По материалам:RUPERT TAYLOR, NOISE
Дырки в потолке и бутылка!
В очень многих зданиях современной конструкции, взглянув вверх мы увидим на потолке тысячи мелких отверстий. Привычное зрелище — акустический потолок. Рядам этих дырочек приписывают волшебное свойство «высасывать шум», или «распылять тишину» в помещении. Акустический потолок — это просто плохой отражатель звука: когда звук «бежит» по воздуху и наталкивается на твердую, плотную преграду, он отражается, подобно тому как свет отражается от зеркала. Темная бумага — плохой отражатель света, и в нее не посмотришься как в зеркало. Акустический потолок — это всего лишь акустические темные «обои».
В большинстве случаев плоские твердые поверхности фактически ведут себя как акустические зеркала; толстая гранитная стена отражает 99 % «ударяющегося» об нее звука, другие твердые поверхности отражают около 95 % звука. Если вспомнить о децибелах и громкости, нетрудно увидеть, что при отражении звуковая волна не претерпевает заметного или хотя бы легко измеримого снижения уровня.
Известно, что звуковая волна — это волна сгущения, сопровождаемая разрешением, которая распространяется в воздухе с большой скоростью. Воздух в целом не движется, но для создания сгущений частицы воздуха должны сблизиться, чуть-чуть смещаясь вдоль линии распространения звука. Вследствие упругости воздуха сблизившиеся частицы быстро отскакивают назад и, минуя свое исходное положение, разлетаются друг от друга дальше, чем они находились в положении равновесия, — так возникает разрежение. Однако только немногие звуки создают правильное чередование сгущений и разряжений, чаще молекулы воздуха толпятся, как пассажиры метро в час пик.
Что же произойдет, если на пути волны сгущения встретится гранитная стена? Передаваясь от одного слоя молекул другому, сгущение дойдет до воздушного слоя, прилегающего к поверхности гранита, к тяжелой, твердой и жесткой стене. Когда частицы этого последнего слоя получат толчок сзади, у них уже не найдется соседей спереди, которым они могли бы передать толчок; частицы наткнутся на стену, и вблизи нее давление увеличится. Затем вследствие упругости воздуха частицы оттолкнутся от стены с возросшей силой давления и образуют новую волну сгущения, бегущую в обратном направлении и почти такую же сильную, как и волна, ударившая в стену.
Несмотря на всю свою жесткость, гранит тоже в какой-то малой степени податлив и также деформируется при воздействии давления. Когда мы стоим на гранитной глыбе, то именно сопротивление деформации дает нашим ногам опору и действует на них с силой, как раз достаточной для того, чтобы мы не продавили гранит. Аналогично, под давлением слоя воздуха, прижатого к поверхности стены, гранит прогибается, хотя это «прогибание» ничтожно мало. «Прогибание», или деформация, посылает звуковую волну внутрь гранита, и вот здесь-то и расходуется большая часть этого одного процента потерянной звуковой энергии.
Поглощенная гранитом энергия «изымается» из ударившей в стену волны, и от стены отражается всего 99 % падающей энергии. Часть поглощенной энергии затрачивается на нагревание, которое сопровождает деформацию, но основная доля энергии уходит в гранит. Чем стена тоньше, легче и мягче, тем больше она деформируется под давлением звуковой волны. Если толщина стены мала по сравнению с длиной волны в ее материале, то стена прогнется как целое. Обычно так и бывает; в подобных случаях жесткость вещества стены несущественна, а главную роль играет инерция стены. Чем тяжелее стена, тем больше ее инерция и тем меньше она сдвигается под действием силы. Если футболист ударит ногой по мячу, мяч отлетит от его ноги, если же он ударит по скале, скала останется на месте…
За исключением некоторых «особых» случаев, даже относительно легкая, но непористая стена отражает на всех частотах ,по меньшей мере 90 % энергии звука.
Если отпустить груз, закрепленный на пружине, он снова подпрыгнет вверх; но если снабдить пружину амортизатором наподобие автомобильного, в котором трение или силы вязкости сопротивляются движению пружины вверх и вниз, груз почти не подпрыгнет.
Воздух может вести себя подобно пружине, и именно это свойство позволяет ему создавать отраженную волну и вообще передавать звуковые волны. Если бы воздух можно было амортизировать, как пружину, результат оказался бы тот же, что и для пружины. Когда на отражающей поверхности растет давление, частицы воздуха сближаются и чуть-чуть смещаются в направлении отражающей поверхности. Что же получится, если создать небольшое трение, затрудняющее передвижение частиц воздуха? Амортизация! Воздух частично утратит свои пружинящие свойства, так как преодоление трения, препятствующего движению частиц, создает тепло, а необходимая для этого энергия будет забрана из звуковой волны.
Создать необходимое трение очень легко; вспомним, что втягивать в себя воздух сквозь сигарету труднее, чем сквозь пустую трубочку, это обусловлено именно трением или, точнее, силами вязкости. Воздух обладает определенной вязкостью, воздух также испытывает большое сопротивление, протекая через очень узкую трубочку. Поэтому, если вблизи отражающей поверхности поместить слой или мат из волокнистого или ячеистого материала, силы вязкости будут сопротивляться движению частиц воздуха при сгущениях и разрежениях и энергия у отраженной волны будет отбираться. При этом может возникнуть неожиданное затруднение: если волокна в мате уложены слишком тесно, его поверхность окажется излишне плотной, и тогда встанет уже известная нам проблема — волны будут отражаться от наружной поверхности мата. Следовательно, при выборе плотности материала поглотителя требуется найти какое-то компромиссное решение. Как выяснилось, наиболее эффективны волокнистые материалы с плотностью 50—200 кг/м3. Очевидно, в ячеистых поглощающих материалах ячейки должны соединяться между собой открытыми порами.
Частота звука вообще играет определяющую роль в акустике. Большая часть звуков включает компоненты широкого диапазона частот с длинами волн примерно от 20 мм до нескольких метров. Для низкочастотных звуков с длиной волны в несколько метров поглощение в волокнистом слое толщиной 20—30 мм незначительно, но, если толщина слоя сравнима с длиной волны или даже превышает ее, поглотитель становится чрезвычайно эффективным. Увеличение толщины слоя на большой площади обойдется очень дорого; однако можно значительно улучшить поглощение, просто отодвинув пористый мат от отражающей поверхности. В этом случае усиление эффективности поглощения не связано, как при утолщении мата, с увеличением размеров области взаимодействия волны с волокнами; здесь действие волокон более эффективно потому, что на некотором расстоянии от отражающей поверхности движение частиц воздуха, совершающих низкочастотные колебания, более интенсивно. Поэтому силы вязкости со стороны волокон оказывают в этом месте большее воздействие.
Но самое странное начинается тогда, когда длина волны оказывается меньше толщины волокнистого слоя. Чем выше частота, тем меньшее расстояние проходят частицы в процессе своих колебаний (при заданном звуковом давлении) и, следовательно, тем меньше подвергаются действию сил вязкости; на некоторых частотах волокнистый слой ведет себя подобно пружине, что уменьшает его эффективность. К тому же с ростом частоты возрастает отражающее действие наружной поверхности мата.
Частота имеет первостепенное значение для эффективности поглощения звука. Большая часть пористых поглотителей мало эффективно для низких частот, эти поглотители очень хороши для средних и высоких частот и несколько менее полезны при очень высоких частотах. В лучшем случае волокнистые маты в зависимости от пористости, плотности и толщины поглощают от 80 % и почти до 100 % звука на частоте, на которой их эффективность максимальна.
По сравнению с твердыми стенами, отражающими около 95 % энергии падающего на них звука, стена, покрытая волокнистым слоем и отражающая всего 10 или 20 %, казалось бы, поглощает очень сильно. Но так ли это? Никогда не следует забывать удивительное соотношение между громкостью и децибелами. Падение интенсивности звука на 80 % уменьшает уровень всего на 7 дБ. Изменение уровня на 10 дБ, грубо говоря, соответствует увеличению или уменьшению громкости вдвое. Отсюда следует, что пористые материалы чудес не совершают: если уровень упавшего на стену звука 80 дБ, а отраженного — 73 дБ, то остался еще очень громкий звук.
Звук, проходящий сквозь слой волокон, подвергается менее сильному воздействию, чем отраженный. В последнем случае волокна действуют на частицы воздуха и тогда, когда те движутся вперед при формировании волны сгущения, и тогда, когда отходят назад при образовании отраженной волны; однако все происходящее с отраженной волной не имеет никакого отношения к волне, бегущей вперед. В результате звук, идущий сквозь пористый мат толщиной, скажем, 20 мм или около того, ослабляется менее чем на 3 дБ, то есть едва заметно, так что цена стеклянной ваты не окупается!
Если начать наращивать толщину пористого мата. Однако одной этой меры недостаточно, а при низкочастотных звуках потребуется неосуществимо большая толщина. Кроме того, наружная поверхность покрытия сама представляет собой достаточно резкую границу, на которой отразится значительная часть высокочастотного звука.
Есть дешевый, но менее эффективный способ заглушить звук в помещении состоит в применении слоев волокнистого или вспененного материала возрастающей плотности. Снаружи укладывают самый тонкий и легкий слой с большими просветами, поверхность которого сама по себе не создает сколько-нибудь заметного отражения; однако слишком рыхлая структура этого слоя не порождает и достаточных сил вязкости. Следующие слои делают все более и более плотными, пока поглощение в них не достигнет значительной величины. Этим способом удается ослабить отражение от наружной поверхности поглотителя.
Забудем на время о волокнах и покрытиях и поговорим о дырках в потолке, вернее, о дырках и некотором объеме воздуха, заключенном позади них. Вспомним самый обычный предмет — простую бутылку. Если взять большую бутылку, и подуть,
получится звук. Только в XIX веке Герман Гельмгольц заинтересовался этим явлением с научной точки зрения. Гельмгольцу и его современнику Рэлею принадлежат важнейшие исследования поглощения звука, и их именами названы два типа поглотителей звука: пористый поглотитель Рэлея, — «рэлеевский рассеиватель» и «поющая бутылка», которая ведет себя как резонатор Гельмгольца.
Звуки, издаваемые бутылкой, когда мы дуем поперек ее горлышка, — просто резонанс, хотя несколько отличающийся от резонанса в трубе. Этот вид резонанса больше похож на поведение груза на пружине, чем на наложение прямой и отраженной волн, создающее в резонансной трубе стоячую волну большой амплитуды.
Если наверху пружины закрепить груз, нажать на нее и отпустить, груз будет регулярно колебаться вверх-вниз; при одной и той же пружине и одном и том же грузе эти колебания будут происходить с постоянной частотой. Обычно частота колебания пружины под грузом, так называемая собственная частота, относительно невелика — всего несколько сотен колебаний в минуту. Если нагрузка небольшая, а пружина достаточно тугая, собственная частота может увеличиться до многих сотен колебаний в минуту и попасть уже в слышимый диапазон. Почему пружины обладают собственной частотой? Если вместо того, чтобы заставлять груз колебаться вверх и вниз, мы осторожно и плавно опустим его на пружину, она сожмется на определенную величину, которая зависит не только от массы нагрузки, но и от жесткости пружины: жесткая пружина опустится на меньшее расстояние, чем мягкая. Для того чтобы сжаться под нагрузкой, пружине потребуется определенное время, как и для того, чтобы распрямиться, когда нагрузку снимут.
Следовательно, частота колебаний пружины зависит от расстояния, которое она проходит при сжатии, и от скорости, с которой она сжимается.
Если в горлышко бутылки вставить поршень, воздух в ней, уподобится пружине, и в каждой данной бутылке поршень будет ходить вверх и вниз с частотой, определяемой его весом. Уберем поршень — тогда в качестве груза останется только воздух в горлышке. Воздух внутри бутылки будет продолжать колебаться подобно пружине, только с гораздо большей частотой, потому что воздушная пробка в горлышке — сравнительно легкий груз. Частота колебаний воздуха настолько значительна, что получится слышимый звук, а чтобы возбудить и поддерживать эти колебания, потребуется только возмущение воздуха в горлышке бутылки, для чего достаточно дуть поперек отверстия.
Собственная частота пружины определяется не только упругостью, но и массой ее витков. То же относится и к воздуху в бутылке: у маленького объема воздуха упругость больше, чем у большого.
Поэтому заданное движение воздушной пробки в горлышке вызовет в малом объеме воздуха пропорционально большее сгущение или разрежение, чем в большом. Постепенно заполняя бутылку водой, можно услышать, как по мере роста упругости уменьшающегося объема воздуха повышается собственная частота бутылки. Эта частота в такой же степени зависит и от размеров горлышка, играющего роль груза: чем оно короче и шире, тем легче, а следовательно и быстрее происходят колебания воздуха. У двух поллитровых бутылок с горлышками разной ширины частоты колебаний будут различными: у бутылки с более узким горлом частота ниже. Форма и длина горлышка также влияют на частоту, но довольно сложным образом, и вычисление точной резонансной частоты бутылки может оказаться довольно хлопотным.
Какое отношение, все это имеет к поглощению звука? Вделаем бутылку в стену так, чтобы ее отверстие было заподлицо с поверхностью стены, потом определим, хотя бы экспериментально, ее собственную частоту и направим на стену волну звука этой частоты. Проследим за участью волны сгущения: вот она подошла к отверстию бутылки: ее приход подействует, как толчок на груз, висящий на пружине, — воздушная пробка в горлышке будет вталкиваться внутрь бутылки. Сразу после этого пробка выскочит обратно, проскочит положение равновесия, и воздух выйдет из горлышка. Воздушная пробка, совершая такие колебания, сама станет источником звука и будет посылать в обратном направлении (то есть отражать) такую же звуковую волну. Так как колебания в бутылке происходят с той же частотой, что и в падающей звуковой волне, воздушная пробка начнет повторное движение точно в тот момент, когда подойдет следующая волна сгущения, то есть спустя полный цикл колебаний после первой волны. При колебаниях пробки ее энергия будет непрерывно превращаться из потенциальной в кинетическую и обратно. Эту энергию передают пробке и первое и последующие сгущения, так что сначала амплитуда колебаний пробки растет.
Если звук внезапно оборвать, колебания воздушной пробки спустя короткое время прекратятся. Отчего? Теоретически они, казалось бы, должны продолжаться вечно, но, как и во всех «вечных двигателях», движению препятствует трение, или уже знакомая нам сила вязкости. В трубе ближайший к стенкам слой воздуха «прилипает» к ним. Это явление связано с поверхностным натяжением стенок и воздуха. Если дуть вдоль трубы, воздух посередине трубы двинется вперед и при этом молекулы воздуха будут скользить по своим соседям, удерживаемым на стенках трубы. Сопротивление скольжению создает вязкое торможение и поглотит часть энергии, которая превратится в теплоту. Чем быстрее движение воздуха в трубе, тем больше вязкое торможение.
Горлышко бутылки можно рассматривать как короткий отрезок трубы, где действуют малые силы вязкости, оказывающие сопротивление движению воздушной пробки. Это воздействие сил вязкости и приводит к остановке воздушной пробки после прекращения подачи звука. Но это значит, что силы вязкости действовали и при наличии звука, то есть имел место непрерывный расход энергии, поэтому колебания и не усиливались до бесконечной амплитуды.
Когда частота звуковой волны и собственная частота колебаний воздуха в бутылке совпадают, то есть при резонансе, частицы воздушной пробки движутся вперед-назад гораздо быстрее, чем частицы воздуха в падающей звуковой волне, и расход энергии на преодоление вязкого торможения становится весьма значительным.
Если уменьшить отверстие горлышка, натянув на него, например, слой марли и оставляя открытыми только отверстия в ткани, то очевидно, силы вязкости значительно вырастут и с прекращением звука колебания воздушной пробки также прекратятся практически после одного периода. Другими словами, к тому моменту, когда воздушная пробка должна была бы выйти из горлышка, она уже потеряет столько энергии, что звуковая волна, которую она пошлет обратно (то есть отразит), окажется совсем ничтожной. Вот мы и получили поглотитель!
При резонансе поглощение звука может доходить до 100 %. Можно вынудить воздух в бутылке колебаться с частотой, близкой к собственной частоте, но не совпадающей с ней, и, чем больше разница между этими частотами, тем слабее колеблется воздух в бутылке. По этой причине резонансная полость или простой резонатор Гельмгольца эффективен только при частоте, близкой его собственной частоте или совпадающей с ней. Диапазон частот большого поглощения можно расширить, если наполнить горлышко бутылки волокнистым материалом, но максимальная эффективность поглощения при этом понизится: при частотах, отличных от собственной частоты, колебания продолжают возбуждаться, но значительно уменьшается амплитуда резонансного колебания; поэтому нельзя получить звук, дунув над отверстием бутылки с горлышком, набитым волокнистым материалом. Следовательно, такой резонатор действует в более широком диапазоне частот, но его максимальная эффективность значительно снижена.
Вернемся к «дыркам», в потолке. Теперь их назначение легко объяснить: если сложить вместе множество бутылок, стенки их окажутся ненужными — горлышки и объемы самих сосудов будут резонировать так же хорошо. Если горлышки достаточно узкие, можно обойтись без марли, так как сила вязкости будет достаточной. Многие акустические плитки — это простой набор резонаторов Гельмгольца, наполненных волокнистым материалом, в которых убраны лишние стенки.
Акустический потолок без всяких дырок, а просто представляющий собой слой минеральной шерсти, стеклянной ваты или подходящего пенистого материала, тоже пригоден как поглотитель звука. Трудно только удержать такой пласт на потолке!
Конечно, с помощью сеток можно предотвратить осыпание с потолка волокнистых слоев, но внешний вид потолка при этом не улучшится; если же применить сплошное покрытие, потеряется эффект пористости. Сначала использовали крупноячеистую сетку, затем переходили на все более мелкие отверстия и измеряли поглощение звука, чтобы определить, как сильно при этом снижается эффективность поглотителя. Когда открытую площадь отверстий сократили до 30 % от общей площади, то неожиданно для всех выяснилось, что потери эффективности очень незначительны: поглощение несколько упало лишь в высокочастотной области.
Вскоре удалось найти почти идеальный вариант покрытия — слой минеральной ваты толщиной 25 мм, прикрытый перфорированным стальным листом. Это происходило около 80 лет назад; сейчас появились акустические покрытия самых разных типов. Некоторые из них имеют оригинальную конструкцию, другие различаются типом используемых волокнистых материалов; изготавливают и жесткие покрытия из окрашенных поверхностей, перфорированных малыми или большими отверстиями, расположенными регулярно или беспорядочно. Часто делают отверстия разных размеров, что придает потолку менее скучный внешний вид и позволяет более широко раздвинуть резонансные частоты, значения которых зависят от величины отверстий. Изготовляют также покрытия со щелями.
Отверстия не обязательно должны быть круглыми.
Эффективность таких поглотителей несколько различается, но для всех характерна малая эффективность поглощения на низких частотах (ее удается улучшить, помещая поглотитель на некотором расстоянии от стены), большая эффективность для средних и высоких частот и несколько меньшая — для очень высоких частот. Выше мы рассматривали отверстия как элементы резонаторов, однако резонанс лишь частично обусловливает эффективность покрытия. Отверстия и металл между ними мало сказываются на низкочастотных длинноволновых звуках, и для них покрытие действует так, как если бы перфорированной облицовки совсем не было. При средних и высоких частотах эффективность использования волокнистого материала как поглотителя могла бы ухудшиться вследствие уменьшенной площади отверстий, но это снижение компенсируется возникновением резонансного эффекта отверстий.
При очень высоких частотах эффективность поглощения снова падает, потому что эти частоты лежат выше резонансных частот, и для коротковолнового звука участки металла между отверстиями служат хорошими отражателями. Что можно сказать по поводу утверждения, что акустический потолок может поглощать звук и без отверстий или волокнистых материалов? Теперь это нетрудно объяснить. Бутылка — это самый обычный резонатор, но ведь есть и другой столь же обычный резонатор — барабан.
Если ударить в барабан, он издаст музыкальный звук, хотя, из-за множественных резонансов, и не очень определенной частоты, но тем не менее это будет некоторая нота. По существу, барабан не так уж сильно отличается от бутылки, только в нем воздух заключен в гибкую оболочку, которая при натяжении приобретает упругость, и таким образом вводит в действие добавочные факторы — свои массу и упругость. Масса барабанной кожи играет роль груза на пружине, а ее натяжение и упругость воздуха внутри барабана совместно действуют как пружина. Если ослабить натяжение кожи барабана, он перестанет звучать при ударе, потому что мягкую, провисшую кожу нельзя заставить колебаться: ее упругие свойства проявляются только под натяжением. Такая кожа будет похожа на амортизатор, который мы рассмотрели в этой главе, но по-прежнему сохранит одну из своих функций, продолжая служить оболочкой для определенной массы воздуха Заключенный в ней воздух не утратит свойств пружины и сможет колебаться, если только получит достаточно энергии, чтобы перемещать оболочку. Как и в случае нагрузки на пружину, чем тяжелее кожа, тем ниже собственная частота, а чем меньше объем воздуха, тем более упруга воздушная пружина, а значит, тем выше частота.
Если такой барабан со слабо натянутой кожей установлен на стене и на него падает звуковая волна, частота которой совпадет с собственной частотой барабана, то непрерывное поступление энергии волны будет достаточно для того, чтобы вызвать резонанс барабана; но в процессе движения и сгибания ненатянутой кожи барабана значительная часть этой энергии израсходуется в результате поглощения. Чем пластичнее и мягче кожа, тем сильнее она гасит колебания и тем больше энергии поглощает ( поглощенная звуковая энергия при этом превращается в тепловую энергию). Как и в других аналогичных случаях, если барабан набит волокнистым материалом, резонансные свойства станут менее выраженными и барабан будет легче вынудить к колебаниям на других, близких частотах.
Рабочая характеристика подобного панельного, или мембранного, поглотителя очень сходна с характеристикой резонатора Гельмгольца, но только для гораздо более низких частот. У резонаторов Гельмгольца практически нет верхней частотной границы, но нижняя граница есть: она определяется предельно допустимыми габаритами резонатора. Собственная частота панельного поглотителя зависит от массы панели и глубины воздушного пространства за ней; полезный диапазон частот такого поглотителя простирается от 40 до 400 Гц. Для более высоких частот трудно подобрать достаточно легкую оболочку. Такой поглотитель можно изготовить из любого материала, отвечающего следующим основным требованиям: подходящая масса, достаточное затухание и достаточная гибкость. Масса и глубина воздушного слоя определяют резонансную частоту; затухание не позволяет самой панели стать вторичным источником звука и обеспечивает поглощение энергии; гибкость мембраны создает возможность низкочастотного резонанса. Незадемпфированные жесткие панели могут только ухудшить положение в результате появления гармоник. Однако этим обстоятельством можно воспользоваться, если ввести поглощение таким образом, чтобы панели сохраняли резонанс на частотах гармоник и при этом поглощали и более высокие частоты. Жесткие панели часто изготовляют из фанеры, но у таких панелей недостаточное внутреннее трение. Делая с обратной стороны прорези, можно снизить жесткость панели, почти не уменьшая ее массу, а добавочное поглощение удается получить, нанося на панель специальную оклейку.
Где целесообразно применять резонансные поглотители? Они эффективны в ограниченном диапазоне частот, и их размеры должны быть строго подобраны. В результате усиления колебаний воздуха — а именно оно лежит в основе механизма их действия — звуковое давление на заднюю стенку полости возрастает и большее количество звука поступает в стену. Повторяется старая история: поглотители поглощают звук, то есть уменьшают энергию в проходящей волне, но одновременно помогают этой волне проникнуть в стену, поэтому для звуковой изоляции они совершенно бесполезны.
Однако для некоторых целей резонансные поглотители чрезвычайно полезны; избирательность их действия может обернуться преимуществом, например если потребуется погасить в помещении стоячую волну определенной частоты или уменьшить эхо в концертном зале. Панельные резонаторы эффективны в области низкочастотных звуков, для поглощения которых другими способами потребовались бы слои волокнистого материала огромной толщины. Существует немало приемов, позволяющих расширить диапазон эффективного поглощения звука панельными резонаторами: можно, например, скосить заднюю стенку полости резонатора или разнообразить размеры отверстий. Резонаторы Гельмгольца с успехом применяют также в специальных глушителях, предназначенных для случаев, когда резонанс преимущественно сосредоточен на одной определенной частоте!
Затягивать грилем наверное, как АС...
.
