Исследование звукоизоляции однослойных и двухслойных перегородок Текст научной статьи по специальности «Физика»

Научно-технический и производственный журнал

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

УДК 534.833.46:699.844.3

О.В. СТАРЦЕВА, инженер (olga.startseva@inbox.ru), С.Н. ОВСЯННИКОВ, д-р техн. наук (ovssn@tsuab.ru), Томский государственный архитектурно-строительный университет

Исследование звукоизоляции однослойных и двухслойных перегородок

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований звукоизоляции однослойных и двухслойных перегородок с воздушным промежутком или с заполнением звукопоглощающим материалом. Для расчета звукоизоляции однослойных и многослойных конструкций использован импедансный метод. Исследованы упругодиссипативные свойства гипсоволокнистых плит.

Ключевые слова: однослойные и двухслойные перегородки, звукоизоляция, резонансная частота, воздушный шум, коэффициент внутренних потерь, импедансный метод.

В связи с широким распространением каркасного домостроения и использованием облегченных конструктивных систем развитие методов расчета звукоизолирующей способности двойных перегородок с воздушным промежутком или с заполнением звукопоглощающим материалом является актуальной задачей.

Для определения звукоизоляции какой-либо конструкции необходимо знать ее физико-механические свойства, но существующие данные об этом довольно противоречивы; так, например, модуль упругости ГВЛ составляет от 7109 Па до 20-109 Па [1, 2]. Для определения упруго-диссипативных свойств материалов перегородок были проведены эксперименты.

Для измерения модуля упругости использован метод стоячих волн в полубесконечной стержневой конструкции. Этот метод основан на возбуждении изгибных колебаний и определении длины изгибной волны.

Стержень ГВЛ с высотой сечения й=0,08 м, шириной Ь=0,01 м и длиной /=2,5 м был одним концом помещен в демпфирующую смесь из песка и опилок для предотвращения оттока энергии, другой конец был свободно подвешен на тонких нитях. Измерения были произведены при помощи электродинамического возбудителя колебаний, виброметра, генератора, усилителя и акселерометра.

Для определения модуля упругости гипсоволокна в стержне были измерены длины волн (удвоенное расстояние между соседними узлами стоячей изгибной волны). Измерения выполнены на частотах от 50 до 1000 Гц. На каждой резонансной частоте модуль упругости рассчитан по формуле [2]:

(1)

где X - длина волны; / - частота; й - толщина стержня; р - плотность.

Среднее значение модуля упругости составило Па.

Для определения плотности было заготовлено четыре образца гипсоволокна, определена их масса и объем. Среднее значение плотности по четырем образцам составило 1246 кг/м3.

Для измерения коэффициента потерь п использован метод, основанный на анализе резонансной кривой [3]. Коэффициент потерь найден по ширине резонансной кривой Д:

Грез

(2)

Ширина резонансной кривой отсчитывается на уровне 0,707 от резонансной амплитуды (рис. 2).

а, м/с2

. Х/2

I, м

3

Рис. 1. Схема форм колебаний, возникающих при электродинамическом возбуждении стержня ГВЛ: 1— коробка с демпфирующей смесью; 2 — электродинамический возбудитель колебаний; 3 — стержень из ГВЛ

а, м/с2

Ь, Гц

Рис. 2. К определению характеристик затухания колебательной системы с трением по ширине резонансной кривой

6'2012

43

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

70 60 50 40 30 20 10 0

1Г

^ Л „ I

4 1

2 V

-- /«

6055003005000500000000000000

т-ИИ"^Ю(ОСООЛЩОЮгООПООЮОООЮОООО

-г-т-т-С^С^СО-^ЮСОСО

Рис. 3. Расчетные частотные характеристики звукоизоляции однослойной гипсоволокнистой перегородки толщиной 10 мм:

1 — для бесконечной перегородки, рассчитанной по закону масс;

2 — для свободно опертой пластины с размерами а=1 м, Ь=0,8 м;

3 — для бесконечной конструкции при падении на нее звуковых волн под углом 60°

45 40

35 $ 30

ос 25 20

15 10

-

ч < ✓

0 0 4

0 3

(О

зонансной кривой был рассчитан коэффициент внутренних потерь п по формуле (2), среднее значение которого составило п=0,06.

Для расчета звукоизоляции однослойных и двухслойных перегородок применим импедансный метод [3]. Основным понятием метода является входной импеданс, который определяется как отношение звукового давления к колебательной скорости на границе среды, откуда падают звуковые волны. Вторая среда может состоять из одного или нескольких слоев. Задача определения звукоизоляции и звукопоглощения импедансным методом сводится в конечном счете к нахождению отношения звуковых давлений перед и за перегородкой.

Звукоизоляцию от воздушного шума бесконечной однослойной преграды можно оценить по Р. Бергеру (закон массы):

1+1 -----

Я = 101д

со т 2р0с0

(3)

где т - масса пластины; Росо - импеданс воздуха; w=2лf -круговая частота.

Звукоизоляция свободно опертой конечной конструкции с учетом собственного резонанса определяется [3]:

Я = 101д

1 | ( а>Ртт) А21 ( ат л2

2<вр0с0) 12р0с0

2

Шр

(4)

Частота, Гц

Рис. 4. Частотные зависимости звукоизоляции гипсоволокнистой пластины толщиной 10 мм: 1 — измеренная частотная характеристика звукоизоляции; 2 — расчетная частотная характеристика звукоизоляции

140 130 120 110 100 90 Щ 80

5 70 ^ 60 50 40 30 20 10

0

500300500050000000000000000

-■■^ЮСОСООС^СООЮ-Т-ООСОООЮОООЮОООООО

т-т-^ЛЛП^ЮЮСООЛ

Частота, Гц ^ ^

Рис. 5. Влияние области воздушного слоя между пластинами на звукоизоляцию двухслойной конструкции. Толщина воздушного промежутка: 1 — 40мм; 2 — 100 мм; 3 — 200мм

Основу конструкции измерительного стенда для определения коэффициента потерь составляет стержень ГВЛ (с сечением 0,0x0,01 м, длиной /=0,74 м), подвешенный на тонких нитях к перекрытию помещения.

Были использованы следующие приборы: генератор, усилитель, электродинамический возбудитель колебаний (ЭДВ), частотомер, виброметр. К подвешенной полосе ГВЛ был закреплен акселерометр на расстоянии от края, равном половине длины стержня. К краю листа подведен электродинамический возбудитель колебаний. С помощью виброметра на промежутке от 0 до 1000 Гц были определены частоты, на которых в конструкции возникает резонанс. После определения частоты резонанса и ширины ре-

где п

коэффициент потерь; % -71

Ет

М2р(1-ц2)

- круговая резонансная частота (Е - динамический модуль упругости; а и Ь - размеры пластины; Л - толщина пластины; ц - коэффициент Пуассона).

Звукоизоляция бесконечной пластины при косом падении плоских звуковых волн с учетом волнового совпадения определяется как [3]:

Я=101д

ШГОСОв^)

2р0с0

1-Ш81ИЧ

(5)

где '«р 2п\ В - критическая частота (частота волнового совпадения); - угол падения звуковой волны.

Для свободно опертой пластины с размерами а=1 м, Ь=0,8 м резонансная частота составит /р=юр/я2=26,3 Гц.

«Провал» звукоизоляции на частоте волнового совпадения составляет /0=4000 Гц, также он уменьшается по мере увеличения коэффициента внутренних потерь п (рис. 3).

Измерения звукоизоляции от воздушного шума однослойными и двухслойными конструкциями проводились в малых акустических камерах ТГАСУ, которые имеют два смежных помещения: помещение с источником звука - камера высокого уровня (КВУ) объемом 1,8 м3 и изолируемое - камера низкого уровня (КНУ) объемом 4,6 м3. Испытуемая конструкция монтировалась в проем между камерами.

Изоляция воздушного шума ограждающими конструкциями Я определялась по результатам измерений:

Я = Ь - 12 + 101_д в/Л,

(6)

где и Ь2 - средние уровни звукового давления, измеренные в камерах высокого и низкого уровней соответственно,

44

6'2012

Научно-технический и производственный журнал

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

дБ; б - площадь испытываемой конструкции, м2, в данном случае б=0,8 м2; А - эквивалентная площадь звукопоглощения в изолируемом помещении, м2.

Эквивалентная площадь звукопоглощения определяется по формуле А=(0,16-У)/Т, где V - объем изолируемого помещения, м3; Т - время реверберации этого помещения, с.

На рис. 4 приведены расчетная и экспериментальная кривые звукоизоляции гипсоволокнистой пластины толщиной 10 мм, которые в данном случае практически совпадают. Как правило, предельные отклонения расчетных значений звукоизоляции одностенных конструкций без покрытий от экспериментальных данных не превышают 5 дБ. Расчет звукоизоляции выполнен по методике СП 23-103-2003 «Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий».

Звукоизоляция двухслойной конструкции с воздушным слоем между пластинами определяется формулой:

fl=10lg

\ + (A±Bf+AB

4Z02

А

^|-1|s¡ncp2.

А+В

-J|fcos<p2

Sin(p2

(7)

(8)

где ё, м; т1 и т2, кг/м2.

Для двойной гипсоволокнистой перегородки с плотностью р=р1=р2=1240 кг/м3, толщиной й1=й2=0,01 м каждой ветви и воздушным промежутком ё=0,04 мм резонансная

частота составит / =170 Гц.

р 4

Двухслойная конструкция с воздушным слоем между пластинами на низких частотах вплоть до резонансной частоты, определяемой формулой (8), не имеет преимуществ перед однослойной конструкцией равной массы с точки зрения звукоизоляции. Увеличение звукоизоляции двухслойной конструкции проявляется на средних и высоких частотах, лежащих выше резонансной частоты системы масса - упругость - масса примерно на октаву.

При дальнейшем повышении частоты наступает максимум звукоизоляции по формуле [3]:

Я=101д

1+

com^cost

+101д

ea/T^i^cos! + 2р0с0

2р0с0

затем минимум звукоизоляции по формуле [3]:

80 70

60 щ 50

0: 40 30 20 10

2

1 \ /

- - — — —■ Г-

00 03

ю со

0 0 8

0 0 0

Частота, Гц

Рис. 6. Расчетная и экспериментальная частотные зависимости звукоизоляции двухслойной конструкции из гипсоволокнистых пластин толщиной 10мм с воздушным промежутком 40мм между ними: 1 — измеренная частотная характеристика звукоизоляции (В^=42 дБ); 2 — расчетная частотная характеристика звукоизоляции (Я„=45 дБ)

В формуле (10) использованы следующие обозначения: ф2= k0d cosÚq, А =тт ^ [i - (f/f1ltp f sin4 г?0]=ю m^;

В = rom2[l-(f/f2Kp)Psin4í?o] = <nm2'u2,

где d - расстояние между пластинами; f и f - критические частоты первой и второй пластин.

Частота fp - резонансная частота системы масса -упругость - масса (m1 и m2- массы; с0р - упругость слоя воздуха между пластинами). Резонансная частота перемещается в сторону низких частот при увеличении воздушного промежутка d и масс пластин m1 и m2. В реальных двухслойных конструкциях звуковые волны падают на конструкцию под различными углами. Если принять средний угол падения звуковых волн г%=45°, то получим расчетную формулу:

50 45 40 $ 35

°="з0

25 20

1 \ - N

V Ч i» ч \

— V \

'\2_

0 0 4

00 03

ю со

00 50

OJ со

0 0 0

Частота, Гц

Рис. 7. Результаты испытаний звукоизоляции двухслойных конструкций из гипсоволокнистых пластин толщиной 10 мм и с воздушным промежутком 40 мм между ними с различными способами крепления: 1 — крепление на изолоне по контуру (В^=42 дБ); 2 — контур пластин на растворе (В^=34 дБ)

55 50 45

^ 40 * 35 30 25 20

1

2 > -а*. *

N N Ч

0 0 4

00 03

ю со

0 0 0

0 0 0

Частота, Гц

Рис. 8. Результаты измерений звукоизоляции двухслойной конструкции со звукопоглощающим материалом без него: 1 — двухслойная конструкция без звукопоглотителя (В^=42 дБ); 2 — между пластинами слой минеральной ваты 40мм (Е^=45дБ)

Я= 10lg

1+

orn^cos^ (üm2v2cosú0

2р0с

0°0

2р0с,

0°0

(10)

=Я1 + Я2 (9)

= 201д (10"1/20+10"1/2°)

и т. д.

Если звукоизоляция обеих пластин определяется законом массы, то минимальные ее значения по формуле (10) практически определяют звукоизоляцию однослойной конструкции с суммарной массой обеих пластин.

Таким образом, для двухстенных конструкций, состоящих из двух тонких пластин и слоя воздуха между ними, по

62012

45

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

мере повышения частоты системы масса - упругость - масса в область средних и высоких частот звукоизоляция имеет вид широких максимумов в районе антирезонансных частот воздушного слоя, равных практически звукоизоляции однослойной конструкции с суммарной массой обеих пластин. Следовательно, в области средних и высоких частот реальная двухстенная конструкция имеет явное преимущество перед одностенной конструкцией равной массы, так как ее звукоизоляция увеличивается за счет широких максимумов в области антирезонансных частот.

На рис. 5 показаны частотные зависимости звукоизоляции двухслойной конструкции из гипсоволокнистых пластин толщиной 10 мм с различными толщинами воздушного слоя между ними. Звукоизоляция рассчитана по формуле (7), а минимальные значения определены по формуле (10). Увеличение толщины воздушного слоя смещает резонансные частоты системы масса - упругость - масса и резонансные частоты воздушного слоя в область низких частот.

По результатам исследований разработаны методики расчета звукоизоляции двухслойной перегородки с воздушным промежутком (программа Ехсе1).

Расчет звукоизоляции И от воздушного шума такой конструкцией в соответствии с предложенной методикой выполнялся по формуле:

Pli-Рз1

-| + IL + Zß Л cik0dcosr)BZB1ZB2c-ik0dcosa0

2Z,

2 Z,

4 ZÍ

На рис. 6 приведены построенная расчетная и экспериментальная зависимости звукоизоляции двухслойной кон-

струкции из гипсоволокнистых пластин толщиной 10 мм с толщиной 40 мм воздушного слоя между ними, которые достаточно близки по значению, что позволяет использовать данную формулу для расчета звукоизоляции двухслойных перегородок.

Разность звукоизоляций конструкции при ее различном креплении составляет величину порядка 2-8 дБ (рис. 7).

На высоких частотах звукопоглощающий материал, помещенный между двумя пластинами, ликвидировал провалы минимумов звукоизоляции двухслойной конструкции вблизи резонансных частот воздушного слоя и обусловил дополнительную звукоизоляцию, независимую от резонанса воздушного промежутка (рис. 8). Полученная закономерность имеет практическое значение, так как увеличения звукоизоляции можно достигнуть почти без увеличения массы двухслойной конструкции. Таким образом, звукопоглощающий материал в двухслойной перегородке позволяет увеличить индекс изоляции воздушного шума на 3 дБ.

Список литературы

1. Faso/d W., Veres E. Shallschutz und Raumakustik in der Praxis. Berlin: Verlag fur Bauwesen, 1998. 376 p.

2. Овсянников С.Н. Распространение звуковой вибрации в (11) гражданских зданиях. Томск: Изд-во Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2000. 378 с.

3. Боголепов И.И. Архитектурная акустика. Л.: Судостроение. 2001. 160 с.

В издательстве «Стройматериалы» Вы можете приобрести специальную литературу

Альбом «Малоэтажные дома. Примеры проектных решений»

Авторы - академик РААСН Л.В. Хихлуха, канд. архитектуры Н.М. Согомонян, архитекторы Ю.В. Лопаткин, И.Л. Хихлуха

Альбом включает разделы: «Односемейные жилые дома», «Многосемейные жилые дома», «Эстетические качества жилища», «Градостроительные группы». Предназначен для архитекторов, специалистов, занятых вопросами жилищного строительства, для органов исполнительной власти в области архитектуры и строительства, а также для частных застройщиков; может быть использован как методическое пособие для студентов вузов.

«Типовые технологические карты на отделочные работы с применением комплектных систем КНАУФ». Том 1, 2, 3.

Разработаны ОАО «Тулаоргтехстрой», ООО «Кнауф Сервис», ООО «Кнауф Гипс Маркетинг». Издание включает индивидуальные элементные сметные нормы расхода материалов и затрат труда на устройство перегородок, облицовок стен и подвесных потолков с использованием гипсокартонных и гипсоволокнистых листов; на штукатурные работы гипсовыми смесями Кнауф; на устройство сборных оснований под покрытия пола Кнауф Оп 13.

Технологические карты содержат ведомость потребности в материалах и изделиях и калькуляцию трудовых затрат, полный перечень необходимого инвентаря, приспособлений и инструмента.

Для приобретения специальной литературы обращайтесь в издательство «Стройматериалы» Тел./факс: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: mail@rifsm.ru www.rifsm.ru

46

62012