Выявление причин снижения звукоизоляции окон

Авторами было выполнено экспериментальное исследование влияния резонансов изгибных колебаний в стеклах на прохождение шума через окна из помещений на улицу. Звукоизоляция наружной стены зданий, где находились помещения, в которых проводились исследования, была много больше звукоизоляции окон.

Были исследованы 15 однокамерных стеклопакетов пяти окон в трех различных помещениях.

На начальном этапе работы были измерены спектры вибровозбудимости стеклопакетов при ударе вибромолотком. (Под вибровозбудимостью подразумевалась величина виброускорения в дБ относительно 10-6 м/с2, нормированная возбуждающей силой 20lgF/F0, где F0 = 1 Н).

Типовые узкополосные ( A f = 0,7 Гц) спектры вибровозбудимости стекол одной из стеклопакетов приведены на рис. 1. Измерения выполнялись на внутреннем стекле (ти2). Возбуждались ударом последовательно внутреннее (тв1) и наружное (тв1^/) стекла стеклопакета. Из рисунка видно, что спектры вибровозбудимости стекла содержат большое число максимумов.

Была произведена идентификация форм из-гибных колебаний внутреннего стекла стеклопакета на низших частотах максимумов.

Номера форм колебаний (m и n – числа полуволн вдоль длинной и короткой сторон) приведены в таблице 1. Там же указаны измеренные значения собственных частот и частот максимумов в спектрах вибровозбудимости. (Их некоторое различие обусловлено рядом факторов, в том числе положением стеклопакетов, открыто–закрыто, точностью считывания частот и т.д.).

Был сделан вывод, что наличие максимумов в спектрах вибровозбудимости связано с возникновением в стеклах изгибных резонансов.

тв 1, ти 2

тв 1', ти 2

Частота, Гц

Рис. 1. Типовые узкополосные (Дf = 0,7 Гц) спектры вибровозбудимости стекол стеклопакета

Таблица 1. Номера форм колебаний

Форма колебаний Собственные частоты, Гц Частоты максимумов, Гц m n 1 1 24 24 2 1 45 51 3 1 79 79–81 4 2 124 125 – 2 152 151–152 4 – 201 195 ла производились по формуле [7]:

Значения резонансных частот четырех стеклопакетов одного из испытанных окон сведены в табл. 2. Там же приведены условные диапазоны нахождения этих частот и их число в каждом из диапазонов. Общее число обнаруженных резонансных частот стекол окна в диапазоне, ограниченном сверху частотой 1 кГц, составило 150.

Узкополосные частотные характеристики условной звукоизоляции окна (разницы, по трем парам точек измерения, уровней звукового давления в помещении и на улице) изображены на рис. 2 и 3.

На обоих рисунках приведены частоты минимальной звукоизоляции, большинство из которых, как показал анализ, попадает в условные диапазоны резонансных частот стекол стеклопакетов или совпадает с этими частотами (с учетом погрешности их определения).

Результаты измерений были подтверждены расчетами собственных частот изгибных колебаний стекол стеклопакетов. Расчеты собственных частот f_mn изгибных колебаний отдельного стек-

f mn

л

Eh ²

\ 3 ^ (1 - ст ²)

Г m

(I £ fm )

+

((2ЬИ) )

л B m ) + 2 .”- ((<1f. )

й

( ^£ 2 ^f n

где m = 1,2,3,... и n = 1,2,3,... ; ^ i - длина стекла, м; £ 2 — ширина стекла, м;

Eh3

B = EI =------— - изгибная жест- ст         12(1 - ст2)

кость стекла;

E - модуль Юнга стекла, E = 6 . 10¹⁰ Па ;

I=

h3

12(1-ст2 )

– момент инерции пластины;

h – толщина стекла, м;

Таблица 2. Значения резонансных частот четырех стеклопакетов одного из испытанных окон

Резонансные частоты, Гц				Условные диапазоны, Гц, и число резонансных частот, Гц
Стеклопакет 1	Стеклопакет 2	Стеклопакет 3	Стеклопакет 4
24	23; 27; 34	28	24; 31	23–31; 4
51	44; 52	46; 51	40; 54; 60	40–60; 6
79-81	75; 79	80	–	75–80; 3
125	101; 118; 128	103; 126	104; 135	101–135; 8
151–152	153; 154	159	158	151–158; 6
195	165; 179; 204	197	174; 184	165–204; 7
228	223; 235; 241	231	213	213–241; 6
240–244	–	–	241; 256	240–256; 4
292	296	287	280; 294	280–296; 5
343–344	318; 320; 336; 344	326; 345	311; 339	311–344; 9
367–369	376	–	364	364–376; 4
385	–	380	392	380–392; 3
430	418; 419	431	419; 443	418–443; 5
450	459; 471; 472	453	460; 480	450–480; 7
541–542	519; 520; 542	521; 545	533; 557	519–557; 8
574–578	580; 587	589	573	573–589; 6
608	604; 632	606	613; 637	604–637; 6
658–660	666	641; 659; 669	688	641–688; 7
693–698	–	–	698	693–698; 2
712–714	–	707	718	707–718; 4
758	748; 751; 768; 771	764	752	748–771; 7
793–794	792	–	788	788–794; 4
802–803	804; 805	800; 807	806	800–807; 7
825–830	818	820	835	818–835; 5
876	867; 875	854; 875	884	854–884; 5
920–922	933; 935	905	902; 945	902–945; 7
967–968	958; 961	968	–	958–968; 4
–	–	–	986	986; 1

Рис. 2. Частотная характеристика условной звукоизоляции окна

Рис. 3. Частотная характеристика условной звукоизоляции окна

ст - коэффициент Пуассона стекла, с учетом

отсутствия надежных данных принимался в рас-

четах равным нулю;

т ст = P h — масса единицы поверхности стекла;

P - плотность стекла, р = 2500 кг/м³ ;

^ m

d = _ d

1 + 0,23/m И 'n = 1 + 0,23/n ’

d – коэффициент, учитывающий степень защемления пластины (при свободном опирании d = 1,11 ; при защемленных кромках d = 1 ).

Вычислялась также резонансная частота каждого стеклопакета, состоящей из двух элементов с воздушным промежутком [1]:

fp = 85

Г 1

+

^d 1 I ^m1 m 2 ) ,

где d 1 – ширина воздушного промежутка, м;

m 1 и m 2 – массы единицы поверхности отдельных стекол, кг/м².

Критическая частота колебаний стекла в воздухе рассчитывалась по формуле

fкр

^c 0 2 ^mст

2 ^^ B cm •

Результаты расчетов резонансных частот из-гибных колебаний одного из стеклопакетов окна с размерами в плане 1,05х2,00 м (рис. 4) приведены в табл. 3. Там же приведены размеры стекло-

пакета и определенные с использованием измерений частоты минимальной условной звукоизоляции окна.

Расчетные значения резонансных частот из-гибных колебаний всех стеклопакетов, близких к частотам минимальной условной звукоизоляции окна, приведены на рис. 5 и 6.

На этих же рисунках показаны расчетные значения резонансных частот стеклопакетов ( f p = 300,5 Гц) и критической частоты стекла ( а кр = 3121 Гц). На рисунках изображена также расчетная частотная характеристика условной звукоизоляции окна.

Анализ полученной информации подтвердил, что многие расчетные значения резонансных частот f_mn изгибных колебаний стеклопакетов находятся в частотных диапазонах минимальной условной звукоизоляции окна. Минимальная звукоизоляция окна зарегистрирована и вблизи расчетных значений резонансной частоты испытанных стеклопакетов f_p и критической частоты стекла f_кр .

О значимом влиянии резонансных явлений в стеклах на прохождение звука через окна свидетельствовало и сопоставление частотных характеристик спектров виброускорения (схема точек на рис. 4) озвучиваемых стекол и когерентности виброускорения со звуковым давлением.

На рис 7 и 8 изображен спектр (0–250 Гц) виброускорения наружного стекла одной из стеклопакетов и спектр указанной когерентности.

Видим, что некоторые частоты максимумов в

Рис. 4. Схема измерительных точек окна . т.10в, т.10н – точки измерения вибрации внутреннего и наружного стекол, соответственно спектрах когерентности близки к частотам максимумов в спектрах виброускорения. Число максимумов в спектрах виброускорения меньше числа максимумов в спектрах когерентности, так как виброприемник находился в геометрическом центре стекол стеклопакета, т.е. в пучности только нечетно-четных форм их изгибных колебаний.

К основным результатам выполненного ком-

плекса исследований по выявлению причин снижения условной звукоизоляции окон можно отнести следующие:

• -    в спектрах вибровозбудимости стекол окон содержится большое число максимумов резонансного происхождения (в диапазоне, ограниченном сверху частотой 1600 Гц, в спектрах вибровозбудимости пятнадцати обследованных однокамерных стеклопакетов зарегистрировано от 72 до 150 резонансных максимумов). Поддиапазоны с резонансными частотами изгибных колебаний стекол окон занимают значительную часть частотной области измерений.

• -    экспериментально зарегистрированные частоты минимальной звукоизоляции (ЗИ) окон, как правило, находятся в поддиапазонах резонансных частот ( f_mn ) их изгибных колебаний, рассчитанных для случаев свободного опирания (min f_mn ) и жесткой заделки (max f_mn ) кромок стекол.

• -    расчетные значения звукоизоляции по закону массы удовлетворительно совпадают с измеренными значениями звукоизоляции окон лишь на редких частотах диапазона ограниченного сверху частотой около 500 Гц (примерно 0,16fкр); на большинстве частот расчетные значения ЗИ превышают измеренные значения; наиболее вероятной причиной такого соотношения является уменьшение звукоизоляции окон, связанное с возникновением резонансных явлений в элементах остекления; превышение расчетных значений ЗИ окон над измеренными значениями

  
  
  
  
  

  измерения ЗИ

  свободное опирание ( f mn ) жесткая заделка( f mn ) f _p

  
  
  
  
  
  

  расчет ЗИ

  
  

  100       200       300       400       500       600       700       800       900       1000

Частота, Гц

Рис. 5. Частотная ( k f = 1,25 Гц) характеристика звукоизоляции окна и расчетные значения резонансных частот колебаний стекол и одной из стеклопакетов

Частота, Гц

Рис. 6. Частотная ( A f = 12,5 Гц) характеристика звукоизоляции окна и расчетное значение критической частоты колебаний одной из стеклопакетов

Таблица 3. Результаты расчетов резонансных частот изгибных колебаний одного из стеклопакетов окна

Номера форм		Резонансные частоты f mn		Частоты ЗИmin (рис. 7)
m	n	Свободное опирание	Жесткая заделка
1	1	55	68	–
2	1	83	102	–
3	1	125	154	147
1	2	155	191	183
2	2	182	225	–
4	1	184	226	–
3	2	225	277	–
5	1	258	317	293
4	2	283	349	293, 342
1	3	313	385	342
2	3	340	419	403
5	2	357	440	403
3	3	382	471	464
4	3	441	543	464, 476
5	3	515	634	573
1	4	528	650	647
2	4	555	684	647
3	4	598	736	–
4	4	656	808	–
5	4	730	899	891
1	5	800	986	891
2	5	828	1020	–
3	5	870	1072	–
4	5	929	1144	–
5	5	1003	1235	–

Стеклопакет 1 - 0,96 х 0,5 х 0,004 м ( £ i X £ 2 X h ), d = 0,016 М .

Рис. 7. Спектры виброускорения внутреннего стекла одной из стеклопакетов и когерентности виброускорения со звуковым давлением на улице

Рис. 8. Спектры виброускорения наружного стекла одной из стеклопакетов окна и когерентности виброускорения со звуковым давлением на улице

возрастает с увеличением частоты, что можно объяснить, в частности, изменением физической сути взаимодействия падающих звуковых волн со стеклами (изменение соотношения длин волны звука и изгибных колебаний в стеклах);

Полученные результаты свидетельствуют о значимом влиянии резонансных явлений в эле- ментах остекления окон на прохождение через них шумового сигнала.