13. Обесшумливание и изоляция звука

Увы, иногда никакая информация, вроде той, что мы почерпнули из предыдущей главы, не сможет помочь. Когда сталкиваешься с проблемой шума, которую ставит уже существующий механизм, бесполезно приниматься объяснять, как следовало проектировать его с самого начала. Истина проста: с механизмом уже ничего не сделаешь, но нельзя ли что-нибудь сделать с шумом?

Обратимся к типичному случаю, в котором отчетливо проявляется большинство возникающих практических проблем, — к шуму дизель-генератора. Такие установки используются в качестве резервных агрегатов в самых неожиданных местах — там, где нельзя мириться с возможными капризами Национальной системы электроснабжения. Например, их часто устанавливают в больницах, и там их шум особенно нежелателен. Представим себе, что нам необходимо установить один из таких агрегатов и нет возможности его переконструировать.

Прежде чем предпринимать какие-либо другие меры, необходимо спроектировать антивибрационный фундамент. Это значит, что двигатель и генератор нужно установить на общей вспомогательной раме так, чтобы они не могли смещаться один относительно другого в результате действующих между ними моментов. Затем следует установить раму на шести или восьми упругих амортизаторах, выполненных в виде пружин, либо резиновых прокладок или элементов с резиновыми прокладками, работающими на сдвиг. Эти амортизаторы должны обладать податливостью в вертикальном и горизонтальном направлениях, достаточной для подавления самых низких вынуждающих частот, причем некоторые из шести типов колебаний генератора могут оказаться связанными.

Недостаточно, однако, просто посадить генератор на амортизаторы и успокоиться на этом. Необходимо также, чтобы все связи, ведущие как к двигателю, так и к генератору, были гибкими. Сюда относятся трубопроводы горючего, кабелепроводы, а также воздуховоды.

Если противовибрационные амортизаторы применены не были, последующие мероприятия по снижению шума окажутся в значительной степени обесцененными, поскольку, помимо генератора, и грунт, и само здание также будут излучать звук даже на значительном расстоянии от генератора (вспомните камертонный эффект); поэтому, в какое бы совершенное звуконепроницаемое ограждение мы ни заключили механизм, все равно достаточно сильный источник шума окажется вне ограждения.

Разумеется, суть проблемы в том, чтобы закрыть пути звуку. Простейший способ воспрепятствовать звуку проникнуть из точки А в точку Б — загородить ему дорогу. Если источник излучает во все стороны, его придется запереть в ящик. В гл. 9 мы говорили об изоляции звука и видели, что для этого в первую очередь требуется масса. Если мы можем выстроить кирпичное или бетонное ограждение — отлично! Как видно из Приложения 2, звукоизоляция таких стен будет очень хорошей. Однако с практической точки зрения это не всегда выгодно. Масса может оказаться чрезмерной, а кроме того, иногда желательно иметь разборное устройство. В этих случаях представляются две возможности: пожертвовать частью желаемого снижения шума или построить однослойную стенку из более легкого материала. Если речь идет только о массе, то, взяв лист мягкой стали нормального калибра 16[27] или доску из прессованной стружки толщиной 25 мм, мы получим дешевый и доступный материал. Однако в стали собственное затухание мало, поскольку это жесткий материал с малым внутренним трением и поэтому в стальных листах возможны резонансные явления. А мы знаем, что резонансы «пробивают бреши» в законе масс. Поэтому необходимы какие-то дополнительные элементы, поглощающие звук.

Сначала, однако, рассмотрим другую проблему. Как мы помним из гл. 10, если возвести вокруг источника звука ограждение, результирующее число децибел нельзя найти, просто вычитая из исходного уровня в децибелах величину звукоизоляции стенок. Следует еще прибавить десятикратный логарифм поверхности перегородок, обращенных в интересующую нас сторону, и вычесть десятикратный логарифм среднего коэффициента поглощения поверхностей внутри помещения. Это обусловлено тем, что звуковая волна, идущая от источника к стенке помещения, частично проходит наружу, а частично отражается обратно. Отраженная волна вновь попадает на стенку, снова частично проходит наружу и отражается еще раз. Другими словами, часть волны, которой не удается проникнуть через ограждение сразу, отражается и опять повторяет свою попытку. Поэтому, если стены хорошо отражают звук изнутри, наружу пройдет больше звука, чем в случае, когда стены поглощающие.

Это означает, что стенки ограждения следует покрыть изнутри звукопоглощающим материалом. Если этого не сделано и если, например, средний коэффициент поглощения равен всего 0,05, то прибавить следует 10 lg 0,05 = −13дБ. Действие ограждения окажется сниженным на 13 дБ. Представим себе, что ограждение покрыто изнутри слоем минеральной шерсти толщиной 50 мм; учитывая, что сама поверхность дизель-генератора отражающая, примем — конечно, с известной долей произвола — средний коэффициент отражения при 500 Гц равным 0,6. Тогда потеря изолирующего действия ограждения составит всего 10 lg 0,6 = −2 дБ, что на 11 дБ лучше, чем в предыдущем случае. (Заметим, что подобные расчеты следует производить по крайней мере для каждой из 6—8 октавных полос.)

Возникает еще практический вопрос: как закреплять покрытия из минеральной шерсти на стенках? Здесь пригоден любой способ — металлические сетки, перфорированные металлические листы, как и для закрепления акустической плитки. Для ограждения из листового металла использование минеральной шерсти дает добавочный значительный выигрыш в результате ее демпфирующего действия. Для деревянных ограждений это не так необходимо, потому что дерево обладает немалым затуханием и само по себе.

Если каменное ограждение построить нельзя, а однослойная перегородка из стального листа калибра 16 не дает необходимой изоляции, можно, как было указано в гл. 9, применить принцип двойной перегородки. Это, в частности, можно сделать, построив снаружи первого ограждения такое же второе на расстоянии примерно 150 мм и установив оба ограждения на лентах из податливой микропористой резины (это мероприятие желательно провести и для однослойного ограждения).

В более сложных системах применяют конструкции типа «сандвич» из более легких перегородок, зажатых между слоями минеральной шерсти. Можно, разумеется, применять и различные другие поглотители звука, например неопреновые или полиуретановые пенопласты, которые, однако, требуют специальной противопожарной обработки; тем не менее они оказываются более экономичными и не нуждаются в специальных закреплениях. Но не всякий старый пенопласт пригоден для этой цели: поры должны быть сообщающимися, а сопротивление продуванию должно быть достаточно большим.

Размеры ограждения влияют на его эффективность в двух отношениях. Во-первых, излучение в данном направлении будет тем больше, чем больше размеры соответствующей стенки. Кроме того, поскольку существенно среднее значение коэффициента поглощения внутри ограждения, а некоторые механизмы обладают большими жесткими, хорошо отражающими звук поверхностями, то для того же механизма и той же акустической облицовки ограждения средний коэффициент поглощения для большого ограждения будет выше, чем для малого. Поэтому нередко оказывается целесообразным сделать ограждение побольше, в частности, еще и потому, что тогда можно будет установить дверь для прохода внутрь при ремонте и уходе за механизмами и обойтись без съемных панелей.

Типичный пример, когда подавление резонанса воздушного объема позволяет снизить общий шум, — это дымоход котельной, в котором к случайному шуму может добавиться компонента чистого тона, так как случайные исходные возмущения, создаваемые сгоранием горючего в воздухе, ведут себя подобно завихрениям, которые создает музыкант, дующий в блок-флейту (см. гл. 3), причем дымовая труба ведет себя как корпус флейты Избежать такого резонанса трудно — это вопрос тщательного выбора размеров. Все котельные установки различны, и поэтому универсальных рекомендаций не существует, но если резонансы дымовой трубы дают существенный вклад в суммарный шум, то иногда единственный выход — установить глушитель типа, который будет описан в следующей главе.

Другой важный пример — это вентилятор, присоединенный к приемному или выходному трубопроводу. Главное требование здесь — отличие резонансов трубопровода от частот прохождения лопастей вентилятора и их гармоник. Аналогичные неприятности могут встретиться в пылесосах и электромоторах.

Снижение амплитуды резонансов может предупредить нежелательное и иногда существенное усиление шума, но зачастую еще более важно снизить эффективность излучения. Вспомним, что каждую точку излучающей поверхности можно рассматривать как отдельный самостоятельный точечный источник звука. Отсюда вытекают два следствия. Во-первых, на краях поверхности можно ожидать деструктивной интерференции (см. рис. 31); во-вторых, вдвое большая поверхность, колеблющаяся с той же амплитудой, что и меньшая, будет излучать вдвое большую энергию, то есть создаст уровень шума на 3 дБ выше. Ударив по камертону и держа его в руке, мы получим едва слышный звук, что обусловлено как интерференцией звуков, создаваемых его двумя ножками, так и малой поверхностью ножек. Прижав рукоятку камертона к столу, мы обнаружим возрастание уровня звука. Это объясняется тем, что колебательная энергия передается доске стола, которая сама начинает колебаться; вследствие ее больших размеров интерференция мала, а площадь излучающей поверхности велика. При инженерных расчетах обычно можно пренебречь поглощением энергии в столе; тогда оказывается, что, поставив камертон на доску площадью 0,01 м², мы получим уровень звука на 3 дБ ниже, чем для доски площадью 0,02 м².

Поэтому, например, для электрического мотора, установленного на перекрытии прямо на болтах, к площади источника звука следует прибавить и поверхность пола, и, даже если не вмешаются еще и резонансные явления, шум мотора будет излучаться весьма эффективно из-за больших размеров излучающей поверхности. Простое средство — установка мотора на упругом фундаменте — обеспечит значительное снижение шума. Вспоминая, что в некоторых строительных материалах, например в бетоне, звук распространяется на большие расстояния с малыми потерями, легко понять, что, не принимая мер по изоляции механизма от опоры, мы рискуем распространить эффективный «источник звука» до самых удаленных точек здания.

Вопрос эффективности излучения весьма важен и при меньших масштабах установок. Недавно мне пришлось встретиться с сильными вибрациями трубы на частоте 3 кГц. Труба была обшита и сама по себе излучала немного звука, но кронштейны, на которых труба была закреплена и которые находились снаружи обшивки, вынуждали всю конструкцию издавать громкую ноту этой же частоты.

Для того чтобы заглушить шум пишущей машинки, часто применяют войлочную подкладку, но, как ни странно, мало кто догадывается принять те же меры по отношению к другим механизмам. Служащие нередко подвергаются совершенно ненужному шуму от адресных машин просто потому, что те жестко установлены на больших поверхностях. Дело обстоит гораздо серьезнее, когда 200-тонный пресс жестко прикреплен болтами непосредственно к плите настила — в этом случае страдать будут и жители соседнего дома. Насосы передают шум в трубы, а трубы крепятся к стенам; даже моторы на упругом фундаменте могут передавать шум по жестким кабелепроводам. Когда я купил себе автомашину, электрический промыватель ветрового стекла отвратительно шумел просто потому, что был прикреплен непосредственно к стенке корпуса. Упругое крепление сразу сделало работу механизма неслышной.

Пожалуй, во всех случаях, прежде чем принимать какие-либо меры по обесшумливанию, следует попытаться виброизолировать источник исходного возмущения от всех других предметов. Это особенно важно, когда дело касается крупных механизмов, к которым прикреплены насосы и моторы, а также элементы, работающие со стуком. Обычно в таких ситуациях возникают и резонансы, и, разумеется, изоляция источника возмущений намного снизит требования к поглощению звука.

Что же такое собственно виброизоляция? Недостаточно просто подложить попавшийся под руку старый кусок резины или пробки под механизм: это может либо ничего не дать, либо даже ухудшить положение.

Большинство виброизоляторов рассчитано на низкочастотные колебания, лежащие даже ниже слышимого диапазона. К сожалению, более глубокое рассмотрение этого вопроса выходит за пределы нашей книги. Для получения виброизоляции мы снова попытаемся осуществить рассогласование импедансов, а это означает, что фундамент должен быть как можно более податливым: чем ниже его жесткость, тем выше изоляция. Фундамент, однако, должен быть достаточно массивным, чтобы выдержать вес самого механизма. В качестве амортизаторов фундамента можно применять цилиндрические пружины или листовые рессоры; можно также использовать другие упругие материалы, например резину или даже воздух. Однако пружина с прикрепленной к ней массой образует резонансную систему с некоторой определенной резонансной частотой, и если сила, приложенная к массе, меняется с той же частотой, то, разумеется, получится усиление колебаний, для борьбы с которым придется вводить поглощение. Но даже если поглощение настолько велико, что система, предоставленная самой себе после сжатия пружины, возвращается к своему исходному состоянию без колебаний, никакой изоляции вибраций не получится и амортизатор лишь не ухудшит положения.

Рис. 52. Типичный резиновый амортизатор для фундамента (в разрезе).

Вообще нельзя получить выигрыша, пока вынуждающая частота не превзойдет резонансную частоту нагруженного амортизатора более чем в  раз, а заметное подавление вибраций начинается, только когда отношение этих частот превысит 2. Теоретически изоляция вибраций продолжает возрастать по мере увеличения этого отношения, однако в действительности это верно только при выполнении ряда предположений, в том числе предположения об идеальной жесткости опоры фундамента. На практике нельзя рассчитывать на изоляцию, превышающую 20 дБ, а если опора или настил слишком податливы, то и это недостижимо, особенно на резонансных частотах самого настила. При изоляции вибраций звуковой частоты нельзя ограничиваться пружинами в качестве амортизаторов, потому что высокочастотный звук прекрасно распространяется по металлу вдоль витков пружины. Во многих случаях нежелательны только низкочастотные вибрации, и тогда это обстоятельство несущественно; однако, если приходится бороться и со звуковыми частотами, амортизаторы должны содержать резиновые прокладки, или, где возможно, следует пользоваться резиновыми амортизаторами.

Еще и еще нужно повторить, что плотная резина, если она подвергается деформации сжатия, бесполезна в качестве амортизатора, за исключением случаев, когда поперечные размеры резинового блока или полоски малы по сравнению с их толщиной. В большинстве резиновых амортизаторов резина испытывает сдвиговые деформации, для которых это материал гораздо более податлив (на рис. 52 изображена типичная конструкция такого амортизатора).

Собственная частота колебаний груза на амортизаторе связана с прогибом амортизатора под лежащей на нем нагрузкой. На рис. 53 дан график, связывающий эти величины. Однако для выбора нужного типа изолятора при данных вынуждающих частотах требуется специальный расчет, поскольку агрегат, установленный на амортизаторах, может одновременно колебаться шестью различными способами с шестью разными частотами.

Особое внимание следует уделять конструкции дверей и панелей ограждения; щель в 2 мм по периметру двери для обслуживающего персонала, пробитой в стене площадью 4 м², может снизить звукоизоляцию стены на 15 дБ (см. рис. 43). Сами двери должны иметь звукоизоляцию, отличающуюся не более чем на 5—10 дБ от изоляции стены, и должны быть снабжены воздухонепроницаемым уплотнением. Для этого можно применить микропористую резину или полоску из фосфористой бронзы; дверь должна также иметь нажимной затвор. Для окон, при не слишком большой их площади, можно ограничиться одной рамой со стеклом толщиной 6 мм; если добавляется вторая рама, то следует обе рамы закреплять упруго.

Рис. 53. Зависимость между собственной частотой фундамента и его статическим прогибом под нагрузкой.

Поскольку проектируемое нами ограждение предназначено для дизель-генератора, возникают дополнительные проблемы, в частности вопросы охлаждения, которые могут оказаться очень серьезными. Если радиатор дизеля размещен при установке, то окажется необходимым впускать и выпускать из ограждения несколько тысяч кубических метров воздуха в час. Каким же образом пропускать воздух внутрь и наружу, в то же время не выпуская наружу шум?

Прежде всего придется прорезать в стене входное и выходное отверстия. Это откроет дорогу воздуху, но также и звуку. Как обычно, отверстия можно рассматривать как самостоятельные источники звука. Эти источники будут создавать полусферические волны. В области более высоких частот скажутся интерференционные эффекты, вследствие которых излучение высокочастотного звука будет направлено в основном вперед от отверстия.

Рис. 54. Плоские волны в воздуховоде с поглощающей облицовкой.

Что здесь можно предпринять? Каким образом заглушить шум, бегущий в газовом потоке вдоль трубы или воздуховода? Если воздуховод полностью перекрывает отверстие, звук будет распространяться внутри него двумя путями: часть волн, вошедших в воздуховод, побежит, отражаясь последовательно то от одной, то от другой стенки. Другие волны побегут прямо вдоль воздуховода как плоские волны, не ударяясь о стенки. Если стенки воздуховода плохо отражают звук, то есть поглощают его, то волны первого типа далеко не «убегут». Как далеко пробегут эти волны, зависит от угла, под которым они падают на стенки, ширины воздуховода и коэффициента поглощения облицовки стенок. Для обычного типа звукопоглощающей облицовки амплитуда волн, падающих под углом, превышающим 30°, снизится до уровня плоских волн уже на расстоянии примерно четырех поперечников воздуховода (рис. 54). Что касается плоских волн, то причина их поглощения не так проста. При распространении плоской волны вдоль облицованного воздуховода она частично (вблизи стенок) бежит в звукопоглощающем материале. При колебаниях частиц воздуха вперед и назад вязкое сопротивление в порах материала приведет к диссипации части энергии звуковой волны. Однако в соответствии с принципом Гюйгенса (образование вторичных волн) энергия, поглощенная вблизи стенок, возмещается за счет энергии основной части волны, распространяющейся в середине воздуховода, аналогично тому как дифракция приводит к проникновению звука в теневую область позади экрана В результате энергия основной части волны все время поступает к краям, где она поглощается, и по мере распространения в воздуховоде волна затухает. Кроме того, скорость звука в звукопоглощающей облицовке значительно меньше скорости звука в воздухе; она составляет около 200 м/с (а в воздухе — 344 м/с). Это различие оказывает то же действие, что и градиент температуры,— круто «изгибает» волну у краев, где часть фронта волны, бегущая внутри поглощающего материала, отстает от фронта основной части волны. Это изгибание фронта волны приводит к тому, что энергия волны устремляется внутрь облицовки Поскольку облицовка не полностью поглощает звук, волна частично отразится обратно в воздуховод, но эта отраженная волна скоро затухнет.

На ослабление плоской волны оказывают влияние четыре фактора: ширина воздуховода, толщина облицовки, сопротивление продуванию в облицовке и частота звука. Особенно существен последний фактор Если длина звуковой волны велика по сравнению с толщиной облицовки, затухание на краях волнового фронта сравнительно мало; при понижении частоты затухание уменьшается. Впрочем, длина волны еще более существенна по другой причине На высоких частотах интерференция приводит к взаимному уничтожению волн, бегущих в облицовке; в результате звуковое давление внутри облицовки резко падает и звуковая энергия переносится в виде пучка, занимающего среднюю часть сечения воздуховода, без какого-либо влияния поглощающих стенок Частота, на которой начинается это явление, связана с шириной сечения воздуховода.

В целом оказывается, что затухание в облицованном воздуховоде пропорционально толщине облицовки и обратно пропорционально ширине сечения за вычетом толщины облицовки. Что касается сопротивления продуванию облицовки, то здесь можно руководствоваться величиной коэффициента поглощения: наибольший коэффициент поглощения соответствует и наибольшему сопротивлению Затухание в облицованном воздуховоде растет с частотой до тех пор, пока звук не образует пучка, распространяющегося вдоль средней линии воздуховода, независимо от стенок. Это происходит при частоте, когда длина волны в воздухе примерно равна ширине воздуховода.

Немало формул измышлялось для того, чтобы определять эффективность облицовки в воздуховоде путем расчета. Некоторые из них дают недопустимую погрешность, другие невозможно применить на практике. Наилучший путь — составление таблиц, основанных на реальных испытаниях; подобная таблица приведена в Приложении 5. Простая облицовка всех четырех стенок воздуховода прямоугольного сечения еще не предел возможного Весьма эффективна конструкция, в которой звук проходит по узким каналам между поглощающими стенками, — пластинчатый глушитель с звукопоглощающими перегородками, разделяющими воздуховод вдоль его длины (рис 55). Такие перегородки часто применяют в патентованных глушителях, используемых в вентиляционных системах.

Почти всегда решающий фактор — это необходимость пропустить требуемый объем воздуха по воздуховоду при минимальном сопротивлении его протеканию. Если бы не это требование, можно было бы добиться огромного ослабления, круто изгибая воздуховод, так чтобы плоская волна ударялась об облицовку, рассеивалась и быстро поглощалась.

Рис. 55. Воздуховод с пластинчатым глушителем.

Итак, мы справились с проблемой подачи и вывода охлаждающего воздуха внутрь ограждения нашего дизеля. А что нужно предпринять для гашения звука всасывания и выхлопа огражденного двигателя внутреннего сгорания? Мы привыкли к виду заржавевшей выхлопной трубы нашего автомобиля; зачастую мы видим и внутренность глушителя, когда из него вываливается последний клочок ржавого металла, возвещая о том, что погиб еще один глушитель! Вскрыв глушитель автомашины, мы увидим всего лишь какую-то оболочку с несколькими торчащими из нее трубками. Как же работает глушитель?

Разумеется, для глушения можно использовать короткий круглый воздуховод, облицованный поглощающим материалом (проточный глушитель). Однако основная часть энергии шума выхлопа (как и шума всасывания) сосредоточена на низких частотах, в частности на частоте следования вспышек в двигателе, а если, как обычно, процессы сгорания различаются от цилиндра к цилиндру и от такта к такту, то это может привести к субгармоникам еще меньших частот.

Как известно, глушители с поглощением работают плохо именно на низких частотах; к счастью, желаемое ослабление низкочастотных звуков удается получить при помощи совершенно другого метода — правда, ценой некоторого дополнительного противодавле ния в трубе. Работа этого другого типа глушителя в отличие от поглощающего глушителя основана на реактивном принципе. Основной вид реактивного глушителя — это просто расширительная камера[28], не содержащая ничего, кроме воздуха. И здесь снова мы встречаемся с рассогласованием импедансов. Вместо того чтобы приводить электрические аналоги, лучше объяснить происходящие в этом глушителе процессы путем сравнения его с антивибрационными амортизаторами, о которых мы уже вкратце говорили.

Рис. 56. Глушители выхлопа.

Расширительная камера соединена выхлопным трубопроводом с источником звука и выхлопным патрубком — с атмосферой. Если источником звука служит выхлоп двигателя, он будет посылать в расширительную камеру периодические импульсы давления, которые можно рассматривать как набор синусоидальных волн, в котором наибольшая доля энергии сосредоточена на основной частоте. Эти импульсы напоминают возбуждающую силу, действующую на механизм, установленный на пружинном амортизаторе (см. стр. 246). Расширительная камера — это ограниченный объем воздуха, и, как всякий объемный резонатор, она имеет свою резонансную частоту. Если эта резонансная частота совпадает с основной частотой источника шума, возникает тот же эффект, как для механизма, установленного на пружине и образующего с ней систему с той же собственной частотой, что и частота колебаний механизма, а именно большое усиление колебаний. Собственной частотой обладает и выхлопной патрубок; его роль аналогична роли податливого перекрытия под амортизатором, на котором стоит двигатель. В результате получится некоторая общая основная частота собственных колебаний камеры вместе с патрубком. При совпадении этой частоты с частотой возбуждения колебания значительно усилятся и глушитель сможет ослаблять звук только в результате потерь на трение при колебаниях газа.

Возвращаясь к механизму, установленному на амортизаторах, мы вспоминаем, что при увеличении числа оборотов усиление уменьшается и заменяется ослаблением — изоляцией вибраций. В точности тоже происходит и с резонатором. При возрастании частоты источника звука усиление прекращается при достижении частоты, в  раз большей, чем собственная частота резонатора. По мере дальнейшего увеличения отношения частот колебания воздуха проходят наружу все в меньшей степени; ослабление упадет на резонансной частоте второй гармоники. Затем кривая ослабления снова поднимается вверх и снова круто падает вниз на каждой из высших гармоник основной резонансной частоты.

При конструировании резонансного глушителя следует учитывать три важнейших обстоятельства. Во-первых, упругость «пружины». Чем больше поперечное сечение расширительной камеры, тем мягче воздушная пружина и тем большей изоляции звука можно достигнуть. Во-вторых, собственная частота камеры, зависящая в основном от ее длины. И наконец, собственная частота выхлопного патрубка, которая определяется его длиной. Есть, однако, еще два обстоятельства, которые могут исказить наши предсказания, но учесть которые чрезвычайно трудно — это импеданс источника и импеданс нагрузки на выходе.

Обратимся сначала к импедансу источника. Когда мы имеем дело с механизмом, установленным на пружинном амортизаторе, то при изменении упругости амортизатора сила, действующая на механизм, существенно не меняется. Другими словами, импеданс источника в этом случае велик. Точно так же глушитель не повлияет существенно на импульсы, излучаемые двигателем при выхлопе, если противодавление остается малым. Импеданс на входе расширительной камеры мал, так как ее поперечник велик; импеданс на входе выхлопного патрубка велик, так как его поперечник мал; наконец, импеданс наружной свободной атмосферы на выходе патрубка мал (напомним, что его малой величиной обусловлено возникновение стоячих волн в трубе, см. гл. 3). Все эти нарушения согласования между импедансами и приводят к ослаблению волны, проходящей через глушитель. Поэтому же, изменив импеданс источника или нагрузки на выходе, мы изменим и эффективность глушителя. В качестве примера источника звука, обладающего малым импедансом, можно привести громкоговоритель. Следовательно, если проводить испытания реактивного глушителя, пользуясь громкоговорителем как источником изолируемого шума, можно будет прийти к излишне пессимистическим заключениям. Аналогично, изменяя что-либо в выхлопном патрубке, например присоединяя его еще к одному глушителю, можно понизить эффективность первого глушителя, потому что изменится импеданс нагрузки. Подобные соображения показывают, почему в механических системах при закреплении пружин амортизатора на массивном основании получается лучшая виброизоляция, чем при закреплении на легком или податливом основании.

Разумеется, принцип реактивного глушения не исчерпывается устройством единственной прямоточной полости. Полость может содержать боковое ответвление, подобное резонансному поглотителю (см. гл. 8). В этом случае получается картина, обратная той, что наблюдается при действии прямоточной камеры: на резонансной частоте достигается не наименьшее, а наибольшее ослабление, а энергия при этом поглощается сильнее всего в результате интенсивных колебаний среды в горлышке резонатора.

На практике выхлопные глушители изготовляют в виде многокамерных систем, снабженных боковыми ответвлениями, работающими как резонаторы. Чтобы сделать «воздушную пружину» мягче, можно выдвинуть соединительные трубки внутрь камеры — это увеличит создаваемое ею затухание. Установка двух камер одна за другой не обязательно удваивает ослабление звука, однако при правильном соединении камер можно получить даже более чем двойной эффект. Большая часть реактивных глушителей, появлявшихся на рынке сбыта, была разработана эмпирически много лет назад, и до сих пор их исследования проводятся методом проб и ошибок. Можно надеяться, что теперь для расчета глушителей будут широко применять вычислительные машины, что позволит разработать действительно эффективные модели.

Недостатком этих глушителей следует считать провалы их эффективности на некоторых частотах. На высоких частотах гармоники резонансов следуют одна за другой, и в этой области эффективность глушителей может оказаться недостаточной. Во многих глушителях предусматривают дополнительную ступень поглощения для борьбы с высокочастотным звуком; имея дело с двигателем, следовало бы сначала устанавливать реактивный глушитель, а затем ниже по течению — прямоточный глушитель с поглощением. Один из изготовителей рекомендует для получения наилучших результатов выбирать длину выхлопного патрубка равной его десятикратному диаметру.

Активные и реактивные глушители применяют не только для глушения выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Оба типа оказываются весьма полезными для глушения шума выходного окна пневматического перфоратора, но, к сожалению, как бы хорошо ни был спроектирован глушитель, он несколько снижает эффективность работы механизма. Шум удается уменьшить всего на 5—7 дБ, чему не следует удивляться, так как выхлоп отработанного воздуха — лишь один из источников звука. Параллельное использование задемпфированных стальных деталей улучшило бы ситуацию, так же как демпфирование и изоляция корпуса механизма. Обычно в перфораторах для дорожных работ применяют глушители-чехлы, служащие одновременно двум целям. Такой глушитель состоит из непроницаемого съемного рукава, или мешка, закрывающего выходное окно и пришнурованного к корпусу перфоратора своей нижней частью, где расположен диск с прорезями, через которые отработанный воздух выходит наружу. Весь мешок изнутри покрыт поглощающей облицовкой и образует вместе с корпусом перфоратора частично облицованный воздуховод. Кроме того, закрывая наружную поверхность перфоратора, мешок несколько снижает излучение шума корпусом перфоратора. Однако, что бы мы ни делали с перфоратором, нельзя избежать непосредственного контакта стального инструмента с дорогой, а в результате камертонного эффекта поверхность дороги сама становится излучателем шума.

Теперь мы можем вернуться к дизель-генератору и приспособить аналогичное устройство к выхлопной системе. При этом необходимо следить за тем, чтобы все соединения были гибкими. Комбинацию фильтра с глушителем, работающую на том же принципе, можно применить и для воздухоприемника. Следует иметь также в виду, что реактивные глушители излучают звук своими корпусами, и, если придется располагать глушитель вне акустического ограждения, все наши мероприятия будут сведены на нет. Лучшее решение в этом случае — закопать глушитель на возможно большую глубину в землю. В противном случае не обойтись без обшивки глушителя каким-либо покрытием.

Есть два способа нанесения покрытия, и очень важно выбрать из них наиболее подходящий. Если корпус изолируемого механизма резонирует, что можно выяснить, сравнивая его отклик на возбуждение разными частотами со спектром шума в условиях эксплуатации (иногда достаточно просто прислушаться к звуку удара по корпусу тупым инструментом), то следует применить демпфирующее покрытие. Резонанс можно сильно снизить, покрыв корпус достаточно толстым слоем поглощающего состава типа патентованных обмазок на основе смол. Однако для многих объектов, например для глушителей, в которых вибрации корпуса вызываются процессами, происходящими внутри корпуса, добавочное затухание едва снизит амплитуду на какой-нибудь один децибел. Если дело не в резонансах, то простое удвоение массы корпуса уменьшит шум децибел на 5, что не так уж много. В этом случае лучше всего вспомнить принципы, изложенные в гл. 9, и закрыть механизм непроницаемой оболочкой с поверхностной плотностью примерно 5 кг/м², лежащей на упругой подложке, например слое минеральной шерсти, которая кстати подавит и возможные резонансы. Наружная оболочка не должна нигде соприкасаться с колеблющейся поверхностью, а в качестве материала оболочки можно взять что угодно — от металлического листа до затвердевающих составов или каких-либо тяжелых гибких пластмассовых листов фабричного изготовления. Несколько отклоняясь в сторону, отметим, что подобная проблема часто возникает при образовании мощной турбулентности позади клапана газопровода при протекании газа через отверстие клапана со скоростью, превышающей скорость звука (число Маха M > 1). Если на мало-мальски длинном участке газопровода возникает мощное развитие завихрений, создается значительное излучение резкого высокочастотного случайного шума Оказалось, что с таким весьма высокочастотным шумом можно бороться, обшивая трубу толстым слоем плотного пористого волокнистого материала, например плотного стекловолокна, даже без наружной обшивки. Это как бы противоречит традициям акустики, но ряд недавних работ показал эффективность этого метода. Институт прикладной физики в Дельфте ведет по шуму труб исследовательские работы, от которых можно ожидать интересных результатов. Однако обшивка трубы не единственное необходимое мероприятие в подобных случаях, потому что зачастую вибрации проникают обходным путем через опоры, на которых лежит труба, и звук будет излучаться стенкой, поддерживающей конструкции. Это снова старая история о камертоне, стоящем на поверхности стола; ясно, что для труб необходимо применять гибкие опоры.

Теперь нанесем последние штрихи в наше описание схемы звукоизоляции дизель-генератора. Во-первых, нельзя допускать в стенках ограждения ни зазоров, ни трещин. Во-вторых, ограждение не должно иметь жесткого контакта ни с какой колеблющейся частью установки, в том числе и с системой выхлопа, опора которой должна стоять на земле, а сама она должна упруго соединяться с двигателем. Сам же агрегат, дизель-генератор, не должен иметь жесткий контакт с землей. В месте, где выхлопная труба проходит через ограждение, следует сделать отверстие большого диаметра и для его герметизации использовать гибкое прокладочное асбестовое кольцо. Для других труб, которые не раскаляются во время работы, можно применить резиновое или фетровое уплотняющее кольцо. Небольшое добавочное ослабление получится, если выхлопной патрубок и жалюзи охлаждающей системы не будут обращены в направлении, в котором желательно снизить уровень шума, потому что эти источники звука обладают направленностью на средних и высоких частотах

К сожалению, эксплуатация множества механизмов не позволяет заключить их внутрь ограждения. Например, может оказаться, что к механизму необходим настолько частый доступ, что даже дверь с электроприводом не спасает положения. Таковы, в частности, малые прессы и клепальные машины, в которые оператор должен непрерывно подавать детали. В этом случае все же приносит пользу ограждение, имеющее отверстие вместо двери. Уровень интенсивности звука, излучаемого отверстием, пропорционален логарифму его площади; кроме того, опять-таки в силу несогласованности импедансов, если длина волны велика по сравнению с отверстием, имеет место отражение, подобное тому, какое происходит, когда плоская волна подходит к открытому концу трубы Низкочастотный звук лишь с трудом излучается через относительно малое отверстие. Более того, вышедший звук не имеет направленности, следовательно, из отверстия не выходит интенсивного звукового пучка, как это имеет место для звука, длина волны которого мала по сравнению с размерами отверстия.

Если необходимо проделать в ограждении небольшое отверстие, например, чтобы пропустить к механизму ленту конвейера, можно решить проблему звукоизоляции, поместив конвейер в туннель со стенками, покрытыми звукопоглощающим материалом; такой туннель будет действовать как облицованный воздуховод или прямоточный глушитель. Иногда все ограждение можно выполнить в виде облицованного изнутри туннеля, хотя, если его размеры велики, значительный шум будет излучаться с концов.

Нельзя забывать и о том, что механизмы обычно размещаются внутри зданий, а мы уже рассматривали вопрос о роли реверберации в помещениях. Зачастую в цехе звукопоглощение невелико, так что уже на расстоянии порядка двух метров от источника звука реверберационный звук больше, чем прямой. Это особенно важно в тех случаях, когда ограждения и экраны устанавливаются не со всех сторон, потому что улучшение получается только в непосредственной близости к механизму, там, где до установки экрана прямой звук преобладал, Если в помещении только один главный источник звука, то установка экрана наиболее эффективна при расположении экрана в непосредственной близости к источнику звука; часть энергии поглотится в системе механизм — экран и не распространится дальше. Это особенно существенно для направленных источников звука и экранов, расположенных с соответствующей стороны. Но вспомните вездесущий логарифм: если источник ненаправленный, а экран охватывает угол в 180°, то даже при коэффициенте поглощения экрана, равном 1,0, то есть при полном поглощении падающего на экран звука, звуковая энергия, поступающая в помещение, в целом снизится всего на 3 дБ, что едва заметно. В действительности дело обстоит еще хуже, так как коэффициент поглощения экрана обычно ниже 1,0, и для ненаправленного источника звука энергия уменьшится только на величину, равную десятикратному логарифму доли окружности, охваченной экраном, умноженной на коэффициент поглощения экрана:

где Θ — угол (в радианах) сегмента, загороженного экраном, а α — коэффициент поглощения звука экраном при нормальном падении звука. Например, экран, охватывающий половину окружности и имеющий коэффициент поглощения, равный 0,7, снизит реверберационный шум только на 2 дБ. Можно уточнить расчет, приняв во внимание направленность источника, если она существует, что немного улучшит результат, но разница будет невелика.

Экранирование помогает направить звук, но следует помнить, что звук дифрагирует, обходя экран, и что этот эффект увеличивается с понижением частоты (см. рис. 34). Экран, поверхность которого обращена к источнику, сильно поглощает звук, что несколько снизит дифракцию, но было бы неразумно рассчитывать на больший эффект экранирования, чем на 5—6 дБ при частотах выше 500 Гц; ниже же этой частоты мало на что можно рассчитывать. Эффект экранирования сильно зависит от расположения источника и приемника (поскольку от этого зависит угол погружения в акустическую тень), а также от эффективной высоты экрана. Звук, выходящий из-за края экрана, как бы создается длинной линией источников, а звук с обеих сторон экрана приведет к появлению интерференционной картины (как на рис. 35), в которой даже при случайном шуме эффект экранирования окажется зависящим от направления.

Верный способ снизить реверберационный звук — увеличить средний коэффициент поглощения открытых поверхностей в помещении. Чрезвычайно существенно уяснить себе то обстоятельство, что в большинстве случаев, пока мы не удвоим полное поглощение, разницу в реверберации нельзя будет заметить. Укладка акустических плиток на внутренней поверхности крыши цеха дает обычно не более 5—6 дБ, причем операторы, находящиеся часто в области, где преобладает прямой звук от механизмов, не заметят никакого улучшения. Некоторые приемы, конечно, позволяют улучшить положение, например укладка звукопоглощающих панелей в пространстве между стропильными фермами крыши. Существуют также специальные поглотители — большие тела с поглощающей поверхностью; если подвесить к потолку достаточное число таких поглотителей, иногда можно преодолеть трудности, связанные с наличием в цехе лабиринтов труб, и обойтись без облицовки отражающих поверхностей акустическими плитками. Как правило, следует располагать возможно большее количество поглощающих материалов вблизи источников звука.

Однако снижение реверберации путем увеличения поглощения — это наиболее дорогой способ, а эффект невелик. Целесообразнее с самого начала приобрести более тихий механизм или даже, посоветовавшись со специалистом, внести изменения в его конструкцию, так чтобы уменьшить излучение шума. Повсеместное применение антивибрационных фундаментов уничтожает камертонный эффект и зачастую больше снижает шум, чем акустический потолок, особенно на низких частотах. Следует помнить, что на высоких звуковых частотах простые пружины — плохие изоляторы. Если внести изменения в сам механизм не представляется возможным, то хорошо спроектированные акустические ограждения в большинстве случаев дают вполне достаточное ослабление шума, даже если в них приходится проделывать отверстия. Нередко проектирование ограждений и экранов, сочетающих требуемые акустические, эргономические и экономические параметры, требует большого искусства, но, к счастью, есть достаточно весьма опытных специалистов, изготавливающих соответствующее оборудование.

Разумеется, бывает, что в самом месте создания шума никто не жалуется, тогда как соседи поднимают по этому поводу громкий крик. Шум завода мешает жителям округи; обладатели систем высококачественного воспроизведения звука доводят соседей до исступления. Что касается заводов, то, очевидно, любые мероприятия по снижению шума внутри цехов приведут и к снижению наружного шума. Однако иногда можно не беспокоиться об уровне шума внутри, но необходимо улучшить звукоизоляцию шумного помещения. Это, безусловно, относится к комнатам любителей громкой музыки. Нельзя ничего добиться, просто налепляя акустические плитки на стенку, отделяющую нашу комнату от комнаты соседа. Мы видели в гл. 9, что это не увеличит изоляцию стены. Вероятно, комната нашего любителя музыки имеет достаточное поглощение, снабжена ковром, занавесями и мягкой мебелью. Акустические плитки на стене, разделяющей комнаты, не могут более чем удвоить поглощение, а это даст только 3 дБ для реверберирующего звука. Облицевав все четыре стены и потолок акустическими плитками, можно выжать еще несколько децибел, и тогда проникать будет преимущественно прямой звук, а никакое поглощение внутри комнаты не может повлиять на прохождение прямого звука.

Во всех случаях, когда реверберация в шумном помещении не слишком велика (средний коэффициент поглощения не ниже 0,1), поглощение не решит проблему уменьшения передачи звука между помещениями, разве что можно удовлетвориться — редкий случай!— горсточкой децибел. Задача оказывается трудной; даже если любитель музыки удвоит массу перегородки, отделяющей его от соседнего помещения, то больше 5 дБ он не выиграет. Придется ему строить двойную перегородку со вторым слоем на упругой опоре. На первой перегородке ему нужно будет установить мягкие резиновые изоляторы (в возможно меньшем числе) и повесить на них второй непроницаемый слой с поверхностной плотностью примерно 10 кг/м², так чтобы этот слой нигде не имел жесткого контакта с основной стеной. Зазор между поверхностями должен быть не меньше 50 мм, его следует заполнить звукопоглощающим покрытием, например из минеральной шерсти, что предотвратит резонансы замкнутого воздушного объема. Края второго слоя необходимо уплотнить на стенах и на потолке при помощи мастики — здесь также не должно быть жесткого контакта.

И опять же придется огорчить вас, так как и этот метод не даст всего, что требуется, потому что звук, падающий на другие стены, пройдет по твердой конструкции и, достигнув соседней комнаты, снова излучится в нее со стен. Звук может проходить большие расстояния по бетону и в многоквартирном доме может наделать немало бед.

В случае когда ударный звук — звук, передающийся по конструкциям, — становится основной проблемой, пожалуй, единственным решением может быть постройка помещения внутри помещения, как это было описано в гл. 9, причем внутреннее помещение должно укрепляться на виброизолирующих опорах и нигде не соприкасаться с основной конструкцией. Пространство между наружным и внутренним помещениями должно быть снабжено звукопоглощающей облицовкой, а двери в обоих помещениях должны быть звуконепроницаемыми.

Иногда постройка специальных ложных стен и потолка может все же улучшить звукоизоляцию более чем на 10 дБ, даже при учете боковых путей распространения звука. Вариант такого решения — плавающее перекрытие, которое не только улучшает звукоизоляцию конструкции пол — потолок, но и снижает ударный шум Обычно это шум шагов жильцов верхнего этажа, и он может быть главной помехой Здесь помогает мягкое покрытие пола в верхней квартире, но плавающие полы имеют ряд преимуществ, в частности они создают теплоизоляцию, что особенно существенно, если отопительная система расположена под полом.

Плавающий пол представляет собой мат из минеральной шерсти, уложенный на стропилах или на бетонных плитах перекрытия. Поверх такой прокладки располагается дощатый настил либо тонкий слой бетона. Следует иметь в виду несколько моментов: при полах с деревянными стропилами нельзя допускать слишком большого давления на мат, который может спрессоваться в твердую массу; крепежные гвозди не должны проникать из досок плавающего пола в стропила. При использовании бетонных слоев появляются ограничения на предельную площадь пола, при которой еще не возникает опасность трещин в бетоне: при больших площадях необходимо разделить перекрытие на участки. Во всех случаях маты должны быть подвернуты на краях, а при установке плинтуса нужно следить, чтобы он не доходил до пола. Как всегда, лозунгом должно быть: никаких жестких контактов.

Такую конструкцию не часто можно использовать на заводах, где обычно возводят наклонные крыши из волнистых асбестовых плит. Если проникновение шума через крышу существенно, то можно применить воздухонепроницаемый подвесной потолок, устанавливая его как можно ниже. Обычный акустический подвесной потолок оказывается непригодным, если только не сделать его непроницаемым с обратной стороны. Некоторые фибровые акустические плитки непроницаемы, и их применение дает дополнительную выгоду — снижение уровня реверберации. Обыкновенная штукатурка как материал для подвесного потолка улучшает звукоизоляцию, но, разумеется, не влияет на реверберацию. Число подвесных стержней должно быть минимальным, а их закрепление по возможности упругим.

К счастью, заводские крыши обычно не самое слабое место в проблеме звукоизоляции: опасны обычно двери и окна. Казалось бы, глупо все время напоминать: держите двери и окна закрытыми, но часто это облегчает решение проблемы. Впрочем, как только инспектор здравоохранения перестанет жаловаться на шум снаружи, заводской инспектор поднимет шум по поводу вентиляции! Можно установить простую вытяжную систему вентиляции, но отверстия для подачи и отвода воздуха нужно снабдить поглощающими глушителями. Если заводской шум действительно слишком силен и доносится даже через закрытые двери и окна, то окна можно заложить стеклянными блоками, а для дверей подобрать специальную тяжелую конструкцию с воздухонепроницаемыми уплотнениями. Однако, если через двери все время ходят, это может привести к большим осложнениям; частичный выход из положения — заменить двери акустическими экранами, установленными перед дверными проемами. Следует еще учитывать возможность того, что в помещении с запечатанными окнами рабочие начнут страдать клаустрофобией (боязнью закрытых пространств), несмотря на достаточное кондиционирование воздуха. Тогда снова придется подумать о снижении шума в самом источнике.

Если ничто другое не помогает, можно все же заткнуть уши пальцами. Вряд ли при этом работник сохранит ту же производительность труда! Но, счастью, есть способ получить тот же результат, оставляя руки свободными для других дел. Это — ушные протекторы, они имеют большие преимущества и еще большие недостатки. Существует четыре разновидности ушных протекторов: два типа протекторов, вставляемых в ухо, и два — наружных.

Первый тип вставляемого протектора — это тампон или заглушка-пробка из мягкого материала, предназначенная для разового употребления. Следует помнить, что все принципы акустики справедливы, когда дело касается защиты уха; будет мало прока, если заткнуть ухо клочком ваты: вата слишком пориста и обладает слишком малой массой. В крайнем случае может помочь вата, смоченная какой-либо жидкостью, но это явно мало подходящий способ для всеобщего применения. В аптеках продаются шарики из провощенного волокнистого материала, из которых можно сделать заглушку в ухо, но они вызывают неприятное ощущение. Наилучший вид ушной заглушки разового пользования — изделие из так называемого стеклянного пуха. Это стеклянное волокно настолько тонкое в отличие от обычной стеклянной ваты, что оно не оказывает раздражающего действия; оно продается в аптеке, и клочок такой ваты легко скатать в комочек и вставить в ухо.

Другой тип вставляемого ушного протектора — заранее сформованная пластмассовая заглушка-пробка для уха. Такие заглушки изготовляют разных размеров, так как (если исключить некоторые «универсальные» изделия) важно добиться плотного прилегания заглушки. Необходимо также регулярно стерилизовать протектор. Одни типы заглушек неприятны для ношения, другие много лучше, и их можно носить хоть целый день. Остроумное устройство работает как клапан, закрывающий заглушку для звука, как только уровень шума переходит через некоторый предел, так что в условиях флуктуирующего уровня меньше соблазна вынуть заглушки, когда наступает тишина, после чего можно и забыть вставить их обратно,

Наружные ушные протекторы или наушники, в некоторых отношениях предпочтительнее, чем заглушки. Легче следить за тем, что их действительно носят; гигиенический вопрос здесь также стоит менее остро. Иногда они дают и большую защиту: они имеют пластмассовый наружный корпус, снабженный пенопластовой облицовкой и жидким уплотнением, которое легко возобновляется. Однако они имеют и недостатки — нагреваются и вызывают раздражение кожи при попадании под наушник твердых частичек.

Для очень сильных звуков, превышающих 130 дБ, недостаточны и наушники, так как вызываемые звуком вибрации черепа, во-первых, передают звук к внутреннему уху и, во-вторых, неприятны сами по себе. Как-то мне пришлось измерять шум гоночной машины в испытательной камере, когда шум достигал 150 дБ, а у меня были только наружные ушные протекторы. Резонансы костей и полостей лица были в высшей степени неприятны, и даже думать стало трудно (я хочу сказать: еще труднее, чем обычно!). В таких ситуациях необходимо надевать шлем, но даже тогда время нахождения в зоне сильного шума должно быть ограничено.

Часто все-таки очень трудно добиться защиты от шума при помощи ушных протекторов. В некоторой степени это связано с тем, что рабочие нередко предпочитают подвергаться значительному шуму, чем испытывать неудобства или неприятные ощущения от ношения ушных протекторов, а кроме того, не верят тому, что их слуху наносится ущерб, либо недооценивают степень этого ущерба. К сожалению, в некоторых кругах работу в условиях сильного шума считают чуть ли не геройством, и более старые члены таких сообществ даже щеголяют своей тугоухостью. Это ведет к тому, что на ношение ушных протекторов начинают смотреть как на проявление изнеженности. В результате таких физических и физиологических трудностей наниматель не может довольствоваться просто приобретением достаточного количества ушных протекторов и, раздав их, почить на лаврах, полагая, что его долг выполнен. Необходимо введение программы обучения, а еще лучше — организация целой схемы мероприятий по сохранению слуха.

Ношение ушных протекторов может даже улучшить условия звуковой связи, поскольку снижает уровень беспорядочного сигнала, достигающего уха, до уровня, при котором анализирующий механизм мозга способен лучше выделять осмысленные звучания. Однако усиливается опасность, что предупреждающие сигналы, как, например, звуки, издаваемые машиной перед аварией, могут остаться незамеченными, а в результате возможен несчастный случай.

В заключение отметим, что ношение ушных заглушек, или протекторов, решает задачу защиты от шума только тогда, когда защищаемый подвергается шумовому воздействию лишь в течение сравнительно малой доли полного времени работы механизма (в частности, если шуму подвергается вообще небольшое число людей, например эксплуатационный состав при наблюдении за механизированным процессом) либо когда остальные методы снижения шума неприменимы по техническим или экономическим причинам.

[27] Нормальный калибр 16 соответствует толщине листа 1,6 мм.

[28] Расширительная камера — это участок трубы большего сечения, чем основной воздуховод. — Прим. ред.