Полікарбонат vs Скло: покращення акустики приміщень

Роль полікарбонатних панелей в покращенні акустичних властивостей приміщень: звукопоглинання, паразитні резонанси, реверберація, стоячі хвилі

Полікарбонатні панелі мають не тільки в рази кращі показники міцності та безпечності в порівнянні навіть із загартованим склом, але й кращі акустичні властивості, що суттєво впливає на комфорт перебування та звукову обстановку в приміщеннях.

Огляд акустичних властивостей різних приміщень

Акустичні властивості приміщення є одними з найважливіших та чутливих параметрів коли мова йде не тільки про концертні зали, філармонії, релігійні заклади, консерваторії, але і коли йдеться про жд та автовокзали, аеропорти, лекторії, класи, аудиторії, та інші громадські та навіть житлові приміщення, причому не тільки ті, де буде звучати музика, але й ті, де важливо чітко чути мову: лекцію, проповідь, виступ, промову чи навіть просто комфортно спілкуватися. Навіть те, наскільки людина (або тварина) буде затишно почуватися в тому чи іншому приміщенні, буде сильно залежати від його акустичних властивостей, на які суттєво впливають:

• геометрія приміщення;
• звукопоглинання та власні резонансні частоти стін, вікон, стелі, підлоги, предметів інтер’єру та інших речей (і людей) що знаходяться всередині даного приміщення.

Найперше акустичне явище знайоме нам з дитинства - луна. Це відбиття звукової хвилі від будь-якої суттєвої перешкоди (гори, будинки тощо), тобто звук повертається до нас, і ми можемо почути точно те, що ми казали секунди тому тільки дещо тихіше (затримка та гучність залежить зокрема від відстані до перешкоди та її розмірів) і, навіть, не один раз, якщо поруч є кілька перешкод або ми знаходимося між ними.

Як бачимо реверберація суттєво впливає на сприйняття звуку. Вона залежить від геометричних параметрів простору та того, що його обмежує як то розміри, відстані, кути, радіуси конструкцій та їх звукопоглинання що зменшує енергію відбитої звукової хвилі. 

Зауважимо, що чим звукопоглинання конструкцій (стін, вікон, дверей, предметів інтер'єру тощо) вище, тим меншою буде реверберація.

Як бачимо з вищенаведеного відео, особливо сильно вона впливає на розбірливість мови. Про чому, якщо це живий спікер, то йому буде важче говорити, а слухачам буде важче слухати і вони будуть почуватися некомфортно, гірше сприймати матеріал та набагато швидше втомлюватися. Можливо Ви помічали, що навіть якщо це вітальня чи житлова кімната в якій відчутна реверберація (наприклад “ефект голих стін”) присутні будуть почуватися менш комфортно навіть коли мовчать. Справа, зокрема, в навантаженні на мозок внаслідок  надзвичайної адаптивності та чутливості людського вуха - коли тиша “дзвенить” ми чуємо рух крові в наших судинах та навіть удари молекул повітря по барабанній перетинці!

Самий ефективний метод боротьби з непотрібною реверберацією (а вона буває і корисною), особливо коли приміщення вже існує, -  збільшити звукопоглинання конструкцій, предметів інтер’єру тощо, або добавити звукопоглинаючі предмети в потрібних місцях (товсті шпалери, килими, м’які меблі, рослини, спеціальні звукопоглинаючі панелі, резонатори, дифузори тощо).

Збільшення звукопоглинання дозволяє нівелювати ще одне неприємне явище - стоячі хвилі. 

Приклад стоячих хвиль

Як бачимо, коли є достатньо велика перешкода для відбиття звукової хвилі або в будь-якому просторі, де є паралельні поверхні типу стіна-стіна або підлога-стеля на довжинах хвилі кратній відстані між поверхнями будуть за рахунок інтерференції (складання енергій) утворюватися стоячі хвилі з характерними для них максимумами (пучностями) та мінімуми (вузли) акустичного тиску в певних точках приміщення. Це означає що слухач в певній точці простору  буде звукову хвилю даної частоти дуже добре чути, а інший слухач в іншому місці її не буде чути практично зовсім.

Боротися з цим явищем крім звукопоглинання допомагає створення приміщень без паралельних поверхонь (амфітеатри, театри, літні площадки…) а та/або  встановлення додаткових звуковідбиваючих/звукопоглинаючих поверхонь якы додаьково ще допомагають якісно розподіляти звук в приміщенні - з такою метою можна використовувати навіть меблі.

Приклад приміщення з не паралельними поверхнями:

 

Роль резонансу в акустиці приміщень

Другим суттєвим параметром що впливає на акустичний комфорт приміщення є резонанс. Він суттєво посилює ефект стоячої хвилі як в прикладі на мал. Однак розглянемо ще один його суттєвий вплив на акустичні властивості приміщення.

Мабуть всі ми пам’ятаємо камертон з уроків фізики - він налаштований на певну частоту, наприклад 440 Гц для ноти “Ля”, і чудово слугує для настройки музичних інструментів. Якщо ж інструмент вже настроєний і на ньому відтворити ноту Ля та камертон сам починає коливатися і видавату ті самі 440 Гц, хоча ми його навіть не торкалися - це і є явище резонансу - в нашому випадку відбувається поглинання предметом енергії звукової хвилі. Також ми помічали його коли вантажівка їхала повз наш будинок і в ньому починали бриньчати вікна на частоті гуркоту двигуна - скло починало поглинати енергію на певній так званій власній частоті, і як наслідок, інтенсивно коливатися. 

Графік залежності власних коливань від внутрішнього (міжмолекулярного) тертя матеріалу

Коротко кажучи у будь-якого предмета є так звані власні частоти (f ₀) на яких він буде резонувати - інтенсивно поглинати енергію звукових хвиль і коливатися, а значить звучати - стане джерелом звуку на частоті (f ₀) падаючої на нього звукової хвилі. Такі предмети починають спотворювати звуковий фон в приміщенні, з’являються малопомітні або інтенсивні “сторонні” звуки, “дзижчання”, вібрації, які псують звукову обстановку. Особливо це буде помітно коли в приміщенні звучить музика або працюють прилади з низько- та середньочастотним шумом (гулом).

Графік відбиття звукової хвилі від будівельного силікатного скла 4 мм наведений вище праворуч.

На графіку чітко видно як мікрофон вловлює власні резонансні частоти 4 мм скла - на частотах ~200 Гц та ~400 Гц в діапазоні, де для комфортної акустичної картини навпаки потрібне максимальне звукопоглинання, в тому числі для зменшення реверберації та стоячих хвиль. В даному ж випадку присутні два більших піки (f ₁ і f₂) та меньший (f ₃) підсилення відбитого звуку за рахунок власного резонансу скла.

Для боротьби з цим явищем важливо вибирати матеріали з значним звукопоглинанням в широкому спектрі частот (особливо на низьких частотах до 400 Гц, де явище резонансу буде найбільш відчутно спотворювати звукову картину) та мінімально вираженими власними резонансними частотами - ц е тим більш виражено, чим менш пружним є матеріал. В нашому прикладі полікарбонат є набагато менш пружним ніж силікатне скло. А оскільки для виникнення та розповсюдження хвиль потрібне пружне середовище, то  полікарбонат матиме набагато більше звукопоглинання та набагато менше виражені власні резонансні частоти. 

З результатом випробувань в сертифікованій лабораторії можна ознайомитися тут: оригінал англ та переклад українською мовою.

Графік звукопоглинання полікарбонатної панелі (з протоколу випробувань)

Порівняльна таблиця характеристик скла і полікарбонату, коли джерело звуку зовні, а приймач всередині приміщення (звукопоглинання зовнішніх шумів).

Порівняльна таблиця характеристик скла і полікарбонату коли джерело звуку і приймач в одному приміщення (звуковідбиття хвиль від поверхні).

Висновок

Полікарбонатні панелі не тільки надзвичайно міцні, але й краще за силікатне скло, особливо на низьких частотах до 400 Гц, де це найважливіше, поглинають звукову енергію та мають набагато менш виражені власні резонансні частоти, що дозволяє навіть при значних площах скління мати суттєво кращий звуковий комфорт як у житлових так і у нежитлових приміщеннях, до того ж в низькому бюджеті.