Инновации в звукоизоляционных материалах и технологиях

В связи с продолжающимся ростом стоимости строительства, материалов и рабочей силы, а также с постоянно растущим дефицитом пространства, лица, принимающие решения, сталкиваются с ожиданиями своих уважаемых клиентов. Нормы, регулирующие воздействие на окружающую среду и устойчивое развитие, предъявляют дополнительные требования, в то время как пользователи требуют высокой акустики, чтобы каждая панель или стена не поглощала и без того ограниченное полезное пространство. Старый подход, предполагающий увеличение массы, толщины или использование дорогостоящих материалов, становится всё менее оправданным.

В этой статье будут рассмотрены последние достижения в области звукоизоляционных материалов и технологий, обеспечивающих лучшую звукоизоляцию за счет более тонких, легких и экологичных решений. Вы узнаете об инновациях, которые обеспечивают превосходное шумоподавление при меньших затратах и меньшей площади, а также о том, как эффективно оценить окупаемость инвестиций, чтобы ваши вложения приносили максимальную выгоду.

 

Тенденции и требования рынка, стимулирующие инновации

 

Инновации в области звукоизоляционных материалов и технологий не возникают в вакууме. Растущее давление со стороны регулирующих органов, экологические ожидания и бюджетные ограничения подталкивают лиц, принимающих решения, к поиску решений, которые позволяют добиться большего меньшими затратами.

Размер рынка и перспективы роста

Прогнозируется, что мировой рынок систем контроля промышленного шума будет стремительно расти. По данным Future Market Insights, к 2035 году объём рынка достигнет 12,70 млрд долларов США по сравнению с примерно 6,88 млрд долларов США в 2025 году, при совокупном среднегодовом темпе роста (CAGR) около 6,3%.

В Европе объём рынка систем шумоподавления в 2022 году оценивался примерно в 5,1 млрд долларов США, что по текущему обменному курсу составляет примерно 3,8 млрд фунтов стерлингов. Ожидается, что к 2030 году он вырастет примерно до 8,3 млрд долларов США, что эквивалентно примерно 6,1 млрд фунтов стерлингов, что отражает значительный рост, обусловленный ужесточением норм по уровню шума.

Точки давления, стимулирующие инновации

Несколько факторов стимулируют инновации в области звукоизоляции:

• Ограниченное пространство в промышленных или городских условиях, где громоздкая изоляция или толстые панели нецелесообразны.
• Нормативные требования, особенно в Европе, где законы о безопасности труда, директивы по уровню шума в окружающей среде и нормы общественного здравоохранения требуют соблюдения требований и частых проверок.
• Вопросы экологии и устойчивого развития подразумевают, что материалы должны иметь меньший углеродный след, быть перерабатываемыми или изготавливаться из биологических отходов.
• Что касается эксплуатационных расходов, включая установку, техническое обслуживание и стоимость простоя, то более легкие, простые в установке и долговечные материалы могут снизить общие затраты за жизненный цикл.

 

 

Инновации в области материалов: преодоление компромисса между толщиной, весом и производительностью

 

Многие традиционные звукоизоляционные материалы используют тяжёлые, толстые или громоздкие конструкции для блокировки звука. Последние достижения показывают, что можно поддерживать или улучшать звукоизоляцию, одновременно уменьшая вес, толщину и стоимость. Ниже представлены инновационные материалы, специально предназначенные для звукоизоляции (блокирования проникновения или выхода звука).

Нановолокно и сверхлегкие слои

Недавние исследования нановолоконных нетканых материалов (НВФ) показывают, что добавление слоёв нановолокон к лёгким базовым материалам значительно увеличивает звукопоглощение (ЗП) без существенного увеличения массы или толщины. Исследование НВФ, изготовленных из микрофибриллированной целлюлозы, показало, что оптимизация пористости, насыпной плотности и сопротивления потоку позволяет добиться существенного повышения звукоизоляции.

Этот тип сверхлёгкого слоя перспективен там, где существуют ограничения по толщине или весу стен. Эти материалы могут дополнять или перекрывать существующие перегородки, улучшая их звукоизоляцию без их замены.

Подробности исследования включают:

• Исследования показывают, что сопротивление потоку, пористость и насыпная плотность являются доминирующими факторами TF (потери пропускания) для NF-NWF.
• Экспериментальные результаты: некоторые образцы NF-NWF продемонстрировали измеримую TL в стандартных лабораторных установках, подтверждая теоретические модели, такие как упрощенная модель хромоты (SLFM), а это означает, что конструкцию можно оптимизировать без догадок.

Эти сверхлегкие нановолоконные материалы особенно полезны при модернизации, в ограниченных пространствах или там, где необходимо уменьшить объем и при этом обеспечить звукоизоляцию.

Древесные композиты и звукоизоляционные панели на биооснове

Биопанели с использованием древесных композитов или натуральных волокон используются не только из эстетических соображений или в качестве маркетингового материала, ориентированного на экологичность. Недавние исследования демонстрируют приемлемые показатели звукоизоляции (блокирования) на единицу толщины. В то время как многие ранние работы были сосредоточены на звукопоглощении (акустике интерьера), новые исследования изучают индекс звукоизоляции/потери звукопропускания этих композитов.

Примеры:

• Исследование композитов, армированных натуральными волокнами (с использованием пеньки, древесного волокна и т. д.), показало, что некоторые конструкции сэндвич-панелей способны блокировать воздушный шум в диапазоне средних и высоких частот (в полосах третьей октавы около 1–2 кГц). Экспериментальные данные по уровню шума (TL) свидетельствуют о том, что древесные композитные панели могут работать в этих диапазонах аналогично более тяжёлым синтетическим материалам.
  
  
• Исследования клееных панелей из бамбука («Глубам») и ели-сосны-пихты (СПФ) показывают, что остекление таких биопанелей с полостью или двойным слоем может обеспечить звукоизоляцию, полезную для перегородок или наружных фасадов. Они несколько хуже работают на низких частотах, но демонстрируют достойные результаты в средних диапазонах.

Преимущества включают в себя снижение выбросов углерода, потенциально более низкую стоимость в регионах с богатыми биоресурсами и меньший вес по сравнению с традиционными цельнометаллическими или толстыми бетонными или каменными перегородками.

После многих лет экспериментов, исследований и испытаний компания DECIBEL разработала и запатентовала полностью биоразлагаемый инновационный звукоизоляционный материал. Он производится из 100% экологически чистого сырья, которое при утилизации может удобрять почву.

Новая панель обладает превосходной звукоизоляцией и звукопоглощением, воздухо- и паропроницаемостью, антигрибковыми свойствами, гигроскопичностью и высокой прочностью. По теплоизоляционным свойствам она сопоставима с пенополистиролом, по звукоизоляционным свойствам – с толстостенной облицовкой, по паропроницаемости сопоставима с каменной ватой, и отличается простотой монтажа.

Полноценный выпуск продукта на открытый рынок уже не за горами. Пока DECIBEL строит новый завод для масштабирования производства нового материала, мы уже работаем над нашим первым проектом по звукоизоляции с его использованием.

Метаматериалы и периодические панели, оптимизированные для изоляции

Метаматериалы — спроектированные структуры, архитектура (геометрия) которых придает акустические свойства, — становятся способом эффективной блокировки звука с меньшим количеством материала.

• Недавняя работа, посвященная биоинспирированным периодическим панелям, показала, что панели с профилями переменной толщины или локально резонансными насадками могут значительно подавлять передачу звука (воздушный шум) в определенных диапазонах частот, особенно в нижнем и среднем диапазоне. Эти панели позволяют использовать более легкие панели или более тонкие перегородки для достижения уровня звукоизоляции, близкого к уровню более тяжелых сплошных панелей.
• Эти оптимизированные периодические панели также демонстрируют более стабильные характеристики в отношении угла падения звуковых волн, что полезно в реальных условиях, когда звук достигает стен со многих направлений.

Такие конструкции, как правило, требуют больших затрат на проектирование и изготовление, но во многих случаях окупаются за счет экономии материала, уменьшения толщины конструкции и снижения затрат на монтаж.

Ограничения и соображения

Хотя вышеперечисленные материалы кажутся многообещающими с точки зрения звукоизоляции, остается ряд проблем:

• Низкочастотный звук (ниже ~125–250 Гц) по-прежнему сложно блокировать без массы или глубины; многие материалы хорошо справляются с работой на средних и высоких частотах, но требуют поддержки (массы, полости, акустического уплотнения) для повышения эффективности работы источников шума с интенсивными басами.
• Масштабы производства, постоянство свойств материала (плотность, пористость) могут варьироваться; термо- и влагостойкость иногда слабее в биоматериалах или сверхлегких материалах, если они не обработаны или не герметизированы должным образом.
• Для наружных стен погодные условия, степень пожарной безопасности и строительные нормы в отношении изоляции, влажности и долговечности часто накладывают ограничения, которым должны соответствовать легкие или новые материалы.

 

 

Технологические инновации и методы, повышающие рентабельность инвестиций

 

Новые технологии и более интеллектуальные методы производства и проектирования повышают звукоизоляцию или снижают общую стоимость. Эти инновации часто открывают возможности для достижения уровня шумоподавления, недостижимого только с помощью пассивных материалов, особенно на низких частотах, или сокращают расходы на обслуживание и монтаж.

Активное шумоподавление (ANC) и умные панели

Система активного шумоподавления использует датчики (микрофоны) и динамики или актуаторы для генерации сигналов, подавляющих нежелательные низкочастотные шумы. Она лучше всего подходит для устранения постоянных или предсказуемых источников шума, таких как гул оборудования, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или городской транспорт, хотя её сложность и стоимость выше, чем при использовании исключительно пассивных методов.

• Активное подавление вибрации корпуса стиральной машины позволило значительно снизить низкочастотный шум во время отжима. Для снижения шума в источнике использовались как пассивные виброизоляторы, так и активный контроль вибрации.
• Другой пример — применение шумоподавляющих панелей, расположенных вблизи источников высокого уровня шума (например, подстанций). Эти панели генерируют противодействующие звуковые волны, снижая воспринимаемый шум в близлежащих жилых районах. Результаты показывают значительное снижение раздражающего воздействия внешних источников звука.

К недостаткам можно отнести повышенное энергопотребление, большую сложность системы, необходимость калибровки и обслуживания. Кроме того, система активного шумоподавления лучше работает на низких частотах; её эффективность снижается по мере того, как шум становится более разнообразным, внезапным или широким.

Демпфирование со связанным слоем и конструкции масса-пружина-масса

К числу пассивных методов, получивших преимущества благодаря недавней оптимизации, относятся демпфирование с помощью ограниченного слоя (CLD) и сборка «масса-пружина-масса». Эти подходы помогают снизить передачу вибрации и излучаемый шум, улучшая характеристики при умеренном весе и стоимости.

• Недавнее исследование , опубликованное в журнале Shock and Vibration 2017, посвященное демпфированию вибраций с помощью демпфирования с помощью ограниченного слоя на бабках станков, показало, что добавление тонкого демпфирующего материала значительно снижает амплитуды резонансных колебаний (особенно первых нескольких мод) при относительно небольшом добавленном весе. Оптимизация позволила уменьшить вес демпфирующего материала вдвое, при этом потеря демпфирующих свойств составила менее 25% по сравнению с более жесткими вариантами обработки.
• В другой статье из Scientific Reports 2023 описывается тонкий вязкоупругий слой, расположенный между жесткими или неэластичными ограничивающими слоями; эти композитные структуры эффективно рассеивают энергию колебаний, снижая излучаемый звук без необходимости использования толстых панелей.

Эти методы особенно эффективны там, где вибрация является основным источником шума (например, металлические стены, корпуса оборудования). Они эффективны в условиях ROI, поскольку требуют меньше материала, могут быть модернизированы и, как правило, служат дольше без необходимости замены.

Интеграция устойчивых и переработанных материалов

Экологичность становится всё более важным фактором при выборе звукоизоляционных материалов. Руководители, принимающие решения, хотят, чтобы продукты не только хорошо блокировали звук, но и оказывали меньшее воздействие на окружающую среду, использовались переработанные или биоматериалы, а также обеспечивали экономию средств на протяжении всего срока службы.

Несколько недавних исследований показывают, что натуральные или переработанные композиты теперь обеспечивают достойную звукоизоляцию (потерю звука при передаче, STL), а не только поглощение звука внутри помещений.

Несколько примеров:

• Исследование переработанного полиэтилена высокой плотности (ПВП) в сочетании с отходами джутовой ткани позволило создать композитные листы со звукоизоляцией (средний показатель STL) около 49-50 dB в лабораторных условиях на определённых частотах (чистый пПВП против композита пПВП + джут) при сохранении плотности листов в диапазоне 970-1000 кг/м³. Это демонстрирует барьер для воздушного шума, практически эквивалентный более тяжёлым или дорогим синтетическим панелям.
• Исследования органических отходов и панелей с использованием сосновых шишек и скорлупы грецкого ореха в сочетании с гипсом или гипсокартоном показали снижение звукопередачи более 30 dB на частотах от 500 до 8000 Гц. Некоторые композитные материалы из этих материалов в ходе испытаний превысили 60 dB для определённых форм (вогнутых или яйцевидных поверхностей). Это показывает, что натуральные материалы могут стать эффективными звукоизоляционными барьерами, если их сформировать в подходящие композитные или геометрические конструкции.
• Теплоизоляционные плиты на основе мицелия, выращенные на пшеничной соломе с использованием таких видов грибов, как Pleurotus ostreatus или Ganoderma lucidum, демонстрируют значения STL от 46,4 до 59,7 dB на частоте 1000 Гц в зависимости от времени инкубации и условий роста. Хотя эффективность на более низких частотах может быть ниже, для многих задач промышленной и бытовой звукоизоляции (шум машин, транспорта) этот уровень звукоизоляции является приемлемым.

Компьютерное моделирование, оптимизированный дизайн и «оптимальный размер»

Инструменты проектирования и компьютерное моделирование помогают повысить эффективность. «Правильный выбор размера» означает использование необходимого количества материала, необходимого уровня демпфирования или поглощения без излишних инженерных усилий, что снижает стоимость, отходы материала и время монтажа.

• В недавнем исследовании метод обратной многокритериальной оптимизации был использован для проектирования микроперфорированных панелей (МПП), предназначенных для снижения низкочастотного шума при минимизации стоимости производства. В результате были получены конструкции, обеспечивающие баланс между производительностью, стоимостью и толщиной, благодаря чему панели были эффективными, но не слишком габаритными.
• Другое исследование локально-резонансных акустических метаматериалов показывает, что процессы вычислительного проектирования (многомасштабная гомогенизация, снижение порядка модели, оптимизация топологии) могут создавать легкие изоляционные панели, которые блокируют нежелательные полосы частот без необходимости использования массивных слоев материала.

Оптимизация конструкции обеспечивает окупаемость инвестиций за счет сокращения отходов материала, снижения затрат на доставку и установку, улучшения посадки в условиях ограниченного пространства и обеспечения соответствия характеристик фактическому профилю шума, а не обобщенного «избыточного шума».

 

 

Оценка рентабельности инвестиций: что важно для лиц, принимающих решения

 

Для руководителей и руководителей объектов вопрос соотношения стоимости и производительности заключается не только в первоначальной стоимости материалов. Важно также учитывать монтаж, долговечность, обслуживание, влияние на полезную площадь, соответствие нормативным требованиям и текущие эксплуатационные расходы. Решение, которое изначально выглядит дешёвым, но быстро выходит из строя или требует дорогостоящего обслуживания, редко окупается.

Стоимость жизненного цикла: долговечность и обслуживание

Выбор звукоизоляционных решений, основанный исключительно на их эффективности с первого раза, может быть ошибочным. С годами материалы изнашиваются, условия окружающей среды меняются, и обслуживание или замена становятся существенной статьей расходов. Высокая первоначальная стоимость может быть оправдана, если продукт прослужит значительно дольше или сохранит свои эксплуатационные характеристики.

Долговечность в значительной степени зависит от воздействия окружающей среды. Влага, резкие перепады температур, воздействие ультрафиолета или повторяющиеся механические нагрузки могут привести к деградации акустических пен, тканей или клеев. В одном экспериментальном исследовании изоляционные материалы на основе геополимеров биомассы подвергались циклическому воздействию влажности и механической нагрузки; некоторые образцы теряли поглощающую способность, особенно на высоких частотах, после многократного воздействия.

Нормативные и устойчивые стимулы

Нормативные акты и стандарты устойчивого развития всё чаще подталкивают организации к использованию более тихих и экологичных материалов. Эти меры не только защищают здоровье и благополучие, но и создают финансовые и репутационные стимулы для использования эффективных, долговечных и экологичных технологий звукоизоляции.

Директива Европейского союза по шуму в окружающей среде обязывает государства-члены оценивать уровень шума в окружающей среде, публиковать карты уровня шума каждые пять лет и разрабатывать планы действий по управлению шумом. Эти планы стимулируют использование более тихих изделий и улучшенных конструкций зданий для снижения воздействия шума.

Общественный интерес к снижению шума также привел к призывам к более строгим мерам по охране окружающей среды. План действий ЕС «Нулевое загрязнение» направлен на сокращение на 30% числа людей, подвергающихся вредному воздействию транспортного шума, к 2030 году, что обуславливает спрос на материалы и технологии, способствующие достижению этих целей.

Стандарт OSHA по воздействию шума на рабочем месте обязывает работодателей внедрять программы по защите слуха, если воздействие шума на работников достигает или превышает 85 dB в среднем за 8-часовой рабочий день. Эти правила, хотя и не всегда указывают конкретные материалы, создают основу, в которой высокоэффективная звукоизоляция поощряется, поскольку помогает организациям соблюдать установленные законом нормы и снижать ответственность.

 

Разумное инвестирование в инновации в области звукоизоляции

 

По мере развития материалов и совершенствования методов производства звукоизоляция и акустическая обработка больше не сводятся к простому увеличению массы или добавлению дорогостоящих объёмов. Настоящие прорывы происходят благодаря инновациям, которые предлагают более тонкие панели, экологичные сердечники или активное управление без ущерба для производительности.

Для объектов, где важны пространство, стоимость и воздействие на окружающую среду, выбор материалов и технологий, которые показывают хорошие результаты на фунт, на квадратный метр или на миллиметр толщины, обеспечивает гораздо лучшую окупаемость инвестиций.

Сочетание продуманного выбора материалов, оптимизированной конструкции и тщательного проектирования с долговечностью и соблюдением нормативных требований гарантирует стабильные результаты вашего акустического решения, снижение затрат на обслуживание, уменьшение количества сбоев и повышение удовлетворенности пользователей. Акустический комфорт становится стратегическим активом, а не второстепенной задачей.

Если вы готовы полностью модернизировать свой объект или студию, используя высокопроизводительные и экономичные решения, компания DECIBEL предлагает индивидуальные акустические оценки , детальное моделирование помещений и высокоэффективные системы звукоизоляции. Свяжитесь с нами сегодня!