X4L - wzmacniacz z DSP z serii X
Biznes „nagłośnieniowy” – w porównaniu z innymi dziedzinami techniki (np. przemysłem samochodowym, czy ...
Sklasyfikowaliśmy również przegrody – z punktu widzenia charakteru pola dźwiękowego występującego po obu stronach przegrody oraz z punktu widzenia ich własności akustycznych.
Wiemy więc, że przegrody można podzielić na pojedyncze i wielokrotne (w tym przegrody podwójne).
O właściwościach akustycznych tych pierwszych opowiadaliśmy sobie miesiąc temu (prawo masy, koincydencja, wpływ konstrukcji i zamocowania). Dziś przechodzimy do innych rozwiązań budowlanych i ich własności izolacyjnych.
PRZEGRODY PODWÓJNE
Zmniejszenie ciężaru przegrody bez pogorszenia jej izolacyjności przeciwdźwiękowej można uzyskać stosując zamiast przegrody pojedynczej podwójną. Izolacyjność akustyczna właściwa Rw przegrody podwójnej zależy od masy przegród składowych, odstępu między nimi, wypełnienia przestrzeni powietrznej między przegrodami składowymi i innych czynników, takich jak sposób zamocowania, zróżnicowanie, sztywności przegród składowych itp.
Wartość średniej izolacyjności akustycznej właściwej przegrody podwójnej Rwp śr można określić ze wzoru:
gdzie:
Rw śr – izolacyjność akustyczna właściwa przegrody pojedynczej o masie równej sumie przegród składowych [dB],
ΔRw śr – przyrost izolacyjności wynikający z odstępu między przegrodami składowymi.
Ten drugi składnik można wyznaczyć z wykresu, który dla kilku podstawowych materiałów zaprezentowany jest na rysunku 1.
Ów przyrost izolacyjności, wynikający z odległości między przegrodami składowymi, zależy od rodzaju materiałów budowlanych (najmniejszy dla żelbetu, większy dla gazobetonu, jeszcze większy dla lekkich przegród niejednorodnych). Praktycznie większą izolacyjność przegrody podwójnej – w porównaniu z pojedynczą o równoważnej grubości – uzyskuje się wówczas, gdy odległość między przegrodami składowymi jest większa od 4-5 cm. Zwiększenie odległości powyżej 12 cm jest już mniej efektywne.
Wypełnienie przestrzeni powietrznej między przegrodami składowymi w przegrodzie podwójnej materiałem o dużym współczynniku pochłaniania dźwięku i małej sztywności dynamicznej zwiększa izolacyjność akustyczną przegrody podwójnej. Szczególnie efektywne jest wypełnienie przestrzeni powietrznej materiałem włóknistym, np. watą mineralną, zwłaszcza w przypadku przegród o silnie odbijających powierzchniach (np. betonowych).
Na własności akustyczne przegrody podwójnej wpływa też korzystnie różnicowanie sztywności na zginanie przegród składowych przez zmianę ich grubości lub zastosowanie materiału o różnych modułach sprężystości.
USTROJE IZOLACYJNE REZONANSOWE
Specjalnym typem przegród niejednorodnych są przegrody warstwowe, składające się z wielu warstw materiałów sklejonych ze sobą. Istnieje wiele rodzajów przegród warstwowych, przy czym najbardziej efektywne pod względem izolacyjności akustycznej i ekonomiczne są układy warstwowe na przegrodach masywnych i lekkie przegrody wielowarstwowe.
Zwiększenie izolacyjności akustycznej właściwej przegrody można uzyskać również przez zastosowanie na przegrodzie dodatkowego układu rezonansowego izolacyjnego, składającego się z dwóch zasadniczych warstw:
– sprężystej (przeciwdrganiowej), z materiału o określonej grubości i małej sztywności dynamicznej,
– zewnętrznej, zwanej płytą dociążającą, ułożonej na warstwie sprężystej o znacznie większej masie.
Tego typu ustrój zastosowany na masywnej ścianie poprawia izolacyjność akustyczną przegrody wyłącznie w paśmie częstotliwości powyżej częstotliwości rezonansowej ustroju. W pobliżu, a zwłaszcza poniżej, częstotliwości rezonansowej ustroju występuje znaczne pogorszenie izolacyjności akustycznej przegrody. Dlatego warstwy ustroju izolacyjnego nie mogą być dobierane w sposób przypadkowy, gdyż przez niewłaściwe ich zestawienie zamiast poprawy można uzyskać znacznie pogorszenie izolacyjności przegrody.
Częstotliwość rezonansową ustroju rezonansowego można obliczyć ze wzoru:
gdzie:
s – sztywność dynamiczna warstwy przeciwdrganiowej,
m2 – ciężar płyty drgającej układu.
Z kolei na wartość przyrostu izolacyjności akustycznej wniesionego przez rezonansowy układ izolacyjny mają wpływ: stosunek masy płyty dociążającej do sztywności warstwy przeciwdrganiowej m2/s oraz grubość warstwy sprężystej.
Przyrost izolacyjności akustycznej właściwej uzyskiwany w wyniku zastosowania na przegrodzie opisywanego rezonansowego układu izolacyjnego nie jest równomierny w funkcji częstotliwości. Największe przyrosty izolacyjności – w stosunku do izolacyjności przegrody pojedynczej – uzyskuje się w paśmie wyższych częstotliwości, od 640 do 3.200 Hz. Przyrosty izolacyjności w paśmie niższych i małych częstotliwości są znacznie mniejsze, a często wręcz ujemne (o czym wspomniałem wcześniej), przy czym zmniejszenie izolacyjności w tych zakresach jest najczęściej wynikiem nieodpowiedniego dobrania parametrów układu izolacyjnego. Pogorszenie izolacyjności akustycznej może wystąpić nie tylko w przypadku zastosowania niewłaściwego układu rezonansowego, lecz również po oklejeniu przegrody warstwą materiału sprężystego, np. styropianiu. Zjawisko to nie do końca zostało wytłumaczone teoretycznie, trzeba jednak o nim pamiętać projektując pomieszczenie, które ma być dobrze izolowane od dźwięków zewnętrznych, w budynku, który będzie ocieplany tradycyjną metoda (styropian na ścianie zewnętrznej).
Jako materiał izolacyjny na warstwę przeciwdrganiową stosuje się najczęściej:
– płyty półtwarde z wełny mineralnej o grubości 30-50 mm i sztywności dynamicznej mniejszej od 10 MN/m3,
– styropian w płytach o grubości 20-40 mm i sztywności dynamicznej – odpowiednio – 30-50 MN/m3.
Jako warstwę okładzinową można stosować, w zależności od wymagań akustycznych i użytkowych: tynk cementowo-wapienny na siatce, płyty z materiałów drewnopochodnych, suchy tynk itp.
Najlepsze efekty akustyczne uzyskuje się przy zastosowaniu wełny mineralnej i tynku cementowo-wapiennego na siatce (rysunek 2). Styropian, jako materiał stosunkowo sztywny, jest znacznie mniej korzystny do zastosowań w ustrojach rezonansowych (rysunek 3).
LEKKIE PRZEGRODY WIELOWARSTWOWE
Przegrodom lekkim wielowarstwowym przypisuje się zwykle nadzwyczajne własności akustyczne, które mają wynikać z kolejnych odbić energii akustycznej przy jej przenikaniu przez kolejne warstwy. Tymczasem wpływ oporności akustycznej poszczególnych warstw i tłumienia wewnętrznego materiału jest ograniczony tylko do stosunkowo wąskiego pasma częstotliwości. Natomiast w paśmie częstotliwości 100-3.200 Hz znacznie większą rolę odgrywa ogólna sztywność przegrody, która zależy przede wszystkim od sztywności dynamicznej tzw. warstw miękkich.
Rozpatrując przenikanie energii akustycznej przez wielowarstwową przegrodę możemy wyróżnić dwa zakresy częstotliwości:
– zakres, w którym przegroda praktycznie nie podlega drganiom giętnym,
– zakres, w którym powstają w przegrodzie drgania giętne, powodujące bardziej intensywne przenoszenie energii dźwiękowej (koincydencja).
W paśmie częstotliwości poza obszarem koincydencji, w którym nie powstają drgania giętne przegrody, jej izolacyjność akustyczna zależy od dwóch zasadniczych czynników:
– strat energii w poszczególnych warstwach, zależnie od masy warstwy i tłumienia w materiale,
– odbić energii na granicy poszczególnych warstw, czyli od różnicy oporności akustycznej kolejnych warstw oraz ich liczby.
Izolacyjność przegrody wielowarstwowej, wynikająca z masy poszczególnych warstw, zależy od ciężaru właściwego i grubości warstw oraz współczynnika tłumienia i rośnie ze wzrostem tych wielkości. Straty energii w warstwie twardej wynikają przede wszystkim z jej masy (abstrahując od zjawiska koincydencji), natomiast warstwy izolacyjne w przegrodzie wielowarstwowej powinny charakteryzować się możliwe dużym współczynnikiem tłumienia, przede wszystkim ze względu na tłumienie w tej warstwie energii odbitej.
Przyrost izolacyjności przegrody wynikający z odbić energii fal dźwiękowych od powierzchni poszczególnych warstw (w stosunku do izolacyjności przegrody jednorodnej) jest tym większy, im większe są współczynniki odbicia β na granicy poszczególnych warstw. Maksymalne współczynniki odbicia β uzyskuje się przy możliwe dużej różnicy oporności akustycznych kolejnych warstw przegrody.
W przegrodzie wielowarstwowej, podobnie jak w jednorodnej, występuje zjawisko koincydencji, powodujące zmniejszenie izolacyjności przeciwdźwiękowej przegrody w pobliżu częstotliwości granicznej. W celu wyeliminowania lub złagodzenia wpływu tego zjawiska na izolacyjność przegrody wielowarstwowej niezbędne jest przesunięcie częstotliwości charakterystycznych poza zakres częstotliwości 100-3.200 Hz. W tym celu niezbędne jest stworzenie takiego układu, w którym byłyby warunki do powstawania i rozprzestrzeniania się fal podłużnych, wywołujących ścinanie (odkształcanie postaciowe), a nie fal giętnych wywołujących zginanie. Konstrukcja spełniająca te warunki powinna być sztywna na zginanie, a podatna na ścinanie. Można to osiągnąć w przypadku przegrody trójwarstwowej z miękkim, dostatecznie podatnym na odkształcenie postaciowe, jednak nieściśliwym rdzeniem i dwiema sztywnymi płytami zewnętrznymi.
Jeśli chodzi o przegrody trójwarstwowe stosowane w praktyce, to można je podzielić, ze względu na ich właściwości akustyczne, na dwie zasadnicze grupy o zupełnie różnych własnościach:
– przegrody sztywne, których sztywność jest większa od sztywności równoważnej przegrody jednorodnej o tej samej masie (w przypadku wykonania jej wyłącznie z warstw twardych),
– przegrody wiotkie, których sztywność jest mniejsza od sztywności równoważnej przegrody jednorodnej (o tej samej masie).
Przegrody sztywne wykazują w paśmie małych częstotliwości większą izolacyjność akustyczną od izolacyjności obliczonej, wynikającej z ich masy. W paśmie częstotliwości średnich i dużych izolacyjność akustyczna przegrody trójwarstwowej sztywnej jest mniejsza od izolacyjności obliczonej ze wzoru.
Do przegród sztywnych, niekorzystnych pod względem akustycznym, zalicza się przegrody rdzeniowe i wielowarstwowe z warstwami „miękkimi” z materiałów o sztywności dynamicznej większej od 30 MN/m3, a więc z płyt pilśniowych porowatych, styropianu, pianki fenolowej itp.
Przegrody wielowarstwowe wiotkie wykazują w paśmie częstotliwości małych izolacyjność akustyczną mniejszą od izolacyjności odpowiadającej ich masie (obliczonej ze wzoru), natomiast w paśmie częstotliwości średnich i dużych izolacyjność akustyczna tych przegród jest większa od wynikającej z prawa masy. Do przegród warstwowych wiotkich o dobrych właściwościach akustycznych zalicza się przegrody z warstwami „miękkimi”, wykonane z materiałów o sztywności dynamicznej mniejszej od 30 MN/m3. Do materiałów takich należą: guma porowata, płyty z wełny mineralnej i termofilcu itp.
Poprawnie zaprojektowane lekkie przegrody wielowarstwowe charakteryzują się większą izolacyjnością akustyczną od wynikającej z prawa masy. Przyrost izolacyjności w stosunku do przegród jednorodnych może osiągnąć dla niektórych pasm częstotliwości od 5 do nawet 20 dB. Przykładowe przegrody wielowarstwowe – poprawnie i wadliwie zaprojektowane – wraz z ich charakterystykami izolacyjności właściwej, przedstawia rysunek 4.
LEKKIE PRZEGRODY SZKIELETOWE
Najprostszą przegrodą szkieletową jest przegroda pojedyncza, składająca się ze szkieletu, płyt okładzinowych oraz wypełnienia.
Izolacyjność przegrody szkieletowej pojedynczej zależy przede wszystkim od sztywności płyt okładzinowych. Przy zastosowaniu płyt okładzinowych wiotkich uzyskuje się przegrody o szczególnie dobrych własnościach akustycznych w paśmie częstotliwości wyższych. Natomiast izolacyjność akustyczna w paśmie częstotliwości małych jest mniejsza, niż wynikałoby to z masy przegrody. Zwiększenie sztywności płyt okładzinowych powoduje zwiększenie izolacyjności przegrody w paśmie częstotliwości niższych, przy równoczesnym zmniejszeniu izolacyjności w paśmie częstotliwości wyższych. Możliwe jest jednak uzyskanie przegrody szkieletowej pojedynczej, której izolacyjność w szerokim paśmie częstotliwości będzie większa, niż wynikałoby to z jej masy.
Przy projektowaniu przegród szkieletowych ważną rzeczą jest określenie częstotliwości granicznej koincydencji płyt okładzinowych, ponieważ w pobliżu tej częstotliwości – zwłaszcza gdy przegroda jest symetryczna – występuje znaczne zmniejszenie izolacyjności akustycznej przegrody.
Wpływ szkieletu na izolacyjność akustyczną przegrody szkieletowej zależy od jego grubości, która warunkuje rozstaw płyt okładzinowych. Zwiększenie grubości szkieletu powoduje zwiększenie izolacyjności przegrody – głównie w paśmie wyższych częstotliwości – jednak stosowanie szkieletu grubszego niż 10 cm jest mało efektywne i lepsze wyniki uzyskuje się stosując przegrodę szkieletową podwójną.
Dalszą poprawę izolacyjności przegrody uzyskamy przez wypełnienie przestrzeni między okładzinami odpowiednio dobranym materiałem. Do wypełnienia nadają się materiały o dużych współczynnikach strat wewnętrznych i pochłaniania dźwięku oraz o małej sztywności dynamicznej – najlepiej sprawdzają się w tej roli materiały włókniste, np. wełna mineralna. Stosowanie styropianu czy filii karbowanej, albo PCW nie daje zadowalających efektów akustycznych. Pokazuje to przykład, gdy jako materiał wypełniający przestrzeń między okładzinami zastosujemy 5-milimetrową warstwę styropianu, folii PCW lub wełny mineralnej. W pierwszym przypadku (styropian) przyrost izolacyjności wynikający z zastosowania takiego wypełnienia wyniesie średnio 0 dB, w drugim (folia PCW) 3 dB, zaś wykorzystanie do tego celu wełny mineralnej poprawi izolacyjność takiej przegrody średnio o 6 dB.
Przegrody szkieletowe podwójne wykazują większą izolacyjność akustyczną od przegród pojedynczych. Dostawienie do przegrody pojedynczej drugiej, takiej samej, w odległości od 2,5 do 5 cm powoduje wzrost izolacyjności przegrody prawie równomierny w funkcji częstotliwości, wynoszący średnio 5-10 dB (rysunek 5). Dalsze zwiększanie odległości między przegrodami składowymi prowadzi do zwiększenia izolacyjności w paśmie wyższych częstotliwości, bez wpływania na pasmo niższe, jest więc celowe jedynie w przypadkach izolowania od hałasu, którego maksymalny poziom zawarty jest w widmie wyższych częstotliwości.
Piotr Sadłoń
Przy tworzeniu artykułu autor korzystał z publikacji „Akustyka architektoniczna” Jerzego Sadowskiego oraz „Podstawy elektroakustyki” Zbigniewa Żyszkowskiego.
