بخشی از مقاله
مفهوم جذب [1]در آكوستيك اتلاف انرژي به هنگام برخورد موج صدا به يك سطح و سپس انعكاس آن است. كلمة «جذب» رااغلب اشخاص عادي براي بيان عمل يك اسفنج هنگامي كه آب را به خود مي كشد، به كار مي گيرند، كه اين معنا شامل آكوستيك نمي شود. آب جذب شده توسط اسفنج دوباره در دسترس خواهد بود، اما نوفه «جذب» شده توسط آكوستيك تايل را نمي توان دوباره به دست آورد. زيرا به صورت حرارت تلف شده است. مفهوم جذب آكوستيكي در درجه نخست شامل فضاهاي داخلي مي شود. اگر ديواري وجود نداشته باشد، صدا فقط در اثر افزايش فاصله منبع كاهش مي يابد.
اگر فرض كنيم كه يك موج با انرژي تابشي معيني با زاويه اي تصادفي به سطحي برخورد كند، مقداري از انرژي تابشي به طرف محيطي كه سرچشمه شعاع تابشي در آن قرار گرفته است، منعكس مي شود و بقيه انرژي تابشي به داخل مادة سطح مزبور نفوذ و غالباً از ميان آن عبور مي كند. با استفاده از روش شعاعي ضريب جذب به صورت زير تعريف مي شود
انرژي تابشي
بنابراين ضريب جذب نمايانگر نسبتي از انرژي صوتي تلف شده به انرژي سرچشمه صداست كه مقدار آن از صفر تا يك متغير است( يعني از صفر تا صددرصد) بنابراين اگر ضريب جذب مساوي صفر باشد، به اين معناست كه انرژي تلف شده و تمام صدا در فضايي كه سرچشمه در آن است باقي مي ماند. اين بدان معني است كه تمام ديوارهاياز نظر آكوستيكي «سخت» هستند و انرژي باتابيده شده با انرژي تابشي برابر است. همان طور كه اين ضريب به سمت 1.0 ميل مي كند، يعني انرژي بيشتر و بيشتر تلف شده است و انرژي بازتابشي رفته رفته جزء كوچكتري از انرژي تابيده شده خوهد شد. از نظر آكوستيكي به چنين سطحي «نرم» گفته مي شود.
به طريق مشابه ضريب عبوري را مي توان به صورت زير تعريف كرد:
انرژي عبور كرده - 1
انرژي تابشي
انرژي كلي از جمع ضريب جذب و ضريب عبوري به صورت زير به دست مي آيد.
از اتلافي كه به علت اصطحكاك به وجود مي آيد (تبديل به حرارت) صرفنظر شده است. اين اتلاف بر اثر اصطحكاك، بسيار اتلاف ناچيزي است، حتي در بالاتري مقدارش. بعداً خواهيم ديد.
مقدار عددي ضريب جذب همان طور كه قبلاً گفته شد، براي تمام موارد شناخته شده مقداري معين بين 1% (يك درصد) براي سطوح بسيار سخت مثل فولاد صيقلي يا بتن فشرده تا 99% براي مواد بسيار جاذب است. ضريب جذب يك پنجره باز 100 درصد در نظر گرفته مي شود.
بعضي ازكارخانه ها مواد جاذب آكوستيكي با ضريب جذب بالاتر از يك (يعني جذب بهتر از 100 درصد) را هم در فهرستهاي خود گنجانيده اند كه البته اين كار، سود بردن از فقدان دانش پايه اي در مورد مفهوم جذب است.
در مورد توليداتي كه معمولاً با نام « يونيت جاذب » مشخص مي شوند، ماده جاذب مثل جعبه كوچكي كه روي ديوار نصب شده باشد، نسبت به سطح ديواره برآمده است. سطح بيرون آمده از ديوار تماماً با مواد جاذب پوشيده شده است، ولي جعبه به اندازة يك وجه خود از سطح ديورار را اشغال مي كند. بنابراين، در اين حالت در هر فوت مربع ديوار جذب بيشتري نسبت به حالتي كه سطح ديوار به طور عادي پوشيده شده باشد، خوهيم داشت. بنابراين سازندگان ضريب جذب اين توليدات را بيشتر از صد درصد ذكر مي كنند. حال اگر اين يونيتها متصل به هم نصب شوند، به طوري كه صدا ب وجه هاي كناري برخورد نداشته باشد، ادعاهاي سازندگان تحقق نخواهد يافت. براي اينكه يونيتهاي جاذب موثر باشند، بايد با فاصله از يكديگر قرار بگيرند. در غير اينصورت جذب در هر فوت مربع سطح ديوار به كمتر از صد درصد نزول مي كند.
ضريب جذب همچنين تابعي از فركانس امواج صداست. طول موجهاي كوتاهتر (فركانسهاي بالا) نسبت به طول موجهاي بزرگتر ( فركانسهاي كمتر) خاصيت نفوذ بيشتري در ديوارها دارند و آسانتر به انرژي حرارتي تبديل مي شود. درفركانسهاي بالاتر نسبت به فركانسهاي پايين عموماً ضريب جذب بالاتري داريم.
يكي از خواص عمومي براي اينكه مواد جاذب موثر واقع شوند، داشتن سطح شفاف يا غير حايل براي امواج صداست. همان طور كه شيشه براي نور شفاف محسوب مي شود، مواردي هم براي عبور صدا شفاف هستند. ديگر اينكه مواد جاذب صدا بايد داراي مكانيز مي باشند كه امواج صوتي، هنگام عبور از آنها در اثر اصطحكاك به انرژي حرارتي تبديل بشوند.
شفافيت براي صدا را مي توان توسط سطوح پر منف، يا مواد سخت سوراخ سوراخ شده همراه با مواد متخلخل و يا به وسيلة پوشاندن مواد متخلخل با يك پرده خيلي سبك وزن، نازك، انحناپذير و غير قابل عبور براي هوا تأمين كرد. همة اينها اثر جذب كنندگي مشابهي دارند، اختلاف درنوع محيطي است كه در آن مورد استفاده قرار مي گيرند. همة انواع ذكر شده كه مجموعه اي از جرمها هستند، به عنوان راكتانس آكوستيكي عمل مي كنند و به هرحال همة آنها با افزايش فركانس نسبت به حالت مطلوب طرح، شفافيت كمتري در مقابل صدا از خود نشان مي دهند
مقاومت جرياني [2]
ساختمان داخلي مواد يعني تاروپود و بافت داخلي و فضاهاي خالي ما بين آنها عامل ايجاد اصطحكاك و در نتيجه مقاومت در برابر حركت موجي است. پس از داخل شدن صدا به ماده، از دامنه آن كاسته مي شود. اين كاهش به دليل وجود اصطحكاكي است كه موج در كوشش خود براي حركت از ميان ماده با ان روبرو مي شود. بنابراين، انرژي موج كاهش مي يابد. كميت اصطحكاك به وسيله مقاومت ماده در مقابل جريان هوا از ميان آن توصيف و با نام مقاومت جرياني به صورت زير بيان مي شود.
افت فشار در دو طرف نمونه
= مقاومت جرياني
سرعت هوا در عبور از نمونه
واحدهاي مقاومت جرياني به صورت زير تعيين مي شوند:
ثانيه - دين
= واحد هاي مقاومت جرياني
سانتي متر معكب
(تعريف واحد) ريلي
مقاومت جرياني را بايد به صورت محدود به كار بر د. در بيشتر مواد، مقاومت جرياني متناسب با چگالي ماده است. هر حجمي از هوا در پشت ماده( يعني پشت سطحي كه در معرض برخورد با صدا قرار مي گيرد) يك اثر مهم روي مقاومت جرياني آن ماده دارد زيادتر شدن فاصلة هوايي پشت ماده عامل اساسي كنترل كننده اي است كه عمل ماده را روي فركانسهاي پايين افزايش مي دهد. براي مثال فركانس پايين قطع براي فاصلة هوايي به صورت زير بيان مي شود:
جايي كه C سرعت صوت بر حسب فوت بر ثانيه و D عمق فلاصله هوايي در پشت نمونه بر حسب فوت است. بنابراين هر چه فاصله هوايي بيشتر باشد، محدودة فركانسهاي پايين بيشتر جذب مي شوند. در مورد چگونگي جذب امواج صوتي توسط يك ماده، نظريه هاي زيادي پيشنهاد شده است.
طبق پيشنهاد السون[3] ضريب جذب را مي توان به صورت زير بيان كرد:
كه در آن Z برابر امپدانس بر حسب
اهم آكوستيكي
سانتي متر مربع
يا چگالي هوا بر حسب برابر سرعت صوت بر حسب هستند .(تذكر : السون اين نمادها را استفاده كرده است)
بر حسب پارامترهاي فيزيكي ماده، السون امپدانس مختلط را چنين تعريف مي كند:
جائيكه
مقاومت آكوستيكي DC مربوط به ماده در واحد حجم d ضخامت نمونه بر حسب سانتي متر
m نسبت دانستيه موثر هوا در روزنه هاي ماده به دانستيه هوا در حالت آزاد j ضريب موهومي
سرعت زاويه يعني
P ضريب پر منفذي يا حجم هواي درون منافذ ؟؟
مقاومت آكوستيكي RDC را مي توان با تعيين افت فشار در دو طرف نمونه ماده براي يك حجم مناسب هوا كه از ماده عبور مي كند به دست آورد بنابراين:
مقدار m در معادله (7) مجهول است. اين مقدار به حركت تارو پود ماده نيز حركت خود ماده بستگي دارد. مقدار m را مي توان 5/1 فرض كرد، اين مقدار بيانگر خاصيت ماده در پيروي كردن از حركات است و يا به بيان ديگر مقياسي براي خاصيت خمش ماده است.
(3-4) آزمايش پر منفذي
ميزان پر منفذي به صورت تجربي توسط آزمايش زير قابل تعيين است. ماده آكوستيكي با حجم Vm در اتاقكي با حجم كلي V گذاشته مي شود، درچة بالاي وسيله باز است و ستون جيوه در فشار سنج در h ثابت مي ماند. سپس دريچه را مي بنديم و طرف راست فشار سنج به اندازه بالا مي رود و تغييري در فشار روي نمونه به اندازه
ايجاد مي كند. يك كاهش در حجم هواي بالاي نمونه ظاهر مي شود كه معادل است، s سطح مقطع فشار سنج است. حال اگر pa فشار جو باشد، پر منفدي به صورت رابطه زير تعيين مي شود:
حال تمام جمله ها را مي توان به معادله امپدانس Z ، معادله (7) و در نتيجه معادله مربوط به تعريف ضريب جذب، معادله (6) وارد كرد.
(4-4-) لوله امپدانس [4]
در دنباله بحث نظري قبل، روش عملي اي كه به كمك آن مي توان ضريب جذب مواد مختلف موجود را تعيين كرد. در اين روش از وسيلة خاصي به نام لوله امپدانس استفاده مي شود، در اين وسيله يك موج صوتي با فركانس معلوم در داخل لوله به طرف نمونه پخش مي شود. اين موج توسط نمونه مورد آزمايش به نحوي بازتابيده مي شود كه درداخل لوله امواج ساكن ايجاد مي شود.
با استفاده از يك ميكروفون كه به انتهاي يك ميلة لوله اي شكل متصل است، به عنوان وسيلة تشخيص و اتصال آن به يك اسيلوسكوپ يا يك سونومتر مقادير[5] فشار ماكزيم
(pmax) و فشار مينيمم (pmin) براي امواج ساكن توليد شده توسط فركانس معلوم كه از بلندگو پخش مي شود، تعيين مي شود اگر n نسبت فشار ماكزيمم به مينيمم تعيين شود، يعني ضريب جذب براي شعاع تابشي عمودي بر مادة مورد آزمايش، توسط رابطة زير به دست مي آيد:
در بشتر كاربردهاي عملي، مقدار مورد لزوم ضريب جذب، آن مقداري است كه از برخورد اشعه هاي تصادفي به ديوار به دست مي آيد نه اشعه عمود بر ديوار، بنابراين تبديل an به مقدار مربوط به اشعه تصادفي aR در منحني شكل (1) نشان داده شده است. براي تأكيد بايد تكرار كنيم كه ضريب جذب تابع فركانس است. براي محاسبة زمان طنين مكانهاي مختلف، از مقدار ضريب جذب مربوط به تابش تصادفي استفاده مي شود. با محاسبة زمان طنين يك مكان مناسب بودن آن مكان براي استفاده هاي مختلف حرفه اي يا تفريحي تشخيص داده مي شود.
(8-4) ضريب جذب مواد عادي
ضريب مواد عادي در بسياري از كتابهاي مرجع ثبت شده است سازندگان اين گونه مواد نيز نتايج آزمايشهاي مبسوط خود را به چاپ رسانده اند.
ادارة استاندارهاي ملي نتايج آزمايشهاي خود را در بولتن هاي ساليانه به چاپ مي رساند يك نمونه اختياري از ضرايب جذب مواد مختلف در جدول (1) نشان داده شده است. ضرايب جذب تنها براي سه فركانس نشان داده شده اند.
(9-4) ضريب كاهش نويز(نوفه) (NRC)
عبارتي كه اغلب براي توصيف ارزش نسبي مواد آكوستيكي به كار گرفته مي شود، ضريب كاهش نويز (NRC) است. اين نام با مفهوم اصلي متناقض است، زيرا اين نام واقعاً به معناي كاهش نويز نيست بلكه مقدار ميانگين عيار زده شده اي براي جذب است. اين عدد مقداري است مجرد و نشان دهندة كارآرايي ماده ازنظر جذب ونقص آن اين است كه با هيچ يك از خواص ماده در فركانسهاي بالا يا پايين ارتباطي ندارد، NRC ميانگين رياضي مقادير ضرايب جذب در اين فركانسهاست: اشكال ديگري كه در استفاده از اين ضريب وجود دارد، اين است كه دو ماده با ضرايب جذب بسيار متفاوت در يك فركانس مي توانند اعداد NRC يكسان داشته باشند. ستون آخر در جدول (1) نشان دهنده اين مطلب دربارة NRC است.
a: انرژي تابيده
b: انرژي باز تابيده از آبسوزينت
c : انرژي جذب شده
e : انرژي بازتابيده از ديوار پشت
ضريب آبسور پسيون نيز با توجه به شكل 49 عبارتس از نسبت انرژي آكوستيكي جذب شده به انرژي (تاييد شده)- با توجه به تعاريف فوق و اينكه انرژي با توان دوم دامنه متناسب است رابطه اين دو ضريب بقرار زير خواهد بود:
ضريب آبسورپسيون چنانچه مي دانيم براي يك فركانس معين مقداري است ثابت و وابسته به جنس پوشش دار، ولي اين مقدار ثابت طبق شكل 50 بر حسب زاويه تابش پرتو آكوستيكي متغير مي شود و هر گاه زاويه تابش 90 درجه شود( پرتو مماس بر پهنه باشد) مساوي صفر مي گردد ولي عملاً نمي توان اين تغييرات را در محاسبات دخالت داد و مقدار را هموره ثابت فرض نمايند.
موادي كه براي آبسورپيسيون بكار برده مي شوند انواع مختلفي دارند كه شناسائي مشخصات آنها و بخصوص منحني تغييرات ضريب آبسورپسيون آنها بر حسب فركانس ، نوع در شكل 51 آبسورينت هاي عمده با منحني تغييرات ضريب آبسورپسيون مربوطه آنها ترسيم گرديده است و با توجه مختصري مي توان نتيجه گرفت كه براي داشتن آبسور پسيون يكنواخت در نوار فركانس مورد نظر لازمست كه تركيبي از اين مصالح را بكار برد. در ترسيم منحني هاي تغييرات ضريب آبسورپسيون ( شكل 51) فرض بر اين است كه ضخامت مواد آبسوربنت بحد كفايت زياد باشد بطوريكه كليه انرژي داخل شده در جسم پوروز (اليافي) بكلي جذب و تباه گردد- در غير اينصورت طبق ممكن است ضريب آبسورپسيون و حتي شكل منحني نيز، بعلت بازتاب انرژي از ديوار پشت ماتريال آبسوربنت واختلاط آن با انرژي بازتابيده از رويه آن، تغيير نمايد. بر اساس مطالعات دقيقي كه توسط دانشمندان معروف آكوستيك از سالهاي 1935 تاكنون در مورد خواص و مشخصاس مواد آبسوربنت بعمل آمده معلوم گرديده است كه علاوه بر پوروزيته و ضخامت ماده آبسوربر، فشردگي آن نيز سهم عمده اي را در تعيين ضريب آبسورپسيون و منحني ضريب آبسورپسيون بعهده دارد. فشردگي جسم پوروز را مي توان با مقاومت نشست تفسير نمود كه عبارتست از اختلاف فشاري (كيلوگرم) كه باي عبور دادن مقدار معيني هوا ( مثلاً يك متر مكعب) از واحد سطح جسم پوروز مورد نياز مي باشد. چنانچه مقاومت نشست r كوچك باشد( جسم پوروز فشرده نباشد) بديهي است كه از سطح جسم پوروز انرژي كمتري بازتاب مي گردد ولي انرژي داخل شده بجسم پوروز در آن تباهي نيافته از ديوار پشت جسم پوروز بازتاب و در نتيجه ضريب آبسور پسيون را كاهش مي دهد از اين رو براي هر قشر معيني از جسم پوروز فشردگي خاصي لازمست تا ضريب آبسور پسيون حداكثر خود را دارا گردد. بطوريكه از روند منحني شكل 52 مشهود است براي ضخامت قشر پوروز معادل 10 سانتيمتر حداكثر ضريب آبسورپسيون سانتيمتر ضخامت داشته باشد حداكثر ضريب آبسورپسيون , و چنانچه فقط يك سانتيمتر باشد در حداكثر مي شود با توجه مختصري به شكل 52 واضح مي گردد كه هر گاه ضخامت طبقه آبسورينت بحد كفايت نباشد ضريب آبسورپسيون بمقدار قابل توجهي كاهش مي يابد- بدين ترتيب كه با تبديل ضخامت جسم پوروز 10 سانتيمتر به يك سانتيمتر حداكثر ضريب آبسورپسيون از 80% به 5% كاهش مي يابد.
بطور خلاصه مي توان خواص مصالح آبسور بنت را بصورت زيرين خلاصه كرد:
1- ضريب آبسورپسيون يك جسم پوروز با افزايش فركانس بيشتر مي گردد.
2- ضريب آبسورپسيون زياد براي فركانسهاي بم ( پائين) با ضخامت زياد جسم پوروز ( در حدود 10 سانتيمتر ) و كم بودن فشردگي آن بستگي دارد.
3- ضريب آبسورپسيون اجسام فشرده بسيار كم و افزايش ضخامت قشر پوروز تاثيري در ازدياد آبسورپسيون آن ندارد.
براي ساختن انواع مصالح آبسورنت مواد اليافي مواد نرم را با چسبهاي خاصي كه فقط اين الياف را بيكديگر ربط دهنده مخلوط كرده و بصورت ورق و صفحات با ضخامت هاي مختلف در مي آورند. در جدول زيرين نمونه اي از اين مصالح جمع آوري گرديده است:
تاثير فضاي خالي
چنانچه مابين پوشش آبسورنت ( جسم پوروز) و ديوار پشت يك فاصله خالي( هوا) وجود داشته باشد و يا بعبارت ديگر مواد آبسوربنت را بروي بست هاي چوبي كه بديوار كوبيده شده اند قرار دهند ضريب آبسورپسيون مصالح آبسوربنت در فركانسهاي بم ( 100 تا 300 هرتس) بيش از دو برابر ازدياد مي يابد بدين ترتيب مي توان با بكار بردن اين روش ساده ( كه منحصراً بايد روش كار قرار گيرد) حداكثر استفاده را از مواد آبسوربنت در نوار فركانس بم و زير بعمل آورد. چنانچه مواد آبسوربنت را رنگ نمايند ضريبآبسورپسيون آنها ممكن است بمقدار توجهي تقليد يابد- شكل 54 تاثير رنگ روغني را بر روي آبسورپسيون يك صفحه متشكل از الياف چوبي پرس شده بقطر 7،1 سانتيمتر نمايش مي دهد. منحني A تغييرات ضريب را در حالت معمولي و منحني B تغييرات ضريب را هنگامي كه برروي صفحه رنگ روغني زده شده است نمايش ميدهد. با توجه به تاثير رنگ معلوم مي گردد كه از رنگهاي روغني و پلاستيك بهيچوجه در اينگونه موارد نبايد استفاده گردد و فقط در صورت لزوم استفاده از رنگهاي قابل انحلال در آب كه بمقدار كم و با پيستوله پاشيده شوند مجاز مي باشد
مصالح آبسوربنت با ضريب آبسورپسيون بسيار زياد
براي اجراي آزمايشهاي آكوستيكي از قبيل تهيه مشخصات فني و مطالعات علمي در باره ميكروفن ها و بلندگوها و نظاير آنها امواج آكوستيكي پيشروندة مورد نياز مي باشند كه بدون بازتاب همواره از سرچشمه دور و تباه شوند. يك چنين حالتي را فقط مي توان در شرايط معيني در بام يك ساختمان بسيار بلند بوجود آورد كه در اطراف آن سطوح بازتابنده وجود نداتشه باشند- بديهي است كه در صورت وجود اين شرايط هم باز از نظر اندازه گيري آكوستيكي وضعيت ايده آل وجود ندارد زيرا نوفه محيط ( از قبيل صداي پرندگان، هواپيما وعوامل جوي) را نمي توان ناديده گرفت از اين رو براي ساختن لابراتوارهاي ميدان آزاد آكوستيكي كه بدانها اطاق صامت نيز گفته مي شود سطح ديوارها را از مواد آبسوربنت 100% مي پوشاننند تا هيچ بازتابي در برابر امواج آكوستيكي رخ ندهد.
بديهي است كه عملاً مواد آبسوربنت 100% وجود ندارد و بايستي با دادن فرم خاص به مواد آبسوربنت اليافي (هرم- مخروط و گوه) نتيجه مطلوب را بدست آورد براي اين منظور از مواد آبسوربنتي نظير پشم شيشه - پنبه نسوز وغيره بطول 50 تا 100 سانتيمتر استفاده مي گردد و بوسيله اين مصالح رويه ديوارهاي اطاق صامت را پوشش مينمايند تا آمواج آكوستيكي از ملاء نرم (هوا) به ملاء سخت ( مواد آبسوربنت) بتدريج وارد شده و در الياف ماده آبسوربنت بعلت سايش تبديل به گرما گردد. ( ضمناً سطح آبسوربنت نيز چندين برابر مي گردد) ضري آبسورپسيون يك اطاق صامت با گوههائي از پشم شيشه بطول 50 سانتيمتر براي فركانس هاي بيش از 120 هرتس قريب 99% مي باشد- چنانچه جذب اصوات با فركانسهاي پائين تر نيز مورد نياز باشد لازمست كه طول گوه ها را بيشتر انتخاب نمايند. انواع مختلف مواد آبسورنت شيميائي از طرف كارخانه هاي گوناگون ساخته و به بازار عرضه مي گردد كه در هر مورد بايستي مشخصات داده شده از طرف كارخانه سازنده ويا آزمايشگاههاي مربوطه در مد نظر قرار داده شود- مقاومت نشت اين گونه مواد با مقايسه با اجسام طبيعي با ضريب آبسورپسيون مشابه زياد تر است و علت آن حفره دار بودن اين گونه مواد است كه با وجود مقاومت نشت زياد( غير قابل نفوذ براي هوا) بعلت وجود حفره هاي ريز و درشت ( نظير اسفنج و ابر) مي توانند نوار فركانس نسبتاً وسعي را جذب نمايند.
