Przedsiębiorcy z wielu branż przemysłowych są coraz bardziej zainteresowani wykorzystaniem różnych materiałów w konstrukcjach zabezpieczeń przeciwhałasowych, tzn. w technicznych metodach zwalczania hałasu w miejscach pracy i w środowisku zewnętrznym. Zapotrzebowanie na materiały o właściwościach pochłaniających dźwięk jest wciąż duże, ponieważ hałas pochodzący od maszyn i urządzeń, zarówno typowo przemysłowych, jak i występujących w budynkach nieprzemysłowych, nadal stanowi poważne zagrożenie dla człowieka oraz wyzwanie dla wibroakustyków opracowujących metody i sposoby jego redukcji.
Pierwsza przyczyna tego zainteresowania to czynnik ekonomiczny: prowadzone badania doświadczalne mają na celu pozyskanie nowych materiałów mających lepsze właściwości akustyczne, dużą trwałość i odporność na czynniki chemiczne, ale jednocześnie konkurencyjnych cenowo w stosunku do obecnie stosowanych materiałów dźwiękochłonnych. Druga przyczyna to ciągły postęp techniczny, który negatywnie oddziałuje na środowisko. Problemem na skalę globalną jest bowiem wytwarzanie odpadów wskutek realizowanych procesów technologicznych. Dlatego zakłady produkcyjne borykające się z problemem odpadów produkcyjnych szukają możliwości ich zagospodarowania w innych dziedzinach gospodarki, m.in. jako materiały stosowane w zabezpieczeniach akustycznych.
Współczynnik pochłaniania – fizyczny i pogłosowy
W celu określenia własności pochłaniających dźwięk danego materiału posługujemy się tzw. współczynnikiem pochłaniania dźwięku. Jest to iloraz energii akustycznej pochłoniętej przez dany materiał Epochł. do energii akustycznej fali padającej Ec [1]:
W praktyce można posługiwać się dwoma rodzajami współczynnika pochłaniania dźwięku: fizycznym i pogłosowym. Jeżeli wyznaczenia współczynnika pochłaniania określonego wyrażeniem 1 dokonujemy przez pomiar metodą fal stojących, to mówimy o fizycznym współczynniku pochłaniania, natomiast jeżeli obliczamy jego wartość na podstawie pomiaru metodą pogłosową, wówczas mówimy o pogłosowym współczynniku pochłaniania. W większości wypadków o wyborze metody pomiaru współczynnika pochłaniania dźwięku decyduje ilość (powierzchnia) dostarczonego do badań akustycznych materiału. W przypadku wstępnych badań akustycznych materiałów wyznacza się fizyczny współczynnik pochłaniania, ponieważ do tej metody pomiaru próbki materiału są małe – mają kształt krążka, którego średnica wynosi 10 i 3 cm. Natomiast przy metodzie pogłosowej badana próbka materiału musi mieć powierzchnię pomiarową 10 m².
Przedmiot badań
W Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH poddano badaniom próbki materiałów sypkich wytworzonych na bazie rud glinowo- krzemowych pochodzących z terenu południowej Europy oraz próbkę tego materiału połączonego odpowiednim lepiszczem cementowym. Celem tych badań było określenie przydatności tego typu materiałów w rozwiązaniach konstrukcyjnych ścianek (przegród) zabezpieczeń przeciwhałasowych.
Zastosowana metoda
Wartość fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku badanych materiałów wyznaczono 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 celów wstępnych badań umożliwiających określenie przydatności nowych materiałów z punktu widzenia własności dźwiękochłonnych.
Przebieg i wyniki badań
Badania przeprowadzono w dwóch etapach.
W pierwszym etapie przebadano akustycznie dwie próbki materiałów w postaci sypkiej. Próbki te różnią się między sobą ciężarem właściwym. Badania obu próbek materiałowych zostały przeprowadzone dla dwóch grubości: 5 i 2 cm. Strukturę tych materiałów ilustrują fot. na górze i fot. 1.
W drugim etapie przebadano próbkę, którą zleceniodawca wykonał po analizie otrzymanych wyników przebadanych materiałów sypkich, na bazie materiału – próbki z fot. na górze (tabela) – połączonego odpowiednim lepiszczem cementowym. Wykonaną próbkę ilustruje fot. 2. Taki materiał, po uzyskaniu pozytywnych wyników z badań akustycznych, mógłby znaleźć zastosowanie jako warstwa pochłaniająca w ekranie akustycznym. Niestety, już przed przystąpieniem do badań akustycznych autorzy stwierdzili na podstawie swoich wieloletnich doświadczeń, że próbka wykonana jest nieprawidłowo: gołym okiem było widać, że proporcja materiału sypkiego do lepiszcza nie była prawidłowa – próbka miała zbyt małą porowatość. Krytyczne uwagi autorów zostały potwierdzone wynikami z przeprowadzonych badań akustycznych (tabela).
Ukształtowanie odpowiednich próbek z materiałów sypkich w formie krążków o średnicach odpowiednio 10 i 3 cm nastręczało pewien problem. W celu uzyskania próbek do tego typu badań akustycznych przygotowano specjalne plastikowe pojemniki, do których wsypano odpowiednią ilość materiału, a następnie zabezpieczono gazą higieniczną przed ewentualnym wysypaniem się materiału z pojemnika.
Badania akustyczne mające na celu określenie wartości fizycznego współczynnika pochłaniania materiałów-odpadów przeprowadzono w paśmie częstotliwości tercjowych. Wyniki tych badań zostały opracowane w postaci wykresów (rys. 1, 2, 3) i zbiorczego zestawienia tabelarycznego (tabela).
Na rys. 1–4 przedstawiono sposób kształtowania się charakterystyk pochłaniania dźwięku dwóch rodzajów materiałów sypkich o grubościach 5 i 2 cm – próbki ze zdjęcia na górze i nr 1. Podane charakterystyki dotyczą fizycznego współczynnika pochłaniania. Uzyskane wyniki pokazują, że badane materiały charakteryzują się stosunkowo wysokim pochłanianiem w zakresie częstotliwości średnich i wysokich, przy czym lepsze własności wykazują próbki materiałów o grubości 5 cm.
Na rys. 5 pokazano, jak kształtuje się charakterystyka pochłaniania dźwięku próbki materiału wykonanej na bazie materiału sypkiego (próbki nr 1) połączonego lepiszczem cementowym – próbka nr 2. Niestety, otrzymane wyniki dotyczące własności pochłaniających tak wykonanej próbki są niezadowalające. Taki materiał, którego średnia wartość współczynnika pochłaniania wynosi 0,3, nie może być zaliczony do grupy materiałów mających własności pochłaniające dźwięk.
PODSUMOWANIE
Przeprowadzone wstępne badania sondażowe właściwości pochłaniania dźwięku materiałów sypkich wytworzonych na bazie rud glinowo- krzemowych pochodzących z terenu południowej Europy wykazały, że materiały te mają własności pochłaniające dźwięk. Otrzymane charakterystyki pochłaniania dźwięku badanych materiałów sypkich mają podobny przebieg jak charakterystyki klasycznych materiałów stosowanych w zabezpieczeniach wibroakustycznych.
Wyniki uzyskane z badań akustycznych materiału – próbki nr 2 są natomiast niezadowalające. Materiał mający tak niskie parametry własności pochłaniających nie może być stosowany w nowych rozwiązaniach materiałowo- konstrukcyjnych elementów ściennych ekranów akustycznych przeznaczonych do stosowania w ochronie akustycznej środowiska zewnętrznego i środowiska pracy. Próbkę należy wykonać ponownie, biorąc pod uwagę sugestie autorów.
Praca została wykonana w ramach badań statutowych Katedry Mechaniki i Wibroakustyki AGH w latach 2010–2013, zadanie badawcze nr 6: „Nowe rozwiązania materiałowe przegród warstwowych w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych maszyn i urządzeń”.
LITERATURA
- Z. Engel, „Ochrona środowiska przed hałasem i wibracjami”, PWN, Warszawa 2001.
- „Instructions and Applications: Standing Wave Apparatus type 4002”, Bruel and Kjaer, 1970.
- PN-ISO 10534-1:2001, „Akustyka. Określanie współczynnika pochłaniania dźwięku i impedancji akustycznej w rurach impedancyjnych. Metoda wykorzystująca współczynnik fal stojących”.
- J. Sikora, „Badania współczynnika pochłaniania dźwięku materiałów ziarnistych”, „Czasopismo Techniczne. Mechanika”, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z. 1-M/2007.
- J. Turkiewicz, „Własności dźwiękochłonne struktur warstwowych z materiałem typu „plaster miodu”, „Czasopismo Techniczne. Mechanika”, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z. 1-M/2007.
- J. Turkiewicz, J. Sikora, „Właściwości dźwiękochłonne materiałów włóknistych i wiórowych będących odpadami produkcyjnymi”, „IZOLACJE” nr 11/12/2008 (131), s. 46–49.
LISTOPAD/GRUDZIEŃ 2010
