандартов, 1983. - 232 с., стр. 219-223.
4. ГОСТ 53376-2009. Материалы звукопоглощающие. Метод измерения звукопоглощения в реверберационной камере.
5. US Patent №5465469. Method for measuring a sound absorption power of a theater chair with a human being seated thereon, G01H 3/00, publ. 1995.
6. Патент RU №2431137. Способ определения коэффициентов звукопоглощения материалов, G01N 29/04, опубл. 2010.
7. ГОСТ 23124-78. Полотна нетканые технические. Метод определения коэффициента звукопоглощения.
8. ГОСТ 16297-80. Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний.
9. ГОСТ P EH 29053-2008. Материалы акустические. Методы определения сопротивления продуванию потоком воздуха.