Урок 4. Акустична оболонка

У цій статті ми розкажемо про будівництво базової акустичної оболонки в приміщеннях студії, а також уважно розглянемо як вона «працює». Це вже четверта стаття нашого циклу. Нагадаю, що в першій статті ми обговорювали питання вибору приміщення для студії; в другій статті були розглянуті деякі теоретичні питання, в третій статті обговорювалися питання планування студійних приміщень і звукоізоляції.

Нагадаю також, що в цьому циклі статей ми обговорюємо основні питання, котрі виникають при будівництві студій середніх розмірів, які в майбутньому передбачається використовувати в комерційних цілях.

Якщо схематично розглянути із чого складаються всі приміщення готової студії, то всередині кожної з них виявиться три оболонки (рисунок 1).

1. Звукоизоляційна оболонка

Рисунок 1. Розріз стіни студійного приміщення. Така конструкція є найбільш типовою для кімнат з «нейтральною» акустикою

Влаштування звукоізоляційної оболонки ми стисло розглянули в попередній статті. ЇЇ задача, як і витікає з назви, − це додаткова звукоізоляція найбільш критичних поверхонь студійних приміщень. Іншими словами, звукоізоляційна оболонка повинна гарантувати нам, що звук із студії і в студію може проникати тільки до певного рівня, котрий ми визначили як 30-35 dBA. Ця ж оболонка забезпечує відповідний ступінь широкосмугової звукоізоляції. По-друге, вона також забезпечує відповідний ступінь низькочастотного поглинання.

.

.

2. Акустична оболонка

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

Рисунок 2. Приклад, коли в фасадній частині декоративно-акустичної оболонки використовується камінь. Студія Townhouse-2, Лондон

Основне завдання акустичної оболонки − згладити резонансну характеристику приміщення, особливо через поглинання низьких і нижніх середніх частот. Звичайно, це завдання виконується разом з геометричним конфігуруванням студійних приміщень. Крім цього, акустична оболонка при взаємодії зі звукоізоляційною робить свій внесок і в звукоізоляцію приміщень. Акустична оболонка − на відміну від звукоізоляційної − повинна звести практично до мінімуму відбиття звукових хвиль назад в приміщення, особливо на резонансних частотах. «Робота» акустичної оболонки буде ретельно розглянута в цій статті нижче. Зараз можемо сказати, що її основне завдання − «вбити» акустику приміщення та створити гарні стартові умови для того, щоб ми могли зайнятися акустичним дизайном студійних приміщень в прямому сенсі цього слова. Чому саме «вбити» ? Розглянемо трохи пізніше.

.

.

3. Декоративно-акустична оболонка

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

Рисунок 3. Контрольна кімната студії “Noites Longas” в Seixal (Португалія)

Основне завдання декоративно-акустичної оболонки − створити в студійних приміщеннях потрібну акустику. Це можливо досягнути оздобленням каменю (рисунки 2 та 3), встановленням акустичних відбивачів і розсіювачів або просто облицювання тканиною (рисунок 3). Тут також можуть бути низькочастотні пастки (рисунки 4 и 5), поворотні панелі для змінення акустичних характеристик приміщення та т.ін. Декоративно-акустична оболонка визначає також і інтер´єрний дизайн завершеної студії.

Отже…

Функції акустичної оболонки

Навіщо ж нам «вбивати» акустику в маленьких приміщеннях та які саме приміщення називати малими?

Чим більше приміщення, тим пізніше відбиття від поверхонь повертаються в вихідну точку, а значить менше привносять «фарбування» у вихідне звучання інструмента або вокалу. Більш «дальнім» відбиттям приходиться проходити й більшу відстань, а тому при своєму поверненні вони, як правило, втрачають більше енергії ніж ті, що проходять меншу відстань (якщо для порівняння взяти однакові відбиваючі поверхні). Більш того, якщо відбиття повертаються з затримкою значно більшою ніж 40 мілісекунд, то вони, як правило, сприймаються нами саме як відбиття. А ось відбиття що приходять з затримкою менше 40 мілісекунд, фактично будуть сприйматися як тембральний окрас інструменту, а не як дійсно відбиття. Таким чином, в великих приміщеннях резонансні моди та відбиття чуються як окремі феномени, не пов’язані з безпосереднім звучанням інструменту. І якщо прямий звук інструменту не «потоне» в реверберації приміщення через її тривалість або гучність, то його природний характерний тембр буде чітко відчутний.

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

Рисунок 4. Низькочастотні пастки біля задньої стіни контрольної кімнати студії AFS (м.Вінниця, Україна)

Якщо врахувати, що швидкість звуку складає 340 м/с, то для того, щоб час повернення ранніх відбиттів перевищував 40 ms, потрібно щоб відстань від середини кімнати до найближчої стіни була приблизно 5 метрів. Якщо ця відстань буде менше, то такі приміщення ми будемо відносити до категорії «акустично малих». Отже, «акустично малим» приміщенням можна називати приміщення з розмірами менш ніж 10×10×5м. Скоріш за все, наші приміщення за розмірами будуть ще меншими. Тому ми повинні більше уваги приділяти поглинанню перших ранніх відбиттів, особливо в діапазоні низьких частот. Це саме і означає − «вбити» акустику приміщення. :)

Але чи можливо домогтися цього лише за рахунок звичайного облицювання стін яким-небудь матеріалом?

Явно недостатніми є спроби домогтися поглинання енергії низькочастотних мод студійних приміщень тільки за рахунок облицювання стін та стелі звукопоглинаючою плиткою. Плитка буде поглинати хіба що високі частоти, залишаючи практично незмінними моди на нижніх середніх та низьких частотах. Про облицювання стін горезвісними яєчними лотками нема що й казати. В результаті ми будемо мати кімнату з дуже «пофарбованою» об’ємністю, «задушеною» акустикою, в котрій буде мало «жвавості», котра буде згущати звук, лишаючи його прозорості. Якщо ж нам вирізати паразитні частоти еквалайзером, то при цьому ми заберемо ці ж частоти і з прямого звучання музичних інструментів чи голосу. Внаслідок цього розстроїться природна структура обертонів, а звучання музичного інструменту або вокалу втратить притаманну йому красоту та тембр.

Зробити маленьку кімнату нейтральною практично неможливо, а тому в більшості випадків єдине можливе в цій ситуації рішення це домогтися в нашій кімнаті повного звукопоглинання, а потім забезпечити невелику кількість дискретних відбиттів.

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

Рисунок 5. Приблизно такий вигляд мають типові стельові звукопоглинаючі трепи-пастки

В попередніх статтях я вже згадував, що до теми звукоізоляції та звукопоглинання ми будемо повертатися ще не раз. Тому і зараз я пропоную пильніше поглянути на поняття коефіцієнтів звукопоглинання та назавжди позбутися будь-яких сумнівів, що пов’язані зі звукопоглинанням і звукоізоляцією.

Звукопоглинання означає, що матеріал дозволяє звуку увійти в себе і не відбитись назад у приміщення. В цьому сенсі поняття коефіцієнта звукопоглинання є відношенням внутрішньо поглиненого звуку до того звуку, якому дозволено пройти крізь матеріал. Тому велике відчинене вікно являється чудовим звукопоглиначем, бо фактично не відбиває звук назад у приміщення. А ось стіна з цегли, навпаки, буде дуже поганим звукопоглиначем, тому що вона відбиває більшу частину звукової енергії назад у приміщення.

Розглянемо деякі приклади.

Мінеральна вата середньої щільності завтовшки приблизно 3 см поглинає біля 80% енергії звукових хвиль, але лише на середніх і високих частотах. При цьому 20% звукових хвиль (запам’ятайте цю цифру) відбиваються назад у приміщення.

Відчинене вікно поглинає більше 99% звукової енергії, котра проходить через нього. При цьому назад у приміщення відбивається менше 1%.

Стіна, що викладена в пів-цегли, дозволяє увійти в себе і пройти наскрізь лише приблизно 3% звуку, а 97% енергії звукових хвиль відіб’ється назад у приміщення.

Тому з точки зору звукопоглинання на першому місці у нас відчинене вікно, потім мінеральна вата та стіна з цегли.

Але якщо розглядати ці матеріали з точки зору звукоізоляції, ситуація зміниться. Відчинене вікно практично не створює звукоізоляції, за виключенням хіба що тих частот, довжина хвилі яких перевищує найбільший розмір віконного отвору. Мінеральна вата завтовшки 3 см створить звукоізоляцію приблизно 3 dB, однак на низьких частотах звукоізоляції не буде практично ніякої. А ось стіна з цегли буде мати звукоізоляцію більше 40 dB.

Як бачимо, коефіцієнт звукопоглинання і звукоізоляційні властивості − це далеко не одне й те саме. І плутати звукопоглинання і звукоізоляцію не треба.

А тепер згадаємо, на чому саме ми зупинились, будуючи наші «віртуальні» студії? Ми вибрали приміщення і виконали планування студійних приміщень. В найбільш критичних місцях на деякій відстані від стін ми зробили паралельні їм звукоізоляційні простінки з цегли, які не мають ніде жорсткого контакту з конструкціями будівлі, а також додаткові стелі. Після цього за допомогою клеячої шпаклівки ми заклеюємо всі внутрішні стіни та стелі шаром пінопласту товщиною від 4-х до 8-ми сантиметрів. Після цього пінопласт було опоряджено шаром (краще − двома) 12 мм гіпсокартону. Така комбінована конструкція (маса/пружина/маса) в даному випадку є майже ідеальною, тому що дозволяє вирішити нам два завдання. По-перше, вона забезпечує значну ступінь широкосмугової звукоізоляції. По-друге, вона також забезпечує досить пристойне низькочастотне звукопоглинання. Іншими словами, ми зупинились на тому, що зробили в наших приміщеннях «плаваючі» підлоги та звукоізоляційні підлоги. Тепер на черзі створення акустичної оболонки в кожному приміщення.

Робота звукоізоляційної і акустичної оболонок повинна в чомусь нагадувати комбінацію «роботи» відчиненого вікна та стіни з цегли. Така конструкція за рахунок внутрішнього поглинання досягає такого ж ефекту, як і стіна з вікном за рахунок відбиття й пропущення звуку. Більш того, якщо простір між внутрішньою плаваючою акустичною оболонкою приміщення (про яку йде мова в цій статті) та зовнішньою звукоізоляційною оболонкою з пінопласту та гіпсокартону оздобити ще й волокнистим матеріалом високої щільності, то ми зможемо ще й перешкодити розвитку резонансів усередині цієї порожнини. Таким чином, ми зможемо поєднати добре звукопоглинання, гарну звукоізоляцію та слабке звуковідбиття. І все це − за рахунок однієї і тієї ж композитної оболонки. А це досить важливо, тому що в приміщеннях нашої невеликої студії нема достатньо простору для монтажу звичайних громіздких широкосмугових звуковбирних систем. Отже…

Як же «працює» акустична оболонка?

З точки зору звукоізоляції…

Проникаючи в перший шар мінеральної вати або повстяного матеріалу (рисунок 1), що знаходиться зараз за декоративною тканевою оббивкою, звук частково поглинається цим шаром, а частково проходить до шару гідроізолу (єврорубероіду). Тут і далі, коли буде говоритися про мінеральну вату, буде матися на увазі мінеральна вата Rockwoоl (не Isover і не URSA), що продається в магазинах будівельних матеріалів в аркушах розмірами 100×50×5см (високої щільності) і 100×60×5см (середньої щільності). На середніх і високих частотах гідроізол «працює» на відбиття звуку, тому всі високі частоти, відбиті від нього − нехай навіть під кутом 90° − змушені знову пройти через шар мінеральної вати, перш ніж вони повернуться в кімнату. Для поглинання частот з довжиною хвилі порядку 16 см – а це приблизно 2 kHz − 5-сантиметровий шар волокнистої поглинаючої мінеральної вати буде досить ефективним, оскільки частотам з відносно короткою довжиною хвилі пробитися крізь нього досить складно. Влучення ж звуку під косим кутом на поглинаючу поверхню звичайно приводить до більшої втрати його енергії, оскільки йому доводиться проходити через поглинач по діагоналі, тобто виходить, що він проходить крізь більшу товщину звукопоглинаючого матеріалу.

І навіть якщо допустити, що 10% середніх і високих частот відіб’ються все-таки від поверхні нашого приміщення після першого контакту з акустичною оболонкою, то після другого контакту з нею відіб’ється вже тільки 10% від перших 10%, тобто 1%. При третьому відбитті, що у маленькій кімнаті може відбутися вже через яких-небудь 15-20 мсек., енергії що залишається у відбиттях буде вже в тисячу разів менше (10% від 10% від 10%) від тієї, котра була в первісному звуці. Таким чином, загасання на 60 dB ми досягаємо значно раніше, ніж за 50 мсек.

На низьких частотах працюють вже зовсім інші механізми звукопоглинання. Низькочастотні звуки поширюються у всіх напрямках і мають куди більшу проникаючу силу, чим високочастотні. Це пояснюється як їх набагато більшою акустичною потужністю, так і тим, що довжина їхніх хвиль дуже велика в порівнянні з товщиною стін. У цьому випадку першим внутрішнім обшиванням кімнати повинен бути шар матеріалу, що створює кінетичний бар’єр, тобто шар гідроізолу, що має щільність не менш ніж 4-5кг/м2. Придбати такий матеріал можна у звичайних магазинах будівельних матеріалів. Як правило, він продається в рулонах шириною 1м і довжиною 10м. Шар гідроізолу прибивається цвяхами до каркасної конструкції кімнати, а шар мінеральної вати або повсті прибивається вже поверх нього так, щоб він був звернений усередину кімнати (рисунок 1).

Позаду цього кінетичного бар’єру з’являється повітряна порожнина глибиною від 5 до 8 см (залежно від товщини брусків каркасу), в якій зверху підвішується завіса-екран з повсті, що вирізаний і підігнаний так, щоб заповнити собою порожнину на всю висоту й ширину її поперечного перерізу. У цьому випадку повсть можна замінити мінеральною ватою середньої щільності.

До другої сторони каркасної конструкції прикріплюється так званий «сендвіч» (рисунок 1), який складається з двох шарів 12-міліметрового гіпсокартону і затисненого між ними шару гідроізолу щільністю від 5-ти до 10-ти кг/м2.

Всі ці шари «працюють» як мембрани та здатні сильно гасити звукову енергію на низьких частотах. Якщо розглядати зсередини наше приміщення з точки зору поглинання низьких частот, то воно являє собою щось начебто великого м’якого «мішка». Коли звукові хвилі вдаряються об кінетичний бар’єр з гідроізолу, відбувається приблизно те ж, коли боксер наносить удари по важкому мішку з піском: кімната так би мовити усмоктує в себе низькочастотний удар, поглинаючи більшу частину його енергії та перетворюючи її в теплову. Мається на увазі, що внутрішня гідроізольна обшивка стін при поштовху звукової хвилі йде назад, а потім подається вперед у результаті дії напівциклів стиснення-розрідження звукових хвиль. Але вага, площа та інертність цього шару гідроізолу такі, що це приводить до значної втрати енергії звукової хвилі за рахунок в´язкісних втрат і у звукової хвилі практично немає шансів «вислизнути» назад. Обшивання такого роду має малий ступінь пружності, воно більш-менш інертно.

Можна привести ще таке порівняння. Уявіть собі дзвін, відлитий не із бронзи або сталі, а зі свинцю. Такий дзвін навряд чи буде мати яскраве звучання, і причини тому практично ті ж самі. При ударі об такий дзвін свинець буде усмоктувати удар, деформуватися, і завдяки властивим йому серйозним внутрішнім властивостям, що гасять, він енергію цього удару просто поглине. Та й велика вага не дозволить йому розгойдуватися під ударами, а оскільки не розгойдуватися, не вібрувати він майже не може, то навряд чи зможе випромінювати скільки-небудь помітний звук.

Те ж саме відбувається і тоді, коли звук намагається примусити вібрувати гідроізольне обшивання нашої кімнати. Він змушений витрачати енергію на переміщення важкої гнучкої маси і в результаті протидії обшивання, що демпфірує, його акустична енергія перетворюється в теплову. Якась незначна частина звуку, звичайно ж, відбивається назад у кімнату, але внаслідок невеликих розмірів кімнати вже через декілька міллісекунд відбита енергія знову зіштовхується – цього разу з гідроізольним шаром іншої поверхні кімнати − і знову зазнає втрат. Таким чином, звук згасає дуже швидко, а на частотах нижче 150Hz він зовсім зникає менш чим за 100мсек. Якщо ж говорити про найнижчі частоти, то з ними проблем не виникає тому, що вони взагалі не мають ніякої модальної підтримки, завдяки тому, що попадають у зону тиску (див. 2-гу статтю циклу).

Рисунок 6. Принцип демпфірування за рахунок грузлого «затисненого» шару-прокладки

Отже, коли наш внутрішній «мішок»- оболонка починає «грати» з наростанням і падінням тиску, він може випромінювати якусь незначну частину енергії й зовні. Однак, завдяки особливостям конструкції акустичної оболонки, в отворах між вертикальними стійками-брусами між зовнішнім і внутрішнім обшиванням утворюються повітряні порожнини, які забезпечують нашому «мішку» додаткову амортизацію. Повітря в них протидіє змінам тиску, оскільки своєю пружністю воно увесь час прагне відновити форму внутрішнього «мішка». Крім цього воно передає зусилля на зовнішній композитний шар («сендвіч»), що складається з гіпсокартону та гідроізолу. А цей шар відрізняється тим, що забезпечує великі втрати й сильне гасіння (демпфірування) акустичної енергії. І от чому.

Тертя внутрішніх часток в гіпсокартоні перетворює акустичну енергію в теплову, а крім цього звук ще повинен виконувати й додаткову роботу з переміщення настільки великої маси цього шару. Гідроізол, щільно затиснений в «сендвічі» між двома аркушами гіпсокартону, виконує функції т.зв. «затисненого шару». Робота затисненого шару схематично представлена на рисунку 6. З нього видно, що затиснений шар із в’язкого енергорозсіючого матеріалу прагне розподілити поперечне зусилля по всій своїй поверхні. Це поперечне зусилля чинить величезний опір на згинання, завдяки чому забезпечується високий рівень демпфірування та значні акустичні втрати.

Звичайно, хтось може сказати, що через кріплення всіх шарів до загальної каркасної конструкції звук може передаватися від внутрішнього шару зовнішнім шарам. Але на практиці проблем із цим звичайно не виникає через те, що внутрішня поверхня − «кінетичний бар’єр» із гідроізолу (рисунок 1) − є досить м’якою і відсутність в ній твердості не сприяє формуванню ефективного акустичного зв’язку зі стійками конструкції. А от маса її дуже ефективно амортизує рух стійок-брусків каркаса. Каркас із брусків прямо сприймає лише незначну частину загальної енергії звукової хвилі. Адже при ширині стійок в 5 см і періодичністю розташування в 60 см каркасна конструкція займе лише 8% всієї площі акустичної оболонки. А якщо розмова йде про поглинання звуку на низьких частотах, то низькочастотні хвилі − тобто хвилі великої довжини − взагалі «не помічають» цих стійок і обходять їх без усяких проблем.

Якщо ж комусь ці доводи здаються непереконливими, то видавити «чистих 100%» можливостей з акустичної оболонки можна при використанні більш складної конфігурації, зображеної схематично на рисунку 7. При такій конфігурації оболонки зв’язані перемичками тільки зверху й знизу. Правда, у цьому випадку кількість стійок-брусків збільшиться вдвічі, а сама акустична оболонка збільшиться додатково в глибину на 3-5 см.

Рисунок 7. Система з продубльованими зміщеними стійками. Шари матеріалів обшивання з кожної сторони каркасної конструкції кріпляться до незалежних один від одного груп стійок (А і В), зв'язаних тільки верхніми та нижніми пластинами-перемичками. При такій комбінації простору потрібно більше тільки на 5см, на відміну від звичайної каркасної конструкції. Крім того, така система забезпечує більшу звукоізоляцію

А що ж відбувається в проміжку між акустичною та звукоізоляційною оболонками? Повітря, що оточує внутрішню «плаваючу» акустичну оболонку, маючи малу щільність, повинно передати залишки енергії звукових коливань незрівнянно більш важкому обшиванню звукоізоляційної оболонки з гіпсокартону (малюнок 1). Як ми вже відзначали, повітрю, що має малу масу та малу щільність дуже важко збудити матеріал з великою масою й високою щільністю. Тому повітря, налягаючи на гіпсокартон, що всією своєю масою перешкоджає його подальшому руху, відчуває подальші втрати в плані звукопередачі. До того ж до втрат енергії звукових хвиль призводить ще й тертя часток гіпсокартону, тим самим ще більше зменшуючи ту енергію, що може пройти крізь нього на пінопласт, який у свою чергу приклеєний до стіни.

Міцно приклеєний до гіпсокартону пінопласт (або мінеральна вата високої щільності) чинить сильний опір руху гіпсокартону та у такий спосіб забезпечує додаткове гасіння (демпфірування) вібрацій, через що акустичні втрати ще більше підсилюються. І, нарешті, будучи приклеєним до несучої стіни, пінопласт (або мінеральна вата високої щільності) прогинається під впливом сили, яка передається йому з боку гіпсокартону, оскільки його маса та твердість є незначними в порівнянні з масою й твердістю основної несучої стіни, що він, та би мовити, прагне зрушити. Конкретна величина цих останніх втрат залежить від маси стіни, до якої приклеєний шар пінопласту або мінеральної вати високої щільності.

Отже, у плані перешкоджання поширенню звуку й ослабленню енергії звукових хвиль ми розглянули роботу акустичної й звукоізоляційної оболонок, а також їх конструктивну взаємодію. А ще додайте до цього звукоізоляційні властивості несучої стіни будинку або додаткового звукоізоляційного простінка з пустотілих блоків, заповнених сухим піском. Зараз можна сказати, що така конструкція (акустична, звукоізоляційна оболонки й несуча стіна) здатна забезпечити звукоізоляцію близько 80 dB! І це − на частоті 40 Hz!

З точки зору звукопоглинання…

Дот цього часу ми розглядали роботу акустичної оболонки та її взаємодію зі звукоізоляційною оболонкою з точки зору звукоізоляції. Але треба пам’ятати, що головне призначення акустичної оболонки − вирівняти резонансну характеристику приміщення, особливо за рахунок поглинання низьких та нижніх середніх частот. Акустична оболонка − на відміну від звукоізоляційної − повинна практично звести до мінімуму відбиття звукових хвиль назад у приміщення, особливо на резонансних частотах. Тому розглянемо роботу акустичної оболонки ще раз, але вже з точки зору звукопоглинання.

Проходячи по всій складній системі конструкцій акустичної та звукоізоляційної оболонок, акустична енергія не тільки проходить від шару до шару, але й відбивається від границі кожного шару, особливо від внутрішніх границь шарів з великою масою. У нашій конструкції в цілому ми маємо чотири таких важких шари:

  1. внутрішню оболонку – «кінетичний бар’єр» − із гідроізолу;
  2. «сендвіч» з гіпсокартону та гідроізолу з другої сторони каркасу акустичної оболонки;
  3. шар гіпсокартону, приклеєний до пінопласту (в звукоізоляційній оболонці);
  4. безпосередньо несуча стіна будинку або додатковий звукоізолюючий простінок з пустотілих блоків, засипаних сухим піском.

Нагадаємо, що при проникненні в перший шар мінеральної вати або повстяного матеріалу акустичної оболонки, що знаходиться зразу за декоративною тканою оббивкою (рисунок 1), звук частково їм поглинається, а частково проходить до шару гідроізолу (єврорубероіду). На середніх і високих частотах гідроізол «працює» на відбиття звуку, тому всі високі частоти, відбиті від нього − навіть під кутом 90° − змушені будуть знову пройти через шар мінеральної вати, перш ніж вони повернуться в кімнату. Для поглинання частот з довжиною хвилі близько 16 см − а це приблизно 2 kHz − 5-сантиметровий шар волокнистого поглинаючого матеріалу буде досить ефективним, оскільки частотам з відносно короткою довжиною хвилі пробитися крізь нього досить складно.

Рисунок 8. Початок виготовлення каркасу акустичної оболонки

Коли ж ми доходимо до шару-«сендвіча», то відбиття від нього підсилюються завдяки більшій твердості матеріалу. Однак ці відбиття не можуть безперешкодно повернутися в кімнату. Їм потрібно спочатку пройти крізь «кінетичний бар’єр» із гідроізолу, котрий ще до утворення відбиттів встиг пригасити пряму хвилю, що проходила крізь нього, завдяки, по-перше, своїй масі; по-друге, властивостям, що забезпечують внутрішні в´язкісні енергетичні втрати; і в третіх, завдяки своїй слабкій випромінюючій здатності. Отож, на своїй дорозі назад у кімнату відбиття від шару-сендвіча змушені знову нести такі ж втрати в шарі гідроізолу. Але тут є ще один момент. Точно так само, як якась частина енергії прямої хвилі відбивається в кімнату від внутрішнього гідроізольного обшивання, це ж обшивання відбиває й частину енергії відбитої хвилі назад до конструкції стіни − у напрямку «сендвіча», від якого частина вже раніше відбитої енергії знову відбивається убік гідроізольного обшивання і так далі − по колу. І на всіх цих етапах відбита хвиля несе все нові й нові втрати. Отож, чим більше акустичних втрат ми досягнемо усередині нашої багатошарової конструкції акустичної оболонки за рахунок внутрішніх поверхонь, що відбивають (які на зразок пасток захоплюють звук, утримуючи його між певними шарами, поки він не розсіється у вигляді теплової енергії), тим більше «чистого» звукопоглинання (тобто звукопоглинання без врахування звукопередачі) ми зможемо домогтися.

Точно в такий же спосіб відбивають енергію назад усередину кімнати й інші важкі граничні шари − шари по обидва боки шару пінопласту звукоізоляційної оболонки, що приклеєна до несучої стіни. Однак чим далі ми заглиблюємося в нашу складну конструкцію, тим менше шансів у акустичної енергії повернутися назад у приміщення.

От і виходить, що така складна конструкція, як показано на рисунку 1, дозволяє за рахунок високого ступеня внутрішнього звукопоглинання вирішувати не тільки проблеми внутрішньої акустики приміщень студії, але й проблеми звукоізоляції наших приміщень. Причому ця конструкція має поступово наростаюче звукопоглинання, оскільки її найбільш звуковідбивні поверхні розташовуються найдальше від внутрішнього простору кімнати

Раніше ми вже говорили про те, що прості звукопоглинаючі матеріали є, як правило, поганими ізоляторами, а гарні ізолятори – поганими звукопоглиначами. А нам у студії бажано мати і гарне звукопоглинання, і гарну звукоізоляцію. Звичайно, можна було б піти «традиційним шляхом» і встановити достатню кількість звукопоглинаючого матеріалу типу мінеральної вати, а за нею − просту звукоізоляційну стіну. Але в цьому випадку знадобилася б така кількість мінеральної вати, а звукопоглинаючий шар мав би таку товщину й відібрав би таку немислиму корисну площу в приміщенні, що в підсумку зі студійних приміщень зовсім би нічого не залишилося.

Зважаючи на те, що власники студій дорожать кожним сантиметром корисної площі студії, описана нами конструкція звукоізоляційної й акустичної оболонок є кращим вибором. Поміркуйте самі. Акустична та звукоізоляційна оболонки залежно від завдань можуть займати по периметру приміщення від 21 до 33 см. При «традиційному підході» по периметру було б «вкрадено» б вже не сантиметри, а метри корисної площі.

Приклади

Вищеописана методика поглинання енергії знайшла своє застосування не тільки в акустиці. Приведу кілька наочних прикладів.

У свій час творці бронетанкової техніки зайшли в безвихідь. Намагаючись протидіяти все більше та більше зростаючій пробивній моці протитанкових снарядів, вони були змушені все більше й більше потовщувати броню танків. На певному етапі це привело до того, що через велику вагу танки почали перетворюватися в неповоротких монстрів і стали гарними мішенями для артилерії − великими і малорухомими. Безвихідь? Ні, вихід найшовся. Броню танків почали робити навіть меншої товщини, але − багатошаровою. При влученні кумулятивного снаряду в танк концентрований кумулятивний струмінь пропалює першу металеву оболонку броні. Але слідом за нею йде оболонка з піску. Внаслідок цього кумулятивний струмінь втрачає свою спрямованість та − у зв’язку з тим, що пісок чинить йому менший опір, чим сталь − струмінь розтікається уздовж шару з піску. Якщо ж залишки кумулятивного струменя пропалюють і другу сталеву оболонку, то слідом за нею йде оболонка з кераміки, тому кумулятивний струмінь знову змушений поширити свою енергію чи ледве не по всій броні вже в цьому шарі. Виходить так, що якщо в монолітній броні пробивної моці снаряда протидіяли всього лише кілька квадратних сантиметрів броні, то в багатошаровій броні пробивної моці снаряду протистоїть майже вся площа башти танка. У цьому випадку пробивної моці снаряда вже явно недостатньо, і в підсумку досягається головне завдання: члени екіпажу залишаються живими.

По такій же методиці роблять енергопоглинаючі передні частини сучасних автомобілів, які при лобовому ударі сплющуються поступово, поетапно поглинаючи енергію удару й тим самим уберігаючи від більших травм пасажирів автомобіля.

Поглинання енергії − це в будь-якому випадку поглинання енергії, хоч це енергія звукових хвиль, енергія автомобільних зіткнень або енергія снарядів, що потрапили в броню. І у випадку з танками, і у випадку з автомобілями питання поглинання енергії − це питання життя й смерті людей, що перебувають у них. У цьому випадку все-таки чітко спрацьовує інстинкт самозбереження, тому конструкторські рішення приймаються правильні. А от при будівництві студій багато хто дозволяє собі розслабитися, і найчастіше приймають рішення, що просто шокують своєю неправильністю. За вікнами вже третє тисячоліття, а на сторінках нашої музичної преси дотепер цілком серйозно мусується тема обклеювання стін при будівництві студії набившими вже оскому чудотворними яєчними лотками з наступними захопленими відгуками про те, як «чудово» все вийшло. Це вже навіть не смішно :( . Невже після прочитання і цієї статті хтось ще буде займатися такими дурницями??? А в мене ось таке питання: цікаво, чи погодилися б автори цих публікацій перебувати під обстрілом у танку, броня якого виготовлена з тих самих яєчних лотків? :)

Що ще варто сказати про будову акустичної оболонки по периметру студійних приміщень? Ми ще не розглядали питання, якою ж повинна бути відстань між акустичною та звукоізоляційною оболонками? Звичайно, чим вона більша − тим краще. Особливо для поглинання низьких частот. Однак це дуже часто приймається «у багнети» власниками студій, і щось доводити тут − порожня витрата часу. Тому і я не буду давати тут ніяких рекомендацій. У кожному разі, під час будівництва студії у Вас буде багато відходів мінеральної вати, пінопласту, гідроізолу, пінополіуретану, повсті. Отож, всі ці відходи Ви можете закидати в простір між акустичною й звукоізоляційною оболонками. Не завадить . При укладанні мінеральної вати або іншого волокнистого матеріалу з тильної частини внутрішньої акустичної оболонки, 5-10 см простору між звукоізоляційною й акустичною оболонками звичайно цілком достатньо для забезпечення акустичного контролю студійних приміщень.

Особливо хочу відзначити, що на етапі створення акустичних оболонок у нас починається багато роботи з деревом. Тому – порада з життя: не пізніше цього етапу Ви повинні привести на студію…інспектора пожежного нагляду. «Пожежники» звичайно дуже дивуються, коли попадають на такий нестандартний об’єкт, але вже через кілька хвилин їм стає цікаво, і вони починають давати корисні поради. Увага! Обов’язково придбайте в пожежній частині розчин для протипожежної обробки. Відтепер кожний робочий день у Вас на будівництві повинен закінчуватися протипожежною обробкою дерев’яних конструкцій. Обов’язково! Подбайте також і про те, щоб «пожежник» не рідше, ніж раз в 10-15 днів відвідував Вашу студію. Це значно полегшить Ваше життя в майбутньому, особливо на заключному етапі − етапі приймання. Якщо дотримуватись цієї рекомендації, то приймання студії «пожежником» ніколи не буде для Вас проблемою. Єдиним «хабарем» в цьому випадку може бути хіба що плакат якого-небудь артиста з автографом. Перевірено не раз :) .

На цьому етапі − поки ще не зведені стіни акустичної оболонки − потрібно також запросити фахівців фірми, що буде монтувати Вам охоронну та протипожежну сигналізацію, систему вентиляції й кондиціювання.

І перед тим, як закінчити розмову про створення акустичної оболонки по периметру стін і перейти до стелі, я коротенько розповім, як же виготовляється ця оболонка в реальних умовах будівництва. Перше, чим потрібно зайнятися − це виготовлення каркаса з дерев’яних брусків. Починати потрібно із самої довгої стіни. Як вже говорилося раніше, розміри перерізу брусків можуть бути самими різними: від 4×4см до 5×10см. Адже не слід забувати, що нашій акустичній оболонці потрібно ще буде втримувати й чималу вагу стелі.

Припустімо, що ми робимо каркас із брусків з розмірами перерізу 5×5см. Бруски розташовуються паралельно один одному на підлозі й збиваються в торцях такими ж брусками, розташованими в поперечному напрямку. Відстань між осьовими лініями брусків – 60см. Чому саме 60см? По-перше, така відстань достатня для забезпечення твердості конструкції. По-друге, це зручно для монтажу аркушів гіпсокартону, довжина яких може бути й 250, і 260, і 300 см, а от ширина їх − завжди 120 см, що кратно 60 см. По-третє, потрібно пам’ятати, що для створення низькочастотної звукопоглинаючої системи нашим наступним кроком буде обшивання тильної сторони каркаса тришаровим «сендвічем» ( гіпсокартон-гідроізол-гіпоскартон), у якому другий шар гіпсокартону буде прибиватися перекриваючи стики першого.

Каркас стіни виготовляється на підлозі, у горизонтальному положенні (рисунок 8). У такому положенні й гіпсокартонні панелі, і гідроізол легко лягають на каркас, у такому положенні їх зручно прибивати до каркасу цвяхами. Цвяхи по можливості повинні бути з великими капелюшками, абразивними насічками, оцинковані. Якщо таких цвяхів немає, підійдуть і звичайні, але на їхні капелюшки потрібно заготовити шайби (або «квадратики» з оцинкованої жерсті 4×4см), а самі цвяхи забиваються поперемінно, навскоси. Далі поверх «сендвіча» наживлюється цвяхами шар товстої повсті або мінеральної вати середньої щільності. Після цього каркас піднімається й встановлюється на потрібному місці у вертикальному положенні − шаром мінеральної вати або повсті назовні. Каркас фіксується, для чого через нижній поперечний брус прибивається цвяхами до підлоги. Щоб уникнути його падіння, по кутах робляться розпірки.

Рисунок 9. Конструкція складеною балки з фанери та дерева. Переріз балки складає 30х15см. Балка вирізняється надзвичайною щільністю (усі компоненти склеєні між собою та збиті цвяхами)

Після того, як каркас акустичної оболонки встановлений у вертикальне положення, майбутні повітряні порожнини частково заповнюються повстю або мінеральною ватою середньої щільності. Фіксується мінералвата або повсть за допомогою дрібних цвяхів до бічних сторін вертикальних брусків. Після цього за допомогою невеликих цвяхів з великими капелюшками або шайбами поверх них до вертикальних стійок прибивається шар гідроізолу. При цьому рулони гідроізолу розкочуються горизонтально.

І на закінчення, поверх внутрішнього шару гідроізолу за допомогою дрібних цвяхів наживлюється шар мінеральної вати середньої щільності. До речі, якщо врахувати, що ширина листа мінеральної вати Rockwoоl також збігається з відстанню між вертикальними дерев’яними брусками (60см), це значно полегшує монтаж.

У такій послідовності виготовляються та встановлюються всі інші стіни акустичної оболонки, після чого в кутах вони щільно збиваються великими цвяхами. Така конструкція може витримати стелю вагою в кілька тонн.

Все, що було написано вище, стосується виготовлення «глухих» стін. Але в стінах акустичної оболонки студійних приміщень неминуче будуть вікна, двері, прорізи під повітряні канали, системи кондиціювання й т.д. Це говорить про те, що зробити акустичну оболонку студійних приміщень без попередньо підготовленого проекту практично неможливо. Інакше в нас не будуть збігатися прорізи під вікна й двері в акустичній оболонці та у простінках, які зведені при плануванні студійних приміщень. При цьому потрібно також урахувати неминуче осідання «плаваючої» підлоги під вагою всієї конструкції акустичної оболонки та великою вагою стелі, що має важкі низькочастотні пастки (рисунок 5). Висновок тут може бути лише один: проект студії повинні робити фахівці. Ну а ми переходимо до виготовлення акустичної оболонки стелі.

Акустична оболонка стелі

При виготовленні акустичної оболонки стелі використовуються ті ж принципи, що й при виготовленні акустичної оболонки стін, але технологія її виготовлення має свої конструктивні особливості та обмеження. Зв’язано це в основному з тим, що дерев’яний каркас акустичної оболонки стелі одночасно повинен утримувати в горизонтальному положенні велику вагу акустичної оболонки, вагу низькочастотних пасток, що підвішуються до стелі, а горизонтальні прольоти між стінами можуть досягати десяти та більше метрів. Тому при товщині стельових брусків в 5-15см, їхня ширина може бути від 10 до 30 сантиметрів. У деяких випадках, коли прольоти між стінами досить великі, можна розглядати як стельові бруски металеві двотаври. Але все-таки краще буде робити складені композитні бруски з дерева та фанери, як це показано на рисунку 9.

Єдина суттєва відмінність між конструкцією стін і стелі полягає в обробці внутрішньої сторони стельової конструкції, на чому ми й зупинимося.

Рисунок 10. Варіанти конструкції акустичної оболонки стелі

На рисунку 10 схематично показаний – як варіант − розріз такої стельової конструкції. Над стельовими брусками ми бачимо знайомий нам «сендвіч» ( гіпсокартон-гідроізол-гіпсокартон), який поступово укладається та прибивається цвяхами до стельових брусків зверху. По мірі укладання такого «сендвіча» рекомендується закидати поверх нього аркуші мінеральної вати середньої щільності щоб уникнути утворення резонансів у закритій порожнині між конструкціями стелі.

В арках між брусами можна укладати смуги гідроізолу та товстої повсті, при цьому вони прибиваються через планку цвяхами до бічних поверхонь стельових брусів, як і показано на рисунку 10(а). Якщо немає повсті, можна укласти кілька шарів мінеральної вати середньої щільності, а щоб вона не падала зі стелі, зробити під каркасом «сітку» з тонких планок або капронової мотузки, можна також зафіксувати аркуші мінеральної вати цвяхами, як показано на рисунку 10(b).15-20-сантиметрова глибина конструкції достатня для того, щоб віднімати певну частину енергії як у прямих середньочастотних хвиль, так і в тих, які майже без втрат відбиваються від твердої підлоги. Для заповнення стельових порожнин Філіп Ньюелл радить використовувати матеріал PKB2, основа якого нагадує гідроізол із привареним до нього з однієї сторони 2-сантиметровим шаром повсті. Але дістати в наших умовах такий матеріал складно, а коштувати він може недешево. Тому я й пропоную композицію гідроізолу з повстю або кілька шарів мінеральної вати. Розглянемо конструкцію акустичної оболонки стелі середньої по розмірам кімнати.

Оскільки дерев’яна підлога є найбільш відбиваючою поверхнею із всіх поверхонь кімнати, то необхідно належним чином урахувати це в конструкції протилежній їй стелі. Над внутрішньою стелею є вільний простір глибиною приблизно 30см. Якщо його набити звукопоглинаючим матеріалом − будь то мінеральна вата, обрізки пінопласту або інших використовуваних у будівництві матеріалів, − він буде забезпечувати гарне поглинання всіх тих нижніх середніх частот, яким удалося пройти крізь внутрішнє обшивання. Втім, порожнє місце над стелею залишено й для інших цілей: для прокладки вентиляційних каналів, повітряних каналів системи кондиціювання та т.ін. Разом з тим цей же простір можна використовувати й для набивання додатковою кількістю звукопоглинаючого матеріалу, що буде сприяти ще більшому вирівнюванню акустики кімнати.

Механізми звукопоглинання у волокнистих матеріалах

Останнім часом дехто висловлює думки, що застосування мінеральної вати для звукоізоляції − це банально. Чи це так? Давайте все-таки докладно розглянемо процеси, що відбуваються в ній, тому що це нам стане у пригоді ще не раз. Але почнемо ми здалеку.

У свій час, коли Ньютон на підставі сугубо теоретичних розрахунків вирішив обчислити швидкість звуку, то виявилося, що вона повинна становити 279 метрів у секунду при 0° C. У розрахунках він ураховував тільки пружність і щільність повітря. Однак практика показала, що справжня швидкість звуку дорівнює приблизно 332 м/сек. Висувалося багато припущень, щоб пояснити цю розбіжність, але всі вони були помилковими доти, поки П’Єр Симон маркіз де Лаплас (Peire Simon, the Marquis de Laplace), не застосував те, що ми зараз називаємо поправкою Лапласа.

А справа все в тім, що повітря при стисканні нагрівається, а при розрідженні − охолоджується. Поширюючись у повітрі, звукова хвиля то стискає, то розріджує його. Розрахунки Ньютона ґрунтувалися на пружності та щільності повітря. Пружність − це здатність чинити опір згинаючій силі та протистояти їй. І швидкість звуку почасти залежить від пружності повітря. Але коли ділянка високого тиску звукової хвилі стискає повітря, той збільшує свою пружність подвійно: по-перше, за рахунок збільшення своєї щільності, а по-друге, за рахунок тепла, що генерується при його стисканні. І помилка Ньютона саме в тому й складалася, що він в своїх розрахунках не врахував вплив цих температурних змін. Він ураховував тільки підвищення пружності в результаті зміни щільності.

Звичайно, при проходженні звукової хвилі по всім просторі в цілому ніякої середньої зміни температури не спостерігається. Однак на локальному рівні температурні зміни все-таки існують і вони є рівновеликими й протилежно спрямованими при кожному напівперіоді стиснення-розрідження. Звідси можна зробити помилковий висновок про те, що підвищення та зниження температури взаємно компенсують один одного. Можливо, Ньютон так і думав, але насправді це не так.

Коли повітря стискається, то його об’єм скорочується, а при розрідженні його об’єм збільшується. Внутрішньою силою, що протидіє змінам об’єму, є пружність середовища. Якщо трубу запаяти з одного кінця, а з іншого кінця ввести в неї повітронепроникний поршень, то при натисканні на поршень і його витягуванні повітря буде відповідно стискатися й розтискатися. Якщо поршень відпустити, він вернеться у вихідний стан – стан спокою. Якщо ж трубу наповнити газом більшої пружності, то для тих же пересувань поршня потрібно прикладати більшу силу, оскільки цей газ буде сильніше протидіяти таким змінам.

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 енергії в системі мас і пружин. Чотири кулі (А, В, С та D) відділені друг від друга пружинами і перебувають в скляній трубі. Система показана в стані рівноваги, без додатку сили; пружини перебувають в ослабленому стані

Передачу звуку по повітрю можна візуально уявити так, як це зображено на рисунку 11. Якщо пружини досить слабкі, то динамічне навантаження, прикладене ліворуч до кулі «A», передається на кулю «B», потім на кулю «C» і т.д., але при цьому передача енергії від однієї кулі до іншої відбувається з помітною затримкою. А тепер припустимо, що ми підігріли пружини і вони стали значно більш твердими. Тоді прискориться динамічне навантаження, прикладене до кулі «A», при більш твердих пружинах хвиля буде перекочуватися вже трохи швидше. І, нарешті, якщо встановити практично непохитні пружини, динамічне навантаження від однієї кулі до іншої буде передаватися майже миттєво, оскільки комбінація куль і пружин буде діяти практично як один цільний шток. Звідси висновок, що швидкість передачі зусилля в системі пропорційна твердості пружин.

Фактично частки повітря діють так само, як і ці кулі з пружинами, а пружність повітря є функцією опірності таких «пружин». Виходить, що зусилля, що прикладається до однієї частки повітря, як би стискає пружину, нагріваючи її та збільшуючи тим самим силу пружності, який протидіє наступна частка. Тому ефект нагрівання, викликаний стисканням, сприяє підвищенню пружності газу, а звідси − і швидкості поширення в ньому звуку.

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. Докладання сили до системи, показаної на рисунку 11. Коли сила прикладена до кулі «А», вона через пружину передає енергію кулі «В». Потім «В» через пружину « В-С» передає енергію кулі «С» і так далі, доти, поки весь ланцюжок куль і пружин не переміститься в напрямку прикладеної сили. Швидкість, з якої по ланцюжку передається енергія, залежить від твердості пружин (пружності зв'язків). У прикладі, показаному вище, видно, що пружина між кулями «А» і «В» стиснута. Тому сила, що діє на кулю «В», уже нічим не врівноважується, і куля «В» рухається до кулі «С», додаючи частину енергії, закладеної в пружині « А-В», на стискання пружини « В-С» доти, поки пружини « А-В» і « В-С» не стануть однаково стиснутими, і тоді куля «В» буде прагнути перейти в стан спокою. У цьому стані пружина « В-С» буде частково стиснута. Але тут вже куля «С» вийде зі стану рівноваги, тому що пружина «В-С» за ним стиснута сильніше, ніж пружина «С-D», що перебуває спереду, і тому він почне переміщатися в напрямку кулі «D». Завдяки прикладеній силі та імпульсу, закладеному в русі куль, система буде коливатися із властивої їй частотою доти, поки, нарешті, вона не прийде в стан спокою, зрушившись вправо після того, як буде витрачена прикладена сила

Процес розрідження можна уявити так: при розрідженні зусилля витягування додається до кулі «А», що тягне за собою кулю «B», а той – наступну кулю, і т.д. У стані спокою сила пружності, що діє на кулю «B», утримує його на місці, оскільки пружини «A-B» і «B-C» перебувають у рівновазі. При «витягуванні» ж кулі «A» від кулі «B», сила пружності, що діє на кулю «B», зменшується з боку, зверненого до кулі «A», тому пружина «B-C» починає діяти на кулю «B» у напрямку кулі «A» з більшим зусиллям доти, поки не буде відновлена рівновага. У міру того, як куля «B» переміщується до кулі «A», зусилля «B-C» стає менше, тому виниклий надлишок сили «D-C» починає штовхати кулю «C», що рухається в напрямку кулі «B». Енергія хвилі буде поширюватися по трубі доти, поки всі кулі не встануть знову на однаковій відстані друг від друга. Отут-то саме й виявляється те, що холод розрідження «працює» не на погашення теплоти стискування, а діє як би з нею заодно. Подивимося на рисунок 12.

При розрідженні щільність пружини «A-B» знижується, а тому й сила, що діє на «B» з боку «C» буде більше, ніж з боку «A». Охолодження, викликане розрідженням, ще більш знижує пружність, послабляючи пружину, і діє в тім же напрямку, що й зниження щільності, тим самим ще більше зменшуючи силу «A-B». А це означає ще більший перепад між силою «A-B» і силою «B-C», тому «B» відштовхується від «C» з більшим зусиллям, чим якби це було лише при зміні щільності внаслідок розрідження.

Тепер ясно, що тепло, що утворюється при стисканні, і холод, що виникає при розрідженні, погоджено «працюють» у тому ж самому напрямку, що й зміни щільності, чим підсилюють ефект останнього. Через це додаткове “сприяння”, викликане змінами пружності через виділення теплової енергії, швидкість звуку в повітрі виявилася вище тієї, що була вперше розрахована Ньютоном тільки на підставі пружності й щільності. Тепло й холод у цьому випадку не компенсують один одного, а разом «працюють» на збільшення швидкості звуку в будь-якому середовищі.

А тепер ближче до нашої мінеральної вати . У матеріалі на зразок мінеральної вати волокна діють як провідники, відводячи теплову енергію у хвиль стискання і віддаючи її хвилям розрідження. Цим нівелюється значна частина теплових коливань, які б могли підсилювати зміни пружності, а значить − зменшується кількість енергії, що йде на поширення звуку. Через це поширення звуку переходить із адіабатичної площини (чергування нагрівання-охолодження) в ізотермічну (площина постійних температур), що вже саме по собі сповільнює швидкість звуку. Тому якщо корпус акустичної системи наповнити волокнистим поглинаючим матеріалом, то такий корпус виявиться акустично більшим, ніж він є фізично, тому що швидкість звуку всередині нього вповільнюється ізотермічним характером його поширення у волокнистому матеріалі.

Але це – не єдина властивість волокнистих матеріалів. Вони ще характеризуються проявом «ефекту лабіринту». Суть його в тім, що на шляху поширення часток повітря багато перешкод, які ці частки змушені обгинати по «непрямим» маршрутах. Змушене подовження шляху звуку, що проходить крізь волокна, збільшує й в´язкістні втрати, з якими зіштовхується повітря в міру того, як звукові хвилі намагаються відшукати собі шлях серед волокон.

Існують також і внутрішні втрати енергії через те, що вібрації повітря змушують вібрувати волокна мінеральної вати, що відбирає енергію звукової хвилі.

Є й фрикційні втрати, що виникають при терті волокон один об одного. Для всього цього руху волокон потрібна енергія, і вони знаходять її, перетворюючи акустичну енергію в теплову.

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

Рисунок 13. Безлунна камера «ISVR». Велика безлунна камера в Інституті Дослідження Звуку та Вібрації Саутгемптонського університету в Великобританії

Всі вищевказані втрати звукової енергії пропорційні швидкості, з якою частка вібруючого повітря намагається пройти крізь матеріал. І чим вище швидкість часток повітря, що ввійшли в нього, тим більше коефіцієнт поглинання цього матеріалу. Дещо заплутано? Тоді задамося питанням: чому бетонна стіна не поглинає звукову хвилю? А справа в тому, що коли звукова хвиля досягає стіни, стіна різко припиняє її рух і відбиває її назад. У цій точці зміни напрямку великий тиск, а от швидкість руху часток практично дорівнює нулю. Те ж саме відбувається й з м’ячем, що відскакує від стіни, і з кулею, що рикошетом відлітає від сталевої рейки. Із цього зробимо висновок, що чим різкіше відбувається зміна опору середовища поширенню руху звукової хвилі, тим більше енергії звукової хвилі відбивається назад і тим гірше звукопоглинання. І навпаки, чим «м’якше» відбувається зміна цього опору, тим менше звукової енергії відбивається й тим краще звукопоглинання. Цей висновок має для нас важливе практичне значення.

Тепер стає зрозумілим, чому внутрішні оболонки стін безлунних камер робляться з волокнистих матеріалів, які мають форму клинчастих пуансонів (див. рисунок 13). Зміна опору середовища при зіткненні звукової хвилі з цими пуансонами відбувається дуже плавно. Звукова хвиля як би засмоктується цими пуансонами і до моменту її приходу до основних звукопоглинаючих конструкцій опір звуковій хвилі в основі пуансонів зростає та вирівнюється з опором поглинаючих конструкцій. Раджу добре вчитатися й розібратися з вищесказаним, тому що надалі цей прийом нам знадобиться, особливо коли мова йтиме про акустичну обробку задніх стін та стель контрольних кімнат.

По цій же причині ефект поглинання, який створює волокнистий матеріал, тим вище, ніж далі він розташований від стін, що відбивають. І якщо прийняти цю відстань за чверть довжини хвилі, то це й буде та найнижча частота, що ця конструкція в змозі поглинати.

А от ефективність роботи звукопоглиначів мембранного типу (на зразок нашого «сендвіча» гіпсокартон-гідроізол-гіпсокартон) залежить від сили, з якої на них напирає звукова хвиля. Тому для максимальної ефективності звукопоглинання їх варто розташовувати ближче до точки максимального тиску − тобто біля стіни.

Як ми бачимо, механізми звукопоглинання можуть бути зовсім різними. І їхня ефективність залежить не тільки від фізичних властивостей матеріалів, але й від того, в яких місцях приміщення вони будуть застосовані.

Щоб закінчити розділ про звукопоглинання, задамося ще одним питанням: який зв’язок між ефективністю звукопоглинаючих матеріалів волокнистого типу та їхньою щільністю й товщиною? Чи є цей зв’язок прямо пропорційним? Відповідь на ці питання важливо знати ще й тому, що це допоможе знайти нам баланс між ефективністю й вартістю поглинальних матеріалів, а також тим об’ємом, що вони можуть займати.

Візьмемо, наприклад, мінеральну вату. Ціна одного кілограма мінеральної вати є приблизно однаковою незалежно від її щільності. З одного боку, застосування мінеральної вати меншої щільності дасть більший ефект, чим застосування мінеральної вати більшої щільності з тією же масою. Однак у першому випадку буде зайнятий більший об’єм, чим у другому.

На частоті 125Hz мінеральна вата товщиною 3см може мати коефіцієнт поглинання 0,07. А от мінеральна вата товщиною в 12см (в 4 рази більше) при тій же щільності буде мати коефіцієнт поглинання 0,38, що в 5 разів більше. Тут ми маємо майже пряме співвідношення. З іншого боку, при однаковій товщині мінеральна вата щільністю 30кг/м3 може мати коефіцієнт звукопоглинання 0,07, а мінеральна вата щільністю 120 кг/м3 – усього лише 0,10. У цьому випадку чотириразове збільшення щільності дало приріст звукопоглинання менше, ніж на половину.

Висновок: при однаковій вазі та практично однаковій ціні чотири шари матеріалу з низькою щільністю, що займає чотириразовий об’єм, дадуть більш ніж в 10 разів більше поглинання на частоті 125 Hz, чим, образно говорячи, ті ж чотири шари, спресовані до об’єму одного, тобто до шару із чотириразовою щільністю.

Існують спеціальні таблиці коефіцієнтів звукопоглинання різних матеріалів з різною щільністю. Та й практичний досвід тут зайвим не буває.

Закінчення

Останнім часом наша промисловість розпочала випуск спеціальних звукоізоляційних матеріалів. Як правило, вони випускаються у вигляді стельових та стінових плит розмірами 60×60, 60×120 і 120×120см. Ці матеріали дійсно як найкраще підходять для акустичної обробки офісів, виробничих та інших приміщень, тому що акустичні вимоги до таких приміщень не можна порівнювати з тими вимогами, які ми пред’являємо до акустики студійних приміщень. Добре продумані не тільки акустичні властивості цих матеріалів, але й технологія їхнього монтажу.

На жаль, на цьому почали спекулювати деякі фірми, що спеціалізуються нібито на будівництві студій. Вся «проектна робота» подібних фірм полягає в тому, що в приміщенні робиться євроремонт із застосуванням цих матеріалів, після чого це приміщення називається «проектувальниками» студією. Розглянемо це питання з трьох точок зору: звукопоглинання, звукоізоляції та дизайну.

Ми вже говорили про те, що при різкій зміні акустичного опору частина звуку відіб’ється назад у приміщення, що в більшості випадків нам небажано. Мало того, навіть від такого матеріалу як мінеральна вата середньої щільності теж є відбиття, нехай і дуже незначні. Тому надалі в найбільш критичних з погляду звукопоглинання поверхнях ми будемо застосовувати спеціальні пастки, щоб ще більше знизити кількість можливих відбиттів. Лицьова сторона вироблених промисловістю матеріалів має більшу твердість, чим та ж мінеральна вата. Значить і відбиттів звуку від них назад у приміщення буде більше. Але ж наш мета була іншою, чи не так?

Якщо поглянути на «сендвіч» акустичної оболонки та на шар гіпсокартону звукоізоляційної оболонки як на поглиначі мембранного типу, то ми помітимо, що їхня площа практично відповідає площі тих поверхонь, в яких вони встановлені. Нам відомо, що ефективність поглиначів мембранного типу (особливо в діапазоні низьких частот) залежить від їхньої ваги й площі. Поглинач розмірами 5×5м набагато ефективніше на низьких частотах 25-ти поглиначів розмірами 1×1м. Виходячи із цього, можна зробити висновок, що застосування промислових модульних акустичних матеріалів не вирішить багатьох проблем акустики студійних приміщень.

Дизайн студій, поверхні яких оброблені такими матеріалами, теж залишає бажати кращого. Технократичний вид студійних приміщень навряд чи буде сприяти натхненню музикантів, а студії будуть схожі одна на одну. Але ж дизайн студії − це теж дуже важливо, особливо якщо врахувати, скільки часу проводять у студіях звукоінженери та музиканти. Існують навіть концепції, в якій колірній гамі варто вирішувати дизайн конкретної студії залежно від того, з якими стилями музики передбачається в ній робота. Чи варто нам відмовлятися від цього досвіду? Втім, питання дизайну будуть розглянуті нами в одній з майбутніх статей.

Здогадуюся, що різні люди по-різному реагують на цей цикл статей. Є й такі, які говорять, що це все дуже дорого, що від усього цього віє ідеалізмом і т.д. Тому я спеціально в цій статті описував і аргументував роботу та застосування кожного шару як в акустичній, так і в звукоізоляційній оболонці. Помітьте, що застосовували ми цілком доступні будівельні матеріали, які продаються скрізь за досить помірними цінами. Не було та й не буде ніякої «екзотики» у вигляді свинцевих пластин, RPG-дифузерів, рідких порід дерева, полуторатонних дверей чи 12-сантиметрового скла. Навіть вікна та двері ми будемо робити самостійно, про що й розповімо в наступній статті.

Існують різні концепції будівництва студій, «ідеологами» яких є такі всесвітньо відомі акустики-дизайнери, як Тойошима, Хідлі, Кіношита та інші. Але, на мою думку, розглянута тут технологія будівництва студій, запропонована Філіпом Ньюеллом, є найбільш адаптованою до умов нашої країни − своєрідною «золотою серединою». Підтвердженням цьому служить і все більша кількість студій, які проектують саме за цією технологією.

Стаття опублікована в журналі «Install Pro», №27 (2-2004)

Popularity: 58% [?]

Розповісти іншим:
Digg Google Bookmarks reddit Mixx StumbleUpon Technorati Yahoo! Buzz DesignFloat Delicious BlinkList Furl

Відгуків немає до “Урок 4. Акустична оболонка”

Ваш відгук:

Name (required):
Mail (will not be published) (required):
Website:
Повідомлення (обов'зково):
XHTML: You can use these tags: <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