слоистое изделие с акустически активным слоем

Формула изобретения

Слоистое изделие с акустическими свойствами, включающее внешний слой, выполненный из древесного материала, и внутренний слой, содержащий сухие стебли растений в качестве активного акустического слоя, отличающееся тем, что в качестве древесного материла использован древесный шпон, в качестве сухих стеблей растений использована щепа или рейки из сухих стеблей лопуха, при этом слоистое изделие характеризуется модулем упругости при статическом изгибе 2,63·10 ¹⁰ Н/м², плотностью 190-215 кг/м³ , отношением модуля упругости к плотности соответственно (138,4-122,3)·10 ⁶ м²/с².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к слоистым изделиям из растительного вещества, в частности к изделиям, обеспечивающим высокие акустические свойства 1) помещений, в особенности звукозаписывающих и дикторских студий, концертных залов, звуковоспроизводящих студий с высококачественным акустическим электроакустическим оборудованием, 2) электромеханических преобразователей звука (громкоговорителей и т.п.), 3) музыкальных инструментов и подобных объектов. Изобретение может быть использовано в строительстве, в производстве музыкальных инструментов, корпусов и мебели для звуковоспроизводящей и звукозаписывающей аппаратуры.

Известны слоистые изделия, описанные в патенте США №4207964, кл. Е 04 В 1/99, опубл. 17.06.1980 и представляющие собой звукопоглощающий и распространяющий звук элемент, акустический экран и декоративную звукопоглощающую панель. Эти изделия служат для улучшения акустических свойств помещения и содержат слой звукопоглощающего материала, такого как стекловолокно, минеральное волокно или губку, равномерно распределенного между слоями, которыми являются, например, панели из клееной фанеры или из легкого металла, например алюминия, а также гипсовые или цементные плиты. Недостатком этих изделий является вредность для здоровья звукопоглощающего материала, не являющегося экологически чистым в своем производстве. Акустический экран и декоративная звукопоглощающая панель должны быть выполнены достаточно большими для получения необходимого звукового поглощения. Следовательно, они громоздки и портят дизайн помещения.

Известно слоистое изделие, описанное в патенте США №5975238, кл. Е 04 В 1/82, опуб. 02.11.1999 и являющееся плоским резонатором для звукового демпфирования в комнате небольшого размера. Изделие содержит тонкую (толщиной 0,5-2 мм) переднюю пластину из металла (стали или алюминия), заднюю панель из тонкосетчатого эластомера, обычно используемого для виброизоляции машин и зданий, такого как полиуритан или полиэтилен. Соединение между передней пластиной и задней панелью выполнено таким образом, что вибрация передней пластины, вызванная звуком в комнате, полностью передается на заднюю панель. Это соединение, а также соединение всего слоистого изделия со стеной здания обеспечивается, например, двусторонней липкой лентой. Из этого изобретения исключен недостаток предыдущего решения: отсутствует синтетическое волокно. Однако из-за наличия стали и алюминия изделие относительно дорого и имеет достаточно большой вес.

Известно слоистое изделие (авторское свидетельство №284587, кл. G 10 C 3/06, опубл. 14.10.1970) в виде резонансной деки, используемой при производстве роялей и фортепиано. Внутренний слой изделия составляют деревянные рейки, установленные с зазором и закрепленные на футоре фортепиано. Поверхность слоя реек с одной или с двух сторон покрыта скрепленным с ней слоем листового материала, образующим сплошную резонирующую поверхность. Листовым материалом может являться синтетический материал, плотная бумага, ткань, пропитанная специальным составом. Это слоистое изделие в виде резонансной деки усиливает звук рояля или фортепиано. Количество реек, их конфигурация, величина зазоров между рейками и характеристики слоя листового покрытия в изделии определяют тембр музыкального инструмента. Недостатком изделия является узкая область применения.

Известно слоистое изделие (авторское свидетельство №495698, кл. G 10 D 3/02, опубл. 15.12.75) в виде резонатора для струнных музыкальных инструментов. Изделие выполнено в виде многослойного щита, слои которого выполнены из древесного шпона и склеены. Недостатком изделия являются ограниченные акустические свойства.

Известно, что для получения хороших акустических характеристик в широком диапазоне слышимых частот желательно, чтобы отношение модуля упругости изделия к плотности было как можно выше. Так, в описании к патенту США №4337682, кл. G 10 C 3/06, опубл. 06.07.1982, в котором речь идет о резонансной деке фортепиано, предлагается увеличить значение отношения модуля упругости к плотности за счет сочетания стали в качестве внутреннего слоя и дерева или пластика для внешнего слоя. Однако, как показала практика (патент РФ №2185283, кл. В 27 К 3/15, В 27 К 3/34, В 27 М 3/16, опубл. 20.07.2002, стр.2), фортепиано, изготовленные по патенту США №4337682, не имели высоких акустических характеристик в широком диапазоне слышимых частот и не обладали богатством звука классических фортепиано. Кроме того, механические и физические свойства древесины, используемой по патенту США №4337682 для внешнего слоя, подвержены климатическим условиям, особенно при повышенной влажности. С инструментом на основе древесины могут произойти необратимые изменения при изменении условий среды, например, повсеместно распространено растрескивание.

Известны слоистые изделия в виде корпусов громкоговорителей или других электромеханических преобразователей звука. Например, общеизвестен корпус акустической колонки, выполненный из склеенных слоев фанеры (патент РФ №2124818, кл. Н 04 R 1/28, опубл. 10.01.1999). Данный корпус имеет низкие акустические характеристики вследствие сильной вибрации слоев под действием звуковой волны. Звук, кроме того, многочисленно отражается от стенок корпуса, искажая звучание и снижая качество воспроизводимой музыки и звука.

Для улучшения акустических свойств корпусов громкоговорителей и подобных приборов стенки их корпусов могут включать звукопоглощающий слой, например слой из стекловолокна, минерального волокна, фетра, порошкообразного материала, наполняющего пространство внутри стенок корпуса (патент США №4869340, кл. Н 05 К 5/00, опубл. 26.09.1989), из цементоподобной смеси, например, смеси гипсоцемента и сланцевой глины (патент США №4445730, кл. А 47 В 81/06, опубл. 30.07.1981). Однако подобные слои не решают в нужной степени проблему поглощения звука, а следовательно, не улучшают акустических свойств корпусов. Использование в качестве слоя порошкообразного материала (песок, графит, кремнезем), наполняющего емкости внутри корпуса, и цементных смесей утяжеляет изделие и является недостаточно технологичным.

В патенте США №4678715, кл. В 32 В 21/04, В 32 В 21/06, B 05 D 1/18, B 05 D 3/02, опубл. 07.07.1987, описано техническое решение, касающееся резонирующих изделий, таких как музыкальные инструменты, корпуса высококачественного акустического оборудования или обшивка стен в виде панелей концертных залов и т.п. Эти изделия могут быть выполнены согласно указанного выше патента из пластин древесины, которая последовательно вакуумировалась, затем обрабатывалась парами мономера до насыщения им поверхностного слоя древесины, повторно вакуумировалась, подвергалась избыточному давлению инертного газа при повышенной температуре (140°-200°С). В результате на поверхности древесины (на стенках пор и капилляров) образовывался полимерный слой мономера. Модуль упругости составил 1,36-1,38, Н/м² (Па), плотность - 480, кг/м³, отношение модуля упругости к плотности - (28,3-28,7)×10⁶ , м²/с².

В патенте РФ №2185283, кл. В 27 К 3/15, В 27 К 3/34, В 27 М 3/16, опубл. 20.07.2002, на изобретение «Способ обработки древесины для музыкальных инструментов» также описан верхний слой на древесине, образованный в результате полимеризации: слой из собственных волокон древесины, скрепленных между собой углеродистым материалом, полученным за счет полимеризации ацетилена (или других углеводородов с соотношением С/Н, близким к единице) в плазме тлеющего разряда.

Недостатком слоистых изделий по указанным выше патентам США №4678715 и РФ №2185283 является то, что для их изготовления требуются значительные затраты энергии, технология является сложной и с использованием экологически опасных веществ. Кроме того, для их производства необходимо дерево, чья доступность в настоящее время сокращается в связи с экологическими проблемами.

За наиболее близкий аналог (прототип) выбрано техническое решение, описанное в патенте США №4364990, кл. В 32 В 7/02, опубл. 21.12.1982. По этому патенту предлагается резонансные деки струнных музыкальных инструментов выполнять в виде слоистого изделия, в котором увеличение модуля упругости к плотности достигается за счет выполнения внешнего слоя из волокна, в частности из графитового волокна, с модулем упругости 1,8×10¹¹, Па, плотностью не менее 2000, кг/м³ и соответственно отношением модуля упругости к плотности 90×10⁶, м²/с ². Волокно вделано в матрицу из полимерного материала. В качестве внутреннего слоя используют материал с плотностью, лежащей в пределах 150, кг/м³ и 1000, кг/м³ , предпочтительно картон или плотную бумагу. Недостатком данных дек является то, что они дороги и не обладают достаточно высокими акустическими характеристиками в широком диапазоне слышимых частот, свойственными классическим высококачественным музыкальным инструментам. А производство картона или бумаги является экологически вредным и требует в качестве сырья ту же древесину.

Задачей заявленного изобретения является расширение арсенала слоистых изделий, предназначенных для различных объектов, к которым предъявляются специальные акустические требования, например, для помещений звукозаписывающих студий, для корпусов громкоговорителей, музыкальных инструментов. При этом заявленное слоистое изделие имеет высокие акустические свойства, выполнено на основе экологически чистого вещества растительного происхождения, получение которого просто и низкозатратно по технологии. Последнее, в частности, обусловлено доступностью и легкой воспроизводимостью исходного сырья.

Технический результат заключается в реализации заявленным слоистым изделием указанного выше назначения.

Как и наиболее близкий аналог (прототип), заявленное изделие является слоистым, то есть содержит слои.

В отличие от прототипа заявленное слоистое изделие включает слой, содержащий растительное вещество на основе сухого стебля лопуха (Arctium).

В слое, содержащем растительное вещество на основе сухого стебля лопуха, стебель лопуха может быть измельченным до состояния муки.

На чертеже представлен пример конкретного исполнения заявленного слоистого изделия со следующими обозначениями: 1 - слой, содержащий растительное вещество на основе сухого стебля лопуха (Arctium), 2 - другой слой. В этом конкретном исполнении заявленное слоистое изделие может включать слой 1, содержащий растительное вещество на основе сухого стебля лопуха (Arctium). Слой 1 может быть внутренним слоем, окруженным другими слоями 2. Другим слоем 2 может быть деревянный, пластмассовый шпон или любой другой сплошной (листовой) материал, служащий, например, в качестве стенки корпуса музыкального инструмента или громкоговорителя, в качестве стены здания. Выбор материала другого слоя 2 может зависеть от того, где используется слоистое изделие.

Слой 1, содержащий растительное вещество на основе сухого стебля лопуха (Arctium), может быть изготовлен следующим образом. Сухой стебель лопуха расщепляют, например, на узкие длинные полосы произвольной формы. Эту щепу прессуют со связующим веществом в виде единого слоя. Или же стебли лопуха аккуратно нарезают на прямоугольные рейки и склеивают боковые поверхности реек друг с другом до образования сплошного слоя.

В слое 1 сухой стебель лопуха может быть измельченным до состояния муки. Стебли лопуха, измельченные до состояния муки, перемешивают со связующим веществом. Полученной смеси придают необходимую форму под прессом. Если другим слоем 2 является, например, шпон или подобный листовой материал, а сухой стебель лопуха измельчен до состояния щепы или муки, то другой слой 2 соединяют со слоем 1, содержащим растительное вещество на основе сухого стебля лопуха, одновременно с прессованием. При этом их склеивание происходит посредством связующего вещества, выступившего на поверхность слоя 1 в результате прессования слоя 1. Соединение слоев 1 и 2 можно осуществить после прессования или после того, как сформирован слой из реек на основе сухих стеблей лопуха. Связующим веществом (клеем) может служить, например, клей марки ПВА.

Другой слой 2 может быть образован полимерной пленкой, образовавшейся из высохшего связующего вещества (клея), выступившего на поверхность изделия после прессования муки или щепы или специально наложенного сверху.

Для заявленного слоистого изделия, в котором слой 1 выполнен внутренним и содержащим щепу или рейки из сухих стеблей лопуха, а другим внешним слоем 2 является древесный шпон, модуль упругости при статическом изгибе для заявленного слоистого изделия составляет 2,63×10 ¹⁰, Н/м², плотность в зависимости от исполнения изделия находится в пределах 190-215, кг/м³, отношение модуля упругости к плотности соответственно - (138,4-122,3)×10 ⁶, м²/с². Таким образом, отношение модуля упругости к плотности, определяющее хорошие акустические характеристики в широком диапазоне частот, имеет высокое значение.

При легком ударе по заявленному изделию оно звучит не менее ясно, чем при таком же ударе по древесине старинного музыкального инструмента.

При размещении динамиков громкоговорителя в корпусе, выполненном в виде заявленного слоистого изделия, увеличивается громкость звучания громкоговорителя на отдельных частотах в диапазоне от 200 Гц до 10000 Гц по сравнению с прототипом.

Были проведены испытания звуковых колонок с динамическими головками громкоговорителей марок 3ГДШ-7, 6ГДШ-5-4, 10ГДШ-Х-4, в которых прямоугольный резонансный корпус был выполнен в виде заявленного слоистого изделия с внешним слоем из древесного шпона. При этом были сняты графики зависимости частоты и громкости, которые по виду оказались подобными аналогичным графикам, представленным в патенте США №4364990 для прототипа и для резонансной ели. Это свидетельствует о хороших акустических свойствах заявленного слоистого изделия. Корпуса колонок обеспечивают низкие характеристические коэффициенты гармоник, что также свидетельствует об их хороших акустических свойствах. Так, колонка на основе головки 10ГДШ-Х-4 имеет следующие характеристические коэффициенты гармоник: 0,81% при 250, Гц, 0,22% при 1000, Гц, 1,76% при 2000, Гц и 0,48% при 6300, Гц. Для колонок на основе головок 3ГДШ-7-1 и 6ГДШ-5-4 характеристические коэффициенты гармоник несколько выше, но также свидетельствуют о хороших акустических свойствах их резонансных корпусов. Так, для колонки с динамической головкой 3ГДШ-7-1 характеристические коэффициенты гармоник составили 8,32% при 250, Гц, 7,28% при 1000, Гц, 1,32% при 2000, Гц и 0,57% при 6300, Гц. Для колонки с динамической головкой 6ГДШ-5-4 характеристические коэффициенты гармоник составили 5,62% при 250, Гц, 0,16% при 1000, Гц, 0,74% при 2000, Гц и 0,63% при 6300, Гц. Кроме того, в колонках с динамическими головками 10ГДШ-Х-4 и 6ГДШ-5-4 отсутствует призвук на частоте 250 Гц, приблизительно на которой наблюдается наибольшая амплитуда движения диффузора и увеличение громкости в этих колонках. Для колонки с динамической головкой 3ГДШ-7-1 этот призвук на частоте около 250 Гц составил лишь 21,5%.

Увлажненное заявленное изделие после высыхания на воздухе при температуре 50°С не деформируется и не изменяет геометрических размеров.

Заявленное слоистое изделие может заменить для целей получения хороших акустических характеристик изделия из древесины, чья доступность в некоторых районах в настоящее время снижается из-за сокращения площадей лесов. Лопух же является злостным сорняком, растущим повсеместно, а также легко возобновляемым сырьем, затраты на возделывание и переработку которого для использования в заявленном слоистом изделии являются очень низкими.