Навигация по статье

Теоретическая часть

Акустические свойства.
Звук, его распространение, отражение от различных поверхностей. Звуковой резонанс.
Реверберация. Вибрация.
Что такое шум и как он измеряется.
Приборы, стандарты и способ измерения уровня шума.
Химический состав материалов их типы, свойства и краткий обзор.
Способы и места установки в клавиатуру.
Прочие способы снижения шума от клавиатуры.
Итоги исследования.

Практическая часть

Тестирование и замеры уровня шума до и после установки в клавиатуру.

Где купить?

Готовый комплект для установки в клавиатуру.

Определение понятий и объектов исследования

Звук — в физике, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания.

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.

Реверберация — представляет собой эффект отражения звука от поверхностей предметов, которые окружают источник звука. (Процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях.)

Рефракция звука — искривление звуковых лучей в неоднородной среде, в которой скорость звука зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и рефракция выражается тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

Техники демпфирования / Damping techniques (дэмпинг, зашумление, шумка) – методы демпфирования, различные ухищрения для уменьшения громкости звуков в процессе печати на клавиатуре. Корпус клавиатуры заглушается шумоизолирующими и поглощающими вибрацию материалами, переключатели (и стабилизаторы) смазываются различными видами смазок, добавляются o-rings, виниловые вкладыши-наклейки между половинками разобранных переключателей, GMK QMX-Clip Sound-Dampening Brackets и прочее.

Де́мпфер (нем. Dämpfer — глушитель, амортизатор от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения (демпфирования) или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах или сооружениях при их работе. (например: тонкий вибродемпфер)

Вла́жность — показатель содержания воды в физических телах или средах.

Гигроскопи́чность — способность некоторых веществ поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичные материалы обладают способностью поглощать влагу из воздуха, в котором практически всегда имеется некоторое количество водяных паров. Прочность и механические свойства гигроскопичных материалов нередко существенно зависит от влажности.

Акустические свойства материалов — это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Прежде всего, это — звукопроводность и звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются.

Звукопоглощение За единицу звукопоглощения принимают поглощение звука 1 м² открытого окна; при открытом окне звук поглощается полностью. Звукопоглощение всех строительных материалов меньше единицы. Звукопоглощение материала оценивают коэффициентом звукопоглощения, т. е. отношением энергии, поглощенной материалом, к общему количеству падающей энергии в единицу времени.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью хорошо отражают падающий на них звук, поэтому в помещениях с гладкими стенами создается постоянный шум. Материалы с развитой открытой пористостью хорошо поглощают и не отражают падающий на них звук. Известно, что ковры, дорожки, мягкая мебель заглушают звук.

Звукопроницаемость — отрицательное свойство, так как в большинстве случаев к материалам предъявляются требования изоляции чего-либо от внешних либо внутренних шумов.

Звукоизоляция — ослабление звука при его проникновении через ограждающие конструкции — это свойство материала, обратное звукопроницаемости.

Звукопоглощение — свойство материала поглощать и отражать падающий на него звук. Оно зависит от пористости материала, его толщины, состояния поверхности, а также от частоты звукового тона, измеряемого количеством колебаний в секунду.

Коэффициент звукопоглощения (КЗ) — это отношение поглощенной звуковой энергии ко всей энергии, падающей на материал.

За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м² открытого окна.
Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1. При нулевом значении коэффициента звукопоглощения звук полностью отражается, при полном звукопоглощении коэффициент равен единице.

Адге́зия — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей

Эластоме́ры — это полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами и вязкостью. Резиной или эластомером называют любой упругий материал, который может растягиваться до размеров, во много раз превышающих его начальную длину, и, что существенно — возвращаться к исходному размеру, когда нагрузка снята. Иногда в обиходе эластомеры называют резинами.

Амплиту́дно-часто́тная характери́стика (АЧХ) — зависимость амплитуды установившихся колебаний выходного сигнала некоторой системы от частоты её входного гармонического сигнала. АЧХ — один из видов «частотного отклика» системы наряду c ФЧХ и АФЧХ.

Сэбин (sabin) — Единица, применяемая для измерения звукопоглощающей способности поверхности, эквивалент звукопоглощения 1 квадратного фута идеального звукопоглощающего материала. Иногда называется open window unit (единица открытого окна).

Твердость по Шору – показатель, который указывает на сопротивление продавливанию.

1. Акустические свойства

Свойства материалов и изделий излучать, проводить и поглощать звук называются акустическими. Звук представляет собой упругие механические колебания, которые распространяются в виде волн в твердых, жидких и газообразных средах. При распространении звука возможны явления отражения, преломления, поглощения, рефракции звука, а также дисперсии, дифракции и интерференции.

При попадании звуковой волны на границу двух сред с разным волновым сопротивлением происходит ее отражение, которое характеризуется коэффициентом отражения. Изменение направления распространения звуковой волны при переходе ее из одной среды в другую вызывает преломление. Явление преобразования энергии звуковой волны во внутреннюю энергию среды, в которой распространяется волна, называется поглощением звука. Оно обусловлено теплопроводностью, внутренним трением (вязкостью) и некоторыми релаксационными процессами, возникающими в среде при изменении ее давления и температуры в звуковой волне. Явление поглощения звука используется для исследования внутренней структуры различных веществ, а также для звукоизоляции. Высокими звукоизоляционными свойствами характеризуются волокнистые и пористые материалы (войлок, асбест, вата). Эти свойства зависят от природы и структуры материала.

Рефракция звука (изменение направления распространения волн в неоднородной среде) влияет на дальность и слышимость, а также на образование зон молчания (театр, мобильный телефон).В результате интерференции может происходить взаимное усиление или ослабление звука в зависимости от соотношения между фазами звуковых волн.

В зависимости от частоты колебаний звук условно подразделяют на слышимый (16 Гц…20 кГц), способный вызывать слуховые ощущения при воздействии на орган слуха человека, инфразвук (частота менее 16 Гц), ультразвук (20 кГц…1 ГГц) и гиперзвук (частота более 1 ГГц).

Важнейшими физическими характеристиками звука являются скорость, звуковое давление, интенсивность звука и его спектральный состав. В связи со слуховыми ощущениями, вызываемыми слышимыми звуками, пользуются такими характеристиками звука, как громкость, высота и тембр.

Скорость звука представляет собой скорость распространения в среде упругих волн небольшой интенсивности (в метрах в секунду). Она зависит от природы и строения материала, а также температуры. Скорость звука в воздухе при температуре окружающей среды 0°С равна 331 м/с, в воде — 1400, в стали — 5000 м/с. С повышением температуры и давления скорость звука возрастает. С повышением температуры воздуха на 1 °С скорость распространения звука в нем возрастает примерно на 0,6 м/с. В твердых телах скорость звука может отличаться в разных направлениях. Скорость звука в древесине вдоль волокон в 1,5 — 2 раза больше, чем в направлении поперек волокон.

Звуковое давление (Па) — возникает при прохождении звуковой волны в среде.

Интенсивность (сила) звука — это величина, определяемая энергией, переносимой звуковой волной сквозь поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны: I=W/S. Единица измерения интенсивности звука в СИ — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. С ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят понятие уровня интенсивности звука L, который выражается в децибелах (дБ):

L = lg(I/I₀)

где I₀— интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10^-12Вт/м²

Звук интенсивностью 10^-3Вт/м²вызывает болевое ощущение. Интенсивность характеризует звук физически, а громкость — физиологически. Изменение уровня интенсивности звука на 10 дБ ощущается как двукратное изменение громкости.

Совокупность простых гармонических (синусоидальных) колебаний называется спектром звука. Спектр может быть сплошным и линейчатым.

Сплошной спектр содержит гармонические составляющие со всевозможными частотами и воспринимается ухом как шумы. Уровень шума от разных источников приведен в табл. 1.1.

Звук линейчатого спектра характеризуется совокупностью периодических колебаний с определенным соотношением частот, например музыкальные звуки, частоты составляющих колебаний которых являются целыми кратными числами частоты основного, наиболее медленного колебания.

Громкость звука является мерой силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Она зависит от эффективного звукового давления и частоты звука. Для сравнения слуховых ощущений используют уровень громкости звука (фон)

L_N=20lg(p₀ / v₀)

где p₀ — эффективное звуковое давление для звука стандартной частоты v= 1 кГц, равного по громкости исследуемому звуку; р₀ = 20 мкПа — стандартный порог слышимости для звука частотой v = 1 кГц.

Высота звука — условная характеристика музыкального, т.е. периодического или почти периодического звука, определяемая человеком на слух и связанная в основном с частотой звука. Звуки определенной высоты называются тонами. Гармоническое звуковое колебание называется простым тоном. Тон, который создает акустическая система, когда колеблется с самой низшей для нее частотой, называется основным тоном.

С ростом частоты высота звука повышается. Звуковые частоты делятся на интервалы. За единицу интервала частот принята октава — внесистемная безразмерная единица частотного интервала. Одна октава равна частотному интервалу, при котором логарифм с основанием 2 отношения двух частот равен единице: 1 октава = lg₂(f₂/f₁) при f₂/f₁=2, где f₂и f₁— частоты. Интервал имеет особое значение для музыкальных инструментов.

Некоторые материалы, например древесина, обладают способностью усиливать звук без искажения тона (резонирующая способность). Наивысшей резонирующей способностью характеризуется древесина резонансной ели, кавказской пихты и сибирского кедра, это имеет значение при выборе древесины для изготовления дек музыкальных инструментов.

2. Звук, его распространение, отражение от различных поверхностей. Звуковой резонанс

Физика звуковой волны

Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна». Интересно, что это понятие, являясь привычным для абсолютно всех, у многих вызывает затруднения при попытке дать ему внятное определение. С одной стороны, волна – это что-то, что связано с движением, нечто, распространяющееся в пространстве, как, например, волны, расходящиеся кругами от брошенного в воду камня. С другой стороны, мы знаем, что лежащая на поверхности воды ветка почти не станет двигаться в направлении распространения волн от брошенного рядом камня, а будет в основном лишь колыхаться на воде. Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск – изменение состояния поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний поверхности. Таким образом, волна – это процесс перемещения в пространстве изменения состояния.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. В отношении звуковых колебаний очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения. Скорость распространения колебаний, вообще говоря, зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука, а также от характеристик среды, в которой происходит распространение звуковой волны. Немаловажно заметить, что скорость распространения звука почти не зависит от частоты звуковых колебаний. Это означает, среди прочего, что звук воспринимается именно в той последовательности, в какой он создается источником. Если бы это было не так, и звук одной частоты распространялся бы быстрее звука другой частоты, то вместо, например, музыки, мы бы слышали резкий и отрывистый шум.

Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них.

Интерференция — усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Конечно, в реальности механизм интерференции оказывается намного более сложным, однако его суть не меняется. Эффект возникновения биений используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковая волна, при ее падении на границу раздела с другой средой, может отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения — преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн. Существование эффекта поглощения обусловлено процессами теплообмена и межмолекулярного взаимодействия в среде. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Очень важно упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука — изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как звук, сопровождающийся специфическим гулом. Такой гул называется реверберацией (от лат. «reverbero» — «отбрасываю»). Эффект реверберации очень широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств и тембральной окраски.

Способность огибать препятствия – еще одно ключевое свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.

Еще один эффект, связанный с волновым движением, о котором нельзя не вспомнить — эффект резонанса. Он заключается в следующем. Звуковая волна, создаваемая некоторым колеблющимся телом, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и, фактически, само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. Надо заметить, что в случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора, что соответственно сказывается на длительности звучания.

Проводящая среда вокруг источника звука играет немаловажную роль. Металл лучше проводит звук, даже лучше чем воздух. Поэтому клавиатуры в металлических корпусах требуют звукоизоляции в большей мере чем пластиковые. В твердых телах скорость распространения звука больше, это связано с тем, что молекулы в твердых телах расположены ближе и взаимодействие их сильнее.

Громкость звука зависит от амплитуды колебания. Чем больше амплитуда, тем сильнее звук. Соответственно, чем сильнее пользователь стучит по клавишам при печати, тем громче звучит клавиатура, что логично.

Отражение звуковых волн от границы раздела двух сред имеет очень большое практическое значение. На границе раздела двух сред звук не только отражается, но и поглощается при проникновении в другую среду. Энергия звуковых волн при этом частично превращается в энергию хаотического движения молекул среды. Так звуковая волна поглощается и рассеивается установленной шумоизоляцией в корпусе клавиатуры.

3. Вибрация. Реверберация.

Вибрация — механические колебания. Вибрация — колебание твердых тел. О вибрации также говорят в более узком смысле, подразумевая механические колебания, оказывающие ощутимое влияние на человека. В этом случае подразумевается частотный диапазон 1,6—1000 Гц.

Давайте рассмотрим схему распространения звука и вибрации в конструкции клавиатуры:

Реверберация — это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях

Реверберация представляет собой эффект отражения звука от поверхностей предметов, которые окружают источник звука.

При общении в закрытом помещении происходит отражение голосов от пола, стен, потолка, причем, эти отражения — слышимы, особенно если речь идет о большом и пустом помещении, к примеру, о спортивном зале или металлическом ангаре. При разговоре на открытом пространстве отражений практически не наблюдается, и соответственно нет эффекта реверберации.

Тембр реверберации зависит от двух основных параметров: времени между копиями сигналов и скорости падения громкости этих копий.

В случае с реальной акустической средой на эти два параметра оказывают влияние размер помещения и тип используемых материалов. К примеру, ковролин и поролон — хорошие поглотители звука, а керамическая плитка и стекло наоборот хорошо отражают звук.

Давайте рассмотрим эффект отражения сигнала на графике:

С помощью красной линии отображается прямой, оригинальный сигнал, который идет непосредственно от источника звука и поэтому имеет наибольшую интенсивность.

За ним следуют ранние отражения, то есть отражения от предметов, стен, пола и потолка. Они характеризуются довольно высокой интенсивностью и большими временными промежутками, поскольку длина путей, по которым отражения идут до слушателя, разные.

Ранними являются отражения, отставание которых от прямого сигнала не превышает 60 миллисекунд.

Первичные копии сигнала, дойдя до слушателя, продолжают свой путь последующих отражений. Поэтому после ранних отражений появляются так называемые переотражения, то есть повторные отражения от стен, пола, потолка, отличающиеся существенно меньшей интенсивностью и короткими временными промежутками. Эти промежутки настолько короткие, что происходит их объединение в один затухающий «хвост».

При незначительных звукопоглощающих свойствах материалов и достаточно солидных размерах помещения время реверберации обычно весьма продолжительно.

Также стоит отметить, что в случае использования реверберации нужно помнить, что высокие частоты затухают намного быстрее низких и средних.

Из этого мы можем сделать вывод, что если шумопоглощающая прокладка и не убирает реверберации, то как минимум меняет тональность издаваемого шума.

4. Что такое шум и как он измеряется?

Единицы измерения шума

Все мы знаем или слышали о такой единице измерения, как Белл (Б) или в 10 раз меньшая единица (она более удобна) — децибел (дБ). Но знаете ли вы, что децибел не только не единица измерения звука, он вообще не является единицей измерения, во всяком случае, в том смысле, как другие физические величины. Количество заключенной в звуке энергии, интенсивность звука в любой точке можно измерить как поток энергии, приходящейся на единичную площадку, и выразить, например, в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

К примеру, звук, который может услышать человек в идеальных условиях с идеальным слухом равен 0,000 000 000 001 Вт/м² или 10 ¹² Вт/м² . А максимально громкий звук, который еще может слышать человек примерно 10 Вт/м². Это шум рядом пролетающего реактивного самолета. Согласитесь, что разброс в десятки раз неудобен для вычисления. Поэтому было решено, что за эталон мощности было взято 10 ¹² Вт/м². А увеличение этого параметра в 10 раз было названо Беллом. Т.е., если шум реактивного самолета превышает наш эталон в 10¹³ раз, то это и есть 13 Белл или 130 дБ.

Если перейти к логарифму, то

Уровень интенсивности = 101g (ИИ/ЭИ) (дБ).

ИИ — измеренная интенсивность

ЭИ — эталонная интенсивность

Нужно иметь ввиду, что при увеличении шума в 2 раза, его уровень в дБ в 2 раза не увеличится, т.к. при удвоении числа его логарифм возрастает на 0,3.

Интенсивность типичных шумов (табл. 1.1)

Примерный уровень звукового давления, дБА	Источник звука и расстояние до него
160	Выстрел из ружья калибра 0,303 вблизи уха
150	Взлет лунной ракеты, 100 м
140	Взлет реактивного самолета, 25 м
120	Машинное отделение подводной лодки
100	Очень шумный завод
90	Тяжелый дизельный грузовик, 7 м Дорожный перфоратор (не заглушенный), 7 м
80	Звон будильника, 1 м
75	В железнодорожном вагоне
70	В салоне небольшого автомобиля, движущегося со скоростью 50 км/ч; квартирный пылесос, 3 м
65	Машинописное бюро Обычный разговор, 1 м
40	Учреждение, где нет специальных источников шума
35	Комната в тихой квартире
25	Сельская местность, расположенная вдали от дорог

Уровень звукового давления характерный для механической клавиатуры с усредненными параметрами находится примерно на отметке 50 дБа.

Восприятие звука человеческим ухом представляет собой сложный процесс. Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с разными частотами. Чувствительность уха заметно увеличивается при частотах от 20 до 1000 Гц. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 Гц до 4000 Гц, где она практически постоянна. После частоты 4000 Гц чувствительность уха снова уменьшается. Чтобы услышать низкий тон с частотой 50 Гц, требуется звуковое давление, в 100 раз превышающее звуковое давление, соответствующее тону с частотой 1000 Гц.

Уровень одинаковой громкости звуковых сигналов в фонах на разных частотах не соответствует уровню звукового давления в децибелах и совпадают они лишь на частоте 1000 Гц.

Частотные диапазоны:

25 — 120 — Бас

120 — 350 — Нижняя середина

350 — 2000 — Середина

2000 — 8000 — Верхняя середина

8000 — 12000 — Высокие

12000 — 20000 — Верхний диапазон высоких частот

Разделение слышимого диапазона на основные три группы

Терминология разделения слышимого спектра частот пришла к нам частично из музыкального, частично из научного миров и в общем виде она знакома практически каждому. Самое простое и понятное деление, которое может испытать частотный диапазон звука в общем виде выглядит следующим образом:

Низкие частоты. Границы диапазона низких частот находятся в пределах 10 Гц — 200 Гц. Нижняя граница начинается именно с 10 Гц, хотя в классическом представлении человек способен слышать от 20 Гц (всё что ниже попадает уже в область инфразвука), оставшиеся 10 Гц всё ещё могут частично прослушиваться, а также ощущаться тактильно в случае глубокого низкого баса и даже влиять на психологический настрой человека.

Средние частоты. Границы диапазона средних частот находятся в пределах 200 Гц — 2400 Гц. Средний диапазон всегда будет фундаментальным, определяющим и составлять фактически основу звука или муз композиции, потому его значимость трудно переоценить.

Высокие частоты. Границы диапазона высоких частот находятся в пределах 2400 Гц — 30000 Гц. Верхняя граница, как и в случае с низкочастотным диапазоном, получается несколько условной и также индивидуальной: среднестатистический человек не может слышать выше 20 кГц, однако встречаются редкие люди с чувствительностью до 30 кГц.

5. Приборы, стандарты и способы измерения уровня шума.

Шумомер — прибор для объективного измерения уровня звука. Не следует путать этот параметр с уровнем громкости. Не всякий прибор, измеряющий звук, является шумомером. Существует российские и международные стандарты, устанавливающие требования к этим приборам. В России действует стандарт ГОСТ 17187-2010 (IEC 61672-1:2002). В европейских странах действуют свои стандарты на шумомеры, однако все они также следуют требованиям стандартов МЭК. Особняком стоят США, где применяются стандарты ANSI (в частности ANSI S1.4), существенно отличающиеся от европейских.

Учитывая специфику, допустимые погрешности замеров в естественных условиях, в нашем случае лабораторных точностей не требуется и будет достаточно качественного микрофона в связке со специализированным программным обеспечением.

Программное обеспечение

SpectraPLUS — Мощный и эффективный анализатор звуков с возможностями измерения целого ряда значений.

Программа SpectraPLUS позволяет проводить FFT-анализ (известный также как быстрое преобразование Фурье) звукового сигнала в реальном времени с высоким разрешением. Точность выборки анализатора составляет 24 бита, алгоритм FFT обрабатывает записи до 1048576 отсчетов длиной, частота дискретизации достигает 200 кГц (в зависимости от возможностей звуковой карты эта величина может быть еще выше), а октавный анализ лежит в пределах от 1/1 до 1/96.

В качестве способа записи рабочих образцов звука в звукоизолированный бокс на одно и то же место устанавливалась клавиатура с разными образцами шумопоглощающей прокладки, после чего производилась запись тайпинга одной и той же контрольной фразы повторяемой несколько раз. Микрофон находился по центру над поверхностью клавиатуры. Записанные образцы были проанализированы с помощью SpectraPLUS а полученные графики наложены друг на друга для более удобного сравнения.

6. Химический состав материалов их типы, свойства и краткий обзор

Для начала рассмотрим схему классификации материалов для вибро и шумоизоляции:

Основные группы

(Виброизоляция) Вибродемпферы -Служат для преобразования механической энергии вибрации в тепловую, то есть попросту гасят вибрации.

(Шумоизоляция) Шумоизоляторы — Изолируют от шума и поглощают его в небольшой мере. Обычно вспененный пенополиэтилен (сплен, изолон) (больше служит теплоизолятором) или вспененный каучук (чуть больше шумоизолятор).

(Шумоизоляция) Шумопоглотители — Вспененный полиуретан (поролон) или подобные акценту от STP. Поглощают шум за счет своей открытой ячеистой структуры. Тонкие шумопоглотители по типу Бипласта 5мм — используются как прокладочный или антискриповый материал.

Шумоизолятор: Закрытая пористая ячейка Смысл: отражать звук

Шумопоглотитель: Открытая пористая ячейка. Смысл: гасить в себе энергию приходящего звука

Шумоизоляция бывает двух типов:

Шумоизоляторы (защищены от влаги, имеют высокую плотность) Являются плотными материалами, имеют гладкую поверхность и закрытую пористую структуру, они предназначены для отражения звуковых волн.

Обычно изготавливают из вспененного полиэтилена (сплен, тв плен). Полиэтилен может вспениваться химическим или физическим способом. Материалы по внешнему виду сильно отличаются, но на шумоизолирующих свойствах это не сказывается.

или вспененного каучука (soft)

2. Шумопоглотители (более эффективны, боятся влаги, могут легко сжиматься до нескольких миллиметров по толщине). Имеют открытую пористую структуру, через них может свободно проходить воздух. Такие материалы поглощают звуковые волны которые распространяются в воздухе.

Обычно изготавливают из вспененного полиуретана (поролон). Из поролона продаются под названиями: Бипласт, битапласт, герметон, soundwave. Или из войлока синтетического / натурального. Из войлока продаются под названиями: Кайман, фелтон или просто войлок.

Вибродемпферы делаются из разного рода силиконов и силиконовых листов.

ППУ

Пенополиуретан (ППУ) – это очень технологичный и эксплуатационно гибкий материал, в зависимости от конечной плотности и различных физических свойств он широко используется во многих отраслях современной промышленности. Существует два основных типа вспененного полиуретана, принципиально отличных друг от друга своим строением, а также набором физико-механических характеристик и свойств. Это открытоячеистые и закрытоячеистые.

Закрытоячеистый ППУ — представляет собой жесткую и прочную губку с миллионами закрытых, изолированных друг от друга ячеек-пузырьков, наполненных газом, образовавшимся в результате взаимодействия компонентов ППУ, приводящая к подъему и расширению пены в объеме до 30 раз по сравнению с жидкой композицией и последующей полимеризацией. Этот газ имеет более низкую теплопроводность, чем воздух. И именно то, что более 92% материала составляет тот самый газ (и всего менее 8% — твердое вещество), делает его лидером среди всех ныне существующих теплоизоляционных материалов. Коэффициент теплопроводности ППУ с закрытыми ячейками не превышает величины 0,019-0,03 Вт/(м*К).

Открытоячеистый ППУ — как мы понимаем из названия, представляет собой материал из открытых взаимосвязанных, так сказать, «взломанных» пузырьков, наполненных воздухом, что делает его легким, «дышащим» и эластичным. Пенополиуретан с открытыми ячейками имеет ярко выраженные эластичные свойства, отлично и быстро вспенивается, увеличиваясь в объеме до 100 раз. Плотность открытоячеистых ППУ колеблется в пределах 8-20 кг/м

Тестируемые материалы

Выбор данных материалов обусловлен легкой доступностью в продаже, частотой использования и возможностью установки в корпус клавиатуры по толщине. Материалы имеют немного отличающуюся открыто пористую и волокнистую структуру, что хорошо для сравнительных тестов. Из открытых источников рекомендовано брать шумоизоляцию не толще 5 мм. За исключением Бипласта, который может сжиматься практически полностью.

Список выбранный для тестирования материалов:

Поролон эластичный SPG 2240 1000*2000*3 мм (чёрный)

Звукопоглощение Бипласт 5 К (Лист 0,75*1)

Фоамиран 60*70см 1,2мм

Маделин Н лист (0.6х.0.5м) толщина 2мм StP — STP

Поролон эластичный SPG 2240 (3мм)
Звукопоглощение Бипласт 5 К (5мм)
Фоамиран (1,2мм)
Маделин Н — STP (2мм)
SMold M 10 (3,5мм)

Вид: Шумопоглотители
Состав: Эластичный пенополиуретан, мягкая полиуретановая пена, состоящая на 90 % из воздуха
Структура: открытоячеистая, крупнопористая
Гигроскопичные свойства: не превышает 7% от сухого веса.
Коэффициент звукопоглощения:
Коэффициент звукопоглощения α, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

125 Гц	250 Гц	500 Гц	1000 Гц	2000 Гц	4000 Гц	8000 Гц
0,20	0,22	0,30	0,75	0,77	0,71	0,60

Вид: Шумопоглотители
Состав: Вязкоэластичный вспененный полиуретан. Пропитка-латекс.
Структура: открытоячеистая, вязкая
Гигроскопичные свойства: Влагостойкий
Коэффициент звукопоглощения:
Самый высокий показатель звукопоглощения в частотном диапазоне: от 1000 до 6300 Гц; Коэффициент звукопоглощения до 85 %. Обладает высокими механическими характеристиками: - высокий коэффициент звукопоглощения (0,43 ед.); - высокое значение собственных внутренних потерь (0,69 ед.).

Вид: Шумопоглотители
Состав: Синтетический материал. Этиленвинилацетат (сокр. ЭВА). Получают его в итоге сополимеризации этилена и мономера винилацетата.
Структура: открытоячеистая, мелкопористая.
Гигроскопичные свойства: Минимальные, не восприимчив к влаге.
Коэффициент звукопоглощения: нет данных

Вид: Шумопоглотители (прокладочный уплотнительный материал)
Состав: Уплотнительный декоративный материал на основе нетканого полотна;
Структура: открытоячеистая, волокнистая
Гигроскопичные свойства: Хорошо впитывает влагу
Коэффициент звукопоглощения: нет данных

Вид: Виброизоляция
Состав и свойства: Двухкомпонентная силиконовая резина: жидкий силикон и отверждающее средство на основе олова (катализатор);
Линейная усадка(%) ≤0,2
Относительная плотность 1,08
Относительное удлинение при разрыве ≥520
Сопротивление раздиру ≥20
Условная прочность при разрыве ≥18
Усредненная вязкость при 20 °С - 15000
Твердость по Шору A - 10
Структура: закрытая, монолитная, вязкая, тягучая.
Гигроскопичные свойства: Влагозащищенный

7. Способы и места установки в клавиатуру

Места установки:

Нижняя крышка корпуса / между печатной платой (PCB) и плейтом.

По слоям:

1. Виброизоляция — Устанавливается между плейтом и PCB заполняя все пространство, буквально “обволакивая” свитчи, для лучшего гашения вибраций.

2. Шумопоглотитель — Устанавливается в полость корпуса находящуюся под PCB в корпусе для гашения возникающих ревербераций.

Неправильно применение виброизоляционного материала может привести к повышению вибрации и структурного шума.

Рекомендовано брать шумоизоляцию не толще 5 мм, хотя в некоторые корпуса легко помещается и Бипласт 10 мм из-за его особенности сжиматься практически в ноль. Бывают случаи, что с трудом можно уложить и 2-3 миллиметровый материал., в таких ситуациях поможет только установка вибродемпфера, т.к. шумопоглощающая прокладка не даст совершенно никакого эффекта.

Шумоизоляция отличается в основном лишь качеством и плотностью.

Мокрый изолятор становится хорошим проводником шума и теряет свои полезные свойства.

Важна ли форма и расположение вибро- и шумопоглощающего материала?

Бытует мнение, что устанавливать шумоизоляцию необходимо в шахматном порядке, якобы это даст эффект лучшего рассеивания. К сожалению это справедливо лишь для автомобильной и прочей акустики с большими объемами пространства, в клавиатуре же заметного эффекта этот способ установки не даст.

Когда необходима вибро и шумоизоляция клавиатуры?

В большей степени виброизоляция необходима при тонком корпусе, когда корпус состоит из алюминия или других металлов. Но чтобы рекомендовать или нет установку такой модификации нужно ориентироваться на конкретную модель клавиатуры. В худшем случае ничего не измениться.

Пример необходимости виброизоляции:

*Клавиатура с установленным вибродемпфером и шумопоглощающей прокладкой.*

Тестирование заливки силиконового демпфера в корпус KBDFANS TOFU60 ALUMINUM 60%

Пример заливки

На примере именно этого корпуса можно сказать, что заливка одной лишь виброизоляции в алюминиевый кейс особого эффекта для снижения уровня шума не даёт.

Примеры тайпинга:

Без виброизоляции

Установлен поролон

Установлен силиконовый демпфер

8. Прочие способы снижения шума от клавиатуры.

Шумопоглощающие кольца 0,4мм (O-Ring)

Для начала определимся с терминологией. Термин bottoming out – выжимание (от англ. «достигать дна») – используется для обозначения ситуаций, когда клавиша с силой нажимается до упора. На механических клавиатурах при таком ударе по клавише вы услышите щелчок. Мягкие каучуковые кольца-глушители O-Ring устанавливаются на стержни клавишных крышек, чтобы смягчить срабатывание переключателя, останавливая его ход буквально перед выжиманием – перед тем, как клавиша будет нажата до упора. Это также слегка уменьшает максимальное расстояние хода переключателя (на 0,2 и 0,4 мм для 4-миллиметрового хода с красными и синими кольцами соответственно).

Глушители для переключателей избавляют их от излишнего шума и стука клавиш: это позволяет добиться стабильно низкого уровня звучания механической клавиатуры при наборе текста.

Смазка свитчей и стабилизаторов

Смазанные свитчи и стабилизаторы имеют более приятный, плавный и тихий ход. Поэтому проводя работы по шумоизоляции своей клавиатуры обязательно обратите внимание на этот момент.

Свитч филмы

Используются для film мода — модификации, позволяющей значительно уменьшить люфт стема в корпусе переключателя, что положительно сказывается на звучании и ощущениях от тайпинга.

Коврик

Клавиатура установленная на полноразмерный коврик становиться заметно тише без каких либо внутренних модификация и вмешательств.

Техника печати

Как бы банально это не звучало, но техника печати определенным образом влияет на шум издаваемый клавиатурой. Если с силой стучать по клавишам, звук будет довольно громким. Есть мнение, что при печати не обязательно прожимать клавишу до конца и если на линейных свитчах момент срабатывания определить трудно, то на тактильных вполне возможно привыкнуть ловить момент срабатывания не прожимая клавишу до упора, что заметно снизит издаваемый шум.

9. Итоги исследования

По итогам проведенных тестов, замеров и сравнений с уверенностью можно сказать, что установка одной лишь шумоизоляции не дает ощутимого эффекта в бытовых условиях использования. Она практически не снижает уровень шума, но меняет его тональность, что сказывается лишь на слуховых ощущениях при печати. Тише клавиатура после установки не станет. Напротив же, использование шумоизоляции в кубе с вибродемпфером существенно снижает уроверь шума и придает приятную монолитность конструкции.

Монотерапия, это когда применяется только один материал вибро или шумоизоляция, является практически неэффективной и её использование возможно, но нежелательно.