УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Предлагаемая полезная модель относится к строительству и может быть использовано в жилых, общественных и производственных помещениях, преимущественно для устройства межквартирных стен, а также при возведении стен, разделяющих помещения, к которым предъявляются повышенные требования в отношении звукоизоляции (офисы, гостиничные номера, специальные помещения, переговорные, домашние кинотеатры т.п.).
Предлагаемое техническое решение предполагается к использованию в качестве самодостаточных элементов здания, а именно стен. Однако возможны варианты применения решения как дополнительных элементов, то есть размещение вплотную к уже имеющимися частям здания (стенам, перекрытиям в уровне пола, перекрытиями в уровне потолка, колоннам, ригелям и т.п.).
Из уровня техники известно устройство - трехслойная звукоизоляционная панель (авторское свидетельство СССР на изобретение №251188) для снижения акустической энергии.
Известное устройство включает наружные плиты со звукопоглощающим промежуточным слоем в виде воздушного промежутка, в который вставлена диафрагма из металлической сетки, ячейки которой заполнены тяжелым материалом, например цементным раствором. При этом на внутренней стороне одной из плит сделаны взаимно перпендикулярные пазы.
Известное устройство недостаточно снижает акустическую энергию, ввиду отсутствия звукопоглощающих слоев внутри конструкции, что на практике приводит к возникновению стоячих волн в промежутке, главным образом, между стеной без пазов и диафрагмой, что порождает резонансные явления (толщинный резонанс). Эти явления вызывают на некоторых частотах усиление проникновения акустической энергии в защищаемое помещение.
Также при эксплуатации известного устройства обнаружилось нарушение одного из основных принципов звукоизоляции - принципа взаимности, который состоит в том, что при изменении направления движения звуковых волн на противоположное, звукоизоляция преграды не должна меняться. Иными словами, с какой стороны преграды на нее ни падал бы звук, звукоизоляция преграды должна оставаться неизменной.
Кроме того, известное устройство очень трудоемкое, сложное и дорогостоящее в исполнении. Его практически невозможно выполнить в условиях реального строительства.
Техническим результатом является снижение акустической энергии при прохождении ее из одного помещения в другое.
В основу полезной модели лег один из главных принципов звукоизоляции - принцип рассогласования импедансов, который состоит в том, что для получения большей звукоизоляции необходимо рассогласовать импедансы преграды и среды. При этом в устройстве в полной мере соблюдается указанный выше другой главный принцип звукоизоляции - принцип взаимности.
Отношение поглощенной силы звука к силе падающего звука называется коэффициентом поглощения α; отношение отраженной силы звука к падающей - коэффициентом отражения ε. [В. Целлер «Техника борьбы с шумом», Стройиздат, 1958, (стр. 35)]. Эти два коэффициента рассчитывают через показатель преломления л при нормальном падении луча на преграду по формулам (1) и (2):
I
II
где  - отношение акустических сопротивлений (импедансов) двух сред (z и z).
Выражения для α и для ε остаются неизменными, если n заменить на ; поэтому безразлично, какое отношение  или  будет принято за показатель преломления. Отсюда следует, что не имеет значения знание того, что представляет собой та из двух сред, в которую проникает звук.
В случае наклонного падения звукового луча формулы, естественно, усложняются. Однако упрощенные выражения (1) и (2) для случая нормального падения звукового луча вполне достаточны для основных выводов, которые здесь сделаны.
Выражения (1) и (2) наглядно иллюстрируют зависимость основных показателей звукоизоляции α и ε от рассогласования импедансов. При равенстве импедансов, показатель преломления n будет равен 1. Подставляя значение n=1 в формулы (1) и (2) находим, что при равенстве импедансов коэффициент внутреннего трения (поглощения) α будет максимальным и равным 1, а коэффициент отражения ε будет равен 0.
Указанный выше технический результат достигается наличием заполнения воздушного промежутка, по крайней мере одним слоем элементов заполнения, состоящих из тяжелой (mʺ) и гибкой диафрагмы, обладающей высоким коэффициентом отражения εʺ и модулем упругости Eʺ задемпфированной с двух сторон слоями, обладающими высокими коэффициентами внутреннего трения (поглощения) α' и α''' и/или коэффициентом внутренних потерь ηʺ. При этом, благодаря применению стыковочных реек, достигается монолитность каждого слоя элементов заполнения по всей его площади и придается ему дополнительная упругость.
Конструкция устройства поясняется рисунками, на которых показано:
- рис. 1: общий вид установленного между горизонтальными перекрытиями устройства в разрезе;
- рис. 2: аксонометрическая проекция трех элементов заполнения устройства;
- рис. 3: элементы заполнения в разрезе, вид сверху;
- рис. 4: графики изменения частотных характеристик;
- рис. 5: вид сечения стыковочной рейки.
В наиболее общем варианте выполнения устройство состоит из следующих элементов: двух несоприкасающиеся друг с другом стенок, размещенного между ними, по крайней мере, одного трехслойного звукоизолирующего элемента; упругих прослоек, которые размещаются в местах примыкания стенок устройства к горизонтальным плоскостям; стыковочных реек. Трехслойный звукоизолирующий элемент, который размещается в пространстве, образованном пластинами, состоит из двух «наружных», то есть примыкающих к пластинам слоев и одного внутреннего слоя, при этом импеданс и поверхностная плотность наружных слоев меньше импеданса и поверхностной плотности внутреннего слоя; а коэффициент прохождения (проницаемости) наружных слоев больше коэффициента прохождения (проницаемости) внутреннего слоя. Модуль упругости стыковочной рейки в любом случае должен превышать модуль упругости внутреннего слоя.
Геометрически в самом общем варианте пластины выполнены прямоугольными в плане, однако они могут иметь и другую конфигурацию в зависимости от конкретного помещения. Также преимущественно прямоугольными в плане являются и элементы заполнения (внутренние слои).
Форма стыковочной рейки преимущественно крестообразная, как наиболее простая в изготовлении и применении для совместного размещения слоев внутренних элементов, однако возможны и другие формы реек, один из которых представлен на рис. 5, данный вид сечения, совместно с крестообразным, впрочем, не является исчерпывающим.
Предпочтительный вариант конструкции устройства и предпочтительных относительных габаритов и физических свойств материалов изготовления элементов устройства (рис. 1) включает в себя следующие элементы:
1
2
1
2
вп
1-й. Две преимущественно параллельные друг другу пластины (поз. 1 и 2), несоприкасающиеся друг с другом, имеющие поверхностные плотности m и m, характеризующиеся акустическими импедансами z и z (далее «импеданс» или «импедансы»). Несоприкасающиеся пластины образуют пространство и, по сути, разделены воздушным промежутком (поз. 7) шириной  (мм), где m - натуральное число, и имеющим импеданс z=f(t), где t - температура воздуха в воздушном промежутке (в град);
2-й. Упругие прослойки (поз. 6) в местах примыкания стенок к горизонтальным плоскостям-перекрытиям (поз. 8) толщиной  (мм), где m - натуральное число;
вп
3-й. Заполнение воздушного промежутка (поз. 3), далее «заполнение», трехслойными звукоизолирующими элементами (поз. 4), далее «элемент заполнения», толщиной  (мм), где m - натуральное число, и в количестве n=f(i), где  - целое число элементов заполнения, укладывающихся в ширине воздушного промежутка δ, которые состоят из:
- первого слоя (поз. 9), характеризующегося толщиной  (мм), где m - натуральное число, импедансом z', поверхностной плотностью m', коэффициентом прохождения (проницаемости) т', коэффициентом отражения ε', модулем упругости E', коэффициентом внутреннего трения (поглощения) α';
- второго (среднего) слоя (поз. 10), характеризующегося толщиной  (мм), где m - натуральное число, поверхностной плотностью mʺ, импедансом zʺ, коэффициентом прохождения (проницаемости) тʺ, коэффициентом отражения εʺ, модулем упругости Eʺ, коэффициентом внутреннего трения (поглощения) αʺ;
- третьего слоя (поз. 11), характеризующегося толщиной  (мм), где m - натуральное число, импедансом z''', поверхностной плотностью m''', коэффициентом прохождения (проницаемости) т''', коэффициентом отражения ε''', модулем упругости Е''', коэффициентом внутреннего трения (поглощения) α'''.
р
- стыковочных реек (поз. 5), выполненных из пластика или металла, поперечное сечение которых преимущественно представляет собой крест, с толщиной полок, равной δʺ, и шириной полок, равной δ''', характеризующиеся модулем упругости Е.
При этом:
а. Для стенок должно быть выполнено одно из следующих соотношений:
1
2
1
2
(1) m=mи z=z
1
2
1
2
(2) m≠mи z≠z
б. Для упругих прослоек, на которые опираются пластины, должны быть выполнены соотношения:
1
1
1
(3) а≥50/g (в см), где g - вес первой пластины (в кгс)
2
2
2
(4) а≥50/g (в см), где g - вес второй пластины (в кгс)
в. Для элементов заполнения должны быть выполнены соотношения:
эз
(5) δ=δ'+δʺ+δ'''
(6) т+α+ε=1, как отражающее закон сохранения энергии;
(7) z' u z'''<zʺ
(8) m' и m'''<mʺ
(9) т' и т'''>тʺ
(10) ε' и ε'''<εʺ
(11) Е' и Е'''<Еʺ
(12) α' и α'''>αʺ
4. Для стыковочных реек должно выполняться условие:
Р
(13) Е≥Eʺ
эз
5. Заполнение составлено из отдельных элементов заполнения (рис. 2), представляющих собой две внешние плиты (первый и третий слои) шириной с, длиной b и толщиной δ, и второй (средний) слой, с шириной с, длиной b и толщиной δʺ, за счет образованной по всему периметру слоя канавки глубиной  (в мм), где m - натуральное число. Образованные по периметру канавки позволяют разместить в образующемся пространстве стыковочные рейки.
6. Элементы заполнения в каждом слое должны быть размещены в одной плоскости, как по горизонтали, так и по вертикали, и состыкованы между собой с помощью стыковочных реек (рис. 3).
«Звукопередача будет меньше, если между твердыми телами, обладающими значительным весом, толщиной и жесткостью, поместить легкую упругую прослойку. Такая прослойка представляет для падающего на нее звука упругую пластину, воспроизводящую колебание изгиба, на который с учетом некоторых сжимающих напряжений по периметру тратится значительная часть акустической энергии, падающей на эту пластину. В результате происходит излучение звука на противоположной поверхности пластины. С помощью такой прослойки достигается более высокая звукоизоляция, в основном, благодаря большим потерям энергии падающих звуковых волн» [В. Целлер «Техника борьбы с шумом», Стройиздат, 1958, (стр. 35-36)]. Эта закономерность используется в упомянутом выше известном устройстве.
Однако, как указывалось выше, наличие упругой прослойки, помещенной между двумя массивными телами (пластинами), тем более, единственной, для значительной части диапазона частот не приводит к желаемому уменьшению звукопередачи. Даже, наоборот, для некоторых частот наблюдается ухудшение звукоизоляции.
В полезной модели эта проблема решается путем демпфирования звуковых колебаний (вибрации) каждой упругой прослойки [второй (средний) слой каждого элемента заполнения] с целью преобразования колебательной (вибрационной) энергии в тепловую.
Для такого преобразования в устройстве на каждую упругую прослойку [второй (средний) слой каждого элемента заполнения] с двух сторон любым способом крепят, например, с помощью клея, термоскреплением и т.п. демпфирующие материалы [первый и третий слой каждого элемента заполнения], т.е. материалы, характеризующиеся высокими коэффициентами внутреннего трения (поглощения) α' и α''' [соблюдение условия (12)].
Выбор демпфирующих материалов [первый и третий слой каждого элемента заполнения] зависит от выбора материала для упругой прослойки [второй (средний) слой каждого элемента заполнения], его толщины δʺ, модуля упругости Еʺ и отражающей способности εʺ.
В устройстве упругую прослойку [второй (средний) слой каждого элемента заполнения] выполняют из вязкоупругих материалов (например, линолеум, гипсокартон, тексаунд и т.п.), а в качестве демпфирующих материалов [первый и третий слой каждого элемента заполнения] применяют маты или плиты из стеклянного, базальтового, минерального и т.п. волокна, из разного рода искусственных и естественных волокон, а также из различных акустических пористых материалов.
В случае применения устройства в качестве самодостаточной вертикальной ограждающей конструкции пластины (поз. 1 и 2) предпочтительно выполнять из легкого гомогенного бетона, облегченных пенобетонных и пазогребневых блоков, керамических и кирпичных щелевых блоков и т.п.
1
2
В случае применения устройства в качестве как дополнительного элемента, то есть размещение вплотную к уже имеющимися частям здания (стенам, перекрытиям в уровне пола, перекрытиями в уровне потолка, колоннам, ригелям и т.п.) роль одной пластины, например, с массой m, будет выполнять та часть здания, к которой устройство примыкает, а в качестве материалов другой пластины, т.е. с массой m, будут финишные отделочные слои этих частей здания, выполненные в соответствии с проектом, например, из ГКЛ, ГВЛ, ДСП, ЦСП и т.п.
При этом предпочтительными геометрическими размерами устройства являются:
а. Для стенок (поз. 1 и 2) ширина и высота определяются проектом, толщина в пределах от 70 до 150 мм;
эз
б. Для элементов заполнения (поз. 3) ширина с - в пределах от 400 до 1200 мм, длина b - в пределах от 600 до 800 мм, а толщина δ зависит от решения поставленной задачи по звукоизоляции помещения и размеров воздушной прослойки между пластинами (поз. 1 и 2).
Во всех случаях применения устройства предпочтительными материалами для стыковочных реек являются тонкий прочный и упругий пластик и/или метаплопластик, а также метал (тонкая оцинкованная сталь, алюминий).
Устройство работает следующим образом. Основная часть акустической энергии, которая прошла, например, через 1-й элемент устройства - массивную пластину I, тратится на колебание изгиба (вибрацию) второго (среднего) слоя элемента заполнения [при соблюдении условий (7), (8), (9), (10) и (11)]. При этом излучаемая в результате колебания (вибрации) этого слоя акустическая энергия демпфируется первым и третьим слоем элемента заполнения [при соблюдении условий (7), (8), (9), а также (12)]. Тот же процесс происходит и в случае противоположного воздействия акустической энергии, т.е. наоборот на 2-й элемент устройства - массивную пластину II. Поэтому, благодаря применению устройства, в полной мере соблюдается один из упомянутых выше главных принципов звукоизоляции - принцип взаимности.
Возникновение под действием звуковых волн упругих колебаний изгиба (вибрации) второго (среднего) слоя каждого элемента заполнения становятся возможными, только благодаря соблюдению условий (8), высокому коэффициенту отражения εʺ и модуля упругости Еʺ этого слоя [при соблюдении условий (10), (11) и (13)].
Демпфирующие свойства первого и третьего слоев каждого элемента заполнения обуславливаются их высокими коэффициентами внутреннего трения (поглощения) α' и α''' [при соблюдении условия (12)].
Чем больше на пути звукового луча будет преград в виде слоев элементов заполнения, тем выше будет эффективность устройства в отношении снижения звуковой энергии в целом. Поэтому звукоизолирующая способность устройства в общем виде может быть выражена формулой (3):
вп
где  - индекс изоляции воздушного шума устройства;  и  - индексы изоляции воздушного шума пластиной I и пластиной II соответственно;  - индекс изоляции воздушного шума каждым i-м слоем элементов заполнения; i=1, 2, … М - целое число элементов заполнения, укладывающихся в ширине воздушного промежутка δ.
Одновременно наличие слоистых элементов заполнения, в составе которых присутствует диафрагма - второй (средний) слой, обладающая отражающей способностью и упругостью, позволяет расстроить фазы колебания первых элементов устройства - внешних стенок I и II и ликвидировать потери звукоизолирующей способности конструкции, обычно возникающие в результате резонансных явлений в воздушном промежутке (толщинный резонанс), в диапазоне низких частот вблизи резонансной частоты, а также в результате волнового совпадения в области критической частоты в случае, если первые элементы устройства представляют собой тонкие пластины. Схематически графики изменения частотных характеристик показаны на рис. 4.
Наличие вкраплений повышенной плотности и упругости в виде стыковочных реек понижает остаточную деформативность вторых (средних) слоев каждого элемента заполнения в направлении нормали к их поверхности, сводит до нуля акустическую усталость конструкции, способствует дополнительному увеличению упругости второго (среднего) слоя каждого элемента заполнения, что также в значительной степени благотворно сказывается на звукоизолирующей способности устройства в целом.
Соблюдение условия (2) для первых элементов устройства - внешних стенок (поз. 1 и 2) способствует более сильному ослаблению резонансных явлений на частотах собственных колебаний эти слоев.
Монтаж устройства можно осуществлять, например, следующим образом.
Сначала в месте для установки устройства монтируется одна из стенок (поз. 1 или поз. 2), размещаясь на нижней упругой прослойке и под верхней упругой прослойкой. Пластина может быть как прикреплена к горизонтальным и\или вертикальным ограждающим конструкциям (уже сформированным другим стенам, полу, потолку), например, с помощью широких уголков с перфорациями, анкеров или иным способом; так и не крепиться к ним, удерживаясь в вертикальном положении за счет собственного веса. Затем проводится установка внутреннего заполнения путем размещения нескольких слоев элементов заполнения со стыковочными рейками между ними. После чего идентично первой устанавливается вторая пластина устройства.
Монтаж устройства может быть выполнен и в другой последовательности (например, если стены последовательно собираются из нескольких элементов, которые скрепляются друг с другом известными способами), что непринципиально для достижения результата.
С боковых торцов, т.е. в местах примыкания стенок к вертикальным элементам, т.е. к другим стенам, могут дополнительно размещаться прокладки. Пластины могут быть состыкованы с другими, уже установленными стенами различными способами. Например, в стене, к которой примыкает устройство, может быть выполнена штроба на всю высоту устройства, глубиной около 50 мм. В ней предварительно размещают прокладку, а затем в нее, по мере возведения, вставляют пластины; также возможно применение анкерного и других видов креплений.