Когда у вас на руках готовый акустический проект со спецификацией материалов, это лишает необходимости самому «ломать голову». Берём проект и строим, стараясь сильно не отклоняться от чертежей. И если инженеры хорошо знали своё дело, то в конце нас ждёт предсказуемый положительный результат. Все довольны и спокойны, деньги потрачены не зря.
Однако, совсем другая ситуация, когда нам приходится самостоятельно выступать в роли автора технических решений, призванных улучшить наши акустические условия. Как правило, это про домашнюю студию и ограниченный бюджет. Поскольку ресурсы ограничены, расходовать их нужно с умом. Нужно знать наверняка, что вложения дадут ощутимый прирост в качестве.
Какие же материалы используются при формировании акустики нашего рабочего пространства?
Да практически все традиционные строительные и отделочные материалы находят применение при строительстве студии. Металл, дерево, стекло, текстиль. Натуральные и искусственные, красивые и уродливые. Химическая промышленность предлагает нам всевозможные пластики, резины и пластмассы, вспененные, пористые, волокнистые, с хаотической и упорядоченной структурой, ультратонкие и мега-толстые, дорогие и дешёвые, специализированные и общего назначения, уникальные и широко распространённые, незаменимые и взаимозаменяемые. Под любые задачи и в любой ценовой категории.
Сегодня я предлагаю поговорить про поглотители
Процесс поглощения энергии звуковых волн сопровождается её рассеянием и переходом в другую форму: тепловую, механическую или энергию деформации. С точки зрения физики, поглотители звуковой энергии делятся на три типа: пористые, мембранные и резонансные. Поглощающая способность сильно зависит от физических свойств самого материала, размеров конструкции, способа монтажа и, собственно, звуковой частоты.
Так вот, некоторые из доступных сегодня материалов могут быть использованы как вполне самодостаточные (например, те же поролоновые панели «пирамидка» для поглощения высоких и средних частот), а часть материалов гораздо эффективнее работает в составе конструкций. Например, минеральная вата малой плотности, размещённая во внутреннем объёме низкочастотного мембранного поглотителя. Сама по себе она малоэффективна для поглощения низких частот, но будучи частью конструкции, отлично выполняет свою роль.
Нужно различать поглощающие материалы и поглощающие конструкции
Строго говоря, все материалы в той или иной степени способны поглощать энергию звуковых волн. Более плотные, массивные материалы лучше поглощают низкие частоты, при этом хорошо отражают средние и высокие. А более лёгкие материалы хорошо поглощают высокие частоты, но в то же время являются «акустически прозрачными» для низких. В зависимости от плотности и структуры материал может более эффективно взаимодействовать с одними частотами и менее эффективно справляться с другими.
Универсальных материалов, которые бы имели одинаково высокое поглощение сразу во всём звуковом спектре не существует. Например, именно поэтому применение «пирамидки» в качестве единственного материала не может решить всех акустических задач в помещении.
Поглощающие свойства материалов принято выражать в виде «коэффициента поглощения», определяемого как отношение энергии отражённых волн к энергии волн, попавших на поверхность материала или конструкции. Определяется он в стандартных частотных полосах путём акустических измерений. Данные измерений заносятся в «технический паспорт» материала и используются инженерами при разработке акустических проектов.
Ниже в таблице в качестве примера приведены коэффициенты поглощения для некоторых материалов и конструкций в стандартизированных частотных полосах:
Пористые поглотители
Обычно обладают высоким коэффициентом поглощения. К ним относятся минеральная вата, поролон, синтепон, пористые резины, древесно-стружечные плиты с рыхлой структурой, сюда же можно отнести ковровые покрытия и текстиль. Звукопоглощающие материалы, как правило, обладают относительно низкой плотностью. Поэтому звуковые волны проникают сквозь их поверхность в толщу материала, где их энергия за счёт сопротивления, трения и вязкости волокнистой или ячеистой структуры, а также за счёт большой удельной поверхности, эффективно поглощается, преобразуясь в тепловую форму.
Количество выделяемого тепла, кстати, ничтожно мало, примерно 1∙10-6 ватт.
Пористые звукопоглотители наиболее эффективны для средних и высоких частот. На низкие частоты они, как правило, оказывают минимальное влияние.
Неплохо на всякий случай вспомнить закон сохранения энергии, из которого следует, что энергию нельзя создать или разрушить, её можно только преобразовать из одной формы в другую.
Мембранные поглотители
Традиционно этот тип конструкций представляет собой плоский герметичный ящик, внутри которого заключён воздух, и часть внутреннего объёма заполнена поглощающим материалом. Одна из стенок (мембрана) выполнена из воздухонепроницаемого материала с небольшой жёсткостью и способна воспринимать звуковые колебания. У данной системы есть выраженная резонансная частота, услышать которую можно слегка ударив по мембране пальцем.
Механизм действия можно описать так: звуковые волны, достигая поверхности мембраны, вынуждают её отклониться от положения покоя, затрачивая на это свою энергию. Колебательная система, «масса мембраны + упругость заключённого внутри воздуха» (почти как грузик на пружине) преобразует энергию звуковых волн в механические колебания.
Материалы из которых изготавливаются мембранные поглотители (фанера, МДФ, пластик, винил, резина) обладают значительной плотностью и сами по себе не являются поглощающими, однако конструкция в целом эффективно взаимодействует с низкими частотами. Поверхность мембраны хорошо отражает средние и высокие частоты, поэтому часто на неё наносят поглощающий материал. Например, крепят листы минеральной ваты. Обычно такие конструкции скрыты за драпировкой или размещаются вне поля видимости.
Давайте взглянем на конструкцию и простейший расчёт мембранного поглотителя:
На рисунке а) изображён классический вариант конструкции «ничего лишнего», а на рисунке б) – усовершенствованная версия.
Недостатком «классического» варианта является отражающая ВЧ и СЧ поверхность мембраны, что потребует размещения дополнительных поглощающих материалов для контроля этой части спектра. Кроме того, свободно колеблющаяся мембрана при определённых условиях может начать возбуждаться, переизлучать звуковые волны на частоте собственного резонанса.
Очевидным улучшением конструкции было добавление на наружную поверхность мембраны пористого поглощающего материала, что позволило расширить спектр захватываемых частот. Перенос же поглощающего материала на внутреннюю поверхность с поверхности задней стенки конструкции позволил при сохранении количества поглотителя увеличить массу мембраны, практически не увеличивая её жёсткость.
Эффективная рабочая область частот мембранного поглотителя распространяется на октаву вниз и на октаву вверх от опорной частоты. Что делает этот тип конструкций «широкополосным» и позволяет прощать небольшие погрешности при изготовлении. Имеются в виду, конечно, не аккуратность исполнения, а отклонения фактической резонансной частоты от расчётных значений, в виду непостоянства свойств самой мембраны, шага скоб или шурупов, которыми мембрана крепится к корпусу, силы прижима и некоторого варьирования линейных размеров конструкции.
Кстати, приведённая выше формула f = 80/(m∙d) – это экспериментально скорректированная «классическая» формула f = 60/(m∙d), которая не учитывает «граничный эффект», возникающий в реальной конструкции и подразумевала бесконечно большую площадь мембраны и бесконечно большой воздушный объём. Реально измеряемая резонансная частота конструкций была на 1/3 выше, чем рассчитанная по «классической» формуле. Поэтому в неё была внесена поправка и вместо 60 в числителе появилось 80.
Дело в том, что по периметру мембрана жёстко и неподвижно крепится к корпусу поглотителя и никакого смещения на краях не происходит, то есть, масса, вовлекаемая в колебательный процесс, и амплитуда самих колебаний уменьшаются от центра к краям. Увеличение же жёсткости мембраны влечёт за собой увеличение влияния граничного эффекта и как следствие, повышение резонансной частоты. То есть, резонансная частота резиновой мембраны будет ниже, чем фанерной при одинаковой поверхностной плотности.
Стоп! А как это обстоятельство учесть в расчёте?
Для больших (размером в несколько метров) конструкций с нежёсткими эластичными мембранами (например, резиновыми) можно использовать «классическую» формулу, а для небольших конструкций, типа 1 х 0.6 м. с жёсткой фанерной мембраной – скорректированную.
На практике при работе с акустикой комнаты мне приходится изготавливать несколько различающихся своими параметрами поглотителей для лучшего контроля НЧ.
Поглотители резонаторного типа
Поглотители резонаторного (резонансного) типа используются, когда необходимо подавить конкретную частоту. Принцип возникновения резонанса, лежащий в основе действия, был открыт немецким физиком Германом Гельмгольцем в середине 19-го века и часто эти конструкции называют резонаторами Гельмгольца.
Конструкция представляет собой воздушную камеру с горлышком, частично заполненную пористым поглощающим материалом. Звуковые волны, достигая поверхности поглотителя, оказывают давление на воздушный столб, содержащийся в горлышке, «вдавливая» его внутрь камеры, что вызывает сжатие содержащегося в ней воздуха (воздушной пружины). Когда внешняя вдавливающая сила и сила противодействия сжатого воздуха сравниваются, происходит обратный процесс – воздушная пружина выдавливает воздушный столб наружу и так продолжается, пока не исчезнет внешняя сила. Это происходит с определённой частотой, которая зависит от площади сечения и длины горлышка.
Давайте рассмотрим устройство и расчёт поглотителя, построенного по принципу резонатора Гельмгольца.
- Эквивалентная длина горлышка – величина, использующая поправочный коэффициент, учитывающий отличие реальной длины воздушного столба от длины горлышка и от теоретического значения.
- Гидравлический (эквивалентный) диаметр отверстия – величина, употребляемая при расчётах потоков газов и жидкостей в трубах не круглого сечения и позволяющая учесть поведение потока в них.
Как видите, принцип работы поглотителей можно описать в довольно доступной форме.
Конечно, процессы, происходящие в материалах и конструкциях довольно сложные и многоуровневые, но для большинства задач вполне достаточно расчётов, приведённых в этой статье.
В следующий раз мы побеседуем про реверберацию, точнее про время реверберации и важность этого параметра для оценки акустических качеств помещения.
Часть 1: Базовые акустические явления и понятия
Часть 2: Частота Шрёдера
Часть 3: Рассеяние звуковых волн или как заставить комнату зазвучать
Часть 4: Диффузоры: с чем их «едят»
Автор: Сергей Проскуряков для WaveForum