Izolacyjność akustyczna

Dźwięk jest przenoszony przez większość ścian i podłóg, poprzez całą strukturę i zamieniany w drgania. Te drgania/wibracje generują nowe fale dźwiękowe o obniżonej intensywności po drugiej stronie przegrody. Przejście dźwięku do jednego pomieszczenia w budynku ze źródła znajdującego się w innym pomieszczeniu lub na zewnątrz budynku określa się jako'' transmisję dźwięku ".

Straty w transmisji dźwięku lub wskaźnik izolacyjności akustycznej, R dB, jest miarą skuteczności ściany, podłogi, drzwi lub innej przegrody w ograniczaniu przepływu dźwięku. Straty w transmisji dźwięku zależą od częstotliwości i strata jest zwykle większa przy wyższych częstotliwościach. Jednostką miary dla strat w transmisji dźwięku jest decybel (dB). Im większa wartość straty w transmisji ściany, tym lepiej działa ona jak bariera dla niechcianego hałasu.

Istnieją dwa rodzaje izolacji akustycznych w budynkach: izolacja od dźwięków powietrznych i izolacja od dźwięków uderzeniowych. Izolacja od dźwięków z powietrza stosowana jest do tłumienia dźwięków wytwarzanych bezpośrednio w powietrzu i jest określana przy użyciu wskaźnika izolacyjności akustycznej. Izolacja od dźwięków uderzeniowych jest stosowana do podłóg pływających i jest określana za pomocą poziomu ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu sąsiednim, znajdującym się poniżej.

 

Sound insulation 

  1. Bezpośrednia transmisja dźwięku 
  2. Poboczna transmisja dźwięku 
  3. Transmisja dźwięku z zewnątrz pomieszczenia 
  4. Transmisja dźwięku przez nieszczelności konstrukcyjne

a) Izolacja od dźwięków powietrznych

Gdy fala dźwiękowa trafia przypadkowo w ścianę pomiędzy dwoma pomieszczeniami, jej część odbija się a część przechodzi przez konstrukcję działową

R = 10log10 W1/W2 


   R (dB) W1/W2   
 Airborne sound insulation
10 10 
20  100 
30  1 000 
40 10 000 
50 100 000
60  1 000 000


W przypadku konstrukcji jednowarstwowych, takich jak lita ściana betonowa, transmisja następuje zgodnie z prawem masowym, tzn. im bardziej masywna struktura, tym mniejsza ilość przechodzącego dźwięku.
W przypadku lekkich konstrukcji składających się z wielu warstw, takich jak ściany gipsowo-kartonowe, zastosowanie ma prawo masa-sprężyna. Jeśli używany jest bardzo chłonny materiał, taki jak np. wełna mineralna w charakterze sprężynującym w ścianie działowej (płyta g-k - wełna - płyta g-k) to izolacja akustyczna jest lepsza. Im szersza przestrzeń między dwoma płytami g-k, tym większa korzyść z zastosowania wełny mineralnej. Zazwyczaj wzrost o 5–10 dB w R można uzyskać dzięki wypełnieniu przestrzeni wewnątrz-ściennej, w porównaniu do przestrzeni pustej. Poniższa ilustracja przedstawia strukturę jednowarstwową i dwuwarstwową o tej samej masie całkowitej.

Izolacyjność akustyczna ścian



Obliczenia wskaźnika izolacyjności akustycznej R, opierają się na wynikach testów uzyskanych przy różnych częstotliwościach. Wyniki umieszczane są na krzywej, którą porównuje się z krzywą odniesienia między 100Hz a 3150Hz w odstępach 1/3-oktawowych. Jeśli pomiary wykonywane są na miejscu (in situ - w rzeczywistym budynku) wartości są oznaczane literą R'. Standardowa procedura testowa została zdefiniowana w normie EN ISO 140, gdzie podane są standardowe metody dla pomiarów w laboratorium oraz w terenie.
Różnica między wartościami laboratoryjnymi a terenowymi może być znaczna w wartości dB, w zależności od szczegółów konstrukcyjnych i ich wykonania.

Jeżeli przegroda składa się z różnych elementów - np. ściana z oknami i drzwiami, które mają różne właściwości transmisji dźwięku - musi zostać obliczony ogólny wskaźnik izolacyjności akustycznej.
Wskaźnik izolacyjności akustycznej dla otworów i szczelin jest niemal równy 0 dB. Wpływ otworów i szczelin może być więc być istotny, np. w połączeniach pomiędzy ścianami, przy drzwiach i oknach bez listew uszczelniających oraz przy wszelkich niezbędnych otworach i przegrodach. Jeśli w szczelinach znajduje się materiał absorbujący akustycznie, to podniesie on wskaźnik izolacyjności akustycznej tych szczelin.

Ważony Wskaźnik Izolacyjności Akustycznej Rw

Podczas ogólnego określania charakterystyki akustycznej przegrody izolację akustyczną ocenia się pojedynczą wartością. Ważony wskaźnik izolacyjności akustycznej, Rw, jest metodą oceny podaną w EN ISO 717-1. Norma ta dopasowuje standardową krzywą odniesienia do zmierzonej krzywej wskaźnika izolacyjności akustycznej.
W normie EN ISO 717-1, podana jest również metoda oceny, w której wartość R w jest uzupełniana dwoma współczynnikami C, które są stosowane do dwóch modeli widm hałasu dla różnych rodzajów hałasu. Te dwa współczynniki, Rw + C oraz Rw + Ctr, również zawierają zakres częstotliwości 100–3150 Hz, który może zostać rozszerzony do 50–5000 Hz. Ponieważ hałas przemysłowy i komunikacyjny często mają wysoki poziom dźwięku, który ma również częstotliwości poniżej 100 Hz, zaleca się, aby stosowano rozszerzony obszar częstotliwości.
Wartość zsumowana, Rw + C, redukuje wartość w dB dla spektrum na wysokim poziomie we wszystkich pasmach 1/3 oktawy. Wartość tą można wykorzystać w następujących obszarach:
  • Działania bytowe (rozmowa, muzyka, radio, TV)
  • Ruch kolejowy przy prędkościach średnich i wysokich
  • Ruch drogowy na autostradzie z prędkością ponad 80 km/h
  • Samolot odrzutowy w małej odległości
  • Fabryki emitujące hałas w średnich i wysokich częstotliwościach 

Wartość zsumowana Rw + Ctr również redukuje wartość w dB dla spektrum o dominacji niskich częstotliwości, takich jak:
  • Miejski ruch drogowy
  • Ruch kolejowy przy niskich prędkościach 
  • Muzyka disco
  • Fabryki emitujące głównie hałas o niskiej i średniej częstotliwości 

b) Izolacja od dźwięków uderzeniowych

Źródło dźwięku w powietrzu generuje wibracje otaczającego powietrza, które rozchodzą się i z kolei generują wibracje w otaczających ścianach i podłogach. Źródło dźwięku uderzeniowego generuje wibracje bezpośrednio w elemencie, w który uderza. Wibracje te rozchodzą się po całej powierzchni elementu i do elementów z nim połączonych, takich jak ściany wewnętrzne, wewnętrzne powierzchnie zewnętrznych ścian i podłóg. Wibracje w tych elementach wprawiają powietrze znajdujące się obok nich w wibracje i to są właśnie te nowe wibracje w powietrzu, które są słyszalne.

Podłogi powinny redukować dźwięki z powietrza, a także dźwięki uderzeń, jeśli znajdują się nad pomieszczeniami mieszkalnymi. Ciężka podłoga, zależnie od swojej masy, redukuje dźwięki z powietrza, oraz redukuje dźwięki uderzeń w podłogę jeśli jest dodatkowo pokryta miękkim materiałem.  

Podłoga pływająca zawiera warstwę materiału o wysokiej sprężystości, który w dużym stopniu izoluje powierzchnię po której się chodzi od podłoża i ta izolacja przyczynia się zarówno do tłumienia dźwięków z powietrza i dźwięków uderzeń.
Ważne jest, aby wybrać odpowiedni materiał i upewnić się, że nie przyczynia się do powstania sztywnych mostków akustycznych w kontakcie z takimi elementami jak mocowania lub rury instalacyjne.  
  • Należy unikać wszelkich nieszczelności, również tych spowodowanych kurczeniem się materiału; wbudowane materiały porowate oraz ich kontakt z konstrukcją musi być uszczelniony.
  • Należy unikać rezonansu konstrukcji; zjawisko może wystąpić gdy część przegrody (np. sucha zabudowa) wpada w silną wibrację przy szczególnej częstotliwości dźwięku i wtedy przenosi ona więcej energii.

Izolacyjność akustyczna od dźwięków uderzeniowych jest obliczana na podstawie pomiarów poziomu ciśnienia akustycznego wytwarzanego w standardowej metodzie młotka. Wyniki przedstawia się w postaci krzywej pomiędzy 50-5000 Hz.

Przy obliczaniu wartości liczbowej Ln,w lub L’n,w poziomy 16 częstotliwości są w porównane do krzywej standardowej w sposób podobny do obliczania Wskaźnika Izolacyjności Akustycznej. Jedyną różnicą jest to, że odchyłka pomiędzy krzywą zmierzoną a standardową w tym przypadku jest powyżej krzywej standardowej. Wartość Ln jest mierzona w laboratorium, podczas gdy L’n mierzona jest "w terenie". Dla obu wartości Ln and L’n niskie wartości liczbowe oznaczają dobrą izolacyjność od dźwięków uderzeniowych.
Również w przypadku izolacji od dźwięków uderzeniowych podłóg na drewnianych legarach brane są pod uwagę spektralne wskaźniki adaptacyjne Ci,100-2500 i Ci,50-2500  . Różnica pomiędzy wynikami pomiarów laboratoryjnych i terenowych jest spowodowana zjawiskami towarzyszącymi w budynku. W prawdziwym budynku, dźwięk przenosi się nie tylko poprzez zaprojektowane struktury– na przykład przez podłogę – ale również przez konstrukcje przylegające do podłogi.

Sztywność Dynamiczna

Sztywność dynamiczna jest bardzo ważną cechą dla materiałów porowatych, zwłaszcza, gdy materiał jest montowany bezpośrednio pomiędzy dwoma stałymi przegrodami (płyty warstwowe, podłoga pływająca). Dla wełny mineralnej jest ona prezentowana przez jednostkę MN/m3.  

Wełna mineralna (kamienna) firmy PAROC składa się z włókien stałych i powietrza. Gdy jest ona używana jako warstwa sprężysta, konieczne jest określenie sztywności dynamicznej zarówno dla włókien mineralnych i powietrza oddzielnie;  tak więc sztywność dynamiczna = sd + sa (gdzie sd  jest sztywnością materiału włóknistego  a sa jest sztywnością zamkniętego we włóknach powietrza).

Zgodnie z normami badawczymi dla podłóg pływających z wylewką betonową, sztywność dynamiczna wełny mineralnej musi być podana dla obciążenia 200 kg/m2. Im niższa wartość sztywności dynamicznej, tym lepsza jej izolacyjność akustyczna.

Produkty z wełny mineralnej, które wykorzystywane są jako izolacja akustyczna są specjalnie zaprojektowane do stosowania w podłogach. Orientacja włókien jest głównie pozioma, w porównaniu do na przykład płyty dachowej lub fundamentowej. Poziome włókna lepiej blokują przenikanie dźwięku. Różnica w przypadku zastosowania ich w podłodze może wynosić 5 dB lub nawet więcej. Oznacza to różnicę jednej klasy.

Układ włókien


Układ masa-sprężyna

Główną ideą podłogi pływającej jest układ masa-sprężyna. Im bardziej miękka jest sprężyna, tym lepsze jest tłumienie drgań. To samo dotyczy masy - im jest większa, tym lepiej. Jeśli strop międzykondygnacyjny nie jest ciężki, to podłoga pływająca nie działa, ponieważ jest zmieniony układ masa-sprężyna. W praktyce, strop międzykondygnacyjny musi być pięć razy cięższy od podłogi pływającej.

Izolacyjność od dźwięków uderzeniowych jest mierzona przy zastosowaniu standardowego urządzenia udarowego. Dobra izolacyjność od dźwięków uderzeniowych L’ n,w wymaga następujących elementów:

Betonowy strop z podłogą pływającą:
  • Masywny, betonowy strop międzykondygnacyjny  
  • Miękka, elastyczna warstwa izolacyjna  
  • Masywna wylewka betonowa 


Idealny układ masa-sprężyna-masa:

The ideal mass spring system




W skrajnych przypadkach ściśnięcia, masa jest w spoczynku i nie ma energii kinetycznej.  Jednocześnie materiał sprężysty jest maksymalnie ściśnięty, i tym samym przechowuje on całą energię mechaniczną układu jako energię potencjalną. Gdy masa jest w ruchu i osiąga pozycję równowagi ze sprężyną, energia mechaniczna układu zostaje całkowicie przekształcona w energię kinetyczną.
Wszystkie systemy wibracyjne składają się z tej samej wzajemnej zależności, typowej dla elementu "magazynującego" energię oraz elementu "przenoszącego" energię.
Częstotliwość (Hz, liczba drgań w jednostce czasu) układu masa-sprężyna to:

Spring system frequency

Gdzie k to stała sprężyny (wełny mineralnej), a m to masa (strop międzykondygnacyjny). Im niższa wartość f, tym lepsza jest izolacyjność akustyczna. Tak więc poprzez zwiększenie masy lub zmniejszenie stałej sprężyny możemy osiągnąć najlepszą izolacyjność.

c) Poboczne przenoszenie dźwięku 


Poboczne przenoszenie dźwięku to bardziej złożona forma transmisji hałasu, gdzie powstałe wibracje pochodzące ze źródła hałasu są przekazywane do innych pomieszczeń budynku zazwyczaj przez elementy konstrukcyjne budynku. Na przykład w budynku o stalowym szkielecie, gdy sam szkielet zostanie wprawiony w ruch, to można wtedy mówić o efektywnym przenoszeniu pobocznym dźwięku.

W budynku, część transmisji dźwięku między dwoma pomieszczeniami może mieć miejsce poprzez poboczny element budynku, np. zewnętrzną ścianę lub sufit. Aby tego uniknąć, należy dokładnie przestrzegać instrukcje producenta materiału budowlanego. Ilustracja przedstawia podstawowe rozwiązania dla ściany zewnętrznej.
 Flanking transmission
Rozwiązania konstrukcyjne dla zmniejszenia ryzyka pobocznego przenoszenia dźwięku 

Często określone są wymagania budowlane, dotyczące marginesu bezpieczeństwa dla różnych parametrów dźwiękowych elementów, w celu uniknięcia pobocznego przenoszenia dźwięków.