Механизмы поглощения

Классификация звукопоглощающих конструкций.

 

Звукопоглощающие конструкции в зависимости от механизма звукопоглощения можно разделить на три группы: нерезонансные, резонансные, и комбинированные, реализующие одновременно нерезонансный и резонансный способ поглощения.

При создании звукопоглощающей конструкции необходимо выполнить две задачи: поглощение звука внутри конструкции и передачу звука без отражения в материал звукопоглотителя (согласование). Нерезонансное поглощение осуществляется в результате затухания звука в процессе его распространения в материале ЗПК. Резонансный механизм поглощения реализуется в специально сконструированных резонаторах, интенсивно поглощающих звуковую энергию на собственных частотах.

Рассмотрим нерезонансный способ поглощения звуковых волн.

При нерезонансном способе поглощения необходимо использовать материалы относительно большой толщины (), чтобы обеспечить достаточное поглощение звуковой волны по мере ее распространения. При этом волновое сопротивление материала поглотителя должно мало отличаться от волнового сопротивления воздушной среды.

Напишем выражение для коэффициента отражения на границе поглощающий материал - воздушная среда:

 

 

- активная и реактивная составляющие волнового сопротивления

материала ;

- волновое сопротивление воздушной среды.

 

Реактивная составляющая волнового сопротивления пропорциональна коэффициенту механических потерь материала и определяет степень затухания волны. Нетрудно видеть, что идеальное согласование (b = 0) поглощающей среды () выполнить невозможно. Следовательно, необходимо допустить конечность значений коэффициента отражения b и определить допустимые значения коэффициента потерь h, определяющего значение реактивной составляющей .

Эффективность затухания амплитуды звуковых волн, распространяющихся в направлении координаты х (направленной перпендикулярно плоской поверхности материала поглотителя), определяется из формулы:

 

 

- показатель затухания;

- скорость звука в материале; k – волновое число.

 

Затухание волны пропорционально величине h,следовательно, материал поглотителя должен обладать значительными потерями. Однако, увеличивая коэффициент механических потерь материала, нарушаем согласование сопротивлений. Для определения допустимых значений выполним следующий анализ.

Напишем выражение для коэффициента отражения b, полагая значение в виде:

 

 

Последнее выражение получено при условиях:

Следовательно, малые величины коэффициента отражения можно получить только при небольших значениях коэффициента потерь. Полагая b = 0,1, который определяет свойство хорошего, но не идеального звукопоглотителя, из последнего выражения получим После того, как волна прошла в материале звукопоглотителя на расстояние, равное длине волны, звуковое давление уменьшится на cl = 1,25, т.е. на 11 дБ.

Эффективное поглощение достигается при толщинах звукопоглотителя, сравнимых с длиной волны. При необходимости снижения уровня звука на низких частотах звукового диапазона применение нерезонансных звукопоглотителей требует направленных конструкционных решений, позволяющих уменьшить толщину материала при высокой эффективности. При этом используют неоднородные среды, искусственно создаваемые на основе композиций слоев, обладающих разными акустическими свойствами. Волновое сопротивление неоднородной среды изменяется по определенному закону в направлении распространения волны, обеспечивая акустическую эффективность на низких частотах при толщинах поглотителя

Эффективное звукопоглощение можно получить, применяя резонансный механизм потерь звуковой энергии в относительно тонких слоях. При этом максимальное поглощение происходит на резонансной частоте системы, определяемой выражением:

 

 

m – масса, С – упругость.

 

Степень согласования определяется величиной активного сопротивления резонансной системы. Полоса эффективного поглощения обратно пропорциональна отношению массы и упругости.

Упругость резонансной конструкции определяется либо упругостью слоя воздуха, либо упругостью резонирующей пластины, масса – эффективной массой воздуха в резонаторе либо погонной массой пластины. В любом варианте резонансных конструкций согласование зависит не только от параметров материала, но и геометрических размеров резонаторов. Обычно не удается осуществить хорошее согласование входного сопротивления поверхности резонансного звукопоглотителя, поэтому коэффициент поглощения последнего невелик. Эффективность резонансного звукопоглотителя может проявляться на более низких частотах при относительно небольшой толщине конструкции звукопоглотителя, в отличие от нерезонансных конструкций. Однако эффективность указанных звукопоглотителей реализуется в пределах 2 ¸ 2,5 октав.

Комбинированный тип конструкции звукопоглотителя реализует нерезонансный и резонансный механизмы звукопоглощения. Первый обеспечивает звукопоглощение на высоких частотах, когда средний размер конструкции намного больше величины длины волны звука. Резонансный механизм проявляется при условии кратности размера конструкции полуволне звука. Эффективность комбинированных звукопоглотителей, выполненных в виде объемных конструкций, намного превышает звукопоглощающую эффективность плоских ЗПК.

Последнее обстоятельство объясняется эффектом нелокального поглощения звуковой энергии. Указанное явление наблюдается при падении звуковой волны на препятствие, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Резкое изменение волновых свойств среды, наблюдаемое на границе воздух-препятствие, приводит к возмущенному состоянию звукового поля. Звуковая волна рассеивается, трансформируется в другие виды волн. Возникают три вида рассеяния энергии падающей волны.

Один из них связан с зеркальным рассеянием, которое определяется законами геометрической оптики. Другой вид рассеяния сопровождается так называемыми «ползущими» волнами, которые огибают рассеивающее тело в различных направлениях, постепенно излучаясь в окружающую среду. Третий вид – так называемые волны типа Рэлея, которые входят в рассеивающее тело под определенными дискретными углами и распространяются вдоль поверхности. Поэтому использование звукопоглощающих материалов в виде объемных тел в значительной мере увеличивает их эффективность.

Эффективность звукопоглощения, сопровождающегося «краевым эффектом», будет определяться не только акустическими свойствами поверхностей конструкций, определяемых в основном волновыми параметрами используемых для изготовления последних материалов, но и от геометрических размеров поверхностей, взаимных расстояний между звукопоглощающими элементами, даже от расстояния исследуемой конструкции до источника звука.

В зависимости от типа механизма поглощения, реализуемого в конструкциях звукопоглотителей, последние можно классифицировать тремя группами, представленными на рис.1.4.

К группе нерезонансных звукопоглотителей относятся неоднородные и однородные ЗПК. Группу резонансных звукопоглотителей составляют полостные и панельные ЗПК. Комбинированными звукопоглотителями являются объемные и кулисные ЗПК.

Рассмотрим подробнее эффективность звукопоглощения каждой группы звукопоглощающих конструкций.