14. Акустическая диагностика и рецептура

Сколько б лекарств ни лежало в вашей акустической аптечке, все они будут бесполезны, а некоторые, пожалуй, и вредны, если вы не знаете, когда и какое из них нужно прописать. Быть может, наибольшим несчастьем, которое может вызвать ошибочный акустический диагноз, будут только проклятия директора-распорядителя, узнавшего о десятках тысяч фунтов, затраченных впустую. Но «недоучка хуже невежды», и если вы сейчас, захлопнув эту книгу, броситесь очертя голову решать ваши собственные запутанные акустические проблемы, то будьте осторожнее!

Эту главу можно было бы заполнить грустными историями об инженерах, не знающих разницы между поглощением и изоляцией звука или между изоляцией звука и теплоизоляцией. Путаницу не уменьшают и увлекающиеся создатели теплоизолирующих покрытий, которые часто называют свою продукцию «тепло- и звукоизоляционным материалом», тогда как они подразумевают под этим «теплоизоляционный и звукопоглощающий материал».

Акустическая диагностика требует много большего, чем умение отличать изоляцию от поглощения. В наше время большая часть акустических мероприятий проводится лишь в результате запоздалых соображений, и часто, когда инженер-акустик выходит на сцену, ему говорят: «Вот проблема устранения шума — что вы нам посоветуете?» Позвольте обратиться к моей собственной книге записей «историй болезни».

На одной фабрике шел монтаж пяти больших установок для сушки желатина. Каждая установка состояла из широкой трубы, вдоль которой перемещались гранулы желатина. На определенных интервалах в трубу подавался при помощи большого центробежного вентилятора постоянный поток горячего воздуха, который продувался кверху сквозь желатин. Отработанный воздух удалялся затем в вертикальном направлении в шести местах, но, поскольку он нес с собой частицы желатина, его приходилось пропускать через сепарационную систему. Эта система состояла из циклона — устройства, в котором поток воздуха закручивался, проходя через спиральную камеру, и попадал в конусообразный сосуд, где центробежная сила отбрасывала гранулы желатина на корпус сосуда, после чего они падали на дно, откуда клапан с электроприводом возвращал желатин в сушилку.

К моменту обследования в эксплуатации находились только две сушилки с их двенадцатью циклонами. В соответствии с гигиеническими требованиями поверхность стен была твердой, а значит, и хорошо отражающей звук; кроме того, был установлен подвесной потолок, также хорошо отражающий звук. Наибольший уровень шума был обнаружен на площадке между двумя сушилками, там он достигал 104 дБА; на других площадках, где шла постоянная работа, уровень шума составлял 97—98 дБА. Октавный анализ шума показал весьма равномерную частотную характеристику, как это видно из рис. 57, так что уровень шума существенно превосходил любой критерий риска повреждения слуха, соответствующий восьмичасовой непрерывной работе. Персонал располагал ушными протекторами.

Рис. 57. Результат октавного анализа шума двух сушильных аппаратов.

Шум воспринимался как высокий широкополосный свист и никак не был локализован по направлению, поскольку всюду реверберационный звук преобладал над прямым. При помощи акселерометра были измерены вибрации на различных поверхностях, и вскоре стало ясно, что исходное возмущение вызывалось твердыми, как камешки, гранулами желатина, ударяющимися о корпус циклонов. Вибрации циклонов характеризовались тем же спектром, что и шум, и, согласно измерениям, значительно превосходили вибрации в любом другом месте на фабрике. Даже если принять во внимание малую поверхность циклонов по сравнению с корпусами сушилок, было ясна, что циклоны излучают гораздо больше шума, чем сушилки, к которым они были жестко присоединены. Возможность камертонного эффекта не означала, что исходное возмущение не было также местом наибольшего излучения. Шум от вентиляторов, всасывавших наружный воздух через входные трубы, был несуществен.

Ввиду строгих санитарно-гигиенических требований (все поверхности регулярно промывались горячей водой из шланга) было бы трудно придумать какой-либо способ покрыть звукоотражающие поверхности звукопоглощающим материалом, который, выполняя свое назначение, не сделался бы рассадником бактерий — уже не говоря о стоимости подобного мероприятия. С чисто акустической точки зрения снижение реверберации было бы весьма эффективно, поскольку коэффициент поглощения стен был настолько низок, что увеличить его во много раз не представило бы трудности. Но в этих условиях единственным выходом было предупреждение излучения шума от циклонов, поскольку для устранения исходного возмущения пришлось бы построить новые циклоны с упругими стенками. Не оказалось бы эффективным и создание затухания в циклонах, потому что, хотя стенки циклонов, выполненные из нержавеющей стали, обладают малым внутренним трением, они приводятся в колебания ударами жестких гранул и повышение затухания ослабило бы звук всего на несколько децибел. Поэтому наилучшее лекарство здесь — применение звукоизолирующего микропористого покрытия или покрытия из минеральной шерсти, которое даст небольшое поглощение, с дополнительным наложением сверху воздухонепроницаемой обшивки из любого материала с поверхностной плотностью не менее 3 кг/м². При надежной заделке микропористого слоя или минеральной шерсти никаких нарушений санитарно-гигиенических правил не возникало, и в конце концов была применена фирменная листовая обшивка из поливинилхлорида на микропористой подложке, закрепление которой не представило затруднений.

С проблемой несколько другого характера пришлось столкнуться в конторе, окна которой выходили в световой колодец в центре здания. В ресторане — его кухня также выходила в этот колодец — имелась установка для кондиционирования воздуха с пятью конденсаторными агрегатами, расположенными на дне колодца. Конденсаторы имели цилиндрическую форму, и каждый из них был снабжен малым компрессором и теплообменником, а также осевым вентилятором диаметром 600 мм, который и являлся главным источником шума. На рис. 58 показаны результаты октавного спектрального анализа шума в конторе при открытых окнах. Следует обратить внимание на острый пик на частоте 63 Гц, из-за которого шум напоминал звук, издаваемый самолетом с поршневым мотором, что вовсе не характерно для данного вида шумового источника. При выключенных конденсаторах шум был значительно слабее.

Рис. 58. Результат октавного анализа шума в служебном помещении.

Световой колодец имел в длину около 12 м и в ширину — 2,5 м, а стенки его были образованы сильно отражающими звук стенами и окнами здания. Как и во всех относительно малых помещениях, в колодце существовал набор собственных колебаний, подобных тем, о которых мы говорили в гл. 9. На беду высота звука вращения вентиляторов — 75 Гц — лежала вблизи резонансной частоты одного из продольных собственных колебаний колодца. Это имело два последствия: во-первых, возникала стоячая волна, значительно усиливающая амплитуду колебания на частоте 75 Гц в местах пучностей (см. рис. 7). Во-вторых, ввиду неточного совпадения частоты стоячей волны с частотой тона, издаваемого вентилятором, при его включении между этими двумя тонами возникали медленные биения, поскольку разность фаз между тонами медленно менялась, и оба колебания происходили то синфазно, то противофазно. Это обстоятельство еще более усиливало мешающее действие звука.

Оборудовать конденсаторы поглощающими глушителями — дело не легкое. Нетрудно было установить сверху цилиндрический облицованный глушитель с центральным поглощающим телом; так как, однако, воздух всасывается по всему периметру у основания каждого агрегата, для снижения шума потребовался бы сложный глушитель, изготовленный по специальному проекту.

Хотя наличие стоячей волны придавало проблеме особую остроту, оно же и спасало положение, потому что можно было сразу получить большой выигрыш, подавляя эту волну. Для этой цели поперек светового колодца был установлен экран трехметровой высоты, Изготовленный из листа мягкой стали нормального калибра 20[29], облицованного с обеих сторон слоем минеральной шерсти толщиной 50 мм; облицовка прижималась перфорированным металлическим листом. Экран располагали так, чтобы он разделял колодец по длине на два участка, размеры которых не находились в простом арифметическом отношении.

Этим способом добились тройного эффекта. Во-первых, все собственные частоты обеих секций светового колодца поднялись до значений, много больших частоты шума вращения вентиляторов; во-вторых, наличие поглощающих стенок экрана ограничивало возможные амплитуды стоячих волн до пренебрежимой величины; в-третьих, окно конторы оказалось заслоненным экраном от конденсаторов, так что до окна доходил только шум, дифрагированный на верхней кромке экрана. Удалось рассчитать и эту долю шума, учитывая наличие других отражающих стенок.

В результате шум конденсаторов в октавной полосе 63 Гц был снижен до значения, меньшего уровня шумового фона (показанного на рис. 58 штриховой линией), более чем на 16 дБ. Вряд ли такого результата удалось бы добиться путем установки глушителей на входных и выходных трубах конденсаторов, поскольку поглощающие глушители особенно плохо работают на низких частотах.

Разумеется, в сельской местности жители весьма чувствительны к шуму, и их жалобы на шум фабрики, пожалуй, никогда не прекратишь, пока не уберешь саму фабрику; это обусловлено тем, что весьма часто жалоба на шум только отражает другую, основную, причину недовольства: сам факт нежелательного соседства с предприятием. Недавно, впрочем, пришлось иметь дело со случаем, когда причина для жалоб была вполне реальна. На участке, предназначенном для легкого промышленного строительства, был построен химический завод.

К сожалению, планирующие власти сочли возможным дать разрешение на постройку бунгало на участке земли, который, как оказалось, лежал непосредственно за оградой этого завода.

Неудачливый владелец бунгало круглосуточно подвергался воздействию самых разнообразных промышленных шумов. Для начала упомянем два больших поршневых компрессора, создававших верных 88 дБ снаружи дома; этот шум частично лежал на основной частоте компрессоров, вне области восприятия звука (он вызывал, однако, вибрации стекол в окнах и даже крыши), но много шума приходилось и на октавные полосы 31,5 и 63 Гц. Далее, домовладелец получал 58 дБ на частоте 1 кГц от какого-то вентилятора, обслуживавшего помещение компрессора, да еще столько же на частоте 4 кГц от длинных участков газопровода высокого давления, снабженного несколькими шаровыми клапанами.

Возникала и другая проблема: шум на территории завода и вблизи него попадал в диапазон уровней возможного повреждения слуха. Хотя источники шума не находились в замкнутом пространстве, тем не менее возникало достаточно отражений, образующих полуреверберационное звуковое поле, так что определить источники высокочастотного шума по слуху было невозможно. В этом случае снова измерение вибраций различных поверхностей, выполненное сначала на слух при помощи одного варианта стетоскопа, известного под названием тектаскоп, затем — при помощи акселерометра и шумомера, позволило установить, что шум исходит из участка трубы между выхлопным клапаном и выхлопной трубой. Выхлопная труба была снабжена стандартным для подобных установок реактивно-поглощающим высокочастотным глушителем, состоящим из конической камеры, заполненной кольцами из нержавеющей стали.

Звукоизолирующее покрытие на клапанах и трубах снизило шум на 19 дБ при частоте 4 кГц, но, поскольку трубопровод был жестко связан с конструктивными элементами здания, чистый тон, генерируемый поперечными колебаниями газа в трубе, попадал в эти элементы и излучался такими поверхностями, как рифленые листы перекрытий. Сами опорные кронштейны также давали значительное излучение. Можно было принять меры акустического характера: установить поглощающий глушитель ниже клапана, что позволило бы обойтись почти без изолирующей обшивки и решило бы проблему излучения конструкции. Однако инженеры не пожелали пойти таким путем, и пришлось применить упругие кронштейны по всей длине трубы.

Шум компрессора сводился целиком к шуму всасывания. Пульсации потока воздуха в большом низкооборотном компрессоре содержали гармоники, лежащие внутри диапазона слышимости. Из экономических соображений компания решила не приобретать типового фирменного глушителя; располагая собственными гибочными и сварочными агрегатами, она спроектировала и построила специальный реактивный глушитель, состоящий из большого цилиндра, разделенного на два резонатора, имеющих вид расширительных камер; кольцевое пространство между ними образовывало ответвленный резонатор, сообщающийся с центральной перфорированной трубой, участки которой, лишенные перфораций, простирались до половины расширительной камеры с каждой стороны.

В результате этих мероприятий шум в месте расположения бунгало был снижен до неслышимого уровня. После этого сравнительно простая задача борьбы с шумом осевого вентилятора компрессорного помещения свелась к установке круглого поглощающего глушителя, облицованного 50-миллиметровым слоем минеральной шерсти и снабженного центральным поглощающим телом. Сопротивление потоку воздуха, создаваемое глушителями, лишь незначительно уменьшило объем подаваемого воздуха.

Во всех описанных случаях ошибочный диагноз привел бы к большим финансовым убыткам. Ошибкой было бы снабжать циклоны звукопоглощающим, а не звукоизолирующим покрытием либо начать проводить обширную акустическую обработку сушилок или. других участков установок, даже не установив, что за шум ответственны именно циклоны. В случае со световым колодцем незнание эффектов стоячих волн привело бы к весьма трудным и дорогостоящим попыткам подавать воздух в конденсаторы через воздухопроводы с глушителями, а также заглушать выходную трубу — хорошо, если бы все это хотя бы на 10 дБ снизило шум. На химическом заводе хозяева были уже готовы приспособить второй глушитель у основания выхлопной трубы, хотя источник неприятности находился много выше по течению. Чтобы снизить шум компрессоров, часто пытаются применить поглотители звука, однако при таких низких частотах они практически бесполезны, если только нет возможности построить пластинчатый глушитель больших размеров. Поскольку на входе таких компрессоров почтя отсутствует шум на средних и низких частотах, установка подобного пластинчатого глушителя была бы большой и непроизводительной затратой.

Кустарные попытки снижения шума на заводах часто приводят к лишним хлопотам. Владелец одного крупного автомобильного завода пытался справиться с шумным пылесосом в литейном цехе при помощи трехстороннего акустического экрана, который обошелся ему в 4000 фунтов стерлингов. Будь экран на метр выше, он дал бы небольшой эффект в одном направлении, но это повышение сделано не было, а так как экран был изготовлен просто из обычных перегородок, устанавливаемых в конторских помещениях, и поглощающие материалы не применили, то в итоге положение только несколько ухудшилось, так как стенки, расположенные вокруг механизма, отражали звук.

Аналогичная ситуация, но в значительно уменьшенном масштабе встретилась мне в приквартирном гараже под жилым помещением, где шум создавался небольшим электрическим насосом. В жилое помещение шум проникал как по воздуху, так и по стенам. Пытаясь улучшить положение, вокруг насоса соорудили дощатый ящик, выложенный фибровым картоном, но стенки ящика соприкасались с насосом, что улучшало условия излучения звука: уровень шума в октаве 125 Гц поднялся на 2 дБ. Под машиной поместили резиновую подстилку; разумеется, тонкий слой резины не обладал достаточной податливостью, но мало того — трубопровод насоса по-прежнему жестко соединял насос с полом и стенами!

Иногда вы можете досыта надавать рекомендаций, и все безуспешно, потому что монтажники понятия не имеют о мерах борьбы с шумом, не знакомы с самими устройствами и не понимают их действия. Некий подрядчик по вентиляционным системам установил одну из них в небольшой конторе, расположив оборудование в незанятом помещении над потолком, конторы, изготовленным из стеклянных панелей. В этом случае не только следовало применить пластинчатые глушители в воздуховодах, но и было совершенно необходимо добиться полной механической изоляции вентилятора от структурных элементов постройки. То, что какие-то акустические мероприятия необходимы, сообразили уже после окончания работы; пришлось разработать новый проект монтажа опорной плиты вентилятора и мотора. К сожалению, мастера, выполнявшие переделки, хотя и установили антивибрационные крепления, оставили на месте болты, крепившие опорную плиту к балкам перекрытия!

А вот еще один пример крушения надежд, также связанный с монтажем вентиляционной установки. По различным причинам оказалось необходимым нанести на некотором участке воздухопровода, изготовленного из листового металла, звукопоглощающую облицовку в виде 50-миллиметрового слоя микропористого материала на специальной подложке. К сожалению, установщики-монтажники обладали чрезмерной долей здравого смысла и пришли к похвальному заключению, что протекание воздуха улучшится, если установить акустическую облицовку подложкой внутрь воздуховода, вместо того чтобы приклеивать подложку к металлу. Какому-то несчастному пришлось потом ползать вдоль воздуховода, отдирая поглощающий слой от стенок собственными ногтями.

Однажды я с тяжелым сердцем посетил один завод, главный инженер которого сообщил мне, что он консультировался с многими специалистами по акустике, но все их предложения были бесполезны. Оказалось, что шум создавался множеством различных источников и что стены помещения хорошо отражали звук; поэтому все консультанты рекомендовали вместо топорных кожухов для каждого из сложных шумящих механизмов установить звукопоглощающие покрытия на потолке и в дополнение к этому мероприятию (или в замену его) установить звукопоглощающие панели на стропильных фермах под крышей. Увы, главный инженер решил сделать пробный шаг и обработал только один потолочный пролет, а потом удивлялся, почему нет никакого эффекта. Ясно, что жалкое увеличение поглощения, создаваемое малым обработанным участком поверхности, даже не приближалось к удвоению суммарного поглощения энергии, которое требуется для понижения уровня реверберационного звука на 3 дБ.

Я уже упоминал в этой книге о применении перфорированных экранов — этот случай, к сожалению, действительно имел место. Людям нравится идея малых отверстий, отсасывающих звук, и я видел механизмы, снабженные только перфорированной панелью, иногда еще для полноты картины оклеенной с обратной стороны звукопоглощающей прослойкой. Ни то, ни другое, конечно, не приводило к заметным результатам, но расходов эти мероприятия требовали; это снова подтверждает необходимость еще большей популяризации акустической науки.

[29] Нормальный калибр 20 соответствует толщине листа 0,9 мм. — Прим. ред.