Właściwości dźwiękochłonne materiałów włóknistych i wiórowych będących odpadami produkcyjnymi

Jednym z bardzo ważnych zadań ochrony i kształtowania środowiska jest zabezpieczenie człowieka przed szkodliwym działaniem hałasu oraz stworzenie optymalnych warunków akustycznych w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, w obiektach przemysłowych, a także w środowisku zewnętrznym. Hałas pochodzący od maszyn i urządzeń, zarówno typowo przemysłowych, jak i występujących w budynkach nieprzemysłowych, nadal bowiem stanowi poważne zagrożenie dla człowieka oraz wyzwanie dla wibroakustyków opracowujących metody i sposoby jego redukcji.

W projektowaniu rozwiązań konstrukcyjnych ustrojów dźwiękochłonno-izolacyjnych zasadnicze znaczenie ma dobór materiałów dźwiękochłonnych i dźwiękoizolacyjnych z punktu widzenia ich własności akustycznych. Stosowane w zabezpieczeniach akustycznych materiały dźwiękochłonne muszą spełniać wymagania dotyczące niezawodności i trwałości układu, a przede wszystkim muszą charakteryzować się dobrymi własnościami pochłaniającymi dźwięk oraz mieć postać i fakturę umożliwiającą bezpośrednie zastosowanie w rozwiązaniach konstrukcyjnych zabezpieczeń przeciwhałasowych.

Obecnie istnieje wiele rodzajów materiałów dźwiękochłonnych wykorzystywanych w rozwiązaniach konstrukcyjnych zabezpieczeń przeciwhałasowych. Mimo to ciągle prowadzone są w wielu ośrodkach naukowo-badawczych badania, których celem jest pozyskanie nowych materiałów, o lepszych właściwościach akustycznych i jednocześnie dużej trwałości i odporności na czynniki chemiczne. Istotne znaczenie ma w chwili obecnej także czynnik ekonomiczny, czyli cena stosowanych materiałów dźwiękochłonnych.

Z tego również powodu w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH podjęto badania akustyczne materiałów – odpadów produkcyjnych dostarczonych przez właścicieli zakładów borykających się z dużą ilością odpadów. Celem badań było przeprowadzenie wstępnej oceny własności pochłaniających tych materiałów, a tym samym określenie ich przydatności do zastosowania w konstrukcjach biernych zabezpieczeń przeciwhałasowych.

Badaniom poddano materiały, których sama struktura wstępnie rokowała uzyskanie pozytywnych rezultatów. Uzyskanie wstępnych pozytywnych wyników badań otwiera możliwość zagospodarowania odpadów produkcyjnych (składowanie odpadów i ich utylizacja jest poważnym problemem). Jednocześnie zaistniałaby możliwość wykorzystania w konstrukcjach zabezpieczeń przeciwhałasowych dużo tańszych materiałów o własnościach pochłaniających niż obecnie stosowane.

Ostateczna weryfikacja polegałaby na zastosowaniu takiego materiału w konkretnym zabezpieczeniu przeciwhałasowym i porównanie na drodze pomiarowej wielkości obniżenia aktywności akustycznej źródła hałasu z przypadkiem, gdy w identycznym zabezpieczeniu akustycznym byłaby zastosowana np. wełna mineralna.

Badania doświadczalne

W celu określenia własności pochłaniających dźwięk badanych materiałów wyznaczano 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.

Badania przeprowadzono dla różnych materiałów – odpadów produkcyjnych, a także struktur mieszanych, składających się np. z wybranego materiału i cementu oraz dylatacji powietrznej. W artykule zaprezentowano wyniki badań akustycznych 4 materiałów będących odpadami produkcyjnymi, w przypadku których uzyskano pozytywne wyniki dotyczące własności pochłaniających.

Zleceniodawca badań dostarczone materiały – odpady produkcyjne nazwał roboczo:

• włókna nieczesane,
• włókna czesane,
• zrębki drewniane drobne,
• kora.

Próbki materiałów włókna czesane i włókna nieczesane to materiały z tworzywa sztucznego w postaci cienkich włókien o różnej długości: od 10 cm do 30 cm i średnicy włókna 1 mm. Te dwie próbki różnią się między sobą tylko i wyłącznie ułożeniem włókien. Próbka włókna nieczesane uformowana jest z włókien ułożonych chaotycznie, przypadkowo. Natomiast w próbce materiału włókna czesane włókna są uporządkowane, ułożone równolegle obok siebie i zwinięte w krążek.

Próbka materiału zrębki drewniane drobne to odpady wiórowe powstające podczas obróbki strugami elementów drewnianych. Grubość tych wiór nie przekracza 1 mm, a powierzchnia wiór waha się w granicach od 1 cm2 do 3 cm2. Kolejna próbka materiału wykonana została z kawałków kory drzewnej, których wymiary były bardzo zróżnicowane. Największe kawałki kory miały grubość 5 mm, najmniejsze 1 mm. Powierzchnia tych kawałków była także różnorodna: od 1 cm2 do 4 cm2.

W tabeli 1 zestawiono dane dotyczące objętości i masy badanych materiałów. Dla porównania umieszczono w niej również dane wełny mineralnej – materiału pochłaniającego powszechnie stosowanego w zabezpieczeniach wibroakustycznych.

Badania akustyczne włókien nieczesanych i włókien czesanych zostały przeprowadzone dla trzech grubości: 2 cm, 5 cm i 10 cm. Natomiast zrębki drewniane i kora miały grubość 5 cm. Ukształtowanie próbek w formie krążków o średnicach odpowiednio 10 i 3 cm z tego typu materiałów ze względu na ich strukturę nastręczało pewien problem. Poszczególne materiały uformowano w krążki o odpowiednich wymiarach, wykorzystując gazę higieniczną. Strukturę badanych materiałów ilustrują fot. 1–6.

Badania akustyczne mające na celu określenie wartości fizycznego współczynnika pochłaniania materiałów – odpadów zostały przeprowadzone w pasmie częstotliwości oktawowych (jako badania wstępne). Wyniki tych badań zostały opracowane w postaci wykresów i zbiorczego zestawienia tabelarycznego (tabela 2).

Dla porównania uzyskanych wyników zarówno w tabeli 2, jak i na rys. 1–7 zamieszczono również wartości fizycznego współczynnika pochłaniania wełny mineralnej – materiału powszechnie stosowanego w konstrukcjach zabezpieczeń przeciwhałasowych. Na rys. 1–4 przedstawiono kształtowanie się charakterystyk pochłaniania dźwięku wybranych materiałów włóknistych i materiałów o strukturze wiór.

Dla porównania na każdym rysunku zamieszczono również charakterystykę pochłaniania wełny mineralnej. Podane charakterystyki dotyczą fizycznego współczynnika pochłaniania. Uzyskane wyniki pokazują, że badane materiały charakteryzują się stosunkowo wysokim pochłanianiem w zakresie częstotliwości średnich i wysokich.

Charakterystyki badanych materiałów (włókna czesane i nieczesane) o wszystkich trzech grubościach warstwy (20, 50 i 100 mm) (rys. 1, 2 i 3) różnią się w niewielkim stopniu od charakterystyki pochłaniania wełny mineralnej. Ważna jest też informacja wynikająca z przedstawionych charakterystyk, że przy stosunkowo małej grubości warstwy materiału – 20 mm – materiał włóknisty charakteryzuje się dobrymi parametrami pochłaniania.

Należy zaznaczyć również, że materiał typu zrębki drewniane drobne o grubości warstwy 50 mm charakteryzuje się wysokim pochłanianiem już w zakresie częstotliwości niskich (rys. 4). Na rys. 5–7 pokazano, jak kształtują się charakterystyki pochłaniania dźwięku trzech materiałów: włókna czesane, włókna nieczesane, wełna mineralna w zależności od grubości ich warstwy.

W podanych charakterystykach widać, że w przypadku włókien czesanych i wełny mineralnej wraz ze zwiększeniem grubości warstwy materiału rośnie wartość fizycznego współczynnika pochłaniania (rys. 5 i 7). Natomiast charakterystyki materiału włókna nieczesane w przypadku grubości warstwy 20 i 50 mm pokazują obniżenie własności pochłaniających odpowiednio dla częstotliwości 1 i 2 kHz (rys. 6).

Fakt ten można tłumaczyć tym, że włókna w tych próbkach ułożone są chaotycznie, przypadkowo, a więc próbki te nie są jednorodne. Przy grubości warstwy 100 mm własności pochłaniające rosną natomiast wraz ze wzrostem częstotliwości (prawdopodobnie próbka ta została uformowana losowo jako jednorodna). Z zamieszczonych powyżej charakterystyk wynika, że zbadane materiały mają właściwości pochłaniające porównywalne z wełną mineralną.

Podsumowanie

Przeprowadzone wstępne – sondażowe badania właściwości pochłaniania dźwięku materiałów włóknistych i materiałów w postaci wiór będących odpadami produkcyjnymi wykazały, że mogą być one zaliczone do materiałów dźwiękochłonnych stosowanych w wibroakustyce. Badania pokazały, że charakterystyki pochłaniania dźwięku badanych materiałów włóknistych i materiałów o strukturze wiór są podobne do klasycznego materiału dźwiękochłonnego – wełny mineralnej.

Należy jednak zwrócić uwagę, że materiał dźwiękochłonny stosowany w biernych zabezpieczeniach wibroakustycznych musi spełniać wiele innych wymogów, np. mieć odporność na czynniki atmosferyczne, być niepalny. Niestety, takich cech nie mają próbki wykonane z kory i drobnych zrębków drewna. Należałoby zastanowić się nad obróbką tego typu materiałów, np. nasączeniem odpowiednimi impregnatami chemicznymi.

Oczywiście, konieczne byłyby ponowne badania akustyczne i porównanie ich z wynikami przedstawionymi w artykule. Uzyskane obiecujące wyniki dają autorom artykułu nadzieję na współpracę z zakładami przemysłowymi, które borykają się z problemem odpadów i są równocześnie zainteresowani problemami ekologicznymi. Dalsze badania akustyczne o rozszerzonym programie mogą być pomocne w rozwiązaniu problemów ekologicznych, a jednocześnie ich rezultatem może być uzyskanie nowych materiałów, których cena będzie konkurencyjna w stosunku do materiałów pochłaniających obecnie stosowanych w konstrukcjach zabezpieczeń przeciwhałasowych.

Literatura

1. Z. Engel, „Ochrona środowiska przed hałasem i wibracjami”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
2. K.U. Ingard, „Notes on sound absorption technology”, Noise Control Foundation, Poughkeepsie, New York 1994.
3. Instructions and Applications, „Standing Wave Apparatus type 4002”, Bruel and Kjaer, 1970.
4. PN-ISO 10534-1:2001 „Akustyka. Określanie współczynnika pochłaniania dźwięku i impedancji akustycznej w rurach impedancyjnych. Metoda wykorzystująca współczynnik fal stojących”.
5. PN-EN ISO 10534-2:2003 „Akustyka. Określanie współczynnika pochłaniania dźwięku i impedancji akustycznej w rurach impedancyjnych. Część 2: Metoda funkcji przejścia”.
6. J. Sikora, J. Turkiewicz, J. Piechowicz, T. Wszołek, L. Stryczniewicz, „Wyniki badań własności dźwiękochłonnych i dźwiękoizolacyjnych płyty „waben” oraz analiza możliwości zastosowania w rozwiązaniacah konstrukcyjnych zabezpieczeń przeciwhałasowych”, Kraków 1992.
7. J. Turkiewicz, J. Sikora, „Badania izolacyjności akustycznej struktur warstwowych z okładzinami typu »plaster miodu«”, „Czasopismo Techniczne. Mechanika”, z. 11-M/2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!