newnaokna

Окна, которые защищают от шума

Под слышимым звуком понимают механическое возмущение, обычно колебания или волны, которые распространяются в упругой среде и воспринимаются слухом - так нам объясняет сущность звука физическая энциклопедия. В последние десятилетия защита от шума является одной из актуальнейших проблем во всех странах мира.

Итак, есть звук, и есть преграда. Введем, для начала, некоторые определения, с помощью которых можно охарактеризовать проблему, вынесенную в заголовок данной статьи. Уровень интенсивности звука выражается логарифмической величиной в децибелах:

где за величину lп принята интенсивность звука, равная 10-12 Вт/м2 и соответствующая звуковому давлению 2·10-5 Па на частоте 1000 Гц.

Коэффициент звукопередачи, или звукопроводности составляет:

где l - интенсивность прошедшего через конструкцию звука, а lо - интенсивность падающего на эту конструкцию звука.

Коэффициент ослабления звука t показывает, во сколько раз уменьшилась интенсивность звука при прохождении через преграду, и является величиной, обратной коэффициенту звукопередачи (выражается в децибелах):

Приведем данные о соотношении между источниками шума и их интенсивностью (табл. 1), а также характеристики шумов в зданиях, полученные экспериментально (табл. 2).

А для оценки сложности проблем звукоизоляции от внешнего шума приведем ориентировочные данные, характеризующие уличный шум (табл. 3).

Еще одна таблица иллюстрирует степень ослабления звуковой энергии при прохождении через различные материалы (полоса частот 100 Гц - 3 кГц, (табл. 4).

Звукоизоляция может быть оценена с помощью т. н. акустического коэффициента отражения, или коэффициента звукоизоляции K = L/Lo, где L и Lo - уровни интенсивности звука, отраженного от ограждения и падающего на него.

Кроме того, большое значение имеет коэффициент поглощения звуковой энергии a, равный разности между единицей и коэффициентом отражения, или звукоизоляции.

За единицу коэффициента поглощения принято поглощение 1 м2 открытого, не возвращающего энергию окна. Произведение среднего коэффициента поглощения (конструкция окна, как правило, неоднородна) на площадь поверхности A = a S определяет общее звукопоглощение конструкции.

Отсюда вытекает вполне очевидная истина: чтобы защитить строительную конструкцию, в нашем случае это жилое помещение, нужно применять строительные материалы с максимальным коэффициентом ослабления, уменьшить размеры ограждающей конструкции (что не представляется возможным ввиду заданной геометрии помещения) и увеличить звукопоглощение поверхности. Потешив читателя теорией, вернемся к практике.

Звук излучается: музыкальными инструментами, человеческим горлом, ударом предмета о предмет, о пол, о стену, после чего распространяется по воздуху до других твердых предметов. Воздушная звуковая волна генерирует колебания в следующем твердом теле, и оно начинает излучать самостоятельно. Таким образом, получается многоступенчатая передача звуковой энергии: источник - воздух - твердое тело - воздух и так далее. В конце концов, энергия рассеивается, становится соизмеримой с фоном, и звук не слышен.

Падающая на какую-либо преграду звуковая энергия делится на три составляющих. Первая часть - отраженная энергия. Чем ее больше, тем выше звукоизоляция. Вторая часть - энергия рассеивания внутри конструкции при прохождении волны от одной ее поверхности к другой. Чем выше рассеивание, тем выше звукоизоляция. И, наконец, третья часть - это энергия, прошедшая сквозь преграду.

Проблема звукоизоляции, с математической и физической точек зрения - проблема довольно сложная. Теоретически эта задача была решена давно. Однако в реальной жизни мы сталкиваемся с трудностями. Тела не имеют абсолютной упругости. Поэтому кроме теоретической акустики есть еще и практическая. И здесь очень многое определяется знанием строительных технологий и материалов. Поймите азы практической акустики и экспериментируйте.

Для многих непрофессионалов, понимающих акустические проблемы на бытовом уровне, термины звукоизоляция и звукопоглощение практически неразличимы.

Если под поглощением понимать антоним термину отражение (то есть поглощение звука там, где он излучен - на улице, в комнате) и не рассматривать звук, вышедший за преграду, то следует четко понимать: хорошая звукоизоляция не обязательно подразумевает хорошее звукопоглощение. И наоборот.

Что ж, практика, так практика. Итак, условия задачи: человек живет в самой обычной квартире. Находясь внутри комнаты, ему надо слушать музыку, репетировать, играть на музыкальных инструментах, отдыхать. Давайте рассмотрим проблему с точки зрения звукоизоляции. Как обеспечить спокойствие соседей и перестать слышать даже шорох тапочек живущей наверху бабули?

С точки зрения звукоизоляции, наследство, которое нам досталось от периода массового строительства - плохое наследство. Дело в том, что звукоизоляция, в основном, определяется массивностью конструкции. При одной и той же силе звуковых волн, повышение массивности конструкции снижает ее вибрацию и уменьшает силу звука, излучаемого ею. Поэтому, увеличивая массу конструкции, вы увеличиваете звукоизоляцию. Но у нас уже есть готовые стены и перекрытия, и увеличить их массивность - задача достаточно сложная, тем более, что при наращивании массы конструкции в 2 раза звукоизоляция увеличивается всего лишь на 6 дБ.

Эта закономерность действует практически на всем спектре частот, за исключением частоты волнового совпадения, где появляется резонанс и происходит резкий провал звукоизоляции. К сожалению, провалы возникают на средних частотах, как раз там, где мы разговариваем - в диапазоне от 250 Гц до 1-2 кГц. И увеличивая толщину преграды, мы понижаем граничные частоты. Что же касается высоких частот, то здесь с физической точки зрения все проще: их легче гасить и они быстрее затухают при прохождении от источника к преграде.

Частота волнового совпадения рассчитывается по формуле:

где c - скорость звука при 20 °С (340 м/с); с1 - скорость распространения звуковых волн в данном материале, м/с; h - толщина материала.

Так как для данного материала величина c2/1,8с1 будет постоянной, тогда, обозначив ее как А = c2/1,8с1, получаем формулу для расчета резонансной частоты:

Значения величины A для различных материалов приводятся в таблице 5.

Но вернемся к нашему дому. Если вы живете в здании дореволюционной постройки или первых лет советской власти, и вам достались массивные кирпичные стены и толстые (30-40 см) деревянные либо металлические засыпные перекрытия, то звукоизоляция вашей квартиры в целом хорошая. Но если мы будем говорить о зданиях облегченной конструкции тридцатых и последующих годов, то, скорее всего, звукоизоляция квартиры будет крайне мала. С одной стороны, существовали и существуют строительные нормы и правила, в которых жестко оговорен минимум индекса изоляции ограждающих конструкций. Например, для воздушного шума в жилых зданиях индекс составляет 50 дБ. Это - санитарная норма, нижний порог более-менее комфортабельного существования. Но эта норма рассчитана на обычный шум, а не на музицирование, застолье и шумную улицу. Кроме того, эти 50 дБ достигаются только при точном соблюдении технологии строительства. Таким образом, большинство наших людей страдают от того, что слышат больше, нежели хотелось бы. К сожалению, пути решения проблемы весьма тернисты и без увеличения массы стен, потолков и специального остекления серьезной звукоизоляции в большинстве диапазонов частот достичь, строго говоря, невозможно.

Если говорить об ударном шуме, возникающем не от излучения в воздух (разговор, игра на музыкальном инструменте, радио, телевидение и так далее), а от непосредственного контакта предмета о предмет (ходьба, удары в стену, метро или трамвай), то здесь ситуация самая плохая. Дома последних серий собраны из жестких железобетонных элементов с хорошей проводимостью звука, а монолитные и сварные стыки способствуют хорошему прохождению звука. Поэтому удар и сверление на десятом этаже приводит к слышимости на третьем, и с этим, скажем откровенно и прямо, в бытовых условиях бороться практически невозможно. Фактически, чтобы убрать ударные шумы, надо создавать комнату в комнате. Но учитывая, что такие шумы возникают эпизодически, а борьба с ними требует неимоверных затрат, в дальнейшем не будем обсуждать эту проблему.

Что же касается речевых шумов или звука радиоприемника и машин, здесь бороться можно и нужно. Повторяю: нельзя обойтись без увеличения массивности. Но рост массы в 2 раза увеличивает в 2 раза и толщину конструкции. И если толщина межквартирной стены 16 сантиметров (в ряде современных проектов - 2 отдельные стены по 8 сантиметров), необходимо нарастить толщину бетонной стены до трети метра! А это невозможно, ибо нарушает устойчивость здания, отнимает 16 сантиметров пространства с каждой стороны комнаты и, наконец, стоит немалых денег.

Поэтому надо пытаться обхитрить природу, и один из возможных путей - применение многослойных конструкций.

В многослойных конструкциях присутствуют твердые слои с высокой массой и мягкие слои с высоким звукопоглощением. Для окна это - стеклопакет с ламинированными стеклами, у которого пространство между стеклами заполнено аргоном. При этом на границе слоев происходит отражение звуковой волны в обратную сторону. А само наличие звукопоглощающего материала приводит к общему повышению коэффициента потерь, что снижает падение звукоизоляции на частотах волнового совпадения. При таком подходе главным условием является обеспечение раздельности существующей и дополнительной стен. Ведь если их соединить жестко через деревянные или металлические стойки гвоздями или шурупами, то в результате большой разницы масс дополнительной и существующей конструкций достигаемый звукоизолирующий эффект вряд ли превзойдет 4 дБ. Если же существующая и дополнительная стена отделены друг от друга, то эффект будет значительно выше.

Звукоизоляция окон и дверей - очень важная вещь, так как защита от воздушного уличного шума определяется не стенами, которые выходят на улицу, а именно окнами. Эта проблема имеет два решения. Первое - замена обычных окон на специальные звукоизолирующие стеклопакеты. Второе, наиболее дешевое и, тем не менее, весьма эффективное решение - ремонт стандартных некачественных деревянных окон со спаренными или раздельными переплетами. Ремонт включает установку более толстых стекол различной толщины ( это защитит конструкцию от резонанса), установку стеклопакетов на герметик (например, на силикон), прокладку звукопоглотителя по периметру коробки между стеклами и устройство двойного контура уплотнения в притворе. Комплекс этих кропотливых тонких работ приводит к увеличению звукоизоляции на 10 дБ, а это совсем немало, так как можно получить звукоизоляцию в 45 дБ (при стандартной звукоизоляции окна 27-35 дБ) . Что же касается замены окна, мы бы посоветовали деревянные или алюминиевые рамы с тройным остеклением. Не хочу сказать, что пластиковые окна плохи, просто ПВХ - материал легкий, а деревянные и алюминиевые окна более массивны и, как следствие, имеют лучшие звукоизоляционные свойства.

Какие советы можно дать при изготовлении <шумозащитного> стеклопакета?

При замене монолитного стекла на многослойное стекло (ламинированое, триплекс) одинакового веса и толщины звукоизоляция увеличивается на 3 дБ.

Увеличивая количество слоев поливинилбутиральной пленки в многослойном стекле, можно увеличить звукоизоляцию на 1 дБ на каждый новый слой пленки (толщина пленки 0,38 мм).

Многослойное стекло, ламинированное смолой (с толщиной смолы до 2 мм) на 3 дБ улучшит звукоизоляцию в сравнении с многослойным стеклом такой же толщины, ламинированным поливинилбутиральной пленкой.

Замена монолитного стекла на многослойное стекло в стеклопакете увеличивает звукоизоляцию на 4 дБ, увеличив расстояния между стеклами в два раза можно повысить звукоизоляцию на 3 дБ.

Увеличив вес стекла в стеклопакете с монолитным стеклом в два раза, можно на увеличить звукоизоляцию 1 дБ.

В стеклопакете с многослойным стеклом при расстоянии между стеклами менее 24 мм увеличение веса стекла в два раза приведет к подъему звукоизоляции на 3 дБ, при расстоянии больше 24 мм - только на 1 дБ.

Хорошие результаты, с точки зрения звукоизоляции, достигаются при заглублении окoн в стену здания или при расположении их под разным углом к источнику звука (для окон, находящихся в одном помещении). Хорошо помогают дополнительные преграды в виде защитных ролет или жалюзи.

Завершая разговор о звукоизоляции, хотелось бы предостеречь потенциальных заказчиков от общей ошибки. Дело в том, что очень часто неискушенный проектировщик путает теплоизоляционные и звукоизоляционные материалы и конструкции. К сожалению, это вносит большую и вредную путаницу. Так что рекомендую очень четко разделять понятия тепло- и звукоизоляции. Кроме того, к звукоизоляции не имеют никакого отношения ни обои, ни тонкослойные конструкции, ни всяческие пленки.

Перейдем от звукоизоляции к звукопоглощению.

Звукопоглощение - это отсутствие отражения акустических колебаний от преграды назад в воздушную среду. Войдите в пустую, бетонную комнату - и возникающая там реверберация (послезвучание) наложится на речь, снизит разборчивость, приведет к быстрой утомляемости. Таким образом, увеличивая звукопоглощение, мы создаем более приятную и комфортную акустическую среду. Другими словами, снижение шума достигается не только через усиление звукоизоляции, но и через звукопоглощение.

Но в сильно заглушенном помещении, благодаря отсутствию запаздывающих отраженных сигналов, звук теряет свою сочность. Поэтому реверберация очень важна при восприятии <живого> вокала, звука музыкальных инструментов, речи (в театрах, концертных залах и т. д.). А вот в случае с жилыми комнатами ситуация обратная. Поэтому в жилые помещения следует максимально заглушать, минимизируя отражения. Если не удается усилить звукоизоляцию окна, попытайтесь усилить звукопоглощение в помещении.

Заглушение достигается путем применения звукопоглощающих материалов - сегодня на строительном рынке их очень много. Это мягкие пористые материалы, конкурирующие между собой и по звукопоглощающим свойствам, и по цене, и по дизайну. Это ковры на полу или стенах. Звукопоглотителями являются мебель (и не только мягкая), шторы, занавеси и даже присутствующие в комнате люди.

Правильное (не максимальное, а именно правильное) звукопоглощение особенно важно в больших помещениях - здесь только искусство акустика способно создавать комфортное восприятие звукового источника. К сожалению, длина стен современных жилых комнат обычно не превышает 4-6 метров. И на низких частотах у вас будут серьезные проблемы, так как волна может не уложиться между стенами комнаты (длина волны с частотой, например, 100 Гц составляет 3,4 м) и при отражении будет происходить хаотическое наложение амплитуд и возникнет эффект так называемого <бубнежа>. Поэтому при выборе системы звукопоглощения надо обязательно учитывать физические параметры помещения и не пытаться добиться невозможного.

Если же у вас есть возможность жить на даче или в загородном доме, то лучше жить именно там, так как самый лучший способ защиты от шума - это находится от него как можно дальше.

Н.Н. Казимиров,
кандидат технических наук