Обесшумливание и изоляция звука

Увы, иногда никакая информация, вроде той, что мы почерпнули из предыдущей главы, не сможет помочь. Когда сталкиваешься с проблемой шума, которую ставит уже существующий механизм, бесполезно приниматься объяснять, как следовало проектировать его с самого начала. Истина проста: с механизмом уже ничего не сделаешь, но нельзя ли что-нибудь сделать с шумом?

Обратимся к типичному случаю, в котором отчетливо проявляется большинство возникающих практических проблем, — к шуму дизель-генератора. Такие установки используются в качестве резервных агрегатов в самых неожиданных местах — там, где нельзя мириться с возможными капризами Национальной системы электроснабжения. Например, их часто устанавливают в больницах, и там их шум особенно нежелателен. Представим себе, что нам необходимо установить один из таких агрегатов и нет возможности его переконструировать.

Прежде чем предпринимать какие-либо другие меры, необходимо спроектировать антивибрационный фундамент. Это значит, что двигатель и генератор нужно установить на общей вспомогательной раме так, чтобы они не могли смещаться один относительно другого в результате действующих между ними моментов. Затем следует установить раму на шести или восьми упругих амортизаторах, выполненных в виде пружин, либо резиновых прокладок или элементов с резиновыми прокладками, работающими на сдвиг. Эти амортизаторы должны обладать податливостью в вертикальном и горизонтальном направлениях, достаточной для подавления самых низких вынуждающих частот, причем некоторые из шести типов колебаний генератора могут оказаться связанными.

Недостаточно, однако, просто посадить генератор на амортизаторы и успокоиться на этом. Необходимо также, чтобы все связи, ведущие как к двигателю, так и к генератору, были гибкими. Сюда относятся трубопроводы горючего, кабелепроводы, а также воздуховоды.

Если противовибрационные амортизаторы применены не были, последующие мероприятия по снижению шума окажутся в значительной степени обесцененными, поскольку, помимо генератора, и грунт, и само здание также будут излучать звук даже на значительном расстоянии от генератора (вспомните камертонный эффект); поэтому, в какое бы совершенное звуконепроницаемое ограждение мы ни заключили механизм, все равно достаточно сильный источник шума окажется вне ограждения.

Разумеется, суть проблемы в том, чтобы закрыть пути звуку. Простейший способ воспрепятствовать звуку проникнуть из точки А в точку Б — загородить ему дорогу. Если источник излучает во все стороны, его придется запереть в ящик. В гл. 9 мы говорили об изоляции звука и видели, что для этого в первую очередь требуется масса. Если мы можем выстроить кирпичное или бетонное ограждение — отлично! Как видно из Приложения 2, звукоизоляция таких стен будет очень хорошей. Однако с практической точки зрения это не всегда выгодно. Масса может оказаться чрезмерной, а кроме того, иногда желательно иметь разборное устройство. В этих случаях представляются две возможности: пожертвовать частью желаемого снижения шума или построить однослойную стенку из более легкого материала. Если речь идет только о массе, то, взяв лист мягкой стали нормального калибра 16[27] или доску из прессованной стружки толщиной 25 мм, мы получим дешевый и доступный материал. Однако в стали собственное затухание мало, поскольку это жесткий материал с малым внутренним трением и поэтому в стальных листах возможны резонансные явления. А мы знаем, что резонансы «пробивают бреши» в законе масс. Поэтому необходимы какие-то дополнительные элементы, поглощающие звук.

Сначала, однако, рассмотрим другую проблему. Как мы помним из гл. 10, если возвести вокруг источника звука ограждение, результирующее число децибел нельзя найти, просто вычитая из исходного уровня в децибелах величину звукоизоляции стенок. Следует еще прибавить десятикратный логарифм поверхности перегородок, обращенных в интересующую нас сторону, и вычесть десятикратный логарифм среднего коэффициента поглощения поверхностей внутри помещения. Это обусловлено тем, что звуковая волна, идущая от источника к стенке помещения, частично проходит наружу, а частично отражается обратно. Отраженная волна вновь попадает на стенку, снова частично проходит наружу и отражается еще раз. Другими словами, часть волны, которой не удается проникнуть через ограждение сразу, отражается и опять повторяет свою попытку. Поэтому, если стены хорошо отражают звук изнутри, наружу пройдет больше звука, чем в случае, когда стены поглощающие.

Это означает, что стенки ограждения следует покрыть изнутри звукопоглощающим материалом. Если этого не сделано и если, например, средний коэффициент поглощения равен всего 0,05, то прибавить следует 10 lg 0,05 = −13дБ. Действие ограждения окажется сниженным на 13 дБ. Представим себе, что ограждение покрыто изнутри слоем минеральной шерсти толщиной 50 мм; учитывая, что сама поверхность дизель-генератора отражающая, примем — конечно, с известной долей произвола — средний коэффициент отражения при 500 Гц равным 0,6. Тогда потеря изолирующего действия ограждения составит всего 10 lg 0,6 = −2 дБ, что на 11 дБ лучше, чем в предыдущем случае. (Заметим, что подобные расчеты следует производить по крайней мере для каждой из 6—8 октавных полос.)

Возникает еще практический вопрос: как закреплять покрытия из минеральной шерсти на стенках? Здесь пригоден любой способ — металлические сетки, перфорированные металлические листы, как и для закрепления акустической плитки. Для ограждения из листового металла использование минеральной шерсти дает добавочный значительный выигрыш в результате ее демпфирующего действия. Для деревянных ограждений это не так необходимо, потому что дерево обладает немалым затуханием и само по себе.

Если каменное ограждение построить нельзя, а однослойная перегородка из стального листа калибра 16 не дает необходимой изоляции, можно, как было указано в гл. 9, применить принцип двойной перегородки. Это, в частности, можно сделать, построив снаружи первого ограждения такое же второе на расстоянии примерно 150 мм и установив оба ограждения на лентах из податливой микропористой резины (это мероприятие желательно провести и для однослойного ограждения).

В более сложных системах применяют конструкции типа «сандвич» из более легких перегородок, зажатых между слоями минеральной шерсти. Можно, разумеется, применять и различные другие поглотители звука, например неопреновые или полиуретановые пенопласты, которые, однако, требуют специальной противопожарной обработки; тем не менее они оказываются более экономичными и не нуждаются в специальных закреплениях. Но не всякий старый пенопласт пригоден для этой цели: поры должны быть сообщающимися, а сопротивление продуванию должно быть достаточно большим.

Размеры ограждения влияют на его эффективность в двух отношениях. Во-первых, излучение в данном направлении будет тем больше, чем больше размеры соответствующей стенки. Кроме того, поскольку существенно среднее значение коэффициента поглощения внутри ограждения, а некоторые механизмы обладают большими жесткими, хорошо отражающими звук поверхностями, то для того же механизма и той же акустической облицовки ограждения средний коэффициент поглощения для большого ограждения будет выше, чем для малого. Поэтому нередко оказывается целесообразным сделать ограждение побольше, в частности, еще и потому, что тогда можно будет установить дверь для прохода внутрь при ремонте и уходе за механизмами и обойтись без съемных панелей.

Типичный пример, когда подавление резонанса воздушного объема позволяет снизить общий шум, — это дымоход котельной, в котором к случайному шуму может добавиться компонента чистого тона, так как случайные исходные возмущения, создаваемые сгоранием горючего в воздухе, ведут себя подобно завихрениям, которые создает музыкант, дующий в блок-флейту (см. гл. 3), причем дымовая труба ведет себя как корпус флейты Избежать такого резонанса трудно — это вопрос тщательного выбора размеров. Все котельные установки различны, и поэтому универсальных рекомендаций не существует, но если резонансы дымовой трубы дают существенный вклад в суммарный шум, то иногда единственный выход — установить глушитель типа, который будет описан в следующей главе.

Другой важный пример — это вентилятор, присоединенный к приемному или выходному трубопроводу. Главное требование здесь — отличие резонансов трубопровода от частот прохождения лопастей вентилятора и их гармоник. Аналогичные неприятности могут встретиться в пылесосах и электромоторах.

Снижение амплитуды резонансов может предупредить нежелательное и иногда существенное усиление шума, но зачастую еще более важно снизить эффективность излучения. Вспомним, что каждую точку излучающей поверхности можно рассматривать как отдельный самостоятельный точечный источник звука. Отсюда вытекают два следствия. Во-первых, на краях поверхности можно ожидать деструктивной интерференции (см. рис. 31); во-вторых, вдвое большая поверхность, колеблющаяся с той же амплитудой, что и меньшая, будет излучать вдвое большую энергию, то есть создаст уровень шума на 3 дБ выше. Ударив по камертону и держа его в руке, мы получим едва слышный звук, что обусловлено как интерференцией звуков, создаваемых его двумя ножками, так и малой поверхностью ножек. Прижав рукоятку камертона к столу, мы обнаружим возрастание уровня звука. Это объясняется тем, что колебательная энергия передается доске стола, которая сама начинает колебаться; вследствие ее больших размеров интерференция мала, а площадь излучающей поверхности велика. При инженерных расчетах обычно можно пренебречь поглощением энергии в столе; тогда оказывается, что, поставив камертон на доску площадью 0,01 м², мы получим уровень звука на 3 дБ ниже, чем для доски площадью 0,02 м².

Поэтому, например, для электрического мотора, установленного на перекрытии прямо на болтах, к площади источника звука следует прибавить и поверхность пола, и, даже если не вмешаются еще и резонансные явления, шум мотора будет излучаться весьма эффективно из-за больших размеров излучающей поверхности. Простое средство — установка мотора на упругом фундаменте — обеспечит значительное снижение шума. Вспоминая, что в некоторых строительных материалах, например в бетоне, звук распространяется на большие расстояния с малыми потерями, легко понять, что, не принимая мер по изоляции механизма от опоры, мы рискуем распространить эффективный «источник звука» до самых удаленных точек здания.

Вопрос эффективности излучения весьма важен и при меньших масштабах установок. Недавно мне пришлось встретиться с сильными вибрациями трубы на частоте 3 кГц. Труба была обшита и сама по себе излучала немного звука, но кронштейны, на которых труба была закреплена и которые находились снаружи обшивки, вынуждали всю конструкцию издавать громкую ноту этой же частоты.

Для того чтобы заглушить шум пишущей машинки, часто применяют войлочную подкладку, но, как ни странно, мало кто догадывается принять те же меры по отношению к другим механизмам. Служащие нередко подвергаются совершенно ненужному шуму от адресных машин просто потому, что те жестко установлены на больших поверхностях. Дело обстоит гораздо серьезнее, когда 200-тонный пресс жестко прикреплен болтами непосредственно к плите настила — в этом случае страдать будут и жители соседнего дома. Насосы передают шум в трубы, а трубы крепятся к стенам; даже моторы на упругом фундаменте могут передавать шум по жестким кабелепроводам. Когда я купил себе автомашину, электрический промыватель ветрового стекла отвратительно шумел просто потому, что был прикреплен непосредственно к стенке корпуса. Упругое крепление сразу сделало работу механизма неслышной.

Пожалуй, во всех случаях, прежде чем принимать какие-либо меры по обесшумливанию, следует попытаться виброизолировать источник исходного возмущения от всех других предметов. Это особенно важно, когда дело касается крупных механизмов, к которым прикреплены насосы и моторы, а также элементы, работающие со стуком. Обычно в таких ситуациях возникают и резонансы, и, разумеется, изоляция источника возмущений намного снизит требования к поглощению звука.

Что же такое собственно виброизоляция? Недостаточно просто подложить попавшийся под руку старый кусок резины или пробки под механизм: это может либо ничего не дать, либо даже ухудшить положение.

Большинство виброизоляторов рассчитано на низкочастотные колебания, лежащие даже ниже слышимого диапазона. К сожалению, более глубокое рассмотрение этого вопроса выходит за пределы нашей книги. Для получения виброизоляции мы снова попытаемся осуществить рассогласование импедансов, а это означает, что фундамент должен быть как можно более податливым: чем ниже его жесткость, тем выше изоляция. Фундамент, однако, должен быть достаточно массивным, чтобы выдержать вес самого механизма. В качестве амортизаторов фундамента можно применять цилиндрические пружины или листовые рессоры; можно также использовать другие упругие материалы, например резину или даже воздух. Однако пружина с прикрепленной к ней массой образует резонансную систему с некоторой определенной резонансной частотой, и если сила, приложенная к массе, меняется с той же частотой, то, разумеется, получится усиление колебаний, для борьбы с которым придется вводить поглощение. Но даже если поглощение настолько велико, что система, предоставленная самой себе после сжатия пружины, возвращается к своему исходному состоянию без колебаний, никакой изоляции вибраций не получится и амортизатор лишь не ухудшит положения.

Рис. 52. Типичный резиновый амортизатор для фундамента (в разрезе).

Вообще нельзя получить выигрыша, пока вынуждающая частота не превзойдет резонансную частоту нагруженного амортизатора более чем в раз, а заметное подавление вибраций начинается, только когда отношение этих частот превысит 2. Теоретически изоляция вибраций продолжает возрастать по мере увеличения этого отношения, однако в действительности это верно только при выполнении ряда предположений, в том числе предположения об идеальной жесткости опоры фундамента. На практике нельзя рассчитывать на изоляцию, превышающую 20 дБ, а если опора или настил слишком податливы, то и это недостижимо, особенно на резонансных частотах самого настила. При изоляции вибраций звуковой частоты нельзя ограничиваться пружинами в качестве амортизаторов, потому что высокочастотный звук прекрасно распространяется по металлу вдоль витков пружины. Во многих случаях нежелательны только низкочастотные вибрации, и тогда это обстоятельство несущественно; однако, если приходится бороться и со звуковыми частотами, амортизаторы должны содержать резиновые прокладки, или, где возможно, следует пользоваться резиновыми амортизаторами.

Еще и еще нужно повторить, что плотная резина, если она подвергается деформации сжатия, бесполезна в качестве амортизатора, за исключением случаев, когда поперечные размеры резинового блока или полоски малы по сравнению с их толщиной. В большинстве резиновых амортизаторов резина испытывает сдвиговые деформации, для которых это материал гораздо более податлив (на рис. 52 изображена типичная конструкция такого амортизатора).

Собственная частота колебаний груза на амортизаторе связана с прогибом амортизатора под лежащей на нем нагрузкой. На рис. 53 дан график, связывающий эти величины. Однако для выбора нужного типа изолятора при данных вынуждающих частотах требуется специальный расчет, поскольку агрегат, установленный на амортизаторах, может одновременно колебаться шестью различными способами с шестью разными частотами.

Особое внимание следует уделять конструкции дверей и панелей ограждения; щель в 2 мм по периметру двери для обслуживающего персонала, пробитой в стене площадью 4 м², может снизить звукоизоляцию стены на 15 дБ (см. рис. 43). Сами двери должны иметь звукоизоляцию, отличающуюся не более чем на 5—10 дБ от изоляции стены, и должны быть снабжены воздухонепроницаемым уплотнением. Для этого можно применить микропористую резину или полоску из фосфористой бронзы; дверь должна также иметь нажимной затвор. Для окон, при не слишком большой их площади, можно ограничиться одной рамой со стеклом толщиной 6 мм; если добавляется вторая рама, то следует обе рамы закреплять упруго.

Рис. 53. Зависимость между собственной частотой фундамента и его статическим прогибом под нагрузкой.

Поскольку проектируемое нами ограждение предназначено для дизель-генератора, возникают дополнительные проблемы, в частности вопросы охлаждения, которые могут оказаться очень серьезными. Если радиатор дизеля размещен при установке, то окажется необходимым впускать и выпускать из ограждения несколько тысяч кубических метров воздуха в час. Каким же образом пропускать воздух внутрь и наружу, в то же время не выпуская наружу шум?

Прежде всего придется прорезать в стене входное и выходное отверстия. Это откроет дорогу воздуху, но также и звуку. Как обычно, отверстия можно рассматривать как самостоятельные источники звука. Эти источники будут создавать полусферические волны. В области более высоких частот скажутся интерференционные эффекты, вследствие которых излучение высокочастотного звука будет направлено в основном вперед от отверстия.

Рис. 54. Плоские волны в воздуховоде с поглощающей облицовкой.

Что здесь можно предпринять? Каким образом заглушить шум, бегущий в газовом потоке вдоль трубы или воздуховода? Если воздуховод полностью перекрывает отверстие, звук будет распространяться внутри него двумя путями: часть волн, вошедших в воздуховод, побежит, отражаясь последовательно то от одной, то от другой стенки. Другие волны побегут прямо вдоль воздуховода как плоские волны, не ударяясь о стенки. Если стенки воздуховода плохо отражают звук, то есть поглощают его, то волны первого типа далеко не «убегут». Как далеко пробегут эти волны, зависит от угла, под которым они падают на стенки, ширины воздуховода и коэффициента поглощения облицовки стенок. Для обычного типа звукопоглощающей облицовки амплитуда волн, падающих под углом, превышающим 30°, снизится до уровня плоских волн уже на расстоянии примерно четырех поперечников воздуховода (рис. 54). Что касается плоских волн, то причина их поглощения не так проста. При распространении плоской волны вдоль облицованного воздуховода она частично (вблизи стенок) бежит в звукопоглощающем материале. При колебаниях частиц воздуха вперед и назад вязкое сопротивление в порах материала приведет к диссипации части энергии звуковой волны. Однако в соответствии с принципом Гюйгенса (образование вторичных волн) энергия, поглощенная вблизи стенок, возмещается за счет энергии основной части волны, распространяющейся в середине воздуховода, аналогично тому как дифракция приводит к проникновению звука в теневую область позади экрана В результате энергия основной части волны все время поступает к краям, где она поглощается, и по мере распространения в воздуховоде волна затухает. Кроме того, скорость звука в звукопоглощающей облицовке значительно меньше скорости звука в воздухе; она составляет около 200 м/с (а в воздухе — 344 м/с). Это различие оказывает то же действие, что и градиент температуры,— круто «изгибает» волну у краев, где часть фронта волны, бегущая внутри поглощающего материала, отстает от фронта основной части волны. Это изгибание фронта волны приводит к тому, что энергия волны устремляется внутрь облицовки Поскольку облицовка не полностью поглощает звук, волна частично отразится обратно в воздуховод, но эта отраженная волна скоро затухнет.

На ослабление плоской волны оказывают влияние четыре фактора: ширина воздуховода, толщина облицовки, сопротивление продуванию в облицовке и частота звука. Особенно существен последний фактор Если длина звуковой волны велика по сравнению с толщиной облицовки, затухание на краях волнового фронта сравнительно мало; при понижении частоты затухание уменьшается. Впрочем, длина волны еще более существенна по другой причине На высоких частотах интерференция приводит к взаимному уничтожению волн, бегущих в облицовке; в результате звуковое давление внутри облицовки резко падает и звуковая энергия переносится в виде пучка, занимающего среднюю часть сечения воздуховода, без какого-либо влияния поглощающих стенок Частота, на которой начинается это явление, связана с шириной сечения воздуховода.

В целом оказывается, что затухание в облицованном воздуховоде пропорционально толщине облицовки и обратно пропорционально ширине сечения за вычетом толщины облицовки. Что касается сопротивления продуванию облицовки, то здесь можно руководствоваться величиной коэффициента поглощения: наибольший коэффициент поглощения соответствует и наибольшему сопротивлению Затухание в облицованном воздуховоде растет с частотой до тех пор, пока звук не образует пучка, распространяющегося вдоль средней линии воздуховода, независимо от стенок. Это происходит при частоте, когда длина волны в воздухе примерно равна ширине воздуховода.

Немало формул измышлялось для того, чтобы определять эффективность облицовки в воздуховоде путем расчета. Некоторые из них дают недопустимую погрешность, другие невозможно применить на практике. Наилучший путь — составление таблиц, основанных на реальных испытаниях; подобная таблица приведена в Приложении 5. Простая облицовка всех четырех стенок воздуховода прямоугольного сечения еще не предел возможного Весьма эффективна конструкция, в которой звук проходит по узким каналам между поглощающими стенками, — пластинчатый глушитель с звукопоглощающими перегородками, разделяющими воздуховод вдоль его длины (рис 55). Такие перегородки часто применяют в патентованных глушителях, используемых в вентиляционных системах.

Почти всегда решающий фактор — это необходимость пропустить требуемый объем воздуха по воздуховоду при минимальном сопротивлении его протеканию. Если бы не это требование, можно было бы добиться огромного ослабления, круто изгибая воздуховод, так чтобы плоская волна ударялась об облицовку, рассеивалась и быстро поглощалась.

Рис. 55. Воздуховод с пластинчатым глушителем.

Итак, мы справились с проблемой подачи и вывода охлаждающего воздуха внутрь ограждения нашего дизеля. А что нужно предпринять для гашения звука всасывания и выхлопа огражденного двигателя внутреннего сгорания? Мы привыкли к виду заржавевшей выхлопной трубы нашего автомобиля; зачастую мы видим и внутренность глушителя, когда из него вываливается последний клочок ржавого металла, возвещая о том, что погиб еще один глушитель! Вскрыв глушитель автомашины, мы увидим всего лишь какую-то оболочку с несколькими торчащими из нее трубками. Как же работает глушитель?

Разумеется, для глушения можно использовать короткий круглый воздуховод, облицованный поглощающим материалом (проточный глушитель). Однако основная часть энергии шума выхлопа (как и шума всасывания) сосредоточена на низких частотах, в частности на частоте следования вспышек в двигателе, а если, как обычно, процессы сгорания различаются от цилиндра к цилиндру и от такта к такту, то это может привести к субгармоникам еще меньших частот.

Как известно, глушители с поглощением работают плохо именно на низких частотах; к счастью, желаемое ослабление низкочастотных звуков удается получить при помощи совершенно другого метода — правда, ценой некоторого дополнительного противодавле ния в трубе. Работа этого другого типа глушителя в отличие от поглощающего глушителя основана на реактивном принципе. Основной вид реактивного глушителя — это просто расширительная камера[28], не содержащая ничего, кроме воздуха. И здесь снова мы встречаемся с рассогласованием импедансов. Вместо того чтобы приводить электрические аналоги, лучше объяснить происходящие в этом глушителе процессы путем сравнения его с антивибрационными амортизаторами, о которых мы уже вкратце говорили.

Рис. 56. Глушители выхлопа.

Расширительная камера соединена выхлопным трубопроводом с источником звука и выхлопным патрубком — с атмосферой. Если источником звука служит выхлоп двигателя, он будет посылать в расширительную камеру периодические импульсы давления, которые можно рассматривать как набор синусоидальных волн, в котором наибольшая доля энергии сосредоточена на основной частоте. Эти импульсы напоминают возбуждающую силу, действующую на механизм, установленный на пружинном амортизаторе (см. стр. 246). Расширительная камера — это ограниченный объем воздуха, и, как всякий объемный резонатор, она имеет свою резонансную частоту. Если эта резонансная частота совпадает с основной частотой источника шума, возникает тот же эффект, как для механизма, установленного на пружине и образующего с ней систему с той же собственной частотой, что и частота колебаний механизма, а именно большое усиление колебаний. Собственной частотой обладает и выхлопной патрубок; его роль аналогична роли податливого перекрытия под амортизатором, на котором стоит двигатель. В результате получится некоторая общая основная частота собственных колебаний камеры вместе с патрубком. При совпадении этой частоты с частотой возбуждения колебания значительно усилятся и глушитель сможет ослаблять звук только в результате потерь на трение при колебаниях газа.

Возвращаясь к механизму, установленному на амортизаторах, мы вспоминаем, что при увеличении числа оборотов усиление уменьшается и заменяется ослаблением — изоляцией вибраций. В точности тоже происходит и с резонатором. При возрастании частоты источника звука усиление прекращается при достижении частоты, в раз большей, чем собственная частота резонатора. По мере дальнейшего увеличения отношения частот колебания воздуха проходят наружу все в меньшей степени; ослабление упадет на резонансной частоте второй гармоники. Затем кривая ослабления снова поднимается вверх и снова круто падает вниз на каждой из высших гармоник основной резонансной частоты.

При конструировании резонансного глушителя следует учитывать три важнейших обстоятельства. Во-первых, упругость «пружины». Чем больше поперечное сечение расширительной камеры, тем мягче воздушная пружина и тем большей изоляции звука можно достигнуть. Во-вторых, собственная частота камеры, зависящая в основном от ее длины. И наконец, собственная частота выхлопного патрубка, которая определяется его длиной. Есть, однако, еще два обстоятельства, которые могут исказить наши предсказания, но учесть которые чрезвычайно трудно — это импеданс источника и импеданс нагрузки на выходе.

Обратимся сначала к импедансу источника. Когда мы имеем дело с механизмом, установленным на пружинном амортизаторе, то при изменении упругости амортизатора сила, действующая на механизм, существенно не меняется. Другими словами, импеданс источника в этом случае велик. Точно так же глушитель не повлияет существенно на импульсы, излучаемые двигателем при выхлопе, если противодавление остается малым. Импеданс на входе расширительной камеры мал, так как ее поперечник велик; импеданс на входе выхлопного патрубка велик, так как его поперечник мал; наконец, импеданс наружной свободной атмосферы на выходе патрубка мал (напомним, что его малой величиной обусловлено возникновение стоячих волн в трубе, см. гл. 3). Все эти нарушения согласования между импедансами и приводят к ослаблению волны, проходящей через глушитель. Поэтому же, изменив импеданс источника или нагрузки на выходе, мы изменим и эффективность глушителя. В качестве примера источника звука, обладающего малым импедансом, можно привести громкоговоритель. Следовательно, если проводить испытания реактивного глушителя, пользуясь громкоговорителем как источником изолируемого шума, можно будет прийти к излишне пессимистическим заключениям. Аналогично, изменяя что-либо в выхлопном патрубке, например присоединяя его еще к одному глушителю, можно понизить эффективность первого глушителя, потому что изменится импеданс нагрузки. Подобные соображения показывают, почему в механических системах при закреплении пружин амортизатора на массивном основании получается лучшая виброизоляция, чем при закреплении на легком или податливом основании.

Разумеется, принцип реактивного глушения не исчерпывается устройством единственной прямоточной полости. Полость может содержать боковое ответвление, подобное резонансному поглотителю (см. гл. 8). В этом случае получается картина, обратная той, что наблюдается при действии прямоточной камеры: на резонансной частоте достигается не наименьшее, а наибольшее ослабление, а энергия при этом поглощается сильнее всего в результате интенсивных колебаний среды в горлышке резонатора.

На практике выхлопные глушители изготовляют в виде многокамерных систем, снабженных боковыми ответвлениями, работающими как резонаторы. Чтобы сделать «воздушную пружину» мягче, можно выдвинуть соединительные трубки внутрь камеры — это увеличит создаваемое ею затухание. Установка двух камер одна за другой не обязательно удваивает ослабление звука, однако при правильном соединении камер можно получить даже более чем двойной эффект. Большая часть реактивных глушителей, появлявшихся на рынке сбыта, была разработана эмпирически много лет назад, и до сих пор их исследования проводятся методом проб и ошибок. Можно надеяться, что теперь для расчета глушителей будут широко применять вычислительные машины, что позволит разработать действительно эффективные модели.

Недостатком этих глушителей следует считать провалы их эффективности на некоторых частотах. На высоких частотах гармоники резонансов следуют одна за другой, и в этой области эффективность глушителей может оказаться недостаточной. Во многих глушителях предусматривают дополнительную ступень поглощения для борьбы с высокочастотным звуком; имея дело с двигателем, следовало бы сначала устанавливать реактивный глушитель, а затем ниже по течению — прямоточный глушитель с поглощением. Один из изготовителей рекомендует для получения наилучших результатов выбирать длину выхлопного патрубка равной его десятикратному диаметру.

Активные и реактивные глушители применяют не только для глушения выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Оба типа оказываются весьма полезными для глушения шума выходного окна пневматического перфоратора, но, к сожалению, как бы хорошо ни был спроектирован глушитель, он несколько снижает эффективность работы механизма. Шум удается уменьшить всего на 5—7 дБ, чему не следует удивляться, так как выхлоп отработанного воздуха — лишь один из источников звука. Параллельное использование задемпфированных стальных деталей улучшило бы ситуацию, так же как демпфирование и изоляция корпуса механизма. Обычно в перфораторах для дорожных работ применяют глушители-чехлы, служащие одновременно двум целям. Такой глушитель состоит из непроницаемого съемного рукава, или мешка, закрывающего выходное окно и пришнурованного к корпусу перфоратора своей нижней частью, где расположен диск с прорезями, через которые отработанный воздух выходит наружу. Весь мешок изнутри покрыт поглощающей облицовкой и образует вместе с корпусом перфоратора частично облицованный воздуховод. Кроме того, закрывая наружную поверхность перфоратора, мешок несколько снижает излучение шума корпусом перфоратора. Однако, что бы мы ни делали с перфоратором, нельзя избежать непосредственного контакта стального инструмента с дорогой, а в результате камертонного эффекта поверхность дороги сама становится излучателем шума.

Теперь мы можем вернуться к дизель-генератору и приспособить аналогичное устройство к выхлопной системе. При этом необходимо следить за тем, чтобы все соединения были гибкими. Комбинацию фильтра с глушителем, работающую на том же принципе, можно применить и для воздухоприемника. Следует иметь также в виду, что реактивные глушители излучают звук своими корпусами, и, если придется располагать глушитель вне акустического ограждения, все наши мероприятия будут сведены на нет. Лучшее решение в этом случае — закопать глушитель на возможно большую глубину в землю. В противном случае не обойтись без обшивки глушителя каким-либо покрытием.

Есть два способа нанесения покрытия, и очень важно выбрать из них наиболее подходящий. Если корпус изолируемого механизма резонирует, что можно выяснить, сравнивая его отклик на возбуждение разными частотами со спектром шума в условиях эксплуатации (иногда достаточно просто прислушаться к звуку удара по корпусу тупым инструментом), то следует применить демпфирующее покрытие. Резонанс можно сильно снизить, покрыв корпус достаточно толстым слоем поглощающего состава типа патентованных обмазок на основе смол. Однако для многих объектов, например для глушителей, в которых вибрации корпуса вызываются процессами, происходящими внутри корпуса, добавочное затухание едва снизит амплитуду на какой-нибудь один децибел. Если дело не в резонансах, то простое удвоение массы корпуса уменьшит шум децибел на 5, что не так уж много. В этом случае лучше всего вспомнить принципы, изложенные в гл. 9, и закрыть механизм непроницаемой оболочкой с поверхностной плотностью примерно 5 кг/м², лежащей на упругой подложке, например слое минеральной шерсти, которая кстати подавит и возможные резонансы. Наружная оболочка не должна нигде соприкасаться с колеблющейся поверхностью, а в качестве материала оболочки можно взять что угодно — от металлического листа до затвердевающих составов или каких-либо тяжелых гибких пластмассовых листов фабричного изготовления. Несколько отклоняясь в сторону, отметим, что подобная проблема часто возникает при образовании мощной турбулентности позади клапана газопровода при протекании газа через отверстие клапана со скоростью, превышающей скорость звука (число Маха M > 1). Если на мало-мальски длинном участке газопровода возникает мощное развитие завихрений, создается значительное излучение резкого высокочастотного случайного шума Оказалось, что с таким весьма высокочастотным шумом можно бороться, обшивая трубу толстым слоем плотного пористого волокнистого материала, например плотного стекловолокна, даже без наружной обшивки. Это как бы противоречит традициям акустики, но ряд недавних работ показал эффективность этого метода. Институт прикладной физики в Дельфте ведет по шуму труб исследовательские работы, от которых можно ожидать интересных результатов. Однако обшивка трубы не единственное необходимое мероприятие в подобных случаях, потому что зачастую вибрации проникают обходным путем через опоры, на которых лежит труба, и звук будет излучаться стенкой, поддерживающей конструкции. Это снова старая история о камертоне, стоящем на поверхности стола; ясно, что для труб необходимо применять гибкие опоры.

Теперь нанесем последние штрихи в наше описание схемы звукоизоляции дизель-генератора. Во-первых, нельзя допускать в стенках ограждения ни зазоров, ни трещин. Во-вторых, ограждение не должно иметь жесткого контакта ни с какой колеблющейся частью установки, в том числе и с системой выхлопа, опора которой должна стоять на земле, а сама она должна упруго соединяться с двигателем. Сам же агрегат, дизель-генератор, не должен иметь жесткий контакт с землей. В месте, где выхлопная труба проходит через ограждение, следует сделать отверстие большого диаметра и для его герметизации использовать гибкое прокладочное асбестовое ко