Страница:
Во сколько же? Здесь имеет значение частота звука. Чем ниже частота, тем больше длина волны и тем с большей площади стены звук приблизительно с одной и той же фазой может "стечь" в "акустическую воронку" -- отверстие в стене. Так, по данным Вагнера, коэффициент увеличения эффективной площади отверстия вследствие дифракции достигает шести на частоте 1200 герц. Для низких частот Вагнер дает еще большие значения увеличения звукопроводности отверстий, но к этим данным следует относиться с осторожностью.
А. Контюри, чья книга по строительной акустике получила национальную премию Франции, несложным аналитическим приемом показал, что звукопроводность щелей даже несколько больше, чем звукопроводность отверстий равной площади. Что из этого последует, читатель усмотрит, если даст себе труд проследить за ходом несложного расчета. Дверная створка обычной конструкции проводит от 1/100 до 1/1000 энергии падающего на нее звука. Пусть под створкой имеется щель шириной 0,5 сантиметра, т.е. площадью примерно в 1/400 часть площади створки. Если даже на время пренебречь увеличением звукопроводности щели вследствие дифракции, а просто считать, что щель проводит лишь весь падающий на нее прямой звук от источника, то и тогда при звукопроводности створки 1/100 через щель пройдет всего лишь в 4 раза меньше звуковой энергии, чем через всю дверную створку; при учете же дифракции звуковые потоки через подобную дверную створку и через щель будут соизмеримы.
Если взять створку двери с высокой звукоизоляцией (звукопроводность 1/1000), то та же щель под ней будет проводить уже значительно больше звуковой энергии, чем вся створка. Значит, чем лучше с точки зрения звукоизоляции сама дверь, тем больше ей "вредят" щели по контуру.
Как же с этим бороться? У начальников различных рангов часто пользуется популярностью обивка дверей, целиком или хотя бы по контуру, войлоком в клеенке.
Щель под дверью проводит столько же звука, сколько вся площадь двери.
Пушистые ковры на полу и старинные, вышедшие из моды драпри вокруг двери уменьшают отражения звука от ограждений и несколько ослабляют звукопроводность щелей. Но наибольший эффект достигается самым простым способом -- увеличением перекрытия створкой дверного косяка. Наилучшую с точки зрения звукоизоляции конструкцию двери автор обнаружил в ... Музее боярского быта в Москве. Перекрытие створкой двери краев дверного проема достигает здесь чуть ли не ширины ладони, а соприкасающиеся поверхности для большей плотности покрыты плюшем. К удивлению музейного служителя, посетитель попросил его прокричать что-нибудь из боярского кабинетика. Ничего, кроме смутного намека на человеческий голос, не было слышно! Неграмотные строители тех времен, не имевшие представления об акустических явлениях, не только интуитивно почувствовали, от чего зависит звукопроводность притворов, но и нашли надежные способы звукозащиты.
Обычный (слева) и хорошо звукоизолированный (справа) притвор двери
Повезло судам и кораблям. Двери на них, как правило, герметичные, водонепроницаемые, а значит, и звуконепроницаемые. Но, правда, не все.
Однако мы отвлеклись от объекта первоначального повествования -замочных скважин. И здесь есть старинные рецепты звукозащиты, например, массивные металлические пластинки на оси над скважиной по обе стороны двери. Но нужны ли они? Кумушки-- любительницы подслушивания как будто исчезают, да и романы, в которых интрига основана на подслушивании, тоже вроде бы менее популярны. Правда, разведчики в романах и повестях и в наше время иногда добывают сведения подслушиванием через замочную скважину или неплотно притворенную дверь Однако вопрос, адресованный специалисту-акустику после беседы о звукопроводности щелей и отверстий, был задан не кумушкой и не разведчиком. Вопрос был такой:
-- А какой голос -- мужской или женский -- легче подслушать?
Вопрос не простой. С одной стороны, в мужском голосе больше составляющих низких звуковых частот, которые в большей степени отражаются ограждениями и обусловливают большую концентрацию звука на отверстиях. Но, с другой стороны, для большей разборчивости (лучшей артикуляции) речи необходимо содержание в ней значительной части составляющих повышенной частоты. Поэтому специалист-акустик признался, что он не может ответить на заданный вопрос.
"ЭТИ В БАРХАТ УШЕДШИЕ ЗВУКИ"
Голос, растекаясь со сцены, как из центра, распространяясь кругами и ударяясь о полости отдельных сосудов, достигает большей звучности и будет вследствие согласия звуков вызывать должное ответное звучание.
Витрувий. Об архитектуре
Приведенными в названии словами стихотворец не только преподнес читателю поэтический образ, но и (быть может, сам того не ведая) достаточно четко определил физическую сущность процесса звукопоглощения. Да, звуковые колебания, перешедшие в волокнистый или пористый материал, обратно возвращаются лишь в относительно небольшой степени, значительная часть их энергии превращается в теплоту. (Количество ее, впрочем, как и в большинстве звуковых процессов, крайне невелико: подсчитано, например, что если бы все жители Москвы непрерывно разговаривали в течение суток, то излученной энергии едва хватило бы на то, чтобы нагреть несколько чашек чая.)
Для достижения большого звукопоглощения должны быть выполнены некоторые условия, в частности, обеспечена достаточная толщина звукопоглотителя (тем большая, чем ниже частота звука), отсутствие заметного скачка акустического сопротивления на границе среда -- поглотитель.
Рассуждения о переходе звуковой энергии из среды в звукопоглотитель мы почти автоматически относим к случаю нормального падения звука на поглотитель. Ну, а какова будет картина при косом падении звука, лучше или хуже будет звукопоглощение? Можно, казалось бы, рассуждать так: при косом падении звук проходит больший путь в
звукопоглотителе, и поглощение должно быть больше.
"Веер отражения" звука некоторыми звукопоглотителями. Чем больше угол падения звука (к нормали), тем большая часть звуковой энергии не поглощается звукопоглотителем, а отражается им.
Последнее заключение -- еще один пример того, что упрощенно-интуитивные предположения иногда обманывают. В действительности здесь может быть все наоборот. В дело вмешивается принцип нормального импеданса, справедливый для многих звукопоглотителей, в частности, поглотителей звука в воде. Суть его вкратце заключается в том, что при оценке реакции слоя звукопоглотителя на падающую звуковую волну учитывается лишь сопротивление слоя в направлении, перпендикулярном его поверхности.
"Необоримый" нормальный импеданс приводит к тому, что в дело вмешивается косинусоидальная зависимость поглощения от угла падения звука: звуковая волна, приходящая к звукопоглотителю вблизи от перпендикуляра к его поверхности, лучше поглощается, чем волны, падающие под косыми углами.
Так ли уж необорим нормальный импеданс? Советский акустик К. А. Велижанина, посвятившая исследованию звукопоглотителей и процесса звукопоглощения, можно сказать, всю свою сознательную жизнь, приходит к заключению, что в ряде случаев угловые характеристики звукопоглощения могут быть достаточно причудливыми. К подобным же выводам пришли японские ученые, исследовавшие керамические поглотители, применяемые в конструкциях, работающих на открытом воздухе (например, в автотуннелях).
Еще немного физики, прежде чем перейти к практическому применению звукопоглотителей. Уже довольно давно было обнаружено при испытаниях участков звукопоглотителей в измерительных камерах интересное явление. Если определять поглощаемую энергию, по отношению к поверхности, звукопоглотителя, то коэффициент поглощения иногда оказывается больше единицы. Выходит, поглощаемая звуковая энергия больше энергии, падающей на поглотитель? Может быть, нарушается закон сохранения энергии? Нет, конечно, никакого нарушения закона не происходит. Просто вследствие явления дифракции наблюдается эффект, подобный описанному выше "эффекту замочной скважины". Кромки поглотителя, особенно близко расположенные к отражающим поверхностям камеры, "впитывают" звук, чем и обусловлено усиленное звукопоглощение исследуемого образца материала. Это явление было названо "кромочным эффектом".
Но вред от дифракции как источника измерительных ошибок гораздо меньше, чем положительная роль, которую может сыграть та же дифракция в залах, если на их стены и потолки нанесен звукопоглотитель. Участки звукопоглотителя, действуя по принципу замочной скважины, отсасывают на себя звук, отраженный от необлицованных участков ограждений помещения. Значит, вовсе не обязательно покрывать звукопоглотителем всю поверхность помещений! С точки зрения строительной практики это очень важный вывод.
Но вот мы уже подошли и к практическому применению звукопоглотителей. Еще Витрувием было подмечено, что в некоторых гулких залах речь оратора трудно разобрать, хотя громкость ее и достаточна. Здесь на помощь приходят звукопоглощающие облицовки.
Ассортимент их сейчас чрезвычайно разнообразен. Это и маты из минеральной "шерсти", пенополиуретана, и звукопоглощающие штукатурки, и древесностружечные плиты, и даже "штучные поглотители" (оставим это название на совести предложивших его, речь идет просто об отдельных локальных звукопоглотителях, подвешенных в каком-либо месте помещения). Благодаря работам Г. Л. Осипова, Е. Я. Юдина и многих других отечественных ученых и инженеров акустические свойства звукопоглощающих материалов изучены очень хорошо, и выпуск таких материалов в нашей стране налажен в достаточном количестве.
Непосвященный, возможно, счел бы ошибочным высказывание примерно такого рода: "Звукопоглощение в этом зале столько-то... квадратных метров". Однако ошибки нет: за единицу звукопоглощения (полного) принимается один квадратный метр открытого окна (предполагается, что звук, вышедший из комнаты в окно, обратно уже не возвращается, а это для данного помещения равноценно полному поглощению звука). Единица звукопоглощения носит еще название сэбин, по имени американского акустика, внесшего значительный вклад в теорию звукопоглощения в помещениях.
Чем больше общее звукопоглощение в помещении, тем быстрее спадает в нем звук после прекращения действия источника. Практически степень гулкости помещения оценивается временем стандартной реверберации, в течение которого происходит ослабление звуковой энергии в миллион раз. И вот оказывается, что для наилучшего восприятия речи нужно, чтобы время реверберации было в пределах 0,5--1 секунды. Накладываются определенные ограничения и на частотную зависимость времени реверберации.
Музыка требует примерно вдвое большего времени реверберации. При оценке общего звукопоглощения нельзя пренебречь и поглощением, вносимым людьми. Музыканты отчетливо различают разницу в звучании оркестра в зале с публикой и без нее. Поэтому при репетициях оркестров высокого класса в зале поверх стульев настилается ворсистый звукопоглощающий материал.
О количественной стороне поглощения звука людьми можно сказать, что звукопоглощение одного человека на средних звуковых частотах близко к поглощению половины квадратного метра открытого окна.
Автор не решился бы в связи с этим остановить внимание читателя на одном замечании (которое может показаться легковесным), если бы оно не принадлежало виднейшему акустику нашего времени Э. Мейеру. В начале 70-х годов английское акустическое общество учредило медаль имени великого физика-акустика Рэлея. Как уже говорилось, принимая поднесенную ему первую медаль, Мейер выступил с благодарственным словом, в котором он сначала упомянул о созданном им во время второй мировой войны противогидролокационном звукопоглотителе для немецких подводных лодок. Далее речь приобрела более игривый характер. Прогресс человечества (как, впрочем, и уравнивание прав обоих полов в обществе) он сопоставил с изменением звукопоглощения мужчинами и женщинами. Измерения начала века указывали на большее звукопоглощение женщинами, что было обусловлено их пышными кринолинами и прическами. При переходе женщин к мини-юбкам, коротким стрижкам, а мужчин -- к пышным шевелюрам звукопоглощение представителей обоих полов уравнялось.
От поглощения звука людьми вернемся, однако, к поглощению его в помещениях. Особую роль звукопоглощение имеет в залах с полукруглым или круглым (в планетариях) потолком, с участками параллельных стен. Здесь возможны зоны фокусировки звуковых лучей, или так называемые порхающие эхо. Этих явлений, существенно ухудшающих акустику помещений, можно избежать, нанося на стены более или менее протяженные участки звукопоглотителей.
До сих пор говорилось главным образом о влиянии звукопоглощения на качество акустики концертных залов. Исключительную роль искусственные звукопоглотители приобрели в деле борьбы с шумами. Начать с того, что без тех или иных звукопоглотителей звукоизолирующая конструкция вообще не выполняет своей функции. Она отбрасывает звук обратно, не пропускает его в изолируемое помещение. Но если не поглощать возвращаемый звукоизолирующей перегородкой звук, то его уровень в помещении источника будет при непрерывной работе источника все время возрастать (теоретически до бесконечности), а это в свою очередь увеличит звуковую энергию и в изолируемом помещении. К счастью, звук поглощают в той или иной мере все предметы. Все же введением специальных звукопоглотителей можно добиться снижения громкости шума, скажем, еще вдвое. Как видно, игра стоит свеч.
Вряд ли можно было более умело сочетать наличие участков современного эффективного звукопоглотителя с общим классическим стилем интерьера. То, что звукопоглотитель (черные квадраты) не закрывает весь потолок зала, не ухудшает эффекта: звукопоглотителю помогает дифракция.
Наиболее эффективен звукопоглотитель как средство борьбы с шумом в длинных низких помещениях, какие, кстати сказать, преобладают на судах. И здесь, в этих "придавленных" помещениях установка звукопоглотителя на потолке особенно целесообразна.
Звукопоглощающие облицовки обязательно присутствуют там, где надо ослабить шум мощных вентиляторов, выпускных систем двигателей, систем всасывания воздуха, стравливания различных газов. Проходя мимо вентиляционного грибка где-либо неподалеку от станции метро и слыша едва уловимый рокот, мы и не представляем себе, какой рев стоял бы здесь, не будь в вентиляционных шахтах тех или иных звукопоглощающих устройств.
При весьма сильных шумах звукопоглотители ведут себя несколько иначе, чем при слабых. И. В. Лебедева, исследовавшая физику звукопоглощения при Жуковых уровнях, близких к порогу болевого ощущения, установила, что большая роль принадлежит нелинейным явлениям, увеличивающим эффект звукопоглощения. Не этим ли объясняется эффект, обнаруженный Паркинсоном (разумеется, не Паркин-соном-литератором, а Паркинсоном-акустиком) при исследовании затухания звука в вентиляционном канале, внутренние стенки которого облицованы звукопоглотителем? Оказалось, что вблизи от мощного источника затухание звука на единицу длины канала больше, чем на некотором удалении от источника.
Каков бы ни был механизм нелинейного поглощения мощного звука, с точки зрения техники шумоглушения это благоприятное обстоятельство, так как несколько упрощает нелегкую, в общем, задачу борьбы с шумами.
Строители хорошо знают, что нельзя забывать и о естественных звукопоглотителях. В первую очередь это кроны деревьев и трава газонов -развешенные и расстеленные природой зеленые, впитывающие звук бархаты, с которых мы начали повествование. Они, правда, не столь эффективны, как искусственные звукопоглотители, но все же звук, пролетевший сквозь них или над ними, становится мягче, в нем заметно ослабляются составляющие высоких частот. Это, видимо, подметил К. Дебюсси, когда писал свою фортепианную пьесу "Колокола сквозь листья".
КАК ЗАДЕРЖАТЬ ВИБРАЦИЮ И УДАРЫ
Экономист: "Амортизация-- это погашение долга, а также постепенное изнашивание основных фондов, перенесение их стоимости на вырабатываемую продукцию". Специалист по теории колебаний: "Амортизация -- это поглощение, ослабление вибрации и ударов".
Прежде всего возникает вопрос: а зачем надо задерживать вибрацию? Известно, что вибрация может исправно работать на человека. Различные грохоты, трамбовки, пневматические инструменты, сепараторы, уплотнители бетона -- во всех этих устройствах используется колебательное движение.
Но вот сам человек сталкивается с теми механизмами, которые он породил. И что же? Вибрационная болезнь стоит на одном из первых мест в длинном списке видов производственного травматизма. Вибрация -- это и шумоизлучение, а о вредности шума мы еще поговорим впоследствии.
Подводный шум от работы судовых механизмов создает помехи для рыбопоисковых приборов. Да и обитатели моря боятся этих непривычных шумов, недаром сети для ловли тунца располагаются на буксирном тросе на расстоянии многих десятков километров от рыболовного судна.
Вследствие вибрации выходят из строя различные приборы, а повреждения от вибрации глубоководных или космических аппаратов, да и наземных транспортных средств могут привести к их гибели.
Итак, бороться с вибрацией нужно. Раньше других строительных элементов в роли борца здесь выступает масса. Возможно, еще до инженеров на полезную роль массы для защиты от ударов и сотрясений обратили внимание... цирковые актеры. В стародавние времена в малых и больших цирках ведущий программу, указывая на мускулистого атлета с молотом в руках, патетически провозглашал что-нибудь вроде следующего: "Сейчас знаменитый имярек, с силой которого не сравнится ни один молотобоец в мире, будет наносить удары в грудь своему партнеру, лежащему на арене. Но и этого мало! На грудь ему будет еще поставлена трехпудовая наковальня!"
Едва ли разгоряченная зрелищем публика отдавала себе в этот момент отчет, что наковальня не только не отягчает страданий атлета, как это старался доказать ведущий, но, напротив, спасает ему жизнь. Главное, нужно было лишь выдержать ее вес, да еще незаметное на глаз перемещение в момент удара.
Это небольшое динамическое перемещение достойно того, чтобы сказать о нем чуть больше. Ведь если бы не было его, а объект -- в данном случае костяк груди человека -- был весьма жестким, то не проявились бы инерционные свойства массы наковальни, и практически вся сила удара передалась бы этому лежащему объекту.
Ни один атлет, пожалуй, не перенес бы прямого удара тяжелым молотом в грудь.
Массивная наковальня, поставленная на грудь циркового артиста, позволяет ему выдержать любой удар молота.
Разложение любого ударного импульса в интеграл Фурье указывает на наличие весьма большого количества частотных составляющих силы, расположенных сколь угодно близко друг к другу. Применив же к колебательному движению второй закон Ньютона, нетрудно убедиться, что сопротивление массы перемещению пропорционально квадрату частоты колебаний. Следовательно, виброзадерживающий эффект массы будет особенно проявляться по отношению к высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект может быть недостаточным.
Ну к чему, кажется, "тянуть резину"? Каждому ребенку ясно, что если подложить эту самую резину или пружинку -- все будет в порядке, вибрация исчезнет на всех частотах. Но... механизм действия любого упругого элемента не столь уж прост, как может казаться. Начать с того, что пружина передает следующему за ней объекту или конструкции всю колебательную силу, хотя, правда, амплитуда колебаний этой конструкции будет зависеть от соотношения ее сопротивления и жесткости пружины.
Сочетание массы и упругости -- это уже лучше, чем одна пружина. Но и тут, как говорил роллановский Кола Брюньон (правда, совсем по другому поводу), взяв зверя, получаешь и рога. При низких частотах возникает резонанс, и колебания даже усиливаются по сравнению с тем, какими они были, когда пружина отсутствовала, Классическая теория
А теперь источником возмущающей силы является механизм с неуравновешенным ротором. Масса, поставленная под механизм на сравнительно жесткое основание, как это ни странно, почти не уменьшает передачу ему колебательной силы.
Установленные между массой и основанием амортизационные пружины ведут себя подобно податливой груди атлета под наковальней. Проявляющиеся при этом инерционные силы массы содействуют ослаблению передачи колебательной силы основанию.
виброизоляции, развитая С. П. Тимошенко, Д. Ден-Гартогом и другими, показывает, что виброизолирующий эффект системы проявляется лишь начиная с частоты, примерно в полтора раза превышающей резонансную.
Масса, пружина, виброизоляция... Какая же это акустика, возможно, усомнится иной читатель; это просто теория колебаний, часть теоретической механики? Прежде всего, не будем создавать какой-то искусственный водораздел между механикой и акустикой. Ньютон гордился, что он перевел акустику из области музыки, где она давно преуспевала, в лоно механики. Колебательные явления в твердых телах отличаются от колебаний в газах и жидкостях лишь многообразием типов упругих волн, не более. И в английском, и в немецком языке для колебаний в твердых телах существует термин, который можно перевести как "структурный, телесный звук" и который прямо указывает, что динамика и акустика твердых тел различаются, по существу, лишь названиями. И недаром дальнейший
прогресс в области изоляции
При жестком основании (фундаменте) отдельно взятые масса и упругость передают основанию всю колебательную силу вне зависимости от ее частоты.
Установка массы на упругий элемент позволяет существенно ослабить передачу колебательной силы фундаменту (кроме узкой области резонанса на низких частотах, где колебания могут усилиться).
колебаний в твердых телах осуществили акустики, в первую очередь советские, немецкие и американские.
Виброизолированной системе -- например, установленному на упругие опоры-амортизаторы виброактивному механизму -- свойственно шесть частот свободных колебаний, сообразно числу степеней свободы. При совпадении их с частотами возмущающих сил или моментов возможны интенсивные резонансные колебания. В нашей стране в области расчета резонансных частот и амплитуд колебаний самых различных систем виброизолирующей амортизации механизмов (колебаний, которые в различных степенях свободы еще и связаны друг с другом) много сделали Н. Г. Беляковский, О. К. Найденко, В. И. Попков.
Шесть резонансных частот... Частокол их может занимать на частотной шкале опасный промежуток в несколько десятков герц. Исследуя возможность предельного сужения этого промежутка, автор пришел к выводу, что при наклонах амортизаторов под некоторыми углами можно не только ликвидировать связь колебаний в различных степенях свободы (это было уже ранее показано авиастроителями), но, что самое главное, свести резонансные частоты в весьма узкий диапазон и значительно уменьшить тем самым опасность как колебаний механизма, так и усиленной вибропередачи фундаменту. Одновременно уменьшаются отклонения механизмов на упругих опорах при наклоне фундамента, что особенно ценно для судовой амортизации. Когда статья на эту тему была принесена в редакцию журнала "Судостроение", академик Ю. А. Шиманский, бывший тогда редактором журнала, спросил:
-- А чем, кроме формул, вы можете это доказать?
Пришлось делать модель механизма на наклонных амортизаторах. Академик довольно долго дергал за тросики, привязанные в различных частях "механизма", и, убедившись в правильности утверждений, подписал статью в печать. Наклонная амортизация стала применяться на судах.
Конечно, разработка методов расчета колебаний амортизированных механизмов на низких частотах-- это лишь один, в общем, достаточно узкий аспект проблемы виброизоляции. Магистральное направление-- изучение вибропередачи на средних и высоких звуковых частотах, где процесс принимает волновой характер. Были исследованы особенности прохождения колебаний через сложные структуры, содержащие до семи и более элементов (механизм, несколько каскадов виброизоляторов, промежуточные рамы и блоки, фундамент, конструкция за ним). Удалось показать, что на некоторых частотах, при наличии интерференционных явлений в механизме или его частях, вибрация фундамента от действия силы, приложенной на границе упругой прокладки и механизма, может быть меньше, чем от силы, действующей в удаленной от прокладки верхней части механизма (хотя, на первый взгляд, можно ожидать обратного). Впервые было установлено, что ослабление вибрации на фундаменте механизма после установки его на виброизоляторы (а это ослабление служит и мерой снижения шума в соседнем помещении), как правило, меньше, чем передаточная функция (перепад) колебательных уровней на амортизаторах, наиболее просто измеряемых на готовой установке амортизации.
В. И. Попков впервые рассчитал и измерил в широком диапазоне звуковых частот колебательную энергию, передаваемую через виброизолирующие крепления.
А. Контюри, чья книга по строительной акустике получила национальную премию Франции, несложным аналитическим приемом показал, что звукопроводность щелей даже несколько больше, чем звукопроводность отверстий равной площади. Что из этого последует, читатель усмотрит, если даст себе труд проследить за ходом несложного расчета. Дверная створка обычной конструкции проводит от 1/100 до 1/1000 энергии падающего на нее звука. Пусть под створкой имеется щель шириной 0,5 сантиметра, т.е. площадью примерно в 1/400 часть площади створки. Если даже на время пренебречь увеличением звукопроводности щели вследствие дифракции, а просто считать, что щель проводит лишь весь падающий на нее прямой звук от источника, то и тогда при звукопроводности створки 1/100 через щель пройдет всего лишь в 4 раза меньше звуковой энергии, чем через всю дверную створку; при учете же дифракции звуковые потоки через подобную дверную створку и через щель будут соизмеримы.
Если взять створку двери с высокой звукоизоляцией (звукопроводность 1/1000), то та же щель под ней будет проводить уже значительно больше звуковой энергии, чем вся створка. Значит, чем лучше с точки зрения звукоизоляции сама дверь, тем больше ей "вредят" щели по контуру.
Как же с этим бороться? У начальников различных рангов часто пользуется популярностью обивка дверей, целиком или хотя бы по контуру, войлоком в клеенке.
Щель под дверью проводит столько же звука, сколько вся площадь двери.
Пушистые ковры на полу и старинные, вышедшие из моды драпри вокруг двери уменьшают отражения звука от ограждений и несколько ослабляют звукопроводность щелей. Но наибольший эффект достигается самым простым способом -- увеличением перекрытия створкой дверного косяка. Наилучшую с точки зрения звукоизоляции конструкцию двери автор обнаружил в ... Музее боярского быта в Москве. Перекрытие створкой двери краев дверного проема достигает здесь чуть ли не ширины ладони, а соприкасающиеся поверхности для большей плотности покрыты плюшем. К удивлению музейного служителя, посетитель попросил его прокричать что-нибудь из боярского кабинетика. Ничего, кроме смутного намека на человеческий голос, не было слышно! Неграмотные строители тех времен, не имевшие представления об акустических явлениях, не только интуитивно почувствовали, от чего зависит звукопроводность притворов, но и нашли надежные способы звукозащиты.
Обычный (слева) и хорошо звукоизолированный (справа) притвор двери
Повезло судам и кораблям. Двери на них, как правило, герметичные, водонепроницаемые, а значит, и звуконепроницаемые. Но, правда, не все.
Однако мы отвлеклись от объекта первоначального повествования -замочных скважин. И здесь есть старинные рецепты звукозащиты, например, массивные металлические пластинки на оси над скважиной по обе стороны двери. Но нужны ли они? Кумушки-- любительницы подслушивания как будто исчезают, да и романы, в которых интрига основана на подслушивании, тоже вроде бы менее популярны. Правда, разведчики в романах и повестях и в наше время иногда добывают сведения подслушиванием через замочную скважину или неплотно притворенную дверь Однако вопрос, адресованный специалисту-акустику после беседы о звукопроводности щелей и отверстий, был задан не кумушкой и не разведчиком. Вопрос был такой:
-- А какой голос -- мужской или женский -- легче подслушать?
Вопрос не простой. С одной стороны, в мужском голосе больше составляющих низких звуковых частот, которые в большей степени отражаются ограждениями и обусловливают большую концентрацию звука на отверстиях. Но, с другой стороны, для большей разборчивости (лучшей артикуляции) речи необходимо содержание в ней значительной части составляющих повышенной частоты. Поэтому специалист-акустик признался, что он не может ответить на заданный вопрос.
"ЭТИ В БАРХАТ УШЕДШИЕ ЗВУКИ"
Голос, растекаясь со сцены, как из центра, распространяясь кругами и ударяясь о полости отдельных сосудов, достигает большей звучности и будет вследствие согласия звуков вызывать должное ответное звучание.
Витрувий. Об архитектуре
Приведенными в названии словами стихотворец не только преподнес читателю поэтический образ, но и (быть может, сам того не ведая) достаточно четко определил физическую сущность процесса звукопоглощения. Да, звуковые колебания, перешедшие в волокнистый или пористый материал, обратно возвращаются лишь в относительно небольшой степени, значительная часть их энергии превращается в теплоту. (Количество ее, впрочем, как и в большинстве звуковых процессов, крайне невелико: подсчитано, например, что если бы все жители Москвы непрерывно разговаривали в течение суток, то излученной энергии едва хватило бы на то, чтобы нагреть несколько чашек чая.)
Для достижения большого звукопоглощения должны быть выполнены некоторые условия, в частности, обеспечена достаточная толщина звукопоглотителя (тем большая, чем ниже частота звука), отсутствие заметного скачка акустического сопротивления на границе среда -- поглотитель.
Рассуждения о переходе звуковой энергии из среды в звукопоглотитель мы почти автоматически относим к случаю нормального падения звука на поглотитель. Ну, а какова будет картина при косом падении звука, лучше или хуже будет звукопоглощение? Можно, казалось бы, рассуждать так: при косом падении звук проходит больший путь в
звукопоглотителе, и поглощение должно быть больше.
"Веер отражения" звука некоторыми звукопоглотителями. Чем больше угол падения звука (к нормали), тем большая часть звуковой энергии не поглощается звукопоглотителем, а отражается им.
Последнее заключение -- еще один пример того, что упрощенно-интуитивные предположения иногда обманывают. В действительности здесь может быть все наоборот. В дело вмешивается принцип нормального импеданса, справедливый для многих звукопоглотителей, в частности, поглотителей звука в воде. Суть его вкратце заключается в том, что при оценке реакции слоя звукопоглотителя на падающую звуковую волну учитывается лишь сопротивление слоя в направлении, перпендикулярном его поверхности.
"Необоримый" нормальный импеданс приводит к тому, что в дело вмешивается косинусоидальная зависимость поглощения от угла падения звука: звуковая волна, приходящая к звукопоглотителю вблизи от перпендикуляра к его поверхности, лучше поглощается, чем волны, падающие под косыми углами.
Так ли уж необорим нормальный импеданс? Советский акустик К. А. Велижанина, посвятившая исследованию звукопоглотителей и процесса звукопоглощения, можно сказать, всю свою сознательную жизнь, приходит к заключению, что в ряде случаев угловые характеристики звукопоглощения могут быть достаточно причудливыми. К подобным же выводам пришли японские ученые, исследовавшие керамические поглотители, применяемые в конструкциях, работающих на открытом воздухе (например, в автотуннелях).
Еще немного физики, прежде чем перейти к практическому применению звукопоглотителей. Уже довольно давно было обнаружено при испытаниях участков звукопоглотителей в измерительных камерах интересное явление. Если определять поглощаемую энергию, по отношению к поверхности, звукопоглотителя, то коэффициент поглощения иногда оказывается больше единицы. Выходит, поглощаемая звуковая энергия больше энергии, падающей на поглотитель? Может быть, нарушается закон сохранения энергии? Нет, конечно, никакого нарушения закона не происходит. Просто вследствие явления дифракции наблюдается эффект, подобный описанному выше "эффекту замочной скважины". Кромки поглотителя, особенно близко расположенные к отражающим поверхностям камеры, "впитывают" звук, чем и обусловлено усиленное звукопоглощение исследуемого образца материала. Это явление было названо "кромочным эффектом".
Но вред от дифракции как источника измерительных ошибок гораздо меньше, чем положительная роль, которую может сыграть та же дифракция в залах, если на их стены и потолки нанесен звукопоглотитель. Участки звукопоглотителя, действуя по принципу замочной скважины, отсасывают на себя звук, отраженный от необлицованных участков ограждений помещения. Значит, вовсе не обязательно покрывать звукопоглотителем всю поверхность помещений! С точки зрения строительной практики это очень важный вывод.
Но вот мы уже подошли и к практическому применению звукопоглотителей. Еще Витрувием было подмечено, что в некоторых гулких залах речь оратора трудно разобрать, хотя громкость ее и достаточна. Здесь на помощь приходят звукопоглощающие облицовки.
Ассортимент их сейчас чрезвычайно разнообразен. Это и маты из минеральной "шерсти", пенополиуретана, и звукопоглощающие штукатурки, и древесностружечные плиты, и даже "штучные поглотители" (оставим это название на совести предложивших его, речь идет просто об отдельных локальных звукопоглотителях, подвешенных в каком-либо месте помещения). Благодаря работам Г. Л. Осипова, Е. Я. Юдина и многих других отечественных ученых и инженеров акустические свойства звукопоглощающих материалов изучены очень хорошо, и выпуск таких материалов в нашей стране налажен в достаточном количестве.
Непосвященный, возможно, счел бы ошибочным высказывание примерно такого рода: "Звукопоглощение в этом зале столько-то... квадратных метров". Однако ошибки нет: за единицу звукопоглощения (полного) принимается один квадратный метр открытого окна (предполагается, что звук, вышедший из комнаты в окно, обратно уже не возвращается, а это для данного помещения равноценно полному поглощению звука). Единица звукопоглощения носит еще название сэбин, по имени американского акустика, внесшего значительный вклад в теорию звукопоглощения в помещениях.
Чем больше общее звукопоглощение в помещении, тем быстрее спадает в нем звук после прекращения действия источника. Практически степень гулкости помещения оценивается временем стандартной реверберации, в течение которого происходит ослабление звуковой энергии в миллион раз. И вот оказывается, что для наилучшего восприятия речи нужно, чтобы время реверберации было в пределах 0,5--1 секунды. Накладываются определенные ограничения и на частотную зависимость времени реверберации.
Музыка требует примерно вдвое большего времени реверберации. При оценке общего звукопоглощения нельзя пренебречь и поглощением, вносимым людьми. Музыканты отчетливо различают разницу в звучании оркестра в зале с публикой и без нее. Поэтому при репетициях оркестров высокого класса в зале поверх стульев настилается ворсистый звукопоглощающий материал.
О количественной стороне поглощения звука людьми можно сказать, что звукопоглощение одного человека на средних звуковых частотах близко к поглощению половины квадратного метра открытого окна.
Автор не решился бы в связи с этим остановить внимание читателя на одном замечании (которое может показаться легковесным), если бы оно не принадлежало виднейшему акустику нашего времени Э. Мейеру. В начале 70-х годов английское акустическое общество учредило медаль имени великого физика-акустика Рэлея. Как уже говорилось, принимая поднесенную ему первую медаль, Мейер выступил с благодарственным словом, в котором он сначала упомянул о созданном им во время второй мировой войны противогидролокационном звукопоглотителе для немецких подводных лодок. Далее речь приобрела более игривый характер. Прогресс человечества (как, впрочем, и уравнивание прав обоих полов в обществе) он сопоставил с изменением звукопоглощения мужчинами и женщинами. Измерения начала века указывали на большее звукопоглощение женщинами, что было обусловлено их пышными кринолинами и прическами. При переходе женщин к мини-юбкам, коротким стрижкам, а мужчин -- к пышным шевелюрам звукопоглощение представителей обоих полов уравнялось.
От поглощения звука людьми вернемся, однако, к поглощению его в помещениях. Особую роль звукопоглощение имеет в залах с полукруглым или круглым (в планетариях) потолком, с участками параллельных стен. Здесь возможны зоны фокусировки звуковых лучей, или так называемые порхающие эхо. Этих явлений, существенно ухудшающих акустику помещений, можно избежать, нанося на стены более или менее протяженные участки звукопоглотителей.
До сих пор говорилось главным образом о влиянии звукопоглощения на качество акустики концертных залов. Исключительную роль искусственные звукопоглотители приобрели в деле борьбы с шумами. Начать с того, что без тех или иных звукопоглотителей звукоизолирующая конструкция вообще не выполняет своей функции. Она отбрасывает звук обратно, не пропускает его в изолируемое помещение. Но если не поглощать возвращаемый звукоизолирующей перегородкой звук, то его уровень в помещении источника будет при непрерывной работе источника все время возрастать (теоретически до бесконечности), а это в свою очередь увеличит звуковую энергию и в изолируемом помещении. К счастью, звук поглощают в той или иной мере все предметы. Все же введением специальных звукопоглотителей можно добиться снижения громкости шума, скажем, еще вдвое. Как видно, игра стоит свеч.
Вряд ли можно было более умело сочетать наличие участков современного эффективного звукопоглотителя с общим классическим стилем интерьера. То, что звукопоглотитель (черные квадраты) не закрывает весь потолок зала, не ухудшает эффекта: звукопоглотителю помогает дифракция.
Наиболее эффективен звукопоглотитель как средство борьбы с шумом в длинных низких помещениях, какие, кстати сказать, преобладают на судах. И здесь, в этих "придавленных" помещениях установка звукопоглотителя на потолке особенно целесообразна.
Звукопоглощающие облицовки обязательно присутствуют там, где надо ослабить шум мощных вентиляторов, выпускных систем двигателей, систем всасывания воздуха, стравливания различных газов. Проходя мимо вентиляционного грибка где-либо неподалеку от станции метро и слыша едва уловимый рокот, мы и не представляем себе, какой рев стоял бы здесь, не будь в вентиляционных шахтах тех или иных звукопоглощающих устройств.
При весьма сильных шумах звукопоглотители ведут себя несколько иначе, чем при слабых. И. В. Лебедева, исследовавшая физику звукопоглощения при Жуковых уровнях, близких к порогу болевого ощущения, установила, что большая роль принадлежит нелинейным явлениям, увеличивающим эффект звукопоглощения. Не этим ли объясняется эффект, обнаруженный Паркинсоном (разумеется, не Паркин-соном-литератором, а Паркинсоном-акустиком) при исследовании затухания звука в вентиляционном канале, внутренние стенки которого облицованы звукопоглотителем? Оказалось, что вблизи от мощного источника затухание звука на единицу длины канала больше, чем на некотором удалении от источника.
Каков бы ни был механизм нелинейного поглощения мощного звука, с точки зрения техники шумоглушения это благоприятное обстоятельство, так как несколько упрощает нелегкую, в общем, задачу борьбы с шумами.
Строители хорошо знают, что нельзя забывать и о естественных звукопоглотителях. В первую очередь это кроны деревьев и трава газонов -развешенные и расстеленные природой зеленые, впитывающие звук бархаты, с которых мы начали повествование. Они, правда, не столь эффективны, как искусственные звукопоглотители, но все же звук, пролетевший сквозь них или над ними, становится мягче, в нем заметно ослабляются составляющие высоких частот. Это, видимо, подметил К. Дебюсси, когда писал свою фортепианную пьесу "Колокола сквозь листья".
КАК ЗАДЕРЖАТЬ ВИБРАЦИЮ И УДАРЫ
Экономист: "Амортизация-- это погашение долга, а также постепенное изнашивание основных фондов, перенесение их стоимости на вырабатываемую продукцию". Специалист по теории колебаний: "Амортизация -- это поглощение, ослабление вибрации и ударов".
Прежде всего возникает вопрос: а зачем надо задерживать вибрацию? Известно, что вибрация может исправно работать на человека. Различные грохоты, трамбовки, пневматические инструменты, сепараторы, уплотнители бетона -- во всех этих устройствах используется колебательное движение.
Но вот сам человек сталкивается с теми механизмами, которые он породил. И что же? Вибрационная болезнь стоит на одном из первых мест в длинном списке видов производственного травматизма. Вибрация -- это и шумоизлучение, а о вредности шума мы еще поговорим впоследствии.
Подводный шум от работы судовых механизмов создает помехи для рыбопоисковых приборов. Да и обитатели моря боятся этих непривычных шумов, недаром сети для ловли тунца располагаются на буксирном тросе на расстоянии многих десятков километров от рыболовного судна.
Вследствие вибрации выходят из строя различные приборы, а повреждения от вибрации глубоководных или космических аппаратов, да и наземных транспортных средств могут привести к их гибели.
Итак, бороться с вибрацией нужно. Раньше других строительных элементов в роли борца здесь выступает масса. Возможно, еще до инженеров на полезную роль массы для защиты от ударов и сотрясений обратили внимание... цирковые актеры. В стародавние времена в малых и больших цирках ведущий программу, указывая на мускулистого атлета с молотом в руках, патетически провозглашал что-нибудь вроде следующего: "Сейчас знаменитый имярек, с силой которого не сравнится ни один молотобоец в мире, будет наносить удары в грудь своему партнеру, лежащему на арене. Но и этого мало! На грудь ему будет еще поставлена трехпудовая наковальня!"
Едва ли разгоряченная зрелищем публика отдавала себе в этот момент отчет, что наковальня не только не отягчает страданий атлета, как это старался доказать ведущий, но, напротив, спасает ему жизнь. Главное, нужно было лишь выдержать ее вес, да еще незаметное на глаз перемещение в момент удара.
Это небольшое динамическое перемещение достойно того, чтобы сказать о нем чуть больше. Ведь если бы не было его, а объект -- в данном случае костяк груди человека -- был весьма жестким, то не проявились бы инерционные свойства массы наковальни, и практически вся сила удара передалась бы этому лежащему объекту.
Ни один атлет, пожалуй, не перенес бы прямого удара тяжелым молотом в грудь.
Массивная наковальня, поставленная на грудь циркового артиста, позволяет ему выдержать любой удар молота.
Разложение любого ударного импульса в интеграл Фурье указывает на наличие весьма большого количества частотных составляющих силы, расположенных сколь угодно близко друг к другу. Применив же к колебательному движению второй закон Ньютона, нетрудно убедиться, что сопротивление массы перемещению пропорционально квадрату частоты колебаний. Следовательно, виброзадерживающий эффект массы будет особенно проявляться по отношению к высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект может быть недостаточным.
Ну к чему, кажется, "тянуть резину"? Каждому ребенку ясно, что если подложить эту самую резину или пружинку -- все будет в порядке, вибрация исчезнет на всех частотах. Но... механизм действия любого упругого элемента не столь уж прост, как может казаться. Начать с того, что пружина передает следующему за ней объекту или конструкции всю колебательную силу, хотя, правда, амплитуда колебаний этой конструкции будет зависеть от соотношения ее сопротивления и жесткости пружины.
Сочетание массы и упругости -- это уже лучше, чем одна пружина. Но и тут, как говорил роллановский Кола Брюньон (правда, совсем по другому поводу), взяв зверя, получаешь и рога. При низких частотах возникает резонанс, и колебания даже усиливаются по сравнению с тем, какими они были, когда пружина отсутствовала, Классическая теория
А теперь источником возмущающей силы является механизм с неуравновешенным ротором. Масса, поставленная под механизм на сравнительно жесткое основание, как это ни странно, почти не уменьшает передачу ему колебательной силы.
Установленные между массой и основанием амортизационные пружины ведут себя подобно податливой груди атлета под наковальней. Проявляющиеся при этом инерционные силы массы содействуют ослаблению передачи колебательной силы основанию.
виброизоляции, развитая С. П. Тимошенко, Д. Ден-Гартогом и другими, показывает, что виброизолирующий эффект системы проявляется лишь начиная с частоты, примерно в полтора раза превышающей резонансную.
Масса, пружина, виброизоляция... Какая же это акустика, возможно, усомнится иной читатель; это просто теория колебаний, часть теоретической механики? Прежде всего, не будем создавать какой-то искусственный водораздел между механикой и акустикой. Ньютон гордился, что он перевел акустику из области музыки, где она давно преуспевала, в лоно механики. Колебательные явления в твердых телах отличаются от колебаний в газах и жидкостях лишь многообразием типов упругих волн, не более. И в английском, и в немецком языке для колебаний в твердых телах существует термин, который можно перевести как "структурный, телесный звук" и который прямо указывает, что динамика и акустика твердых тел различаются, по существу, лишь названиями. И недаром дальнейший
прогресс в области изоляции
При жестком основании (фундаменте) отдельно взятые масса и упругость передают основанию всю колебательную силу вне зависимости от ее частоты.
Установка массы на упругий элемент позволяет существенно ослабить передачу колебательной силы фундаменту (кроме узкой области резонанса на низких частотах, где колебания могут усилиться).
колебаний в твердых телах осуществили акустики, в первую очередь советские, немецкие и американские.
Виброизолированной системе -- например, установленному на упругие опоры-амортизаторы виброактивному механизму -- свойственно шесть частот свободных колебаний, сообразно числу степеней свободы. При совпадении их с частотами возмущающих сил или моментов возможны интенсивные резонансные колебания. В нашей стране в области расчета резонансных частот и амплитуд колебаний самых различных систем виброизолирующей амортизации механизмов (колебаний, которые в различных степенях свободы еще и связаны друг с другом) много сделали Н. Г. Беляковский, О. К. Найденко, В. И. Попков.
Шесть резонансных частот... Частокол их может занимать на частотной шкале опасный промежуток в несколько десятков герц. Исследуя возможность предельного сужения этого промежутка, автор пришел к выводу, что при наклонах амортизаторов под некоторыми углами можно не только ликвидировать связь колебаний в различных степенях свободы (это было уже ранее показано авиастроителями), но, что самое главное, свести резонансные частоты в весьма узкий диапазон и значительно уменьшить тем самым опасность как колебаний механизма, так и усиленной вибропередачи фундаменту. Одновременно уменьшаются отклонения механизмов на упругих опорах при наклоне фундамента, что особенно ценно для судовой амортизации. Когда статья на эту тему была принесена в редакцию журнала "Судостроение", академик Ю. А. Шиманский, бывший тогда редактором журнала, спросил:
-- А чем, кроме формул, вы можете это доказать?
Пришлось делать модель механизма на наклонных амортизаторах. Академик довольно долго дергал за тросики, привязанные в различных частях "механизма", и, убедившись в правильности утверждений, подписал статью в печать. Наклонная амортизация стала применяться на судах.
Конечно, разработка методов расчета колебаний амортизированных механизмов на низких частотах-- это лишь один, в общем, достаточно узкий аспект проблемы виброизоляции. Магистральное направление-- изучение вибропередачи на средних и высоких звуковых частотах, где процесс принимает волновой характер. Были исследованы особенности прохождения колебаний через сложные структуры, содержащие до семи и более элементов (механизм, несколько каскадов виброизоляторов, промежуточные рамы и блоки, фундамент, конструкция за ним). Удалось показать, что на некоторых частотах, при наличии интерференционных явлений в механизме или его частях, вибрация фундамента от действия силы, приложенной на границе упругой прокладки и механизма, может быть меньше, чем от силы, действующей в удаленной от прокладки верхней части механизма (хотя, на первый взгляд, можно ожидать обратного). Впервые было установлено, что ослабление вибрации на фундаменте механизма после установки его на виброизоляторы (а это ослабление служит и мерой снижения шума в соседнем помещении), как правило, меньше, чем передаточная функция (перепад) колебательных уровней на амортизаторах, наиболее просто измеряемых на готовой установке амортизации.
В. И. Попков впервые рассчитал и измерил в широком диапазоне звуковых частот колебательную энергию, передаваемую через виброизолирующие крепления.