Materiały ziarniste – pochłanianie dźwięku

W 2007 r. zostały opublikowane artykuły [1, 2] z wynikami wstępnych badań właściwości akustycznych wybranych materiałów ziarnistych. Znalazły one zainteresowanie wśród producentów ekranów akustycznych. W efekcie powstały nowe rozwiązania paneli akustycznych z warstwami granulatów z różnych tworzyw, charakteryzujące się bardzo dobrymi parametrami izolacyjności akustycznej, konkurencyjnymi dla klasycznych rozwiązań. W artykule przedstawiono wyniki rozszerzonego programu badań materiałów ziarnistych, jakie przeprowadzono w Katedrze Mechaniki AGH w Krakowie w latach 2008–2009 [3, 4].

Program badań

Program badań fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku αf zakładał przetestowanie dziesięciu materiałów ziarnistych (granulatów) o różnych gęstościach objętościowych, frakcji i kształcie ziaren oraz z różnych tworzyw. Badania doświadczalne przeprowadzono na próbkach granulatów w pięciu wersjach grubości warstwy (10, 20, 30, 40 i 50 mm).

Pozwoliło to na określenie wpływu grubości warstwy na charakterystykę pochłaniania dźwięku. Przyjęty do badań zakres grubości warstwy podyktowany był praktycznym wykorzystaniem rdzeni dźwiękochłonnych i zewnętrznych warstw dźwiękochłonnych z materiałów ziarnistych zarówno w panelach ekranów akustycznych, jak i w rozwiązaniach ścianek elementów zintegrowanych obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych oraz korpusów maszyn o zwiększonej izolacyjności akustycznej.

Badaniami objęto granulaty z tworzywa sztucznego (polipropylen w pięciu odmianach I–V, styropian), z tworzywa budowlanego (keramzyt), tworzywa naturalnego (piasek kwarcowy), gumy oraz wełny mineralnej produkowanej w postaci zlepków włókien (nazwanych przez producenta granulatem).

Ten nietypowy granulat wybrano do badań z dwóch powodów.

Pierwszy to zastosowanie – podobnie jak materiały ziarniste granulat z wełny mineralnej stosowany jest w przestrzeniach i komorach przegród, w których nie można zastosować materiałów dźwiękochłonnych w postaci płyt czy mat (granulat z wełny mineralnej stosowany jest jako rdzeń dźwiękochłonny w płytach stropowych kanałowych).

Drugi – dla celów porównawczych charakterystyk pochłaniania dźwięku z wynikami badań rzeczywistych granulatów (materiałów ziarnistych). Na fot. 1–10 przedstawiono wykorzystane w badaniach materiały.

Wyniki badań

Kryteria oceny 

Szczegółową analizę wyników uzyskanych z badań doświadczalnych na 50 próbkach materiałów ziarnistych (dziesięć rodzajów materiałów dla pięciu grubości warstwy) przeprowadzono, przyjmując następujące kryteria oceny:

• grubość warstwy materiału,
• rodzaj materiału (tworzywo sztuczne, naturalne, budowlane),
• struktura materiału (wielkość i kształt ziarna),
• gęstość objętościowa (pozorna). 

Przyjęte kryteria stanowiły podstawę do opracowania zestawień porównawczych uzyskanych charakterystyk pochłaniania dźwięku w 1/3 oktawowych pasmach częstotliwości [3], pozwalających odpowiedzieć na następujące pytania:

• jaki wpływ na charakterystykę pochłaniania dźwięku ma grubość warstwy materiału ziarnistego,
• czy rodzaj tworzywa, z którego wykonano granulat, lub jego pochodzenie (naturalny/ sztuczny) mają wpływ na własności pochłaniania dźwięku,
• czy struktura (wielkość i kształt ziarna, porowatość lub włóknistość granulatu) materiału ziarnistego wpływa na charakterystykę pochłaniania dźwięku, 
• jaki wpływ na dźwiękochłonność materiału ziarnistego ma jego gęstość objętościowa. 

W artykule zamieszczono wyniki badań w formie uproszczonej, w postaci wykresów (rys. 1–10) i zestawień tabelarycznych (tabele 1–10). Każdy wykres i tabela zawierają porównanie właściwości pochłaniających dla każdego z dziesięciu przetestowanych materiałów w odniesieniu do pięciu grubości warstwy. Wartości fizycznego współczynnika pochłaniania αf dźwięku podano dla częstotliwości środkowych pasm oktawowych.

Zasadnicze wnioski

Z przeprowadzonej analizy wyników badań doświadczalnych można wysnuć następujące wnioski przydatne dla projektantów zabezpieczeń przeciwhałasowych:

• we wszystkich zbadanych próbkach materiałów ziarnistych występuje wyraźny wpływ grubości warstwy na wzrost pochłaniania dźwięku. Niezależnie od ich struktury oraz gęstości objętościowej, wzrost grubości warstwy powoduje wzrost średniej wartości współczynnika pochłaniania dźwięku;
• na kształt charakterystyki pochłaniania dźwięku ma wpływ struktura materiału ziarnistego bez względu na jego rodzaj. Granulaty z polipropylenu, keramzytu i styropianu można zaliczyć do materiałów dźwiękochłonnych wąskopasmowych ze względu na pasmo częstotliwości (poniżej 1 oktawy), w którym występuje największe pochłanianie dźwięku. Wraz ze wzrostem grubości warstwy częstotliwość rezonansowa, dla której występuje największe pochłanianie dźwięku, przesuwa się w kierunku częstotliwości średnich (1000–1600 Hz); 
• charakterystyki pochłaniania dźwięku granulatu gumowego oraz piasku kwarcowego są zbliżone kształtem do charakterystyki granulatu z wełny mineralnej. Można te materiały ziarniste zaliczyć do materiałów dźwiękochłonnych szerokopasmowych (o szerokości ponad 4 oktawy), przy czym granulat gumowy ma właściwości pochłaniania dźwięku prawie identyczne jak granulat z wełny mineralnej. Piasek kwarcowy charakteryzuje się znacznie mniejszym pochłanianiem od granulatu gumowego w zakresie częstotliwości 500–2500 Hz. Natomiast w zakresie częstotliwości niskich, poniżej 315 Hz, pochłanianie dźwięku przez piasek jest lepsze niż przez granulat gumowy;
• gęstość objętościowa zbadanych materiałów ziarnistych ma najmniejszy wpływ na charakterystykę pochłaniania dźwięku. Nie stwierdzono znaczącej różnicy nawet w przypadku porównania granulatów ze styropianu (1 kg/m³) i polipropylenu III (630 kg/m³). 

Podsumowanie

Poszerzone badania doświadczalne wybranej grupy materiałów ziarnistych potwierdziły ich właściwości dźwiękochłonne (zasygnalizowane po wstępnych badaniach sondażowych z 2007 r. [1]), a co za tym idzie przydatność zastosowania w nowych rozwiązaniach elementów ściennych zabezpieczeń przeciwhałasowych. Z przeprowadzonych badań wynika, że ze względu na pasmo częstotliwości, w którym występuje największe pochłanianie dźwięku, materiały ziarniste można podzielić na wąsko- i szerokopasmowe. Do pierwszej grupy można zaliczyć granulaty z polipropylenu, keramzytu i styropianu. Do drugiej – granulat gumowy i piasek kwarcowy, podobnie jak w przypadku granulatu z wełny mineralnej. 

Obie grupy materiałów ziarnistych mogą mieć zastosowanie praktyczne. Granulaty o pochłanianiu wąskopasmowym w zakresie częstotliwości 500–2000 Hz mogą być bardzo przydatne jako dodatkowe warstwy dźwiękochłonne w panelach – elementach ściennych ekranów akustycznych, gdzie wpływają na zwiększenie jednoliczbowych wskaźników izolacyjności R_w i DLR.

Pierwsze innowacyjne rozwiązania paneli ekranów akustycznych z warstwami keramzytu oraz granulatów z tworzyw sztucznych otrzymanych z recyklingu charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami akustycznymi, gwarantującymi konkurencyjność w stosunku do paneli akustycznych z klasycznymi warstwami dźwiękochłonnymi. Piasek kwarcowy ma szczególne zastosowanie jako rdzeń dźwiękochłonny w przegrodach dźwiękoizolacyjnych zabezpieczeń ograniczających źródła hałasu o bardzo wysokiej aktywności akustycznej. Duże nadzieje autorzy wiążą z granulatami gumowymi, zwłaszcza że otrzymuje się je z odpadów poprodukcyjnych oraz ze zużytych wyrobów gumowych. Mogą one występować w postaci granulatów, ale także w postaci płyt ze sklejonego granulatu gumowego. Tego typu warstwy gumowe mogą mieć zastosowanie w elementach ściennych zabezpieczeń przeciwhałasowych, wpływających na zwiększenie ich izolacyjności akustycznej. Zamieszczone wyniki badań potwierdzają w końcu, że wszelkiego typu granulaty wytworzone z przeróbki odpadów z tworzyw sztucznych mogą znaleźć zastosowanie w nowych rozwiązaniach przegród dźwiękochłonnoizolacyjnych.

Praca 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

1. J. Sikora, „Dźwiękochłonne właściwości materiałów ziarnistych”, „IZOLACJE”, nr 9/2007, s. 26–29.
2. J. Sikora, J. Turkiewicz, „Przegrody dwuścienne z rdzeniami dźwiękochłonnymi z materiałów ziarnistych”, „IZOLACJE”, nr 10/2007, s. 28–33.
3. M. Galas, „Badania doświadczalne własności dźwiękochłonnych wybranych materiałów ziarnistych”, praca magisterska, AGH, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Kraków 2008.
4. J. Sikora, J. Turkiewicz, „Experimental determination of sound absorbing coefficient for selected granular materials”, Mechanics, AGH University of Science and Technology, Cracow 2009, Quarterly, vol. 28, no 1, p. 26–30.

WRZESIEŃ 2010

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!