V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Звукоизолирующие свойства материалов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лобанова  Д.М. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №63»

Котяшева  Т.И. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №63»

Работа в формате PDF

424.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Без такого немаловажного фактора, как хорошая звукоизоляция, трудно представить себе комфортную жизнь в квартире. Но иногда при строительстве домов применяются материалы, которые не соответствуют нормам звуковой изоляции, и плохая звукоизоляция становится проблемой для владельцев квартир, ведь слышны разговоры соседей, шаги, музыка. Шум может проникать с улицы, если дом находится рядом с дорогой или около него ведутся строительные работы.

Вряд ли найдётся человек, который хотел бы жить в таких условиях. Шумы будут отвлекать от дел, раздражать или мешать отдыху. Решить эту проблему можно, если произвести звукоизоляцию в квартире, обратившись за помощью к специалисту или выполнив работу самостоятельно. В последнем случае человек должен знать, какие качества должен иметь звукоизолирующий материал, чтобы ощутить результат труда, не потеряв силы и время напрасно.

В настоящее время проблема звукоизоляции актуальна в связи с увеличением раздражающих звуковых факторов и с экономией на звукоизоляции строительных компаний. Предполагается, что работа будет интересна и полезна тем, кто желает самостоятельно провести работу по устройству звукоизоляции и при этом не ошибиться с выбором материала.

Цель исследования – выявить особенности материалов, от которых зависят их звукоизолирующие качества, и материалы, обладающие хорошими звукоизоляционными свойствами.

Для реализации данной цели были определены задачи - исследовать теоретические данные о звуке и звукоизоляции; изучить и сравнить звукоизоляционные способности материалов опытным путём.

Понимание задач помогает определить методы исследования - анализ теоретических данных о звуке и звуковой изоляции в научной литературе и Интернете; моделирование уменьшенной версии помещения, покрытого изучаемым материалом изнутри; опыт, направленный на измерение громкости звука, исходящего изнутри модели; сравнительный анализ данных о звукоизоляционных качествах каждого материала, полученных в ходе опыта.

Определение звука и его физические параметры

Звук – это явление, представляющее распространение механических колебаний в среде в виде упругих волн. Звуковая волна представляет собой последовательность сжатий и разряжений упругой среды, распространяющихся с определённой скоростью.

Одной из основных характеристик звука является его громкость. Она зависит от амплитуды колебаний давления в звуковой волне и измеряется в специальных единицах - децибелах (дБ). Связь различных звуковых явлений и их громкости показана в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики громкости

Различают два типа звуковых волн: музыкальные звуки и шум.

Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называют музыкальным тоном. Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний и определенная частота звука. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот. На рисунках 2 и 3 изображены спектры музыкального тона и шума.

Звуковые явления: преломление, отражение и затухание

При распространении звуковых волн могут происходить такие явления, как преломление, отражение или затухание звука.

Преломление звука - это изменение направления распространения звуковой волны при её прохождении через границу раздела двух сред. При падении на границу раздела двух однородных сред (воздух – стена, воздух – водная поверхность и т.д.) плоская звуковая волна может частично отражаться и частично преломляться (проходить во вторую среду).

Отражение звука - это явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из которой пришла падающая волна. Как правило, это звуковое явление сопровождается образованием преломленных волн во второй среде. Если размеры препятствия значительно больше длины звуковой волны, то возникает рассеяние звука, то есть уменьшение его интенсивности.

При распространении звуковой волны происходит ее постепенное затухание, уменьшение амплитуды колебаний звуковой волны и интенсивности звука. Неоднородность среды вызывает рассеяние звуковой волны в различных направлениях, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении. Звуковая энергия может переходить в энергию внутримолекулярных процессов в ходе поглощения энергии, обусловленного вязкостью и теплопроводностью среды. Поглощение энергии звуковых волн заметно возрастает с частотой.

Слишком медленное затухание ухудшает акустические свойства помещения, вызывает чрезмерную «гулкость» – каждая новая часть связного контекста перекрывается еще не затухшими предыдущими колебаниями. Но и чрезмерно быстрое затухание отраженных волн с акустической точки зрения также не выгодно – звуки в помещении получаются слишком слабыми и «глухими».

Звукоизоляция

Звукоизоляция и звукопоглощение

Звукоизоляция - это снижение уровня шума извне, проникающего в помещения. Её можно выразить в ослаблении громкости звука, в децибелах. Она подразумевает создание барьера, который уменьшает проходящий через стену звук.

Звукопоглощение – это снижение энергии отраженной звуковой волны. Звукопоглощение предотвращает отражение звука от стен помещения. На рисунке 4 изображены отражение и преломление звуковой волны при ее прохождении через преграду:

Рисунок 4. Прохождение звука через преграду

Виды шумов

Различают несколько видов шумов, одни из них - воздушный и ударный шумы. Воздушный шум происходит в помещении, во время громкого разговора, звучания музыки и т. п. Ударный шум происходит тогда, когда источник шума действует на конструкцию помещения (стены/пол/потолок). Источниками ударных шумов могут быть шаги или предметы, ударившиеся о конструкцию помещения.

Особенности изоляции воздушных и ударных шумов

Не все материалы одинаково хорошо подходят для изоляции воздушных и ударных шумов. Так, для уменьшения ударного шума применяют упругие материалы с ячеистой структурой. Упругие свойства материала и наличие воздуха в его порах способствуют гашению энергии удара и вибрации, что снижает структурный и ударный шум.

Более эффективным способом защиты от воздушного шума считается создание многослойной конструкции, состоящей из нескольких слоев материалов. С воздушным шумом хорошо справляются пористые и волокнистые материалы. Большая удельная поверхность материалов, создаваемая стенками открытых пор, способствует активному преобразованию энергии звуковых колебаний в тепловую энергию вследствие потерь на трение.

Количественной и качественной мерой звуковой изоляции однослойных тонких пластин являются масса ограждения, размеры пластины, её способность сопротивляться изгибу.

Используя таблицу 2, можно перечислить свойства материалов, которые определяют его звукоизоляционные способности. Сопоставив характеристики материала с данными характеристиками можно определить, для выполнения какой функции (изоляция/поглощение звука) и для уменьшения какого из видов шумов может понадобиться материал.

Таблица 2. Свойства звукоизоляционных материалов

4. Экспериментальное определение звукоизоляционных свойств материалов

Для проведения опытов понадобился шумомер. В его качестве выступал смартфон с установленным на него приложением. Микрофон на мобильном устройстве не так точен, как профессиональный шумомер, но точность считывания на мобильном телефоне может отличаться на 5 децибел от профессионального оборудования.

В опытах были изучены следующие материалы:

гипсокартон;

пенопласт;

пенополиэтилен;

пенофол (пенка с алюминиевой фольгой);

поролон;

теплоизолирующая войлочная основа (далее ТВО);

этиленвинилацетат (или туристическая пенка).

4.1. Опыты по изучению звукоизоляционных свойств материалов

Цель работы – изучение звукоизоляционных свойств материалов и выявление материала с лучшими показателями.

Приборы:

прямоугольная коробка;

линейка;

шумомер (смартфон);

динамик.

Погрешность при измерении громкости звука 5 дБ.

Погрешность при измерении толщины материала линейкой равна 1 мм.

Ход работы:

Для измерения звукоизолирующих свойств материалов необходимо собрать уменьшенную модель комнаты, звукоизоляцией которой будут выступать изучаемые материалы.

1. Сборка модели:

материал разделяется на несколько листов (6 шт. от одного материала), размеры которых соответствуют размерам стенок коробки;

вырезанные листы (5 шт., 1 будет закрывать коробку) помещают в коробку таким образом, чтобы они прилегали к ее стенкам.

2. Измерение толщины материала:

с помощью линейки измеряется толщина материала.

3. Измерение изоляции воздушного шума:

В Приложении А показана модель помещения с одним из исследуемых материалов и работа шумомера.

с помощью шумомера, установленного на смартфон, измеряют громкость звука, исходящего из динамика;

шумомер помещается внутрь коробки, коробку закрывают листом изучаемого материала;

динамик помещают рядом с коробкой и включают звук;

смартфон достают из коробки и снимают показания с шумомера.

При отделке стен пришлось бы покрыть звукоизоляционную конструкцию слоем твердого материала (для покраски стен/покрытия обоями), значит, при измерении звукоизоляционных свойств следует учесть и его звукоизоляцию. В качестве такого материала может выступать гипсокартон. Следовательно, для измерения изоляции шумов потребуется поместить на лист гипсокартона лист исследуемого материала.

4. Измерение изоляции воздушного шума материалом, покрытым гипсокартоном:

гипсокартон разрезается на 6 листов, размеры которых соответствуют стенкам коробки, которые далее совмещаются с изучаемыми материалами;

с помощью шумомера (смартфона), измеряют громкость звука из динамика;

шумомер помещается внутрь коробки, коробку закрывают материалом, совмещенным с гипсокартоном;

динамик помещают рядом с коробкой и включают звук;

смартфон достают из коробки и снимают показания с шумомера.

5. Измерение изоляции ударного шума материалом, покрытым гипсокартоном:

с помощью шумомера, установленного на смартфон, измеряют громкость от удара по гипсокартону;

шумомер помещается внутрь коробки, коробку закрывают материалом, совмещенным с гипсокартоном;

по гипсокартону ударяют;

смартфон достают из коробки и снимают показания с шумомера.

Результаты:

Таблица 3. Звукоизоляционные способности материалов

По полученным данным составим таблицу 3, показывающую, на сколько децибел материалы способны уменьшать громкость тех или иных шумов.

По полученным данным о звукоизоляционных качествах материалов, совмещенных с гипсокартоном, составим таблицу 4.

Таблица 4. Звукоизоляционные способности материалов, совмещенных с гипсокартоном

4.2. Опыты по изучению звукоизоляционных свойств конструкций из нескольких материалов, помещенных между двумя листами гипсокартона

Цель: выявление способностей конструкции из одного или нескольких материалов и гипсокартона к уменьшению воздушного и ударного шума.

Приборы и материалы:

прямоугольная коробка;

линейка;

шумомер (смартфон);

динамик.

Погрешность при измерении громкости звука 5 дБ.

Погрешность при измерении толщины материала линейкой равна 1 мм.

Ход работы:

Для измерения звукоизолирующих свойств конструкций необходимо собрать уменьшенную модель комнаты, звукоизоляцией которой будут выступать изучаемые материалы.

1. Сборка модели:

материал(ы) и гипсокартон разрезаются на несколько листов (6 шт. от одного материала), размеры которых соответствуют размерам стенок коробки;

листы помещают в коробку таким образом, чтобы они прилегали к ее стенкам.

2. Измерение толщины конструкции:

с помощью линейки измеряется толщина листов гипсокартона и материала(ов).

3. Опыт по измерению изоляции воздушного шума с помощью конструкции:

с помощью шумомера, установленного на смартфон, измеряют громкость звука, исходящего из динамика;

шумомер помещается внутрь коробки, коробку закрывают гипсокартоном и изучаемым материалом;

динамик помещают рядом с коробкой и включают звук;

смартфон достают из коробки и снимают показания с шумомера.

4. Опыт по измерению изоляции ударного шума с помощью конструкции:

с помощью шумомера, установленного на смартфон, измеряют громкость от удара по гипсокартону;

шумомер помещается внутрь коробки, коробку закрывают гипскартоном и изучаемым материалом;

по гипсокартону ударяют;

смартфон достают из коробки и снимают показания с шумомера.

Результаты:

Согласно полученным данным об уменьшении громкости шумов с помощью конструкций, состоящих из одного и более материалов, помещенных между двумя листами гипсокартона, составим таблицу 5.

Таблица 5. Звукоизоляционные способности конструкций с одним или несколькими материалами и двумя листами гипсокартона

4.4. Сравнительный анализ данных

Используя данные таблицы 2 и 3, для большей наглядности составим график 1.

График 1. Звукоизоляционные способности конструкций с одним материалом и гипсокартоном

Изучив график можно понять, что из данных материалов лучшие показатели в изоляции воздушного шума имеет гипсокартон и два слоя гипсокартона. Лучшие показатели по уменьшению ударного шума имеет конструкция из поролона и гипсокартона.

Данные об изоляции шума конструкциями, включающими несколько материалов, представлены на графике в Приложении Б. По графику видно, что лучшие показатели в изоляции воздушного шума имеют конструкция из пенофола, поролона и двух листов гипсокартона и конструкция из пенофола, этиленвинилацетата и двух слоев гипсокартона. Лучшей в изоляции ударного шума оказалась конструкция из поролона и двух слоев гипсокартона.

Заключение

Обобщим материалы, представленные в докладе, в соответствии с задачами исследования. Выполнив первую задачу исследования, а именно изучив научную литературу и информацию в Интернете, мы выяснили, что существуют два вида шума: воздушный и ударный. Звуконепроницаемые материалы также подразделяются на две группы: звукоизолирующие и звукопоглощающие.

Основными свойствами, которыми должен обладать звукоизолирующий материал, являются:

малая упругость;

массивность;

пористость.

Звукопоглощающий материал характеризуется:

волокнистой, ячеистой или зернистой структурой;

массивностью.

Для уменьшения воздушного шума, материал должен обладать такими свойствами, как:

пористость;

продуваемость;

массивность.

Для изоляции ударного шума, стоит использовать материалы, которые обладают:

малой упругостью;

пористостью.

В результате выполнения второй задачи исследования, проведения эксперимента, было выявлено, что показатели уменьшения воздушного шума у гипсокартона выше, чем у остальных материалов (15 – 185 дБ). В уменьшении громкости ударного шума лучшие результаты показал поролон, совмещенный с листом гипсокартона (115 дБ).

В ходе эксперимента по изучению звукоизоляционных свойств конструкций с материалами между двумя листами гипсокартона было выявлено, что с воздушным шумом лучше справляются конструкции с использованием пенофола, поролона и двух слоев гипсокартона(215 дБ) и с использованием пенофола, этиленвинилацетата и двух слоев гипсокартона (205 дБ). Что касается ударного шума, то среди конструкций, включающих в себя несколько материалов, лучший результат показала конструкция с использованием пенофола, поролона и двух слоев гипсокартона (65 дБ).

Исходя из результатов проведенных опытов, мы выяснили, что для изоляции воздушного шума лучше использовать конструкцию из пенофола, поролона и двух листов гипсокартона или же из пенофола, этиленвинилацетата и двух листов гипсокартона. Для изоляции ударного шума можно использовать поролон, совмещенный с гипсокартоном.

Следуя результатам опытов, конструкции, включающие в себя несколько материалов, лучше справляются со звукоизоляцией. Но у таких конструкций есть минус, заключающийся в том, что они толще, а значит, могут сократить пространство в комнате.

Было отмечено, что среди изученных материалов и конструкций не оказалось таких, которые уменьшали воздушный и ударный шумы с одинаковой эффективностью. Так, конструкции из пенофола, поролона и гипсокартонных листов и из пенофола, этиленвинилацетата и гипсокартонных листов плохо изолируют ударный шум, а поролон, совмещенный с гипсокартоном, плохо изолирует воздушный шум.

Информационные источники

1. Бобылев В. Н., Борисов Л. А., Осипов Л. Г. и др.; Звукоизоляция и звукопоглощение: Учебное пособие для студентов вузов/ г. Москва. – ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2004 г., 450 с.;
2. Исмаилова С.; Большая школьная энциклопедия, том 1. Естественные науки/ г. Москва. – «ОЛМА Медиа Групп», 2003 г., 704 с.;
3. Мякишев Г. Я., Синяков А. З.; Физика. Колебания и волны. 11класс. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных учреждений/г. Москва. – «Дрофа», 2009 г., 287 с.;
4. Яковлев И. В.; Физика. Электронный учебник , 490 с. // Режим доступа: http://mathus.ru/phys/book.pdf;
5. Звукоизоляционные материалы. Виды звукоизоляционных материалов // Режим доступа:www.builderclub.com/statia/zvukoizolyacionnye-materialy-vidy-zvukoizolyacionnyh-materialov#звукопоглощение;
6. Звкоизоляция // Режим доступа: http://www.heuristic.su/effects/catalog/tech/byId/description/622/index.html;
7. Звукоизоляция в монолитном доме // Режим доступа: http://www.acoustic.ru/ref_book/articles/zvukoizolyaciya-v-monolitnom-dome/;
8. Звукоизоляция и звукопоглощение. В чем разница? // Режим доступа: http://www.as-workshop.ru/articles/352;
9. Как работает звукоизоляция?// Режим доступа: https://sprav.topdom.info/sprarea17/sprsect104/sprorg1651.php;
10. Отражение звука // Режим доступа: http://bourabai.ru/physics/2704.html;
11. Преломление звука// Режим доступа: http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/524/index.html;
12. Шумоизоляция стен в квартире – современные материалы, цена и отзывы // Режим доступа: http://househill.ru/otdelka/sten/shumoizolyaciya.html#zvukoizolyaciya.

Приложения

Приложение А

Модель помещения со звукоизоляционным покрытием (на примере пенофола) ишумомер, установленный на смартфон

Звукоизоляционные характеристики конструкций из нескольких материалов

Приложение Б