Проблема повышения звукоизоляции светопрозрачных конструкций, практически полностью определяющих акустический климат помещения, на протяжении многих лет является одной из наиболее актуальных при проектировании гражданских зданий. Результаты многочисленных исследований, проведенных в этом направлении как отечественными, так и зарубежными специалистами, говорят о том, что борьба с проникновением шума в помещения через конструкции окон является комплексной задачей — градостроительной, архитектурно-планировочной, конструктивной.
Постановка задачи обеспечения комфортных акустических условий с точки зрения проектирования светопрозрачных конструкций осложняется, прежде всего, тем, что окна в российских зданиях до недавнего времени являлись единственным источником притока свежего воздуха, для обеспечения требуемых условий естественного воздухообмена. Таким образом, возникает необходимость увязки воедино требований, противоречащих друг другу с точки зрения физики, в результате чего необходимо рассматривать два принципиально разных режима работы окна: 1) окно, находящееся в закрытом положении; 2) окно, открытое в режиме вентиляции. При этом следует отметить, что даже глухое, хорошо загерметизированное окно не в состоянии обеспечить идеальной защиты от транспортного шума, адекватной непрозрачным наружным стенам.
В Советском Союзе решение этой непростой задачи развивалось по пути проектирования так называемых «шумозащитных» или «шумозащищенных» зданий. По способам защиты от шума эти здания подразделялись на два типа:
1.Дома со специальной архитектурно-планировочной структурой и объемно-пространственным решением, в которых были реализованы такие принципы, как:
— расположение комнат общего пользования со стороны источника шума транспортной магистрали и, соответственно, спален — со стороны двора;
— включение в состав жилого дома дополнительных подсобных помещений группового пользования для создания гибкой планировочной структуры.
Такие дома из 12-ти и 16-ти этажных унифицированных крупнопанельных секций серии П 55 построены в ряде районов Москвы по проектам Московского Института Типового и Экспериментального Проектирования (МНИИТЭП).
2.Дома, окна и балконные двери которых имеют повышенную звукоизолирующую способность и снабжены специальными вентиляционными устройствами, совмещенными с глушителями шума.
Примером такого дома может служить дом, разработанный институтом «Моспроект-1» и построенный на Б. Тульской улице в Москве. Кроме того, разрабатывались также варианты, в которых были реализованы комбинированные решения. Таким образом, тенденция к проектированию шумозащитных домов отражала комплексный подход к решению градостроительных и строительноакустических задач, направленных на формирование благоприятного акустического климата в зданиях.
2. ВОСПРИЯТИЕ ЗВУКА ЧЕЛОВЕКОМ. ШУМОВОЙ РЕЖИМ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ. ТРАНСПОРТНЫЙ ШУМ
Шумовой режим городских территорий определяется воздействием целого ряда источников внешнего шума. К таким источникам, прежде всего относятся средства автомобильного, железнодорожного и воздушного транспорта, ряд промышленных предприятий и установок, а также другие шумовые воздействия, связанные с различными видами жизнедеятельности населени.
Как уже отмечалось выше, светопрозрачные ограждения, обладающие звукоизолирующей способностью, на порядок более низкой по сравнению с глухими участками наружных стен, практически полностью определяют степень защиты помещения от воздействия уличного шума. Правильно запроектированные светопрозрачные ограждения должны обеспечивать снижение шумовых воздействий окружающей среды на человека до некоторых допустимых величин, регламентируемых санитарными нормами.
3. ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСТЕКЛЕНИЯ
Осредненные величины индексов звукоизоляции, приводимые в большинстве источников по окнам, далеко не всегда отражают действительные звукозащитные качества остекления. Для объективной оценки необходимо представление о работе, как отдельных стекол, так и конструкции в целом в различных частотных диапазонах.
По своей природе основная доля шумовых воздействий на окна приходится на так называемый воздушный шум, возникающий при излучении звука в воздушное пространство. Излучаемый звук достигает какого-либо ограждения и вызывает его колебания. Колеблющееся ограждение, в свою очередь, излучает звук в смежное помещение, и таким образом воздушный шум достигает воспринимающего его человека.
Каждое отдельное стекло, подвергающееся воздействию падающих звуковых волн, следует рассматривать как тонкую пластину, получающую под внешним воздействием деформации изгиба. Построение расчетной кривой осуществляется, исходя из экспериментально установленной зависимости, определяющей наличие двух частотных диапазонов звукоизоляции, разделенных граничной частотой frp. На этой частоте скорость изгибных волн в конструкции совпадает со скоростью звука в воздухе. На частотах выше граничной длина изгибной волны будет равна следу длины волны, падающего звука. Это явление получило название волновое совпадение или пространственно-частотный резонанс. При волновом совпадении распределение давления на поверхности конструкции точно соответствует распределению амплитуд ее собственных колебаний, что приводит к резкому увеличению интенсивности изгибных колебаний и, соответственно, к резкому снижению звукоизоляции.
Поэтому основной целью акустического проектирования ограждающих конструкций является сглаживание резких падений звукоизоляции, вызванных волновым совпадением, или максимально возможное выведение граничной частоты за пределы слухового диапазона.
У тонких стекол frp приходится на область высоких частот. При этом необходимо заметить, что никакое разумное увеличение массы (увеличение толщины) стекла не сможет приблизить его звукоизоляционные характеристики к непрозрачным участкам стен. В этом случае скорее возможен обратный результат — смещение граничной частоты в наиболее слышимые средние частоты с небольшим выигрышем за счет некоторого прироста звукоизоляции на менее значимых низких.
Дополнительный прирост звукоизоляции остекления можно получить за счет установки двух (и более) стекол, разделенных воздушным промежутком. В строительной акустике такие конструкции принято представлять как систему двух масс с упругими поперечными связями. Передача звука через такую конструкцию осуществляется следующим образом. Звуковые волны, падающие на наружное стекло с поверхностной плотностью т1 и вызывают в нем изгибные колебания. Находящийся в прослойке воздух играет роль амортизатора, в котором эти колебания затухают. Таким образом, на внутреннее стекло с поверхностной плотностью т2, приходит уже ослабленное звуковое воздействие, которое, в свою очередь, возбуждает изгибные колебания в этом стекле. Колеблющееся внутреннее стекло излучает звук в помещение.
Таким образом, если сравнить две конструкции — однослойную с массой 1м2 m = m1 + m2 и двухслойную m1 + воздух + m2, в последней по сравнению с первой будет наблюдаться дополнительная звукоизоляция дельта R, получаемая за счет упругой работы воздуха в прослойке.
Теоретически и экспериментально установлено, что система двух масс с упругими поперечными связями обладает рядом резонансов. Вкратце — в диапазоне частот до 100 Гц двойная конструкция ведет себя как акустически однородная. В резонансном участке от 100 до 400 Гц, стекла начинают совершать ритмичные усиливающие друг друга колебания, повышая тем самым прохождение звука через стекло. Значение дополнительной изоляции стремится к нулю и изоляция остекления определяется изоляцией одного, наиболее массивного стекла. Этот диапазон называется резонансным. В диапазоне от 400 до 800 наблюдается увеличение звукоизоляции в соответствии с увеличением массы стекол. На участке от 800 до 3000 Гц звукоизоляция конструкции ухудшается за счет возникновения волнового совпадения в каждом из стекол. Этот диапазон называют диапазоном совпадения. Свыше 3000 Гц наблюдается последовательный прирост изоляции, однако этот участок близкий к границам нормируемого диапазона интереса для проектировщиков не представляет.
Оптимальными характеристиками обладает система со стеклами разной толщиною. В этом случае их частоты не совпадают, частотная характеристика системы сглаживается и не имеет провалов.
Индекс изоляции воздушного шума.
Частотная характеристика остекления наиболее полно позволяет судить о его звукозащитных качествах, однако практически никогда не приводится производителями окон и стеклопакетов в сопроводительной технической документации. Как уже отмечалось, для приближенной оценки звукоизоляции может быть использована величина индекса изоляции воздушного шума Rw (в большинстве отечественных источников Iв).
Индекс изоляции воздушного шума определяют для конструкции с известной частотной характеристикой (построенной на основании расчетов или экспериментальных данных). Приведем в табличном виде соотношение индекса звукоизоляции Rw (а также индекса Ra, приближенно рассчитанного по формуле), с реальными звукоизоляционными качествами остекления, для конструкций указанных ниже.
№ п/п Конструкция остекления Индекс изоляции Rw, (дБ) Индекс изоляции Ra, (дБА)
Одинарные стекла
1 3 мм 24 20.4
2 4 мм 26 21.6
3 6 мм 28 22.8
4 8 мм 30 24
Двойное остекление (стеклопакеты)
5 3-10-3 30.5 24.3
6 4-10-4 33 25.8
7 6-10-6 34.5 26.7
8 3-20-3 33 25.8
9 4-20-4 34 26.4
10 6-20-6 36 27.6
11 4-10-6 36 27.6
Методика расчета индекса звукоизоляции одинакова для всех конструкций и подробно изложена во многих литературных источниках. Следует, однако, отметить, что индекс изоляции является величиной, определяемой чисто арифметическими вычислениями, и не дает возможности судить о каких-либо физических закономерностях.
4. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ОКОННЫХ БЛОКОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ УВЕЛИЧЕНИЯ
Выше были рассмотрены теоретические положения применительно к заполнению оконных блоков, т.е. непосредственно к светопрозрачной части — остеклению. С незначительной погрешностью можно говорить о том, что все описанные выше закономерности применимы и к неоткрывающимся глухим окнам, не имеющим неплотностей. На работу открывающегося окна в значительной степени оказывают влияние такие факторы как тип оконного уплотнения и, соответственно — его прижим, обеспечиваемый системой фурнитуры.
Как показывают данные экспериментальных исследований, окна с двухкамерным стеклопакетом не имеют практически никаких преимуществ с точки зрения звукоизоляции перед однокамерным. Поскольку в двухкамерном стеклопакете среднее стекло, как правило, размещено посередине между крайними стеклами, это стекло не только не дает роста звукоизоляции, но и может даже снизить ее, поскольку в такой системе происходит повышение резонансной частоты, до значений максимально приближенных к области наилучшей слышимости.
Значительно более высокие результаты по окнам, имеющим три стекла, можно получить путем установки дополнительной створки с одинарным стеклом. Такое решение применяется большинством производителей деревянных окон в Финляндии, а также реализовано отдельными производителями профильных систем из ПВХ и AL. Этим же путем пошли и мы при разработке своей конструкции. В таком окне за счет разницы воздушных промежутков между стеклами можно получить оптимальную точку для частоты f0 ,что может дать значения индекса изоляции R, порядка 33 … 34 дБА. Это значение может быть повышено до 39 дБА при условии увеличения воздушного промежутка между створками, однако при этом окно будет уже очень дорогим.
Среди факторов, оказывающих некоторое малосущественное влияние на повышение звукоизоляции окон, можно отметить такие, как условия закрепления стекол, использование ламинированных стекол, конструкция оконного профиля, а также заполнение внутренних камер стеклопакетов газами, скорость распространения звуковых волн в которых отлична от воздуха (как правило — гексафторидом серы SF6). Рациональное применение каждого из указанных мероприятий может дать повышение индекса звукоизоляции приблизительно на 1… 1,5 дБ А.
Таким образом, в настоящем разделе были принципиально перечислены практически все конструктивные решения окон, которые могут быть реализованы с точки зрения повышения их шумозащитных качеств при нахождении в положении «закрыто». При этом приведенные значения звукоизоляционных характеристик говорят о том, что предельное значение индекса звукоизоляции как стеклопакетов, так и оконных блоков в целом колеблется в пределах 33 … 34 дБ, что несопоставимо по величине с непрозрачными участками наружных стен (порядка 50 дБ). Основной причиной этого является плохая работа с точки зрения звукоизоляции как одиночных стекол, так и образуемых из них стеклопакетов, на низких частотах. Это нетрудно заметить, еще раз внимательно просмотрев все частотные характеристики, приведенные в настоящем разделе.
Вместе с тем, транспортный шум, представляющий основную нагрузку на окна, по своей природе является низкочастотным. Как показывает практика акустического проектирования, низкие частоты хорошо изолируются только тяжелыми, массивными конструкциями, имеющими высокую поверхностную плотность и хорошо работающими по закону массы. В пределах разумного, с точки зрения оконных техно-логий — задача малореальная. Поэтому повышение звукоизоляции окон свыше 36.. .39 дБ может быть достигнуто только за счет применения массивных экранов (ставен, жалюзей, рольставен) или специальных архитектурно — планировочных мероприятий.
5. АКУСТИЧЕСКАЯ РАБОТА ОКОН, ОТКРЫТЫХ В РЕЖИМЕ ВЕНТИЛЯЦИИ
При рассмотрении акустической работы окон, открытых в режиме вентиляции, необходимо принимать во внимание следующее.
По результатам натурных измерений, звукоизоляция окна в открытом положении (в зависимости от площади открытого элемента) составляет от 8 до 14 дБА — в среднем 10 дБА. Таким образом, можно говорить о том, что при открывании окна в режиме вентиляции, его звукоизоляционные качества падают в 100 раз по сравнению с закрытым положением. При этом радикальной альтернативой может являться только централизованная принудительная приточная вентиляция всего здания в целом — вариант технически сложный и дорогостоящий.
Компромиссным решением, в общих чертах найденным на сегодняшний день, являются окна с так называемыми «шумозащитными клапанами», обеспечивающими требуемое снижение шума в режиме вентиляции. Реально все подобные устройства работают по типу автомобильного глушителя и относятся к группе резонансных звукопоглотителей.