вход на сайт
42-13-00
пн-пт 9:00-19:00
сб 10:00-18:00
вс выходной
Физика процесса

Звукоизоляция
 
Рассмотрим поведение звуковой волны на границе двух сред, например воздух и металл (с малым и большим коэффициентом акустического сопротивления). Когда звук произвольной частоты падает перпендикулярно из среды с малым акустическим сопротивлением(воздух) на границу со средой с большим акустическим сопротивлением(металл), звуковая волна при отражении оказывает попеременное давление на металл почти вдвое превышающее звуковое давление в воздухе, этот феномен описан более подробно здесь. Вот основные формулы, которые понадобятся нам для дальнейшего обьяснения:

звуковое давление в продольной волне (колебания направлены по пути ее движения)
p=Z∙v
где
Z – коэффициент  пропорциональности представляет  собой  акустическое сопротивление  среды,  равное   произведению  плотности  среды  на  скорость распространения  звука в  ней ,
v – колебательная скорость частиц

интенсивность или сила звука, представляющей  собой  поток  звуковой  энергии  через  единицу площади фронта волны в единицу времени
J=p^2/Z=v^2/(2∙Z)

Итак, при отражении звуковой волны в металле образуется переменное давление вдвое больше давления в волне, соответственно и громкость удваивается, так как слуховые аппараты большинства животных реагируют именно на величину звукового давления. Удивительное происходит если внимательно посмотреть на формулы приведенные выше. Пусть звуковое давление p увеличится в 2 раза, тогда числитель первой дроби увеличится в 4 раза, но ввиду того что коэффициент звукового сопротивления среды Z в знаменателе увеличится в тысячи раз, звуковая энергия во второй среде(металл) будет ничтожно мала. Так например в воду из воздуха переходит лишь малая доля энергии падающей волны, а в металл и того меньше. Звуковая энергия почти полностью отражается от границы раздела среды с большим акустическим сопротивлением. Скорость же частиц во второй среде будет ничтожна из-за того что передалось лишь мизерное количество звуковой энергии, а коэффициент акустического сопротивления среды очень большой.
При обратном переходе, колебательная скорость во второй среде будет близка к удвоенному значению, а звуковое давление близко к нулю, при ничтожной величине передаваемой энергии звука.



Следует помнить о явлении резонанса совпадения. Суть его заключается в том, что при равенстве фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности пластины и скорости изгибных волн в пластине падающая волна должна полностью пройти через пластину. Иными словами, при данной частоте и данном угле падения звука звукоизоляция пластины будет равна нулю, если в ней нет потерь энергии. "Дефективный" резонанс совпадения обусловил довольно противоречивую картину зависимости звукоизоляции  от толщины стенки. С одной стороны, увеличение толщины стенки согласно "закону массы" увеличивает звукоизоляцию, но с другой стороны, поскольку при этом уменьшается отношение массы стенки к ее изгибной жесткости, ухудшающий звукоизоляцию резонанс совпадения проявляется на более низких частотах и захватывает  более  широкую полосу частот. Так как в диффузном, размешанном звуковом поле все углы падения звука на пластину равновероятны, то при этом виде поля, полоса частот резонанса совпадения каждой перегородки (а следовательно, и полоса частот, в которой перегородка пропускает звук) достаточно широка. Для хорошей звукоизоляции материал должен быть твердым, тяжелым и гибким.



Звукопоглощение

Человеческий слуховой аппарат устроен таким образом, что полное звукопоглощение (отсутствие отраженного звука) не комфортно для восприятия полезной информации, например речи и музыки. Так для лучшей разборчивости голоса время реверберации(послезвучание отраженных волн) должно быть от 0,5 до 1 секунды, а для восприятия музыки от 1 до 2 секунд.
Звукопоглощающим называют такой материал, в котором твердое вещество занимает только часть общего объема. При этом частицы твердого вещества относительно равномерно распределены по всему объему, образуя многочисленные микроскопические полости, сообщающиеся между собой. Колебания воздуха, вызываемые действие звукового давления на поверхность материала, распространяются в этих полостях с затуханием, которое обусловлено вязкостью воздуха в порах и трением с поверхностью стенок пор.
Эластичные пенопласты изготавливаемые из сложных полиэфиров, имеют ячеистую структуру, в которой стенки пор являются гибкими полимерными пленками. К таким материалам относятся пенополиэтилены, каучуки и пенополипропилены. Колебания таких пленок вызывают дополнительные потери звуковой энергии в среде. Общим признаком для тех и других звукопоглощающих материалов является наличие в них сквозных (сообщающихся) пор, через которые относительно свободно проходит поток воздуха.
Для достижения большого звукопоглощения должны быть выполнены некоторые условия, в частности, обеспечена достаточная толщина звукопоглотителя (тем большая, чем ниже частота звука), отсутствие заметного скачка акустического сопротивления на границе среда-поглотитель.
При оценке реакции слоя звукопоглотителя на падающую звуковую волну учитывается лишь сопротивление слоя в направлении, перпендикулярном его поверхности. "Необоримый"  нормальный  импеданс приводит к  тому, что в дело вмешивается косинусоидальная зависимость поглощения от угла падения звука: звуковая волна, приходящая к звукопоглотителю вблизи от перпендикуляра к его поверхности, лучше поглощается, чем волны, падающие под косыми углами.

Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка фронта волны сама является источником сферической волны, то к кромке звукоизолятора помимо прямого звукового луча от источника придет часть энергии звука, рассеянного прилежащей к кромке отражающей поверхности. В результате плотность звуковой энергии увеличивается. Кромка звукопоглотителя таким образом поглощает дополнительную звуковую энергию, этот эффект называется «кромочным эффектом».



Вибропоглощение (вибродемпфирование)

Вибропоглощение – метод снижения вибраций путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рассеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из которых изготовлена конструкция, и в местах сочленения ее элементов. Толщина наносимого слоя должна быть в 2-3 раза больше толщины колеблющейся конструкции. В большинстве случаев вибропоглощающим материалом демпфируют изгибные колебания конструкций типа пластин.
Кроме жестких покрытий применяют также: армированные покрытия, когда на слой вибропоглощающего материала наносится тонкий слой другого материала (обычно металла), который упрочняет, усиливает или защищает вибропоглощающий слой; слоистые покрытия, когда толщина упрочняющего металлического слоя близка к толщине пластины; и мягкие наружные покрытия, которые представляют собой слой вибропоглощающего материала, легко сжимаемого по толщине и рассеивающего энергию изгибных колебаний в результате деформаций в поперечном направлении.


Дополнительная информация

В разделе "Статьи, книги, FAQ" вы сможете найти много дополнительной документации по теории волновых колебаний и акустике.




Мы переехали!