Городская среда изобилует громкими звуками, что, поневоле, заставляет задуматься о защите — как это лучше сделать (с концептуальной точки зрения), и какими некоторыми интересными свойствами звук обладает, обо всём этом мы и поговорим в статье ниже!

Наука о звуке, называемая акустикой, появилась очень давно — еще в трудах древнегреческого математика Пифагора (VI век до н.э.), отмечается наличие зависимости между длиной струны и высотой получаемого с её помощью тона. Уже позже, живший в эпоху Возрождения (XV-XVI вв.) Леонардо да Винчи занимался изучением отражения звука, а ещё позже, уже в XVIII веке, И.Ньютон предложил некоторый математический аппарат для изучения волновых колебаний, а последовавший XIX век принёс множество новых открытий и разработ��к — чего стоит, к примеру, тот же самый фонограф Эдисона или телефон Г.Белла! В том же веке вышел и известный труд Рэлея «Теория звука», где было проработано множество моментов, касающихся колеблющихся систем, а сам труд лёг (гораздо позже, уже в наше время), в основу теории колебаний.

Пришедший на смену XX век принёс также много нового — наука о звуке начала скачкообразно развиваться, на базе которой было разработано множество новых интересных подходов и устройств для реализации их (которых не было до этого): ультразвуковая дефектоскопия, гидроакустика и множество других.

Скажем, если говорить обо мне, то одной из моих любимых научных идей, является способ управления отклонением светового луча в прозрачном прямоугольном кристалле, всего лишь подавая на один из торцов его – ультразвуковой сигнал определённой частоты, в зависимости от которой, происходит отклонение луча на нужный угол – мгновенно и без каких либо физических устройств (зеркал, электромеханических «гальванометров» и т.д.). 

Таким образом можно легко создавать системы сканирования лучом, например, лазерным, без механических приводов! 

А поставив 2 кристалла, развёрнутых на 90 градусов относительно друг друга, сквозь которые луч проходит последовательно, можно реализовать сканирование по XY! Отличная идея, для разнообразных лазерных проекторов и т.д.

В науке об акустических явлениях, из-за своей практической значимости, особое место занимает инженерная акустика, чьей целью является борьба с техногенными шумами, окружающими нас в современной среде, так как шумовое загрязнение считают настоящей «чумой» нашего времени.

И сразу же зададимся вопросом: лучше толще или тоньше? :-) Лучше укрыться «тонким одеялком» или «толстой стеной»? 

На первый взгляд, странный вопрос, не так ли? ;-) Ведь, следуя нашей обыденной бытовой логике, мы знаем, что для звукоизоляции используют слои различных материалов, — скажем, в строительстве, применяют определённой (нормированной) толщины утеплители, несущие стены делают определённой толщины для борьбы с холодом…Может быть, эта же логика применима и для борьбы со звуком? 

Например, по той же логике, мы знаем, что через тонкую стенку слышно лучше, чем через толстую… 

И, это действительно так — в старых книгах это называется «логарифмический закон» или «закон массы»: например, если стена позволяет заглушить звук на некоторое значение, то, если мы захотим уменьшить величину слышимого через стену звука на это же значение, то, соответственно, для этого потребуется и массу стены увеличить во столько же раз — скажем, если изначально стена весила 10 кг, то теперь, он будет весить 100 кг.

На этом примере мы видим, что прямое, «в лоб» глушение звука оборачивается значительными материальными расходами на утолщение стены.

Из этого закона следует забавное следствие: если взять 2 материала, одной и той же толщины — скажем, лист металла и одеяло, то, очевидно, что лист металла будет весить существенно больше, при той же толщине. А это уже предполагает, что более тяжёлый материал — глушит звук сильнее, во столько раз, во сколько он тяжелее*…

*Тут только надо сделать оговорку, что оба материала должны быть однородной структуры: скажем, нельзя сравнивать монолитное, плотное одеяло, и металлическую тяжёлую сетку — понятно, что это будет некорректно. Нужно сравнивать плотное одеяло и монолитный лист металла…

При этом, наблюдается интересный эффект: при падении звуковой волны на преграду (например, стену) будет наблюдаться частичное поглощение стеной этой волны и частичное отражение обратно, в помещение. 

Далее, звуковая волна, проникшая в стену, раскачивает своей энергией молекулы/атомы стены, которые, как в падающих домино — передают этот «толчок» дальше. При этом, часть энергии теряется — причиной потерь является трение между элементами структуры, на молекулярно/атомарном уровне, и преобразование изначальной энергии — в тепловую (там на самом деле довольно сложный механизм, из целого ряда составляющих, но пока, для простоты, скажем, что трение).

Соответственно, чем больше количество таких структурных элементов на пути (т.е. толще стена), тем сильнее рассеивается энергия и с другой стороны стены в воздушную среду излучается уже только совсем малая часть изначальной звуковой энергии…

Казалось бы, мы нашли «золотую формулу» — которая позволяет решить все проблемы с глушением звука?

А вот и нет, — было выявлено, что на определённых частотах, несмотря на увеличение массы, вся эта логика перестаёт работать: возникает так называемый «резонанс совпадения», когда проекция длины волны в воздухе, совпадает с длиной волны в материале (нашей стене), в результате чего, наблюдается активное проникновение энергии звуковой волны из воздушной среды в стену, а глушение может существенно падать, вплоть до полного исчезания эффекта звукоизоляции (зависит от толщины стены и частот звуковых волн)! 

Впервые этот эффект был обнаружен ещё в 1941 году, советским учёным С.Н.Ржевкиным, который наблюдал аномальное свободное прохождение звука сквозь пластинки из разных материалов, при определённых частотах.

При этом, что интересно: проекция волны, подающей из воздушной среды на стену, может быть разной, в зависимости от угла падения!

Таким образом, учитывая, что, в любой момент времени, в окружающей среде может иметься произвольное количество звуковых волн, весьма широкий диапазон длин волн, в зависимости от угла падения, может вызвать резонанс и проникнуть сквозь стену! 

Также, было выявлено, что частота резонанса совпадения уменьшается с увеличением массы, и, в целом начинает наблюдаться странная картина: с одной стороны, увеличение массы однозначно уменьшает проникновение звука сквозь стену, а, с другой стороны, и смещает резонанс в область более низких частот, к тому же, довольно широкого диапазона! 

Получается, что широкая полоса шумов уменьшается, но, в то же время, помещение наполняется разнородным гулом!

То есть, большой вес преграды — вовсе не панацея. 

Как с этим бороться — мы ещё узнаем ниже.

Это классический, «экстенсивный» подход, который предполагает очень большие материальные затраты, да и, к тому же, работает не до конца хорошо… 

Очевидно, что требовалось что-то с этим делать, поэтому, со временем, был выработан и более эффективный путь!

В рамках более «интенсивного» подхода, было выдвинуто предположение (сначала, на уровне теорий, а затем, проверено на практике), что возможно добиться тех же результатов, но с гораздо более тонкой преградой! 

Это идея базировалась на том, что, помимо отражения звуковой волны с помощью монолитной преграды, можно попробовать поработать с ней с помощью рассеяния её энергии, то есть, поглощения и перевода её в тепло. 

Было обнаружено, что для монолитных преград, таких, как, например, кирпичная стена, отражение звуковой волны достигает вплоть до 99%, соответственно, внутрь стены проникает до процента или чуть больше — тем не менее, на практике мы знаем, что даже это вызывает проблемы (собачка с этажа выше может «достать» кого угодно:-)) ). 

Для лучшего понимания всей той концепции, которая будет изложена ниже, зададимся следующим вопросом: а что такое вообще звук? 

Насколько известно, звук представляет собой синусоидальный колебательный процесс, распространяющийся в определённой среде, в котором области относительно высокого давления, перемежаются областями относительно низкого давления.

То есть, ключевым здесь является наличие областей повышенного давления, которые и несут энергию, говоря проще, нам надо каким-то образом «уронить давление» в них!

Как в технике борются с повышенным давлением в р��зличных физических процессах? 

В качестве примера, обратимся к одному из самых явных и наглядных способов такой борьбы — устройству глушения звука, или попросту «глушителю», для огнестрельного оружия:

Что мы здесь видим: сквозной канал проходит через весь корпус, где от этого канала в стороны отходят каналы-каморы.

Смысл этого устройства заключается в том, что струя газов высокого давления, проходя по каналу вслед за пулей, постепенно теряет свою энергетику, расширяясь и рассеиваясь на каждой каморе. 

По идее, логически рассуждая, следовало бы эти боковые ответвления соединить ещё и с атмосферой, но, энергетика струи слишком велика, и это только ухудшит ситуацию; поэтому, боковые каналы и оставляют закрытыми (без соединения с внешней атмосферой).

Этот принцип даёт нам хорошо понять, как нужно эффективно работать с высоким давлением, чтобы побороть его: нужно создать лабиринт каналов, где это давление будет рассеиваться, распространяясь по каналам, и испытывая в ходе такого распространения, естественное сопротивление из-за лабиринтной структуры и относительно малого сечения каналов, а также завихрений потока.

Кстати, если кто не знал, то такой принцип очень широко используется в технике и называется «лабиринтное уплотнение»: создаётся последовательность (обычно кольцеобразной формы, для простоты изготовления с помощью токарной обработки) каналов, которые применяются в тех случаях, где использование прокладок или поршневых колец невозможно — например, высокая температура, малый диаметр поршня (чугунное поршневое кольцо на таких диаметрах не будет достаточно эластичным, и попросту сломается при любой попытке надеть его на поршень).

Самый яркий пример использования такой технологии — кольцеобразные проточки на газовом поршне затворной рамы автомата Калашникова: прокладок, поршневых колец нет, однако всё работает (завихрение газов в этих проточках работает в роли поршневых колец, мешая проходу газового потока; на картинке ниже, эти проточки можно видеть в верхней части картинки, на поршне):

Теперь, если мы вернёмся к нашей борьбе с шумом в городской среде, то нам становится понятно, почему в строительстве используются уплотняющие материалы, где наиболее хорошим глушением звука обладают волокнистые, по сути, состоящие из множества микролабиринтов, к тому же, соединённых с атмосферой: звук эффективно теряет давление, проходя сквозь эти каналы! 

В противовес волокнистым материалам, аналоги, с закрытыми порами, например, пенопласт, намного хуже гасят звук — по сути, они лишь его передают дальше, несколько приглушая, где, при этом, никаких способов понижения давления звуковой волны не применяется вовсе!

Таким образом, в рамках более интенсивного подхода, предполагается, что для эффективной борьбы со звуком, требуется комбинированная преграда — которая будет состоять из монолитной части, отражающей большую часть звука, после которой должна следовать волокнистая часть, с открытыми лабиринтами, которая и будет рассеивать давление проникшей волны, переводя его в более низкое, с одновременным выделением тепла.

Для эффективного поглощения звука, принято считать, что толщина поглощающего материала должна составлять не менее 1/4 длины волны, для поглощения которой и предназначен материал — из этого, соответственно, следует, что «погасить» низкие частоты труднее, в виду того, что они обладают большей длиной волны. 

При этом, по некоторым прикидкам* для борьбы с большинством звуков в городской среде (например, с помощью относительно тонких межкомнатных перегородок), получается, что толщина волокнистого материала должна составлять не менее 50 мм, тогда как монолитного, достаточно вполовину меньше, и, таким образом, суммарная толщина брикета составит порядка 75 мм.

*Это не точно, требуются тесты, в каждом конкретном случае.

Ещё один интересный момент борьбы со звуком, заключается во внимательности к щелям! ;-)

Если спросить любого из вас, насчёт того, «откуда звука пройдёт больше — через открытый проём двери, или через щель под ней?», то, уверен, что обычная житейская логика подскажет вам «правильный» ответ: «конечно же, через дверь, странный вопрос!»

А вот и нет: с точки зрения учёных (Гюйгенс) — каждая точка фронта волны может явиться самостоятельным источником сферической волны. 

На практике это означает, что фронт сферической волны, упавший на стену, в виду её большой отражательной способности, отражается во все стороны, также, в виде множества сферических волн. 

На пути этих сферических волн неминуемо встретится щель в стене (например, под дверью), которая обладает нулевой отражательной способностью, по сравнению со стеной, и это приведёт к тому, что практически все отражённые волны — проникнут через неё, в другое помещение! О_о

Исследования показали, что звукопроводность щелей практически равна звукопроводности открытого проёма равной ширины! 

То есть, другими словами, щель под дверью, по звукопроводности равна открытой двери! О_о 

Из этого следует такой вывод, что, если озаботиться о звукозащите двери, но забыть про щели вокруг неё - работа была проделана зря. :-) 

В процессе решения этой проблемы, учёными был выявлен наиболее эффективный способ борьбы с ней: использование нахлёстов. 

То есть, дверь должна не просто входить в дверной проём и закрывать его, а ещё вокруг неё должны существовать некие наличники, которые, при закрывании двери, будут ложиться на раму вокруг неё — это самый эффективный способ глушения (ну и не забыть про щель под ней). 

Подытоживая, можно сказать, что борьба со звуком является довольно комплексной проблемой, где, тем не менее, понимание основных принципов, несколько облегчает этот процесс...

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.