Звукоизоляционные характеристики остекления

Осредненные величины индексов звукоизоляции, приводимые в большинстве источников по окнам, далеко не всегда отражают действительные звукозащитные качества остекления. Для объективной оценки необходимо представление о работе как отдельных стекол, так и конструкции в целом в различных частотных диапазонах.
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, подвергающееся воздействию падающих звуковых волн, следует рассматривать как тонкую пластину, получающую под внешним воздействием деформации изгиба. На Рис. 1 показаны частотные характеристики изоляции воздушного шума одиночными стеклами различной толщины, рассчитанные по программе ZVUK1, разработанной на кафедре архитектуры МГСУ (Россия). В основу алгоритма программы положена методика СНиП П-12-77 “Защита от шума”. Построение расчетной кривой осуществляется, исходя из экспериментально установленной зависимости, определяющей наличие двух частотных диапазонов звукоизоляции, разделенных граничной частотой fгр. На этой частоте скорость изгибных волн в конструкции совпадает со скоростью звука в воздухе. На частотах выше граничной длина изгибной волны L и будет равна следу длины волны L падающего звука. Это явление получило название волновое совпадение или пространственно-частотный резонанс. При волновом совпадении распределение давления на поверхности конструкции точно соответствует распределению амплитуд ее собственных колебаний, что приводит к резкому увеличению интенсивности изгибных колебаний и, соответственно, к резкому снижению звукоизоляции.

• Share

При этом на участках до граничной частоты и после нее звукоизоляция изменяется в соответствии с законом массы, который может быть записан в виде:
для частот f < fгр как

Ri = 20 lg mfi – 42 – 6      (1)

для частот f > f rp как

Ri = 20 Ig mfi – 42 – 16     (2)

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

Все отклонения вниз от нормативной кривой следует рассматривать как несоответствие конструкции предъявляемым требованиям в данной точке частотного диапазона. При этом в соответствии с табл. 1 ощутимой величиной следует считать отрицательное отклонение свыше 10-15 Дб.

Точка, соответствующая граничной частоте, является критической. Достижение необходимого значения звукоизоляции на этой частоте представляется достаточно трудным без дополнительных затрат на конструкцию. 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.
У тонких стекол (Рис. 1) fгp приходится на область высоких частот. При этом нетрудно заметить, что никакое разумное увеличение массы (увеличение толщины) стекла не сможет приблизить его звукоизоляционные характеристики к непрозрачным участкам стен (для сравнения приведена кривая 6). В этом случае скорее возможен обратный результат — смещение граничной частоты в наиболее слышимые средние частоты с небольшим выигрышем за счет некоторого прироста звукоизоляции на менее значимых низких.

• Share

Дополнительный прирост звукоизоляции остекления можно получить за счет установки двух (и более) стекол, разделенных воздушным промежутком. В строительной акустике такие конструкции принято представлять как систему двух масс с упругими поперечными связями (Рис. 2).
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 1м2  m = m1 + m2 и двухслойную m1 + воздух + m2, в последней по сравнению с первой будет наблюдаться дополнительная звукоизоляция DR, получаемая за счет упругой работы воздуха в прослойке.
При этом суммарная звукоизоляция двойного ограждения R2 будет определяться по формуле

R2 = R1+DR       (3)

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

DR = 20 lg { l – ( f / f0 )2 } (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

• Share

где а — толщина воздушного промежутка, [м]
Теоретически и экспериментально установлено, что система двух масс с упругими поперечными связями обладает рядом резонансов. На Рис. 3 принципиально показана частотная характеристика двойного остекления. Характерным для этой кривой является наличие нескольких частотных диапазонов, определяющих звукоизоляцию конструкции.
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 стекол двойной конструкции (m = m1 + m2).
Первый резонанс (участок II) имеет место при совпадении частоты падающих звуковых волн f с собственной частотой колебания остекления f0. На этой частоте стекла начинают совершать ритмические, усиливающие друг друга колебания, повышая тем самым прохождение звука через стекло. Значение дополнительной изоляции DR в формуле (4) в этот момент становится близким к нулю, а изоляция остекления, согласно (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 будем называть резонансным.
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 волнового совпадения в каждом из стекол.
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.
Масса каждого из стекол (m1 и m2), упругость воздушной прослойки, зависящая от ее толщины а, и отношение частоты воздействующего звука к собственной частоте колебаний конструкции f/f0 являются факторами, определяющими передачу звуковой энергии через конструкцию двойного остекления.
Как пример, приведем частотные характеристики для некоторых видов остекления, рассчитанные российскими коллегами по методике СНиП II-12-77.
Анализируя совместно Рис. 4. и Рис. 5, можно проследить зависимость влияния различных факторов на звукоизоляцию остекления. При одинаковой толщине стекол, а следовательно, и при одинаковой поверхностной плотности, частоты волнового совпадения для обоих стекол совпадают, т.е. f гpl = f гp2. При этом преимущества, получаемые за счет увеличения массы стекол, в значительной степени теряются из-за смещения f гp в сторону средних частот.

• Share

Увеличение толщины воздушной прослойки приводит к смещению частоты f0 в сторону низких частот, давая общую тенденцию к повышению звукоизоляции на средних, однако не решает проблем, связанных с волновым совпадением.

• Share

• Share

• Share

Оптимальными характеристиками обладает система со стеклами различной толщины (Рис. 5). В этом случае частоты f гpl и f гp2 не совпадают, частотная характеристика сглаживается и не имеет провалов.

Индекс изоляции воздушного шума
Частотная характеристика остекления наиболее полно позволяет судить о его звукозащитных качествах, однако практически никогда не приводится производителями окон и стеклопакетов в сопроводительной технической документации. Как уже отмечалось, для приближенной оценки звукоизоляции может быть использована величина индекса изоляции воздушного шума Rw (в большинстве отечественных источников Iв).
Индекс изоляции воздушного шума определяют для конструкции с известной частотной характеристикой (построенной на основании расчетов или экспериментальных данных). При этом для его вычисления применяется формула (6).

Iв = 50 ±Dв, [дБ]     (6)

где Dв — поправка, определяемая по сумме неблагоприятных отклонений частотной характеристики вниз от нормативной кривой.
Приведем в табличном виде соотношение индекса звукоизоляции Rw (а также индекса Ra, приближенно рассчитанного по формуле (7)), с реальными звукоизоляционными качествами остекления.

RA = 0.6 RW + 6     (7)

Методика расчета индекса звукоизоляции одинакова для всех конструкций и подробно изложена во многих литературных источниках. Следует, однако, отметить, что индекс изоляции является величиной, определяемой чисто арифметическими вычислениями, и не дает возможности судить о каких-либо физических закономерностях.