Akustyka wnętrz. Ustroje dźwiękochłonne – płytowe i membranowe

Pozostała nam jeszcze do omówienia II grupa, czyli

USTROJE DŹWIĘKOCHŁONNE

Na początek przypomnijmy sobie szybko, co to są materiały i wyroby dźwiękochłonne.

Materiały dźwiękochłonne to generalnie takie produkty, które bez dodatkowej obróbki 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.

Z kolei ustroje dźwiękochłonne to elementy złożone, wykonane z jednego lub kilku materiałów (lub wyrobów), najczęściej niedźwiękochłonnych, tak skonstruowane, że tworzą układy, przeważnie rezonansowe, pochłaniające dźwięk w określonym paśmie częstotliwości.

Materiały i wyroby dźwiękochłonne pochłaniają dźwięk najczęściej w paśmie średnich i dużych częstotliwości. Jeśli chcielibyśmy uzyskać sensowny współczynnik tłumienia dźwięku przez materiały i wyroby dźwiękochłonne w zakresie małych częstotliwości, musielibyśmy stosować tego typu materiały czy wyroby o znacznej grubości (powyżej 15-20 cm), co jest nieekonomiczne i niewygodne. Znacznie wygodniejsze są w tej kwestii ustroje dźwiękochłonne, które umożliwiają kształtowanie charakterystyki pochłaniania dźwięku zgodnie z potrzebami.

Do wykonania ustrojów można stosować zarówno materiały i wyroby dźwiękochłonne, jak i te materiały budowlane, które wprawdzie same nie mają zdolności pochłaniania dźwięku (jak np. blacha perforowana, płyta pilśniowa, sklejka), lecz zdolność tę mają ustroje wykonane z tych materiałów. O przydatności ustrojów dźwiękochłonnych do zastosowania w określonych przypadkach decyduje częstotliwość rezonansowa (w zależności od konstrukcji ustroju – jedna lub kilka), dla której występuje największe pochłanianie, oraz charakterystyka współczynnika pochłaniania dźwięku w funkcji częstotliwości.

Charakterystykę pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku przez ustrój powinno się w zasadzie określać na drodze pomiarowej, przez wykonanie serii pomiarów w komorze pogłosowej. Metody obliczeniowego określania współczynnika pochłaniania dźwięku pozwalają wprawdzie na uzyskanie orientacyjnych wartości tegoż współczynnika, jednak wyniki te mogą odbiegać od wyników uzyskanych na drodze pomiarowej, czasem nawet w dość znaczy sposób.

PODZIAŁ

Rozróżniamy ustroje:
– płytowe,
– membranowe (z membraną jedno- lub wielowarstwową),
– perforowane (z płyt pilśniowych, metalowe, z tworzyw sztucznych, gipsowe i ceramiczne),
– z perforacją szczelinową albo szczelinowe.

Szczególnym rodzajem ustrojów dźwiękochłonnych są pochłaniacze przestrzenne.

Na rysunku 1 pokazane są schematy ustrojów dźwiękochłonnych: płytowego, membranowego z membraną jednowarstwową, membranowego z membraną wielowarstwową, perforowanego, samonośnego płytowego (lub perforowanego) i szczelinowego, oraz poglądowe charakterystyki pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku dla tych ustrojów.

 

USTROJE PŁYTOWE

Ustrój dźwiękochłonny płytowy składa się z płyty umieszczonej w pewnej odległości od powierzchni odbijającej (ściany lub sufitu), tak że pomiędzy płytą a powierzchnią odbijającą tworzy się przestrzeń powietrzna (niewypełniona – rysunek 2) lub wypełniona (częściowo lub całkowicie) materiałem dźwiękochłonnym. Wnętrze między płytami a ścianą może być wspólne dla wszystkich ustrojów umieszczonych na danej powierzchni lub może być podzielone na szereg komór (dla każdego ustroju oddzielnie).

Ustroje dźwiękochłonne płytowe charakteryzują się dużymi wartościami pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku w paśmie małych częstotliwości (poniżej 250 Hz) – w przypadku ustrojów niewypełnionych przebieg charakterystyki współczynnika pogłosowego ma charakter selektywny, zaś w ustrojach wypełnionych materiałem dźwiękochłonnym zjawisko traci na swojej ostrości.

W tradycyjnych ustrojach płyta jest zazwyczaj wykonana ze sklejki lub twardej płyty pilśniowej i przymocowana do ram drewnianych. Ujemną cechą takiego ustroju jest dość duża masa.

Ustroje płytowe mają selektywną charakterystykę współczynnika pochłaniania dźwięku, który dla częstotliwości rezonansowej może osiągnąć wartość równą jedności. Zwiększenie odległości płyty od ściany przesuwa częstotliwość rezonansową w kierunku małych częstotliwości (rysunek 3) – ten sam efekt uzyskuje się przy zwiększaniu masy płyty. Stosując cienką i lekką płytę można stworzyć rezonansowy ustrój płytowy średnioczęstotliwościowy. Wypełnienie ustroju płytowego materiałem dźwiękochłonnym powoduje zmniejszenie selektywności charakterystyki współczynnika pochłaniania i przesunięcie zakresu maksymalnego pochłaniania o 1-2 tercje w kierunku małych częstotliwości.

Oprócz płaskich ustrojów płytowych stosowane są również kasetony i półwalce, szczególnie w pomieszczeniach, w których potrzebne jest równomierne rozproszenie dźwięku.

USTROJE MEMBRANOWE

Ustrój membranowy składa się z membrany wykonanej z folii, tkaniny, skóry lub tworzywa sztucznego, napiętej na sztywnej ramie, oraz z powstałego w ten sposób wnętrza, wypełnionego materiałem dźwiękochłonnym, najczęściej watą szklaną, płytą z wełny mineralnej lub włókniną zgrzewaną (rysunek 4). Ustrój membranowy ma wiele leżących blisko siebie częstotliwości rezonansowych i z tego względu charakterystyka pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku jest wyrównana w dość szerokim zakresie częstotliwości.

Zastosowanie sztywnego materiału na membranę powoduje przesunięcie częstotliwości rezonansowej ustroju w kierunku dużych częstotliwości – podobny efekt uzyskuje się zwiększając naprężenie membrany. Zwiększenie masy membrany oraz zwiększenie jej odległości od ściany przesuwa częstotliwość rezonansową w kierunku małych częstotliwości. Wypełnienie przestrzeni powietrznej między membraną a ścianą zwiększa współczynnik pochłaniania w całym paśmie częstotliwości.

Wymiary liniowe membrany nie mają wpływu na szerokość pasma, w którym występuje maksymalne pochłanianie dźwięku przez ustrój. Rozszerzenie pasma częstotliwości, w którym występuje maksymalne pochłanianie dźwięku, można uzyskać poprzez zastosowanie zamiast pojedynczej – membrany wielowarstwowej. Membrana wielowarstwowa wykonana jest w formie „kołderki”, w której warstwy zewnętrzne stanowi folia (tkanina, cerata, skóra, itp.), a wewnętrzną mata lub płyta z materiału dźwiękochłonnego. Membrana wielowarstwowa jest rozpięta na lekkiej ramie z tworzywa sztucznego, drewna lub metalu.

Umieszczenie membrany wielowarstwowej w pewnej odległości od powierzchni odbijającej (ściany lub sufitu) i zapewnienie w ten sposób za membraną warstwy powietrza znacznie polepsza właściwości dźwiękochłonne ustroju membranowego (rysunek 5).

Przy projektowaniu ustrojów membranowych należy pamiętać, iż:
– ustroje membranowe z jedno- lub wielowarstwową membraną pochłaniają intensywnie energię dźwiękową w zakresie małych i średnich częstotliwości,
– szerokość pasma częstotliwości, w którym występuje największe pochłanianie, zależy od odległości pomiędzy membraną a powierzchnią odbijającą, zarówno w przypadku ustrojów z membraną jedno-, jak i wielowarstwową,
– w celu uzyskania maksimum pochłaniania w paśmie średnich częstotliwości należy stosować małą odległość membrany od powierzchni odbijającej (ściany lub stropu),
– rozszerzenie zakresu maksymalnego pochłaniania w kierunku małych częstotliwości wymaga zwiększenia odległości membrany od powierzchni odbijającej (ściany lub stropu),
– duży współczynnik pochłaniania dźwięku zarówno w paśmie małych, jak i średnich częstotliwości można uzyskać poprzez zastosowanie ustroju z membraną wielowarstwową.

Pogłosowe współczynniki pochłaniania dźwięku przez przykładowe ustroje płytowe i membranowe zaprezentowano w tabeli 1.

Za miesiąc, w drugiej części artykułu o ustrojach dźwiękochłonnych, powiemy sobie o ustrojach perforowanych i szczelinowych oraz o pochłaniaczach przestrzennych.

Piotr Sadłoń

---

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