Akustyka wnętrz. Materiały i wyroby dźwiękochłonne

W tym artykule weźmiemy „na tapetę” materiały i wyroby dźwiękochłonne. Najpierw jednak zdefiniujmy te pojęcia i powiedzmy sobie

CO TO SĄ MATERIAŁY, A CO WYROBY DŹWIĘKOCHŁONNE

Wspomnimy też przy okazji o trzeciej grupie, tj. ustrojach dźwiękochłonnych.

Podział na materiały, wyroby i ustroje dźwiękochłonne wynika z ich cech materiałowych i konstrukcyjnych, a także ze względu na mechanizm działania. Materiały i wyroby należą do I grupy, zaś ustroje do II.

Materiały dźwiękochłonne bez dodatkowej obróbki generalnie nie mogą być umieszczane na ścianach czy sufitach, ale mogą służyć jako wypełnienie ustrojów dźwiękochłonnych. Z kolei wyroby dźwiękochłonne to takie materiały dźwiękochłonne, które już fabrycznie zostały wytworzone w postaci płyt lub mat, z odpowiednią dekoracyjną fakturą, która pozwala na ich bezpośrednie zamocowanie na ścianie lub suficie, bez dodatkowej konstrukcji, oraz zapewnia ich estetyczny wygląd.

Zarówno materiały, jak i wyroby dźwiękochłonne pochłaniają dźwięk dzięki swojej porowatej lub włóknistej strukturze. Do grupy tej należą: materiały i wyroby tekstylne, wełny, waty i wyroby pochodne oraz maty, płyty i wyprawy porowate.

Natomiast II grupę stanowią ustroje dźwiękochłonne – elementy złożone, wykonane z jednego lub kilku materiałów (lub wyrobów), najczęściej nie dźwiękochłonnych, tak skonstruowane, że tworzą układy, przeważnie rezonansowe, pochłaniające dźwięk w określonym paśmie częstotliwości. O ustrojach akustycznych więcej powiemy w kolejnym numerze.

Ze względu na pasmo częstotliwości, w którym występuje największe pochłanianie dźwięku, wszystkie materiały, wyroby i ustroje dźwiękochłonne można podzielić na wąskopasmowe (do 1 oktawy), szerokopasmowe (ponad 4 oktawy), niskoczęstotliwościowe (65-500 Hz), średnioczęstotliwościowe (500-2.500 Hz) i wysokoczęstotliwościowe (2-8 kHz).

Parametrami akustycznymi, charakteryzującymi materiał, wyrób lub ustrój dźwiękochłonny są:
a) częstotliwość rezonansowa – częstotliwość, przy której występuje maksimum pochłaniania dźwięku przez materiał, wyrób lub ustrój. Inna sprawa, że w przypadku niektórych materiałów i wyrobów dźwiękochłonnych ustalenie częstotliwości rezonansowej może być trudne, tak samo jak w przypadku szerokopasmowych ustrojów, np. perforowanych, w których tłumienie jest dość równomierne w szerokim paśmie częstotliwości,
b) charakterystyka pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku w funkcji częstotliwości – określa ona wartość współczynnika pochłaniania dla konkretnych pasm tercjowych lub oktawowych, w zakresie od 63 Hz do 8 kHz.

Materiały i wyroby dźwiękochłonne pochłaniają dźwięk najczęściej w paśmie średnich i dużych częstotliwości, zaś ustroje dźwiękochłonne – w zależności od ich konstrukcji – mogą pochłaniać dźwięk w różnych pasmach, zarówno w bardzo wąskim zakresie, jak i bardzo szerokim.

Wybór materiałów, wyrobów i ustrojów dźwiękochłonnych zależy w praktyce nie tylko od ich właściwości akustycznych, ale również od innych własności, np. palności, odporności na wysoką temperaturę lub wilgotność, odporność na korozję itp.

Zanim przedstawimy właściwości materiałów i ustrojów dźwiękochłonnych, kilka przykładów, jakie wartości pochłaniania dźwięku prezentują najczęściej spotykane materiały budowlane, a także elementy wyposażenia – krzesła, fotele czy też… ludzie, czyli publiczność – które również powinny być uwzględniane w obliczeniach czasu pogłosu pomieszczenia. Prezentuje to – w pasmach oktawowych – tabela 1.

MATERIAŁY I WYROBY DŹWIĘKOCHŁONNE

Pochłanianie dźwięku przez materiały i wyroby dźwiękochłonne jest związane z ich porowatą lub włóknistą strukturą. Materiałami porowatymi nazywa się takie materiały, w których substancja twarda zajmuje tylko część całkowitej powierzchni, zaś pozostałą część zajmuje niezliczona liczba komórek powietrznych, najczęściej odkrytych na zewnątrz i łączących się między sobą.

Straty energii akustycznej powstające w warstwie materiału porowatego są wprost proporcjonalne do oporności przepływu powietrza przez tę warstwę. Oporność ta zależy od stosunku różnicy ciśnień po obu stronach warstw materiału do prędkości strumienia powietrza przepływającego przez warstwę materiału i od grubości warstwy. Straty energii akustycznej maleją ze zwiększaniem się wymiarów porów w materiale, ze względu na to, że maleje wówczas lepkość powietrza.

Największe pochłanianie dźwięku przez materiał (lub wyrób) występuje dla jego częstotliwości rezonansowej – dla większości znanych materiałów i wyrobów dźwiękochłonnych częstotliwość rezonansowa jest większa od 1.000 Hz, zaś w paśmie małych częstotliwości pochłaniają one słabo (rysunek 1). Współczynnik pochłaniania dźwięku przez materiały porowate rośnie wraz ze zwiększaniem grubości warstwy materiału oraz częstotliwości dźwięku.

W celu uzyskania znacznego pochłaniania dźwięku w paśmie małych częstotliwości niezbędne jest zastosowanie odpowiednio grubej warstwy materiału lub wyrobu dźwiękochłonnego. Dla dużych częstotliwości zwiększanie grubości warstwy materiału porowatego nie ma widocznego wpływu (rysunek 2), za wyjątkiem mat z materiałów włóknistych, jak np. wełny szklanej czy mineralnej, o małej oporności przepływu, gdzie występuje również zwiększenie współczynnika pochłaniania w paśmie dużych częstotliwości (rysunek 3).

 

Stosowanie materiałów lub wyrobów dźwiękochłonnych o dużej grubości warstwy jest niepraktyczne z ekonomicznego i konstrukcyjnego punktu widzenia (zmniejszenie wymiarów pomieszczenia). Dlatego materiały i wyroby dźwiękochłonne stosuje się do pochłaniania dźwięku w paśmie średnich i dużych częstotliwości.

Materiały i wyroby dźwiękochłonne można podzielić na:
– materiały i wyroby tekstylne,
– wełny, maty i płyty z materiałów włóknistych,
– materiały, wyprawy i płyty perforowane.

MATERIAŁY I WYROBY TEKSTYLNE

Do tekstylnych materiałów i wyrobów dźwiękochłonnych należą: dywany, chodniki, kotary, filce i włókniny. Pochłaniają one dobrze dźwięk w paśmie średnich i dużych częstotliwości, zaś są mało dźwiękochłonne w zakresie małych częstotliwości. Kotary, dywany i chodniki używane są przeważnie jako uzupełniające elementy wystroju pomieszczenia do regulacji czasu pogłosu w zakresie średnich i dużych częstotliwości.

Ważną informacją jest, iż np. dywany czy chodniki umieszczone nie bezpośrednio na betonowej podłodze, ale np. na warstwie pianki poliuretanowej, „oferują” niemal dwukrotnie większy współczynnik pochłaniania w zakresie dużych i średnich częstotliwości i nawet trzykrotnie większy w zakresie niskich częstotliwości (np. dywan na betonie charakteryzuje się pogłosowym współczynnikiem pochłaniania 0,07 przy częstotliwości 125 Hz, zaś położony na piance poliuretanowej już 0,3). Podobnie jest z kotarami – odsunięcie jej od ściany o ok. 20 cm poprawia jej współczynnik pochłaniania (w stosunku do kotary zawieszonej bezpośrednio na ścianie) prawie podwójnie. Podobny efekt daje sfałdowanie kotary zawieszonej bezpośrednio na ścianie (w porównaniu do kotary niesfałdowanej, naciągniętej) – co pokazuje tabela 2.

Filce wyrabiane są z odpadów materiałów stosowanych w przemyśle włókienniczym. Odmianą filcu jest tzw. „włóknina” termoplastyczna, która w handlu występuje pod nazwą „termofilców izolacyjno-dźwiękochłonnych”, oraz włóknina o podobnych właściwościach, lecz o nieco gorszym gatunku „termofilc dźwiękochłonny”. Filce i termofilce mogą być stosowane w ustrojach dźwiękochłonnych do wykładania sufitów itp. Mogą one być stosowane w pomieszczeniach o względnej wilgotności powietrza nie większej niż 60%.

WEŁNY, MATY I PŁYTY Z MATERIAŁÓW WŁÓKNISTYCH

Do materiałów włóknistych zalicza się wełny (jak np. wata szklana, mineralna, żużlowa), filce, maty i płyty wyrabiane z tych wełen, maty z wiórów metalowych i inne. Wata szklana i wełna mineralna (maty i płyty) są podstawowym materiałem do wyrobu ustrojów dźwiękochłonnych i dźwiękoizolacyjnych. Materiały te w postaci mat są również stosowane do wypełniania ustrojów dźwiękochłonnych.

Właściwości akustyczne wybranych wełen, mat i płyt z materiałów włóknistych prezentuje tabela numer 3.

MATERIAŁY, PŁYTY I WYPRAWY POROWATE

Do materiałów porowatych należą płyty prasowane, ze strużek i wełny drzewnej, jak np. paździerzowe, płyty wiórkowe oraz pilśniowe twarde i porowate, płyty wiórkowo-cementowe i wiórkowo-gipsowe, szkło piankowe, lekkie betony komórkowe oraz tynki z domieszkami zwiększającymi porowatość. Im płyta cięższa, sztywniejsza i mniej porowata, tym jej własności dźwiękochłonne są gorsze.

Płyty porowate mogą być wytwarzane w postaci gotowych wyrobów, jako nawiercane lub nacinane, co zwiększa znacznie pochłanianie dźwięku. Płyty i wyprawy porowate charakteryzują się dużym współczynnikiem pochłaniania dźwięku dla średnich i dużych częstotliwości oraz niewielką chłonnością dla małych częstotliwości. Pochłanianie dźwięku przez te płyty w zakresie małych częstotliwości może być zwiększone przez wykonanie z nich ustrojów płytowych, perforowanych lub szczelinowych (o tym będziemy mówić za miesiąc), lub podwieszenie albo umocowanie płyt w pewnej odległości od sufitu lub ściany. Malowanie płyt dźwiękochłonnych farbą lub impregnatem może wpłynąć na zmniejszenie współczynnika pochłaniania w zakresie dużych częstotliwości.

Tabela 4 prezentuje współczynniki pochłaniania dźwięku przez płyty i wyprawy porowate.

MATERIAŁY Z TWORZYW SZTUCZNYCH

Materiały z tworzyw sztucznych są coraz częściej stosowane jako dźwiękochłonne, choć w większości przypadków nie jako samodzielne wyroby, ale do konstruowania ustrojów dźwiękochłonnych. Np. folie z tworzyw sztucznych stosuje się jako kotary, bądź same, bądź w połączeniu z tradycyjnymi kotarami pluszowymi, albo w postaci kotar warstwowych i membran z termofilcem lub pianką poliuretanową. Inne tego typu materiały to np. płyty porowate gąbczaste i płyty z folii karbowanej PCW (jej właściwości akustyczne przedstawione są w ostatnich wierszach tabelki numer 4), poliuretan w różnych odmianach, styropian w postaci płyt o różnych grubościach i różnej gęstości czy wełna stilonowa.

Własności dźwiękochłonne tworzyw sztucznych są często przereklamowane – przykładem może być styropian, który ze względu na mały współczynnik pochłaniania (rysunek 4) może być ewentualnie stosowany jedynie w postaci płyt perforowanych (np. do konstruowania ustrojów dźwiękochłonnych).

Piotr Sadłoń

---

Przy tworzeniu artykułu autor korzystał z publikacji „Akustyka architektoniczna” Jerzego Sadowskiego oraz „Podstawy elektroakustyki” Zbigniewa Żyszkowskiego.