НЕТКАНЫЙ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЙ КОМПОЗИТНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ МАТЕРИАЛ

Полезная модель относится к нетканому звукопоглощающему композитному многослойному материалу, предназначенному для обеспечения звукоизоляции строительных конструкций и сооружений, в частности для снижения шума внутри салонов транспортных средств, а также для изготовления шумозащитных конструкций, снижающих шум различных стационарных машин и механизмов, для придания акустического комфорта в различного рода помещениях.
Известен материал-аналог фирмы «EKSEN», представляющий собой многослойный звукопоглощающий материал, состоящий из пенополиуретановых полотен общей толщиной 33 мм и заключенного между ними «тяжелого слоя» толщиной 1,5-2,5 мм (http://eksensunger.com/index.php/en/procell/procell/procell-composite.html).
Однако эффективность звукопоглощения вспененных материалов недостаточна для качественного звукопоглощения, показатели звукопоглощения таких материалов достаточно низки.
Из уровня техники известен нетканый звукопоглощающий композитный многослойный материал, содержащий: лицевой слой, выполненный из звукопрозрачного материала с определенной поверхностной плотностью; верхний звукопоглощающий упругий слой из синтетических волокон в виде полиэфирного полотна с определенными толщиной, поверхностной плотностью и модулем упругости; массивную вибродемпфирующую прослойку с определенными толщиной и плотностью; нижний звукопоглощающий упругий слой из синтетических волокон в виде полиэфирного полотна с определенными толщиной, поверхностной плотностью и модулем упругости, причем соединения всех слоев выполнены посредством аэрозольного клея (см. RU 2549214, опубл. 20.04.2015).
Основным недостатком известного из прототипа звукопоглощающего многослойного материала является отсутствие сведений о том, как настроить изменяемые параметры, изменяемые характеристики и рецептуру всех входящих в состав слоев, чтобы добиться стабильного повышения звукопоглощающих свойств материала во всех его диапазонах изменяемых характеристик. Под влиянием упругих деформаций (изгибы, сжатие и другие статические нагрузки) звукопоглощающие свойства такого материала неконтролируемо изменяются.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков, целенаправленное повышение звукопоглощающих свойств в широком диапазоне октавных полос от 250 до 4000 Гц.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении звукопоглощающих свойств.
Заявляемый нетканый звукопоглощающий композитный многослойный материал содержит: лицевой слой, выполненный из звукопрозрачного материала; верхний звукопоглощающий упругий слой из синтетических волокон в виде полиэфирного полотна; массивную вибродемпфирующую прослойку; нижний звукопоглощающий упругий слой из синтетических волокон в виде полиэфирного полотна, причем соединения верхнего и нижнего упругих слоев с массивной прослойкой выполнены посредством аэрозольного клея.
2
2
3
2
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
Согласно полезной модели, лицевой слой имеет поверхностную плотность в диапазоне 10-80 г/м; верхний звукопоглощающий упругий слой имеет толщину S=20-40 мм, поверхностную плотность m=l 500-2500 г/м и модуль упругости при 10% сжатии E=l,0-2,5 кПа; массивная вибродемпфирующая прослойка имеет толщину 1,5-2,5 мм, плотность 1,8-2,5 г/см и коэффициент потерь 0,1-0,2; нижний звукопоглощающий упругий слой имеет толщину S=10-20 мм, поверхностную плотность m=150-500 г/м и модуль упругости при 10% сжатии Е=0,5-1,0 кПа, при этом для верхнего и нижнего звукопоглощающих упругих слоев соблюдается соотношение S/S=E/E, а лицевой слой соединен с верхним звукопоглощающим упругим слоем посредством каландрирования.
Звукопрозрачный материал лицевого слоя может представлять собой флизелин.
Материал массивной вибродемпфирующей прослойки может представлять собой резинобитумный слой или бутилкаучуковый слой.
С тыльной стороны звукопоглощающий материал может быть оснащен клеевым монтажным слоем, защищенным антиадгезионным слоем бумаги или пленки.
Верхний звукопоглощающий упругий слой с лицевой стороны может быть выполнен с волнообразной поверхностью.
Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг. 1 схематично показаны в сечении все заявляемые слои многослойного материала, на фиг. 2 показано трехмерное изображение поверхности материала с пространственной (волнообразной) поверхностью, на фиг. 3 показано сравнение нормальных коэффициентов по ГОСТу 16297 звукопоглощения предлагаемого материала в двух его вариантах (№763 и №843) и материала-аналога (№846).
Нетканый звукопоглощающий композитный многослойный материал (см. фиг. 1), содержит: лицевой слой 1, выполненный из звукопрозрачного материала; верхний звукопоглощающий упругий слой 2 из синтетических волокон в виде полиэфирного полотна (под термином «полотно» понимается плоская, широкая часть чего-либо, т.е. плоский широкий элемент); массивную вибродемпфирующую прослойку 3, нижний звукопоглощающий упругий слой 4 из синтетических волокон в виде полиэфирного полотна.
В качестве примера звукопрозрачный материал лицевого слоя 1 может представлять собой флизелин. Верхний звукопоглощающий упругий слой 2 с лицевой стороны, граничащей с лицевым слоем 1, может быть выполнен с волнообразной поверхностью для большего повышения звукопоглощающих свойств, при этом лицевой слой 1 будет повторять волнообразную поверхность верхнего упругого слоя (см. фиг. 2). В качестве примера материал массивной вибродемпфирующей прослойки 3 может представлять собой резинобитумный или бутилкаучуковый слой.
С тыльной стороны звукопоглощающий материал может быть оснащен клеевым монтажным слоем 5, защищенным антиадгезионным слоем 6 бумаги или пленки.
2
2
1
Соединения верхнего 2 и нижнего 4 упругих слоев с массивной прослойкой 3 выполнены посредством аэрозольного клея. Лицевой слой 1, имеющий поверхностную плотность в диапазоне 10-80 г/м, соединен с верхним звукопоглощающим упругим слоем 2, имеющим поверхностную плотность m=1500-2500 г/м, посредством каландрирования. Процесс каландрирования придаст равномерно уплотненную структуру верхним слоям, граничащим с лицевым слоем, и обеспечит плавное изменение акустического сопротивления от лицевого слоя к верхнему звукопоглощающему слою к лицевому, что позволит поглотить больше звуковой энергии и повысить звукопоглощающие свойства по сравнению с простым наклеиванием лицевого звукопрозрачного слоя 1 с верхним слоем 2.
1
1
1
2
Верхний звукопоглощающий упругий слой 2 имеет толщину S=20-40 мм, поверхностную плотность m=l500-2500 г/м и модуль упругости при 10% сжатии E=l,0-2,5 кПа. Под модулем упругости в кПа при 10% сжатии понимается характеристика напряжение-деформация при 10% сжатии по ГОСТ 26605-93 (ИСО 3386-1-86), измеряемая по методике п. 6 и 7, ГОСТ EN 826-2011, при этом модуль упругости при 10% сжатии - это отношение напряжения сжатия к соответствующей 10% относительной деформации образца при условии, что зависимость между этими характеристиками является прямо пропорциональной (10%-ная относительная деформация достигнута до начала возможной пластической деформации).
3
Массивная вибродемпфирующая прослойка 3 имеет толщину 1,5-2,5 мм, плотность 1,8-2,5 г/см и коэффициент потерь 0,1-0,2, измеренный при комнатной температуре 20°С на частоте вибрации 200 Гц по DIN 53440 (коэффициент потерь d показывает, какая часть энергии вибрации (структурных шумов) трансформируется в тепловую энергию; чем больше d, тем выше акустическая эффективность структурной прослойки, d зависит от температуры и частоты вибрации, необходимо стремиться к d=0,l или более). Термин «массивная» применен здесь потому, что указанная прослойка 3 имеет самую большую объемную плотность по сравнению с другими слоями и является более тяжелой относительно других слоев. Из-за своей массивности она имеет возможность демпфировать (гасить) вибрации звуковой энергии.
2
2
2
2
Нижний звукопоглощающий упругий слой имеет толщину S=10-20 мм, поверхностную плотность m=150-500 г/м и модуль упругости при 10% сжатии Е-0,5-1,0 кПа.
1
2
1
2
1
1
2
2
Для верхнего и нижнего звукопоглощающих упругих слоев должно соблюдаться соотношение S/S-E/E, которое обеспечивает одинаковую статическую деформацию обеих упругих слоев с указанными характеристиками при одинаковой статической нагрузке. Например, для слоя 2 с показателями S=30 мм и E=l,5 кПа, нижний слой 4 должен иметь показатели S=15 мм, Е=0,75 кПа.
2
2
2
2
Экспериментально было неожиданно выявлено, что в процессе работы заявляемого многослойного материала при возникновении упругих деформаций (изгибы, сжатие и другие статические нагрузки), благодаря выполнению равенства S/S=E/E, звукопоглощающие свойства материала останутся высокими, поскольку оба упругих слоя с указанными характеристиками в этом случае будут одинаково изменять свою статическую деформацию и свое акустическое сопротивление, правильно взаимодействуя с массивной прослойкой с указанными характеристиками, что обеспечивает повышение звукопоглощающих свойств.
2
2
1
2
Соотношение «S/S=E/E» из практических наблюдений обеспечивает наиболее низкую частоту резонансных колебаний массивного слоя на суммарной упругости обеих звукопоглощающих слоев, а значит и повышенное резонансное звукопоглощение многослойного материала, начиная с более низких труднодостижимых частот. При этом следует учесть, что из практических наблюдений каждый из упругих слоев многослойного звукопоглощающего материала определенного класса прочности и жесткости должен иметь модуль упругости не ниже определенной гарантированной величины Ео. Суммарный модуль упругости обеих упругих слоев также должен иметь минимальную величину, обеспечивающую большую эффективность звукопоглощения.
Для наглядного подтверждения повышения звукопоглощающих свойств за счет всех перечисленных отличительных от прототипа признаков, на фиг.3 показано сравнение в трубе Кундта нормальных коэффициентов звукопоглощения двух предлагаемых материалов (№763 и №843) и материала-аналога фирмы «EKSEN» (№846).
1
1
2
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
2
2
2
2
Предлагаемый материал №763 имеет флизелиновый лицевой слой, верхний звукопоглощающий упругий слой с толщиной S=25 мм и поверхностной плотностью m=2000 г/м, массивную вибродемпфирующую прослойку, нижний звукопоглощающий упругий слой с толщиной S=10 мм и поверхностной плотностью m=250 г/м, при этом S/S=E/E, и остальные характеристики материала подпадают под признаки н.п. 1 изложенной формулы полезной модели. Предлагаемый материал №843 имеет флизелиновый лицевой слой, верхний звукопоглощающий упругий слой с толщиной S=26 мм и поверхностной плотностью m=1500 г/м, массивную вибродемпфирующую прослойку, нижний звукопоглощающий упругий слой с толщиной S=10 мм и поверхностной плотностью m=250 г/м, при этом S/S=E/E, и остальные характеристики материала подпадают под признаки н.п. 1 изложенной формулы полезной модели. Материал-аналог фирмы «EKSEN» №846 представляет многослойный звукопоглощающий материал, состоящий из пенополиуретановых полотен общей толщиной 33 мм и заключенного между ними тяжелого слоя толщиной 1,5-2,5 мм.
Измерения звукопоглощающих свойств в условиях «плоской» звуковой волны показали преимущество предлагаемого материала (двух его модификаций) над аналогом (см. фиг.3) в большей части частотного диапазона от 250 до 4000 Гц, особенно - в наиболее труднодостижимой на практике низкочастотной области от 250 до 630 Гц, и более стабильно высокие показатели в диапазоне частот 1600-4000 Гц, при одинаковых толщинах сравниваемых материалов около 35 мм. При сравнении измеренных звукопоглощающих свойств предлагаемого материала с материалом прототипа (RU 2549214, опубл. 20.04.2015) получены такие же выводы, как и при сравнении с материалом-аналогом: при одинаковых толщинах сравниваемых материалов в большей части частотного диапазона предлагаемый материал обладает более высокими звукопоглощающими свойствами (коэффициентом звукопоглощения).
Материал массивной вибродемпфирующей прослойки 3 обеспечивает дополнительное поглощение звуковых волн в диапазоне резонансной частоты колебаний его на упругости синтетических полотен 2 и 4, определяемой по формуле:
где ƒ - собственная резонансная частота материала массивной вибродемпфирующей прослойки на суммарной упругости верхнего и нижнего слоев, Гц;
Един - суммарный динамический модуль упругости верхнего 2 и нижнего 4 слоев (полотен), кПа (арифметическая сумма динамических модулей упругости верхнего 2 и нижнего 4 слоев);
1
2
Ест - суммарный статический модуль упругости верхнего 2 и нижнего 4 полотен, кПа (арифметическая сумма статических модулей упругости верхнего 2 и нижнего 4 слоев, Е+Е); при этом статический модуль упругости слоев определяется по ГОСТ 26605-93, а динамический по ГОСТ 16297-80 (п. 2);
Хст - деформация полотен 2 и 4 под весовой нагрузкой массивной прослойки, см, т.е. статическая осадка массивной вибродемпфирующей прослойки на упругости верхнего и нижнего звукопоглощающих слоев.
Было также выявлено, что для максимального повышения звукопоголощающих свойств упругие слои должны быть подобраны таким образом, чтобы их соотношение суммарных статического и динамического модулей упругости находилось в диапазоне от 2,1 включительно до 2,5 включительно.
Предлагаемый материал имеет форму полотна (фиг. 2) и обладает устойчивостью по размерам. Соединение лицевого слоя с верхним полотном и изготовление нижнего полотна осуществляется способом каландрирования на технологических линиях, остальные соединения слоев осуществляются аэрозольными клеями. Предлагаемый материал, кроме повышения звукопоглощающих свойств, позволит также повысить теплоизолирующие свойства, защищает от увлажнения и стоек к ультрафиолету по сравнению с материалом-аналогом фирмы «EKSEN» (№846). Объемная плотность, и показатели сжатия полотна производятся по ГОСТ 17177-94. Нормальный коэффициент звукопоглощения определяется в трубе Кундта по ГОСТ 16297.
Верхний звукопоглощающий слой с волнообразной поверхностью может быть изготовлен следующим образом. Исходное полотно с удвоенной поверхностной плотностью вместе с двумя лицевыми слоями по краям подается в зазор между двумя вращающими валами, оснащенными выступами, сжимающими до определенной степени подаваемое волокно с лицевыми слоями для придания волнообразной поверхности. Далее сжатое и продвигаемое валами полотно с лицевыми слоями разрезается в зазоре между валами на две части, образуя плоскую гладкую поверхность, которая будет приклеена к вибродемпфирующей прослойке.
Звукопоглощающий материал работает следующим образом. Звуковая энергия направляется хаотичным образом к поверхности материала. Встречаясь со звукопрозрачным слоем, звуковой поток проходит через множество извилистых каналов, образованных в указанном слое и каландрированным с ним верхним звукопоглощающим слоем, поглощая звуковую энергию, в том числе на большой площади волнообразной поверхности, образованной выступами и впадинами (если такая волнообразная поверхность присутствует). Вместе с этим звуковой поток, распределяясь по извилистым многочисленным каналам слоев, в том числе по каналам, образованным синтетическими полиэфирными волокнами с определенной плотностью, толщиной и модулем упругости, ослабевает и проходит вовнутрь материала полотна, встречая на своем пути массивную вибродемпфирующую прослойку определенной толщины, плотности и коэффициентом потерь. После демпфирования звуковая энергия попадает в нижний слой на основе полиэфирных волокон, где повышается трение звуковой волны и происходит поглощение звука. Звуковая энергия также может проходить как от лицевого слоя к нижнему звукопоглощающему слою, так и наоборот, а также с обоих сторон. При этом в любом случае благодаря правильно подобранной плотности, толщине, модулю упругости, составу всех вышеперечисленных слоев и их скреплению друг с другом, звукопоглощающие свойства материала останутся высокими, поскольку оба упругих слоя будут одинаково изменять свою статическую деформацию и свое акустическое сопротивление, правильно взаимодействуя с массивной прослойкой. В результате всех этих процессов происходит качественное и эффективное комплексное поглощение звука практически во всем диапазоне частот.
1
2
1
2
Повышение звукопоглощающих свойств достигается за счет создания композитной многослойной структуры с использованием двух слоев полиэфирных полотен различных плотностей, массивной вибродемпфирующей прослойки и звукопрозрачного лицевого слоя. По мере прохождения такой разнородной структуры звуковая волна многократно изменяет свое акустическое сопротивление (импеданс), что приводит к эффективному звукопоглощению в широком диапазоне звуковых частот при использовании материала небольшой толщины. Соотношение S/S-E/E обеспечивает одинаковую статическую деформацию обеих упругих слоев при одинаковой статической нагрузке, что обеспечивает при относительно небольшой толщине упругих слоев получение резонанса массивной вибродемпфирующей прослойки на более низкой частоте, увеличение коэффициентов звукопоглощения многослойного материала в наиболее труднодостижимой низкочастотной области.
Таким образом, применение предложенного нетканого звукопоглощающего композитного многослойного материала обеспечивает в конечном итоге повышение звукопоглощающих свойств.
Следует отметить, что любой из упомянутых в материалах заявки диапазон, интервал включает в себя свои граничные значения.