Ocena właściwości dźwiękochłonnych wykładzin porowatych stosowanych w ekranach akustycznych

W artykule zostanie przedstawiona pierwsza część wyników badań dotyczących właściwości pochłaniających nowych materiałów o strukturze porowatej, które mają mieć zastosowanie jako wykładzina dźwiękochłonna w panelach ekranów akustycznych.

Wstęp

W ciągu ostatnich lat zaprojektowano i zbudowano wiele różnych typów ekranów akustycznych. Ich podstawowym zadaniem jest wytworzenie cienia akustycznego, tj. obszaru, do którego ze źródła dźwięku nie docierają bezpośrednie fale akustyczne. Najczęściej budowane obecnie ekrany akustyczne mają na celu ochronę akustyczną środowiska zewnętrznego przed jednym z najbardziej uciążliwych źródeł hałasu, jakim są środki komunikacji i trasy komunikacyjne.

Z punktu widzenia własności akustycznych ekrany dzieli się na dźwiękoizolacyjne – odbijające falę dźwiękową – oraz dźwiękochłonne – pochłaniające falę dźwiękową. Ekrany dźwiękochłonne mogą pochłaniać falę dźwiękową jednostronnie – od strony źródła hałasu – lub dwustronnie – obie płaszczyzny ekranu, zarówno od strony źródła hałasu, jak i od strony obiektu chronionego, charakteryzują się dobrym współczynnikiem pochłaniania dźwięku.

Ekrany dźwiękochłonne zmniejszają pogłosowość obszaru wokół jezdni, a tym samym zwiększają efektywność akustyczną ekranowania. Dzięki nim można zapewnić znacznie skuteczniejszą ochronę przed hałasem w osiedlach miejskich, szczególnie o zabudowie dwustronnej ciągłej.

Obowiązująca norma PN-EN 1793-1 z kwietnia 2001 r. wymaga, by ekrany akustyczne budowane wzdłuż tras komunikacyjnych miały zastosowany element dźwiękochłonny w celu zmniejszenia uciążliwości wynikającej z odbicia dźwięku od tego ekranu. Mając to na uwadze, norma zaleca, aby określić klasę właściwości pochłaniających stosowanego elementu ściennego (panelu) w konstrukcji ekranu akustycznego. Klasa właściwości akustycznych panelu zależy od wartości jednoliczbowego wskaźnika oceny pochłaniania dźwięku wyrażonego w decybelach. Wartość tego wskaźnika oblicza się następująco:

gdzie:

α_Si – współczynnik pochłaniania dźwięku w i-tym pasmie częstotliwości o szerokości jednej trzeciej oktawy;

L_i – znormalizowany poziom dźwięku A [dB] hałasu drogowego w i-tym pasmie częstotliwości o szerokości jednej trzeciej oktawy.

Według normy elementy ścienne z wykładziną dźwiękochłonną w zależności od wartości wskaźnika oceny pochłaniania można zakwalifikować do następujących klas właściwości pochłaniających:

• klasa A0 – DLα < 4 dB (materiał nie ma własności pochłaniających),
• klasa A1 – DLα ma wartość od 4 do 7 dB,
• klasa A3 – DLα ma wartość od 8 do 11 dB,
• klasa A4 – DLα > 11 dB.

Oznaczenie klasy pochłaniania jest pomocne przy dokonywaniu wyboru rodzaju ekranu akustycznego do konkretnej lokalizacji terenowej. Występująca we wzorze wartość współczynnika pochłaniania α jest wartością współczynnika wyznaczonego metodą pogłosową.

Aby określić wartość pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku materiału, trzeba dysponować materiałem o powierzchni 10 m². Wykonanie tego typu badań akustycznych jest kosztowne, a ich rezultat w przypadku nowych materiałów może okazać się niewystarczający. 

W przypadku badań akustycznych nowych materiałów korzystniejsze jest wyznaczenie wartości fizycznego współczynnika pochłaniania (wystarczy próbka materiału o średnicy 10 cm i 3 cm) i wyznaczenie na drodze obliczeniowej wartości współczynnika pogłosowego, co umożliwia już wstępne (orientacyjne) określenie klasy właściwości pochłaniających panelu, w którym badany materiał stanowi wykładzinę dźwiękochłonną.

Jeżeli rezultaty tych badań akustycznych i wyliczeń są pozytywne (tzn. badany materiał ma własności pochłaniające), to wskazana jest weryfikacja wyników uzyskanych częściowo na drodze teoretycznej, a mianowicie wyznaczenie wartości pogłosowego współczynnika pochłaniania panelu na drodze doświadczalnej. Następnie na podstawie uzyskanych wyników należy określić jego klasę właściwości pochłaniających. Otrzymane w ten sposób wyniki z przeprowadzonych badań akustycznych pozwolą określić, czy dany materiał może być stosowany w konstrukcji paneli dźwiękochłonnego ekranu akustycznego.

Badania doświadczalne

W Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH na zlecenie firmy projektującej  i wykonującej ekrany akustyczne rozpoczęto badania akustyczne nad nowymi materiałami. Końcowym efektem tych badań miało być określenie klasy właściwości pochłaniających panelu (w którym badany materiał będzie stanowił wykładzinę dźwiękochłonną) na podstawie wyników uzyskanych całkowicie na drodze doświadczalnej. Badania te realizowane są według ustalonego programu w trzech etapach:

• etap I – wyznaczenie wartości fizycznego współczynnika pochłaniania metodą fali stojącej,
• etap II – określenie klasy właściwości pochłaniających na drodze teoretycznej,
• etap III – wyznaczenie wartości pogłosowego współczynnika pochłaniania na drodze doświadczalnej i określenie klasy właściwości pochłaniających dla prototypowego panelu ekranu akustycznego.

W artykule zostaną zaprezentowane wyniki badań akustycznych materiałów przeprowadzone w etapie I, w których uzyskano pozytywne wyniki dotyczące własności pochłaniających. Przebieg badań W celu określenia własności pochłaniających dźwięk badanych materiałów mających stanowić wykładzinę dźwiękochłonną w panelach ekranów akustycznych wyznaczono wartość fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku (metodą fal stojących – prostopadłe padanie fali dźwiękowej na powierzchnię badanego materiału).

Do przeprowadzenia badań wykorzystano rurę impedancyjną (Rura Kundta). Metoda ta jest przydatna do rozważań studialnych, a także do wstępnych badań umożliwiających określenie przydatności nowych materiałów z punktu widzenia własności dźwiękochłonnych. Do wykonania badań stosuje się próbki materiałów mające kształt krążka o średnicy 10 cm i 3 cm.

Realizując program zleconych badań, przebadano akustycznie 33 próbki materiałów, określając dla tych materiałów wartość fizycznego współczynnika pochłaniania. W artykule zostaną zaprezentowane tylko wyniki badań akustycznych sześciu materiałów, w przypadku których uzyskano pozytywne wyniki dotyczące własności pochłaniających.

Zleceniodawca badań nie podał dokładnych danych dotyczących składu chemicznego materiałów. Nazwał te materiały roboczo symbolami. Materiały te można podzielić na trzy grupy, a mianowicie na wykonane:

• na bazie trocin – próbki o symbolach: G3, T1 i 2A,
• na bazie piasku – próbki o symbolach: B3 i A1,
• na bazie granulatów gumowych – próbka o symbolu 1G.

Próbki materiałów wykonane na bazie trocin różniły się między sobą wielkością trocin, procentowym ich udziałem w danej próbce, rodzajem lepiszcza. Każda z badanych próbek miała inną masę objętościową. Podobnie wykonane zostały próbki materiałów na bazie piasku; każda miała inną masę objętościową. Różniły się również wielkością ziaren piasku, ich rodzajem, udziałem procentowym w próbce oraz rodzajem lepiszcza.

Próbki wykonane na bazie granulatów gumowych cechowały się również inną masą objętościową (różne wielkości granulatu gumowego, różny udział procentowy tego granulatu w próbce i różne lepiszcze). Strukturę badanych materiałów ilustrują fot. 1–7. Wszystkie poddane badaniom próbki miały jedną grubość: 6 cm.

Ponieważ w dalszej perspektywie dla panelu, w którym będzie zastosowany badany materiał charakteryzujący się dobrymi własnościami pochłaniania dźwięku, klasa właściwości pochłaniających (etap II badań) będzie określana wstępnie – na drodze teoretycznej, wszystkie badania mające określić wartość fizycznego współczynnika pochłaniania zostały przeprowadzone w pasmie częstotliwości tercjowych. 

Wyniki badań

Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono na wykresach (rys. 1–3) i w zbiorczym zestawieniu tabelarycznym (tabela). Rys. 1 obrazuje charakterystyki pochłaniania dźwięku trzech różnych materiałów wykonanych na bazie trocin. Podane charakterystyki dotyczą fizycznego współczynnika pochłaniania.

Z uzyskanych wyników widać, że dla próbek G3 i 2A przebieg charakterystyk jest bardzo podobny. Materiały te charakteryzują się dość szybkim wzrostem pochłaniania dźwięku w zakresie częstotliwości od 100 do 630 Hz, natomiast w wysokich częstotliwościach ich własności pochłaniające są mniejsze. Z charakterystyki pochłaniania dźwięku materiału T1 widać również wzrost własności pochłaniających dźwięk w zakresie częstotliwości od 100 do 630 Hz, w zakresie częstotliwości wysokich własności pochłaniające maleją.

Na rys. 2 pokazano charakterystyki pochłaniania dźwięku materiałów wykonanych na bazie piasku – B3 i A1. Obydwa materiały wykazują wzrost własności pochłaniających do częstotliwości ok. 800 Hz. W zakresie częstotliwości wysokich własności pochłaniające tych materiałów na przemian rosną lub maleją – zmiany wartości fizycznego współczynnika pochłaniania dla tych częstotliwości nie są jednak tak duże jak w przypadku materiałów G3 i 2A.

Rys. 3 przedstawia charakterystykę materiału wykonanego na bazie granulatu gumowego. Charakterystyka ta pokazuje wyraźne obniżenie własności pochłaniających dźwięk w zakresie częstotliwości od 800 do 1600 Hz. Z przedstawionych wyników badań akustycznych materiałów porowatych wynika, że można je zaliczyć do grupy materiałów o własnościach pochłaniających.

Podsumowanie

Poddane badaniom materiały mają być stosowane jako wykładziny dźwiękochłonne elementów ściennych (paneli) ekranów akustycznych budowanych najczęściej wzdłuż tras komunikacyjnych. Stosowane w ekranach akustycznych panele muszą mieć określoną klasę właściwości pochłaniających zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 1793-1:2001.

Przeprowadzone wstępne badania akustyczne zaprezentowane w artykule pozwolą na teoretyczne określenie klasy właściwości pochłaniających paneli, w których badany materiał będzie zastosowany. Wyniki uzyskane z badań doświadczalnych przeanalizowano i oceniono pod kątem możliwości wykorzystania tych materiałów w rozwiązaniach elementów ściennych ekranów akustycznych. Badania materiałów  o strukturze porowatej pokazały, że materiały te mogą być zaliczone do grupy materiałów o własnościach pochłaniających dźwięk.

Charakterystyki pochłaniania dźwięku tych materiałów są podobne do charakterystyk klasycznych materiałów stosowanych w konstrukcjach biernych zabezpieczeń przeciwhałasowych. Przebadane materiały mogą więc być stosowane w rozwiązaniach ekranów dźwiękochłonnych. Zgodnie z przyjętym harmonogramem badań następnym krokiem będzie określenie na drodze teoretycznej klasy właściwości pochłaniających panelu, w którym badany materiał będzie stanowił wykładzinę dźwiękochłonną. Ostatecznym krokiem jest przeprowadzenie badań doświadczalnych pod kątem wyznaczenia wartości pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku oraz określenie klasy pochłaniania dla prototypowego elementu ściennego o powierzchni 10 m². 

Praca została wykonana w ramach badań statutowych Katedry Mechaniki i Wibroakustyki AGH w latach 2006–2009, zadanie badawcze nr 3: „Metody pomiaru i redukcji zagrożeń wibroakustycznych” 

Literatura

1. Z. Engel, „Ochrona środowiska przed hałasem i wibracjami”, PWN, Warszawa 2001.
2. Z. Engel, J. Sadowski, M. Stawicka-Wałkowska, S. Zaremba, „Ekrany akustyczne”, Ministerstwo Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Instytut Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Kraków 1990.
3. K.U. Ingard, „Notes on sound absorption technology”, Noise Control Foundation, Poughkeepsie, New York 1994.
4. Instruction and Applications: „Standing Wave Apparatus type 4002”, Bruel and Kjaer, 1970.
5. PN-ISO 10534-1:2001 „Akustyka. Określanie współczynnika pochłaniania dźwięku i impedancji akustycznej w rurach impedancyjnych. Metoda wykorzystująca współczynnik fal stojących”.
6. PN-EN 1793-1:2001 „Drogowe urządzenia przeciwhałasowe. Metoda badania w celu wyznaczenia właściwości akustycznych. Część 1: Właściwa charakterystyka pochłaniania dźwięku”.
7. J. Sikora, „Badania współczynnika pochłaniania dźwięku materiałów ziarnistych”, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Czasopismo Techniczne (Mechanika), zeszyt 11-M/2007, Kraków 2007.
8. J. Turkiewicz, „Własności dźwiękochłonne struktur warstwowych z materiałem typu »plaster miodu«”, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Czasopismo Techniczne (Mechanika), zeszyt 11-M/2007, Kraków 2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!