Звукоизоляция. Акустические характеристики стекла

2.5 — Шумоизоляция

2.5.1 Основы акустики

Звук, давление и частота

Движения вибрирующего тела нарушает среду вокруг него. Эти нарушения постепенно распространяются во всех направлениях от источника до принимающего тела, например, уха. Скорость их распространения зависит от физических свойств среды (в воздухе температурой 20 °C скорость распространения составляет 340 м/с). Они не могут распространяться в вакууме.

При определенных условиях эти нарушения могут восприниматься слухом, вызывая явление, называемое нами «звук». Звук, воспринимаемый ухом, представляет собой колебания давления на барабанной перепонке, передаваемое движениями среды, обычно, воздуха. Барабанная перепонка использует эти изменения давления, а нервно-акустическая система трансформирует его в акустическое восприятие.

Для замера звука необходимо руководствоваться двумя значениями:

его давлением, выраженным в паскалях, или, более часто, уровнем давления звука, выраженным в децибелах
его частотой, зависящей от длительности полной вибрации. Частота измеряется как количество вибраций в секунду и выражается в герцах (Гц).

Чем выше частота, тем выше тон звука.

Выделяют три диапазона частот:

низкие частоты, менее 300 Гц
средние частоты, от 300 до 1200 Гц
высокие частоты, свыше 1200 Гц.

Диапазоны частот

Распространение звука в воздухе можно сравнить с волнами на поверхности воды:

Частота и интенсивность

Порог слышимости человеческого уха соответствует давлению в 2 10-5 Па. Ухо способно без ущерба выдержать давление до 20 Па, при этом болевой порог составляет порядка 200 Па. Человеческий слух настолько чувствителен, что минимально различимая разница давлений составляет менее одной 10-миллионной от болевого порога.

С точки зрения частоты в среднем человеческий слух способен воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 16000-20000 Гц.

Акустическое давление

На практике акустическое давление не используется для замера интенсивности звука по следующим причинам:

диапазон давлений слишком обширен: от 2 10^-5 до 20 или даже100 Па
взаимоотношение между человеческим слухом и звуковым давлением носит не линейный, а логарифмический характер.

Уровень акустического давления Lp рассчитывается по формуле:

где р давление звука (Па) Итоговое значение выражается в децибелах (дБ).

Пример: если звук развивает давление в 10 Па, его акустическое давление будет равно:

Следующая таблица показывает взаимодействие между давлением звука (Па), уровнями акустического давления (дБ), физиологическими последствиями и примерами соответствующих звуков.

Давление звука и уровень акустического давления

Эффект	Пример	Давление звука p (Па)	Акустическое давление Lp (дБ)
Болевой шок		200000	200
			190
		20000	180
			170
		2000	160
			150
Болевой порог		200	140
	Двигатель самолета		130
Опасность	Клаксон	20	120
	Газонокосилка		110
	Прибывающий состав	2	100
	метро
	Большой оркестр		90
	Плотный поток машин	0,2	80
	Оживленная улица		70
	Громкие голоса	0,02	60
	Тихая квартира		50
	Обычные голоса	0,002	40
	Тишина в горах		30
	Шепот	0,0002	20
	Тишина пустыне		10
Слуховой порог	Абсолютная тишина	0,00002	0

Децибелы на практике

Когда несколько независимых источников формируют давление звука (р₁, р₂, p₃,...), одновременно, результирующее давление p рассчитывается формуле p² = p₁² + p₂² + р₃² + ..., а результирующее акустическое давление - по формуле:

Это означает, что неправильным было бы складывать все значения акустического давления, выраженные в дБ.

Два звука с одинаковым звуковым давлением в сочетании производят шум, величина которого всего на 3 дБ выше уровня шума от каждого составляющего звука.

Пример: если шум обладает давлением звука в 0,2 Па, его акустическое давление рассчитывается по формуле:

При слиянии двух звуков давлением в 60 Па акустическое давление рассчитывается по формуле:

Пример сложения акустического давления

Важно: даже если разница между двумя звукоизоляционными материалами в 3 дБ эквивалентна 50% снижению интенсивности звука, данное правило не применимо к звукам, воспринимаемым человеческим слухом. Для слуха разница в:

1 дБ практически неразличима
3 дБ едва различима
5 дБ четко различима
10 дБ эквивалентна 50% снижению воспринимаемой интенсивности звука
20 дБ эквивалентна 75% снижению воспринимаемой интенсивности звука

Таким образом, разница в 20 дБ примерно эквивалентна диапазону, в котором работают продукты из шумоизоляционной линейки стекла AGC.

Акустический комфорт

В следующей таблице приведены максимальные уровни акустического давления в зависимости от типа помещения или вида деятельности

Максимальный уровень акустического давления в помещениях

Помещение	Уровень акустического давления(дБ)
Спальни, библиотеки	20 - 30
Квартиры, жилые комнаты	20 - 40
Школы	25 - 40
Кинотеатры и конференц-залы	30 - 40
Изолированные кабинеты	30 - 45
Общие кабинеты	40 - 50
Кабинеты с печатающими сотрудниками, большие магазины, рестораны	45 - 55

Звуковой спектр

В реальности воспринимаемые нами звуки не состоят из повторяющихся частотных циклов и не характеризуются идентичным уровнем давления, а представляют собой различные частоты и звуковые давления, наложенные друг на друга и создающие непрерывный спектр из всех частот.

Для полного отображения звука необходимо использовать диаграмму, называемую акустическим спектром, отражающую уровень давления (или шумоизоляции) в зависимости от частоты.В следующей таблице приведен пример акустического спектра.

Пример акустического спектра

Коэффициент звукоизоляции

Вводная информация

Спектры звукоизоляции в полном объеме отображают акустические характеристики остекления. Данные, приведенные в спектре звукоизоляции, обработаны для простоты использования и облегчения выбора наиболее подходящего для шумоизоляции остекления. По этой причине предпочтительным является выделение из кривых различных индексов, «суммирующих» спектр звукоизоляции. Преимущество индексов заключается в возможности более простой классификации акустических свойств различных элементов. Акустические характеристики выражаются коэффициентом шумоподавления R_w (C; Ctr), детально описанным в стандарте EN ISO 717-1.

Коэффициенты шумоподавления R_w (C; Ctr)

Коэффициент шумоподавления в соответствии с европейским стандартом EN ISO 717-1 в реальности объединяет три показателя и определяется следующим образом:
R_w (C; Ctr) , где

R_w коэффициент шумоподавления также называемый средневзвешенным коэффициентом понижения звука
C поправочный коэффициент спектра розового шума (звуков более высокой частоты)
Ctr поправочный коэффициент спектра транспортного шума (звуков более низкой частоты)

Два поправочных коэффициента введены для того, чтобы учесть типы звуков, требующих изоляции:

первый коэффициент (розовый шум) соответствует преобладающим высоким и средним частотам
второй коэффициент (дорожный шум) соответствует преобладающим низким и средним частотам.

Для определения уровня шумоизоляции к средневзвешенному показателю прибавляются поправочные коэффициенты, выбираемые в соответствии с источником шума.

Таким образом, эффективность шумоизоляции конкретного остекления, выражаюется формулой (R_w + C) или (R_w+ Ctr). В следующей таблице приведены рекомендации по выбору поправочных коэффициентов в зависимости от источника шума.

Выбор поправочного коэффициента для определения коэффициента шумоподавления в зависимости от источника шума

Источник шума	R_w + C	R_w + Ctr
Играющие дети	+
Бытовая обстановка (разговор, музыка, радио, телевидение)	+
Музыка диско		+
Поток на шоссе (> 80 км/ч)	+
Городской дорожный поток		+
Движение поездов со средней и высокой скоростью	+
Медленно двигающиеся поезда		+
Реактивный самолет на небольшом удалении	+
Реактивный самолет на большом удалении		+
Винтовой самолет		+
Предприятия, создающие в основном средне- и высокочастотный шум	+
Предприятия, создающие в основном средне- и низкочастотный шум		+

Необходимо отметить, что значения шумоподавления, замеренные подобным образом, эквивалентны лабораторным замерам и обычно более благоприятны, нежели результаты фактических измерений в поле для того же источника шума. На практике, тем не менее, в полевых условиях уровень снижения шума будет меньше. Тем не менее, коэффициент шумоподавления позволяет классифицировать остекления в зависимости от источника шума. Другими словами, если один тип остекления обладает более высоким коэффициентом шумоподавления по сравнению с другими, он также будет демонстрировать более качественно подавление шума в реальных условиях эксплуатации под действием аналогичного источника шума.

Пример: остекление с коэффициентом звукоизоляции R_w (C; Ctr) равным 38 (-2; -5) ) будет обладать следующими показателями:

Для низкочастотного шума: Изоляция R_w + Ctr = 38 – 5 = 33 дБ
Для высокочастотного шума: изоляция R_w + C = 38 – 2 = 36 дБ.

Внешний шум

Уровень и тональность фонового шума, а также уровень шума от неопределенных источников необходимо учитывать на этапе проектирования с целью выбора наиболее подходящей системы звукоизоляции фасада. Уличный шум может не просто иметь различный уровень в зависимости от источника, но и его тональность может различаться:

быстро движущийся поток транспорта, издающий более высокий звук, обладает тональностью, отличной от низкочастотного шума двигателя автобуса или медленно движущегося городского автомобильного потока
звук самолета или поезда также имеет другую тональность.

Эти соображения наиболее важны при проектировании фасада, поскольку на практике гораздо сложнее обеспечить изоляцию низкочастотного шума. 60 Для иллюстрации данного явления в таблице ниже приведены спектры двух типов источников звука (городского автомобильного потока и потока на шоссе).

Примеры спектра автомобильных потоков в городе и на шоссе

Уровни звука, обеспечивающие акустический комфорт внутри помещения, зависят от условий среды, в которой расположено здание. Шум, проходящий через остекление, будет восприниматься более раздражающим в более тихой среде, нежели в городском центре. Чем больше разница между шумом, поступающим снаружи от конкретного распознаваемого источника (проезжающего мотоцикла, к примеру), и шумом от неопознанного источника (уровень которого значительно выше в городском центре), тем большее раздражение он вызывает. Проектировщикам необходимо принимать данный факт во внимание.

2.5.3 ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ОСТЕКЛЕНИЯ

Вводная информация

Любое остекление, установленное в раме, обеспечивает некоторую звукоизоляцию. Тем не менее, некоторые виды остекления, в частности, многослойное стекло с акустическим полимерным слоем или шумозащитной пленкой PVB, а так же некоторые виды стеклопакетов, значительно улучшают звукотермоизоляционные свойства. Акустические характеристики различных типов остекления описано на следующей странице.

Одинарное стекло

С точки зрения звукоизоляции одинарное стекло действует подобно простой перегородки в соответствии с двумя законами акустики, применимыми ко всем монолитным одинарным перегородкам вне зависимости от материала, из которого они изготовлены:

законом частот
законом масс.

Закон частот гласит, что в теории для тонких перегородок любого размера звукоизоляция возрастает на 6 дБ при удвоении средней частоты. На практике данный закон не всегда выполняется, и в звуковом спектре выделяют три частотные зоны:

В первой зоне закон частот соблюдается в большинстве случаев, а звукотермоизоляционные свойства возрастают с ростом частоты. Тем не менее, перегородки имеют определенный размер и обладают эффектом глушения, что означает, что прирост звукоизолирующего эффекта составляет не более 4 или 5 дБ в лучшем случае при удвоении средней частоты, т.е. до примерно 800 Гц
Во второй зоне уровень звукоизоляции по причине резонансной частоты листа стекла: резонансной частотой для тонкого листа стекла является частота, при которой скорость свободного изгиба перегородки равна скорости движения воздуха, т.е. частота, при которой лист стекла спонтанно вибрирует под действием волны
В третьей зоне с преодолением эффекта совпадения звукотермоизоляционные свойства стремительно возрастают при удвоении частоты — в теории на 9 дБ, но на практике прирост оказывается меньше.

При комнатной температуре резонансная частота равна примерно

где · e толщина листа стекла, выраженная в мм.
· Расположение зоны зависит от эластичности материала; чем жестче материал, тем ближе резонансная зона к полосе низких частот.

Закон частот: в теории и на практике

Закон масс гласит, что в теории при удвоении массы перегородки уровень звукоизоляции возрастает на 6 дБ при постоянной частоте. На практике этот закон соблюдается во всех случаях за исключением резонансной зоны. Тем не менее, с ростом толщины одинарного остекления также происходит смещение резонансной частоты в зону низких частот (см. закон частот).

Закон масс: в теории и на практике

В следующей таблице показана резонансная частота одинарных листов стекла в зависимости от их толщины.

Резонансная частота (частота совпадения) одинарного остекления

Толщина (мм)	Резонансная частота (Гц)
4	3200
5	2560
6	2133
8	1600
10	1280
12	1067
15	853
19	674

Выводы:

В свете закона частот все материалы по своей природе обеспечивают лучшую изоляцию от шума более высокой частоты по сравнению с низкочастотными шумами. Тем не менее, зачастую шум, от которого должны защищать здания, включает в себя низкие частоты.
Увеличение толщины одинарного остекления, которое в теории должно повысить звукотермоизоляционные свойства этого стекла, имеет определенный недостаток, связанный со смещением зоны резонансной частоты в сторону низких частот, что снижает степень изоляции от низкочастотного шума. При низких частотах, тем не менее, увеличение толщины стекла может несколько улучшить звукотермоизоляционные свойства.
Одинарное остекление обеспечивает уровень изоляции (Rw) порядка 29 дБ для толщины в 4 мм до 35 дБ для толщины 12 мм.

Многослойное стекло

С позиции звукоизоляции существует два типа многослойного стекла:

Защитное многослойное стекло с прослойкой из PVB (поливинилбутиральной пленки): основная функция данного вида остекления заключается в защите от взлома и обеспечении безопасности. Тем не менее, подобное остекление также обеспечивает повышенную шумоизоляцию.
Защитное многослойное стекло с шумозащитной PVB: данная защитная пленка была разработана специально для обеспечения повышенной шумоизоляции. Оно обладает такими же свойствами с точки зрения безопасности и устойчивости к взлому.

Благодаря эластичности звукоизолирующая PVB может разделять листы стекла в составе триплекса и предотвращать возникновение эффекта монолитного стекла. Критический провал менее выражен и смещен в зону более высоких частот. В следующей таблице показаны спектры частот флоат-стекла и многослойного стекла аналогичной общей толщины.

Звукоизоляционные спектры монолитного и многослойного стекла идентичной толщины

Выводы:

У многослойного стекла равной массы степень шумоизоляции обычно возрастает в зоне, совпадающей с критической частотой. Изоляционный провал ограничивается за счет гашения вибраций промежуточным слоем. Данный эффект более заметен при использовании шумоизоляционной PVB пленки. Кроме того, в некоторых случаях резонансный провал смещен в полосу более высоких частот Общий эффект заметен в первую очередь в Rw + C, в меньшей степени Rw + Ctr
Многослойное стекло демонстрирует показатели Rw порядка 33 дБ для сборки 33.2 до 39 дБ в случае 88.2
Многослойное стекло с шумоизоляционной PVB пленкой демонстрирует показатели Rw порядка 36 дБ для сборки 33.2 до 41 дБ в случае 88.2.

Примечание: Асимметричное многослойное стекло не обладает улучшенными показателями звукоизоляции.

Стеклопакеты

Эффективность симметричного однокамерного стеклопакета зачастую ниже, чем монолитного остекления аналогичной суммарной толщиной стекла. В следующей таблице приведен спектр однокамерного стеклопакета формулой 4-12-4 в сравнении с монолитным остеклением толщиной 4 мм и 8 мм. Данный пример показывает:

Логичное снижение шумотермоизоляционных свойств на частоте примерно 3 200 Гц для стеклопакета эквивалентно критической частоте листов стекла толщиной 4 мм в одинарном остеклении, при этом на более низких частотах обеспечивается более слабая звукоизоляция.
Данная тенденция объясняется тем фактом, что стеклопакет действует подобно системе «масса-пружина-масса» (м-п-м).
Данная система масса-пружина-масса обладает резонансной частотой (целостной системы), располагающейся в низкочастотной зоне от 200 до 300 Гц в зависимости от толщины. Звукоизоляция в данной зоне значительно снижена между точкой резонансного провала, формируемой системой масса-пружина-масса, и провала резонансной частоты отдельных листов стекла, степень звукоизоляции резко возрастает (в теории — на 18 дБ с удвоением частоты).

Для обеспечения эффективной звукоизоляции здания резонансная частота системы масса-пружина-масса должна располагаться ниже частоты 100 Гц. Данное условие не выполняется при использовании однокамерного стеклопакета из двух листов стекла идентичной толщины и воздушной прослойки от 12 до 15 мм, а звукотермоизоляционные свойства однокамерного стеклопакета в низко- и среднечастотной зоне ограничены.

Звукоизоляционный спектр однокамерного стеклопакета формулой 4-12-4 в сравнении с одинарным остеклением толщиной 4 мм и 8 мм

Для устранения резонансного эффекта массы-пружины-массы воздушное пространство между листами стекла необходимо увеличить, чтобы возникающая благодаря воздушной прослойке пружина была более гибкой. Тем не менее, в результате остекление получается слишком толстым и требует гораздо более широкой — и, соответственно, тяжелой — рамы. Данное решение также увеличивает степень конвекции в пределах воздушного или газового пространства, что наносит ущерб теплоизоляционным свойствам. Подобное решение не получило обширного практического применения. Выводы:

Звукоизоляционная эффективность симметричного однокамерного стеклопакета ограничена.
Может показаться, что в процессе модернизации здания замена одинарного остекления на однокамерный стеклопакет не является жизнеспособным решением. Это предположение неправильно по двум причинам:
- Замена одинарного остекления на однокамерный стеклопакет обычно также предполагает замену рамы, что также обеспечивает повышенный уровень звукоизоляции по сравнению со старой рамой. Таким образом, общий уровень звукоизоляции окна повышается.
- С точки зрения теплоизоляции выгода от использования однокамерного стеклопакета по сравнению с одинарным остеклением означает, что подобное решение является единственно жизнеспособным.
Более того, уровень звукоизоляции, обеспечиваемой однокамерным стеклопакетом, можно запросто повысить (см. ниже) благодаря использованию асимметричных сборок или многослойного стекла.
Симметричные однокамерные стеклопакеты обладают показателями звукоизоляции Rw от 29 дБ для варианта 4-12-4 до 34 дБ для варианта 10-12-10.

Асимметричные однокамерные стеклопакеты

При повышении уровня звукоизоляции, обеспечиваемой однокамерным стеклопакетом, первым этапом является использование листов стекла, разница толщин которых достаточно велика, чтобы каждый из них был способен скрыть недостатки другого листа при достижении стеклопакетом диапазона критических частот. Таким образом, возникает провал совпадения частот в более обширном частотном спектре, но пиковые значения оказываются менее выраженными, как показывает рисунок ниже, а провал в районе 3 200 Гц исчезает). В данном случае рост массы по сравнению со стеклопакетом 4-12-4 также способен сократить провал в диапазоне низких частот.

Выводы:

Использование двух стекол различной толщины в составе однокамерного стеклопакета существенно повышает эффективность звукоизоляции по сравнению с симметричными решениями.
Асимметричные однокамерные стеклопакеты демонстрируют показатели звукоизоляции Rw порядка 34 дБ для конфигурации 6-15-4 и до 38 дБ для конфигурации 10-15-6.

Однокамерные стеклопакеты с многослойным стеклом

Многослойное стекло также может применяться в составе однокамерных стеклопакетов. На следующем рисунке показано улучшение эффективности при использовании многослойного стекла. Основной рост сосредоточен в первую очередь в высокочастотной зоне, поскольку стекло выравнивает провал в диапазоне критических частот.

Порядок, в котором производится установка асимметричного стеклопакета и/или стеклопакета с многослойным стеклом, не оказывает никакого влияния на акустические свойства остекления. Рекомендуется выполнять установку любого многослойного стекла на основе PVB с внутренней стороны стеклопакета в целях обеспечения безопасности в случае разрушения стеклопакета.
Выводы:

Если уровень эффективности асимметриченого однокамерного стеклопакета недостаточен, более качественные результаты могут быть достигнуты путем замены одного или обоих стекол на многослойное стекло или многослойное шумоизоляционное стекло.
Улучшения обычно отмечаются в высокочастотной части спектра, т.е. Rw + C.
Многослойное стекло позволяет достичь показателей шумоизоляции Rw порядка 36 дБ для варианта 6-12-44.2 и до 41 дБ для 10-12-66.2.
Шумоизоляционное многослойное стекло позволяет достичь показателей шумоизоляции Rw порядка 40 дБ для варианта 6-12-44.2 и до 44 дБ для 10-12-66.2 и 50 дБ для 44.2-20-66.2.

Двухкамерные стеклопакеты

По сравнению с одинарным остеклением двухкамерный стеклопакет обычно демонстрирует несколько более высокое качество звукоизоляци благодаря более высоким показателям в диапазоне ниже 250 Гц. Тем не менее, в отличие от однокамерного стеклопакета, в случае двухкамерного стеклопакета необходимо учитывать влияние двух резонансных частот. В целом, двухкамерные стеклопакеты (TGU) показывают более высокие результаты в диапазоне высоких частот, но общая толщина стекла значительно отличается. Улучшенные акустические показатели могут быть достигнуты при учете тех же моментов, что характерны для однокамерных стеклопакетов.

Вывод

Факторы, влияющие на уровень звукоизоляции различных типов остекления, можно резюмировать следующим образом:

Одинарное остекление:
- увеличенная толщина: незначительное улучшение
- использование многослойного стекла и звукоизоляционного многослойного стекла: существенное улучшение показателей эффективности.
Стеклопакеты
- всегда используйте асимметричное остекление
- используйте достаточный воздушный зазор
- используйте более толстое стекло в большинстве случаев
- используйте многослойное (стандартная PVB или защитное остекление) вместо монолитных листов стекла
- используйте многослойное стекло со звукоизоляционной PVB-пленкой при значительном уровне шума.

При этом следующие факторы не оказывают никакого влияния на уровень звукоизоляции, обеспечиваемой остеклением: