Основы звукоизоляции в строительстве

Проблема звукоизоляции в зданиях в настоящее время является особенно острой, поскольку старые массивные конструкции, надежно изолирующие помещения от шума, уступают место легким сборным индустриального типа. Достигнуть хорошей звукоизоляции, применяя легкие сборные конструкции, гораздо труднее в сравнении с тяжелыми ограждениями, так как чем больше вес ограждающей конструкции, тем лучше звукоизоляция.

Необходимые звукоизоляционные качества сборных ограждающих конструкций облегченного веса можно обеспечить лишь при условии соблюдения специальных требований и изыскания принципиально новых конструктивных решений, обеспечивающих надежную звукоизоляцию (например, раздельные ограждения, слоистые и др.). Сложные задачи в отношении звукоизоляции зданий могут быть успешно разрешены инженерами-строителями лишь при углублении их зданий в области строительной акустики.

Общие понятия о звуке и его свойствах

Звук представляет собой волнообразное колебательное движение, распространяющееся в упругой газообразной, жидкой или твердой среде. В пустоте звук распространяться не может. Источником звука является какое-либо вибрирующее тело, например струна, камертон и др. Колебания источника звука возбуждают в упругой среде колебания ее частиц, которые последовательно, от частицы к частице, распространяются в среде волнообразно с определенной скоростью в виде звуковых волн. При этом частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной, — они только колеблются, попеременно смещаясь и возвращаясь в первоначальное положение.

Различают следующие виды звуковых волн: продольные, в которых колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны, и поперечные, когда частицы среды движутся перпендикулярно направлению, в котором распространяется волна. В твердых телах звук может распространяться как в виде продольных, так и поперечных волн, в жидкой и газообразной среде — только в виде продольных. Кроме того, в конструктивных элементах зданий, имеющих вид плит и испытывающих колебания изгиба (в перекрытиях, перегородках, стенах), возникают изгибные звуковые волны.

На рис. 18 показан стальной стержень, закрепленный нижним концом. Если отклонить стержень от положения равновесия и затем отпустить, то он начнет колебаться. Колебания стержня вызовут в воздухе избыточное давление ?р.

Повышенное давление, создаваемое в воздухе действием упругой силы стержня, называют звуковым давлением упругой силы стержня и обозначают Р. Чем больше амплитуда колебаний звучащего тела, тем больше звуковое давление и тем громче ощущаемый нами звук.

Единица измерения звукового давления бар равен 1 дн/см², или приближенно одной миллионной атмосферного давления, т. е. давлению в 1 мГ/см². В Международной системе единиц физических величин (СИ) за единицу измерения звукового давления принят ньютон на квадратный метр — Н/м².

Величину звукового давления Р определяют по формуле

где р — давление воздуха до начала колебания источника звучания; ?р — избыточное давление, создаваемое источником звучания.

Высота тона звука зависит от его частоты, т. е. числа полных колебаний в течение 1 сек. Единицей измерения частоты служит герц (сокращенно гц), равный одному колебанию в секунду. Ухо человека воспринимает звуки, имеющие частоту в пределах от 16 до 20 000 гц. Чем больше частота, тем выше тон.

Различают собственную частоту колебания тела, с которой оно колеблется после прекращения однократного мгновенного действия на него внешней силы, и частоту вынужденных его колебаний, возникающих при периодическом воздействии на тело внешней силы.

Скорость распространения звуковой волны в какой-либо среде и есть скорость звука в этой среде. Быстрее всего звук распространяется в твердых телах, несколько медленнее — в жидкостях и медленнее всего — в воздухе. Так, скорость звука в воздухе ?340 м/сек, в воде — 1450, в бетоне — 4000, в стали — 5100 м/сек.

Расстояние, на которое распространяется звуковая волна за время одного полного колебания, или, как говорят, одного периода колебания, называется длиной волны.

Длина звуковой волны определяется частотой и скоростью звука. Если обозначить частоту через f, а скорость — буквой с, то длина волны ? определится по формуле

Слух человека обладает способностью одинаково реагировать пе па абсолютный прирост частоты, а на относительное ее изменение. Равные отношения частот дают ощущения равных изменений высоты тона. Так, увеличение любой частоты вдвое всегда приводит к ощущению повышения тона на определенную величину, которая называется октавой.

Количество энергии, переносимое звуковой волной за 1 сек через площадку в 1 см², перпендикулярную направлению движения волны, называют силой звука и выражают в ваттах на 1 см² (вт/см²). Сила звука пропорциональна квадрату звукового давления Р, которое легко удается измерить с помощью микрофона.

Пока не создано простых способов, позволяющих непосредственно измерять силу звука или энергию звуковых колебаний.

Ухо человека может ощущать звук только в том случае, когда его сила не меньше определенной величины, называемой порогом слышимости. Верхний предел силы звука, который воспринимается как болевое ощущение, называется болевым порогом.

Сила звука у порога слышимости равна 1·10^—16 вт/см², а у болевого порога — около 1·10^—2 вт/см²; следовательно, силы этих звуков отличаются одна от другой в 10¹⁴ раз.

Человеческое ухо приспособлено к таким крайностям в величине силы воспринимаемого звука. Приспособляемость эта обусловлена тем, что, по закону Вебера—Фехнера, ощущение возрастает пропорционально логарифму величины раздражения, т. е. наше нервное слуховое восприятие пропорционально пе силе звука, а ее логарифму. Например, звук силой в 10 единиц по сравнению со звуком силой в 1000 единиц кажется нам слабее не в 100 раз, а только в 3 раза (lg₁₀1000 = 3). Чтобы не оперировать со столь большими цифрами, в акустике пользуются логарифмическим масштабом.

Для получения представления о степени силы звука введено понятие уровня силы звука, который выражается логарифмом отношения силы данного звука к силе звука па пороге слышимости, условно принимаемой за единицу сравнения. Уровень силы звука, обозначаемый L, измеряют в логарифмических единицах, которые называют бел (б):

где J — сила дапного звука; J₀ — сила звука на пороге слышимости.

Удобнее за единицу уровня силы звука принимать величину, равную 0,1 б, называемую децибелом (сокращенно дб). Изменения уровня силы звука меньше чем на 1 дб обычно на слух пе заметны. Очевидно, что уровень силы звука в децибелах будет выражаться формулой

Звуковые волны в диапазоне, воспринимаемом ухом человека, оказывают звуковые давления примерно от 10^—4 до 102 бар. Чтобы было удобнее учитывать звуковые давления, измеряющиеся в столь широких пределах, для измерения давления принята логарифмическая децибельная шкала. Нуль этой шкалы условно соответствует звуковому давлению Р₀=0,0002 бар или уровню силы звука J₀=10^—16 вт/см². Любое значение звукового давления Р, измеренное по этой шкале в логарифмических единицах, называют уровнем звукового давления.

Численно уровень звукового давления в децибелах определяется как 20-кратный десятичный логарифм отношения звукового давления Р к звуковому давлению на пороге слышимости Р₀=0,0002 бар:

Так как сила звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления, то уровень силы звука в дб можно подсчитать исходя из величины звукового давления:

Между уровнем звукового давления в барах и децибелах существует зависимость, приведенная в табл. 12.

Так, на рис. 19 показана косвенная передача звука из помещения I, где имеется источник звука, не только в смежное помещение II через разделяющую эти помещения перегородку А, по и в помещения III и IV путем распространения волн изгиба в перегородке А по направлениям 1 и 2. В дополнение к этому в помещения II, III и IV звук проникает путем распространения волн изгиба в перегородке Б по направлениям 3 в 4.

Рассматривая пути распространения воздушного шума в здании, необходимо также учитывать, что такой шум, достигая стен, перегородок и перекрытий, в дальнейшем может преобразоваться в корпусный (т. е. распространяющийся в твердых телах) и затем снова в воздушный. Однако при этом всегда происходят значительные потери звуковой энергии, ограничивающие зоны распространении шума.

Ударный шум распространяется по перекрытиям и стенам на значительно большие расстояния, чем воздушный, хотя он тоже постепенно затухает. Интенсивность затухания ударного шума зависит от степени однородности материала, его модуля упругости и от количества участков сопряжения элементов конструкций друг с другом.

В железобетоне и металлах интенсивность затухания ударного шума невелика, так как эти материалы однородны и обладают незначительными потерями на внутреннее трение. В кирпичной кладке затухание ударного шума ослабляется больше вследствие неоднородности конструкции (кирпич и раствор в швах).

Звукоизоляция от воздушного и ударного шума

Звукоизоляция ограждения характеризуется его свойством ослаблять уровень силы звука или уровень звукового давления шума, проходящего через ограждение. За единицу измерения звукоизоляции принят децибел.

Чтобы достигнуть надежной звукоизоляции помещения от воздушного шума, необходимо не допускать в ограждении щелей, отверстий и неплотностей сопряжений, а также не допускать возможности появления его изгибных колебаний. Последнее требование будет удовлетворено, в частности, в том случае, если ограждение будет тяжелым. Чем больше вес 1 мг ограждения, тем труднее вызвать в нем изгибные колебания и, следовательно, тем выше его звукоизолирующая способность.

Новейшие исследования в области звукоизоляции ограждений от воздушного шума показывают, что звукоизоляция зависит не только от веса 1 м² ограждения, но и от его жесткости. Установлено, что скорость волн изгиба в плоских плитных ограждениях зависит от частоты звука и от толщины ограждения.

Волны изгиба в элементах большой толщины распространяются быстрее, чем в тонких. Кроме того, волны изгиба более высоких частот распространяются скорее, чем частот низких. В результате для каждой плиты можно определить такую частоту, при которой скорость распространения волн изгиба равна скорости звука в воздухе. Эту частоту называют критической.

При частотах более высоких, чем критическая, может резко снизиться величина звукоизоляции ограждения. В этом случае на графике зависимости звукоизоляции от частоты получится так называемый провал, указывающий па нарушение закона зависимости звукоизоляции от веса 1 м² ограждения. Причиной этого нарушения служит так называемое волновое совпадение, которое получается в тех случаях, когда звуковые волны падают на ограждение под косым углом, и проекция длины падающей волны ? (рис. 20) для определенной частоты равна длине волны изгиба ?_изг.

Волновое совпадение резко увеличивают изгибные колебания в ограждении. Однослойные перегородки, имеющие вес от 30 до 100 кГ/м² наиболее подвержены явлению волнового совпадения колебаний. Для таких перегородок значения критических частот находятся в пределах от 300 до 800 гц, т. е. в диапазоне звуковых частот, хорошо воспринимаемых слухом.

Звукоизолирующая способность легких однослойных перегородок от воздушного шума незначительна. Если ограждения имеют большую гибкость, то критическая частота бывает более высокой и, следовательно, провал может выйти за пределы частот, воспринимаемых слухом.

Уменьшить передачу изгибных звуковых волн при косвенной передаче шума можно заполнением стыков между конструкциями такими материалами, упругость которых значительно отличается от упругости основного материала конструкции (например, пробка, каучук, свинец).

В ограждениях, имеющих небольшую звукоизолирующую способность, косвенной передачей звука можно пренебречь.

Звукоизоляция ограждений зависит также от частоты изолируемого звука. Звуки низкой частоты легче проникают через ограждение, высокой — труднее. Для объяснения этого явления приведем следующий пример. При открывании двери, снабженной пружиной, если медленно увеличивать силу нажима, мы почувствуем упругое сопротивление пружины. Если же быстро толкать дверь, то сопротивляться толчку будет дверь, масса которой окажет инерционное сопротивление.

Подобного рода инерционное сопротивление оказывает ограждение действующим на него звуковым волнам. Если низкие частоты, при которых давление на ограждение действует медленно, смогут его раскачать и привести в колебание, то высокие частоты, при которых давление будет действовать кратковременно, не смогут преодолеть инерцию ограждения и привести его в колебание. Поэтому под воздействием низких частот ограждение, колеблясь, будет передавать в соседнее помещение больше звуковой энергии, чем под воздействием частот высоких, и, следовательно, звукоизоляция ограждения с ростом частоты действующих на него звуковых волн увеличивается.

Для выбора ограждающей конструкции с надежной звукоизолирующей способностью необходимо знать ее частотную характеристику, т. е. иметь кривую, показывающую зависимость величины звукоизоляции конструкции (в дб) от частоты изолируемого звука.

Ввиду того что основная часть звуковой энергии обычных шумов, возникающих в зданиях, заключена в области сравнительно низких частот, при исследованиях звукоизоляции ограждений ограничиваются частотной характеристикой в пределах от 100 до 3200 гц.

На рис. 21, а показана нормативная кривая звукоизолирующей способности ограждения от воздушного шума, а на рис. 21, б — от ударного. На первом графике- (для воздушного шума) кривые по мере роста частот идут вверх в соответствии с приведенным выше указанием о том, что звукоизолирующая способность возрастает с повышением частоты звука. На втором графике (для ударного шума) кривые с возрастанием частоты звука идут вниз. Объясняется это тем, что при материальном переносе звук передается не только через перекрытие, но и через связанные с ним другие элементы здания. Поэтому в данном случае нормируется не звукоизоляция самого перекрытия (как при воздушном переносе), а приведенный уровень звукового давления (в дб), проникшего в изолируемое помещение звука¹.

Таким образом, чем меньше величина звукового давления проникшего звука, тем лучше звукоизоляция, и, следовательно, с возрастанием частоты шума кривые приведенного уровня звукового давления должны опускаться вниз.

Для того чтобы строителю-практику, пользующемуся частотными характеристиками, было легче сравнивать звукоизолирующие качества различных ограждений, установлен числовой показатель звукоизоляции, выраженной одной цифрой. Такой показатель от воздушного шума обозначают Е_в, а от ударного шума — Е_у.

Показатель звукоизоляции от воздушного шума Е_в определяют сравнением кривых частотных характеристик, измеренных в лаборатории или в натурных условиях, звукоизолирующей способности ограждения с соответствующими нормативными кривыми I и II (см. рис. 21, а).

Показатель же звукоизоляции от ударного шума Е_у определяют путем сравнения кривых приведенного уравнения ударного шума, измеренного под перекрытием в натуре или лабораторных условиях, с нормативной кривой (см. рис. 21, б).

Показатель звукоизоляции равен числу децибел (дб), на которое нужно сместить по вертикали нормативную кривую, для того чтобы среднее неблагоприятное отклонение кривой измеренной частотной характеристики звукоизолирующей способности от воздушного шума (или приведенного уровня звукового давления ударного шума) от смещенной нормативной кривой составляло 2 дб или было максимально близко к этому уровню.

Неблагоприятными при проверке звукоизоляции от воздушного шума считают отклонения, расположенные ниже нормативной кривой, а от ударного шума — выше этой кривой.

Среднее неблагоприятное отклонение кривой измеренной частотной характеристики от нормативной кривой нужно принимать равным 1/15 суммы всех неблагоприятных отклонений на средних звуковых частотах (по числу 15 октавных полос). При этом отклонения на крайних частотах (100 и 3200 гц) следует учитывать в половинном размере, а отклонения в сторону улучшения совсем не учитывать.

Если усредненное значение неблагоприятных отклонений равно или почти равно 2 дб, в этом случае показатель звукоизоляции равен нулю (0 дб). Если же усредненное значение неблагоприятных отклонений больше 2 дб, то показатели звукоизоляции от воздушного и ударного шума вычисляют следующим образом. Нормативную кривую смещают вертикально в худшую сторону на целое число децибел до тех пор, пока среднее неблагоприятное отклонение измеренной частотной характеристики от смещенной нормативной кривой не будет меньше или равно 2 дб. В этом случае показатель звукоизоляции, равный целому числу децибел, на которое сдвинута нормативная кривая, будет иметь знак минус.

Когда среднее значение неблагоприятных отклонений меньше 2 дб или таких отклонений нет, показатель звукоизоляции определяют следующим образом. Нормативную кривую смещают вертикально в лучшую сторону на целое число децибел до тех пор, пока среднее значение неблагоприятных отклонений частотной характеристики звукоизоляции от нормативной кривой не будет равно 2 дб или максимально близко к этой цифре (но не более 2 дб). В этом случае показатель звукоизоляции будет иметь знак плюс.

Пример 6. Вычислить показатель звукоизоляции от воздушного шума Ев, пользуясь частотной характеристикой, указанной на рис. 22.

Нормативная кривая смещена вертикально в худшую сторону на 4 дб, при этом среднее неблагоприятное отклонение измеренной характеристики от смещенной нормативной кривой равно 1,9 дб, т. е. меньше 2 дб.

Все результаты вычислений записываем в табл. 14. В графе 4 указываем разности значений графы 2 и 3, причем отклонения в лучшую сторону имеют знак плюс, в худшую — знак минус. Все неблагоприятные отклонения, имеющие знак минус, заносим в графу 5. В графе 6 записываем показатели в дб нормативной кривой, сдвинутой в худшую сторону на 4 дб, для чего все цифры графы 3 уменьшаем на 4. В графу 7 записываем неблагоприятные отклонения в дб от сдвинутой на 4 дб нормативной кривой, для чего из показателей графы 5 вычитаем по 4 дб. Все показатели графы 7 суммируем и сумму делим на 15 (по числу октавных полос), получаем частное 1,9, т. е. менее 2 дб.

Показатель звукоизоляции от воздушного шума Е_в=4, так как, для того чтобы получить усредненное значение неблагоприятных отклонений 2 дб или менее, нормативная кривая была смещена в худшую сторону на 4 дб.

Для определения показателя звукоизоляции (Е_в или Е_у) необходимо, как было указано, построить кривую частотной характеристики звукоизолирующей способности ограждения, измеренной в лаборатории или в натурных условиях. Когда же отсутствуют необходимые приборы и условия для построения такой кривой, то измеренную частотную характеристику однослойного ограждения можно построить следующим приближенным методом.

Строят частотную характеристику звукоизолирующей способности ограждения, состоящую из четырех прямоугольных участков А Б, БВ, ВГ и ГД (рис. 23, а).

Координаты точек Б и В — абсциссы f_Б и f_В а ординаты R_Б и R_В — определяют в зависимости от материала и веса 1 м² — ограждения по табл. 15.

Оценку шума и сопоставление с допустимым удобно производить, пользуясь графиком нормативных кривых (рис. 24).

Полученные в результате измерений или расчета уровни звукового давления в октавных полосах частот корректируют в зависимости от характера шума по данным табл. 19, после чего исправленные октавные уровни наносят на график и соединяют пунктирными прямыми (см. рис. 24). Оценкой шума служит ближайшая кривая, расположенная над нанесенной и не пересекающаяся с ней. Построенную таким способом кривую сопоставляют с предельно допустимыми уровнями звукового давления, приведенными в табл. 18.

Пример 9. В жилые комнаты дома, расположенного в существующей жилой застройке, в течение ночного времени (с 23 до 7 ч) проникает шум от холодильной установки. Необходимо произвести оценку шума, сопоставив его показатели с предельно допустимыми по нормам.

Измеренные уровни звукового давления в октавных полосах записывают по форме, приведенной в табл. 21.

Для измерения уровня звукоизоляции от воздушного шума используют полосы спектра белого шума. Спектр шума представляет собой график, на оси абсцисс которого отложены частоты, а на оси ординат — соответствующие частотам значения уровней звукового давления. Если спектр шума выражен прямой линией, параллельной оси абсцисс, то такой шум называют белым по спектральной аналогии с белым светом. Белый шум возникает в результате беспорядочного повторения достаточно коротких звуковых импульсов.

Схема установки приборов в КВУ и КНУ показана на рис. 25.

Аппаратура передающего тракта, применяемая для измерения уровня звукоизоляции от воздушного шума, состоит из генератора белого шума, полосового октавного фильтра, усилителя низкой чистоты, громкоговорителей и индикатора (быстродействующего регистратора уровней). Полосовой октавный фильтр пропускает только те колебания, частота которых находится в пределах одной октавы (или 1/3 октавы), что дает возможность ограничить полосу излучения источника звука диапазоном в 1 или 1/3 октавы.

Аппаратура приемного тракта состоит из шумомера, полосового анализатора (октавного или Уз октавного), микрофонов и индикатора. Показания по шкале шумомеров дают среднее для всех частот звуковое давление, показания полосового анализатора — звуковое давление на полосах шириной в 1 или 1/3 октавы, чтобы построить частотную характеристику шума.

Звук должен излучаться не менее чем двумя громкоговорителями. Приемник звукового давления — микрофон — необходимо установить не менее чем в 6 точках для получения среднего уровня звукового давления. Микрофон не следует располагать ближе 1 м от громкоговорителя или 0,7 м от ограждений.

Звукоизолирующую способность ограждения в дб определяют по формуле

где L₁ и L₂ — средние уровни звукового давления соответственно в КВУ и КНУ; F — площадь испытываемого ограждения, м²; А — общее звукопоглощение в КНУ, определяемое измерениями, м².

Измерить звукоизоляции от ударного шума можно также в акустических камерах, которые отличаются от рассмотренных тем, что КВУ расположена над КНУ. Колебания перекрытия вызывают ударной машиной, располагаемой не менее чем в трех различных точках перекрытия. Уровень ударного шума измеряют микрофоном, установленным под перекрытием не менее чем в 2—3 точках для каждого положения ударной машины.

Значение уровней звукового давления в октавных полосах зависит в некоторой степени от величины звукопоглощения в КНУ для данной полосы частот. Поэтому для получения сопоставимых данных измерений пользуются величиной так называемого приведенного уровня звукового давления к стандартному значению звукопоглощения в камере низкого уровня площадью 10 м².

Приведенный уровень звукового давления в дб определяют по формуле

где L — средний уровень звукового давления в полосе частот шириной в 1 октаву; А₀ — стандартное значение звукопоглощения, равное 10 м²; А — измеренное звукопоглощение в КНУ, м².

Примечания

1. Так как звуковое давление зависит от степени звукопоглощения помещения, то для получения сопоставимых данных измерений пользуются величиной звукового давления, приведенного к стандартному звукопоглощению.