Инфо Магазин

Звукоизоляция

Если вам хочется тишины и покоя в море звука, или наоборот –добротного акустического массажа среди невнятных перестуков и ропота соседей, но при этом вы не хотите никому мешать – поможет звукоизоляция.

В статье рассмотрены базовые свойства распространения звука, его взаимодействие с различными материалами и конструкциями, а также приведены некоторые теоретические выкладки и практические рекомендации.

Звукоизоляция может выполняться как отдельное мероприятие, а также в качестве предварительного этапа перед дальнейшей акустической подготовкой помещения для прослушивания музыки, создания студии звукозаписи, контрольной комнаты, домашнего кинотеатра и т.д.

Звукоизоляция и звукопоглощение

Когда звук встречает на своем пути преграду (стену, например), происходят три вещи:

Следующие два понятия часто путают:

Звукоизоляция – это уменьшение энергии звука прошедшего через акустическую преграду, относительно исходного звука. Т.е. Отражение + Поглощение.

Звукопоглощение – преобразование звуковой энергии в тепловую, как видно из рисунка, может рассматриваться как составная часть звукоизоляции.

Создает некую путаницу, что материалы для изоляции и поглощения обладают совершенно различными, даже противоположными свойствами. Для оптимальной звукоизоляции – как мероприятия нацеленого на то, чтобы стало тихо – следует разумно применять сочетания этих материалов в составе конструкций – о них будет рассказано далее.

Изолирующие материалы не обладают высоким поглощением – их эффективность обусловлена другой составляющей звукоизоляции – отражением звука. Это тяжелые, плотные материалы, с высокой удельной массой, например – железобетон, с массой 1800 кг/м3.

А через звукопоглощающие материалы (абсорберы), несмотря на то, что они эффективнее прочих поглощают звук, бОльшая часть звука просто проходит, поэтому сами по себе для звукоизоляции они практически бесполезны - если не обладают очень большой толщиной.

Звукопоглощение

Физический принцип таков - колеблющиеся частицы среды (воздуха), посредством которых распространяется звуковая волна, испытывают трение со стороны звукопоглощающего материала, в результате чего их кинетическая энергия переходит в тепловую – происходит поглощение звуковой энергии.

Это легкие, воздухопроницаемые, пористые материалы с открытой структурой сообщающихся между собой ячеек, либо волокнистые материалы с тонкими волокнами, обладающими большой суммарной площадью поверхности, но при этом не мешающих проникновению воздуха в толщу материала.

Такие материалы могут быть с твердым скелетом – газобетон, пенобетон и т.п – энергия поглощается засчет вязкого трения в порах, а также с гибким скелетом – поролон, минеральная, базальтовая, стекло- и хлопковая вата и т.п. – здесь кроме трения поглощение происходит засчет деформации нежесткого скелета.

Звукопоглощение определяется коэффициентом u = (E пр + E погл)/Eо (Eо – исходная звуковая энергия, E погл – поглощенная энергия, E пр – прошедшая) из нее видно, что коэффициент звукопоглощения можно увеличить и за счет прошедшей через материал энергии, чем иногда пользуются производители, указывая высокие значения этого коэффицента в характеристиках материала.

Условно принято считать что максимальным звукопоглощением = 1 обладает открытое окно, т.е. вся падающая энергия полностью проходит через него.

Понятно, что нас больше интересует E погл составлящая. Подробнее - звукопоглощение и типы абсорберов

Звукоизоляция

Как уже говорилось, это уменьшение энергии прошедшего звукоизоляционную преграду звука, путем либо ее отражения, либо поглощения.

Для характеристики звукоизоляции применяются такие критерии:

STL (Signal Transmission Loss – дословно - потери сигнала при передаче) – определяет потерю мощности звука на конкретной частоте (выражается в Дб).

Выражается следующей формулой

Wi – падающая энергия, Wt – переданная (прошедшая) энергия.

Это функция частоты – т.е. меняется в зависимости от частоты.

На этом графике, например – график STL для глушителя. Видно, в области 3500 Гц и на 2000 Гц он фактически не гасит звук.

STC (Signal Transmission Class) – величина характеризующая усредненное снижение уровня звука по диапазону частот. В характеристиках материалов либо конструкций чаще указывают именно такие, усредненные по частотам, цифры. Вычисляется по определенному алгоритму на основе замеров STL на 16 частотах в диапазоне от 125 до 4000 Гц – используется преимущественно в США.

Международный (ISO) критерий Rw – приблизительный эквивалент STC в Европе (и России) – вычисляется аналогично, но охватывает бОльший диапазон частот – от 100 до 4000 Гц.

Rw измеряется в децибелах, STC формально безразмерный, но его можно условно принимать для оценки в Дб, значения STC примерно на 3-4 выше соответстующих замеров Rw (57 STC ~ 54 Дб Rw).

Базовые принципы увеличения звукоизоляции

1. Увеличение массы акустической преграды

Звук передается через вибрацию. Чем что-то тяжелее – тем меньше оно поддается вибрации, и следовательно звук через это что-то меньше проходит.

Масса это такое свойство материалов, которое влияет на звукоизоляцию даже безотносительно способа применения или конструкции в которой они используются.

Как уже говорилось, изолирующие материалы должны быть плотными и тяжелыми. Звук от таких материалов по большей части отражается.

Существует так называемый “закон массы” (mass law) для преграды из однородного материала (т.е. цельной панели, не составной конструкции) : ее звукоизоляция пропорциональна поверхностной массе (массы единицы площади преграды, кг\м2) и увеличивается на 6 Дб с удвоением массы и на 6 Дб с удвоением частоты:

Звукоизоляция увеличивается на 6 Дб с удвоением массы:

И на 6 Дб при увеличении частоты звука вдвое, т.е. на октаву:

2. Цельность акустической преграды

Т.е. минимизация открытых участков, не покрытых звукоизоляционными материалами, и исключение отверстий и утечек.

Это не какое-то физическое свойство материала, как масса например, но крайне важный момент при возведении звукоизоляции.

На следующем графике отражены три сценария: квадратная панель полностью закрытая звукоизоляционным материалом (либо конструкцией), не закрыто 3 % поверхности панели и не закрыто 25 % поверхности.

Видно, что даже небольшой открытый участок (всего 3 %) значительно ухудшает звукоизоляцию. Дальнейшее увеличение экспозиции (до 25 %) уже не так сильно меняет картину. Особенно эффект заметен на высоких частотах.

Аналогично, только еще хуже, если в звукоизолированной преграде имеется отверстие.

По сути, речь идет о герметичности. Представьте, может ли просочится через какую-либо щель или отверстие вода. Если может – это хуже, чем вам кажется. Звук такая интересная штука, что легко “просочится” и будет на удивление громко.

Ниже на графике показаны ситуации для полного покрытия, с отверстием занимающего 1% поверхности, и соответственно 5 % поверхности.

Увеличение количества отверстий не так кардинально в дальнейшем влияет на результат, лучше проследить чтобы не было ни одного.

3. Минимизация обходных путей передачи звука / Акустическая развязка

Если предыдущий пункт особенно важен при изоляции одного конкретного помещения от другого конкретного, соседнего через перегородку помещения, то этот пункт более общий и актуален в многоквартирном окружении, где источник находится в какой-то ячейке, окруженной многими другими такими же ячейками (то бишь квартирами), и не известно, кому и где вы можете мешать, или вам соответственно.

Сначала поясним про передачу звука. Передача звука может быть воздушная и структурная.

Воздушная передача - это воздушные волны, начинают распространяться в воздухе (от динамика или рта, например) и энергия передается между двигающимися и соударяющимися молекулами воздуха, а также сюда относятся “наведенные” структурные волны, когда колеблющиеся частицы воздуха сообщают изгибные колебания преграде, которая в свою очередь передает колебательные движение частицам воздуха с другой стороны преграды.

Структурная передача – волны изначально начинают распространяются в каком-то материале, например в плите перекрытия после удара по нему каблуком, а затем также передаются в воздух, в соседнем помещении.

Путь передачи может быть прямым – непосредственно через какую-то преграду.

И обходным – это когда звук проходит минуя основную звукоизолирующую преграду – под ней, над ней, или вокруг.

Т.е. например – если звукоизолируется стена, звук может проходить по полу, потолку и другим стенам. И, конечно же, по вентиляции и трубам отопления.

П – прямой путь передачи, О – обходной путь передачи, и различные составляющие.

Существуют достаточно сложные формулы, по которым можно посчитать, насколько именно наличие обходных путей снижает в итоге звукоизоляцию.

Но – в практических целях, достаточно учитывать основные моменты –

В общем – все обходные пути надо по возможности звукоизолировать.

Здесь вплотную подходит еще один важный принцип звукоизоляции – акустическая развязка. Акустическая развязка двух элементов – это когда у них нет между собой жесткой связи, по которой колебания могут свободно проходить.

Если гипсокартон прикрутить саморезом вплотную к стене - у ГК и стены будет жесткая связь - что очевидно. Но даже если прикрепить лист к профилю (стойке), а профиль с помощью жесткого подвеса (крепления) к стене, саморезом через пластиковый дюбель – у них будет жесткая связь через этот профиль, подвес и саморез с дюбелем. И колебания через эту связь будут отлично передаваться. Это - обходной путь передачи. Гипсокартон, конечно, засчет массы, в какой-то мере сработает на звукоизоляцию – но совсем не эффективно.

А вот если связь будет эластичная, где в разрыве находится резина или другой эластомер – такого обходного пути передачи колебаний не будет – и конструкция будет полноценно работать на отражение+поглощение энергии колебаний – всей своей массой и другими особенностями.

Поэтому звукоизолирующие материалы и их комбинации следует крепить - если речь и идет о стенах и потолках – через различные эластичные клипсы и виброподвесы.

Аналогично, если на бетонный пол положить деревянные лаги, а них какой-то звукоизолирующий материал - колебания легко пройдут через лаги далее в бетонное перекрытие и к соседям.

Для полов применяются различные эластичные прокладки. Опять же – исключается обходной путь напрямую через лаги и начинает работать конструкция целиком, например минеральная вата заложенная между лагами, массивные звукоизолирующие плиты из ЦСП или ГВЛ и прочее.

В случае конструкции так называемого плавающего пола – функцию акустической (она же вибро-) развязки играют сами маты из стекло или – минеральной ваты с высоким коэффициентом упругости. Для исключения обходного пути передачи в данном случае, эти маты следует заводить на стены, чтобы не было непосредственного примыкания заливаемой бетонной стяжки к стенам.

Если в звукоизолируемом помещении есть некие трубы которые куда-то ведут – их обязательно надо обработать. Если это трубы и батареи отопления – отнести батарею от стены и закрепить по возможности через эластичную прокладку, трубы закрыть звукоизолирующей конструкцией.

С вентиляцией – несколько сложнее, либо ее надо “замуровывать”, полностью закрывать звукоизоляцией, при этом естественно вентиляция пропадет, либо либо применять звукоизолирующие конструкции вентиляции. В противном случае, по такому обходному пути звук очень легко будет распространяться.

Конструкции

Описанные выше принципы я потому назвал “базовыми”, что если соблюсти хотя бы только их, и возвести массивную, цельную звукоизоляцию, с акустической развязкой от прилегающих структур – то эффект уже будет хороший, а именно внутрь или вовне изолированного помещения будет проходить существенно меньше звука.

Но использование различных материалов в составе конструкции, а именно сочетания изолирующих, поглощающих и демфирующих материалов – позволит добиться значительно лучших результатов с меньшей итоговой массой, габаритами и стоимостью.

Свойства массы в гашении звука и соответствующий закон масс были сформулированы на достаточно ранних этапах развития акустики.

Далее было обнаружено, что если в стене имеется воздушная полость, ее звукоизоляция больше чем у цельной стены той же массы.

Затем применительно в основном к деревянному и каркасному домостроению подробно стала изучаться конструкция где на легкую рамку/каркас с двух сторон прикрепляются относительно тонкие строительные панели, а пространство между ними заполнено либо воздухом либо поглощающим материалом.

Рассмотрим более подробно свойства такой конструкции, которую сейчас в большинстве случаев применяют для возведения звукоизолирующих перегородок, а в вариации где вместо одной из панелей – стена – соответственно – для изоляции стен.

Начнем с единичной цельной панели, т.е. вернемся к закону масс.

Цельные панели

На низких частотах длины воздушных волн и изгибных волн –волн возникающих в материале преграды под воздействием исходных воздушных колебаний - сильно отличаются, поэтому влиянием изгибных волн пренебрегают и закон выглядит в ранее упомянутом виде:

Где m – поверхностная масса (кг/м2), f – частота.

По мере увеличения частоты, длинны изгибных и воздушных волн постепенно сближаются и наконец на критической частоте Fc – уравниваются, волны максимально усиливают друг друга, передача через материал увеличивается, и соответственно звукоизоляция около этой частоты резко снижается. И далее постепенно возрастает по мере увеличения частоты.

Fc зависит от изгибной жесткости и толщины материала – чем жесткость или толщина больше – Fc ниже. Желательно, чтобы критическая частота лежала за пределами наиболее слышимого диапазона 100 – 2500 Гц.

С учетом изгибных волн закон масс выглядит так:

Зная поверхностную массу материала, можно также вывести такую константу для толщины преграды, т.е. критическую частоту можно определить разделив значение константы на толщину панели.

Лист гипсокартона толщиной 12,5 например имеет критическую частоту 36/0.0125 = 2880 Гц – выше 2500 Гц, т.е. нормально.

По этой таблице можно разчитать толщину панелей из разных материалов, так чтобы критическая частота была выше 2500 Гц :– сталь < 5 мм; – стекло < 5 мм; – штукатурка < 10 мм; – гипсокартон < 15 мм; – ДСП < 11мм. Либо ниже 100 Гц : бетон > 165 мм; – газобетон > 350 мм; – штукатурка > 240 мм.

Таким образом для единичной цельной панели можно расчитать звукоизоляцию с довольно высокой точностью.

Двойные панели

В идеальном случае это панели изолированные друг от друга (то есть не имеющие жесткой связи) – см. акустическая развязка, разделенные полостью, заполненной высокопористым поглощающим материалом.

В высоком приближении это достигается стеновой конструкцией с двумя рядами назависимых направляющих стоек (профилей), разделенными матами из стекловаты или полиэстровых волокон.

Сначала рассмотрим такой идеальный вариант, а затем то, какие поправки вносит наличие связи между панелями посредством каркаса.

Конструкция ведет себя по разному на трех диапазонах частот:

На низких частотах полости как будто не существует, обе панели работают как единое целое, поэтому звукоизоляция расчитывается по все тому же закону масс используя объединеный вес обеих панелей.

fo – частота резонанса масса-воздух-масса.

Такая зависимость применяется вплоть до частоты так называмого резонанса масса-воздух-масса данной системы. Что это такое -

Комбинация масса-воздух (в полости)-масса образует колебательную систему, которая имеет некоторую собственную частоту колебаний.

Когда внешняя частота совпадает с этой собственной частотой – возникает выше названный резонанс. fo определяется по следующей формуле:

Где m1 и m2 – поверхностная масса панелей, кг/м2

d – расстояние между панелями, м

fo также зависит от наличия в полости абсорбера – звукопоглощающего материала. При наличии, копмпрессия воздуха происходит изотермически, и скорость звука падает до 290 м/с, что приводит к снижению резонансной частоты примерно на 9 %.

Итак, по достижении частоты резонанса масса-воздух-масса, конструкция начинает вести себя другим образом – на самой частоте резонанса идет небольшое ухудшение относительно цельной панели, однако затем с повышением частоты звукоизоляция быстро возрастает, обеспечивая значительно лучшую звукоизоляцию по сравнению с цельной панелью. Для расчета применяются следущая формула:

Она хорошо работает до пороговой частоты 55/d (в Гц), когда ширина полости равна 1/6 длинны волны.

Выше этой частоты звукоизоляция растет по 12 Дб на октаву, и рассчитывается по такой формуле:

Пример расчета:

Допустим, у нас есть две одинаковые панели с поверхностной массой 15 кг/м2, частота 150 Гц, расстояние между панелями 3 см:

d= 0.03 м

f= 150 Гц

Считаем частоту резонанса масса-воздух-масса fo по формуле выше = 126 Гц

Для объединенной двойной панели (цельной):

m = m1 + m2 = 30 кг

R= 20Log(mf) – 48 = 25 Дб

Для конструкции панель-полость-панель

R= R1+ R2+ 20Log(fd) – 29

R1 (панель 1) = R2 (панель 2) = 19 Дб

R= R1+ R2+ 20Log(fd) – 29

R=R1+R2+13-29 = 22 Дб

Т.е. как видим звукоизоляция даже хуже чем если была бы цельная панель такой массы!

Для расстояния 5 см:

Частота fo = 98 Гц

R = 19*2 +17.5 – 29 = 26,5 Дб ( + 1,5 Дб, уже чуть лучше чем у цельной)

Для расстояния 10 см

Частота fo = 69 Гц

R = 38 +23.5-29 = 32,5 (7,5 Дб - хорошая прибавка по сравнению с цельной панелью).

Некоторые частоты, которые пригодится знать:

Диапазон голоса средний: 64-1300 Гц

Фундаментальные (нижние) частоты мужского голоса 85 Гц - 155 Гц

Женского - 165 - 255 Гц

Гитара. В стандартном строе Ми (E) – открытая шестая струна, нота E2 - частота 82 Гц, а к примеру в пониженом строе до-диез C# - открытая шестая струна C2 имеет частоту 69 Гц.

Рабочий барабан 165 – 250 Гц

Повторим те же самые изыскания для частоты 250 Гц (для женского голоса, например)

Цельная сдвоеная панель 15 кг *2 = 30 кг

R= 20Log(mf) – 48 = 29,5 Дб

Конструкция панель-полость-панель, полость 3 см

d= 0.03 м

R1 (панель 1) = R2 (панель 2) = 23,5 Дб

R= R1+ R2+ 20Log(fd) – 29 = 47+17,5 -29 = 35,5 Дб – сразу неплохо, прибавка 6 Дб !

Полость 5 см

d=0.05

R = 47+ 21,9 – 29 =39, 9 Дб – т.е. улучшение относительно цельной панели – 10 Дб

Полость 10 см

d = 0.1

R = 47 + 27.9 – 29 = 45.9 – прибавка на целых 16 Дб, это много.

Видно, что уже на 250 Гц полостные конструкции серьезно выигрывают у цельных, тем сильнее, чем больше расстояние между панелями.

Однако, как ни удивительно, но на частоте резонанса масса-воздух-масса, цельные панели имеют лучшую звукоизоляцию чем у конструкции двойных панелей с абсорбером, примерно на 4 Дб – поэтому если делать такую конструкцию – расстояние между панелями должно быть по возможности больше, чтобы сместить резонанс как можно ниже, за пределы нужного диапазона.

Практический смысл этого – скажем, если человек любит поиграть на гитаре в низких строях, то желатательно чтобы частота резонанса м-в-м звукоизолирующей конструкции из двойных панелей была ниже например 69 Гц (ноты C#2).

Соединения

При наличии жесткой связи между панелями, например, через стойки каркаса, звукоизоизоляция конструкции двойных панелей существенно ухудшается.

До частоты резонанса масса-воздух-масса fo она вычисяется по закону масс для объединного веса панелей, а выше этой частоты, начиная приблизительно с 1.6*fo прибавляется постоянная дельта, вычисляемая как зависимость от расстояния между стойками каркаса b, критической частоты панелей fc и массы панелей.

Для гипсокартона с критической частотой 2880 Гц и расстояния между стойками каркаса 60 см, дельта составляет ~ 8.3 Дб, для расстояния 40 см - 6.6 Дб.

Чтобы приблизить показатели такой конструкции к таковым у двойных панелей без прямой связи, рассматривавшимся выше, применяют различные эластичные подвесы и направляющие, через которые одна из панелей крепится к стойкам каркаса.

Конструкции с демфирующим слоем

Рассмотрим еще одно свойство, обеспечивающее дополнительную звукоизоляцию – демпфирование. Аналогия – если постучать вилкой по бокалу - он зазвенит – а затем зажать его пальцами, и звук резко прекращается — это эффект демпфирования, амортизации колебаний.

Оно используюется в конструкциях следующим образом – между двумя звукоизолирующими листами - стекло, гипсокартон и т.д. наносится связующий слой вязкоэластичного материала.

При прохождении звука через подобную конструкцию, возникают сдвигающие силы между жесткими панелями, которые создают трение в демпфирующем слое. Происходит преобразование звуковой энергии в тепловую.

В случае стекла таким материалом является поливинилбутираль – между двумя слоями стекла наносится ламинирующий слой, который помимо других полезных свойств – таким образом делают безосколочное стекло, триплекс – еще дает прибавку в звукоизоляции, существенно сглаживая провал на критической частоте.

На том же принципе основано действие всех клеев подобных Green Glue

Эти составы наносятся между двумя листами гипсокартона или аналогичного материала

Наличие такой вязкоэластичной прослойки дает некоторую прибавку к звукозоляции, порядка 3 Дб.

Сендвич-панели

Это две металлические панели – облицовки с сердцевиной из минеральной ваты или пенополистирола.

Сэндвич-панели обычно применяются при возведении наружных стен торговых, логистических центров, спортивных сооружений, различных промышленных и общественных зданий и т.п. Кроме наружных стен панели применяются также как перегородки и несущие стены в небольших переносных холодильных установках, в зданиях строительных площадок и в хозяйственных объектах.

Звукоизоляция таких панелей приблизительно следующая, в зависимости от толщины сердцевины:

Толщина сердцевины 45 60 70 80 100
Звукоизоляция (Rw) 26 27 27 27 28

Существуют еще конструкции представляющие собой сочетания вышеперечисленых и обладающие соответствующими свойствами, например “плавающий пол” – полостная конструкция с поглощающим и демпфирующим упругим слоем.

Silenity, 2019