Многослойная звукоизолирующая конструкция
MULTILAYER SOUNDPROOF STRUCTURE

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для снижения уровня шума в судовых помещениях, а также в жилых и производственных помещениях, за счет повышения уровня звукоизоляции звукоизолирующих конструкций, препятствующих проникновению широкополосного шума в помещения, вызываемого вибрацией ограждающих конструкций.
1
2
1
3
1
Известна многослойная звукоизолирующая конструкция, содержащая двухслойную пластину, имеющую N отверстий для крепления ее к поверхности, N - натуральное число, при этом двухслойная пластина состоит из первого слоя с коэффициентом потерь энергии акустических колебаний К и второго слоя с коэффициентом потерь энергии акустических колебаний К>К, обращенного к твердой поверхности, а стенки одного или более отверстий покрыты материалом с коэффициентом потерь энергии акустических колебаний К>К (Патент РФ №2140498, МПК Е04В 1/82, 1999 г.).
Недостатком данной конструкции является возможное снижение в широкой полосе частот уровня звукоизоляции из-за использования звукоизолирующих слоев из жесткого материала, в котором могут возникать резонансные колебания, снижающие величину звукоизоляции вблизи частот резонансов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является многослойная звукоизолирующая конструкция, содержащая несколько чередующихся пластин из последовательно соединенных слоев звукопоглощяющего и звукоизолирующего материала, закрепленных на колеблющейся твердой поверхности и декоративную внешнюю панель, при этом в звукопоглощающих и звукоизолирующих слоях выполнены отверстия, в которых размешены виброизоляторы, закрепленные между колеблющейся твердой поверхностью и декоративной внешней панелью с обеспечением зазора между колеблющейся твердой поверхностью и первым звукоизолирующим слоем, при этом звукоизолирующие слои выполнены из материала с плотностью и коэффициентом потерь энергии акустических колебаний, превышающими плотность и коэффициент потерь энергии акустических колебаний слоев из звукопоглощающего материала, декоративная внешняя панель выполнена из двух одинаковых по толщине слоев, в промежутке, между которыми, размещен вибропоглощающий материал, причем слои декоративной панели соединены между собой резьбовыми элементами. (Патент РФ, №2570693, МПК Е04В 1/82 от 20.06.2001 г.).
Недостатком данной многослойной звукоизолирующей конструкции в широкой полосе частот также является ослабленная звукоизолирующая способность пластин из сплошного материала, используемых в конструкции звукоизолирующих слоев, из-за возникающих в них резонансных колебаний, что приводит к снижению звукоизоляции вблизи частот резонансов.
Техническим результатом изобретения является повышение звукоизоляции многослойной звукоизолирующей конструкции.
m
p
a
a
p
m
2
2
2
4
2
-3
3
Технический результат достигается за счет того, что в многослойной звукоизолирующей конструкции звукопоглощающие слои чередуются со звукоизолирующими слоями из материала с плотностью, существенно превышающей плотность звукопоглощающего материала, не имеющими изгибной жесткости (упругости), что приводит к отсутствию резонансов колебаний звукоизолирующих слоев. Устранение изгибной жесткости достигается тем, что звукоизолирующие слои состоят из плотно прилегающих друг к другу гранул (стальные шарики, свинцовая дробь и т.п.), которые могут быть залиты в эластичную поддерживающую основу (полиэтилен, полиуретан и др.), необходимую для формирования собственно слоя. Такой слой обладает только инерционным, массовым импедансом Z=jωm[кг/мсек], (ω=2πƒ - угловая частота, m=ρh[кг/м] -поверхностная масса), что исключает возбуждение в нем изгибных резонансов, существенно уменьшающих величину звукоизоляции конструкции в целом. Толщинно-массовые характеристики звукоизолирующего слоя выбираются исходя из условия обеспечения им эффективного отражения звуковых волн с целью создания их многократных отражений внутри звукопоглощающих прослоек. Для этого коэффициент отражения от звукоизолирующего слоя должен составлять не менее |R|≈0.8-0.9. Учитывая, что  где Z - комплексный волновой импеданс звукопоглощающего материала, и что в области низких и средних частот |Z≈2000 кг/м/сек, можно заключить, что на нижней частоте f [Гц] интересующего диапазона частот для выполнения условия |R|≈0.8-0.9 величина инерционного импеданса звукоизолирующего слоя должна составлять |Z|≈2⋅10 кг/мсек. На основе данного условия получается, что при однородном негранулированном слое его толщина должна была бы составлять  где ρ - плотность материала звукоизолирующего слоя. В случае гранул имеет место их неполное прилегание друг к другу. Как показывают расчеты, при самой плотной упаковке сферических гранул коэффициент заполнения ими объема пространства составляет  а расстояние между центрами сфергде D - диаметр сферы. Учитывая, что при формировании звукоизолирующего слоя даже сферическими гранулами самое плотное их прилегание не может быть обеспечено, на основании данных экспериментов следует принять K≈0.5, a d≈D. Тогда минимальная толщина звукоизолирующего слоя составит  Например, для частоты f=100 Гц и форме гранул в виде стальных шариков получается h≈8⋅10 м, при свинцовых h≈5.6" 10" м. Для обеспечения сплошности звукоизолирующего слоя необходимо, чтобы он состоял хотя бы из трех слоев гранул. Исходя из этого максимальный размер гранул должен составлять
На чертеже приведена схема предложенной многослойной звукоизолирующей конструкции.
Многослойная звукоизолирующая конструкция содержит колеблющуюся твердую поверхность 1, воздушный зазор 2, набор звукопоглощающих слоев 3, 5, 7, чередующихся с звукоизолирующими слоями 4 и 6, выполненных из гранулированного материала и отличающимися от прототипа, декоративную композитную панель 8, состоящую из двух твердых слоев, с вибропоглощающей прослойкой 9, скрепляющих винтов 10, а также виброизоляторов 11.
Устройство работает следующим образом. Как известно, принцип действия многослойной звукоизолирующей конструкции основан на многократном отражении энергии звуковой волны между звукоизолирующими слоями, что приводит к интенсивному поглощению звуковой энергии в звукопоглощающих слоях. При этом за счет отсутствия резонансов в широкой полосе частот, из-за снижения (отсутствия) упругости звукоизолирующая способность слоев 4, 6 из гранулированного материала, повышается, что способствует повышению звукоизоляции многослойной конструкции, в целом. Виброизолятор 9 с упругим элементом из резины либо полимера с высокими внутренними потерями, является узлом конструкции, который препятствует передаче виброакустической энергии между твердой поверхностью и декоративной панелью.
3
3
3
4
6
5
3
3
Работоспособность устройства проверена в экспериментах с многослойной звукоизолирующей конструкцией. Слои звукопоглощающего материала 3, 5 и 7 могут быть изготовлены из материалов БЗМ, Rochwool, Шуманет (минеральные плиты) плотностью от 30 до 80 кг/м, толщиной от 2 до 5 см. Сферические гранулы, размещенные в конструкции звукоизолирующих слоев 4 и 6 в соответствии с формулой изобретения, должны иметь плотность в пределах 7800 кг/м - 11700 кг/м (например, металлические опилки или шарики). Жесткость виброизоляторов может изменяться в пределах от 2,5⋅10 Н/м до 10 н/м, оптимум 2,5⋅10. Коэффициент потерь виброизоляторов должен составлять не менее 0.2. Декоративная панель 8 может быть выполнена из материала слопласт толщиной 10 мм и плотностью 1200 кг/м или материалов ГКЛ, ГВЛ толщиной 10 мм, плотностью 1200 кг/м, а прослойка 9 может состоять из полимерного вибропоглощающего материала или из песка.
Таким образом, предлагаемая структура многослойной звукоизолирующей конструкции должна включать в себя чередующиеся звукопоглощающие 3, 5 и 7 и звукоизолирующие, массовые слои 4 и 6. Их количество зависит от ограничений, наложенных на массово - габаритные параметры конструкции. При этом звукоизолирующие слои 4, 6 должны быть выполнены из гранулированного материала с плотностью, существенно превышающей плотность слоев из звукопоглощающего материала 3, 5 и 7. Толщина слоев и размеры гранул в слоях 4, 6 определяются нижней частотой спектра заглушаемого шума, то есть шума, в условиях которого используется многослойная звукоизолирующая конструкция.
Таким образом, в качестве материала звукоизолирующих слоев многослойной звукоизолирующей конструкции необходимо использовать гранулированный материал с минимальной толщиной слоев h, определяемой по формуле
при этом максимальный размер гранул D в слоях определяется по формуле
1
где ρ плотность материала гранул [кг/м3], а ƒ[Гц] - нижняя частота частотного диапазона шума, являющегося субъектом защиты многослойной конструкции.