7.4. ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ

Акустическая обработка студий предназначена для обеспечения такого общего поглощения, величина и частотная характеристика

которого соответствует требуемой характеристике времени реверберации. Без обработки поглощение недостаточно, и время реверберации оказывается больше требуемого значения.

Коэффициентом поглощения материала а называют отношение поглощенной энергии звукорой волны к падающей энергии на поверхность этого материала

Если размеры поверхности поглощающего материала велики в сравнении с длиной падающей звуковой волны и толщина его практически бесконечна, то коэффициент поглощения ссотр — коэффициент отражения звуковой волны. Коэффициент поглощения в этом случае

где, удельное акустическое сопротивление поглощающего материала, (реактивной составляющей обычно пренебрегают из-за ее малости); удельное акустическое сопротивление воздуха.

Если то около поглощающей поверхности получаются узел скорости колебаний и пучность зукового давления, а если пучность скорости колебаний и узел звукового давления. Коэффициенты поглощения зависят от угла падения звуковой волны на поглощающий материал. Различают нормальный коэффициент поглощения (для угла падения 90°) и диффузный (для всевозможных углов падения). В таблицах обычно приводят только диффузный коэффициент поглощения.

Коэффициенты поглощения материалов зависят от частоты. Одни материалы имеют большее поглощение на низких частотах, другие — на высоких, третьи — на средних. Ряд материалов имеет немонотонную зависимость коэффициента поглощения от частоты. Все это позволяет подбирать общее поглощение в помещении оптимальной величины во всем диапазоне передаваемых частот.

По принципу звукопоглощения все материалы делятся на пористые, резонирующие и перфорированные. Другая классификация материалов — деление на сплошные и пористые.

Все сплошные звукопоглощающие материалы имеют акустическое сопротивление почти всегда больше, чем у воздуха, а пористые — в большинстве случаев меньше его. Пористые материалы всегда комбинируют со сплошными, располагая сплошные позади пористых. При этом наименьшее поглощение у пористого материала получается при его расположении вплотную к стене из хорошо отражающего сплошного материала, а наибольшее — при расположении его на расстоянии четверти длины звуковой волны (в воздухе) от поверхности хорошо отражающего материала. Несколько меньшая разница в поглощении получается при расстоянии и При большем удалении от отражающей стены коэффициент поглощения остается постоянным.

Для поглощающего материала с размером, сравнимым, с длиной звуковой волны, коэффициент поглощения зависит от соотношения между ними. Так, например, открытое окно имеет коэффициент поглощения больше единицы, особенно на низких частотах (энергия звуковых волн, падающих рядом с окном, уходит в него из-за явления дифракции). Коэффициент поглощения портьеры с небольшими размерами по сравнению с длиной звуковой волны больше, чем портьеры с большими размерами, поэтому лучше иметь ряд узких портьер, чем одну широкую (при равной общей ширине).

Одна из распространенных конструкций пористых поглощающих материалов — облицовочная. Такие материалы изготавливают в виде плоских плит или рельефных (объемных пирамид, клиньев и т.п.), располагаемых или вплотную, или на небольшом расстоянии от сплошной толстой стены. Пирамиды или клинья устанавливают на небольшом расстоянии от стены, основаниями вплотную друг к другу, в помещение они обращены острыми углами. Такие конструкции создают большее поглощение, чем плоские плиты. Величина коэффициента поглощения зависит от толщины материала.

На рис. 7.9, а и б приведены частотные характеристики коэффициентов поглощения

Рис. 7.9. Частотные характеристики коэффициента поглощения пористых материалов

пористых материалов: 1 — известковая штукатурка по деревянной обрешетке; 2 — ковер с ворсом, лежащий на бетонном полу; 3— арборит в плитах толщиной 2 см; 4 — фиброакустит в плитах толщиной 3,5 см; 5 — драпировка на стене; 6 — драпировка на расстоянии 10 см от стены. Из графиков видно, что пористые звукопоглощающие материалы дают преимущественное поглощение в области высоких частот и очень неэффективны в нижней части частотного диапазона.

Другой распространенной конструкцией поглощающего материала являются резонансные поглотители. Они делятся на мембранные и резонаторные. Мембранные поглотители представляют собой натянутый холст или тонкий фанерный лист, под которым располагают хорошо демпфирующий материал (материал с большой вязкостью, например, некоторые сорта губчатой резины, поролоновые коврики, строительный войлок и др.). Щиты с натянутым холстом (рис. 7.10, а) называют щитами Бекеши. Максимум поглощения получается на резонансных частотах. Для натянутого холста с силой резонансные частоты

где плотность материала холста; длина, ширина и толщина полотна; к — порядок резонансной частоты.

Пример. Полотно размерами и толщиной плотностью натянуто с силой Найти первую резонансную частоту

Следовательно, первый максимум поглощения будет на частоте 50 Гц, следующий — начастоте 100 Гц и

Коэффициент поглощения можно рассчитать, если знать вязкость материала, расположенного под фанерой, но практически такой расчет очень неточен. Для фанерного листа с соотношением длина-ширина закрепленного по границам, резонансные частоты по длине листа определяются из выражения где длина и толщина листа,

Рис. 7.10. Внешний вид (а) и коэффициенты поглощения (б) резонансных поглотителей

Пример. Дан фанерный лист длиной и толщиной найти первую резонансную частоту.

Имеем Гц. Если лист расположен близко от твердой стены, то его упругость будет повышена и собственная частота также повысится. На рис. 7.10, б приведены коэффициенты поглощения для фанерных щитов, расположенных близко от стены с заполнением промежутка между ними демпфирующим материалом: 1— фанера с воздушным промежутком 5 см; 2 — то же, края демпфированы стекловатой; 3 — фанера с воздушным промежутком 10 см, края задемпфированы минеральной ватой, 4 — оконное стекло.

Перфорированные резонаторные поглотители (см. рис. 7.11, а) представляют собой систему воздушных резонаторов, например резонаторов Гельмгольца, в устье которых расположен демпфирующий материал. Резонансная частота резонатора:

где 5 — поперечное сечение горла резонатора, длина горла; V — объем полости резонатора.

На рис. 7.11, б приведены в качестве примеров характеристики поглощения некоторых перфорированных конструкций (применяемых

Рис. 7.11. Разрез (а) и коэффициенты поглощения (б) перфорированных констукций

Для акустической обработки студий) при различной их толщине о, расстоянии от стены и между отверстиями диаметре отверстия для материала с см и см; 2 — для того же материала при относе см; 3 — для фанеры с щелью см, фанера подклеена тканью; 4 — тот же материал без подклейки тканью, но с заполнением воздушного промежутка матами из асбестовой ваты.

Пример. Резонатор имеет размеры: длину горла поперечное сечение и объем Его резонансная частота

Наиболее распространенная конструкция резонаторных поглотителей — перфорированный лист, расположенный на некотором расстоянии от твердой стены. Такая конструкция может рассматриваться как ряд резонаторов. Если перфорация распределена по поверхности листа равномерно, то такой поглотитель будет иметь типичную резонансную кривую поглощения, а если неравномерно, то можно получить равномерную кривую поглощения. Для равномерного распределения отверстий резонансная частота

где сечение отверстия; эффективная толщина листа; толщина листа; расстояние от стены (потолка); расстояние между отверстиями.

Пример. Лист толщиной перфорирован отверстиями площадью с расстояниями между отверстиями и расстоянием от потолка, равным найти резонансную частоту. Эффективная толщина листа

Таблица 7.4. (см. скан) Коэффициент звукопоглощения основных поглотителей

Таблица 7.5. (см. скан) Коэффициент звукопоглощения пористых поглотителей ( — зазор между отражателем и поглотителем)

Резонансная частота

Вместо ряда отверстий применяют щели в таких листах. Резонансная частота в этом случае

ширина щели; расстояние между щелями (остальные данные как и в предыдущем случае).

Коэффициент поглощения резонатора определяется активным акустическим сопротивлением демпфирующего материала, находящегося в горле резонатора. В качестве такого сопротивления обычно применяют металлическую сетку. Коэффициент поглощения зависит от числа и размеров ячеек такой сетки. Сетку располагают под листом с перфорациями. Реже применяют для этого ткани, так как они негигиеничны,

В табл. приведены, коэффициенты поглощения для ряда наиболее часто встречающихся материалов. В этих таблицах коэффициенты поглощения для слушателей, кресел и стульев приведены на 1 единицу, а остальные — на

Пример. Определить требуемое поглощение и время реверберации для аудитории на 250 человек. Пол паркетный, парты деревянные, потолок и большая часть стен ( пока обработаны гипсовой штукатуркой. Аудитория имеет две двери размерами по окон нет.

Объем помещения составляет Из этого объема следует вычесть объем, находящийся под покатой частью пола. Он составляет Парты и люди занимают объем Объем выступа на передней стене Следовательно, чистый объем аудитории составляет около

Площадь потолка равна площадь передней стены площадь задней стены площадь пола под партами площадь парт и площадь проходов площадь боковых стен от потолка до парт площадь боковых стен вдоль парт Таким образом, общая площадь ограничивающих поверхностей помещения составляет Из нее деревянные покрытия составляют штукатурка —

Из рис. 7.7 (кривая 1) находим оптимальное время реверберации на частоте 500 Гц для объема Оно равно 0,8 с.

Таблица 7.6. (см. скан) Коэффициент звукопоглощения мембранных поглотителей толщина заполнителя)

Таблица 7.7. (см. скан) Коэффициент звукопоглощения резонаторных поглотителей с покрывным листом из перфорированных материалов

Находим реверберационный коэффициент поглощения

Определяем средний коэффициент поглощения по формуле

Требуемый фонд поглощения на частоте 500 Гц

Подсчитаем имеющийся фонд поглощения на той же частоте из расчета 250 слушателей. Коэффициенты поглощения берем из табл. 7.4. Люди вносят поглощение гипсовая штукатурка на потолке и части стен деревянные покрытия (пол, двери, парты и часть стен)

Таблица 7.8. (см. скан) Результаты расчета среднего коэффициента поглощения и времени реверберации

Имеющееся поглощение составляет Необходимо добавить Заменим частично гипсовую штукатурку штукатуркой АЦП. На частоте 500 Гц (см. табл. 7.4) ее коэффициент поглощения равен 0,31, а гипсовой 0,04. Следовательно, надо заменить штукатурку на площади Например, можно покрыть штукатуркой АЦП половину потолка (

Подсчитаем фонд поглощения на остальных частотах, пользуясь табл. 7.4 — 7.7.. Результаты расчета сводим в табл. 7.8. Для получение фонда поглощения вычисляем величины среднего коэффициента поглощения а по нему — величины реверберационного коэффициента по формуле

Затем вычисляем время реверберации для всех расчетных частот и все расчетные данные заносим в табл. 7.8.

Определяем отклонение времени реверберации на частотах 250 и 4000 Гц по отношению к 500 Гц. Эти отклонения составляют 1,07, т. е. частотная характеристика времени реверберации близка к оптимальной.

Пример расчета большой концертной радиовещательной студии. Требуется провести акустический расчет концертной студии, предназначенной для передачи и записи большого симфонического оркестра, исполнителей в 100 чел.

1. Определение размеров студии. В соответствии с рекомендациями выбираем площадь пола и линейные размеры студии следующими: площадь пола длина ширина высота

Отсюда общая площадь внутренних поверхностей; объем:

2. Выбор оптимального времени реверберации и его частотной характеристики. В соответствии с рекомендациями, приведенными выше, задаем оптимальное время реверберации на частоте 500 Гц:

Частотную характеристику оптимального времени реверберации выбираем с подъемом в области низких Частот. Значения на разных частотах сводим в табл. 7.9.

Таблица 7.9. (см. скан) Требуемое время реверберации

3. Обеспечение требуемого времени реверберации (подбор звукопоглощающих материалов и конструкций). Общее поглощение А для заданного времени реверберации на частоте 500 Гц определяем по формуле

Предварительно вычисляем и с помощью рис. 7.3 находим

Общее поглощение определяем на всех расчетных частотах, причем на 2000 и 4000 Гц учитываем поглощение звука в воздухе. Результаты расчета сводим в табл. 7.10.

Подбираем звукопоглощающие материалы и конструкции так, чтобы общее поглощение А было близко к требуемому. Подбор производим до тех пор, пока расчетное время реверберации будет отличаться от заданного не более чем

Результаты расчета приведены в на рис. 7.12.

Исходя из требуемого количества единиц звукопоглощения, выбираем для обработки проектируемой студии перфорированные конструкции и полицилиндры, разработанные ГСПИ.

Таблица 7.10. (см. скан) Требуемое общее поглощение в студии

Частотные характеристики коэффициентов звукопоглощения этих конструкций приведены в табл.

Так как в студии всегда имеется некоторая аппаратура, а также технический персонал, в таблицу может быть введена специальная графа, учитывающая вносимое ими поглощение (около

Рис. 7.12. Кривые поглощения в большой концертной студии

Рис. 7.13. Частотная характеристика времени реверберации большой концертной студии

На рис. 7.13 изображены требуемая и расчетная частотные характеристики времени реверберации.

4. Размещение звукопоглотителей. Звуко-поглотители размещаем по принципу равномерного распределения их по стенам и потолку. На стенах равномерно в определенной последовательности чередуются полицилиндры 3 двух диаметров, перфорированные конструкции 2 и акустические плиты создавая при этом эффективный в архитектурном отношении рельеф стен (см. развертку студии, приведенную на рис. 7.14). Нижняя часть стен по всему периметру обработана деревянной панелью Потолок обработан перфорациями двух типов и полицилиндрами. Свободная часть потолка оштукатурена.

В студии применен поливинилацетатный пол, представляющий собой бесшовное монолитное покрытие из мастики, приготовляемой на основе поливинилацетатной эмульсии с добавлением песка и пигментов.

Рис. 7.14. Развертка большой концертной студии с размещенными звукопоглощающими материалами: 1 - панель деревянная; 2 — перфорированная конструкция; 3 — полицилиндры; 4 - ПАО

Таблица 7.11. (см. скан) Расчет времени реверберации