Спосіб ослаблення інтенсивності звукових хвиль

1. Спосіб ослаблення інтенсивності звукових хвиль, який полягає в ослабленні інтенсивності при їхньому проходженні через багатошарову тверду перешкоду, який відрізняється тим, що поздовжню повітряну звукову хвилю перетворюють у неполяризовану поперечну, пропускаючи її через перший шар твердого матеріалу, котрий характеризується довільним напрямком волокон, потім поляризують, пропускаючи її через другий шар 3 пендикулярним напрямком волокон стосовно попереднього шару. Завдання також досягається тим, що в пропонованому способі ослаблення інтенсивності звукових хвиль здійснюють багаторазову поляризацію за рахунок збільшення числа пар поляризатораналізатор, тобто за рахунок збільшення шарів твердого матеріалу, які розрізняються між собою за орієнтацією волокон, причому загальна кількість шарів дорівнює: N=1+n, де n - число, кратне 2; n 3. Сутність корисної моделі полягає в застосуванні принципу поляризації поперечних хвиль стосовно до завдань боротьби з шумом. Поляризація світла дуже широко використовується для створення різноманітних оптичних пристроїв, наприклад, таких як прояснені об'єктиви біноклів і фотоапаратів, рідкокристалічні індикатори електронних годин і сонцезахисні окуляри й т.д. У той же час застосування поляризації звуку з метою звукоізоляції невідомо. З основного рівняння теорії пружності випливає, що кожен хвильовий рух у твердих тілах можна представити у виді суми чистих подовжніх (вільна від обертання складова) і чистих поперечних (вільна від розширення складова) хвиль. Одне з характерних хвильових явищ для поперечної хвилі - її поляризація, що відбувається в багатошаровому матеріалі. Згідно [Справочник по технической акустике: Пер. с нем./ Под ред. М.Хекла й Х.А.Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980. - C.19] "звук в твердых телах отличается от звука в жидкостях и газах тем, что в твердых телах возникают сдвиговые напряжения и деформации....Виз основного уравнения теории упругости следует, что каждое волновое движение в твердых телах может быть представлено в виде суммы чистых продольных волн (свободная от вращения составляющая) и чистых поперечных волн ( свободная от расширения составляющая)." При цьому поздовжня складова порівняно просто поглинається товщею матеріалу, основну складність представляє боротьба з поперечної складовою. Поперечна складова переносить більшу частину енергії звукової хвилі. Спосіб ослаблення інтенсивності звукових хвиль згідно корисної моделі забезпечує умови поляризації звукової хвилі в багатошаровому твердому середовищі, і, як наслідок, зменшення інтенсивності цієї звукової енергії. Наявність першого шару твердого матеріалу з довільним напрямком волокон забезпечує виникнення в його товщі поперечної складової звукової хвилі, тобто перетворення повітряної звукової хвилі, як відомо, що є поздовжньою, у поперечну хвилю, котра потім може бути піддана поляризації. При цьому наявність першого шару забезпечує в кожному разі тільки утворення неполяризованої поперечної хвилі, й тому орієнтація волокон його матеріалу може бути довільною. Наявність першого шару є необхідною умовою для поляризації звуку, на відміну від поляризації світла, де вже перший шар оптично прозорого матеріалу є поляризатором світла, а другий - аналізатором. Однак світло в повітрі проявляє властивості попе 51229 4 речної хвилі, у той час як звук у повітрі поширюється у вигляді поздовжньої хвилі, і лише потрапивши у твердий матеріал, перетворюється в поперечну хвилю. Для того перетворення поздовжньої хвилі у поперечну й потребується перший шар. Наявність наступного, другого шару твердого матеріалу з визначеним (і притім рівнобіжним) напрямком волокон забезпечує умови для здійснення хвильового явища поляризації звуку, тобто одержання поляризованої хвилі з неполяризованої. Цей шар, називаний "поляризатор", пропускає компоненту хвилі 2 з визначеним напрямком коливань вектора зсуву S2 , (який еквівалентний вектору напруженості E світла). Цей компонент виділяється їм з неполяризованої вихідної хвилі 1 у першому шарі. Далі, проходячи через наступну (другу) границю розподілу середовищ (шари твердого середовища постачені індексами 2 та 3; та компоненти хвилі, що розповсюджуються в цьому другому та третьому шарах середовища, також постачені індексами 2 та 3), хвиля надходить на третій шар твердого матеріалу, (відповідно з загальноприйнятою у фізиці термінологією називаний "аналізатор"). Залежно від орієнтації волокон матеріалу третього шару цей поляризований компонент звукової хвилі або проходить, або не проходить через нього. Це обумовлено збігом (чи розбіжністю) напрямків коливань вектора зсуву S2 (у шарі поляризатора) з напрямком коливань S3 (у шарі аналізатора). Якщо вісь аналізатора (напрямок волокон шару 3) складає кут с напрямком коливань вектора S2 , у кожному з волокон шару 3 (аналізатору) виникає звукова хвиля, що характеризується вектором S3 : S3 S2. Оскільки напрямки коливань у шарах 2 і 3 різні (з огляду на вищезгаданий кут ), S3 компенсує складову вектора S2 у цьому напрямку, а результуючий вектор S3 буде являти собою тільки складову вектора S2 , рівнобіжну осі. Результуюче поле за шаром 3 (шаром аналізатора) у векторному вигляді: S3 S2 S3 0 , чи, то ж саме: S3 S2 cos . Інтенсивність поперечної звукової хвилі в шарі 3 може бути розрахована як: I3=I2 cos2 , Вт/м2, де I2 - інтенсивність звукової хвилі в шарі поляризатора, Вт/м2; І3 - інтенсивність звукової хвилі в шарі поляризатора, Вт/м2; - кут між напрямком волокон шару аналізатора 3 і напрямком коливань вектора S2 (тобто площиною поляризації). Для збільшення ефективності може бути здій 5 51229 снена багаторазова поляризація за рахунок збільшення числа пар "поляризатор-аналізатор", кожна з яких відрізняється від попередньої по взаємній орієнтації волокон. При цьому твердження в нашому вищенаведеному тексті, що стосуються шарів 2 і 3, справедливі для кожної їх пари. Зображення пояснюється кресленням, на якому показано проходження звукової хвилі через багатошарову тверду перешкоду з поляризацією звуку. Корисна модель може бути реалізована в багатошаровій звукоізолюючій панелі, утвореній за рахунок підбору матеріалів шарів із відповідними характеристиками. Перехід від загальних вказівок до вказаних відповідних характеристик матеріалу першого, другого та третього шарів може бути здійснений за рахунок визначення величини с, тобто швидкості поширення поперечної звукової хвилі в пружному середовищі, - що у загальному випадку може бути обчислена зі співвідношення: c G / , м/с, де - щільність середовища, кг/м3; G - модуль зсуву середовища. У даному випадку (поширення структурного шуму в товщі багатошарової перешкоди, кожен tg 1;2 c1 / c 2 4 D1 2 m2 1 m1 D 2 2 2 3 2 2 1d1 1 12 1 2 m2 4 12 1 2 m1 2d3 2 1 2 2 1 4 1 де 1:2; 2:3; 3:4; ... - кут Брюстера задля межи розподілу шарів 1 та 2; 2 та 3;... відповідно; D1; D2: D3; ...- циліндрична твердість пластин (шарів 1; 2; 3; ... відповідно), Н м, що обчислюється по формулі: D=E d3/12(1- 2), Н м, E1, Е2; Е3; ... - модуль пружності середовища (шарів 1; 2; 3; ...), Па; 1; 2; 3; … - коефіцієнт Пуассона тих же шарів; 1; 2; 3; … - кутова частота: 2 f, f1; f1; f3;… - частота коливань у звуковій хвилі, Гц; m1; m2; m3; ... - поверхнева щільність шарів 1; 2; 3; ... відповідно, (тобто маса пластин 1; 2; 3; ... відповідно на одиницю їхньої площі), кг/м2, що обчислюється по формулі: m d, де d1; d2; d3; ... - товщини матеріалу шарів 1; 2; 3; ... відповідно, м; 3 1; 2; 3; … - щільності тих же шарів, кг/м . Переборюючи (другу) границю розподілу шарів 2 і 3 між наступними шарами твердого тіла, що характеризуються різними швидкостями поперечної хвилі с2, і с3, хвиля 3 повторно поляризується, причому через границю розподілу шарів 2 і 3 про 6 шар якої являє собою плоску пластину) ми маємо справу з згинаючими хвилями, швидкість поширення яких може бути обчислена по видозмінених математичних формулах, наведених нижче. Переборюючи (першу) границю розподілу між шарами 1 і 2 твердого тіла, що характеризуються різними швидкостями поширення поперечної звукової хвилі с1, і с2 відповідно, хвиля поляризується, причому через границю розподілу шарів 7 і 2 пропускається компонент хвилі - промінь 2, що характеризується переважно визначеним напрямком вектора зсуву часток S2 . У цьому випадку виконується закон Брюстера - умова, при якій хвиля 1 у шарі 1, відбита від границі розподілу шарів 1 і 2, цілком поляризована (вектор зсуву S1 коливається перпендикулярно до площини падіння), відбитий 11 і переломлений 2 її промені взаємно перпендикулярні, пропущена компонент хвилі - промінь 2 - частково поляризований (вектор S2 коливається переважно в площині падіння). Тангенс кута падіння 1;2 при цьому може бути обчислений як відношення швидкостей поширення згинаючих звукових хвиль у шарах 1 i 2: 3 2 1d1 1 4 12 1 2 m1 1 3 2 2d2 2 12 1 2 m2 2 2 d2 2 2 2 11 1 , 2 d2 2 1 1 2 2 2 пускається компонент хвилі - промінь 3, частково поляризований (вектор зсуву S3 коливається переважно в площині падіння), а відбитий від границі розподілу компонент - промінь 21 цілком поляризований і перпендикулярний до променя 3. У цьому випадку кут Брюстера дорівнює: 1 tg 2;3 c2 / c3 4 1 tg 1 2 ; 2 3 2 2 2 3 2 d2 2 2 3 d3 2 2 2 3 tg 2;3 Тому вектор зсуву S3 коливається в іншій площині, а ніж вектор S 2 , відповідно границя розподілу шарів 2 і 3 відбиває значну частину інакше поляризованої звукової хвилі 2. Крім того, відбувається також поглинання звукової енергії, тобто вона переходить у теплову. Вищевказані залежності можуть бути застосовані тільки для поперечних хвиль у середовищах багатошарового твердого тіла, - але ніяк не для подовжніх хвиль. Виходячи з цього, якщо розглядається звукоізоляція від повітряного шуму, перший шар твердої 7 51229 перешкоди служить тільки для утворення поперечних хвиль у ньому, і повне внутрішнє відбиття можливе лише при переході поперечної звукової хвилі з нього в наступний шар (індекс 2), що є в нашому прикладі другим за рахунком. У такому випадку також повинне виконуватися обговорене в описі явища поляризації звуку умова обов'язкової наявності в ньому не менш трьох шарів. При цьому перший з них служить тільки для утворення поперечних звукових хвиль. Влаштування великої кількості таких шарів, виконання їх зі спеціальних звуковбирних матеріалів (щоб ефективно гасилася подовжня складова хвилі) таким чином, щоб для кожної границі розподілу виконувалася умова tg і 1, дозволяють різко підвищити загальну звукоізолюючу здатність будівельної конструкції. Якщо матеріали всіх трьох шарів різні, то, відповідно, величини, що входять у формули, відрізняються між собою; і за рахунок належного підбору їхніх необхідних сполучень ми маємо можливість підібрати таке їхнє співвідношення, щоб забезпечити зниження інтенсивності звукової енергії при її поширенні в будівельній конструкції. При цьому (за Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 8 лежно від співвідношення швидкостей звуку) можливі два варіанти: c1 c 2; c1 / c 2 tg 1;2 1; 1,2 45 , аж до 1,2 90 У такому випадку найбільше доцільно застосовувати поляризацію звукових хвиль, описану вище: 1) c1 c 2; c1 / c 2 tg 1;2 1; 1,2 45 , аж до 1,2 0 При вищевказаних граничних умовах відбувається перехід подовжньої звукової хвилі із першого середовища у наступне (друге) середовище товщі тіла. Пропонований спосіб забезпечує раціоналізацію вибору фізико-механічних властивостей матеріалів, використовуваних при виготовленні багатошарових звукоізолюючих панелей і дозволяє різко підвищити їхню звукоізолюючу здатність. 2) Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601