По своей природе основная доля шумовых воздействий на окна приходится на так называемый воздушный шум, возникающий при излучении звука в воздушное пространство. Излучаемый звук достигает какого-либо ограждения и вызывает его колебания. Колеблющееся ограждение, в свою очередь, излучает звук в смежное помещение, и таким образом воздушный шум достигает воспринимающего его человека.

Каждое отдельное стекло, на которое падают звуковые волны, следует рассматривать как тонкую пластину, получающую под внешним воздействием деформации изгиба. На рис. 3.1.4.1 показаны частотные характеристики изоляции воздушного шума одиночными стеклами различной толщины, рассчитанные по методике СНиП II-12-77 «Защита от шума». Построение расчетной кривой осуществляется, исходя из экспериментально установленной зависимости, определяющей наличие двух частотных диапазонов, разделенных граничной частотой fгр, на которой происходит так называемый пространственно-частотный резонанс, подробно описываемый в учебниках по строительной акустике. В этот момент распределение звукового давления на поверхности конструкции точно соответствует распределению амплитуд ее собственных колебаний, что приводит к резкому увеличению их интенсивности. Звукоизоляция конструкции в этот момент резко падает.

На участках до граничной частоты и после нее, звукоизоляция конструкции изменяется в соответствии с законом массы, который может быть записан в виде:

для частот f < fгр как
Ri = 20 lgmfi - 42 - 6 (3.1.4.1)

для частот f > fгр как
Ri = 20 lgmfi - 42 - 16 (3.1.4.2)

где
Ri — звукоизоляция конструкции на i-ой частоте, [дБ]
fi — частота, [Гц]
m = ρ / h — поверхностная плотность (масса единицы площади конструкции), [кг/м2]
ρ — объемный вес материала конструкции, [кг/м3] , для стекла ρ = 2500 кг/м3
h — толщина конструкции, [м]

Рис. 3.1.4.1. Частотные характеристики изоляции воздушного шума одиночными стеклами, различной толщины h.
1 — h = 3 мм, m = 7,5 кг/м2
2 — h = 4 мм, m = 10 кг/м2
3 — h = 6 мм, m = 15 кг/м2
4 — h = 8 мм, m = 20 кг/м2
5 — нормативная кривая изоляции воздушного шума
6 — кирпичная кладка
ρ = 1900 кг/м3, h = 250 мм, m = 475 кг/м2

Расчётные кривые рис. 3.1.4.1 приведены вместе с нормативной кривой звукоизоляции от воздушного шума, содержащейся с СНиП «Защита от шума» и отражающей специфику восприятия звука человеком на различных частотах.

В строительной технике принято рассматривать диапазон частот, воспринимаемый органами слуха человека, в интервале от 32 до 4000 Гц. При этом наибольшую чувствительность к звуковым воздействиям человек проявляет на средних частотах ( в интервале приблизительно от 400 до 3000 Гц), несколько хуже слышит высокие (примерно от 3000 до 20 000 Гц), и наименее чувствителен к звуку на низких ( примерно от 20 до 400 Гц). При проведении акустических расчетов и измерений частотный спектр слышимого шума разбивается на стандартизованные октавные полосы частот, зафиксированные в СНиП.

Все отклонения вниз от нормативной кривой следует рассматривать как несоответствие конструкции предъявляемым требованиям в данной точке частотного диапазона. При этом величиной, реально ощущаемой человеком, будет отрицательное отклонение свыше 10 – 15 Дб (см. табл. 2.1.2.2 раздела 2.1.2).

Точка, соответствующая граничной частоте, является критической. Достижение необходимого значения звукоизоляции на этой частоте с технической точки зрения малореально. Поэтому основной целью акустического проектирования ограждающих конструкций является сглаживание резких падений звукоизоляции, вызванных волновым совпадением, или максимально возможное выведение граничной частоты за пределы слухового диапазона.

Как видно из рис. 3.1.4.1, у тонких стекол fгр приходится на область вы- соких частот. При этом нетрудно заметить, что никакое разумное увеличение массы (увеличение толщины) стекла не сможет приблизить его звукоизо- ляционные характеристики к непрозрачным участкам стен (для сравнения приведена кривая 6).

Дополнительный прирост звукоизоляции остекления можно получить только за счёт установки двух (и более) стёкол, разделенных воздушным промежутком. В строительной акустике такие конструкции принято представлять как систему двух масс с упругими поперечными связями (рис. 3.1.4.2), что фактически представляет собой акустическую модель однокамерного стеклопакета.

Рис. 3.1.4.2. Прохождение звука через конструкцию остекления

Передача звука через такую конструкцию осуществляется следующим образом. Звуковые волны, падающие на наружное стекло с поверхностной плотностью m1, вызывают в нем изгибные колебания. Находящийся в прослойке воздух выполняет роль амортизатора, в котором эти колебания затухают.

Таким образом, на внутреннее стекло с поверхностной плотностью m2, приходит уже ослабленное звуковое воздействие, которое, в свою очередь, возбуждает изгибные колебания в этом стекле. Колеблющееся внутреннее стекло излучает звук в помещение.

Таким образом, если сравнить две конструкции — однослойную с массой 1 м2 m = m1 + m2 и двухслойную m1 + воздух + m2, в последней по сравнению с первой будет наблюдаться дополнительная звукоизоляция ΔR, получаемая за счет упругой работы воздуха в прослойке.

При этом суммарная звукоизоляция двойного ограждения R2 будет определяться по формуле

R2 = R1 + ΔR (3.1.4.3)

где
R1 — изоляция одного слоя (наиболее массивного) с учетом волнового совпадения, [дБ]
ΔR — дополнительная изоляция, рассчитываемая по схеме колебательной системы «масса — упругость — масса», [дБ], определяемая как

ΔR = 20lg {1 - (f/f0)2} (3.1.4.4)

где
f — текущая звуковая частота, [Гц]
f0 - частота собственных колебаний системы «масса— упругость— масса», [Гц]
При заполнении промежутка между массивными слоями воздухом частота f0 определяется по формуле

f0 = 60√ (m1 + m2)/a m1 m2 (3.1.4.5)

где
a — толщина воздушного промежутка, [м]

Теоретически и экспериментально установлено, что система двух масс с упругими поперечными связями (двойное остекление) обладает рядом резонансов, имеющих место на определенных частотах. На этих частотах происходит резкое падение звукоизоляции конструкции и, соответственно, возрастание уровня шума в изолируемом помещении.

На рис. 3.1.4.3 показана принципиальная частотная характеристика двойного остекления. Характерным для этой кривой является наличие нескольких частотных диапазонов.

На участке I в диапазоне частот до 100 Гц двойная конструкция, согласно теоретическим положениям, ведет себя как акустически однородная конструкция, имеющая массу 1 м2, равную суммарной массе 1 м2 двух спаренных стёкол (m = m1 + m2).

Рис. 3.1.4.3. Принципиальная частотная характеристика изоляции воздушного шума двойным остеклением. Характерные частотные диапазоны

Первый резонанс (участок II) имеет место при совпадении частоты падающих звуковых волн f с собственной частотой колебания остекления f0. На этой частоте стёкла начинают совершать ритмические, усиливающие друг друга колебания, повышая тем самым прохождение звука через стекло. Значение дополнительной изоляции ΔR в формуле (3.1.4.4) в этот момент становится близким к нулю, а изоляция остекления, согласно (3.1.4.3), определяется изоляцией одного, наиболее массивного стекла. Как правило, резонансная частота конструкции с двумя стеклами лежит в диапазоне частот от 100 до 400 Гц. Этот диапазон в специальной литературе классифицируется как резонансный.

На участке III в диапазоне частот от 400 до 800 Гц наблюдается увеличение звукоизоляции в соответствии с «законом массы», т.е. изоляция растет пропорционально увеличению массы стекол.

На участке IV, называемом диапазоном совпадения, от 800 до 3000 Гц звукоизоляция конструкции ухудшается за счет возникновения пространственно- частотного резонанса в каждом из стёкол.

На участке V в диапазоне частот выше 3000 Гц наблюдается последовательный прирост изоляции, однако этот участок, близкий к границе нормируемого диапазона, практически не представляет интереса для проектировщиков.

При высоком уровне внешнего шума рекомендуется использование стеклопакетов со стёклами различной толщины. Преимущества такого решения можно наглядно увидеть, построив и сравнив частотные характеристики для стеклопакетов различной конструкции (рис. 3.1.4.4 и рис. 3.1.4.5).

При одинаковой толщине стекол, а следовательно, и при одинаковой поверхностной плотности, частоты волнового совпадения для обоих стеколсовпадают, т.е. fгр1 = fгр2. При этом преимущества, получаемые за счёт простого увеличения массы стекол, в значительной степени теряются из-за смещения fгр в сторону хорошо слышимых средних частот.

При использовании стёкол различной толщины частоты fгр1 и fгр2 не совпадают, частотная характеристика сглаживается и не имеет провалов.

Рис. 3.1.4.4. Частотные характеристики изоляции воздушного шума двойным остеклением с одинаковыми стеклами, толщиной h. Толщина воздушного промежутка d = 10мм,
1 — h = 3 мм
2 — h = 4 мм
3 — h = 6 мм
4 — h = 8 мм
5 — нормативная кривая изоляции воздушного шума

Рис. 3.1.4.5. Частотная характеристика изоляции воздушного шума двойным остеклением со стеклами, различной толщины h1 и h2. Толщина воздушного промежутка d = 10 мм.
1 — h1 = 4 мм (m = 10 кг/м2), h2 = 6 мм (m = 15 кг/м2)
5 — нормативная кривая изоляции воздушного шума

Как показывают данные экспериментальных исследований, окна с двухкамерным стеклопакетом не имеют практически никаких преимуществ с точки зрения звукоизоляции перед однокамерным. Поскольку в двухкамерном стеклопакете среднее стекло, как правило, размещено посередине между крайними стеклами, это стекло не только не дает роста звукоизоляции, но и может даже снизить ее, поскольку в такой системе происходит повышениерезонансной частоты по сравнению с однокамерным стеклопакетом, до значений, максимально приближенных к области наилучшей слышимости. Так, однокамерный стеклопакет 4-12-4 имеет резонансную частоту 250 Гц, а двухкамерный 4-12-4-12-4 — 300 Гц.

Возврат к списку