Навигация по статье

Тео­ре­ти­че­ская часть

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

Прак­ти­че­ская часть

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

Где купить?

  1. 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/м2 вызы­ва­ет 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)

LN=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?

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

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:

  1. 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 

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.

Практическая часть

На выхо­де прак­ти­че­ских тестов были полу­че­ны образ­цы запи­си тай­пин­га на кла­ви­а­ту­ре VARMILO VA87M VINTAGE DAYS (MX Cherry Brown):

0. Без шумо­по­гло­ща­ю­щей прокладки

1. Поро­лон эла­стич­ный SPG 2240- 3 мм

2. Бипласт 5 К — 5 мм

3. Фоами­ран — 1,2 мм

4. Маде­лин Н STP — 2 мм 

0. Без шумо­по­гло­ща­ю­щей прокладки

1. Поро­лон эла­стич­ный SPG 2240- 3 мм

2. Бипласт 5 К — 5 мм

3. Фоами­ран — 1,2 мм

4. Маде­лин Н STP — 2 мм 

И сня­ты гра­фи­ки для каж­до­го из материалов