Rezonansowe materiały pochłaniające dźwięk

Sednem pochłaniania dźwięku jest zmniejszanie energii fali dźwiękowej, czyli zmniejszanie jej amplitudy. W przypadku dźwięku w powietrzu pochłanianie polega na zmniejszeniu amplitudy drgań przy jednoczesnej zamianie tej energii w jej inne formy, przede wszystkim w ciepło. Nie inaczej jest w rezonansowych materiałach pochłaniających.W praktyce budowlanej wykorzystywane są zasadniczo dwa różne mechanizmy pochłaniania dźwięku: pochłanianie przez materiały porowate oraz przez zjawiska rezonansowe. Omówione zostanie zjawisko rezonansu oraz jego wykorzystanie do pochłaniania dźwięku ze szczególnym uwzględnieniem materiałów perforowanych i szczelinowych.

Zasadą działania każdego rezonatora jest jego duża podatność na drgania o częstotliwościach rezonansowych. Dla innych częstotliwości rezonator staje się dużo mniej podatny na drgania. Dobrze znanym, modelowym , nawet laboratoryjnie badanym obiektem jest butelka z szyjką. Zawarte w szyjce powietrze jest akustyczną „masą”, natomiast powietrze w butelce jest akustyczną „sprężyną”. Układ masy i sprężyny posiada określoną częstotliwość drgań własnych, nie inaczej jest w w przypadku powietrza w szyjce i butelce. Gdy dmuchamy przy krawędzi szyjki, wywołujemy szum, czyli dźwięk szerokopasmowy zawierający między innymi składowe widmowe o częstotliwościach rezonansowych układu. Selektywny częstotliwościowo układ zaczyna drgać z dużą amplitudą dla częstotliwości rezonansowej. Gdy zmienimy gabaryty szyjki i butelki zmieni się wówczas częstotliwość dźwięku, można to osiągnąć także przez dolewanie i wylewanie wody z butelki. Gdy postawimy butelkę w pomieszczeniu, na którą padnie dźwięk, wzbudzi on w szyjce i butelce zjawisko rezonansu. Zjawiska te nie są jednak bezstratne. Poruszające się w szyjce z dużą prędkością powietrze zamienia energię dźwięku w postaci swojego ruchu na energie cieplną oddziaływania powietrza i ścianek szyjki w postaci tarcia wiskotycznego i turbulentnego oraz na energię promieniowania. Jak widać im bardziej porowate są ścianki szyjki, tym skuteczniejsze jest tłumienie dźwięku. Wracając do analogii układu masa – sprężyna, zauważamy, że w miarę wzrostu masy na sprężynie maleje częstotliwość rezonansowa układu; podobnie jest, gdy spada sprężystość sprężyny. W rezonatorze butelkowym odpowiednikiem masy jest powietrze w szyjce, zaś sprężyny: powietrze w butelce. Masa powietrza w szyjce zależy od rozmiarów szyjki, sprężystość powietrza w butelce jest wprost zależna od objętości. Im objętość większa, tym sprężystość mniejsza. Zatem regulując wymiary geometryczne szyjki i butelki możemy regulować częstotliwość rezonansową.

Zarówno materiały perforowane, jak i szczelinowe wykorzystują opisaną tutaj zasadę rezonansu. Poniżej pokazano przekrój przez ustrój perforowany, w którym powietrze w szyjce rezonatora wprowadzane jest w ruch przez padająca na powierzchnię ustroju falę dźwiękową.

Można zauważyć, że masa i objętość powietrza w szyjce oraz powietrza rezonatora są w sposób wyczerpujący zdefiniowane przez geometrię ustroju: średnicę otworów d, ich rozstaw l, grubość szyjki (czyli płyty) m, odległość płyty od ściany n. Zwiększanie pochłaniania dźwięku uzyskać można tłumiąc ruch powietrza w szyjce poprzez umieszczanie tam materiału porowatego, takiego jak wata, wełna mineralna lub szklana, pianka o otwartych porach. W praktyce najwyższe pochłanianie uzyskuje się umieszczając materiał porowaty bezpośrednio za płytą. Ze względów użytkowych nie umieszcza się go przed płytą. Odmianą ustrojów perforowanych, w których otwory tworzą matrycę otworów wraz z pustką powietrzną za nimi są szczeliny, za którymi ukryta jest pustka powietrza. Przy projektowaniu ustrojów perforowanych zwraca się zatem uwagę na dwa istotne parametry: stopień perforacji oraz wymiar pustki powietrznej za płytą. Przy małych stopniach perforacji i typowych odległościach montażowych od ścian osiąga się pochłanianie dźwięku w zakresie 125 Hz- 250 Hz. Zwiększenie stopnia perforacji umożliwia pochłanianie w zakresie 250 Hz – 800 Hz. Charakterystyka pochłaniania typowego ustroju rezonansowego odwzorowuje zjawisko rezonansowe, nie jest ona zatem stała w funkcji częstotliwości i czasu. Posiada maksimum widmowe dla częstotliwości rezonansowej. Rozmycie maksimum pochłaniania zrealizować można przez użycie materiału porowatego oraz zmienną geometrię perforacji. Zwiększający się udział perforacji prowadzi do typowo porowatego mechanizmu pochłaniania. Maksimum pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku ustrojów rezonansowych jest na poziomie 0.6 – 0.85, przy czym wartość średnia jest niższa. Ustroje te w powiązaniu z wyskoczęstotliwościowym tłumieniem materiałów porowatych stanowić mogą kompletną, szerokopasmową adaptację akustyczną.

Poniżej podano przykłady pogłosowego współczynnika pochłaniania ustrojów perforowanych.

USTRÓJ: