в три раза уменьшает громкость проходящего через стенку шума
приблизительно в два раза.
Неумолимый акустический "закон массы" оборачивается для строителей и эксплуатационников довольно неприятными последствиями.
Слабым утешением является то, что теперь мы уже можем ответить на вопрос, поставленный в заголовке. Лист железа все же. тяжелее ватного одеяла той же площади, и этот лист с точки зрения звукоизоляции следует предпочесть одеялу. Впрочем, дело не только в массе, но и в том, что для обеспечения звукоизоляции материал должен быть не рыхлым, а плотным, без пор и пустот, проводящих звук, как это имеет место в том же слое ваты.
Впрочем, следует ли полностью отвергать одеяло? Звукоизолирующий материал отбрасывает звуковую энергию обратно, и если ее не поглотить, то неизбежно увеличение звукового уровня в помещении источника, а следовательно, и в самом изолируемом помещении. Оптимальным является сочетание звукоизолирующей конструкции со звукопоглощающей. Так собственно, и осуществляют звукоизолирующие кожухи и капоты для шумящих механизмов: стальные стенки с нанесенными изнутри на них слоями рыхлых волокнистых или пористых материалов.
Итак, можно сказать: "звукоизоляция любит массу". Но...
Едва лишь строительные и архитектурные акустики начали понемногу привыкать к неумолимому "закону массы", как на сцене появился незнакомец, который более чем что-либо другое (кроме сквозных отверстий) ухудшает звукоизоляцию стенок в области максимальной чувствительности слуха. Разумеется, это не живое существо, а процесс. Но прежде -- два слова истории.
Еще в 1941 году С. Н. Ржевкин с одним из своих сотрудников наблюдали аномальное - прохождение звука через пластинки. При некоторых частотах колебаний и углах падения звуковой волны на пластинку наблюдалось интенсивное прохождение через нее звука. Удовлетворительного объяснения этому явлению подыскать тогда не удалось.
Несколько позже Л. Кремер, производя теоретический анализ взаимодействия звукоизолирующих стенок со звуковым полем, открыл так называемый резонанс совпадения. Суть его заключается в том, что при равенстве фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности пластины (а эта скорость является в данном случае не чем иным, как проекцией на плоскость пластины вектора скорости в падающей волне) и скорости изгибных волн в пластине падающая волна должна полностью пройти через пластину. Иными словами, при данной частоте и данном угле падения звука звукоизоляция пластины будет равна нулю (если в ней нет потерь энергии).
Мы уже касались ранее резонансных явлений, преимущественно в акустических системах, малых по сравнению с длиной звуковой волны. Неизбежно пойдет речь о резонансах и при последующем рассмот
При увеличении толщины стенки звукоизоляция на низких и средних частотах увеличивается, но "коварный" резонанс совпадения, вызывающий ухудшение звукоизоляции, начинает проявляться на более низких частотах и захватывает более широкую их область.
рении виброизоляции в механических системах. Резонанс совпадения -своеобразнейший из резонансов. Прежде всего, это пространственный резонанс; при его возникновении пластина (стенка) взаимодействует со звуковым полем не в точке или локальной области, а по определенной, обычно достаточно большой площади.
А как ведут себя частоты "обычных" резонансов в зависимости от основных параметров колебательных резонирующих систем? Практически каждому человеку хоть раз довелось наблюдать, что чем большая масса подвешивается к крючку безмена, тем ниже частота колебаний этой массы на пружине безмена. Частота акустического резонатора, собственные частоты пластинок или стержней также тем ниже, чем больше массы и чем меньше жесткости соответствующих элементов. Частота же резонанса совпадения, наоборот, возрастает с увеличением массы и уменьшением жесткости пластин, на которые падает звук.
Наконец, обычные резонансы проявляются, как правило, в достаточно узкой полосе частот. Частота резонанса совпадения зависит от угла падения звука. А так как в диффузном, размешанном звуковом поле все углы падения звука на пластину равновероятны, то при этом виде поля, характерном для большинства помещений, полоса частот резонанса совпадения каждой перегородки или стенки (а следовательно, и полоса частот, в которой перегородка или стенка пропускает звук) достаточно широка.
"Дефективный" резонанс совпадения обусловил довольно противоречивую картину зависимости звукоизоляции от толщины стенки. С одной стороны, увеличение толщины стенки согласно "закону массы" увеличивает звукоизоляцию. Но с другой стороны, поскольку при этом уменьшается отношение массы стенки к ее изгибной жесткости, ухудшающий звукоизоляцию резонанс совпадения проявляется на более низких частотах и захватывает более широкую полосу частот.
Где выход? Тот же Л. Кремер предложил делать тонкие пропилы в стенках на определенную глубину. Не изменяя практически массу стенки, эти пропилы резко уменьшают ее жесткость, и частота резонанса совпадения перемещается в более высокую область частот. У свинцовых же звукоизолирующих перегородок, например, благодаря их большой массе и весьма малой жесткости, резонанс совпадения находится в неслышимой ультразвуковой области частот.
Кирпичные стены. Это -- масса, а значит, и звукоизоляция. И резонанс совпадения по некоторым причинам здесь проявляется слабее. Но кирпичные стены не поставишь на теплоход или самолет. Нужно "обмануть" закон массы; нужны облегченные, но хорошо изолирующие звук устройства. В какой-то мере это удается достичь применением двухстенных конструкций. Воздушный промежуток между стенками с точки зрения увеличения эффекта звукоизоляции -примерно то же, что воздушный слой между стеклами оконной рамы для увеличения теплоизоляции.
Ширина воздушного слоя между стенками, влияет ли она на величину звукоизоляции? Одно время, ссылаясь на возникающие в воздушном слое резонансы объема воздуха, утверждали, что существует оптимальная ширина воздушного зазора в двухстенной конструкции и что больше определенной величины этот зазор делать не следует, иначе резонансы будут возникать с более низких частот и захватят более широкую их область. Опыт показал, что при наличии в зазоре звукопоглощающих материалов бояться этих резонансов нечего.
Таким образом, чем больше зазор между стенками, тем выше звукоизоляция двухстенной конструкции. Л. Кремер в возглавляемом им Институте технической акустики демонстрировал советским специалистам двухстенную конструкцию из стеклоблоков с зазором между стенками, достигающим почти метра. Конструкция предназначалась для световых проемов в баптистской церкви, находящейся на одном из самых шумных перекрестков Западного Берлина. Как выяснилось, прихожане этой церкви не могли с должной сосредоточенностью совершать обряды даже при малейшем шуме. Последовало обращение, во имя бога, к строительным акустикам, подкрепленное, впрочем, земными, финансовыми стимулами. Разработанная световая конструкция обеспечивала звукоизоляцию до 80 децибелов, что не уступает звукоизоляции кирпичной стены, имеющей значительно большую массу.
Влияние "закона массы" на звукоизоляцию по-разному проявляется в конструкциях различной площади. Значительную роль играют характер заделки звукоизолирующей стенки по контуру и вид элементов, связывающих между собой стенки в двухстенной конструкции. Эти и другие вопросы применительно к изоляции воздушного и ударного шума (последний имеет место в конструкциях полов) исследовались ведущими советскими строительными акустиками С. П. Алексеевым, И. И. Боголеповым, В. И. Заборовым, С. Д. Ковригиным, М. С. Седовым и другими, во многом содействовавшими внедрению эффективных звукоизолирующих конструкций в строительстве, на производстве и на транспорте.
ВОЗМОЖНО ЛИ ПОДСЛУШИВАНИЕ
ЧЕРЕЗ ЗАМОЧНУЮ СКВАЖИНУ?
Если под этим понимать допустимость подслушивания, то каждый считающий себя воспитанным человек должен был бы ответить отрицательно. Но нас интересует не этическая, а физическая сторона вопроса, и тут ответ будет положительным.
Ну, и что же? Тривиальная вещь, скажет иной читатель. Но он, пожалуй, изменит свое мнение, если узнает следующее: через скважину можно подслушивать из соседней комнаты даже такую тихую речь, что человек, находящийся в одной комнате с говорящим (но, естественно, в известном отдалении от него, скажем, у стены вблизи двери), уже не в состоянии эту речь отчетливо воспринять.
В самом общем виде дифракцию волн можно определить как явление взаимодействия волн с каким-либо препятствием, находящимся на пути их распространения. Следствием такого взаимодействия могут являться огибание препятствий волной, рассеяние колебательной энергии, интерференционные картины (например, в дифракционной решетке). Усиленная звукопроводность щелей и отверстий в жестких стенках -- одно из своеобразных проявлений дифракции звука. Первым еще в 30-х годах нашего века обратил внимание на это явление немецкий акустик Вагнер.
Не будь этого явления, в скольких романах Дюма и других авторов потерялся бы повод для драматических завязок или пикантных ситуаций! Но как же оно протекает? Звук от источника, падающий по большой площади на жесткую непоглощающую стенку, рассеивается в разные стороны. Так как, согласно принципу Гюйгенса, каждая точка фронта волны сама является источником сферической волны, то к отверстию помимо прямого звукового луча от источника придет часть энергии звука, рассеянного прилежащей к отверстию площадью стены. В результате плотность звуковой энергии увеличивается, а отверстие, ввиду малого акустического сопротивления по сравнению с сопротивлением стенки, проводит эту энергию в соседнее помещение. Образуется как бы акустическая воронка. Вагнер показал экспериментально, что влияние отражения звука от стенок как бы равноценно увеличению площади звукопроводящего отверстия во много раз.
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".