Izolacyjność akustyczna ścian w placówkach edukacji muzycznej

Kryteria izolacyjności akustycznej w budynkach mieszkaniowych oraz budynkach użyteczności publicznej opisano w normie PN­‑B­‑02151-3:1999 [1]. W odniesieniu do sąsiadujących klas lekcyjnych jest to R’_A1  >  45 dB.

Nie podano natomiast kryteriów izolacyjności akustycznej budynków, w których wykonywana i odtwarzana jest muzyka, takich jak szkoły muzyczne, studia nagrań, akademie muzyczne itp. Instytut Techniki Budowlanej proponuje [2] kryterium R’_w  >  57 dB w odniesieniu do pomieszczeń, w których głównym źródłem dźwięku są instrumenty muzyczne.

Ten jednoliczbowy wskaźnik przewyższa zalecenia normowe dotyczące mieszkań i klas lekcyjnych, lecz nie uwzględnia dźwięków o dużej zawartości niskich częstotliwości.

Poziomy dźwięku i widma instrumentów muzycznych

Aby wykonać analizę izolacyjności akustycznej różnych przegród ściennych pod względem tłumienia dźwięku instrumentów muzycznych, zmierzono poziom dźwięku 22 instrumentów w pasmach tercjowych [3]. Na RYS. 1 przedstawiono poszczególne poziomy dźwięku A (L_Aeq,T). Jak widać na wykresie, widma częstotliwościowe badanych instrumentów muzycznych znacząco się różnią.

W analizie przenikania dźwięku z instrumentów muzycznych przez przegrodę należy uwzględnić zarówno poziom dźwięku źródła, jak i jego widmo, a także charakterystykę częstotliwościową izolacyjności akustycznej. Aby uzyskać reprezentatywne widma dźwięku, instrumenty podzielono na trzy grupy:

• perkusyjne (werble, kotły),
• dęte (flet, klarnet, obój, trąbka, waltornia, saksofon, puzon),
• inne (gitara klasyczna, fortepian, pianino, wiolonczela, altówka, kontrabas, akordeon, ksylofon, trójkąt, głos męski, głos żeński).

Po podzieleniu widm na grupy wyznaczono wartości maksymalne każdego pasma tercjowego w każdej grupie. Takie maksymalne widmo reprezentuje wszystkie instrumenty w danej grupie. Następnie wygładzono je, aby otrzymać uproszczone, reprezentatywne widma dla trzech grup instrumentów (RYS. 2).

Na RYS. 2 widać, że każde z widm wykazuje cechy charakterystyczne. Można wysunąć wniosek, że dla różnych grup instrumentów odpowiednie będą różne konstrukcje ścian, w zależności od ich charakterystyki izolacyjności akustycznej.

Symulacje numeryczne

Symulacje wykonano w dwóch etapach. W pierwszym zastosowano program do obliczenia laboratoryjnej izolacyjności akustycznej przegród. Aby obliczenia przenikania dźwięku z jednej sali do drugiej były bardziej realistyczne, oprócz samych ścian zamodelowano także układ pomieszczenie–ściana–pomieszczenie. Użyto do tego drugiego oprogramowania, w którym stosowane są metody obliczeniowe normy PN-EN 12354-1:2002 [4].

Danymi w programie były: wymiary pomieszczeń, rodzaj przegrody dzielącej pomieszczenia (d), rodzaj przegród bocznych (f1–f4), sposób łączenia między elementami konstrukcyjnymi oraz czas pogłosu w pomieszczeniu odbiorczym.

W zastosowanym programie można było również zdefiniować poziom dźwięku źródła. Jako źródła dźwięku użyto uproszczonych widm trzech grup instrumentów muzycznych opisanych wcześniej. Wartości izolacyjności akustycznej właściwej (R) wszystkich przegród definiowano na podstawie obliczeń komputerowych.

Całkowita transmisja dźwięku z jednego pomieszczenia do drugiego zależy od izolacyjności akustycznej właściwej (R) poszczególnych elementów, a także od strat całkowitych h_tot na łączeniach między elementami.

Jeśli nie można zastosować elastycznego łączenia między elementami konstrukcyjnymi w celu obniżenia przenoszenia bocznego, można ograniczyć przenoszenie boczne przez dodanie warstwy izolującej, np. okładziny ściennej na stalowym ruszcie, sufitu podwieszanego lub podłogi pływającej.

Ważne było, aby we wszystkich modelach większość energii akustycznej przenikała przez główną przegrodę działową (d), a nie drogami bocznymi. Aby to osiągnąć, konieczne było zastosowanie wymienionych wcześniej warstw izolujących na przegrodach bocznych.

Oprócz właściwości dźwiękoizolacyjnych poszczególnych przeszkód i rodzajów łączeń wpływ na poziom dźwięku w pomieszczeniu odbiorczym mają wymiary pomieszczeń oraz czas pogłosu. Wymiary zamodelowanych pomieszczeń są typowymi wymiarami sal nauki muzyki w szkołach muzycznych: 3,40×2,44×3,00 m. Czas pogłosu ustalono jako 1 s.

Dane wyjściowe drugiego programu to różnica poziomów (D) oraz poziom ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu odbiorczym w pasmach tercjowych (L2). Na RYS. 3 przedstawiono układ pomieszczeń. W przedstawionym przypadku zamodelowano sale w szkole muzycznej ze ścianą ceglaną gr. 13 cm (łącznie z tynkiem).

Wyniki

Obliczone poziomy ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu odbiorczym porównano z odpowiednimi krzywymi granicznymi NR.

Krzywe graniczne stanowią alternatywną metodę oceny poziomu głośności do poziomu dźwięku A (L_Aeq,T) i odpowiadają temu, w jaki sposób słyszymy poszczególne częstotliwości. Niskie i bardzo wysokie częstotliwości słyszymy dużo gorzej niż średnie.

Najczulszy słuch mamy zaś w zakresie 2000–5000 Hz. Dodatkowo, im większy poziom ciśnienia akustycznego, tym nasz słuch staje się równiejszy w skali częstotliwości, dlatego kształt krzywych granicznych różni się w zależności od poziomu ciśnienia akustycznego.

Aby wyznaczyć wartość NR, należy nanieść widmo dźwięku na wykres krzywych granicznych i odczytać wartość krzywej, która styka się z widmem, lecz której żadna wartość widma nie przekracza. W artykule A. Jamesa i in. [5] zasugerowano, że poziom tła w szkołach muzycznych powinien być poniżej krzywej granicznej NR25. Takie samo kryterium obrano w niniejszym artykule.

Dzięki zastosowaniu krzywych granicznych można precyzyjnie dobrać charakterystykę częstotliwościową izolacyjności akustycznej do charakterystyki częstotliwościowej dźwięku, gdyż od razu widać, które pasmo częstotliwości odpowiada za wartość NR.

Taka analiza nie byłaby możliwa w przypadku zastosowania kryterium w postaci poziomu dźwięku A. Dzięki analizie widm i wartości NR można dobierać parametry fizyczne przegrody tak, aby poprawić izolacyjność w danym paśmie częstotliwości.

W TABELI przedstawiono zestawienie wyników wartości NR dla ośmiu przegród. Na RYS. 4–12 pokazano przewidywane widma instrumentów w pomieszczeniu odbiorczym naniesione na krzywe graniczne.

Najtrudniej było znaleźć odpowiednią konstrukcję do tłumienia widma instrumentów perkusyjnych, ponieważ grupa ta wyróżnia się zarówno szerokim pasmem częstotliwości, jak i wysokimi poziomami ciśnienia akustycznego. Jednorodne ciężkie ściany (konstrukcje 1 i 2) są niewystarczające do tłumienia dźwięków badanych grup instrumentów.

Zastosowanie podwójnej ciężkiej ściany (konstrukcja 3) poprawia sytuację, lecz jest to nadal niewystarczające dla instrumentów perkusyjnych. Zaskakujący jest fakt, że lekkie ściany z płyt gipsowo­‑włóknowych (konstrukcje 5 i 6) wykazują tak samo dobre tłumienie instrumentów perkusyjnych, jak podwójna ściana z bloków.

Jest to związane z częstotliwością krytyczną. W przypadku ściany z bloków, częstotliwość krytyczna przypada w okolicach maksimum energii akustycznej instrumentów perkusyjnych. W przypadku zastosowanych płyt gipsowo-włóknowych częstotliwość krytyczna wypada dużo wyżej, dlatego mimo dużo mniejszej masy powierzchniowej, izolacyjność akustyczna nie jest gorsza.

Częstotliwość krytyczna ściany z płyt g-k jest także wysoka (konstrukcja 4), jednak masa powierzchniowa jest zbyt mała, aby uzyskać odpowiednio niski poziom dźwięku którejkolwiek z badanych grup instrumentów.

Najlepszy wynik w odniesieniu do instrumentów perkusyjnych uzyskano dla ściany ceglanej z okładziną akustyczną z podwójnej płyty gipsowo-włóknowej. W tym przypadku uzyskano optymalny dobór masy powierzchniowej, częstotliwości krytycznych obydwu warstw oraz odpowiedniej separacji.

Jako odpowiednie dla instrumentów dętych można uznać konstrukcje z lekkich ścian z płyt gipsowo-włóknowych (konstrukcje 5 i 6), a także ciężkie ściany z okładziną akustyczną (konstrukcje 7 i 8). Dla instrumentów zaklasyfikowanych jako inne odpowiednie są te same konstrukcje, a także konstrukcja z podwójnej warstwy bloków.

Wnioski

Poszczególne grupy instrumentów różnią się pod względem poziomu ciśnienia akustycznego oraz widma. Z tego też powodu odpowiednie są dla nich różne konstrukcje przegród ściennych.

Największy kłopot sprawiają instrumenty perkusyjne. W przypadku tej grupy najbardziej odpowiednia jest konstrukcja ściany składająca się z warstwy ciężkiej (cegła 12 cm + tynk) i warstwy lekkiej (płyty gipsowo-włóknowe), odpowiednio oddzielone od siebie, z wypełnieniem przestrzeni wełną mineralną. Okazuje się, że taka konstrukcja jest jednocześnie odpowiednia dla pozostałych grup instrumentów. Ściana ma wówczas gr. ok. 25 cm, a zatem niewiele jak na przegrodę o tak dobrej izolacyjności akustycznej.

Aby uzyskać odpowiednią izolacyjność akustyczną między salami, oprócz zastosowania odpowiedniej ściany, konieczne jest zastosowanie okładzin przegród bocznych w postaci podłogi pływającej, cienkich okładzin akustycznych na ścianach bocznych, a także w niektórych przypadkach – sufitu podwieszanego. Ważna jest także kontrola warunków pogłosowych. Czas pogłosu w sali nie powinien przekraczać 1 s w żadnym paśmie częstotliwości. Jest to ważne nie tylko ze względu na izolacyjność akustyczną, lecz także na odpowiedni odbiór dźwięku w sali.

Dalsze prace o podobnym charakterze powinny być wykonane pod kątem izolacyjności akustycznej od dźwięków powietrznych i uderzeniowych stropów.

Literatura

1. PN-B-02151-3:1999, „Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Izolacyjność akustyczna przegród w budynkach oraz izolacyjność akustyczna elementów budowlanych. Wymagania”.
2. B. Szudrowicz, „Podstawy kształtowania izolacyjności akustycznej pomieszczeń w budynkach mieszkalnych”, ITB, Warszawa 1992.
3. J. Gil, J. Marcinowski, „Porównanie izolacyjności akustycznej ściany z cegły pełnej oraz nowoczesnej ściany szkieletowej pod kątem ich zastosowania w środowisku muzycznym”, 56 Konferencja KILiW PAN i KN PZITB, Kielce-Krynica 2010, s. 89–96.
4. PN-EN 12354-1:2002, „Akustyka budowlana. Określenie właściwości akustycznych budynków na podstawie właściwości elementów. Część 1: Izolacyjność od dźwięków powietrznych między pomieszczeniami”.
5. A. James, A. Thompson, I. Rees, „School music rooms – designed beyond BB93”, Proceedings of the Institute of Acoustics 2005.
6. J. Gil, J. Marcinowski, „Poprawa izolacyjności akustycznej ściany dzielącej sale nauki muzyki, „IZOLACJE”, nr 9/2012, s. 58–60.
7. B.H. Sharp, „Prediction Methods for the Sound Transmission of Building Elements”, „Noise Control Engineering”, 01/1978; 11(2), DOI:10.3397/1.2832099.
8. A. Osipov, P. Mees, G. Vermeier, „Low-Frequency Airborne Sound Transmission through Single Partitions in Buildings”, „Applied Acoustics”, vol. 52, nr 3/4/1997, s. 273–288.
9. L. Cremer, M. Heckl, B.A.T. Petersson, „Structural Vibrations and Sound Radiation and Audio Frequencies”, ISBN 3-540-22696-6.
10. J. Sadowski, „Akustyka architektoniczna”, PWN, Warszawa 1976.
11. J. Gil, „Instrumenty muzyczne jako źródło hałasu przy wyznaczaniu izolacyjności akustycznej przegród” [praca magisterska], Zakład Akustyki Pomieszczeń i Psychoakustyki, Instytut Akustyki, Wydział Fizyki UAM, Poznań 2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!