^ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕХНИЧЕСКОЙ АКУСТИКИ
УДК 534.8.081.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КЛИНЬЕВ ДЛЯ ЗАГЛУШЕННЫХ КАМЕР
© 2015 г. И. В. Беляев*, **, А. Ю. Голубев*, **, А. Я. Зверев*, С. Ю. Макашов*, В. В. Пальчиковский**, А. Ф. Соболев*, **, В. В. Черных*
*ФГУПЦА1И, Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ 105005 Москва, ул. Радио 17 **Пермский национальный исследовательский политехнический университет 614990 Пермь, Комсомольский пр. 29 E-mail: vvpal@perm.ru Поступила в редакцию 09.04.2015 г.
Описаны результаты измерений звукопоглощения акустических клиньев, проведенных в ревербе-рационных камерах ЦАГИ АК-3 и АК-11. Были исследованы клинья различной плотности, изготовленные из базальтового супертонкого волокна и из минерального тонкого волокна. Результаты испытаний этих клиньев сравнивались со звукопоглощением клиньев действующей заглушенной установки АК-2 ЦАГИ. Показано, что клинья из базальтового волокна обладают лучшими звукопоглощающими характеристиками, чем исследованные аналоги, и могут быть рекомендованы для облицовки строящихся заглушенных установок.
Ключевые слова: клинья, звукопоглощение, реверберационная камера, заглушенная камера. DOI: 10.7868/S0320791915050044
1. ВВЕДЕНИЕ
Звуковое поле в помещении, создаваемое расположенным там источником звука, может сильно отличаться от звукового поля, создаваемого источником в условиях свободной атмосферы. Это поле во многом определяется импедансными свойствами стен помещения [1—3]. Облицовка стен звукопоглощающими конструкциями минимизирует отражение от них звука; такие помещения называются заглушенными. Заглушенные камеры призваны обеспечивать проведение экспериментов в условиях свободного звукового поля, когда звук от источника распространяется так же, как и в свободной атмосфере, не претерпевая отражения от стен камеры. Качество этих установок, т.е. уровень шума, отражающегося от стен, изучалось с 1940-х годов [4—13]. Так как основным фактором, от которого зависит качество за-глушенной камеры, является облицовка стен звукопоглощающими конструкциями, было проведено большое число экспериментальных [14—23] и численных [23—30] исследований, посвященных поиску оптимальной геометрии, размера и материала звукопоглощающих конструкций.
Существуют различные формы таких конструкций: размещенные в определенном порядке кубики из звукопоглощающих материалов различных плотностей; звукопоглощающие клинья; многослойные звукопоглощающие облицовки и т.д. Эти формы представляют собой попытку плавного перехода от волнового сопротивления воздуха к акустически жесткой стенке. Кубические звуко-
поглотители [31] являются довольно экзотической конфигурацией и крайне редко используются на практике (одно из таких применений описано в [32]). Плоские звукопоглощающие облицовки применяются в том случае, если требования к граничным значениям рабочего диапазона заглушен-ной камеры не слишком высоки [33].
Для достижения хорошего звукопоглощения в области низких частот звукопоглощающие облицовки выполняют в форме клиньев. Общей рекомендацией к параметрам клиньев является требование, чтобы высота клина была больше четверти длины волны для планируемой нижней границы частотного диапазона заглушенной камеры. Остальные параметры, такие как материал клина, ширина основания, величина воздушного промежутка между клином и стенкой и т.д., могут являться предметом отдельного исследования. Более того, имеются прямые рекомендации [34] при создании новых за-глушенных камер проводить измерения величины звукопоглощения для клиньев, которыми предполагается облицовывать камеру.
Эти рекомендации становятся особенно актуальными ввиду того, что в настоящее время в России утрачена компетенция коммерческого производства клиньев для больших заглушенных камер. В связи со строительством в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) заглушенной камеры с потоком и планами создания в России ряда других заглушенных установок проблема воспроизводства изготовления звукопоглощающих кли-
ньев и исследования их акустических характеристик является крайне актуальной. В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования величины звукопоглощения для ряда клиньев, которые предлагались для облицовки строящейся заглушенной камеры ПНИПУ (размер камеры 11.8 х 8.2 х 5.3 м) [35].
2. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерения звукопоглощения в лабораторных условиях обычно используются два метода: измерения в реверберационной камере и измерения в импедансном канале. Первый метод позволяет измерять звукопоглощение конструкции в условиях диффузного поля, тогда как в импеданс-ном канале измеряется звукопоглощение при нормальном падении звуковой волны. Как следствие, получающиеся при этом значения звукопоглощения могут значительно отличаться друг от друга. Стоит отметить, что надежной методики пересчета одной величины в другую не существует, несмотря на наличие ряда работ в этом направлении [36—39]. Тем не менее, исследования по сравнению коэффициентов звукопоглощения при нормальном падении и в условиях диффузного поля [19, 37—39] демонстрируют согласованность результатов измерений: материалы с меньшим звукопоглощением при нормальном падении в целом имеют меньшее звукопоглощение в диффузном поле, и наоборот.
В конечном счете, окончательные выводы по качеству клиньев дают результаты аттестации облицованного ими помещения, проведенные согласно стандарту ISO 3745:2003. Оценка результатов определяется величиной отклонения от закона 1/R, означающего обратно пропорциональную зависимость звукового давления от расстояния до источника в свободном поле. Для обеспечения условия свободного звукового поля ISO 3745:2003 рекомендует использовать клинья, чей коэффициент звукопоглощения при нормальном падении an > > 0.99 в требуемом диапазоне частот.
Хотя стандарт ISO 3745:2003 говорит об измерении звукопоглощения клиньев при нормальном падении, вышеприведенные соображения о согласованности результатов обоих методов измерений привели к решению провести испытания клиньев для создаваемой заглушенной установки ПНИПУ в реверберационной камере. Дополнительным соображением в пользу таких испытаний выступал тот факт, что, насколько известно авторам, в открытой литературе практически отсутствуют результаты измерений звукопоглощающих клиньев в условиях диффузного поля (пожалуй, единственной работой, где приводятся такие данные, является [19]. В работе [4] сообщается, что измерения клиньев в реверберационной камере были проведены, но полученные при этом результаты не приводятся). Вместе с тем, знание величины звукопоглощения в условиях диффузного поля мо-
жет быть важным при выставлении граничных условий в численном моделировании распространения звука в заглушенной камере.
В качестве базисной точки для сравнения звукопоглощения различных облицовок в настоящей работе использовались клинья, установленные в действующей заглушенной установке АК-2 ЦАГИ, которая обеспечивает условия свободного поля для частот выше 200 Гц. Звукопоглощение акустических клиньев измерялось с помощью испытаний в ре-верберационных камерах АК-3 и АК-11 ЦАГИ в соответствии со стандартом ISO 354:2006 для дискретных звукопоглотителей, а применение одинакового метода измерения для всех исследованных клиньев обеспечивает корректность относительной оценки сравниваемых величин.
В соответствии c методикой, описанной в ISO 354:2006, сначала проводится измерение времени реверберации (т.е. времени затухания уровня звука на 60 дБ в соответствующей третьоктав-ной полосе частот после выключения источника) в пустой камере T0, а затем — времени реверберации при внесении туда звукопоглощающего материала T1. Далее определяется эквивалентная площадь звукопоглощения для данной третьоктав-ной полосы частот f в соответствии с формулой
A (f) = 55.3V (-L - -О-4V (m - m0), (1)
^cT CT J
где V — объем реверберационной камеры, c0 и с1— скорость звука, а m0 и m1 — постоянные затухания звука в воздухе в пустой камере и камере со звуко-поглотителем соответственно. С физической точки зрения эквивалентная площадь звукопоглощения A(f — это площадь плоского материала с абсолютным звукопоглощением, установка которого в камеру привела бы к тому же времени реверберации, что и установка исследуемого звукопоглотителя. Таким образом, чем больше эта площадь для исследуемых клиньев, тем больше их звукопоглощение.
Исследуемые клинья устанавливались в центр пола реверберационной камеры. Диффузное звуковое поле создавалось всенаправленным источником звука B&K 4292 на установке АК-3 и двумя акустическими системами YAMAHA DSR 115 на установке АК-11. Время реверберации измерялось с использованием трех микрофонов диффузного поля (тип B&K 4942), многофункциональной системы сбора и анализа данных (тип B&K 3560C) на платформе PULSE (тип B&K 7700-N10). Положения микрофонов и источника звука в процессе испытаний не менялись.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ КЛИНЬЕВ В РЕВЕРБЕРАЦИОННЫХ КАМЕРАХ
Для изготовления клиньев важными требованиями к материалу являются, во-первых, высокие характеристики по звукопоглощению, а во-вторых,
хорошие противопожарные свойства. Кроме того, клинья должны удерживать заданную форму в течение длительного времени (несколько десятилетий). В случае если ими предполагается облицовывать за-глушенную камеру с потоком (как это имеет место для строящейся установки в ПНИПУ), клинья должны удерживать форму в условиях нестационарных нагрузок, создаваемых возвратными потоками у стен заглушенной камеры.
В качестве возможных звукопоглотителей для облицовки заглушенных установок рассматривались клинья, изготовленные из базальтового супертонкого волокна (БСТВ) и из минерального тонкого волокна (МТВ). Эти материалы, а также тканевый покровный слой клиньев (стеклоткань), относятся к категории негорючих.
Полученные для этих клиньев величины звукопоглощения сравнивались со звукопоглощением клиньев, которыми облицована действующая заглушенная камера АК-2 ЦАГИ.
3.1 Клинья заглушённой камеры АК-2
Клинья заглушенной камеры
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.