Акустическая оболочка потолка

Александр Кравченко,
компания Zinteco (г.Киев)
vita46<at>yandex.ru
www.zinteco.kiev.ua

Начало см. «Install Pro», 2004, №2 (27)

Акустическая оболочка потолка
При изготовлении акустической оболочки потолка используются те же принципы, что и при акустической оболочки стен, но технология изготовления имеет свои конструктивные особенности и ограничения. Связано это в основном с тем, что деревянный каркас акустической оболочки потолка одновременно должен удерживать в горизонтальном положении большой вес акустической оболочки, а
также вес подвешиваемых к нему низкочастотных ловушек, горизонтальные же пролеты между стенами могут достигать 10 м и более. Поэтому при толщине потолочных брусков 5 – 15 см их ширина может быть от 10 до 30 см. В некоторых случаях, когда пролеты между стенами достаточно большие, можно рассматривать в качестве потолочных брусков металлические двутавры. Но все-таки лучше делать составные композитные бруски из дерева и фанеры (рис. 9).
Единственное существенное отличие между конструкциями стен и потолка заключается в отделке внутренней стороны потолочной конструкции, на чем мы и остановимся.
На рис. 10 показан разрез такой потолочной конструкции. Над потолочными брусками находится «сэндвич» (гипсокартон-гидроизол-гипсокартон), который прибивают гвоздями к потолочным брускам сверху. По мере укладки «сэндвича» рекомендуется забрасывать поверх него листы минеральной ваты средней плотности во избежание образования резонансов в закрытой полости между конструкциями потолка.

В арках между брусьями можно укладывать полосы гидроизола и толстого войлока, при этом их прибивают через планку гвоздями к боковым поверхностям потолочных брусьев (рис. 10, а). Если нет войлока, можно уложить несколько слоев минеральной ваты средней плотности, а чтобы она не падала с потолка, сделать под каркасом «сетку» из тонких планок или капроновой веревки, можно также зафиксировать листы минеральной ваты гвоздями (рис. 10, б). 15 – 20-см глубина сводчатой конструкции достаточна для того, чтобы отнимать определенную часть энергии как у прямых среднечастотных волн, так и у тех, которые почти без потерь отражаются от твердого пола. Для заполнения потолочных полостей Филип Ньюэлл советует использовать материал PKB2, основа которого напоминает гидроизол с приваренным к нему с одной стороны слоем войлока в 2 см. Но достать в наших условиях такой материал сложно, а стоить он может недешево. Поэтому я и предлагаю композицию гидроизола с войлоком или несколько слоев минеральной ваты. Рассмотрим конструкцию акустической оболочки потолка средней по размерам комнаты.
Поскольку деревянный пол является самой отражающей поверхностью из всех поверхностей комнаты, это необходимо должным образом учесть в конструкции противоположного ему потолка. Над внутренним потолком имеется свободное пространство глубиной примерно 30 см. Если его набить звукопоглощающим материалом (будь то минеральная вата, обрезки пенопласта или других используемых в строительстве материалов), он будет обеспечивать хорошее поглощение всех тех нижних средних частот, которым удалось пройти сквозь внутреннюю обшивку. Впрочем, пустое место над внутренним потолком оставлено и для других целей: для прокладки вентиляционных каналов, воздуховодов системы кондиционирования и т.д. Вместе с тем это же пространство можно использовать и для набивки дополнительным количеством звукопоглощающего материала, который будет способствовать еще большему выравниванию акустики комнаты.

Механизмы звукопоглощения в волокнистых материалах
В последнее время встречаются мнения, что использование минеральной ваты для звукоизоляции банально. Так ли это? Рассмотрим подробно процессы, происходящие в ней, так как это нам пригодится еще не раз.
В свое время, когда Ньютон на основании сугубо теоретических расчетов решил вычислить скорость звука, оказалось, что она должна составлять 279 м/с при температуре 0°. В расчетах он учитывал только упругость и плотность воздуха. Однако практика показала, что истинная скорость звука равна примерно 332 м/с. Выдвигалось много предположений, чтобы объяснить это расхождение, но все они были ошибочными до тех пор, пока Пьер Симон маркиз де Лаплас (Peire Simon, the Marquis de Laplace) не применил то, что мы сейчас называем поправкой Лапласа.
А дело в том, что воздух при сжатии нагревается, а при разрежении – охлаждается. Распространяясь в воздухе, звуковая волна то сжимает, то разрежает его. Расчеты Ньютона основывались на упругости и плотности воздуха. Упругость – это способность сопротивляться изгибающей силе и противостоять ей. И скорость звука отчасти зависит от упругости воздуха. Но когда участок высокого давления звуковой волны сжимает воздух, тот увеличивает свою упругость двояко: во-первых, за счет увеличения свой плотности, а во-вторых, за счет тепла, которое генерируется при его сжатии. И ошибка Ньютона как раз в том и состояла, что он упустил из своих расчетов влияние этих температурных изменений. Он учитывал только повышение упругости в результате изменения плотности.
Конечно, при прохождении звуковой волны по всему пространству в целом никакого среднего изменения температуры не наблюдается. Однако на локальном уровне температурные изменения все-таки существуют, и они являются равновеликими и противоположно направленными при каждом полупериоде сжатия-разрежения. Отсюда можно сделать ложный вывод, что повышения и понижения температуры взаимно гасят друг друга. Возможно, Ньютон так и думал, но на самом деле это не так.
Когда воздух сжимается, его объем сокращается, а при разрежении увеличивается. Внутренней силой, которая противодействует изменениям объема, является упругость среды. Если трубу с одного конца запаять, а с другого ввести в нее воздухонепроницаемый поршень, то при нажатии на поршень и его вытягивании воздух будет соответственно сжиматься и разжиматься. Если поршень отпустить, он возвратится в исходное состояние – состояние покоя. При наполнении трубы газом большей упругости для тех же передвижений поршня придется прикладывать большую силу, поскольку этот газ будет сильнее противодействовать таким изменениям.
Передачу звука по воздуху можно визуально представить так, как это изображено на рис. 11. Если пружины довольно слабые, то динамическая нагрузка, приложенная слева на шар A, передается на шар B, затем на шар C и т.д., но при этом передача энергии от одного шара к другому происходит с заметной задержкой. Теперь предположим, что мы подогрели пружины, и они стали более жесткими. Тогда при динамической нагрузке, приложенной к шару А, волна будет перекатываться несколько быстрее. И, наконец, если установить практически несгибаемые пружины, динамическая нагрузка от одного шара к другому будет передаваться почти мгновенно, поскольку комбинация шаров и пружин будет действовать как один цельный шток. Отсюда вывод, что скорость передачи усилия в системе пропорциональна жесткости пружин.

Фактически частицы воздуха действуют так же, как и эти шары с пружинами, а упругость воздуха является функцией сопротивляемости таких «пружин». Получается, что усилие, прикладываемое к одной частице воздуха, как бы сжимает пружину, нагревая ее и увеличивая тем самым силу упругости, которой противодействует следующая частица. Поэтому эффект нагрева, вызванного сжатием, способствует повышению упругости газа, а отсюда – и скорости распространения в нем звука.
Процесс разрежения можно представить так: при разрежении усилие вытягивания прилагается к шару А, который тащит за собой шар B, а тот – следующий шар и т.д. В состоянии покоя сила упругости, действующая на шар B, удерживает его на месте, поскольку пружины A-B и B-C находятся в равновесии. При «вытягивании» же шара A от шара B сила упругости, действующая на шар B, уменьшается со стороны, обращенной к шару A, поэтому пружина B-C начинает действовать на шар B в направлении шара A с большим усилием до тех пор, пока не будет восстановлено равновесие. По мере того как шар B перемещается к шару A, усилие B-C становится меньше, поэтому возникший избыток силы D-C начинает толкать шар C, который движется в направлении шара B. Энергия волны будут распространяться по трубе до тех пор, пока все шары не встанут снова на одинаковом расстоянии друг от друга. Вот здесь как раз и обнаруживается, что холод разрежения «работает» не на погашение теплоты сжатия, а действует как бы с ней заодно (рис. 12).
При разрежении плотность пружины A-B снижается, а поэтому и сила, действующая на B со стороны C, будет больше, чем со стороны A. Охлаждение, вызванное разрежением, еще больше снижает упругость, ослабляя пружину, и действует в том же направлении, что и снижение плотности, тем самым еще больше уменьшая силу A-B. А это означает еще больший перепад между силой A-B и силой B-C, поэтому B отталкивается от C с большим усилием, чем если бы это было лишь при изменении плотности вследствие разрежения.
Теперь ясно, что тепло, образующееся при сжатии, и холод, возникающий при разрежении, согласованно «работают» в одном и том же направлении, что и изменения плотности, чем усиливают эффект последнего. Из-за этого дополнительного «содействия», вызванного изменениями упругости из-за выделения тепловой энергии, скорость звука в воздухе оказалась выше той, что была впервые рассчитана Ньютоном только на основании упругости и плотности. Тепло и холод в этом случае не гасят друг друга, а вместе «работают» на увеличение скорости звука в любой среде.
А теперь ближе к нашей минеральной вате ). В материале наподобие минеральной ваты волокна действуют как проводники, отводя тепловую энергию у волн сжатия и отдавая ее волнам разрежения. Этим нивелируется значительная часть тепловых колебаний, которые бы могли усиливать изменения упругости, а значит – уменьшается количество энергии, идущей на распространение звука. Из-за этого распространение звука переходит из адиабатической плоскости (чередования нагрева-охлаждения) в изотермическую (плоскость постоянных температур), что уже само по себе замедляет скорость звука. Поэтому если корпус акустической системы наполнить волокнистым поглощающим материалом, то такой корпус окажется акустически большим, чем физически, ибо скорость звука внутри него замедляется изотермическим характером его распространения в волокнистом материале.
Но это не единственное свойство волокнистых материалов. Им еще характерен «эффект лабиринта». Суть его в том, что на пути распространения частиц воздуха много препятствий, которые эти частицы вынуждены огибать по «непрямым» маршрутам. Вынужденное удлинение пути прохождения звука сквозь волокна увеличивает и вязкостные потери, с которыми сталкивается воздух по мере того, как звуковые волны пытаются отыскать себе путь среди волокон.
Существуют также и внутренние потери энергии из-за того, что вибрации воздуха вынуждают вибрировать волокна минеральной ваты, что отбирает энергию звуковой волны.
Есть и фрикционные потери, возникающие при трении волокон друг о друга. Для всего этого движения волокон нужна энергия, и они находят ее, преобразуя акустическую энергию в тепловую.
Все вышеуказанные потери звуковой энергии пропорциональны скорости, с которой частица вибрирующего воздуха пытается пройти сквозь материал. И чем выше скорость частиц воздуха, вошедших в него, тем больше коэффициент поглощения этого материала. Немного запутано? Тогда зададимся вопросом: почему бетонная стена не поглощает звуковую волну? А дело в том, что когда звуковая волна достигает стены, последняя резко прекращает ее движение и отражает ее назад. В этой точке смены направления велико давление, а вот скорость движения частиц практически равна нулю. Из этого следует, что чем резче происходит изменение сопротивления среды распространению движения звуковой волны, тем больше энергии звуковой волны отражается обратно и тем хуже звукопоглощение. И напротив, чем «мягче» происходит изменение этого сопротивления, тем меньше звуковой энергии отражается и тем лучше звукопоглощение. Этот вывод имеет для нас важное практическое значение.
Теперь становится ясно, почему внутренние оболочки стен безэховых камер делаются из волокнистых материалов, которые имеют форму клинообразных пуансонов (рис. 13). Изменение сопротивления среды при соприкосновении звуковой волны с пуансонами происходит очень плавно. Звуковая волна как бы заглатывается пуансонами, и к моменту ее прихода к основным звукопоглощающим конструкциям сопротивление звуковой волне у оснований пуансонов возрастает и выравнивается с сопротивлением поглощающих конструкций. Советую хорошо вчитаться и разобраться в вышесказанном, так как в последующем этот прием нам пригодится, особенно когда речь пойдет об акустической отделке задних стен и потолков контрольных комнат.
По этой же причине эффект поглощения, создаваемый волокнистым материалом, тем выше, чем дальше он расположен от отражающих стен. И если принять это расстояние за четверть длины волны, то это и будет та самая низкая частота, которую эта конструкция в состоянии поглощать.
А вот эффективность работы звукопоглотителей мембранного типа (наподобие «сэндвича» – гипсокартон/гидроизол/гипсокартон) зависит от силы, с которой на них напирает звуковая волна. Поэтому для максимальной эффективности звукопоглощения их следует располагать поближе к точке максимального давления, т.е. у стены.
Как видим, механизмы звукопоглощения могут быть совершенно разными. И их эффективность зависит не только от физических свойств материалов, но и от того, в каких местах помещения они будут применены.
Чтобы закончить раздел о звукопоглощении, зададимся еще следующими вопросами. Какая связь между эффективностью звукопоглощающих материалов волокнистого типа и их плотностью и толщиной? Является ли эта связь прямой? Ответ на эти вопросы важно знать еще и потому, что они помогут нам найти баланс между эффективностью и стоимостью поглотительных материалов, а также между тем объемом, который они могут занимать.
Возьмем, например, минеральную вату, цена 1 кг которой приблизительно одинаковая вне зависимости от ее плотности. С одной стороны, применение минеральной ваты меньшей плотности даст больший эффект, чем минеральной ваты большей плотности с той же массой. Однако в первом случае будет занят больший объем, чем во втором.
На частоте 125 Гц минеральная вата толщиной 3 см может иметь коэффициент поглощения 0,07, а толщиной 12 см (в четыре раза больше) при той же плотности коэффициент поглощения будет 0,38, что в пять раз больше. Здесь мы имеем почти прямое соотношение. С другой стороны, при одинаковой толщине минеральная вата плотностью 30 кг/м3 может иметь коэффициент звукопоглощения 0,07, а плотностью 120 кг/м3 – всего лишь 0,10. В данном случае четырехкратное увеличение плотности дало прирост звукопоглощения меньше, чем на половину.
Вывод: при одинаковом весе и практически одинаковой цене четыре слоя низкоплотного материала, занимающего четырехкратный объем, дадут более чем в 10 раз большее поглощение на частоте 125 Гц, чем те же четыре слоя, ужатые до объема одного, т.е. до слоя с четырехкратной плотностью.
Существуют специальные таблицы с указанием коэффициента звукопоглощения разных материалов с разной плотностью. Да и практический опыт здесь лишним не бывает.

Заключение
В последнее время наша промышленность стала производить специальные звукоизоляционные материалы. Как правило, они выпускаются в виде потолочных и стеновых плит размерами 60 х 60; 60 х 120 и 120 х 120 см. Эти материалы действительно как нельзя лучше подходят для акустической отделки офисов, производственных и иных помещений, так как акустические требования к таким помещениям несопоставимы с теми требованиями, которые мы предъявляем к акустике студийных помещений. Хорошо продуманы не только акустические свойства этих материалов, но и технология их монтажа.
К сожалению, на этом начали спекулировать некоторые фирмы, специализирующиеся якобы на строительстве студий. Вся проектная работа подобных фирм заключается в том, что в помещении производится евроремонт с применением этих материалов, после чего это помещение так называемые «проектировщики» именуют студией. Рассмотрим этот вопрос с трех точек зрения: звукопоглощения, звукоизоляции и дизайна.
Мы уже говорили о том, что при резком изменении акустического сопротивления часть звука отразится назад в помещение, а это в большинстве случаев нежелательно. Мало того, даже от такого материала, как минеральная вата средней плотности, тоже есть отражения, пусть и очень незначительные. Поэтому в дальнейшем в наиболее критичных с точки зрения звукопоглощения поверхностях мы будем применять специальные ловушки, чтобы еще больше снизить количество возможных отражений. Лицевая сторона производимых промышленностью материалов имеет большую жесткость, чем та же минеральная вата. Значит, и отражений звука от них обратно в помещение будет больше. Но ведь наши цели были другими, не так ли?
Если взглянуть на «сэндвич» акустической оболочки и на слой гипсокартона звукоизоляционной оболочки как на поглотители мембранного типа, то заметим, что их площадь практически соответствует площади тех поверхностей, у которых они установлены. Известно, что эффективность поглотителей мембранного типа (особенно в диапазоне низких частот) зависит от их веса и площади. Поглотитель размером 5 х 5 м гораздо эффективнее на низких частотах, чем 25 поглотителей размером 1 х 1 м. Исходя из этого, можно сделать вывод, что применение промышленных модульных акустических материалов не решит многих проблем акустики студийных помещений.
Дизайн студий, поверхности которых отделаны такими материалами, тоже оставляет желать лучшего. Прежде всего, студии похожи одна на другую, к тому же технократический вид студийных помещений вряд ли вдохновит музыкантов. А ведь дизайн студии очень важен, если учесть, сколько времени проводят в студиях звукоинженеры и музыканты. Существуют даже концепции, в какой цветовой гамме следует решать дизайн конкретной студии в зависимости от того, с какими стилями музыки предполагается в ней работать. Стоит ли нам отказываться от этого опыта? Впрочем, вопросы дизайна будут рассмотрены нами в одной из будущих статей.
Догадываюсь, что разные люди по-разному реагируют на этот цикл статей. Есть и такие, которые считают, что это все очень дорого, от всего этого попахивает идеализмом и т.д. Поэтому в этой статье я специально описывал работу и аргументировал применение каждого слоя как в акустической, так и звукоизоляционной оболочке. Заметьте, что применяли мы вполне доступные строительные материалы, которые продаются везде и по умеренным ценам. Я не предлагаю никакой «экзотики» в виде свинцовых пластин, RPG-диффузеров, редких пород дерева, полуторатонных дверей и 12-сантиметровых стекол. Даже окна и двери мы будем делать самостоятельно, о чем и расскажем в следующей статье.
Существуют разные концепции строительства студий, идеологами которых являются такие всемирно известные акустики-дизайнеры, как Тойошима, Хидли, Киношита и другие. Но, по моему мнению, описываемая здесь технология строительства студий, предложенная Филипом Ньюэллом, наиболее адаптирована к условиям нашей страны. Подтверждением тому служит все большее количество студий, которые проектируются именно по этой технологии.