Измерение звукоизоляции ограждений и уровня шума в помещенияx

Звукоизоляция является основным средством ослабления воздушных аддитивных шумов, проникающих в помещения. В качестве источников шума обычно рассматриваются шум промышленный, транспортный и бытовой. Проникновение шума в помещение обусловлено излучением звука через возможные щели и вентиляционные отверстия, а также – посредством ограждающих конструкций (перекрытий, перегородок), колеблющихся под действием падающих звуковых волн.

Теоретически звукоизолирующие свойства перегородки от воздушного шума определяются энергетическим коэффициентом звукопроводности (звукопроводимости, звукопроницаемости и т.п.) [1]:

, (7.1)

где р_пр и р_пад – соответственно, звуковые давления в прошедшей через перегородку и падающей на неё звуковых волнах.

С учетом слухового восприятия аддитивных шумов (помех) звукоизолирующие свойства перегородок оценивают величиной, обратной τ и выражаемой в децибелах

, (7.2)

которую называют собственной звукоизоляцией перегородок (преград) от воздушного шума.

Однако шум может проникать в помещение не только непосредственно через его ограждения, но и косвенно, по вентиляционным каналам, шахтам, трубопроводам и т.п., а также посредством корпусных вибраций. В этом случае величина звукоизоляции при непосредственной или косвенной передаче шума называется фактической звукоизоляцией помещений. Только фактическая звукоизоляция помещения может быть измерена путём определения разницы в уровнях звукового давления в, например, двух смежных помещениях, первом – с источником шума N₁ (или открытом пространстве) и втором - защищаемом (изолируемом) помещении N₂ [2]:

. (7.3)

Таким образом, зависит не только от звукоизоляции ЗИ_прг и площади S_прг, разделяющей помещения перегородки, но и от акустической обработки - эквивалентной площади звукопоглощения , где S – площадь, а – средний коэффициент звукопоглощения всех поверхностей (перекрытий и перегородок) защищаемого помещения. При наличии в смежной перегородке отверстий, каналов или других коммуникаций, - определяют приведенную звукоизоляцию защищаемого помещения

, (7.3,а)

где - значение стандартного звукопоглощения перегородки, равное 10 кв.м.

Следовательно, в зависимости от акустической обработки защищаемого помещения и размеров рассматриваемой перегородки звукоизоляция защищаемого помещения ЗИ_пом.2 может быть больше или меньше величины звукоизоляции перегородки. Величина последней, как отмечалось, зависит от коэффициента τ, определяемого из уравнения баланса энергетических коэффициентов передачи перегородки, т.е.

, (7.4)

где β и α – соответственно энергетические коэффициенты отражения и поглощения звуковой энергии; z_прг - акустическое сопротивление перегородки, а - волновое сопротивление воздуха за ней.

Второе приближённое равенство в (7.4) означает, что для обычных строительных перегородок α сравнительно мал, а имеет преобладающее значение коэффициент отражения β. Последний может быть близок к единице, если акустическое сопротивление перегородки значительно больше волнового сопротивления воздуха. Тогда, используя простейшие преобразования и модуль последнего равенства в (7.4), можно получить окончательное выражение для звукоизоляции перегородки

. (7.5)

Как видно, звукоизоляция перегородки также, как и её акустическое сопротивление, состоящее из активного, упругого и инерционного членов, имеет, как обычно, резонансную частотную зависимость. В ней можно выделить три характерные области. В первой из них ЗИ_прг(f) уменьшается с частотой и достигает минимума во второй области – вблизи частоты резонанса перегородки f_o . Эти две области для массивных строительных конструкций не представляют особого интереса, поскольку f_o здесь располагается в области низких и инфразвуковых частот. А вот третья область, где в z_прг(f) преобладает инерционная составляющая, имеет первостепенное значение для звукоизоляции ограждений. Действительно, если f >>f_o, z_прг≈|ωm_п| и величина звукоизоляции будет определяться соотношением

, (7.6)

где m_п=ρ_пh_п – поверхностная (приведённая к единице площади) масса перегородки как произведение плотности материала перегородки ρ_п на её толщину h_п; - угловая частота звуковых колебаний.

Соотношение (7.6) носит название закона жёстких масс, который означает логарифмическую зависимость звукоизоляции перегородки от её массы и частоты. При этом, например, звукоизоляция растет со скоростью 10lg(2)²=6дБ/октаву.

Однако на практике звукоизоляция не полностью подчиняется действию закона масс. Основными причинами здесь являются: 1) косое падение звуковых волн на перегородки; 2) жёсткое крепление перегородок по периметру, демпфирующее «поршневые колебания»; 3) явление волнового совпадения длины волны звука в воздухе с длиной волны изгибных колебаний в перегородке; 4) наличие в монолитных перегородках более слабых элементов (окон, дверей) и возможных щелей и отверстий. Данные причины приводят к уменьшению измеренной (по сравнению с расчетной) величины звукоизоляции и изменению её частотной зависимости. Определенное ослабление действия перечисленных факторов обеспечивают: многослойные перегородки, элементы рассеяния падающего звука, рёбра жёсткости и т.п. [1].

Таким образом, вычислив приближённо ЗИ_прг(f_ц) в октавных или 1/3 октавных полосах с центральными частотами f_ц и зная или используя справочные данные по уровню N₁(f_ц) в смежном помещении (или открытом пространстве) с источником шума, можно рассчитать уровень шума N₂(f_ц), проникающего в защищаемое помещение с известным A₂(f_ц) через данную перегородку площадью S_прг или стандартным звукопоглощением А₀=10м²

. (7.7)

Фактически в защищаемое помещение шумы могут проникать через все перегородки и перекрытия (пол, потолок, стены), за которыми уровень шума имеет различное значение. Тогда общий уровень шума, проникающего в защищаемое помещение с эквивалентным звукопоглощением , (S – площадь всех поверхностей помещения) в соответствующей полосе будет найден по формуле

, (7.8)

где N_i(f_ц) – уровень шума за i преградой площадью S_i и собственной звукоизоляцией ЗИ_i(f_ц); n≥6 – число ограждений помещения.

Понятно, что при известных или измеренных в полосах – уровнях N_i(f_ц) или звуковых давлений p_i(f_ц) шума, действующих на различные ограждения с известными или измеренными ЗИ_i(f_ц) с учетом А(f_ц), - по (7.8) можно найти (или лучше – измерить) частотную зависимость N_об.ш(f_ц) в нормативном частотном диапазоне 31,5…8000 Гц [3,4] и сравнить ее с допустимой для заданного назначения помещения в дневное и ночное время суток.

Следует иметь в виду, что при измерениях звукоизоляции и шумов возникают трудности, обусловленные интерференцией звуковых волн, многократно отражённых поверхностями помещения и распространяющихся в нём в различных направлениях. При этом измерение в какой-либо точке звукового давления, на которое реагируют обычные микрофоны, не будет точно характеризовать общую плотность звуковой энергии в помещении, так как в этой точке может находиться, например, узел или пучность волн звукового давления. Поэтому приходиться производить его измерения в нескольких определенно выбранных точках помещения, количество которых определяется шириной полосы пропускания используемых при частотном анализе фильтров. Так, для октавного анализа число точек должно быть не меньше пяти, а для третьоктавного – не менее девяти. Тогда средний уровень звукового давления, характеризующий плотность энергии для одной и той же полосы частот, определится по среднеквадратичному значению давлений p₁, p₂, ... , p_к или их уровней , , … в выбранных точках, т.е.

; , (7.9)

где к – чиcло точек; p_пс – звуковое давление на пороге слышимости в области средних частот.

3. Описание установки

Рис. 7.1. Структурная схема измерительной установки

Основными акустическими элементами являются камеры высокого (КВУ: длина 3,2 м, ширина 3,0 м, высота 2,9 м) и низкого (КНУ: 3,4×3,3×3,1 м) уровней. Между камерами находится проём (дверь), в который вставляется испытуемая звукоизолирующая конструкция (ИЗК). В КВУ находится источник испытательного сигнала (громкоговоритель), работающий от генератора шума ГШ, и измерительный микрофон М₁. В КНУ находится второй микрофон М₂, аналогичный М1. Сигналы с микрофонов после переключателя П усиливаются микрофонным усилителем – вольтметром УВ и последовательно подаются на анализатор спектра АС. К работе прилагается карта справочных данных, в которых указаны размеры и обработка КНУ (КВУ), материал испытуемых конструкций, частотная характеристики чувствительности микрофонов и значения уровней шумов за различными перегородками КНУ.

4. Методика проведения работы и обработка результатов

4.1. Ознакомиться со схемой установки, особенностями камер и других элементов для проведения измерений. Включить приборы и дать им прогреться 3...5 минут.

4.2. Разместить в проём между камерами один из ряда образцов звукоизолирующих конструкций, перечень которых установлен преподавателем. Установить на выходе ГШ такое напряжение шумового сигнала для одной из низкочастотных полос (63 или 125 Гц), чтобы выключение громкоговорителя вызывало уменьшение в 1,5…2 раза напряжения на выходе микрофона в КНУ. Это будет свидетельствовать о том, что мощность измерительного сигнала (шума), проникающего в КНУ через смежную перегородку, превышает мощность фоновых шумов. Установленную таким образом величину напряжения на громкоговорителе в дальнейшем не изменять.

4.3. Измерить частотную характеристику напряжения (или его уровня), пропорционального звуковому давлению, на выходе микрофона М₁, установленного в одной из точек КВУ, путем последовательного переключения центральных частот 1/1 или 1/3 октавных фильтров АС в диапазоне частот от 63 до 8000 Гц. Повторить измерения при установке микрофона во 2, 3 и т.д. точках КВУ. Результаты записать в таблицу 7.1. здесь же вычислить и записать среднеквадратичное значение напряжения по (7.9) (или его уровень относительно напряжения в полосе f_ц=63(125)Гц, т.е. ) для каждой полосы частот.

Таблица 7.1.

Точки измерений в КВУ	Напряжение на выходе М1 КВУ (или уровень, дБ) в полосах с центральными частотами fц, Гц
		…		…	…	…
Точка 1
Точка 2
…
Uср (N1,ср)
Точки измерений в КНУ	Напряжение на выходе М2 КНУ (или уровень, дБ) в полосах с центральными частотами fц, Гц
Точка 1
Точка 2
…
Uср (N2,ср)
ЗИпом.2, дБ
ЗИпрг, дБ		-	-		-	-	-

 

Измерить частотные характеристики напряжения на выходе М₂, установленного в различных точках КНУ. Результаты измерений и усреднений записать в таблицу 7.1. По усредненным значениям напряжения или его уровням на выходе микрофонов в КВУ и КНУ в каждой полосе частот вычислить по (7.3.) частотную характеристику звукоизоляции ЗИ_пом.2 защищаемого (КНУ) помещения для установленной перегородки. Результаты вычислений записать в таблицу 7.1. и построить зависимость ЗИ_пом.2 на графике с равномерным распределением частотных полос. Из правой части (7.3) с учетом полученных значений ЗИ_пом.2(f_ц), а также дополнительных данных [A₂(f_ц), S_прг или А₀], вычислить ЗИ_прг данной перегородки для частотных полос с f_ц=63, 500 и 8000 Гц и записать в отдельные столбцы таблицы 7.1.

4.4. Повторить измерения и расчеты для других звукоизолирующих конструкций. Частотные характеристики (по данным таблиц, аналогичных таблице 7.1.) звукоизоляции помещения с другими ИЗК зарисовать на одном и том же графике. Определить различия величин и частотных тенденций ЗИ_прг образцов и сделать по ним обоснованные выводы.

4.5. Рассчитать для трех частотных полос (63, 500, 8000 Гц) по (7.8.) величины общего уровня шумов N_об.ш(f_ц), проникающих в КНУ через все перегородки, используя дополнительные данные из таблицы 7.2. для двух наиболее контрастных ИЗК.

Таблица 7.2.

Уровни шумов Ni, дБ; Звукоизоляции ЗИi, дБ трех ограждений КНУ и средние КЗП в КВУ и КНУ для октавных полос с fц, Гц
Ni /ЗИi	f1=63 Гц	f2=500 Гц	f3=8000 Гц
Nлев /ЗИлев	60/30	55/40	50/55
Nзд /ЗИзд	70/20	65/32	60/50
Nпр /ЗИпрг	50/35	45/45	40/60
	0,20	0,30	0,40
	0,10	0,15	0,20

 

5. Содержание отчёта

В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) частотные характеристики звукоизоляции ЗИ_пом.2 для заданных ИЗК; 5) значения общего уровня шума в КНУ для двух контрастных ИЗК в трех частотных полосах.

 

6. Контрольные вопросы

1. Чем отличаются понятия “звукоизоляция помещения” и “звукоизоляция преграды”?

2. От каких особенностей преграды (перегородки) зависит её звукоизолирующее действие?

3. Равна ли звукоизоляция КНУ от КВУ звукоизоляции КВУ от КНУ?

4. Уровень шума, проникающего в помещение через одну преграду, равен 20 дБ, а через другую, в одной и той же частотной полосе, - 40 дБ. Чему равна величина общего уровня шума?

5. Как и почему влияет на различных частотах на величину собственной звукоизоляции перегородки наличие в ней щелей и отверстий?