Тема 17. Акустические материалы

Акустическая обработка помещений промышленных, жилых и обществен-ных зданий проводится для защиты человека от шума. Городской шум возрас-тает в среднем на 1 дБ в год. Повышенный шум в помещениях относится к кате-гории санитарно-гигиенических вредностей: если шум превышает нормативные требования на 15— 20 дБ, то снижается на 10—20% производительность труда.

Уменьшение шума за счет использования акустических мате­риалов сох-раняет здоровье и силы человека, создает для него необ­ходимые удобства и способствует повышению производительности труда. Выбор подходящего аку-стического материала зависит от вида шума, его уровня и частотной характе-ристики.

Воздушным шумом называют шум от работы оборудования, му­зыкальных инструментов, телевизора и т. д., распространяющийся в виде звуковых волн в воздухе.

Ударный шум возникает при ударе по конструкции, вибрации оборудова-ния, передвижке мебели и т. п.

Изоляция от воздушного шума определяется звукоизолирующей способ-ностью конструкции R и показывает на сколько (в дБ) сни­жается уровень зву-кового давления после прохождения звука через конструкцию. Звукоизолиру-ющая способность

где — коэффициент звукопроницаемости.

Изоляцию от ударного шума определяют по приведенному уров­ню звуко-вого давления в помещении под перекрытием.

Нормальное ухо человека воспринимает звуковые колебания частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц, причем особо чувствитель­ными являются частоты от 1500 до 3000 Гц.

Интенсивность (Вт/м²) звука определяется звуковой энергией, проходя-щей за 1 с через площадку в 1 м², параллельную фронту волны.

Уровень звукового давления L (дБ) определяют по формуле

где — интенсивность данного звука,

— пороговый уровень ин­тенсивности звука (порог слышимости), соотве-тствующий звуково­му давлению 2∙ 10^-5 Н/м³, = 10^-12Bt/m².

Требуемое снижение октавных уровней звукового давления (дБ) определяют согласно СНиП по формуле

где — допустимый октавный уровень звукового давления в рас­четной точ-ке, принимаемый для жилых и общественных зданий по СНиП П-12—77, а для производственных предприятий согласно ГОСТ 12.1.003—76.

Предельные (максимально допустимые) уровни шума устанав­ливаются в зависимости от назначения помещения и частотной, ха­рактеристики звука. Примерные значения уровней шума для произ­водственных помещений с рече-вой связью — 80—85 дБ, админист­ративных помещений — 38—71 дБ, больниц — 13—51 дБ.

Шум может измеряться несколькими приборами. Из последова­тельно со-единенных приборов образуется «измерительный тракт», включающий шумо-мер, анализатор, самописец и др.

Встречаются шумы различного вида и уровня, поэтому приме­няют акус-тические материалы различного назначения.

Звукопоглощающие материалы и конструкции служат для сни­жения эне-ргии отраженных звуковых волн, т. е. для снижения шума в помещениях. При-нято среди звукопоглощающих выделять декоративно-акус­тические материа-лы, необходимые для создания акустического ком­форта и отделки интерьера.

Звукоизоляционные материалы применяют в основном для ос­лабления ударного звука, хотя часто (например, в междуэтажном перекрытии) эти же материалы помогают изоляции воздушного шума.

Свойства звукопоглощающих материалов.

Коэффициент звукопоглощения. Основной акустической харак­теристи-кой звукопоглощающих материалов является коэффициент звукопоглощения , равный отношению поглощенной звуковой энергии к общему количе-ству звуковой энергии , падающей на материал в единицу времени:

Все строительные материалы обладают способностью в той или иной сте-пени поглощать звук, поэтому для них > 0, а наибольшее значение = 1. Звукопоглощающими материалами принято назы­вать такие, у которых коэффи-циент звукопоглощения на средних частотах более 0, 2.

Коэффициент звукопоглощения зависит от пористости мате­риала.

Сквозная пористость. Коэффициент звукопоглощения сильно повы­шает-ся при возрастании пористости, поэтому звукопоглощающие материалы стре-мятся выпускать с пористостью 40—90%. В этом от­ношении есть сходство их с теплоизоляционны­ми материалами. Однако требования к харак­теру пористости различны. Если в теплоизоля­ционном материале предпочитают замкнутые воз-душные поры, то эффективность звукопо­глощающего материала возрастает при нали­чии сквозных пор или специально предусмот­ренной перфорации. Зву-копоглощение порис­тых материалов обусловлено потерями энер­гии звуковых волн благодаря вязкому трению в порах и переходу части механической эне-р­гии в тепловую. Сопротивление продуванию является специ­фической характе-ристикой, позволяющей установить влияние струк­туры материала на коэффи-циент звукопоглощения. При низких частотах целесообразно иметь меньшее удельное сопротивление продуванию, т. е. следует применять рыхлый и толс-тый материал с крупными сквозными порами.

Более эффективной является звукопоглощающая конструкция в виде сра-внительно тонкого слоя пористого материала, установлен­ного с относом для создания воздушного промежутка. Помимо специальных акустических требо-ваний, звукопогло­щающие материалы должны удовлетворять санитарно-ги-гиеническим и общим строительно-техническим требованиям огнестойко­сти, механической прочности, долговечности и экономичности. Зву­копоглощающие материалы не должны выделять летучие вещества, требования же к их декора-тивным качествам зависят от назначения помещения.

Виды звукопоглощающих материалов.

Наибольшее значение из числа материалов с волокнистой струк­турой имеют минераловатные плиты, изготовляемые из минераль­ного, стеклянного или асбестового волокна. В качестве связующе­го используют полимеры (преимущественно феноло-формальдегидный и мочевино-формальдегидный), битумную эмульсию, крахмально-бентонитовое связующее.

Звукоизоляционные минераловатные плиты отличаются от теп­лоизоля-ционных более жестким скелетом и сквозной пористостью. Плитам придают желобчатую, ноздреватую или трещиноватую де­коративную фактуру; перфо-рация плит делается примерно на ²/з толщины материала. Например, деко-ративно-акустические пли­ты «Акмигран» изготовляют из гранулированной минеральной ва­ты (76—80%), крахмала (10—12%) и бентонитовой глины (10-— 15%). Плиты имеют красивый вид и являются эффективным звуко­поглоща-ющим материалом с коэффициентом звукопоглощения 0, 8—0, 9 при среднем и высоком диапазонах частот.

Древесноволокнистые плиты, изготовляемые из древесной мас­сы по обычной технологии, применяют в качестве звукопоглощаю­щей облицовки. Для повышения огнестойкости необходимо вводить в состав массы добавки антипиренов. Перфорация плит делается обычно на ²/з толщины в виде круг-лых отверстий или пазов; плиты окрашиваются.

Акустический фибролит получают из древесной шерсти и мине­рального вяжущего вещества (портландцемента или гипса) с плотностью 350–600 кг/м³.

Рулоны и маты изготовляют из минерального и органического волокна (синтетического, хлопкового волокна и т. п.), небольшого количества связую-щего (синтетической смолы, битума, крахмала) или прошивают нитками, тон-кой проволокой. Для защиты от пыли и повышения механической прочности маты и плиты покрывают тонкими пленками (например, полиамидной) и деко-ративной стек­лотканью. Их плотность 50—200 кг/м³.

Акустические бетоны и растворы изготовляют из пористых за­полнителей, отличающихся небольшой объемной массой (вспучен­ный перлит, вермикулит, легкие виды керамзита, природной и шла­ковой пемзы). Используют также кро-шку глиняного кирпича и као­линовую крошку из отходов керамической про-мышленности. Вяжущим служит цветной, белый или обычный портландце-мент. Акустические бетоны применяют в виде плит илишумоглушащих блоков.

Керамические блоки и пли­ты могут изготовляться из кир­пичной крошки на жидком сте­кле. Блоки применяют для глу­шения шума промышленных ус­та-новок при температуре до 500°С, а плиты — для глушения шума в вентиляци-онных кана­лах.

Ячеистые неорганические материалы: ячеистый бетон, пе­ностекло, пено-перлитокерамика отличаются высокой огнестой­костью, небольшой массой и до­статочной прочностью. При обычных температурных уеловиях хорошее звуко-поглощение достигается при использовании поропластов, т. е. ячеистых пласт-масс, имеющих сооб­щающиеся между собой поры. Например, пористый полиу-ре­тан толщиной 50 мм имеет ко­эффициент звукопоглощения 0, 9 при частоте 500 Гц.

Звукопоглощающие изделия из пористого материала с пер­форированным покрытием на­шли широкое применение. Сра­внительная простота сочетается с возможностью получить наилучшую частотную характери­стику звукопоглоще-ния для лю­бых конкретных условий. Мож­но подобрать диаметр отверс­тий пер-фораций, процент пер­форации, толщины экрана, воздушного зазора и слоя по-рис­того материала так, чтобы по­лучить при данных частотах высокий коэффи-циент звукопо­глощения. Основным элементом изделия является пористый ма­териал с объемной массой не более 100—140 кг/м³ в виде минераловатных плит, рулонов, акустических бетонных плит или полиуретанового поропласта. Для защиты от увлажнения рулоны, маты или мягкие плиты обертывают в ткань, пропитанную гидрофобным составом. Применяют также защитные тонкие син­тетические пленки. Перфорированные покрытия делаются из слоис­того пласти-ка, дуралюмина, оцинкованной листовой стали, асбестоцементных листов, гип-совых акустических плит.

Жесткие древесноволокнистые плиты со щелевой перфорацией успешно применяют при обеспечении необходимой огнестойкости с помощью добавок, вводимых при изготовлении, или противопожар­ной пропитки. Воздушный про-межуток создается путем применения каркаса, устроенного из проволоки диа-метром 1—2 мм, либо из де­ревянных реек, пропитанных огнезащитным соста-вом, по которым прокладывается металлическая сетка.

Слоистые звукопоглощающие изделия могут изготов­ляться в виде трех-слойных плит, состоящих из перфорированного экранатолщиной около 0, 5 мм, основного слоя из звукопоглощаю­щего рыхлого материалатолщиной 37—55 мм и расположенного между ними промежуточного слоятолщиной 6 мм из уп-лотненно­го волокнистого материала с отштампованными с двух сторон лун­ка-ми в виде усеченных конусов; все слои склеены между собой.

Экран можно изготовлять из стеклопластика; площадь перфора­ции сос-тавляет около 15% площади экрана. Промежуточный и ос­новной слои состоят из прессованной стеклянной ваты на синтети­ческом связующем. Плита имеет общую толщину около 58 мм, она крепится к конструктивным элементам с по-мощью крепежных де­талей. Такие плиты трудносгораемы, биостойки, легко моются, хо­рошо сопротивляются случайным ударам.

Применение звукопоглощающих материалов.

Звукопоглощающие облицовки часто устраивают из слоя одно­родного пори-стого материала, который монтируется непосредствен­но на ограждающей ко-нструкции либо на некотором расстоянии для создания воздушного зазора. Применяют готовые штучные из­делия в виде плит, панелей, блоков, а также рулонов и матов.

Акустическая обработка признается целесообразной, если ожи­даемое снижение уровня шума не менее 3 дБ.

Снижение уровня шума можно определить по формуле

где S —эквивалентная площадь звукопоглощения необработанно­го помещения;

—добавочное поглощение после акустической обработки.

Штучные звукопоглотители в виде отдельных щитов, кубов, призм, ко-нусов, шаров подвешивают к потолкам шумных помеще­ний. Они могут быть использованы не только для акустической об­работки помещения, но и для деко-ративного решения интерьера в соответствии с требованиями эстетики.

Перфорированные стенки штучных поглотителей делают из алю­миние-вой фольги, алюминиевых листов, а также из прозрачных ма­териалов (напри-мер, органического стекла), что имеет важное зна­чение при естественном осве-щении помещений. Штучные поглотите­ли заполняют или облицовывают изну-три пористыми материалами. Объемные многорезонансные штучные поглоти-тели устраивают в виде набора полых кубов разного размера. Каждый из них пред­ставляет резонирующий воздушный объем, ограниченный перфори­рован-ными гранями, с высоким поглощением на частотах, близких к собственной частоте. Многорезонансная сис­тема имеет широкую рабочую полосу частот.

Клиновые поглотители. Облицовка из них при правильном устройстве практически пол­ностью поглощает звуковые волны, падающие на внутреннюю поверхность стен. Звукопогло­щающему материалу придается форма: клина, ко-нуса или пирамиды. Клиновые поглотители набивного типа имеют проволоч-ный или дере­вянный каркас, обтянутый марлей или другой тканью, пропитан-ной огнезащитным составом. Заполнение производится рыхлым волокнис­тым материалом: капроновым волокном, шла­ковой или стеклянной ватой, асбесто-вым шну­ром. Клинья требуемой формы могут делаться без каркаса из жестких минераловатных плит и других плиточных материалов.

С помощью облицовки из клиновых погло­тителей можно предотвратить отражение зву­ковых волн и получить безэховые помещения. Акустические под-весные потолки, в частности, из профилирован­ных алюминиевых листов, асбес-товых перфорированных листов и звукопоглощающих материалов типа «Акми-гран» или «Акминит» получили большое распространение. По акустическим и декоратив­ным свойствам они не уступают лучшим иностранным материалам. Резонаторный звукопоглотитель представляет воздушную по­лость, соединен-ную отверстием (горлом) с окружающим воздухом. Он является колебатель-ной системой, на частотах резонанса кото­рой резко возрастает скорость дви-жения воздуха в горло. Горло ре­зонатора закрывается фрикционным материа-лом. В ка­честве фрикционного материала обычно используют стеклоткань, ма-рлю и т. п. Предпочтительнее огнестойкие материалы.

Один или несколько слоев ткани подклеивают к перфорирован­ному экра-ну. Перфорированный экран делают из винипластовых листов, оцинкованной кровельной стали, огнестойких жестких дре­весноволокнистых плит и фанеры, гипсовой сухой штукатурки. Пер­форация может быть в виде круглых отверс-тий, и щелевая.

Для обеспечения звукопоглощения в широком диапазоне частот применя-ют многослойные резонаторные звукопоглотители, состоя­щие из 2—3 парал-лельных экранов с воздушными промежутками.

Резонирующие панели используют в области низких частот (< 200 Гц) в виде щитов, имеющих каркас, на котором крепится мембрана из листов фане-ры, древесноволокнистых плит или плот­ной непродуваемой ткани. Щиты мон-тируют на потолке и стенах с относом. Воздушный промежуток заполняют во-локнистым материа­лом, либо делают прокладки из пористого материала по пе-риметру щита. Щиты изготовляют плоскими, полуцилиндрическими или в ви-де складчатых конструкций.

Свойства звукоизоляционных материалов.

Динамический модуль упругости является основной характери­стикой прокладочных звукоизоляционных материалов. Уменьшение модуля упругости сильно снижает скорость распространения зву­ка. Скорость распространения продольной волны составляет (м/с): в стали — 5050, граните — 3950, железобе-тоне — 4100, кирпиче — 3350, дереве — 1500, пробке — 500, резине — 30. По-этому для зву­коизоляционных прокладок применяют пористые материалы, об-ла­дающие небольшим модулем упругости.

Прокладочный материал часто находится под действием сжи­мающих сил. Относительная сжимаемость (%) под нагрузкой ха­рактеризует деформа-тивные свойства:

где — уменьшение первоначальной толщины под нагрузкой.

Повышению звукоизоляционных качеств прокладочных материа­лов спо-собствует увеличение внутреннего трения, которое характе­ризуется коэффици-ентом потерь или коэффициентом внутреннего трения. Коэффициент потерь оп-ределяют резонансным методом на виброметре.

Оптимальное сочетание всех характеристик получают при при­менении пористо-волокнистых, резиновых и резиноподобных мате­риалов с губчатой структурой.

Виды звукоизоляционных материалов.

Стекловолокнистые изделия изготовляют из непрерывного стек­лянного волокна, имеющего диаметр 10—30 мкм (стеклянная вата, стекловолокнистые маты и полосы), которые прошиваются или про­клеиваются. Из штапельного стеклянного волокна длиной 20— 40 см и толщиной 8—20 мкм получают пли-ты на полимерных свя­зующих. Маты и плиты выпускают с плотностью 30—250 кг/м³ тол­щиной 10, 30, 40, 50 мм. Повышение тонкости стеклянного волокна увеличивает звукоизоляционные свойства материалов.

Минераловатные изделия изготовляют в виде мягких и полужест­ких плит с плотностью 50—150 кг/м³, используя связующее на основе полимеров: фено-лоформальдегидного, мочевиноформальдегидного, а также поливинилацетат-ную эмульсию.

Асбестовые изделия выпускают в виде матов из асбестового во­локна с до-бавкой вяжущего вещества (например, цемента, жидкого стекла). Асбестовые плиты имеют толщину от 15 до 40 мм, а асбе­стовые маты — до 80 мм.

Древесноволокнистые плиты для звукоизоляции применяют с плотнос-тью 150—250 кг/м³.

Прокладки с губчатой структурой — это упругие материалы с малым мо-дулем упругости, имеющие большую сквозную порис­тость. Их изготовляют из пористой резины, эластичных полимеров: полиуретановых смол (поролоны), полихлорвинила обычного (ПХВ) и эластичного (ПХВЭ). Плотность губчатой резины — 100—750 кг/м³, поролонов — 30—75 кг/м³, ПХВ — 60—350 кг/м³ в зависимости от марки.

Звукоизоляционные мягкие покрытия полов значительно улуч­шают изо-ляционные свойства перекрытий. Безосновный линолеум лишь незначительно улучшает звукоизоляцию перекрытия от удар­ного шума. Более эффективны двухслойные покрытия, в особенно­сти линолеум на слое пенополиуретана или ворсовая нейлоновая ткань на губчатой резине.

Применение звукоизоляционных материалов.

Звукоизоляционные материалы применяют в виде слоев, полосо­вых и штучных прокладок. Звукоизоляция перекрытия значительно улучшается при устрой­стве звукоизоляции по типу «плавающего пола». Плавающий пол отде-ляется от несущей конструкции перекрытия и стен прокладками из звукоизоля-ционного материала, не имея с ними жестких контактов.

С помощью упругих прокладок из звукоизоляционных материалов звук изолируют по внутренним стенам и пе­регородкам. Прокладки устанавливают в местах примыкания и сопряжения ограждающих конструкций и перекры­тий.

Машины, инженерное и бытовое оборудование помещений вызывают ви-брацию строительных конструкций. Для уменьшения шума от вибрации необ-ходим комплекс мероприятий. Ви­броизоляция фундаментов машин дос­тигается установкой амортизаторов (в виде пружин и упругих прокладок), располагае-мых между фундаментами и полом. Хорошая виброизоляция полу­чается тогда, когда частота собствен­ных колебаний установки на амортиза­торах будет по меньшей мере в 3— 4 раза меньше частоты вынужденных колебаний.

Для изоляции трубопроводов от строительных конструкций осу­ществля-ется их подвеска к потолку или прокладка по стойкам, которые должны опи-раться на несущую конструкцию через звуко­изоляционные прокладки. В мес-тах прохода через стены и перекрытия трубопровод тщательно изолируется минеральной ватой или другим подходящим изоляционным материалом, кото-рый предотвращает образование акустических мостиков.