ГОФРИРОВАННАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CORRUGATED ACOUSTIC PANEL AND METHOD OF MAKING

Настоящее изобретение относится к акустическим панелям, особенно подходящим для использования в подвесных потолках.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Акустические панели, обычно используемые в качестве потолочных плиток или для облицовки стен, служат для поглощения нежелательного шума, а также для ограничения пространства, и/или выполняют архитектурные функции.
Большинство известных потолочных панелей изготавливают методом свойлачивания с водой или методом отливки из водно-гипсового раствора. Обычно панель имеет гомогенную пористую сердцевину, способную к поглощению звука. Более дешевые продукты таких типов со временем имеют тенденцию к провисанию в результате влагопоглощения и ограниченную шумопоглощающую способность, измеренную как коэффициент звукопоглощения (NRC). Более высококачественные продукты обычно являются более дорогими в изготовлении и могут иметь относительно большой вес. В основном, продукты, свойлаченные с водой или отлитые из гипса, имеют относительно низкое звукопоглощение на частотах ниже 800 Гц и особенно малоэффективны на частотах ниже 400 Гц.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложена акустическая панель, сформированная из снабженных отверстиями гофрированного слоя или гофрированных слоев, обладающая весьма востребованными звукопоглощающими свойствами. Панель выполнена с возможностью поглощения звука на частотах, слышимых человеческим ухом, и может быть легко настроена для поглощения звука на нижних частотах обычного слышимого человеком звукового диапазона. Настоящее изобретение может быть применено к гофрированным панелям, изготовленным, например, из картона или пластика, которые могут иметь высокое содержание полученных из вторичного сырья материалов.
Настоящее изобретение основано на обнаружении того, что гофрированные панели, перфорированные определенным образом, функционируют подобно резонирующим псевдополостям Гельмгольца, способным обеспечивать относительно высокий коэффициент звукопоглощения, а также обеспечивающим возможность настройки на поглощение максимума звуковой энергии в области относительно низких целевых частот.
В частности, настоящее изобретение основано на открытии, согласно которому отдельные складки гофрированной панели могут быть рассмотрены как резонансные полости Гельмгольца. Частота максимального поглощения может быть достигнута путем регулирования относительных размеров складок, отверстий и расстояний между отверстиями. Частота может быть выбрана для поглощения определенного шума или определенной полосы частот. Результаты исследований показали, что гофрированные панели могут обеспечивать расчетный коэффициент звукопоглощения (ENRC), достигающий значения 0,8, при коэффициенте поглощения 0,98 на частоте максимального поглощения, например, ниже 600 Гц. Кроме того, данные исследования показали высокую корреляцию между классическими параметрами полости Гельмгольца и аналогичными параметрами снабженных отверстиями гофрированных акустических панелей настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан перспективный вид первого варианта осуществления акустической панели согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1А показан местный вид панели, показанной на фиг. 1, в увеличенном масштабе.
На фиг. 2 показан фрагментарный перспективный вид второго варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показан фрагментарный перспективный вид третьего варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан фрагментарный перспективный вид четвертого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 и 6 показаны графики звукопоглощающих свойств примеров панелей согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 и 8 показаны графики линейной корреляции между расчетной и наблюдаемой частотами звукопоглощения для панелей, снабженных отверстиями, соответственно круглыми отверстиями или прорезями.
На фиг. 9 схематически показана система подвесного потолка, в которой используют акустические панели согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение согласно различным вариантам осуществления, описанным ниже, применено к потолочным панелям для обычного использования с решеткой подвесного потолка. Такие промышленно изготовленные панели имеют номинальные размеры лицевой поверхности 2′×2′ или 2′×4′ или их метрические эквиваленты (0,61 м × 0,61 м или 0,61 м × 1,22 м).
На фиг. 1 показана акустическая плитка или панель 10, сформированная из трех слоев формованного листа гофрированного пластика. В данной конструкции каждый слой 11 имеет пару несущих стенок 12, между которыми расположены полотна 13, параллельные друг другу и перпендикулярные несущим стенам 12. Смежные пары полотен 13 и области несущих стенок 12 формируют складки или удлиненные полости 14, выполненные протяженными от одного края 16 панели к противоположному краю 16. Несущие стены 12 примыкающих слоев 11 соответственно скреплены вместе адгезивом, сваркой или другим способом. Слои 11 могут быть изготовлены из формованного под давлением полиэтиленового сополимера; подходящим источником материала для слоев 11 является Coroplast™ (Даллас, штат Техас, США). Отверстия 17 выполнены сверлением, перфорированием или иным способом в лицевой поверхности 18 панели 10, сформированной наружной стеной 12 одного из слоев 11 и всеми другими стенами 12 слоев 11, за исключением слоя у задней поверхности 19 панели, расположенной напротив лицевой поверхности 18. Таким образом, в показанном на фиг. 1 и 1А устройстве каждый проем в лицевой поверхности 18 расположен над рядом соосных проемов или отверстий во внутренних стенах 12 чередующихся слоев 11. Панель на фиг. 1 и другие панели, описанные ниже и показанные на чертежах, показаны перевернутыми из нормальной установочной ориентации, в которой их используют в подвесном потолке, когда снабженная отверстиями лицевая поверхность 18 обращена вниз к внутренней части помещения. При использовании настоящего изобретения в каждой складке 14 выполнен по меньшей мере один, а обычно более одного ряда соосных отверстий.
Было выяснено, что снабженная отверстиями или перфорированная гофрированная панель, такая как показана на фиг. 1 и в увеличенном виде на фиг. 1А, формирует ряд резонирующих псевдополостей Гельмгольца. Классической формулой Гельмгольца для полости с имеющим шейку отверстием является
где
Н
ƒ - резонансная частота;
ν - скорость звука;
А - площадь поперечного сечения шейки;
o
V - объем полости; и
L - длина шейки.
Для варианта осуществления, показанного на фиг. 1, и других вариантов осуществления, включая описанные ниже, подробное исследование показало, что некоторые размерные параметры складок гофрировки и отверстий аналогичны размерным параметрам классической формулы Гельмгольца. Этими аналогичными параметрами являются:
о
площадь отверстия А коррелирует с площадью А шейки;
f
o
внутренний объем V складки между смежными отверстиями (по существу равен двум объемам половины складки с каждой стороны отверстия) коррелирует с объемом V полости;
расстояние Т от снабженной отверстиями лицевой поверхности до противоположной глухой стены, принятое как толщина панели, коррелирует с длиной L шейки.
Частота максимального поглощения панели может быть определена согласно настоящему изобретению с использованием коррелированных параметров в классическом уравнении Гельмгольца.
Частота звука, слышимая ухом человека и рассматриваемая при классификации по коэффициенту звукопоглощения, находится в диапазоне между 200 Гц и 2000 Гц. Хотя традиционные свойлаченные на водной основе или отлитые потолочные плитки поглощают звук в более высоких областях диапазона частот, они имеют очень ограниченную эффективность в области частот 400 или 500 Гц или ниже. Кроме того, экономически выгодное изготовление традиционной плитки со значением коэффициента звукопоглощения больше 0,7 является проблематичным. Было выяснено, что снабженные отверстиями гофрированные панели, такие как описанные выше и показанные на фиг. 1, могут быть легко настроены на максимальное поглощение в выбранных частотах между 200 Гц и 2000 Гц. Такие панели, в частности, могут быть более пригодны для использования по сравнению с плитками, имеющими традиционную конструкцию, в целевой шумовой области частот 800 Гц или меньше. Например, выборочные испытания расчетного коэффициента звукопоглощения с использованием импедансной трубы согласно стандарту ASTM 384, выполненные на трехслойных панелях Coroplast™ толщиной 10 мм, дали следующие результаты.
Данные для 3-слойной панели Coroplast™ толщиной 10 мм
В приведенной выше таблице показано влияние размера отверстия на частоту максимального поглощения. Чем меньше отверстие или перфорация, тем ниже частота максимального поглощения.
Частота максимального поглощения зависит от расстояния между отверстиями, измеренного в продольном направлении складки. Чем больше это расстояние, тем больше объем резонансной полости и, в соответствии с аналогией с уравнением Гельмгольца, тем ниже частота.
Может быть показано, что если панель изготовлена с большей толщиной и, таким образом, эффективный параметр Т, аналогичный длине L шейки отверстия в уравнении Гельмгольца, увеличен, частота максимального поглощения снижается.
На фиг. 2 показана панель 20 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, для изготовления которой использован традиционный картон, который содержит гофрированный бумажный лист. Подобно панели 10, панель 20 содержит несколько гофрированных слоев 21, причем каждый слой содержит плоский бумажный лист 22 и криволинейный гофрированный бумажный лист 23, связанный с плоским листом в контактных линиях 24 между складками 26. Отверстия 27 могут быть просверлены, проперфорированы или выполнены иным способом сквозь гофрированные и плоские листы слоев 21, за исключением листа 22 на поверхности 28 панели, противоположной поверхности 29, содержащей сформированные отверстия. Отверстия 27, проходящие через несколько листов 22, 23, имеют одинаковый размер и расположены коаксиально вдоль оси, перпендикулярной поверхностям 28, 29.
Аналогичные параметры панели, соответствующие уравнению Гельмгольца для частоты резонансной полости, по существу являются теми же, что и параметры, приведенные выше для панели Coroplast™ толщиной 10 мм. Этими аналогичными параметрами являются:
о
А - площадь отверстия;
f
V - объем складки, вычисленный как площадь поперечного сечения складки, умноженная на расстояние между складками;
Т - суммарная толщина панели.
Отверстия также могут быть сформированы в различных слоях 21, за исключением последнего листа, расположенного между складками 26, так что промежутки между складками могут быть использованы в качестве дополнительных резонансных полостей.
Третий вариант осуществления звукопоглощающей панели 30, показанный на фиг. 3, подобен показанному на фиг. 1, согласно которому панель содержит три формованных под давлением, имеющих двойные стены, гофрированных слоя 31. Все из несущих стенок, обозначенных ссылочным номером 32, и полочных стенок, обозначенных ссылочным номером 33, за исключением несущей стены на задней поверхности 34 панели 30, разрезаны вертикальными вырезами или пазами 36, выполненными протяженными перпендикулярно продольному направлению складок 37 гофрированных слоев 31. Вырезы 36 образуют отдельные отверстия 38 для каждой из складок 37. Аналогичными параметрами панели 30, показанной на фиг. 3, являются и:
о
А - площадь отверстия, вычисленная как ширина выреза, умноженная на ширину складки, т.е. расстояние между смежными складками;
f
V - объем складки между вырезами 36 или половина объема складки с каждой стороны выреза;
Т - толщина панели 30.
Следует отметить, что пропорции объема складки остаются справедливыми для каждого из описанных вариантов осуществления. Следует отметить, что если складки заблокированы на половине расстояния между отверстиями, расположенными по длине складки, например, в результате локального сминания или сжатия стенок, будут получены те же самые акустические результаты.
На фиг. 4 показана акустическая панель, подобная панели, показанной на фиг. 3. Панель 40 изготовлена из гофрированного картона, подобно панели согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 2. На чертеже показаны три гофрированных одностенных слоя из картона. Гофры формируют складки 42. Плоские стены 43 и гофрированные листы 44, за исключением плоской стены на задней поверхности 45 панели 40, прорезаны вертикальными вырезами 46, выполненными протяженными перпендикулярно продольному направлению складок 42. Отверстия 47 сформированы в местах пересечения вырезов 46 со складками 42.
Аналогичными параметрами панели 40 являются:
o
A - ширина выреза 46, умноженная на расстояние между складками;
f
V - объем складки 42 между смежными вырезами 46;
Т - толщина панели 40.
Промежутки 48 между складками 42, по существу имеющие тот же объем, что и складки, поглощают звук по существу на той же частоте максимального поглощения, что и складки.
Панели, показанные на фиг. 1-4, представляют собой примеры применения настоящего изобретения. В данных вариантах осуществления показаны три гофрированных слоя, однако следует подразумевать, что как один слой, так и четыре слоя могут быть пригодны для применения.
На фиг. 5 и 6 показаны графики характеристик звукопоглощения снабженных отверстиями гофрированных звукопоглощающих панелей, изготовленных согласно настоящему изобретению. Как видно, частота звука при максимальном поглощении составляет примерно 600 Гц, как показано на фиг. 5, и примерно 900 Гц, как показано на фиг. 6. Путем изменения параметров панели частота максимального поглощения в случае необходимости может быть уменьшена или увеличена.
Как указано выше, полости складки могут быть рассмотрены как резонирующие псевдополости Гельмгольца, обеспечивающие максимальное звукопоглощение на резонансной частоте. Подробные исследования показали высокую линейную корреляцию с расчетной резонансной частотой максимального поглощения при использовании аналогичных параметров, описанных выше. Примеры корреляции между расчетной и наблюдаемой частотами показаны на фиг. 7 и 8.
Если первоначально определены некоторые параметры, такие как толщина панели, площадь поперечного сечения складки и расстояние по длине складок между отверстиями, по меньшей мере два образца могут быть изготовлены с различными размерами отверстий. Резонансная частота или частота максимального поглощения может быть вычислена и определена на основании эмпирических результатов для данных образцов. Если идеальная фактическая резонансная частота не получена, для таких образцов может быть применена простая экстраполяция имеющихся точек данных для изменения значений аналогичных параметров для быстрого получения соответствующего значения выбранной переменной или переменных для получения необходимой частоты максимального поглощения. Путем выбора соответствующих значений аналогичных параметров, по существу любая звуковая частота между 200 Гц и 2000 Гц может быть установлена в качестве частоты максимального поглощения. Настоящее изобретение, осуществленное в соответствии с вышесказанным, особенно эффективно при изготовлении панели с частотой максимального поглощения между 200 Гц и 800 Гц. Обеспечение существенного звукопоглощения в слышимом диапазоне является затруднительным при использовании известной свойлаченной с водой или отлитой гипсовой потолочной плитки.
На фиг. 9 схематично показан подвесной потолок, в целом имеющий традиционную конструкцию, которая содержит горизонтальные металлические направляющие или профили 49, формирующие прямоугольную решетку, и звукопоглощающие панели 51, имеющие гофрированную конструкцию, описанную выше. Различные панели 51 настроены таким образом, что поглощают звуки с различными частотами, например, 250, 500, 1000 и 2000 Гц, и таким образом обеспечивают широкий диапазон звукопоглощения. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, одиночная панель может иметь несколько отдельных областей, каждая из которых имеет различные частоты максимального поглощения. В любом из последних примеров потолочная система может быть выполнена с возможностью поглощения звука во всем слышимом человеком диапазоне. Снабженные отверстиями лицевые поверхности панелей могут быть покрыты акустически прозрачными холстом или сеткой для визуальной маскировки отверстий. Полая природа различных панелей согласно описанным выше вариантам осуществления придает им характеристики многослойных панелей, такие как высокая жесткость относительно их массы. Относительно высокая устойчивость к провисанию может быть достигнута, например, путем обработки бумаги, из которой сформированы гофры, влагостойким материалом.
Следует отметить, что настоящее описание приведено в качестве примера, и могут быть сделаны различные изменения путем добавления, изменения или удаления деталей без отступления от истинного объема раскрытого изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено конкретными раскрытыми особенностями, за исключением формулы изобретения.