Tłumienie dźwięku oznacza zmniejszanie energii, amplitudy lub poziomu fali akustycznej. Może zachodzić podczas propagacji w ośrodku, kontaktu z przegrodą, pochłaniania przez materiał, odbicia od powierzchni albo przenoszenia drgań przez konstrukcję.
W akustyce technicznej tłumienie nie jest tym samym co potoczne „wygłuszenie”. Raz oznacza ograniczenie pogłosu w pomieszczeniu, innym razem zmniejszenie transmisji hałasu przez ścianę, obudowę maszyny lub układ wentylacyjny. Dlatego sens pojęcia zależy od tego, czy analizowana jest fala w powietrzu, drgania konstrukcji, materiał pochłaniający czy przegroda budowlana.
Opis tłumienia wymaga rozróżnienia kilku procesów: pochłaniania, odbicia, transmisji, rozpraszania oraz strat w samym ośrodku. W praktyce zjawiska te często występują jednocześnie, ale każdy z nich odpowiada za inny fragment bilansu energii fali akustycznej.
Czym jest tłumienie dźwięku i jak działa skala decybelowa?
Dźwięk jest falą mechaniczną rozchodzącą się w ośrodku sprężystym, na przykład w powietrzu, wodzie albo materiale stałym. Jeżeli fala traci energię, maleje jej amplituda, natężenie albo poziom ciśnienia akustycznego. Ten spadek określa się jako tłumienie.
W ujęciu inżynieryjnym tłumienie można opisać jako różnicę poziomów dźwięku przed i po przejściu przez analizowany układ:
A=L_1-L_2gdzie A oznacza tłumienie w decybelach, L_1 poziom dźwięku przed tłumieniem, a L_2 poziom dźwięku po tłumieniu.
Jeżeli poziom dźwięku po jednej stronie przegrody wynosi 80\ \mathrm{dB}, a po drugiej 50\ \mathrm{dB}, tłumienie ma wartość:
A=80\ \mathrm{dB}-50\ \mathrm{dB}=30\ \mathrm{dB}Poziom ciśnienia akustycznego opisuje zależność:
L_p=20\log_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)gdzie L_p oznacza poziom ciśnienia akustycznego w decybelach, p skuteczne ciśnienie akustyczne, a p_0 ciśnienie odniesienia. Dla dźwięku w powietrzu standardowo przyjmuje się:
p_0=20\ \mu\mathrm{Pa}Logarytmiczny charakter skali decybelowej sprawia, że spadek poziomu o każde 3\ \mathrm{dB} odpowiada w przybliżeniu dwukrotnemu zmniejszeniu energii fali akustycznej. Spadek o 10\ \mathrm{dB} oznacza dziesięciokrotną zmianę wielkości energetycznej, choć subiektywny odbiór głośności zależy jeszcze od częstotliwości, widma i właściwości słuchu.
Fizyczne mechanizmy tłumienia fali akustycznej
Tłumienie dźwięku nie ma jednego mechanizmu. W zależności od układu technicznego energia fali może zostać pochłonięta, odbita, rozproszona, przeniesiona przez przegrodę albo zamieniona na ciepło wskutek tarcia wewnętrznego i strat materiałowych.
Pochłanianie energii w materiałach porowatych i włóknistych
Pochłanianie dźwięku polega na zamianie części energii akustycznej na ciepło. W materiałach porowatych i włóknistych cząstki powietrza poruszają się w drobnych kanalikach, szczelinach lub między włóknami. Opory przepływu, lepkość oraz tarcie powodują straty energii fali.
Do tej grupy należą między innymi wełna mineralna, pianki otwartokomórkowe, włókniny i panele pochłaniające. Ich główna funkcja dotyczy akustyki wnętrza: redukcji odbić, skracania pogłosu i poprawy zrozumiałości mowy. Sam materiał pochłaniający nie musi jednak skutecznie ograniczać przenikania dźwięku do sąsiedniego pomieszczenia.
Izolacyjność akustyczna: masa, szczelność i układ warstw
Izolacyjność akustyczna opisuje zdolność przegrody do ograniczania transmisji dźwięku. W tym przypadku znaczenie mają masa powierzchniowa, szczelność, sztywność, połączenia konstrukcyjne oraz sposób rozdzielenia warstw.
Ciężkie przegrody, podwójne ściany, obudowy maszyn i układy masa–sprężyna–masa służą do ograniczania przechodzenia dźwięku na drugą stronę. Układ masa–sprężyna–masa wykorzystuje dwie warstwy masywne rozdzielone warstwą sprężystą lub powietrzną, ale jego skuteczność zależy od częstotliwości rezonansowej, szczelności i poprawności montażu.
Odbicie i rozpraszanie geometryczne
Odbicie oznacza zawrócenie części energii fali od powierzchni. Twarde, gładkie materiały zwykle odbijają dźwięk silniej niż powierzchnie porowate. Rozpraszanie zmienia kierunki propagacji fali, na przykład na nierównościach, perforacjach, dyfuzorach albo nieregularnych przeszkodach.
Rozpraszanie nie musi oznaczać dużej utraty energii. Może natomiast zmieniać rozkład pola akustycznego w pomieszczeniu, ograniczać silne odbicia kierunkowe i poprawiać równomierność brzmienia.
Tłumienie drgań strukturalnych
Dźwięk może być przenoszony przez elementy konstrukcyjne. Drgająca ściana, rura, obudowa wentylatora, blacha albo strop mogą promieniować dźwięk do otoczenia, nawet jeśli źródło nie emituje go bezpośrednio przez powietrze.
Tłumienie drgań polega na ograniczeniu amplitudy ruchu mechanicznego. Stosuje się w tym celu warstwy lepkosprężyste, maty tłumiące, elastyczne przekładki, dylatacje, podkładki antywibracyjne i izolację wibroakustyczną maszyn.
Parametry akustyczne i bilans energii na przegrodzie
Gdy fala dźwiękowa pada na przegrodę, jej energia dzieli się na część odbitą, pochłoniętą i przeniesioną. Uproszczony bilans energii można zapisać następująco:
\tau+\rho+\alpha=1gdzie \tau oznacza współczynnik transmisji, \rho współczynnik odbicia, a \alpha współczynnik pochłaniania. Wartość \tau opisuje część energii przechodzącą przez przegrodę, \rho część zawróconą do pomieszczenia źródłowego, a \alpha część rozproszoną lub zamienioną na ciepło.
Współczynnik pochłaniania dźwięku
Współczynnik pochłaniania dźwięku można zapisać jako stosunek energii pochłoniętej do energii padającej:
\alpha=\frac{E_{\mathrm{pochłonięta}}}{E_{\mathrm{padająca}}}Zakres wartości współczynnika wynosi:
0\leq\alpha\leq1Wartość \alpha=0 odpowiada idealnemu odbiciu, a \alpha=1 idealnemu pochłanianiu padającej energii. W materiałach rzeczywistych współczynnik zależy od częstotliwości, kąta padania fali, grubości materiału i sposobu montażu.
Równoważna powierzchnia pochłaniania
W akustyce pomieszczeń stosuje się równoważną powierzchnię pochłaniania, która łączy wpływ współczynnika pochłaniania i wielkości powierzchni. Dla wielu powierzchni zapis ma postać:
A_{\mathrm{eff}}=\sum_i \alpha_i S_igdzie A_{\mathrm{eff}} oznacza efektywną powierzchnię pochłaniania, \alpha_i współczynnik pochłaniania danej powierzchni, a S_i jej pole. Duża powierzchnia materiału o umiarkowanym współczynniku pochłaniania może mieć podobny wpływ na akustykę jak mniejsza powierzchnia materiału o wyższej wartości \alpha.
Pogłos oraz zanik fali w ośrodku
Czas pogłosu opisuje, jak długo dźwięk utrzymuje się w pomieszczeniu po wyłączeniu źródła. Oznaczenie T_{60} odnosi się do czasu spadku poziomu dźwięku o 60\ \mathrm{dB}. W przybliżeniu Sabine’a:
T_{60}=0{,}161\frac{V}{A_{\mathrm{eff}}}gdzie V oznacza objętość pomieszczenia w metrach sześciennych, a A_{\mathrm{eff}} równoważną powierzchnię pochłaniania w metrach kwadratowych. Większa objętość sprzyja dłuższemu pogłosowi, a większa powierzchnia pochłaniająca skraca czas zaniku dźwięku.
Zanik fali może zachodzić również podczas propagacji w samym ośrodku. Część spadku poziomu wynika z geometrii rozchodzenia się fali, a część z właściwości ośrodka: lepkości, przewodnictwa cieplnego, wilgotności, temperatury i relaksacji molekularnej.
W opisie falowym zanik amplitudy ciśnienia akustycznego można przedstawić wykładniczo:
p(x)=p_0e^{-ax}gdzie p(x) oznacza amplitudę ciśnienia akustycznego po przebyciu drogi x, p_0 amplitudę początkową, a a współczynnik tłumienia o wymiarze odwrotności długości.
Współczynnik tłumienia może być wyrażany w neperach na metr albo w decybelach na metr. Dla wielkości amplitudowych zachodzi zależność:
1\ \mathrm{Np}\approx8{,}686\ \mathrm{dB}W powietrzu tłumienie atmosferyczne rośnie zwykle wraz z częstotliwością. Wysokie składowe widma zanikają szybciej niż niskie, szczególnie przy większych odległościach i w warunkach swobodnej propagacji.
Od czego zależy skuteczność ochrony przed hałasem?
Skuteczność tłumienia zależy przede wszystkim od częstotliwości. Krótkie fale odpowiadające wysokim częstotliwościom łatwiej pochłonąć materiałami porowatymi. Niskie częstotliwości mają większe długości fal i wymagają zwykle większej masy, większej grubości, układów rezonansowych albo konstrukcji wielowarstwowych.
Znaczenie mają również właściwości materiału: porowatość, gęstość, opór przepływu powietrza, sprężystość, grubość i sposób mocowania. Ten sam materiał może działać inaczej po bezpośrednim przyklejeniu do ściany niż po montażu z pustką powietrzną.
W izolacyjności przegród bardzo ważna jest szczelność. Niewielkie szczeliny przy drzwiach, oknach, przepustach instalacyjnych i połączeniach płyt mogą wyraźnie osłabić efekt, ponieważ dźwięk przechodzi przez najsłabsze miejsca układu.
W budynkach trzeba uwzględniać także przenoszenie boczne. Dźwięk może ominąć główną przegrodę przez stropy, ściany boczne, kanały wentylacyjne, instalacje lub elementy konstrukcyjne. Z tego powodu deklarowany parametr materiału nie zawsze odpowiada rzeczywistemu wynikowi po montażu.
W akustyce muzycznej tłumienie nie sprowadza się do obniżenia poziomu dźwięku. Odpowiedni dobór pochłaniania, rozpraszania i czasu pogłosu wpływa na barwę, czytelność oraz przestrzenny odbiór brzmienia.
Podsumowanie
Tłumienie dźwięku opisuje spadek energii, amplitudy lub poziomu fali akustycznej. Może zachodzić w materiale, przegrodzie, ośrodku propagacji albo konstrukcji mechanicznej przenoszącej drgania.
Najważniejsze rozróżnienie dotyczy pochłaniania i izolacyjności. Pochłanianie wpływa głównie na akustykę wnętrza, a izolacyjność ogranicza przenikanie dźwięku przez przegrodę. Odbicie, rozpraszanie i tłumienie drgań dopełniają techniczny opis zjawiska.
Do ilościowego opisu stosuje się między innymi tłumienie w decybelach, poziom ciśnienia akustycznego, współczynnik pochłaniania \alpha, bilans energii \tau+\rho+\alpha=1, równoważną powierzchnię pochłaniania, wzór Sabine’a oraz wykładniczy model zaniku amplitudy fali.