От агрессивного шума страдает практически каждый современный горожанин. Именно поэтому одним из определяющих критериев качества жилища является его звукоизоляция. Как выполнить ее грамотно, каким законам подчиняются звуковые волны, что следует учесть еще при проектировании дома, чтобы достичь акустического комфорта в жилище, — это и многое другое должен знать каждый застройщик, который не желает напрасно тратить время, силы и средства на неэффективные мероприятия по звукоизоляции.
Человек живет в океане звуков
Наша современная жизнь, к сожалению, наполнена не только трелями соловья, шорохом набегающей на берег волны и «пиликаньем кузнечика на скрипке». Монотонный гул агрегатов и механизмов, громкая музыка, доносящаяся от затеявших шумную вечеринку соседей, стук молотка, перфоратора и визжание дрели, а как следствие — головная боль, усталость и раздражительность — вот характерные для нас реалии сегодняшнего дня.
Как же бороться с акустическим дискомфортом в своем жилище? Попробуем разобраться в некоторых понятиях и физических законах, которым подчиняются звуковые колебания.
Что такое звук
Политехнический словарь дает такое определение этому физическому явлению. Звук — это воспринимаемые ухом механические волны с частотой колебаний от 16 до 20000 Гц, которые распространяются в различных средах (упругих, твердых, жидких и газообразных).
Как известно, в непрерывной среде, состоящей из взаимодействующих между собой частиц, колебания их в одном месте вызывают вынужденные колебания и соседних частиц. Процесс распространения этих колебаний в среде и называется механической волной. Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, называют поперечными. Волны на воде — классический пример таких колебаний. Если же колебания происходят вдоль направления распространения волны, то это продольные волны. Именно к таким и относятся звуковые волны.
Например, колебания ветвей камертона сопровождаются периодическими сжатиями и разрежениями воздуха вблизи него. Эти процессы распространяются в воздухе во все стороны. Ощущение же звука в наших органах слуха возникает при периодических изменениях давления воздуха. При этом звуковые волны с большой амплитудой изменения звукового давления воспринимаются человеческим ухом как громкие звуки, а с малой — как тихие.
Для измерения силы и мощности звука используется условная единица децибел (дБ). Децибел — единица относительная. Сила звука, измеряемая в децибелах, определяется логарифмом отношения этой силы звука к некоторой другой, условно принимаемой за единичную. Таким образом, говоря о силе звука в децибелах, мы имеет дело не с собственно количеством энергии, проносимой звуковой волной через единицу площади в единицу времени, а с уровнем силы звука.
Наименьший прирост силы звука на пороге слышимости, воспринимаемый человеческим ухом, равен примерно 1 дБ. Звук в 10 раз более сильный считается имеющим уровень силы в 10 дБ (пример — тихий шепот на расстоянии 1,5 м), звук в 100 раз более сильный считается имеющим уровень силы в 20 дБ (пример — тиканье часов) и т.д.
В качестве других примеров можно привести тихий разговор, который оценивается в 40 дБ, речь средней громкости — в 60 дБ, шум оживленной улицы — в 60...85 дБ, шум поезда на станции метро — в 95 дБ, а болевой порог (когда звук уже неслышен) — 130 дБ.
Следующий параметр звука — его частота (f), то есть количество колебаний источника (а следовательно, и звукового давления) в 1 сек. Единица измерения частоты звука — герц (Гц). По частоте звук разделяют на 3 диапазона: инфразвук (К20 Гц), ультразвук (f>20000 Гц) и слышимый диапазон — как раз тот, что и воспринимается человеческим ухом. Его частота примерно от 16 до 20000 Гц.
Важнейший параметр звука — скорость распространения звуковой волны, которая зависит от упругости и плотности среды, а от частоты и амплитуды — не зависит. Скорость звука в воздухе при 15°С — около 340 м/с, в воде при 15°С — около 1500 м/с, в кирпиче — 6130 м/с.
Встречая на своем пути преграду, звуковая волна отражается от нее. Причем углы падения и отражения звука равны между собой и лежат в одной плоскости. При переходе из одной среды в другую, например, из воды в воздух или из слоя теплого воздуха в слой холодного происходит преломление или рефракция звуковой волны. При этом синусы углов падения и преломления соотносятся между собой как скорости звука в соответствующих средах.
.jpg)
Если на пути звуковой волны имеется препятствие, размеры которого сравнимы с длиной волны, то происходит дифракция, то есть частичное огибание этого препятствия звуковой волной. В результате за препятствием не получается звуковой тени. Например, выстрел, раздавшийся перед домом, слышен и за ним.
При прохождении звука через любую среду, а также при отражении звука происходит частичное поглощение энергии звуковых волн, вследствие чего звук ослабевает. Именно это свойство звуковых волн и играет основную роль в акустике закрытых помещений.
Степень поглощения энергии характеризуется «коэффициентом поглощения звука» (КПЗ). Материалы, рассеивающие большую часть энергии внутри себя, называются поглощающими. Это акустические плитки, ковровые покрытия, шторы, мебель и т.п. материалы. Их КПЗ может достигать 100%. Такие же материалы, как, например, штукатурка, кирпич, стекло, бетон, относятся к отражающим. Их КПЗ находится в пределах 5... 10%.
Таким образом, распространение звука можно сравнить с распространением света. Звук тоже отражается и преломляется. Однако есть и существенные различия в механизмах распространения звука и света. Если последнии распространяется в прозрачной среде (например, в воздухе), то механические колебания распространяются и в других средах (упругих, твердых, жидких). А это значит, что, например, бетонная плита, являясь (при низком КПЗ) отражателем звуковой волны, одновременно служит ее проводником (да еще и с огромной скоростью распространения). Чтобы лучше это понять, следует коснуться еще некоторых понятий строительной акустики.
Шумы бывают разные
Для начала поставим еще одну точку над i. До этого мы говорили о звуке, то есть механических колебаниях, распространяющихся в различных средах. Закономерный вопрос: так что же такое шум? Политехнический словарь дает такое определение этому явлению: «Шум» — совокупность многочисленных звуков, быстро меняющихся по частоте и силе...».
С практической точки зрения шумом называется неприятный и негармоничный звук, который при высокой интенсивности может вызвать нарушения физиологической деятельности человека, стать причиной стресса и нервного расстройства. Другими словами, шум — это то, что мы не хотим слышать.
В строительной акустике различают два вида шума: возникающий и распространяющийся в воздухе («воздушный» шум) и возникающий непосредственно в материалах ограждающей конструкции от механического воздействия («ударный» шум).
.jpg)
Поясним это на простом примере. Положим, вы хлопнули в ладоши. Что при этом произошло? Возникли звуковые колебания, сопровождающиеся периодическими сжатиями и разрежениями воздуха. Это и есть так называемый «воздушный» шум,
Что происходит далее? При столкновении звуковых волн с преградой (стена, перегородка или перекрытие) возникает вибрация элементов конструкции. При этом какаято часть энергии волны отражается и поглощается, а остальное передается в соседние помещения. Из этого следует очевидный вывод: чем больше энергии волны поглотится в том помещении, где звук произвели, тем меньше шума проникнет в соседнее помещение.
Как же добиться максимально возможной степени звукоизоляции от «воздушного» шума? Специалисты-акустики выделяют три основных способа ослабления звука: за счет массы, за счет поглощения и за счет герметизации.
Итак, первый способ — масса. Что здесь имеется в виду? Хотя в теории строительной акустики существует довольно много нелогичных с точки зрения здравого смысла выводов и неявных особенностей, попробуем разобраться и в этом.
Что же происходит при столкновении волны с ограждением? Волны «воздушного» шума как бы раскачивают ограждение, вызывая соответствующие по частоте колебания воздуха в соседнем помещении. Чтобы противостоять этой акустической «раскачке», ограждения должны быть достаточно массивными. На рис. 1 приведены значения звукоизоляции перегородок из различных материалов в зависимости от их массы при различных частотах. В частности, из графика следует, что перегородка весом 100 кг/м2 имеет изоляционную способность от звука частотой 500 Гц, равную 40 дБ. Если эту массу удвоить, значение звукоизоляции увеличится примерно на 4 дБ.
Следует заметить, что при определенной частоте, называемой «критической», в однородной панели (а именно для таких перегородок действует «закон о массе») образуется «дыра» в звукоизоляции (потеря звукозащитных свойств). Причем, если эта «дыра» находится в диапазоне частот, хорошо улавливаемых человеческим ухом, — разговор, музыка и пр., то звук через препятствие проходит практически без искажений. Значение «критической» частоты зависит от материала преграды (см. табл. 1).
Для примера отметим, что для традиционных строительных материалов (бетон и кирпич) «дыры» в звукоизоляции при «критической» частоте могут составлять от 6 до 10 дБ. Такие материалы, как свинец, резина или современный специальный материал, называемый полимерным свинцом, обладающие высокой рассеивающей способностью, не имеют акустических «дыр» в слышимом диапазоне частот и подчиняются закону о массе. Именно эти материалы используют для повышения степени звукоизоляции легких перегородок. Для снижения же эффекта критической частоты стен, выполненных из традиционных материалов, следует увеличить массу перегородки (см. табл. 2).
Однако вернемся немного назад и вспомним и о других способах ослабления звука.
Реальный шаг к снижению уровня шума — поглотить его, то есть установить в ограждения звукопоглощающие материалы. Величина рассеиваемой в этом случае энергии будет завис.jpg)
еть от толщины материала, его плотности и эластичности. Для звукоизоляции используется хорошо знакомая минеральная вата или такие современные материалы, как, например, термозвукоизол (наподобие пододеяльника), у которого оболочка — из полимерного нетканого материала «Лутрасил», а набивка (одеяло) — из волокон супертонкого стекловолокна.
Говоря о звукопоглощающих материалах, следует развенчать одно из устойчивых заблуждений, сформировавшихся у большинства людей, полагающих, что любые материалы с закрыто-пористой структурой, как, например, пробка, различные пенопласты, полиэтилены, полиуретаны и пр. способны улучшить акустические свойства ограждения от «воздушного»шума. Мол, стоит оклеить подобным материалом общую с соседом стену или потолок — и все будет о'кей. Те, кто через это уже прошел, знают, что на поверку никакого улучшения звукоизоляции в этом случае не получается. А ведь приобретая этот материал, мы познакомились с его техническими характеристиками, согласно которым нам обещан эффект звукоизоляции до 15, а то и до 20 дБ. В чем же дело? Да в том, что эти цифры соответствуют действительности, но не для улучшения акустики помещений вообще, а для звукоизоляции от «ударного шума. Даже увеличив толщину слоя до 50 мм (что очень дорого), вы вряд ли добьетесь звукового комфорта.
Герметизация — еще один способ улучшить защиту жилища от шума. Ведь звук попадает в помещение не только через окна, двери, стены и потолок, но и через любую щель. Специалисты утверждают, что звукоизолирующая способность даже очень массивной стены резко ухудшается, если в ней имеется хотя бы одно отверстие диаметром с толстый гвоздь. Трещины в элементах конструкции, отверстия для коммуникаций и пр. — пути для звуковой волны, которые необходимо перекрывать специальными акустическими герметиками (они не твердеют, не дают усадки и не трескаются).
Однако картина распространения «воздушного» шума будет неполной, если не обратить внимание еще на одно свойство звуковых волн. Встречаясь с любым телом, звуковые волны, вызывают вынужденные его колебания. Если частота собственных свободных колебаний тела совпадает с частотой звуковой волны, наблюдается акустический резонанс — амплитуда вынужденных колебаний при этом достигает максимального значения. Так, если установить один камертон с резонаторным ящиком (полой деревянной коробкой) напротив другого и возбудить колебания одного камертона, то через некоторое время начинает звучать и второй камертон.
В быту с этим явлением встречался практически каждый, слушая, как «поют и воют» проложенные от подвала до чердака водопроводные трубы, резонируя, усиливая и разнося шум по всем жилым помещениям многоквартирного дома.
В строительной акустике резонатором может стать любой элемент конструкции. Для уменьшения этого эффекта перегородку делят на две части с разной массой, чтобы они не резонировали на одной частоте. Если оболочки стены будут сделаны из разных материалов, шум также будет глушиться в различных диапазонах частот. Защитный эффект можно улучшить и путем укладки между оболочками звукопоглощающих материалов (рис. 2).
Однако все это справедливо для однородных перегородок. В действительности те же кирпичные перегородки такими не являются, поскольку вертикальные швы кладки нередко плохо заполнены раствором. Поэтому реальные значения звукоизоляции существенно ниже значений, рассчитанных для данного веса перегородки (на 10 дБ и более). Чтобы это компенсировать, стену штукатурят или же изолируют специальными материалами (например, полимерным «свинцом»), которые позволяют добиться лучших показателей звукозащиты (рис. 3).
«Ударный» шум
Разберемся и с этим видом неприятных звуков. Если на пол упал молоток, то механические колебания, возникшие в перекрытии, распространяются по всему зданию с очень большой скоростью, вызывая вибрацию и других частей конструкции, с которыми имеется жесткий контакт. В данном случае любой из этих элементов можно сравнить с мембраной громкоговорителя или ветвями камертона. Этот процесс будет сопровождаться периодическими сжатиями и разрежениями воздуха, а значит, вызовет звуковую волну, которая начнет распространяться в воздухе во все стороны. Другими словами, элементы конструкции, которым передадутся механические колебания, станут источником «воздушного» шума.
Как же бороться с «ударным» шумом? Ответ на этот вопрос напрашивается сам собой. Нужно блокировать вибрацию. Прежде всего следует снизить энергию от удара путем использования материалов с ударной вязкостью, например, ковровое покрытие на эластичной подложке или так называемый ТЗИЛ — линолеум на теплозвукоизолирующей подоснове из эластичных пенопластов или синтетического волокна.
Однако устройство такого демпфирующего слоя не решает всех проблем, поскольку даже простое хождение по полу вызовет колебания не только в перекрытии по всему строению, но и в других, жестко соприкасающихся с ним элементах конструкции — стенах, перегородках и пр.
.jpg)
Вывод очевиден — контакт между изолируемыми элементами конструкции должен быть обязательно «мягким» {рис. 4). Для этого даже отверстия под крепеж делают увеличенного диаметра, а под стальные шайбы подкладывают еще и толстые упругие (например, резиновые или неопреновые) прокладки. Под перегородки закладывают полосы из войлока или других современных эластомерных звукоамортизирующих материалов
Еще один способ поставить заслон распространению механических колебаний по элементам конструкции — так называемые «плавающие» полы, представляющие собой изолированную от основной конструкции стяжку на эластичном материале.
Устройство «плавающего» пола — мероприятие довольно сложное и дорогое, однако благодаря современным технологиям все чаще применяется на практике. Существуют и другие более простые способы предотвращения распространения механических колебаний. Например, комбинированные плиты для сухого основания пола, уже снабженные слоем изоляции от «ударных» шумов. Они состоят из двух склеенных между собой гипсовых плит и имеют по периметру ступенчатый фальц. Между плитами — слой твердого пеноматериала толщиной 2...3 см. Такие элементы пригодны для любого покрытия пола.
Однако следует помнить, что воздушные звуковые волны беспрепятственно проникают через не уплотненные стыки, щели, зазоры между ограждением и трубами коммуникаций. Для устранения этих путей проникновения шума существуют так называемые краевые изоляционные полосы.
Говоря об «ударном» шуме, обратим внимание читателей на еще один широко распространенный среди застройщиков стереотип. Многие полагают, что эффективной защитой от «ударного» шума является «балластная насыпка». Речь здесь идет о том. что для улучшения звукоизоляции перекрытия часто рекомендуют между деревянными балками по черному полу засыпать песок, шлак или керамзит. Посмотрим, что дает эта мера. Очевидно, что засыпка способна увеличить массу перекрытия, а значит повысить степень его защиты от «воздушных» шумов. Но уж никак не от «ударных». Ведь доски от пола, как правило, прибиты непосредственно к несущим балкам (лагам). А значит и любое механическое колебание, возникшее в настиле, тут же передается в несущие элементы, а через них в обшивку потолка, стены и т.д. и т.п. А они, в свою очередь, станут «камертоном», то есть источником звуковой волны. Таким образом эффект от засыпки с точки зрения «ударных» шумов — практически нулевой. Если, конечно, не предпринять мер, о которых мы уже говорили. То есть нужно помимо прочего обеспечить «развязку» элементов конструкции, чтобы пресечь распространение механических колебаний по всему строению.
Заметим, что специалисты выделяют еще один вид шума — «структурный», который возникает при контакте строительных конструкций с различным вибрирующим оборудованием. Однако поскольку меры по борьбе с этим видом шума во многом схожи с действиями, предпринимаемыми в целях защиты от «ударного» шума, этот вопрос отдельно мы рассматривать не будем.
Безусловно, мы коснулись только общих понятий строительной акустики. Однако это уже позволяет нам сделать некоторые обобщенные выводы, чтобы подойти к решению задач по звукоизоляции жилища и выбору материалов для этого, а также к разработке конструктивных схем устройства элементов ограждения с пониманием дела.
Попробуем подвести некоторые итоги нашим рассуждениям.
- Чтобы предотвратить распространение звука, требуются защитные меры как от «воздушного», так и от «ударного» шумов.
- Существуют три основных способа ослабления «воздушного» шума:
—путем повышения массивности элементов ограждения;
—применением звукопоглощающих материалов;
—герметизацией всех возможных путей проникновения воздушных звуковых волн. - Чтобы уменьшить эффект резонансной частоты, целесообразно разделять ограждающую конструкцию на слои с различной массой и плотностью. В качестве прослойки должны использоваться воздухопроницаемые, как правило, волокнистые материалы, обладающие высокой рассеивающей способностью.
- Главная задача, которую необходимо решить в целях борьбы с «ударным» шумом — предотвратить распространение звуковой волны по элементам конструкции, то есть блокировать вибрацию. Это достигается двумя основными способами:
—применением амортизирующих материалов;
—путем разрыва «звуковых мостиков» между элементами конструкции.
.jpg)
