CC BY
61
акустика
О резервах звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций зданий
В.Н. Бобылев, В.А.Тишков, Д.В. Монич, Д.В. Красов
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
В настоящее время в строительной практике все большее применение получают изделия и конструкции на основе гипса. Действительно, этот материал имеет много положительных свойств. Ограждающие конструкции на основе гипса имеют меньшую массу по сравнению с кирпичными или керамзитобетонными, легко обрабатываются и монтируются. В гражданском строительстве большую популярность приобрели системы сухой отделки с применением гипсоволокнистых или гипсокартонных листов с креплением по каркасу. В качестве внутренних перегородок также применяются гипсобетонные панели и блоки, гипсовые пазогребневые плиты.
Основным недостатком облегченных ограждающих конструкций является их низкая звукоизоляция по сравнению с более массивными. В связи с этим большое практическое значение имеет установление предельных значений звукоизоляции ограждений заданной массы и пути их достижения.
Теория самосогласования волновых полей, разработанная научной школой профессора М.С. Седова [1], устанавливает, что ограждающие конструкции конечных размеров во всех частотных диапазонах обладают предельными значениями звукоизоляции, которые определяются инерционным прохождением звука. Собственная звукоизоляция реального ограждения (строительной панели) всегда меньше своих предельных значений из-за наличия резонансной составляющей прохождения звука. Подавляющее большинство ограждающих конструкций зданий и сооружений обладает резонансными свойствами, которые в той или иной степени снижают их звукоизоляцию. Исключение составляют материалы с повышенным внутренним демпфированием как, например, резина. Ее звукоизоляция определяется инерционным прохождением звука практически на всех частотах и приближается к своим предельным значениям.
Ограждающие конструкции зданий и сооружений обладают резервами повышения звукоизоляции, которые количественно можно охарактеризовать как разницу между собственной звукоизоляцией ограждения и ее предельными значениями [2]:
ДГ = ЯПРЕД. - (1)
где Дг, дБ — величина резонансных отклонений, характеризующая снижение звукоизоляции ограждения относительно своих предельных значений за счет резонансного прохождения звука; Япред ' дБ — предельная звукоизоляция ограждения конечных размеров [1]; Я, дБ — собственная звукоизоляция ограждения конечных размеров.
Величина Дг определяется во всем рассматриваемом диапазоне частот и зависит от соотношения резонансного и инерционного прохождения звука через ограждающую конструкцию. Для определения величин, входящих в формулу (1), рассмотрим однослойную тонкую панель (пластину), шарнирно закрепленную по контуру, и установленную между «шумным» и «тихим» помещениями. Механизм прохождения звука через ограждение будем рассматривать с учетом его двойственной природы — резонансного и инерционного прохождения.
Звуковые волны, падающие на пластину, возбуждают в ней свободные упругие и инерционные (чисто вынужденные) волны. Инерционные колебания формируются однородной вынужденной волной и краевыми неоднородными вынужденными волнами и распространяются со скоростью следа падающей звуковой волны. Скорость распространения инерционных волн не зависит от упругих характеристик ограждения и управляется только его массой [1].
С учетом двойственной природы прохождения звука общая звуковая мощность, излученная рассматриваемой панелью, запишется как [1]:
W = + W ,
2 2С 2И'
(2)
где W2С — мощность, излучаемая упругими волнами, W2И — мощность, излучаемая инерционными волнами.
Тогда выражение звукоизоляции принимает следующий вид:
И1
Я= 10!д—- = 10!д
И1
|/К2С + ^и
(3)
где W1 — мощность падающих звуковых волн. В области частот ниже граничного полного пространственного резонанса (^ < (г. ) формула для определения звукоизоляции имеет вид:
(
Я= 101д
2 2 Р°со
ц2 • /2
к соз 81 • соз 8о^
ц2 • /2
и4
1,15 2 • п • соз 81 • соз 82С
, (4)
где ц — поверхностная масса ограждения; П — коэффициент потерь материала; 8] — угол падения звуковых волн на ограждение (для диффуз-
2
п
+
+
п
акустика
ного звукового поля используется усредненное значение 8ср = 510,75... [2]); 82И, 82С — углы излучения звуковых волн инерционными и свободными колебаниями соответственно; ^ — функция отклика ограждающей конструкции; А4 = А2 ■ А| — характеристика самосогласования звуковых полей перед и за панелью и А2 соответственно) с волновым полем собственных колебаний ограждения:
а и
Si
о о
mnx . rmy . m0nx . n0ny . . sin-sin —;— sin-sin-;-dxdy
b
b
ii
о о
. 2 mo%x . 2 no%y , , sin —-— sin —— dxdy a b
, (5)
где т, п — числа, характеризующие собственное волновое поле ограждающей конструкции; т, п0 — числа, характеризующие звуковое поле в плоскости ограждения.
Для частот выше граничного ППР (/ > /.тп) звукоизоляция ограждений вычисляется по формуле:
(
R= 10 lg
„2 2 P°co
Ц2 • f2
F0
v cos 01 • cos 02И
\
Ц2 • f2
fГmn Smn
8 f П' cos 01 • cos 02C
(6)
где 1тп — коэффициент излучения панели, усредненный по полосе пропускания А/.
В знаменателях выражений (4) и (6) первое слагаемое в круглых скобках характеризует инерционное прохождение звука через ограждение, а второе слагаемое — резонансное прохождение. Перепи-
И
шем формулу (4) для случая „ „
cos 0,•cos 0
>>
2И
П
A
>>
, т. е. когда основной
1,15 2-П- cos0, • cos02С вклад в излучение звука вносят инерционные волны:
U- f
R = 20 - 46,7
Fn
(7)
Формула (7) выражает предельную звукоизоляцию ограждающих конструкций конечных размеров. Ее превышения не произойдет даже при существенном демпфировании собственных колебаний [1]. Для панели заданной массы предельная звукоизоляция определяется величиной функции отклика ^ и текущей частотой звука /.
С учетом теоретических выкладок, приведенных выше, определим резервы звукоизоляции на примере двух распространенных типов внутренних ограждающих конструкций зданий — кирпичной перегородки (массивное ограждение) и гипсоволокнис-того листа (ГВЛ) — легкого ограждения. На рис. 1 представлены частотные зависимости резонансных отклонений, определенные по формуле (1) с учетом выражений (4), (6), (7), которые характеризуют резервы звукоизоляции данных ограждений. Здесь
20
15
10
Ar, дБ
Т"Т~Т т
-1-1-г~
ООО
ото т о
<n т -ч-
Рисунок 1. Частотные характеристики резонансных отклонений:
1 — для кирпичной перегородки толщиной 250 мм; 2 — для ГВЛ толщиной 12,5 мм.
f, Гц
a
a
2
П
+
+
П
5
0
акустика
^Гтга — граничная частота области неполных пространственных резонансов (НПР); /Гтп — граничная частота области полных пространственных резонан-сов (ППР).
Анализируя рис. 1, можно видеть, что наибольшие резонансные отклонения и, соответственно, наибольшие резервы звукоизоляции расположены вблизи граничных частот ППР — Гтп- Расположение областей наибольших резервов звукоизоляции на частотной шкале зависит от соотношения поверхностной плотности и цилиндрической жесткости ограждающей конструкции ц/0. Если это соотношение относительно небольшое (для массивных ограждений), то область с преобладающим влиянием резонансного прохождения звука будет располагаться в диапазонах низких и средних частот. При увеличении ц/0 (для легких ограждений) данная область смещается на средние или высокие частоты.
По результатам проведенных теоретических исследований можно сформулировать основное правило, которым необходимо руководствоваться при проектировании эффективных звукоизолирующих ограждающих конструкций: необходимо максимально использовать резервы звукоизоляции ограж-
дения, определяемые соотношением инерционного и резонансного прохождения звука. Для решения данной задачи необходимо уменьшать резонансную составляющую W2С в выражении общей звуковой мощности, излучаемой ограждением.
Для внутренних ненесущих ограждений (стен и перегородок) в зданиях можно уменьшить резонансное прохождение звука путем снижения цилиндрической жесткости ограждения без значительного изменения его массы путем ослабления поперечного сечения (ОПС). При этом толщина строительной панели может быть уменьшена за счет нанесения продольных и поперечных прорезей на ее поверхность. При этом масса ограждения практически не изменится (незначительно уменьшится за счет прорезей). Эффект от этого впервые был экспериментально обнаружен Л. Кремером на образцах из фанеры [3].
Ограждение с ОПС [2], [4] — это строительная панель заданной массы (поверхностной плотности) с уменьшенной цилиндрической жесткостью. Основные параметры ограждения с ОПС — это глубина и шаг борозд, которые выполняются в двух взаимно перпендикулярных направлениях на одной из лицевых поверхностей ограждения при его изготов-
Я, дБ
60
55
50
45
40
35
30
25
го
6
0
оо
0 0
5 2
0 6
0 0 2
0 5 2
0 0 4
0 0 5
0 3 6
0 0
оо
0 0 0
0 5 2
0 0 6
0 0 0 2
0 0 5 2
000 500 о о 345
Гц
Рисунок 2. Частотные характеристики звукоизоляции гипсобетонной панели размером а х Ь = 1,8 х 1,0 м:
1 — исходный образец И = 80 мм, Ц = 83,2 кг/м2, О = 61635 Пам3; 2 — панель с ОПС, И = 40 мм, Ц = 69,5 кг/м2 О = 7704 Пам3; 3 — предельная звукоизоляция ограждения; 4 — закон масс.
акустика
лении. Это позволяет достичь условия, при котором ограждение совершает изгибные колебания только в пределах толщины (Ь = Л - — Ь, ),
1 4 общая борозд/
а участки между бороздами работают только как присоединенные массы, не внося вклад в резонансное прохождение звука.
Это условие выполняется при соблюдении оптимального шага борозд [2]:
d < — 4
4
4п2 • D
Ц • tfmn
где С, м — шаг пропилов; й, Па ■ м3 — цилиндрическая жесткость ограждения; , кг/м2 — поверхностная плотность ограждения; / , Гц — граничная частота ППР.
Проведенные теоретические исследования [2] показали, что за счет технологии ОПС возможно значительное снижение резонансного прохождения звука через строительную панель: снижение цилиндрической жесткости ограждения ^ уплотнение спектра частот собственных колебаний ^ уменьшение характеристики самосогласования волновых полей ^ снижение резонансного прохождения звука через ограждение.
На рис. 2 приведены экспериментальные частотные характеристики звукоизоляции гипсобетон-ной перегородки до и после ОПС, измеренные в больших реверберационных камерах лаборатории акустики ННГАСУ.
Из рассмотрения рис. 2 можно видеть, что применение технологии ОПС позволило использовать значительные резервы повышения звукоизоляции гип-собетонной панели в области средних частот (область между кривыми 1 и 3), где нормативные требования наиболее жесткие. После ОПС ограждения его цилиндрическая жесткость снизилась в 8 раз, что привело к смещению граничной частоты ППР на более высокие частоты (на 1,5 октавы). При этом расширилась область неполных ПР и звукоизоляция панели повысилась благодаря рассогласованию звуковых полей с собственным волновым полем и снижению резонансного прохождения звука при этом. Повышение индекса изоляции воздушного шума гип-собетонной панелью составило 9 дБ.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
— при проектировании внутренних ограждающих конструкций зданий необходимо использовать резервы звукоизоляции, определяемые соотношением резонансного и инерционного прохождения звука;
— повышение звукоизоляции по отношению к ее предельным значениям возможно за счет снижения резонансного прохождения звука;
— эффективным методом уменьшения излучения звука в резонансном режиме является применение технологии ОПС, которую необходимо применять на основании теоретического расчета с учетом двойственной природы прохождения звука.
Разработанная технология ОПС показала свою эффективность для различных типов ограждающих конструкций — от облегченных (панели из оргстекла, ДСП, фанеры, стали, алюминия, гипсоволокнис-тые листы) до массивных (гипсобетонная панель, кирпичная перегородка) [2], [3].
Список литературы
1. Седов М.С., Бобылев В.Н., Тишков В.А. и др.
Прогнозирование и измерения звуковой среды: Учебное пособие. — Нижний Новгород: ННГУ, 1991. — 67 с.
2. Бобылев В.Н., Тишков В.А., Монич Д.В. Техноло-
гия повышения изоляции низкочастотного шума ограждающими конструкциями зданий без увеличения их массы / / Вестник РААСН. — Нижний Новгород: ННГАСУ, 2002. — вып.6. — С. 21-31.
3. Cremer L. Theorie der Schalldammung dunner Wande
bei schrägem Einfall// Akustische Zeitschrift. — 1942. — B.7, № 3. — S. 81-104.
4. Бобылев В.Н., Тишков В.А., Монич Д.В., Щего-
лев Д.Л. Исследования резервов звукоизоляции ограждающих конструкций при диффузном и направленном падении звука / / Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли РФ в 2007 году: в 2 т.: сб. науч. Тр. РААСН. Под ред. В.А. Ильичева. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2008. — Т. 2. — С. 301-306.
