Конструктивная и планировочная структура здания влияет на звукоизоляцию помещений в той мере, в какой она определяет интенсивность косвенной (в обход разделяющей помещения конструкции) передачи звука и потери звуковой энергии на границах ограждений.
Косвенная передача звука возможна по конструкциям здания, трубопроводам (структурная передача), через окна, двери, вентиляционные каналы, полости в конструкциях (воздушная передача). При правильных проектных решениях влияние на звукоизоляцию структурной передачи звука по трубопроводам, а также воздушной передачи может быть полностью исключено или значительно ослаблено. В противоположность этому полностью исключить влияние косвенной передачи звука по конструкциям в обычных жилых домах не удается. Необходимо при проектировании правильно учитывать это влияние.
Снижение уровня вибрации1 при распространении их по неразрезной строительной конструкции (плите, балке, колонне) незначительно. Основными элементами, снижающими уровни вибраций, распространяющихся по зданию, являются стыки и узлы, в которых соединяются перпендикулярно расположенные конструкции.
Структурное распространение звука в строительных конструкциях изучали теоретически и экспериментально Л.Кремер, В.Вестфаль, М.Хекль, В.И. Заборов, Т.Кильман, А.В, Захаров, В.Т. Мартынов и др.
Согласно современным представлениям, в плите, колебания которой возбуждены звуковым полем или точечным источником вибрации, устанавливается диффузное поле изгибных колебаний, что связано с отражением волн от стыков и узлов соединения плиты с другими конструкциями. Часть энергии колебаний волн, падающих под произвольными углами на линию стыка или узла, отражается, а часть передается в сопряженные элементы. В общем случае в этих элементах возбуждаются изгибные, продольные и поперечные (сдвиговые) волны, а также быстро затухающие с расстоянием изгибные волны (ближнее поле).
Передача звуковой энергии в сопрягаемые элементы характеризуется коэффициентами передачи т. Коэффициент передачи вибрации определяется [5] как снижение колебательной скорости при переходе через стык от i-го ограждения к j-му, характеризуемое отношением квадратов виброскоростей:
При таком определении разность уровней вибрации двух разделенных стыком конструкций связана с коэффициентом передачи соотношением
Коэффициенты передачи вибрации в крестообразном узле здания, определенные без учета распространения продольных волн для жестко связанных между собой тонких плит [5], равны:
при передаче вибраций между элементами, сопрягаемыми под прямым углом
при передаче вибраций между элементами, расположенными вдоль одной оси
где ?1 и ?2 — плотности материала первой и второй плит;
с1 и с2 — скорости продольных волн в первой и второй плитах;
h1 и h2 — толщина первой и Второй плит (первая и вторая плиты расположены под прямым углом друг к другу, возбуждению подвергается первая плита).
Формулы (45) и (46) справедливы в том случае, когда коэффициенты передачи вибраций усредняются в достаточно широких полосах частот (измерения проводятся с использованием широкополосных фильтров). В этом случае коэффициенты передачи вибраций оказываются независимыми от частоты.
Зная коэффициент передачи вибраций в узлах, можно определить увеличение уровня звукового давления в помещении ?L, или снижение звукоизоляции ?R, вызванное косвенной передачей звука по конструкциям [5]:
где
i=6,...9 — номер фланговой конструкции в помещении с источником звука;
R1 и S1 — соответственно звукоизолирующая способность и площадь основной, разделяющей смежные помещения, конструкции;
Ri — звукоизолирующая способность фланговой конструкции с номером i в помещении с источником звука;
Si—4 — площадь фланговой конструкции с номером i—4 в изолируемом помещении;
?i,1 — коэффициент передачи вибраций от фланговой конструкции с номером i в помещении с источником звука основной (первой) конструкции;
?1,i—4 — коэффициент передачи вибраций от основной конструкции фланговой с номером i—4;
?i,i—4 — коэффициент передачи вибраций от фланговой конструкции с номером i в помещении с источником звука фланговой конструкции с номером i—4 в изолируемом помещении.
Из формулы (47) видно, что влияние косвенной передачи звука возрастает с увеличением звукоизолирующей способности основной конструкции по сравнению с фланговыми, коэффициентов передачи вибраций и отношения площадей фланговых конструкций в изолируемом помещении к площади основного ограждения.
Поправку ?R, подсчитанную по формуле (47), нужно делать к значению звукоизолирующей способности конструкции, определенной в условиях отсутствия косвенной передачи звука (к так называемой собственной звукоизоляции). Для большинства конструкций, применяемых в жилых зданиях, достаточно надежное определение этой величины сопряжено с большими трудностями. Даже в специально сконструированных испытательных камерах не удается устранить все пути косвенной передачи звука. Это затрудняет проверку теоретических выражений собственной звукоизоляции. Отсутствуют надежные практические методы расчета собственной звукоизолирующей способности акустически неоднородных конструкций. Указанные трудности вынуждают прибегать к практическим методам учета влияния косвенной передачи звука при расчетах изоляции воздушного шума. Такие методы изложены в п.2 применительно к расчету индексов изоляции воздушного шума перекрытиями с полом на звукоизоляционной прослойке (раздельным или слоистым).
Приведенные выше методы определения индексов Iв для акустически однородных ограждений также учитывают влияние косвенной передачи звука, интенсивность которой может быть названа средней или нормальной для жилых домов традиционной конструкции. Звукоизолирующая способность акустически однородных ограждений, измеренная в условиях нормальной интенсивности косвенной передачи звука, в среднем на 2 дБ ниже их собственной звукоизоляции, измеренной в испытательных камерах с малой косвенной передачей звука.
Однако при определенных конструктивных и планировочных решениях интенсивность косвенной передачи звука может заметно отличаться от нормальной. Эти случаи необходимо учитывать при расчете.
Заметные отклонения интенсивности косвенной передачи звука от нормальной наблюдаются в случае применения перекрытий, состоящих из сплошной железобетонной несущей панели и пола из линолеума на мягкой подоснове [14, 24]. Анализ экспериментальных данных (см. п.9) позволил установить основные факторы, влияющие на интенсивность косвенной передачи звука при такой конструкции перекрытия, и разработать практический метод учета ее влияния на звукоизоляцию помещений [9, 19, 39]. Одним из параметров, учитываемых этим методом, является конструктивно-планировочная структура здания. Изменение индекса изоляции воздушного шума перекрытием с полом на мягкой подоснове в жилых домах выражается формулами:
при малом шаге поперечных несущих стен
при большом шаге несущих стен
где hc и hп — толщины соответственно несущей стены и несущего элемента перекрытия.
Формулы (48) и (49) получены на основе обработки результатов натурных испытаний перекрытий с железобетонной несущей плитой и полом из линолеума на мягкой подоснове, поэтому они учитывают также влияние на звукоизолирующую способность перекрытия такого покрытия пола.
Меньшее снижение звукоизоляции в домах с большим шагом несущих стен, для которых справедлива формула (49), объясняется применением в них ненесущих перегородок, в то время как в домах с малым шагом поперечных несущих стен многие помещения с трех сторон ограничены внутренними несущими стенами. Связь перекрытия с перегородками значительно слабее, чем с несущими стенами. В результате неодинаковых перемещений нижнего и верхнего перекрытий при эксплуатации в их стыках с перегородками, как правило, образуются трещины, что еще более ослабляет связь между ними, поэтому коэффициенты передачи вибраций в вертикальном направлении в узлах соединения перекрытий с перегородками значительно ниже коэффициентов передачи вибраций в узлах соединения перекрытий и несущих стен. Этим определяется меньшая интенсивность косвенной передачи звука по ним.
Применение ненесущих перегородок уменьшает интенсивность косвенной передачи звука в вертикальном направлении. В то же время усиливается интенсивность косвенной передачи звука в горизонтальном направлении между помещениями, разделенными перегородками. Последнее особенно заметно в случае применения легких многослойных перегородок. Из-за слабой связи таких перегородок с перекрытиями и несущими стенами, а также из-за малой их жесткости и поверхностной плотности почти не происходит оттока звуковой энергии в них из массивных конструкций, поэтому в узлах соединения с легкими перегородками коэффициент передачи вибрации по массивной конструкции близок единице.
Влияние конструктивно-планировочной структуры здания на звукоизоляцию помещений заметно выражено в домах из объемных блоков. Для таких зданий характерны двойные ограждения, образуемые стенками соседних блоков. Они жестко связаны между собой в местах опирания блоков, устройства горизонтальных и вертикальных диафрагм, в стыках наружных стен и местах соединений соседних блоков. Влияние жестких связей между элементами перекрытий в объемно-блочных зданиях на их звукоизолирующую способность было рассмотрено выше (см. рис.8). Жесткосвязанные между собой тонкостенные элементы обусловливают возможность интенсивной структурой передачи звука. Во многих случаях они подвержены образованию усадочных и других трещин.
Воздушные промежутки между блоками пронизывают здание в трех направлениях. Это создает возможность косвенной передачи воздушного звука по полостям между блоками, если они не перегорожены в нужных местах диафрагмами или если в диафрагмах имеются трещины или щели. Звук может проникать из помещения в воздушный промежуток, и в обратном направлении, через щели и неплотности между коробками внутренних дверей и стенками блоков, в местах установки в них штепсельных розеток, пропуска труб отопления и т.д.
Косвенная передача звука по воздуху через окна и балконные двери заметно влияет на звукоизоляцию смежных по горизонтали или вертикали помещений в тех случаях, когда имеется возможность усиленного распространения звуковых волн вдоль фасада в результате многократных отражений от поверхностей выступающих элементов здания (эффект волновода). Такая возможность возникает, например, если общие для двух помещений лоджия или балкон не имеют глухой перегородки на всю высоту и ширину. Это показывают результаты испытаний межквартирных стен, разделяющих комнаты без лоджий и с лоджиями (данные автора).
В доме серии 1—464С две соседние лоджии разделены железобетонной перегородкой с круглыми сквозными отверстиями диаметром 15 см, расположенными в шахматном порядке. В доме серии 1—451 в момент проведения испытаний перегородки в лоджиях не были установлены. Снижение индекса изоляции воздушного шума в результате косвенной передачи звука через окна и балконные двери составило соответственно 3 и 5 дБ. Очевидно, что при открытых окнах или балконных дверях ухудшение звукоизоляции соседних помещений будет значительнее.
Усиленная передача звука вдоль фасада по вертикали возникает в зданиях, имеющих в плане уступы. На участках, расположенных между двумя выступами, в результате многократного отражения от параллельных поверхностей звук распространяется, как по волноводу, с незначительным затуханием. Звукоизоляция помещений, соседствующих по вертикали, а также разделенных одним, двумя, тремя этажами заметно различается в случаях, когда помещения выходят на плоский фасад или на участок фасада, расположенный между выступами. Как показали измерения в жилых домах серии П—3—16 в Москве [3], в последнем случае индексы звукоизоляции ниже на 3—5 дБ при закрытых окнах и на 7—8 дБ при открытых. Влияние косвенной передачи звука через окна тем значительнее, чем меньше расстояние между выступами, ограничивающими участок фасада, и чем глубже уступ.
Конструктивно-планировочные параметры здания влияют не только на интенсивность косвенной передачи звука, но и на демпфирование ограждений. Выше показано, что степень демпфирования конструкции определяется внутренними потерями звуковой энергии (в материале конструкции) и потерями на границах ограждения. Последние в значительной степени зависят от оттока звуковой энергии в смежные конструкции. Интересен для практики случай, когда отток звуковой энергии происходит в пределах конструкции, одна часть которой подвержена воздействию звукового поля, а другая — нет. Эффект такого оттока энергии ясно обнаруживается, если конструкция имеет четкие границы, как, например, панель в крупнопанельном доме. Более высокая звукоизоляция смежных помещений в тех случаях, когда между ними расположена часть стеновой панели, объясняется оттоком звуковой энергии в другую ее часть. Эта энергия расходуется на колебание того участка панели, который не подвержен непосредственному воздействию звукового поля. Вызванное этим увеличение индекса изоляции воздушного шума, связанное с оттоком звуковой энергии в часть панели, не подверженную воздействию звукового поля, определяется [23] по формуле
где S — полная площадь панели; S1 — площадь панели, подверженная воздействию звукового поля.
Конструктивно-планировочная структура здания в значительной мере определяет вероятность образования при эксплуатации в элементах ограждений сквозных трещин, снижающих звукоизоляцию (это влияние конструктивно-планировочной структуры здания рассматривается в п.4).
Примечания
1. Мерилом интенсивности вибраций служат уровни вибросмещения, виброскорости или виброускоренип, равные соответственно 20 lg (s/s0), 20 lg (v/v0), 20 lg (а/a0), где s, v, a — среднеквадратичные значения вибросмещения, виброскорости или виброускорения; s0=8·10—12 м; v=5·10—8 м/с; а=3·10—4 м/с2 — пороговые значения вибросмещения, виброскорости и виброускорения [44].