Урок 4. Акустическая оболочка

В этой статье мы поговорим о создании базовой акустической оболочки в помещениях студии, а также внимательно рассмотрим, как она «работает». Это уже четвёртая статья нашего цикла. Напомню, что в первой статье мы обсуждали вопрос выбора помещения под студию; во второй статье были рассмотрены некоторые теоретические вопросы; в третьей статье обсуждались вопросы перепланировки студийных помещений и звукоизоляции.

Напомню также и то, что в этом цикле статей мы обсуждаем основные вопросы, возникающие при строительстве студий средних размеров, которые в будущем предполагается использовать в коммерческих целях.

Если схематически рассматривать, из чего же состоят все помещения готовой студии, то внутри каждого из них окажется три оболочки (рисунок 1).

1. Звукоизоляционная оболочка

Рисунок 1. Разрез стены студийного помещения. Такая конструкция является наиболее типичной для комнат с «нейтральной» акустикой

Рисунок 1. Разрез стены студийного помещения. Такая конструкция является наиболее типичной для комнат с «нейтральной» акустикой

Устройство звукоизоляционной оболочки мы вкратце рассматривали в прошлой статье. Её задача, как и вытекает из названия, – это дополнительная звукоизоляция наиболее критичных поверхностей студийных помещений. Другими словами, звукоизоляционная оболочка должна гарантировать нам, что звук из студии и в студию может проникать только до определённого уровня, который мы определили как 30-35 dBA. Она же обеспечивает хорошую степень широкополосной звукоизоляции. Во-вторых, она также обеспечивает хорошую степень низкочастотного звукопоглощения.

.

2. Акустическая оболочка

Рисунок 2. Пример, когда в лицевой стороне декоративно-акустической оболочки используется камень. Студия Townhouse-2, Лондон

Рисунок 2. Пример, когда в лицевой стороне декоративно-акустической оболочки используется камень. Студия Townhouse-2, Лондон

Основная задача акустической оболочки – выровнять резонансную характеристику помещения, особенно за счётпоглощения низких и нижних средних частот. Естественно, эта задача выполняется совместно с геометрическим конфигурированием студийных помещений. Кроме этого, акустическая оболочка при взаимодействии со звукоизоляционной привносит свой вклад и в звукоизоляцию помещений. Акустическая оболочка – в отличие от звукоизоляционной – должна практически свести к минимуму отражение звуковых волн обратно в помещение, особенно на резонансных частотах. «Работа» акустической оболочки будет детально расписана в этой статье чуть позже. Сейчас же можно сказать, что основная её задача – «убить» акустику помещения и создать хорошие стартовые условия для того, чтобы мы смогли заняться акустическим дизайном студийных помещений в прямом смысле этого слова. Почему именно «убить»? Рассмотрим чуть позже.

.

3. Декоративно-акустическая оболочка

Рисунок 3. Контрольная комната студии “Noites Longas” в Sexial (Португалия)

Рисунок 3. Контрольная комната студии “Noites Longas” в Sexial (Португалия)

Основная задача декоративно-акустической оболочки – создать в студийных помещениях требуемую акустику. Это может достигаться отделкой камнем (рисунки 2 и 3), установкой акустических отражателей и рассеивателей или просто отделкой тканью (рисунок 3). Здесь могут быть также низкочастотные ловушки (рисунки 4 и 5), поворотные панели для изменения акустических характеристик помещения и т.п. Декоративно-акустическая оболочка определяет также и интерьерный дизайн законченной студии.

Итак…

Функции акустической оболочки

Зачем же нам «убивать» акустику в маленьких помещениях, и какие собственно помещения называть малыми? Чем больше помещение, тем позже в нём отражения от поверхностей возвращаются в исходную точку, а значит – меньше привносят окраски в исходное звучание инструмента или вокала. Более «дальним» отражениям приходится проходить и большее расстояние, а потому при своём возвращении они, как правило, теряют больше энергии, чем те, которые проходят меньшее расстояние (если для сравнения взять одинаковые отражающие поверхности). Более того, если отражения прибывают с задержкой, значительно превышающей 40 миллисекунд, то они, как правило, воспринимаются нами именно как отражения. А вот отражения, приходящие с задержкой менее 40ms, почти наверняка будут восприниматься как тембральная окраска инструмента, а не как собственно отражения. Таким образом, в больших помещениях резонансные моды и отражения слышатся как отдельные феномены, не связанные с непосредственным звучанием инструмента. И если прямой звук инструмента не «утонет» в реверберации помещения из-за её чрезмерной продолжительности или громкости, то его естественный характерный тембр будет отчётливо слышен.

Рисунок 4. Низкочастотные ловушки у задней стены контрольной комнаты студии AFS (г.Винница, Украина)

Рисунок 4. Низкочастотные ловушки у задней стены контрольной комнаты студии AFS (г.Винница, Украина)

Если учесть, что скорость звука составляет 340м/с, то для того, чтобы время возвращения ранних отражений превысило 40ms, надо чтобы расстояние от середины комнаты до ближайшей стены было около 5 метров. Если это расстояние будет меньше, то такие помещения мы и отнесём к категории «акустически малых». Так что «акустически малым» помещением можно назвать помещение с размерами менее чем 10×10×5м. Наши помещения по размерам, скорее всего, будут ещё меньше. Значит, тем большее внимание мы должны уделить поглощению первых ранних прямых отражений, особенно в диапазоне низких частот. Вот это и значит – «убить» акустику помещения.

Но можно ли добиться этого за счёт обычной облицовки стен каким-либо материалом?

Попытки добиться поглощения энергии низкочастотных мод студийных помещений только за счёт облицовки стен и потолка звукопоглощающей плиткой являются явно недостаточными. Плитка будет поглощать разве что высокие частоты, оставляя практически нетронутыми моды на нижних средних и низших частотах. Об облицовке стен пресловутыми яичными лотками и говорить не приходится. В результате мы получим комнату с сильно окрашенной объёмностью, «задавленной» акустикой, в которой будет мало «живости», которая будет сгущать звук, лишая его прозрачности. Если же нам вырезать паразитные частоты эквалайзером, то при этом мы уберём эти же частоты и из прямого звучания музыкальных инструментов или вокала. Вследствие этого расстроится естественная структура обертонов, а звучание музыкального инструмента или вокала лишится присущей ему красоты и тембра.

Сделать маленькую комнату музыкально нейтральной практически невозможно, а поэтому в подавляющем большинстве случаев единственное, что можно придумать в этой ситуации, так это добиться в нашей комнате полного звукопоглощения, а затем обеспечить небольшое количество дискретных отражений.

Рисунок 5. Примерно так выглядят типичные потолочные звукопоглощающие трэпы-ловушки

Рисунок 5. Примерно так выглядят типичные потолочные звукопоглощающие трэпы-ловушки

В предыдущих статьях я уже упоминал о том, что к теме звукоизоляции и звукопоглощения мы ещё будем возвращаться не раз. Вот и сейчас я предлагаю пристальнее взглянуть на понятие коэффициентов звукопоглощения и навсегда избавиться от любых сомнений, связанных со звукопоглощением и звукоизоляцией.

Звукопоглощение означает, что материал позволяет звуку войти в себя и не отразиться назад в помещение. В этом смысле понятие коэффициента звукопоглощения является отношением внутренне поглощённого звука к тому звуку, которому позволено пройти сквозь материал. Поэтому большое открытое окно является отличным звукопоглотителем, поскольку практически не отражает звук обратно в помещение. А вот кирпичная стена, наоборот, является очень плохим звукопоглотителем, поскольку она отражает большую часть звуковой энергии обратно в помещение.

Рассмотрим некоторые примеры.

Минеральная вата средней плотности толщиной около 3 см поглощает около 80% энергии звуковых волн, но только на средних и высоких частотах. При этом 20% звуковой энергии (запомните эту цифру!) отражается обратно в помещение.

Открытое окно поглощает свыше 99% звуковой энергии, которая проходит сквозь него. При этом обратно в помещение отражается меньше 1%. Стена, выложенная в пол-кирпича, позволит войти в себя и пройти насквозь лишь примерно 3% звука, а 97% энергии звуковых волн отразится обратно в помещение. Поэтому с точки зрения звукопоглощения на первом месте у нас открытое окно, затем минеральная вата и кирпичная стена.

Но если рассматривать эти материалы с точки зрения звукоизоляции, ситуация изменится. Открытое окно практически не создаёт звукоизоляции, за исключением разве что тех частот, длина волны которых превышает самый большой размер оконного проёма. Трёхсантиметровый слой минеральной ваты создаст звукоизоляцию около 3 dB, хотя на низких частотах звукоизоляции не будет практически никакой. А вот кирпичная стена создаст более 40 dB звукоизоляции.

Как видим, коэффициент звукопоглощения и звукоизоляционные свойства – далеко не одно и то же. И путать звукопоглощение и звукоизоляцию нельзя.

А теперь вспомним, на чём же мы остановились в постройке нашей «виртуальной» студии? Мы выбрали помещение и осуществили планировку студийных помещений. В наиболее критичных местах на некотором расстоянии от стен здания мы создали параллельные им кирпичные звукоизоляционные простенки, которые нигде не имеют жёсткого контакта с конструкциями здания, а также дополнительные потолки. После этого мы оклеили все внутренние стены и потолки слоем минералваты (пенопласта) толщиной от 4-х до 8-ми сантиметров с помощью клеящей шпатлёвки. После этого пенопласт был облицован слоем (а лучше – двумя) 12-миллиметрового гипсокартона. Такая комбинированная конструкция (масса/пружина/масса) в данном случае является практически идеальной, поскольку позволяет нам решить две задачи. Во-первых, она обеспечивает хорошую степень широкополосной звукоизоляции. Во-вторых, она также обеспечивает весьма приличное низкочастотное звукопоглощение. Другими словами, мы остановились на том, что создали в наших помещениях «плавающие» полы и звукоизоляционные оболочки. Теперь на очереди создание акустической оболочки в каждом помещении.

Работа звукоизоляционной и акустической оболочек должна в чём-то напоминать комбинацию «работы» открытого окна и кирпичной стены. Такая конструкция за счёт внутреннего поглощения достигает такого же эффекта, как и стена с окном за счёт отражения и пропускания звука. Более того, если пространство между внутренней плавающей акустической оболочкой помещения (которая обсуждается в этой статье) и внешней звукоизоляционной оболочкой из пенопласта и гипсокартона обшить ещё и волокнистым материалом высокой плотности, то мы сможем ещё и воспрепятствовать развитию резонансов внутри этой полости. Таким образом, мы сможем совместить хорошее звукопоглощение, хорошую звукоизоляцию и слабое звукоотражение. И всё это – за счёт одной и той же композитной обшивки. А это весьма важно, поскольку в помещениях нашей небольшой студии нет достаточного пространства для монтажа обычных громоздких широкополосных звукопоглощающих систем. Итак…

Как же «работает» акустическая оболочка?

С точки зрения звукоизоляции…

Проникая в первый слой минеральной ваты или войлочного материала (рисунок 1), находящегося сразу за декоративной тканевой обивкой, звук частично им поглощается, а частично проходит до слоя гидроизола (еврорубероида). Здесь и далее, когда будет говориться о минеральной вате, будет подразумеваться минеральная вата Paroc или Rockwoоl (не Isover и не URSA), которая продаётся в магазинах строительных материалов в листах размерами 1000×500×50мм (высокой плотности) и 1000×600×50мм (средней плотности). На средних и высоких частотах гидроизол «работает» на отражение звука, поэтому все высокие частоты, отражённые от него – пусть даже под углом 90° – вынуждены снова пройти через слой минеральной ваты, прежде чем они возвратятся в комнату. Для поглощения частот с длиной волны порядка 16 см – а это примерно 2 kHz – 5-сантиметровый слой волокнистого поглощающего материальной ваты будет весьма эффективным, поскольку частотам с относительно короткой длиной волны пробиться сквозь него достаточно сложно. Попадание же звука под косым углом на поглощающую поверхность обычно приводит к большей потере его энергии, поскольку ему приходится проходить через поглотитель наискось, т.е. получается, что он проходит сквозь большую толщину звукопоглощающего материала.

И если даже допустить, что 10% средних и высоких частот отразятся всё-таки от поверхности нашего помещения после первого контакта с акустической оболочкой, то после второго контакта с ней отразится уже только 10% от первых 10%, т.е. 1%. При третьем отражении, которое в маленькой комнате может произойти всего-то через каких-нибудь 15–20 мсек., остающейся в отражениях энергии будет уже в тысячу раз меньше (10% от 10% от 10%) той, которая была в первоначальном звуке. Таким образом, затухания на 60 dB мы достигаем значительно раньше, чем за 50мсек.

На низких частотах работают уже совсем другие механизмы звукопоглощения. Низкочастотные звуки распространяются во всех направлениях и имеют куда большую проникающую силу, чем высокочастотные. Это объясняется как их намного большей акустической мощностью, так и тем, что длина их волн очень велика по сравнению с толщиной стен. В этом случае первой внутренней обшивкой комнаты должен быть слой материала, который создаёт кинетический барьер, т.е. слой гидроизола плотностью не менее чем 4-5кг/м2. Приобрести такой материал можно в обычных магазинах строительных материалов. Как правило, он продаётся в рулонах шириной 1м и длиной 10м. Слой гидроизола прибивается гвоздями к каркасной конструкции комнаты, а слой минеральной ваты или войлока прибивается уже поверх него так, чтобы он был обращён вовнутрь комнаты (рисунок 1).

Позади этого кинетического барьера образуется воздушная полость глубиной от 5 до 8 см (в зависимости от толщины брусков каркаса), в которой сверху подвешивается занавес-экран из войлока, который вырезан и подогнан так, чтобы заполнить собою полость на всю высоту и ширину её поперечного сечения. В данном случае войлок можно заменить и минеральной ватой средней плотности.

К другой стороне каркасной конструкции крепится т.н. «сэндвич» (рисунок 1), который состоит из двух слоёв 12-миллиметрового гипсокартона и защемлённого между ними слоя гидроизола плотностью от 5-ти до 10-ти кг/м2.

Все эти слои «работают» как мембраны и способны сильно гасить звуковую энергию на низких частотах. Если рассматривать изнутри наше помещение с точки зрения поглощения низких частот, то оно представляет собой что-то вроде большого мягкого «мешка». Когда звуковые волны ударяются о кинетический барьер из гидроизола, происходит примерно то же, когда боксёр наносит удары по тяжёлому мешку с песком: комната как бы впитывает в себя низкочастотный удар, поглощая большую часть его энергии и превращая её в тепловую. Имеется в виду, что внутренняя гидроизольная обшивка стен при толчке звуковой волны уходит назад, а затем подаётся вперёд в результате действия полуциклов сжатия-разрежения звуковых волн. Но вес, площадь и инертность этого слоя гидроизола таковы, что это приводит к значительной потере энергии звуковой волны за счёт вязкостных потерь, и у звуковой волны практически нет шансов «выскользнуть» назад. Обшивка такого рода обладает малой степенью упругости, она более или менее инертна.

Можно привести ещё такое сравнение. Представьте себе колокол, отлитый не из бронзы или стали, а из свинца. Такой колокол вряд ли будет иметь яркое звучание, и причины тому практически те же. При ударе о такой колокол свинец будет «впитывать» удар, деформироваться, и благодаря присущим ему серьёзным внутренним гасящим свойствам он энергию этого удара просто поглотит. Да и большой вес не позволит ему раскачиваться под ударами, а поскольку ни раскачиваться, ни вибрировать он почти не может, то вряд ли сможет излучать сколько-нибудь заметный звук.

То же самое происходит и тогда, когда звук пытается заставить вибрировать гидроизольную обшивку нашей комнаты. Он вынужден расходовать энергию на перемещение тяжёлой гибкой массы, и в результате демпфирующего противодействия обшивки его акустическая энергия преобразуется в тепловую. Какая-то незначительная часть звука, конечно же, отражается обратно в комнату, но вследствие небольших размеров комнаты уже спустя несколько миллисекунд отражённая энергия снова сталкивается – на этот раз с гидроизольным слоем другой поверхности комнаты – и снова несёт потери. Таким образом, звук затухает очень быстро, а на частотах ниже 150Hz он совершенно исчезает менее чем за 100мсек. Если же говорить о самых низких частотах, то с ними проблем не возникает потому, что они вообще не имеют никакой модальной поддержки, т.к. попадают в зону давления (см. 2-ю статью нашего цикла).

Рисунок 6. Принцип демпфирования за счёт вязкого «защемлённого» слоя-прокладки

Рисунок 6. Принцип демпфирования за счёт вязкого «защемлённого» слоя-прокладки

Итак, когда наш внутренний «мешок»-оболочка начинает «играть» с нарастанием и падением давления, он может излучать какую-то незначительную часть энергии и вовне. Однако, благодаря особенностям конструкции акустической оболочки, в проёмах между вертикальными стойками-брусьями между внешней и внутренней обшивкой образуются воздушные полости, которые обеспечивают нашему «мешку» дополнительную амортизацию. Воздух в них противодействует изменениям давления, поскольку своей упругостью он всё время стремится восстановить форму внутреннего «мешка». Кроме этого он передаёт усилие на внешний композитный слой («сэндвич»), состоящий из гипсокартона и гидроизола. А этот слой отличается тем, что обеспечивает большие потери и сильное гашение (демпфирование) акустической энергии. И вот почему.

Трение внутренних частиц в гипсокартоне преобразует акустическую энергию в тепловую, а кроме этого звук ещё должен выполнять и дополнительную работу по перемещению столь большой массы этого слоя. Гидроизол, плотно защемлённый в «сэндвиче» между двумя листами гипсокартона, выполняет функции т.н. «защемлённого слоя». Работа защемлённого слоя схематически представлена на рисунке 6. Из него видно, что защемлённый слой из вязкого энергорассеивающего материала стремится распределить поперечное усилие по всей своей поверхности. Это поперечное усилие оказывает огромное сопротивление на изгиб, благодаря чему обеспечивается высокий уровень демпфирования и большие акустические потери.

Конечно, кто-то может сказать, что из-за крепления всех слоёв к общей каркасной конструкции звук может передаваться от внутреннего слоя внешним слоям. Но на практике проблем с этим обычно не возникает из-за того, что внутренняя поверхность – «кинетический барьер» из гидроизола (рисунок 1) – является достаточно мягкой, и отсутствие в ней жёсткости не способствует формированию эффективной акустической связи со стойками конструкции. А вот масса её очень эффективно амортизирует движение стоек-брусков каркаса. Каркас из брусков напрямую воспринимает лишь незначительную часть общей энергии звуковой волны. Ведь при ширине стоек в 5 см и периодичностью расположения в 60 см каркасная конструкция займёт лишь 8% всей площади акустической оболочки. А коль разговор идёт сейчас о поглощении звука на низких частотах, то низкочастотные волны – т.е. волны большой длины – вообще «не замечают» этих стоек и обходят их без всяких проблем.

Если же кому-то эти доводы покажутся неубедительными, то выжать «чистых 100%» возможностей из акустической оболочки можно при использовании более сложной конфигурации, изображённой схематически на рисунке 7. При такой конфигурации оболочки связаны перемычками только сверху и снизу. Правда, в этом случае количество стоек-брусков увеличится вдвое, а сама акустическая оболочка увеличится дополнительно в глубину на 3-5 см.

Рисунок 7. Система с продублированными смещёнными стойками. Слои материалов обшивки с каждой стороны каркасной конструкции крепятся к независимым друг от друга группам стоек (А и В), связанным только верхними и нижними пластинами-перемычками. При такой комбинации пространства требуется больше только на 5см, в отличие от обычной каркасной конструкции. Кроме того, такая система обеспечивает большую изоляцию

Рисунок 7. Система с продублированными смещёнными стойками. Слои материалов обшивки с каждой стороны каркасной конструкции крепятся к независимым друг от друга группам стоек (А и В), связанным только верхними и нижними пластинами-перемычками. При такой комбинации пространства требуется больше только на 5см, в отличие от обычной каркасной конструкции. Кроме того, такая система обеспечивает большую изоляцию

При изготовлении каркаса акустической оболочки используется деревянный брус, имеющий в сечении размеры от 4×4 см до 5×10 см. В каждом отдельном случае проектировщик Вашей студии решает, какого сечения брус будет наиболее подходящим. Выбор сечения при этом зависит от высоты каркаса, размеров помещения, породы дерева и той нагрузки, которую будет нести акустическая оболочка. Наиболее предпочтительным является брус из сосны. Ещё до начала изготовления каркаса деревянный брус должен быть хорошо просушен в естественных условиях (впрочем, это касается и остальных деревянных конструкций студии). Использование непросушенного дерева в будущем может привести к тому, что готовые деревянные конструкции по мере высыхания начнёт выкручивать, снизится герметичность, а сами конструкции ещё не один год будут потрескивать, причём в самое неподходящее время. Естественно, перед изготовлением каркаса акустической оболочки брус должен быть обработан на столярном станке, быть гладким и ровным.

Не единожды мне предлагали заменить деревянный брус железными направляющими, которые используются при монтаже гипсокартонных конструкций. Я думаю, что на это не стоит идти по следующим причинам: во-первых, такие направляющие не имеют такого «пружинного эффекта», как деревянный брус; во-вторых, они не смогут так демпфировать колебания панелей («сэндвича»), вследствие чего могут свести на нет некоторые преимущества, полученные от разделения поверхностей акустической оболочки; в-третьих, это не технологично, так как с внутренней стороны акустической оболочки будет крепиться декоративно-акустическая оболочка, а обеспечить её крепление к железным направляющим будет непросто.

Но вернёмся к работе нашей акустической оболочки. За вычетом тех 8% площади, которую занимает деревянная конструкция каркаса, окажется, что большая часть связей между внутренней и наружной поверхностями акустической оболочки в этом случае пролегает через воздушную полость. Эта полость в нашем случае выстлана войлоком или минеральной ватой средней плотности, что способствует увеличению звуковых потерь, хотя на очень низких частотах эффект от этого минимален. Потери энергии звуковых волн на низких частотах, возникающие при их прохождении через воздушную полость, могут быть большими только в том случае, когда внешняя обшивка акустической оболочки является достаточно тяжелой. Ведь объекту с малой массой довольно трудно толкнуть объект с большей массой. Так же и воздуху в воздушной полости очень трудно возбудить внешний композитный слой («сэндвич») из тяжёлых материалов. Кстати, принцип распространения звуковых волн между слоями с разной плотностью и массой мы рассматривали на примерах во 2-й статье нашего цикла в конце раздела «Звукопоглощение» (Install Pro, №4 (23), 2003 г.).

Наличие воздушной полости внутри акустической оболочки у некоторых людей вызывает недоумение. При этом задаются два наиболее типичных вопроса:

  • неужели Вы хотите сказать, что воздух внутри полости имеет какой-нибудь вес?
  • а не расточительно ли «выкинуть» 5-8 сантиметров по периметру помещения впустую (т.е. под воздушную полость)?

Ответить на эти вопросы можно примером, из которого более наглядным станет и принцип работы воздушной полости.

При полёте самолёта на большой высоте внутри салона создаётся давление, соответствующее атмосферному давлению на высоте 2,5 км над уровнем моря, т.е. плотность воздуха уменьшают. Дальнейшее уменьшение плотности воздуха нежелательно, так как у нетренированных людей это может привести к затруднению дыхания. Казалось бы, а почему не создать в салоне самолёта давление, соответствующее атмосферному давлению на уровне моря? Этому есть два объяснения. Во-первых, в этом случае увеличится перепад между давлениями снаружи и внутри самолёта, что повлечёт за собой необходимость усиления конструкции самолёта, его веса, а значит – к перерасходу горючего, повышению эксплуатационных расходов и удорожанию билетов. Во-вторых, увеличение плотности воздуха до уровня атмосферного давления на уровне моря, как оказывается, увеличивает вес самолёта более чем на полтонны; и это – исключительно за счёт веса воздуха! Если самолёт будет постоянно «возить» дополнительно полтонны воздуха, то будет и перерасход горючего, и повышенный износ, и снова подорожание билетов. Те из Вас, кто нырял с аквалангом, хорошо знают, что вес баллонов с воздухом до погружения значительно больше, чем после выхода на сушу.

Знание этих свойств воздуха и восприятие их, как свойств газа, поможет понять работу воздушных полостей между разными слоями акустической оболочки. Эти полости вовсе не являются «выкинутыми впустую». В нашем случае они используются не только для акустической амортизации конструкций акустической оболочки стен, но и для увеличения звуковых потерь, возникающих вследствие создаваемых воздухом перепадов по плотности и акустическому сопротивлению.

Теперь мы уже знаем, что акустическая энергия сильно ослабляется благодаря комплексному подходу, сочетающему низкочастотные потери в гидроизоле, демпфирование с помощью воздуха в межстоечных полостях и препятствование движению звуковой волны массой гипсокартона, которая амортизируется ещё и за счёт тяжёлого гидроизола, защемлённого внутри «сэндвича». Если всю эту конструкцию установить на пенорезину или минеральную вату соответствующей (высокой) плотности, то окажется, что она сидит на пенорезиновой или минераловатной «пружине», которую окружают с пяти сторон другие – воздушные – «пружины». Теперь остатки звуковой энергии вынуждены пройти и через эти «пружины», прежде чем они достигнут слоя гипсокартона из звукоизоляционной оболочки, за которым опять-таки идёт слой пенопласта или минеральной ваты высокой плотности, который приклеен в свою очередь к несущим стенам здания или кирпичным простенкам усиленной звукоизоляционной оболочки. Пружины же являются реактивными элементами, т.е. они более склонны хранить и отдавать энергию, чем просто передавать её дальше. Все существующие в акустической оболочке воздушные полости, а также воздушные полости между акустической и звукоизоляционной оболочками обшиты войлоком или минеральной ватой средней плотности. Поэтому любые резонансы, которые могут сформироваться в этих воздушных полостях из-за поперечного движения воздуха или из волн, «блуждающих» вокруг «коробки» акустической оболочки, вынуждены проходить сквозь метры войлока или минеральной ваты, что им явно не под силу. Благодаря таким мерам резонансы в воздушном пространстве становятся невозможными. Тем самым удаётся избежать образования акустического «короткого замыкания», так как при возникновении резонансных явлений в воздушных полостях сильно возросла бы и способность воздуха выполнять как бы акустическую смычку между двумя оболочками воздушной полости.

Рисунок 8. Начало изготовления каркаса акустической оболочки

Рисунок 8. Начало изготовления каркаса акустической оболочки

А что же происходит в промежутке между акустической и звукоизоляционной оболочками? Воздух, окружающий внутреннюю «плавающую» акустическую оболочку, обладая относительно малой плотностью, должен передать остатки энергии звуковых колебаний несравненно более тяжёлой обшивке из гипсокартона звукоизоляционной оболочки (рисунок 1). Как уже отмечалось, имеющему малую массу и малую плотность воздуху очень трудно возбудить материал, обладающий большой массой и высокой плотностью. Поэтому воздух, налегая на гипсокартон, который всей своей массой препятствует его дальнейшему движению, испытывает дальнейшие потери в плане звукопередачи. К тому же к потерям энергии звуковых волн приводит ещё и трение частиц гипсокартона, тем самым ещё более уменьшая ту энергию, которая может пройти сквозь него на приклеенный к нему пенопласт, который в свою очередь приклеен к стене.

Прочно приклеенный к гипсокартону пенопласт (или минеральная выта высокой плотности) оказывает сильное сопротивление движению гипсокартона и таким образом обеспечивает дополнительное гашение (демпфирование) вибраций, из-за чего акустические потери ещё более усиливаются. И, наконец, будучи приклеенным к несущей стене, пенопласт (или минеральная вата высокой плотности) прогибается под воздействием силы, сообщаемой ему со стороны гипсокартона, поскольку его масса и жёсткость являются незначительными по сравнению с массой и жёсткостью основной несущей стены, которую он как бы стремится сдвинуть. Конкретная величина этих последних потерь зависит от массы стены, к которой приклеен слой пенопласта или минеральной ваты высокой плотности.

Итак, в плане препятствования распространению звука и ослаблению энергии звуковых волн мы рассмотрели работу акустической и звукоизоляционной оболочек, а также их конструктивное взаимодействие. А ещё добавьте к этому звукоизоляционные свойства несущей стены здания или дополнительного звукоизоляционного простенка из пустотелых кирпичей, заполненных сухим песком. Сейчас можно сказать, что такая конструкция (акустическая, звукоизоляционная оболочки и несущая стена) способна обеспечить звукоизоляцию около 80 dB! И это – на частоте 40 Hz!

С точки зрения звукопоглощения…

До настоящего времени мы рассматривали работу акустической оболочки и её взаимодействие со звукоизоляционной оболочкой с точки зрения звукоизоляции. Но следует помнить, что основное предназначение акустической оболочки – выровнять резонансную характеристику помещения, особенно за счёт поглощения низких и нижних средних частот. Акустическая оболочка – в отличие от звукоизоляционной – должна практически свести к минимуму отражение звуковых волн обратно в помещение, особенно на резонансных частотах. Поэтому рассмотрим работу акустической оболочки ещё раз, но уже с этой точки зрения.

Проходя по всей сложной системе конструкций акустической и звукоизоляционной оболочек, акустическая энергия не только проходит от слоя к слою, но и отражается от границы каждого слоя, особенно от внутренних границ слоёв с большой массой. В нашей конструкции в целом мы имеем четыре таких тяжёлых слоя:

  1. внутреннюю оболочку – «кинетический барьер» – из гидроизола;
  2. «сэндвич» из гипсокартона и гидроизола по другую сторону каркаса акустической оболочки;
  3. слой гипсокартона, приклеенный к пенопласту (в звукоизоляционной оболочке);
  4. непосредственно несущая стена здания или дополнительный звукоизолирующий простенок из пустотелых кирпичей, засыпанных сухим песком.

Напомним, что при проникновении в первый слой минеральной ваты или войлочного материала акустической оболочки, находящегося сразу за декоративной тканевой обивкой (рисунок 1), звук частично им поглощается, а частично проходит до слоя гидроизола (еврорубероида). На средних и высоких частотах гидроизол «работает» на отражение звука, поэтому все высокие частоты, отражённые от него – пусть даже под углом 90° – вынуждены будут снова пройти через слой минеральной ваты, прежде чем они возвратятся в комнату. Для поглощения частот с длиной волны порядка 16 см – а это примерно 2 kHz – 5-сантиметровый слой волокнистого поглощающего материала будет весьма эффективным, поскольку частотам с относительно короткой длиной волны пробиться сквозь него достаточно сложно.

Когда же мы доходим до слоя-«сэндвича», то отражения от него усиливаются благодаря большей жёсткости материала. Однако эти отражения не могут беспрепятственно вернуться в комнату. Им нужно сначала пройти сквозь «кинетический барьер» из гидроизола, который ещё до образования отражений успел пригасить проходившую сквозь него прямую волну благодаря, во-первых, своей массе; во-вторых, свойствам, обеспечивающим внутренние вязкостные энергетические потери; и в-третьих, благодаря своей слабой излучающей способности. Так вот, на своём обратном пути в комнату отражения от слоя-сэндвича вынуждены снова нести такие же потери в слое гидроизола. Но здесь есть ещё один момент. Точно так же, как какая-то часть энергии прямой волны отражается в комнату от внутренней гидроизольной обшивки, эта же обшивка отражает и часть энергии отражённой волны обратно к конструкции стены – в направлении «сэндвича», от которого часть уже ранее отражённой энергии снова отражается в сторону гидроизольной обшивки и так далее – по кругу. И на всех этих этапах отражённая волна несёт всё новые и новые потери. Так вот, чем больше акустических потерь мы добьёмся внутри нашей многослойной конструкции акустической оболочки за счёт внутренних отражающих поверхностей (которые наподобие ловушек захватывают звук, удерживая его между определёнными слоями, пока он не рассеется в виде тепловой энергии), тем более «чистого» звукопоглощения (т.е. звукопоглощения без учёта звукопередачи) мы сможем добиться.

Точно таким же образом отражают энергию назад вовнутрь комнаты и другие тяжёлые граничные слои – слои с обеих сторон слоя минералваты (пенопласта) звукоизоляционной оболочки, который приклеен к несущей стене. Однако чем дальше мы углубляемся в нашу сложную конструкцию, тем меньше у акустической энергии шансов вернуться назад в помещение.

Вот и получается, что такая сложная конструкция, как показано на рисунке 1, позволяет за счёт высокой степени внутреннего звукопоглощения решать не только проблемы внутренней акустики помещений студии, но и проблемы звукоизоляции наших помещений. Причём эта конструкция обладает постепенно нарастающим звукопоглощением, поскольку её самые звукоотражающие поверхности располагаются дальше всех от внутреннего пространства комнаты.

Ранее мы уже говорили о том, что простые звукопоглощающие материалы являются, как правило, плохими изоляторами, а хорошие изоляторы – плохими звукопоглотителями. А нам в студии желательно иметь и хорошее звукопоглощение, и хорошую звукоизоляцию. Конечно, можно было бы пойти «традиционным путём» и установить достаточное количество звукопоглощающего материала типа минеральной ваты, а за ней – простую звукоизоляционную стену. Но в этом случае понадобилось бы такое количество минеральной ваты, а звукопоглощающий слой имел бы такую толщину и отобрал бы такую немыслимую полезную площадь в помещении, что в итоге со студийных помещений мало бы что осталось.

Учитывая то, что владельцы студий дорожат каждой пядью полезной площади студии, описанная нами конструкция звукоизоляционной и акустической оболочек является лучшим выбором. Посудите сами. Акустическая и звукоизоляционная оболочки в зависимости от задач могут занимать по периметру помещения от 21 до 33 см. При «традиционном подходе» по периметру «отъедались» бы уже не сантиметры, а метры полезной площади.

Советы и примеры

Вышеописанная методика поглощения энергии нашла своё применение не только в акустике. Приведу парочку наглядных примеров.

В своё время создатели бронетанковой техники зашли в тупик. Пытаясь противодействовать всё более и более возрастающей пробивной мощи противотанковых снарядов, они были вынуждены всё более и более утолщать броню танков. На определённом этапе это привело к тому, что из-за большого веса танки начали превращаться в неповоротливых монстров и стали хорошими мишенями для артиллерии – большими и малоподвижными. Тупик? Нет, выход нашёлся. Броню танков начали делать даже меньшей толщины, но – многослойной. При попадании кумулятивного снаряда в танк концентрированная кумулятивная струя прожигает первую металлическую оболочку брони. Но вслед за ней идёт оболочка из песка. Вследствие этого кумулятивная струя теряет свою направленность и – в связи с тем, что песок оказывает ей меньшее сопротивление, чем сталь – она растекается вдоль слоя из песка. Если же остатки кумулятивной струи прожигают и вторую стальную оболочку, то вслед за ней следует оболочка из керамики, и кумулятивная струя вновь вынуждена распространить свою энергию чуть ли не по всей броне уже в этом слое. Получается так, что если в монолитной броне пробивной мощи снаряда противодействовали всего лишь несколько квадратных сантиметров брони, то в многослойной броне пробивной мощи снаряда противостоит уже едва ли не вся площадь башни танка. В этом случае пробивной мощи снаряда уже явно недостаточно, и в итоге достигается главная задача: члены экипажа остаются живыми.

По такой же методике делают энергопоглощающие передние части современных автомобилей, которые при лобовом ударе сплющиваются постепенно, поэтапно поглощая энергию удара и тем самым уберегая от больших травм пассажиров автомобиля.

Поглощение энергии – это в любом случае поглощение энергии, будь то энергия звуковых волн, энергия автомобильных столкновений или энергия попавших в броню снарядов. И в случае с танками, и в случае с автомобилями вопрос поглощения энергии – это вопрос жизни и смерти находящихся в них людей. В этом случае всё-таки чётко срабатывает инстинкт самосохранения, и конструкторские решения принимаются правильные. А вот при строительстве студий многие позволяют себе расслабиться, и зачастую принимают решения, просто шокирующие своей неправильностью. За окнами уже третье тысячелетие, а на страницах нашей музыкальной прессы до сих пор на полном серьёзе муссируется тема оклеивания стен при строительстве студии набившими уже оскомину чудотворными яичными лотками с последующими восторженными отзывами о том, как «великолепно» всё получилось. Это уже даже не смешно. Неужели после прочтения и этой статьи кто-то ещё будет заниматься такими глупостями??? А у меня вот такой вопрос: интересно, согласились ли бы авторы подобных публикаций находиться под обстрелом в танке, броня которого изготовлена из тех самых яичных лотков?

Что ещё следует сказать об устройстве акустической оболочки по периметру студийных помещений? Мы ещё не рассматривали вопрос, каким же должно быть расстояние между акустической и звукоизоляционной оболочками? Конечно, чем оно больше – тем лучше. Особенно для поглощения низких частот. Однако это очень часто принимается «в штыки» владельцами студий, и что-то доказывать здесь – пустая трата времени. Поэтому и я не буду давать здесь никаких рекомендаций. В любом случае, во время строительства студии у Вас будет много отходов минеральной ваты, пенопласта, еврорубероида, пенополиуретана, войлока. Так вот, все эти отходы Вы можете забрасывать в пространство между акустической и звукоизоляционной оболочками. При укладке минеральной ваты или иного волокнистого материала с тыльной части внутренней акустической оболочки, 5-10 см пространства между звукоизоляционной и акустической оболочками обычно вполне достаточно для обеспечения акустического контроля студийных помещений.

Особо хочу отметить, что на этапе создания акустических оболочек у нас начинается много работы с деревом. Поэтому – совет из жизни: не позже этого этапа Вы должны привести на студию… инспектора пожарного надзора. «Пожарники» обычно очень удивляются, когда попадают на такой нестандартный объект, но спустя уже несколько минут им становится интересно, и они начинают давать полезные советы. Внимание! Обязательно приобретите в пожарной части раствор для противопожарной обработки. Отныне каждый рабочий день у Вас на стройке должен заканчиваться противопожарной обработкой деревянных конструкций. Обязательно! Позаботьтесь также и о том, чтобы «пожарник» не реже, чем раз в 10-15 дней посещал Вашу студию. Это значительно облегчит Вашу жизнь в будущем, особенно на заключительном этапе – этапе приёмки. Если следовать этой рекомендации, то приёмка студии «пожарником» никогда не будет для Вас проблемой. Единственной «взяткой» в этом случае может быть разве что плакат какого-нибудь артиста с автографом. Проверено не раз.

На этом этапе – пока ещё не возведены стены акустической оболочки – нужно также пригласить специалистов фирмы, которая будет монтировать Вам охранную и противопожарную сигнализацию, систему вентиляции и кондиционирования.

И перед тем, как закончить разговор о создании акустической оболочки по периметру стен и перейти к потолку, я вкратце расскажу, как же изготавливается эта оболочка в реальных условиях стройки. Первое, чем нужно заняться – это изготовление каркаса из деревянных брусков. Начинать нужно с самой длинной стены. Как уже говорилось ранее, размеры сечения брусков могут быть самыми разными: от 4×4см до 5×10см. Ведь не следует забывать, что нашей акустической оболочке нужно ещё будет удерживать и немалый вес потолка.

Допустим, что мы делаем каркас из брусков с размерами сечения 5×5см. Бруски располагаются параллельно друг другу на полу и сбиваются в торцах такими же брусками, расположенными в поперечном направлении. Расстояние между осевыми линиями брусков – 60см. Почему именно 60см? Во-первых, такое расстояние достаточно для обеспечения жёсткости конструкции. Во-вторых, это удобно для монтажа листов гипсокартона, длина которых может быть и 250, и 260, и 300см, а вот ширина их – всегда 120см, что кратно 60см. В-третьих, нужно помнить, что для создания низкочастотной звукопоглощающей системы нашим следующим шагом будет обшивка тыльной стороны каркаса трёхслойным «сэндвичем» (гипсокартон-гидроизол-гипоскартон), в котором второй слой гипсокартона будет прибиваться внахлёст первому.

Каркас стены изготавливается на полу, в горизонтальном положении (рисунок 8). В таком положении и гипсокартонные панели, и гидроизол легко ложатся на каркас, в таком положении их удобно прибивать к каркасу гвоздями. Гвозди по возможности должны быть с большими шляпками, абразивными насечками, оцинкованные. Если таких гвоздей нет, подойдут и обычные, но на их шляпки нужно заготовить шайбы (или «квадратики» из оцинкованной жести 4×4см), а сами гвозди забиваются попеременно, наискосок. Далее поверх «сэндвича» наживляется гвоздями слой толстого войлока или минеральной ваты средней плотности. После этого каркас поднимается и устанавливается на нужном месте в вертикальном положении – слоем минеральной ваты или войлока наружу. Каркас фиксируется, для чего через нижний поперечный брус прибивается гвоздями к полу. Во избежание его падения, по углам делаются распорки.

Рисунок 9. Конструкция составной балки из фанеры и дерева. Сечение балки составляет 30х15см. Балка отличается чрезвычайной плотностью (все компоненты склеены между собой и сбиты гвоздями)

Рисунок 9. Конструкция составной балки из фанеры и дерева. Сечение балки составляет 30х15см. Балка отличается чрезвычайной плотностью (все компоненты склеены между собой и сбиты гвоздями)

После того, как каркас акустической оболочки установлен в вертикальное положение, будущие воздушные полости частично заполняются войлоком или минеральной ватой средней плотности. Фиксируется минералвата или войлок с помощью мелких гвоздей к боковым сторонам вертикальных брусков. После этого с помощью небольших гвоздей с большими шляпками или шайбами поверх них к вертикальным стойкам прибивается слой гидроизола. При этом рулоны гидроизола раскатываются горизонтально.

И в заключение, поверх внутреннего слоя гидроизола с помощью мелких гвоздей наживляется слой минеральной ваты средней плотности. Кстати, если учесть, что ширина листа минеральной ваты Paroc или Rockwoоl также совпадает с расстоянием между вертикальными деревянными брусками (60см), это значительно облегчает монтаж.

В такой последовательности изготавливаются и устанавливаются все остальные стены акустической оболочки, после чего в углах они плотно сбиваются большими гвоздями. Получившаяся конструкция будет в состоянии выдержать потолок весом в несколько тонн.

Всё, что было написано выше, касается изготовления «глухих» стен. Но в стенах акустической оболочки студийных помещений неизбежно будут окна, двери, проёмы под воздуховоды системы кондиционирования и т.д. Это говорит о том, что сделать акустическую оболочку студийных помещений без предварительно подготовленного проекта практически невозможно. Иначе у нас не будут совпадать проёмы под окна и двери в акустической оболочке и в простенках, которые возведены при планировке студийных помещений. При этом нужно также учесть неизбежную просадку «плавающего» пола под весом всей конструкции акустической оболочки и большим весом потолка, в котором будут использованы тяжёлые низкочастотные ловушки (рисунок 5). Вывод тут может быть лишь один: проект студии должны делать специалисты. Ну а мы переходим к изготовлению акустической оболочки потолка.

Акустическая оболочка потолка

При изготовлении акустической оболочки потолка используются те же принципы, что и при изготовлении акустической оболочки стен, но технология её изготовления имеет свои конструктивные особенности и ограничения. Связано это в основном с тем, что деревянный каркас акустической оболочки потолка одновременно должен удерживать в горизонтальном положении большой вес акустической оболочки, вес подвешиваемых к нему низкочастотных ловушек, а горизонтальные пролёты между стенами могут достигать десяти и более метров. Поэтому при толщине потолочных брусков в 5-15см, их ширина может быть от 10 до 30 сантиметров. В некоторых случаях, когда пролёты между стенами достаточно большие, можно рассматривать в качестве потолочных брусков металлические двутавры. Но всё-таки лучше будет делать составные композитные бруски из дерева и фанеры, как это показано на рисунке 9.

Единственное существенное отличие между конструкцией стен и потолка состоит в отделке внутренней стороны потолочной конструкции, на чём мы и остановимся.

Рисунок 10. Варианты конструкции акустической оболочки потолка

Рисунок 10. Варианты конструкции акустической оболочки потолка

На рисунке 10 схематически показан – как вариант – разрез такой потолочной конструкции. Над потолочными брусками мы видим знакомый нам «сэндвич» (гипсокартон-гидроизол-гипсокартон), который прибивается по мере укладки гвоздями к потолочным брускам сверху. По мере укладки такого «сэндвича» рекомендуется забрасывать поверх него листы минеральной ваты средней плотности во избежание образования резонансов в закрытой полости между конструкциями потолка.

В арках между брусьями можно укладывать полосы гидроизола и толстого войлока, при этом они прибиваются через планку гвоздями к боковым поверхностям потолочных брусьев, как и показано на рисунке 10(а). Если нет войлока, можно уложить несколько слоёв минеральной ваты средней плотности, а чтобы она не падала с потолка, сделать под каркасом «сетку» из тонких планок или капроновой верёвки, можно также зафиксировать листы минеральной ваты гвоздями, как показано на рисунке 10(b). 15-20-сантиметровая глубина сводчатой конструкции достаточна для того, чтобы отнимать определённую часть энергии как у прямых среднечастотных волн, так и у тех, которые почти без потерь отражаются от твёрдого пола. Для заполнения потолочных полостей Филип Ньюэлл советует использовать материал PKB2, основа которого напоминает гидроизол с приваренным к нему с одной стороны 2-сантиметровым слоем войлока. Но достать в наших условиях такой материал сложно, а стоить он может недёшево. Поэтому я и предлагаю композицию гидроизола с войлоком или несколько слоёв минеральной ваты. Рассмотрим конструкцию акустической оболочки потолка средней по размерам комнаты.

Поскольку деревянный пол является самой отражающей поверхностью из всех поверхностей комнаты, это необходимо должным образом учесть в конструкции противоположного ему потолка. Над внутренним потолком имеется свободное пространство глубиной примерно 30 см. Если его набить звукопоглощающим материалом – будь это минеральная вата, обрезки пенопласта или других используемых в строительстве материалов, – он будет обеспечивать хорошее поглощение всех тех нижних средних частот, которым удалось пройти сквозь внутреннюю обшивку. Впрочем, пустое место над внутренним потолком оставлено и для других целей: для прокладки вентиляционных каналов, воздуховодов системы кондиционирования и т.д. Вместе с тем это же пространство можно использовать и для набивки дополнительным количеством звукопоглощающего материала, который будет способствовать ещё большему выравниванию акустики комнаты.

Механизмы звукопоглощения в волокнистых материалах

В последнее время встречались некоторые мнения, что применение минеральной ваты для звукоизоляции – это банально. Так ли это? Давайте всё-таки подробно рассмотрим процессы, происходящие в ней, так как это нам пригодится ещё не раз. Но начнём мы издали.

В своё время, когда Ньютон на основании сугубо теоретических расчётов решил вычислить скорость звука, то оказалось, что она должна составлять 279 метров в секунду при 0° C. В расчётах он учитывал только упругость и плотность воздуха. Однако практика показала, что истинная скорость звука равна примерно 332 м/сек. Выдвигалось много предположений, чтобы объяснить это расхождение, но все они были ошибочными до тех пор, пока Пьер Симон маркиз де Лаплас (Peire Simon, the Marquis de Laplace), не применил то, что мы сейчас называем поправкой Лапласа.

А дело всё в том, что воздух при сжатии нагревается, а при разрежении – охлаждается. Распространяясь в воздухе, звуковая волна то сжимает, то разрежает его. Расчёты Ньютона основывались на упругости и плотности воздуха. Упругость – это способность сопротивляться изгибающей силе и противостоять ей. И скорость звука отчасти зависит от упругости воздуха. Но когда участок высокого давления звуковой волны сжимает воздух, тот увеличивает свою упругость двояко: во-первых, за счёт увеличения свой плотности, а во-вторых, за счёт тепла, которое генерируется при его сжатии. И ошибка Ньютона как раз в том и состояла, что он упустил из своих расчётов влияние этих температурных изменений. Он учитывал только повышение упругости в результате изменения плотности.

Конечно, при прохождении звуковой волны по всему пространству в целом никакого среднего изменения температуры не наблюдается. Однако на локальном уровне температурные изменения всё-таки существуют, и они являются равновеликими и противоположно направленными при каждом полупериоде сжатия-разрежения. Отсюда можно сделать ложный вывод о том, что повышения и понижения температуры взаимно гасят друг друга. Возможно, Ньютон так и думал, но на самом деле это не так.

Когда воздух сжимается, то его объём сокращается, а при разрежении его объём увеличивается. Внутренней силой, которая противодействует изменениям объёма, является упругость среды. Если трубу запаять с одного конца, а с другого конца ввести в неё воздухонепроницаемый поршень, то при нажатии на поршень и его вытягивании воздух будет соответственно сжиматься и разжиматься. Если поршень отпустить, он возвратится в исходное состояние – состояние покоя. Если же трубу наполнить газом большей упругости, то для тех же передвижений поршня придётся прикладывать большую силу, поскольку этот газ будет сильнее противодействовать таким изменениям.

Рисунок 11. Передача энергии в системе масс и пружин. Четыре шара (А, В, С и D) отделены друг от друга пружинами и находятся в стеклянной трубе. Система показана в состоянии равновесия, без приложения силы; пружины находятся в ослабленном состоянии

Рисунок 11. Передача энергии в системе масс и пружин. Четыре шара (А, В, С и D) отделены друг от друга пружинами и находятся в стеклянной трубе. Система показана в состоянии равновесия, без приложения силы; пружины находятся в ослабленном состоянии

Передачу звука по воздуху можно визуально представить так, как это изображено на рисунке 11. Если пружины довольно слабые, то динамическая нагрузка, приложенная слева на шар «A», передаётся на шар «B», затем на шар «C» и т.д., но при этом передача энергии от одного шара к другому происходит с заметной задержкой. А теперь предположим, что мы подогрели пружины, и они стали значительно более жёсткими. Тогда динамическая нагрузка, приложенная к шару «A», при более жёстких пружинах волна будет перекатываться уже несколько быстрее. И, наконец, если установить практически несгибаемые пружины, динамическая нагрузка от одного шара к другому будет передаваться почти мгновенно, поскольку комбинация шаров и пружин будет действовать практически как один цельный шток. Отсюда вывод, что скорость передачи усилия в системе пропорциональна жёсткости пружин.

Фактически частицы воздуха действуют так же, как и эти шары с пружинами, а упругость воздуха является функцией сопротивляемости таких «пружин». Получается, что усилие, прикладываемое к одной частице воздуха, как бы сжимает пружину, нагревая её и увеличивая тем самым силу упругости, которой противодействует следующая частица. Поэтому эффект нагрева, вызванного сжатием, способствует повышению упругости газа, а отсюда – и скорости распространения в нём звука.

Рисунок 12. Приложение силы к системе, показанной на рисунке 11. Когда сила приложена к шару «А», он через пружину передаёт энергию шару «В». Затем «В» через пружину «В-С» передаёт энергию шару «С» и так далее, до тех пор, пока вся цепочка шаров и пружин не переместится в направлении приложенной силы. Скорость, с которой по цепочке передаётся энергия, зависит от жёсткости пружин (упругости связей). В примере, показанном выше, видно, что пружина между шарами «А» и «В» сжата. Поэтому сила, действующая на шар «В», уже ничем не уравновешивается, и шар «В» движется к шару «С», прилагая часть энергии, заложенной в пружине «А-В», на сжатие пружины «В-С» до тех пор, пока пружины «А-В» и «В-С» не станут одинаково сжатыми, и тогда шар «В» будет стремиться перейти в состояние покоя. В этом состоянии пружина «В-С» будет частично сжата. Но здесь уже шар «С» выйдет из состояния равновесия, поскольку пружина «В-С» позади него сжата сильнее, чем пружина «С-D», находящаяся впереди, и поэтому он начнёт перемещаться в направлении шара «D». Благодаря приложенной силе и импульсу, заложенному в движении шаров, система будет колебаться со свойственной ей частотой до тех пор, пока, наконец, она не придёт в состояние покоя, сдвинувшись вправо после того, как будет израсходована приложенная сила

Рисунок 12. Приложение силы к системе, показанной на рисунке 11. Когда сила приложена к шару «А», он через пружину передаёт энергию шару «В». Затем «В» через пружину «В-С» передаёт энергию шару «С» и так далее, до тех пор, пока вся цепочка шаров и пружин не переместится в направлении приложенной силы. Скорость, с которой по цепочке передаётся энергия, зависит от жёсткости пружин (упругости связей). В примере, показанном выше, видно, что пружина между шарами «А» и «В» сжата. Поэтому сила, действующая на шар «В», уже ничем не уравновешивается, и шар «В» движется к шару «С», прилагая часть энергии, заложенной в пружине «А-В», на сжатие пружины «В-С» до тех пор, пока пружины «А-В» и «В-С» не станут одинаково сжатыми, и тогда шар «В» будет стремиться перейти в состояние покоя. В этом состоянии пружина «В-С» будет частично сжата. Но здесь уже шар «С» выйдет из состояния равновесия, поскольку пружина «В-С» позади него сжата сильнее, чем пружина «С-D», находящаяся впереди, и поэтому он начнёт перемещаться в направлении шара «D». Благодаря приложенной силе и импульсу, заложенному в движении шаров, система будет колебаться со свойственной ей частотой до тех пор, пока, наконец, она не придёт в состояние покоя, сдвинувшись вправо после того, как будет израсходована приложенная сила

Процесс разрежения можно представить так: при разрежении усилие вытягивания прилагается к шару «А», который тащит за собою шар «B», а тот – следующий шар, и т.д. В состоянии покоя сила упругости, действующая на шар «B», удерживает его на месте, поскольку пружины «A-B» и «B-C» находятся в равновесии. При «вытягивании» же шара «A» от шара «B», сила упругости, действующая на шар «B», уменьшается со стороны, обращённой к шару «A», поэтому пружина «B-C» начинает действовать на шар «B» в направлении шара «A» с большим усилием до тех пор, пока не будет восстановлено равновесие. По мере того, как шар «B» перемещается к шару «A», усилие «B-C» становится меньше, поэтому возникший избыток силы «D-C» начинает толкать шар «C», который двигается в направлении шара «B». Энергия волны будут распространяться по трубе до тех пор, пока все шары не встанут снова на одинаковом расстоянии друг от друга. Вот здесь-то как раз и обнаруживается то, что холод разрежения «работает» не на погашение теплоты сжатия, а действует как бы с ней заодно. Посмотрим на рисунок 12.

При разрежении плотность пружины «A-B» снижается, а поэтому и сила, действующая на «B» со стороны «C» будет больше, чем со стороны «A». Охлаждение, вызванное разрежением, ещё больше снижает упругость, ослабляя пружину, и действует в том же направлении, что и снижение плотности, тем самым ещё больше уменьшая силу «A-B». А это означает ещё больший перепад между силой «A-B» и силой «B-C», поэтому «B» отталкивается от «C» с большим усилием, чем если бы это было лишь при изменении плотности вследствие разрежения.

Теперь ясно, что тепло, образующееся при сжатии, и холод, возникающий при разрежении, согласовано «работают» в одном и том же направлении, что и изменения плотности, чем усиливают эффект последнего. Из-за этого дополнительного «содействия», вызванного изменениями упругости из-за выделения тепловой энергии, скорость звука в воздухе оказалась выше той, что была впервые рассчитана Ньютоном только на основании упругости и плотности. Тепло и холод в этом случае не гасят друг друга, а вместе «работают» на увеличение скорости звука в любой среде.

А теперь ближе к нашей минеральной вате. В материале наподобие минеральной ваты волокна действуют как проводники, отводя тепловую энергию у волн сжатия, и отдавая её волнам разрежения. Этим нивелируется значительная часть тепловых колебаний, которые бы могли усиливать изменения упругости, а значит – уменьшается количество энергии, идущей на распространение звука. Из-за этого распространение звука переходит из адиабатической плоскости (чередования нагрева-охлаждения) в изотермическую (плоскость постоянных температур), что уже само по себе замедляет скорость звука. Поэтому если корпус акустической системы наполнить волокнистым поглощающим материалом, то такой корпус окажется акустически большим, чем физически, ибо скорость звука внутри него замедляется изотермическим характером его распространения в волокнистом материале.

Но это – не единственное свойство волокнистых материалов. Они ещё характеризуются проявлением «эффекта лабиринта». Суть его в том, что на пути распространения частиц воздуха много препятствий, которые эти частицы вынуждены огибать по «непрямым» маршрутам. Вынужденное удлинение пути прохождения звука, проходящего сквозь волокна, увеличивает и вязкостные потери, с которыми сталкивается воздух по мере того, как звуковые волны пытаются отыскать себе путь среди волокон.

Существуют также и внутренние потери энергии из-за того, что вибрации воздуха вынуждают вибрировать волокна минеральной ваты, что отбирает энергию звуковой волны.

Есть и фрикционные потери, возникающие при трении волокон друг о друга. Для всего этого движения волокон нужна энергия, и они находят её, преобразуя акустическую энергию в тепловую.

Рисунок 13. Безэховая камера «ISVR». Большая безэховая камера в Институте Исследования Звука и Вибрации Саутгемптонского университета в Великобритании

Рисунок 13. Безэховая камера «ISVR». Большая безэховая камера в Институте Исследования Звука и Вибрации Саутгемптонского университета в Великобритании

Все вышеуказанные потери звуковой энергии пропорциональны скорости, с которой частица вибрирующего воздуха пытается пройти сквозь материал. И чем выше скорость частиц воздуха, вошедших в него, тем больше коэффициент поглощения этого материала. Немного запутано? Тогда зададимся вопросом: почему бетонная стена не поглощает звуковую волну? А дело в том, что когда звуковая волна достигает стены, стена резко прекращает её движение и отражает её назад. В этой точке смены направления велико давление, а вот скорость движения частиц практически равна нулю. То же самое происходит и с отскакивающим от стены мячом, и со срикошетившей от стального рельса пулей. Из этого следует вывод, что чем резче происходит изменение сопротивления среды распространению движения звуковой волны, тем больше энергии звуковой волны отражается обратно и тем хуже звукопоглощение. И напротив, чем «мягче» происходит изменение этого сопротивления, тем меньше звуковой энергии отражается и тем лучше звукопоглощение. Этот вывод имеет для нас важное практическое значение.

Теперь становится ясно, почему внутренние оболочки стен безэховых камер делаются из волокнистых материалов, которые имеют форму клинообразных пуансонов (см.рисунок 13). Изменение сопротивления среды при соприкосновении звуковой волны с этими пуансонами происходит очень плавно. Звуковая волна как бы заглатывается этими пуансонами, и к моменту её прихода к основным звукопоглощающим конструкциям сопротивление звуковой волне у оснований пуансонов возрастает и выравнивается с сопротивлением поглощающих конструкций. Советую хорошо вчитаться и разобраться с вышесказанным, так как в последующем этот приём нам пригодится, особенно когда речь пойдёт об акустической отделке задних стен и потолков контрольных комнат.

По этой же причине эффект поглощения, создаваемый волокнистым материалом, тем выше, чем дальше он расположен от отражающих стен. И если принять это расстояние за четверть длины волны, то это и будет та самая низкая частота, которую эта конструкция в состоянии поглощать.

А вот эффективность работы звукопоглотителей мембранного типа (наподобие нашего «сэндвича» гипсокартон/гидроизол/гипсокартон) зависит от силы, с которой на них напирает звуковая волна. Поэтому для максимальной эффективности звукопоглощения их следует располагать поближе к точке максимального давления – то есть у стены.

Как мы видим, механизмы звукопоглощения могут быть совершенно разными. И их эффективность зависит не только от физических свойств материалов, но и от того, в каких местах помещения они будут применены.

Чтобы закончить раздел о звукопоглощении, зададимся ещё одним вопросом: какая связь между эффективностью звукопоглощающих материалов волокнистого типа и их плотностью и толщиной? Является ли эта связь прямой? Ответ на эти вопросы важно знать ещё и потому, что это поможет найти нам баланс между эффективностью и стоимостью поглотительных материалов, а также между тем объёмом, который они могут занимать.

Возьмём, например, минеральную вату. Цена одного килограмма минеральной ваты является приблизительно одинаковой вне зависимости от её плотности. С одной стороны, применение минеральной ваты меньшей плотности даст больший эффект, чем применение минеральной ваты большей плотности с той же массой. Однако в первом случае будет занят больший объём, чем во втором.

На частоте 125Hz минеральная вата толщиной 3см может иметь коэффициент поглощения 0,07. А вот минеральная вата толщиной в 12см (в 4 раза больше) при той же плотности будет иметь коэффициент поглощения 0,38, что в 5 раз больше. Здесь мы имеем почти прямое соотношение. С другой стороны, при одинаковой толщине минеральная вата плотностью 30кг/м3 может иметь коэффициент звукопоглощения 0,07, а минеральная вата плотностью 120 кг/м3 – всего лишь 0,10. В данном случае четырёхкратное увеличение плотности дало прирост звукопоглощения меньше, чем на половину.

Вывод: при одинаковом весе и практически одинаковой цене четыре слоя низкоплотного материала, занимающего четырёхкратный объём, дадут более чем в 10 раз большее поглощение на частоте 125 Hz, чем, образно говоря, те же четыре слоя, ужатые до объёма одного, т.е. до слоя с четырёхкратной плотностью.

Существуют специальные таблицы с указанием коэффициента звукопоглощения разных материалов с разной плотностью. Да и практический опыт здесь лишним не бывает.

Заключение

В последнее время нашей промышленностью начали производиться специальные звукоизоляционные материалы. Как правило, они выпускаются в виде потолочных и стеновых плит размерами 60×60, 60×120 и 120×120см. Эти материалы действительно как нельзя лучше подходят для акустической отделки офисов, производственных и иных помещений, так как акустические требования к таким помещениям несопоставимы с теми требованиями, которые мы предъявляем к акустике студийных помещений. Хорошо продуманы не только акустические свойства этих материалов, но и технология их монтажа.

К сожалению, на этом начали спекулировать некоторые фирмы, специализирующиеся якобы на строительстве студий. Вся «проектная работа» подобных фирм заключается в том, что в помещении делается евроремонт с применением этих материалов, после чего это помещение называется «проектировщиками» студией. Рассмотрим этот вопрос с трёх точек зрения: звукопоглощения, звукоизоляции и дизайна.

Мы уже говорили о том, что при резком изменении акустического сопротивления часть звука отразится назад в помещение, что в большинстве случаев нам нежелательно. Мало того, даже от такого материала как минеральная вата средней плотности тоже есть отражения, пусть и очень незначительны. Поэтому в дальнейшем в наиболее критичных с точки зрения звукопоглощения поверхностях мы будем применять специальные ловушки, чтобы ещё больше снизить количество возможных отражений. Лицевая сторона производимых промышленностью материалов имеет большую жёсткость, чем та же минеральная вата. Значит и отражений звука от них обратно в помещение будет больше. Но ведь наши цели были другими, не так ли?

Если взглянуть на «сэндвич» акустической оболочки и на слой гипсокартона звукоизоляционной оболочки как на поглотители мембранного типа, то мы заметим, что их площадь практически соответствует площади тех поверхностей, у которых они установлены. Нам известно, что эффективность поглотителей мембранного типа (особенно в диапазоне низких частот) зависит от их веса и площади. Поглотитель размерами 5×5м гораздо эффективнее на низких частотах 25-ти поглотителей размерами 1×1м. Исходя из этого, можно сделать вывод, что применение промышленных модульных акустических материалов не решит многих проблем акустики студийных помещений.

Дизайн студий, поверхности которых отделаны такими материалами, тоже оставляет желать лучшего. Технократический вид студийных помещений вряд ли будет способствовать вдохновению музыкантов, а студии будут похожи одна на другую. А ведь дизайн студии – это тоже очень важно, особенно если учесть, сколько времени проводят в студиях звукоинженеры и музыканты. Существуют даже концепции, в какой цветовой гамме следует решать дизайн конкретной студии в зависимости от того, с какими стилями музыки предполагается в ней работа. Стоит ли нам отказываться от этого опыта? Впрочем, вопросы дизайна будут рассмотрены нами в одной из будущих статей.

Догадываюсь, что разные люди по-разному реагируют на этот цикл статей. Есть и такие, которые говорят, что это всё очень дорого, что от всего этого попахивает идеализмом и т.д. Поэтому я специально в этой статье описывал и аргументировал работу и применение каждого слоя как в акустической, так и в звукоизоляционной оболочке. Заметьте, что применяли мы вполне доступные строительные материалы, которые продаются везде и по умеренным ценам. Не было и не будет никакой «экзотики» в виде свинцовых пластин, RPG-диффузеров, редких пород дерева, полуторатонных дверей и 12-сантиметровых стёкол. Даже окна и двери мы будем делать самостоятельно, о чём и расскажем в следующей статье.

Существуют разные концепции строительства студий, «идеологами» которых являются такие всемирно известные акустики-дизайнеры, как Тойошима, Хидли, Киношита и другие. Но, по моему мнению, описываемая здесь технология строительства студий, предложенная Филипом Ньюэллом, является наиболее адаптированной к условиям нашей страны – эдакой «золотой серединой». Подтверждением этому служит и всё большее количество студий, которые проектируются именно по этой технологии.

Статья опубликована в журнале «Install Pro», №27 (2-2004)

Popularity: 40% [?]

Рассказать другим:
Digg Google Bookmarks reddit Mixx StumbleUpon Technorati Yahoo! Buzz DesignFloat Delicious BlinkList Furl

Отзывов (2) к “Урок 4. Акустическая оболочка”

Трекбеки отключены.

  • В статье упоминается, что всю конструкцию акустического слоя стен рекомендуется установить на пенорезину. Но ниже, где описывается практическая сторона сборки конструкции, говорится, что вся конструкция прибивается гвоздями к полу. Получается, что эффективность «пружины» нивелируется?

  • Ваш отзыв:

    Имя (обязательно):
    Почта (обязательно, не публикуется):
    Сайт:
    Сообщение (обязательно):
    XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

    Spam Protection by WP-SpamFree