Современные отечественные и зарубежные акустические материалы и изделия

Введение

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) – слышу) – наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот [1]. Термин «акустика» (фр. acoustique) был введён в 1701 году Ж. Совёром.
Акустика – раздел физики, изучающий распространение звуковых волн в средах и их взаимодействие с веществом. В связи с большой важностью звуковых волн в повседневной жизни в самостоятельные подразделы выделены такие прикладные направления исследований, как архитектурная акустика, атмосферная акустика, геоакустика, гидроакустика и гидролокация, биологическая акустика, строительная акустика, дефектоскопия и др. [2].
Со всех сторон человека окружают звуки. Слыша звук, человек может испытывать самые различные эмоции – радость, страх, беспокойство. Звук составляет основу речи, т.е. он является средством общения между людьми. Существует такая специфическая форма звука, как шум, который в последние десятилетия стал бедствием человечества. Шум вызывает раздражение, затрудняет восприятие речи и музыки, а в некоторых случаях является причиной глухоты и различных болезней [2].
Вредные звуки – шум стал возникать в угрожающих масштабах и исключительно благодаря деятельности человека. Природные шумы листвы, прибоя, дождя, грома не опасны, а иногда даже полезны для людей. Эпоха вредных шумов началась с появления паровой машины и механического ткацкого станка, затем были изобретены электромашины, двигатели внутреннего сгорания, турбины и много другого [3].
Акустические строительные материалы предназначены для уменьшения энергии звуковой волны, снижения уровня громкости внутреннего или внешнего звука. Структура и свойства акустических материалов изучаются в разделах строительного материаловедения. Данный раздел строительного материаловедения начал развиваться при возникновении у строителей потребности обобщения знаний, накопленных при производстве и применении отдельных видов материалов, используемых при защите зданий и сооружений от вредного воздействия шума. В последние десятилетие значительные успехи строительного материаловедения связаны с развитием структурной теории, связывающей основные свойства материалов с особенностями их строения как на микро-, так и на макроуровне.
В связи с этим, тема исследовательской работы «Современные отечественные и зарубежные акустические материалы и изделия», подразумевающая изучение видов, свойств и анализ перспективы применения акустических материалов в современном строительстве является актуальной.
Цель работы – систематизация, закрепление и расширение теоретических и практических знаний в области строительного материаловедения, а именно изучение видов, структуры, свойств и применения акустических современных строительных материалов отечественного и зарубежного производства.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
-изучить общие сведения об акустических материалах и изделиях;
-изучить звукопоглощающие материалы и изделия, их виды, свойства, применение;
-выполнить изучение звукоизоляционных материалов, виды, свойства, применение;
-изучить методы борьбы с шумами в гражданских зданиях
-систематизировать результаты исследований и подвести итоги проделанной работы.


1. Акустические материалы и изделия. Общие сведения
Акустическая обработка помещений промышленных, жилых и общественных зданий проводится для защиты человека от шума. Повышенный шум в помещениях относится к категории санитарно-гигиенических вредностей: если шум превышает нормативные требования на 15…20 дБ, то снижается на 10…20% производительность труда. Выбор акустического материала зависит от вида шума, его уровня и частотной характеристики [4, 5].
Воздушным шумом называют шум от работы оборудования, музыкальных инструментов, телевизора и т.д., распространяющийся в виде звуковых волн в воздухе.
Ударный шум возникает при ударе по конструкции, вибрации оборудования, передвижке мебели и т.п.
Нормальное ухо человека воспринимает звуковые колебания частотой 16…20000 Гц, причем особо чувствительными являются частоты 1500…3000 Гц. Интенсивность звука (Вт/м2) определяется звуковой энергией, проходящей за 1 с через площадку в 1 м2 , параллельную фронту волны. (1Гц=1кол/сек).
Уровень звукового давления L, дБ, определяют по формуле
L=10lgI/I0 (1.)
где I - интенсивность данного звука; I0 - пороговый уровень интенсивности звука (порог слышимости), соответствующий звуковому давлению 2·10-5 Н/м2, Iо = 10-12 Вт/м2.
Требуемое снижение октавных уровней звукового давления ΔLтр, дБ, определяем по формуле
∆Lтр=L-Lдоп (2)
где Lдоп - допустимый октавный уровень звукового давления в расчетной точке в помещении или на территории.
Предельные (максимально допустимые) уровни шума устанавливаются в зависимости от назначения помещения и частотной характеристики звука. Предельные значения уровней шума: для производственных помещений с речевой связью 80…85 дБ, административных помещений 38…71 дБ, больниц 13…51 дБ. Шум может измеряться несколькими приборами. Из последовательно соединенных приборов образуется "измерительный тракт", включающий шумомер, анализатор, самописец, компьютер и др. Встречаются шумы различного вида и уровня, поэтому применяют акустические материалы различного назначения.


2. Звукопоглощающие материалы и изделия
2.1. Свойства звукопоглощающих материалов
Звукопоглощающие материалы и конструкции служат для снижения энергии отраженных звуковых волн, т.е. для снижения шума в помещениях.
Основной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент звукопоглощения , равный отношению количества поглощенной звуковой энергии Епогл к общему количеству звуковой энергии Епад, падающей на материал в единицу времени:
∝=Епогл/Епад (3)
Все строительные материалы обладают способностью в той или иной степени поглощать звук, потому для них >0, а наибольшее значение = 1. Звукопоглощающими материалами принято называть такие, коэффициент звукопоглощения которых на средних частотах более 0,2. Коэффициент звукопоглощения зависит от пористости материала.
Сквозная пористость. Звукопоглощающие материалы стремятся выпускать с пористостью 40…90%. Если в теплоизоляционном материале предпочитают замкнутые воздушные поры, то эффективность звукопоглощающего материала возрастает при наличии сквозных пор или специально предусмотренной перфорации. Звукопоглощение пористых материалов обусловлено потерями энергии звуковых волн благодаря вязкому трению в порах и переходу части механической энергии в тепловую.
2.2. Виды звукопоглощающих материалов и изделий
По степени жесткости звукопоглощающие материалы бывают: твердые, мягкие, полужесткие.
Твердые материалы производятся на основе гранулированной или суспензированной минеральной ваты; материалы, в состав которых входят пористые заполнители такие как пемза, вспученный перлит, вермикулит

. Коэффициент звукопоглощения: 0,5. Объемная масса: 300-400 кг/м3.
Мягкие звукопоглощающие материалы изготавливаются на основе минеральной ваты или стекловолокна; а также ваты, войлока и пр. Коэффициент звукопоглощения: от 0,7 до 0,95. Объемная масса: до 70 кг/м3.
Полужесткие материалы - это минераловатные или стекловолокнистые плиты, материалы с ячеистым строением - пенополиуретан и т. п. Коэффициент звукопоглощения: от 0,5 до 0,75. Объемная масса: от 80 до 130 кг/м3.
Звукопоглощающие минераловатные плиты отличаются от теплоизоляционных белее жестким скелетом и сквозной пористостью. Плитам придают желобчатую, ноздреватую или трещиноватую декоративную фактуру; перфорация плит делается примерно на 2/3 толщины материала.
Таблица 1
Сравнительная характеристика материалов на основе минеральной ваты [6]
Производитель Коэффициент звукопоглащения при толщине материала Марка Пожаро-безопасность Паро-проницаемость,
мг/мч Па Плотность,
кг/м3 Цена, у.д.е./м2
ROCKWOOL компания
«Rockwool A/C»
Дания
Производитель в России ЗАО «Минеральная вата» [7] 0,9 Akusticbatts
НГ 0,55 40 10,45
PAROC «Paroc OY»
Финляндия 0,9 IL НГ 0,44 30 2,5
Компания
«Акустические материалы и технологии»
Россия [8] 0,95 ШУМАНЕТ
БМ НГ 0,50 45 3,6
Isoroc – Россия 0,9 Изолайт
НГ 0,3 30 2
Корда – Россия 0,9 Базальтин
НГ 0,4 40 3,5
Корда – Россия до 0,87 ТермоЗвукИзол
НГ 0,5 136 1,55х10х14 мм
56 у.д.е./рулон
Декоративно-акустические плиты акмигран изготовляют из гранулированной минеральной ваты (76…80%), крахмала (10…12%) и бентонитовой глины (10…15%). Плиты имеют красивый вид; они являются эффективным звукопоглощающим материалом с коэффициентом звукопоглощения 0,8…0,9 при среднем и высоком диапазонах частот.
Жесткие древесноволокнистые плиты с щелевой перфорацией применяют успешно, если при изготовлении они были обработаны огнезащитным составом.
Акустический фибролит получают из древесной стружки и минерального вяжущего вещества (портландцемента или гипса). Цементный акустический фибролит марок Ф-400 и Ф-500 в виде плит толщиной 30 мм, предназначенный для акустической отделки помещений, характеризуется коэффициентом звукопоглощения = 0,08…0,27 (частота 63…250 Гц), = 0,36…0,54 (500…2000 Гц), = 0,60…0,63 (4000…8000 Гц) при установке на расстоянии 50 мм от ограждения.
Рулоны и маты изготовляют из минерального и органического (синтетического, хлопкового) волокна, небольшого количества связующего (полимера, битума, крахмала) или прошивают нитками, тонкой проволокой.
Акустические бетоны и растворы изготовляют из пористых заполнителей, отличающихся небольшой плотностью (вспученного перлита, вермикулита, легких видов керамзита, природной и шлаковой пемзы).
Гипсовые акустические плиты, армированные стекловолокном, со сквозной перфорацией, обычно оклеенные с тыльной стороны алюминиевой фольгой, используют в подвесных конструкциях.
Звукопоглощающие плиты силакпор при монтаже потолков крепят в подвесных конструкциях либо приклеивают к потолку специальными мастиками.
Асбестоцементные перфорированные плиты имеют высокую прочность на изгиб, окрашиваются в любой цвет, несгораемые.
Керамические плиты и блоки могут изготовляться из кирпичной крошки на жидком стекле. В качестве акустического материала применяют пеностекло светлых тонов и цветное. Пеностекло можно резать, шлифовать, сверлить и подвергать любой обработке. Развитая поверхность изделий с большим количеством пор позволяет склеивать их различными органическими клеями и силикатными вяжущими в конструкции сложной конфигурации, прекрасно поглощающими звук.
Изделия из стеклянного штапельного волокна применяют в звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкциях. Степень звукопоглощения их определяется толщиной изделий, плотностью, диаметром волокна и изменяется с изменением частоты звуковых колебаний. На более высоких частотах больший эффект дают изделия из тонкого волокна.
Одним из самых эффективных звукопоглощающих материалов является супертонкое стеклянное волокно в виде многослойного холста и перепутанных штапельных волокон. Такие холсты эластичны и не выделяют стеклянной пыли. В сочетании с защитными оболочками из капроновой или стеклянной ткани их применяют в вентиляционных глушителях приточных систем и для акустических облицовок помещений с нормальной влажностью воздуха. Выпускают стеклянное волокно для звукоизоляции в виде уплотненных холстов средней плотностью 17 и 25 кг/м3 размером 100х2000х1000 и 50х2000х1000 мм. Сравнительная характеристика материалов на основе стекловолокна представлена в таблице 2
При обычных температурных условиях хорошее звукопоглощение достигается при использовании поропластов, т.е. ячеистых пластмасс, имеющих сообщающие между собой поры. Например, коэффициент звукопоглощения пористого полиуретана толщиной 50 мм 0,9 при частоте 500 Гц.


Таблица 2
Сравнительная характеристика материалов на основе стекловолокна [6]
Производитель Коэффициент звукопоглащения при толщине материала Марка Пожаро-безопасность Паропроницаемость,
мг/мч Па Плотность,
кг/м3 Цена, у.д.е.
Кнауф
Иисулейшн
Knauf
толщ. 50 мм – 0,8
толщ.100 – 1 Акустические перегородки НГ 0,55 13 0,913 м3 (50х1250х610)
45
Урса концерн
(URSA) PFLEIDERER
Германия
ОАО Завод «Флайдерер «Чудово»
Россия толщ. 60 мм – 0,8 URSA
GLASSWOOL
перегородка НГ 0,68 15 1 м3
35


Плита П15…П80


Изовер (Isover) концерн
«Saint-Gobain-Isover»
Финляндия толщ. 50 мм – 0,85 Звукозащита
KL37
KT 40 TWIN НГ 0,55 13 1 м3
30


2.3. Звукопоглощающие устройства
Звукопоглощающие облицовки часто устраивают из слоя однородного пористого материала, который монтируется непосредственно на ограждающей конструкции либо на некотором расстоянии от нее для создания воздушного зазора. Применяют готовые штучные изделия в виде плит, панелей, блоков, а также рулонов и матов.
Более приемлемым способом защиты от воздушного шума считается создание многослойной конструкции, состоящей из нескольких чередующихся слоев жестких, плотных и мягких строительных материалов.
В качестве жесткого слоя могут применяться плотные материалы типа бетона, кирпича, гипсокартона, и пр. Они проявляют звукоизоляционные свойства, и чем больше их плотность, тем выше звукоизоляция. Слой мягкого материала имеет звукопоглощающую функцию. В качестве звукопоглощающего слоя применяются материалы с волокнистой структурой: минеральная вата, стекловата, кремнеземные волокна. При этом имеет значение толщина звукопоглощающего материала в конструкции, эффективная толщина начинается с 50мм. Толщина поглощающего слоя должна составлять не менее 50% внутреннего пространства перегородки.


Рис. 1. Схема многослойной конструкции стены как дополнительная защита от шума

В настоящее время наиболее эффективными материалами, имеющими высокие значения коэффициента звукопоглощения, считаются изделия из минеральной ваты и стекловолокна.
Штучные звукопоглотители в виде отдельных щитов, кубов, призм, конусов, шаров подвешивают к потолкам шумных помещений