Akustyka wnętrz budynków szkolnych

Hałas jest szczególnie wysoki w czasie rekreacji, zajęć ruchowych czy też pracy w grupach. Z kolei w trakcie zajęć polegających na komunikacji werbalnej, czy to w klasach lekcyjnych, czy w salach sportowych, bardzo często występują problemy z niedostateczną zrozumiałością mowy.

Oba problemy mają przyczyny w sposobie wykończenia i wyposażenia pomieszczeń. Twarde gładkie powierzchnie łatwo odbijają fale dźwiękowe i dlatego tak wykończone wnętrza silnie wzmacniają wytworzone w nich dźwięki.

Podobnie ma się sprawa z pogłosem pogarszającym zrozumiałość mowy: im większe jest pomieszczenie, im twardsze jego wykończenie i im skromniejsze umeblowanie, tym pogłos jest silniejszy.

Pochłanianie dźwięku i chłonność akustyczna

Fala dźwiękowa docierająca do przeszkody może zostać przez nią pochłonięta lub odbita. Stopień dźwiękochłonności danego materiału określają współczynniki pochłaniania dźwięku α, które przyjmują wartości z zakresu 0–1. Jeżeli dla danego materiału i dla danego pasma częstotliwości współczynnik α przyjmuje wartość 0,6, oznacza to, że materiał ten pochłania 60% energii padającej na niego fali dźwiękowej, a odbija 40%.

Jeśli zna się własności dźwiękochłonne materiałów użytych we wnętrzu, można obliczyć chłonność akustyczną całego pomieszczenia:

gdzie:

S_n - pole powierzchni poszczególnych elementów ograniczających wnętrze (ściany, okna, sufit itd.),

α_n - właściwy dla tego elementu współczynnik pochłaniania dźwięku.

Podczas obliczania chłonności akustycznej pomieszczenia można także uwzględnić chłonność akustyczną powietrza w nim zawartego oraz znajdujących się w nim obiektów (np. mebli). Dla tego samego pomieszczenia chłonność akustyczna w różnych pasmach częstotliwości może się znacznie różnić.

W specyfikacjach ustrojów, wyrobów i elementów budowlanych i wykończeniowych można spotkać następujące współczynniki pochłaniania dźwięku, których nie należy mylić:

• α_s - pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku, wyznaczony laboratoryjnie dla pasm tercjowych (100 Hz, 125 Hz, 160 Hz itd.);
• α_p - praktyczny współczynnik pochłaniania dźwięku, wyliczany dla pasm oktawowych (125 Hz, 250 Hz, 500 Hz itd.) na podstawie wartości α_s;
• α_w - ważony wskaźnik pochłaniania dźwięku, jednoliczbowy wskaźnik wyliczany według normy PN-EN ISO 11654:1999 [1].

Pogłos

Jest to zjawisko stopniowego zanikania energii dźwięku w pomieszczeniu po wyłączeniu źródła dźwięku. Jest związany z występowaniem dużej ilości odbić fal dźwiękowych od powierzchni ograniczających to pomieszczenie oraz znajdujących się w nim przedmiotów. Jeżeli odstęp czasowy między kolejnymi odbiciami docierającymi do słuchacza jest mały (przyjmuje się zwykle, że mniejszy niż 50 ms), zlewają się one w jeden ciągły dźwięk.

Ponieważ każde kolejne odbicie fali dźwiękowej i każdy metr pokonywanej przez nią przestrzeni oznacza pewną utratę energii (wskutek pochłaniania dźwięku przez powietrze oraz odbicia od kolejnych powierzchni), kolejne odbite dźwięki docierające do słuchacza są coraz cichsze. Z tego powodu żaden impuls dźwiękowy w pomieszczeniu nie urywa się nagle jak w przestrzeni otwartej, tylko stopniowo zanika.

Tempo tego zaniku zależy od wielkości, ukształtowania i wykończenia pomieszczenia. Im mniejsza kubatura i im większa chłonność akustyczna pomieszczenia, tym pogłos jest słabszy. Słabszemu pogłosowi sprzyja także równomierne rozłożenie powierzchni dźwiękochłonnych w pomieszczeniu, a także obecność elementów rozpraszających dźwięk. Pogłos mierzony jest wielkością zwaną czasem pogłosu T [s] - jest to czas potrzebny na zmniejszenie, po wyłączeniu źródła dźwięku, poziomu ciśnienia akustycznego we wnętrzu o 60 dB.

Wartości czasu pogłosu dla różnych pasm częstotliwości (dla tego samego pomieszczenia) mogą znacznie się od siebie różnić. Jeżeli w pomieszczeniu o odczuwalnym pogłosie (długim czasie pogłosu) zamiast dźwięków impulsowych (np. klaśnięcia) wytwarzany jest ciągły sygnał dźwiękowy (np. przemowa), mamy do czynienia ze stale utrzymującym się pogłosem, który zwiększa poziom dźwięku i niekorzystnie wpływa na zrozumiałość mowy. W pobliżu źródła dźwięku dominuje dźwięk bezpośredni, a w dalszych partiach pomieszczenia przeważają dźwięki odbite (mówimy wtedy o polu pogłosowym).

O ile w pobliżu źródła zrozumiałość mowy i czytelność innych sygnałów dźwiękowych emitowanych przez źródło jest zwykle bardzo dobra, to w polu pogłosowym gwałtownie się pogarsza. Odległość od źródła, w której zaczyna się pole pogłosowe, zależy od kubatury pomieszczenia i czasu pogłosu. Im dłuższy jest czas pogłosu, tym pole pogłosowe zaczyna się bliżej źródła.

Czas pogłosu jest parametrem najczęściej stosowanym do opisu akustyki wnętrz. Mimo że niedoskonały, mówi nam dużo o charakterze akustycznym pomieszczenia. Jeśli wnętrze charakteryzuje się relatywnie krótkim czasem pogłosu, to znaczy, że jest cichsze, panują w nim lepsze warunki do komunikacji słownej (naturalnej czy z użyciem nagłośnienia), a w odbiorze subiektywnym wydaje się bardziej przytulne.

Wskaźnik transmisji mowy STI

To parametr określający w sposób obiektywny zrozumiałość mowy w pomieszczeniu. Przybiera wartości w zakresie od 0 do 1, gdzie wyższa wartość oznacza lepszą zrozumiałość mowy. Wartość STI może być określona zarówno za pomocą obliczeń, jak i pomiarów.

Technicznie pomiar polega np. na emisji w pomieszczeniu szumu o paśmie zbliżonym do pasma mowy ludzkiej, modulowanego częstotliwościami zbliżonymi do tych, które występują w naturalnej mowie. Poziom dźwięku sygnału odpowiada poziomowi dźwięku normalnego głosu. Następnie bada się zmiany głębokości modulacji (czyli zniekształcenie) sygnału w różnych miejscach pomieszczenia.

Wartość STI mierzona w danym miejscu pomieszczenia zależy od poziomu tła akustycznego (poziom dźwięku zakłócającego sygnał), czasu pogłosu oraz odległości od źródła sygnału. Im niższy poziom tła akustycznego, im krótszy czas pogłosu i im bliżej jest źródło, tym większe wartości przyjmuje STI (TABELA).

Hałas w budynkach szkolnych

Wysokie poziomy hałasu powodujące fizyczny dyskomfort, odczuwany czasem nawet jako ból, pojawiają się wszędzie tam, gdzie uczniowie cieszą się względną swobodą: w szatniach, korytarzach, stołówkach, świetlicach, a także w salach lekcyjnych w czasie zajęć w grupach, kiedy uczniowie wspólnie pracujący nad zadaniem mogą swobodnie dyskutować.

Na korytarzach w szkołach podstawowych, w czasie przerw, równoważny poziom dźwięku (średni energetycznie poziom dla całej przerwy) zwykle osiąga 85 dBA, chociaż zdarzają się szkoły, gdzie znacznie przekracza 90 dBA.

Niewiele ciszej jest w świetlicach czy stołówkach szkolnych, gdzie w czasie wydawania posiłków równoważny poziom dźwięku oscyluje wokół 80 dBA. Podobne poziomy występują w czasie zajęć wychowania fizycznego prowadzonych w salach sportowych (w szczególności w czasie gier zespołowych).

Również sale lekcyjne w trakcie "cichych" zajęć do cichych nie należą. Poziom dźwięku w nich mierzony zależy od wieku uczniów, liczebności klas i charakteru zajęć. W przypadku prac klasowych, testów jest to ok. 55 dBA, a w czasie wykładu 60-65 dBA (poziom tła akustycznego - bez uwzględnienia głosu nauczyciela).

W czasie zajęć w grupach może być równie głośno, jak w stołówkach i świetlicach. Hałas o poziomie przekraczającym 85 dBA może być zagrożeniem dla słuchu, jednak aby tak się stało, musimy być na niego narażeni odpowiednio długo. Dla 85 dBA dopuszczalny, dobowy czas ekspozycji na hałas wynosi 8 godz., ale dla 93 dBA już tylko 1 godz.

Z uwagi na stosunkowo krótki czas (1-2 godz. dziennie) przebywania uczniów w najbardziej hałaśliwych pomieszczeniach w szkole (korytarze, świetlice, stołówki), ryzyko trwałych uszkodzeń słuchu nie jest duże, niemniej jednak nie można go wykluczyć.

Trzeba pamiętać, że na całkowitą, dobową dawkę hałasu przyjmowaną przez uczniów składa się wszystko, co oferuje nam nasze środowisko: hałas szkolny, hałas komunikacyjny czy hałas aplikowany własnoręcznie przez słuchawki urządzeń przenośnych. Ten ostatni jest szczególnie groźny, jeśli urządzenia są używane w głośnym otoczeniu (np. na szkolnym korytarzu). Nie bez powodu ok. 20% uczniów szkół podstawowych ma problemy ze słuchem (dane Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu).

Jeśli nawet poziom ekspozycji na hałas nie jest wystarczająco wysoki dla uszkodzenia słuchu, to zawsze możemy mówić o czasowym podniesieniu progu słyszenia. Uczeń narażony przez 20 min na hałas o poziomie ok. 85 dBA będzie miał przytępiony słuch, jego próg słyszenia zostanie podniesiony o kilka decybeli, a słuch wróci do pełnej sprawności po 45-50 min. Także nauczyciele wskazują hałas jako główne fizyczne źródło uciążliwości w ich zawodzie (robi to 88% nauczycieli według ankiety Centralnego Instytutu Ochrony Pracy PIB).

O wiele istotniejszy w szkołach jest pozasłuchowy wpływ hałasu. Hałas na poziomie 80-90 dBA utrudnia czy wręcz uniemożliwia komunikację, powoduje stres, zmęczenie i rozdrażnienie - to oczywiste, ale są też i inne, mniej widoczne skutki.

Badania potwierdzają, że przy takim poziomie hałasu uczniowie są bardziej skłonni do agresji, a mniej do współpracy. Co więcej, negatywne skutki ekspozycji na hałas nie ustępują wraz z nim - uczniowie po głośnej przerwie są rozkojarzeni i niezdyscyplinowani. Sytuacji nie poprawia też to, że po głośnej przerwie mają podniesiony próg słyszenia - czyli gorzej słyszą i głośniej rozmawiają. Problemy są jeszcze większe w przypadku dzieci z nadpobudliwością psychoruchową, ADHD czy nadwrażliwością na hałas.

Zrozumiałość mowy

W czasie lekcji prowadzonej w formie wykładu jest znacznie ciszej, jednak specyfika prowadzonych zajęć (wymagających skupienia, dobrego rozumienia i zapamiętywania przekazu słownego itp.) sprawia, że hałas także daje się we znaki.

Jeśli klasa lekcyjna jest twardo wykończona i do tego skromnie umeblowana, szum wytwarzany przez uczniów jest przez pomieszczenie wzmacniany, a tak podwyższony poziom tła akustycznego ośmiela uczniów do głośniejszego zachowania, co oczywiście jeszcze pogarsza sytuację. W rezultacie nauczyciel zmuszony jest stale używać podniesionego głosu (z wiadomym skutkiem dla własnego zdrowia), a uczniowie i tak mają problemy ze skupieniem się na jego wypowiedzi, jeśli w ogóle ją rozumieją.

Zrozumiałość mowy utrudnia też słyszalny pogłos. Czas pogłosu (w uproszczeniu czas wybrzmiewania dźwięku we wnętrzu) w klasie lekcyjnej powinien być nie dłuższy niż 0,6 s. Niestety, w typowej klasie do nauczania początkowego zwykle mieści się w granicach 1,0-1,2 s, a w gabinetach przedmiotowych, gdzie pojawia się trudniejsze słownictwo i zwiększa się fizyczny dystans między uczniem i nauczycielem, przekracza często 1,5 s. Przy takim pogłosie zrozumiałość sylab w ostatnich ławkach wyniesie tylko 70-80%.

Jeśli zrozumiałość mowy w klasie lekcyjnej jest słaba, to uczniowie, nawet jeśli rozumieją większość wypowiedzi nauczyciela, łatwiej się dekoncentrują i mają większe problemy z zapamiętaniem tego, co poprawnie usłyszeli.

Najjaskrawiej problem ze zrozumiałością mowy występuje oczywiście w salach sportowych, gdzie czas pogłosu często dochodzi do 6-7 s. Stwarza to oczywiste problemy w czasie lekcji wychowania fizycznego czy zawodów (jako taka zrozumiałość mowy jest osiągalna tylko przy niewielkiej, kilkumetrowej odległości między rozmówcami), ale prawdziwy dramat zaczyna się, kiedy w tych pomieszczeniach przeprowadza się egzaminy językowe.

Często uczniowie, którzy dostali miejsca w tzw. polu pogłosowym, po prostu nie są w stanie zrozumieć pytań odtwarzanych z dostarczonych na egzamin płyt.

Akustyka wnętrz budynków szkolnych - rozwiązania

Rozwiązania techniczne są dosyć proste. Dzięki wprowadzeniu do pomieszczeń materiałów dźwiękochłonnych zwiększa się chłonność akustyczna i tym samym znacząco redukuje się odbicie fal dźwiękowych.

Przykładowo, powierzchnia pokryta zwykłym tynkiem cementowo-wapiennym czy wykładziną PCW odbija ponad 95% energii padającej na nią fali akustycznej, a dźwiękochłonne panele ścienne czy sufity podwieszane tylko ok. 5% (wskaźnik pochłaniania dźwięku αw = 0,95). Redukcja odbić pociąga za sobą obniżenie poziomu dźwięku, a to z kolei sprawia, że uczniowie, znów odruchowo i nieświadomie, zaczynają się ciszej zachowywać.

Odpowiednia adaptacja akustyczna pozwala na obniżenie poziomu hałasu (w pomieszczeniach, w których jego głównym źródłem są ludzie) nawet o kilkanaście decybeli. Odczuwalna różnica może być ogromna, ponieważ zwykle zmniejszenie poziomu dźwięku o 8-10 dB obierane jest subiektywnie jako dwukrotne zmniejszenie głośności.

Zwiększenie chłonności akustycznej (przy równomiernym rozłożeniu materiałów dźwiękochłonnych) prowadzi także do znacznego ograniczenia pogłosu, co z kolei przekłada się na lepszą zrozumiałość mowy (naturalnej i wzmocnionej elektroakustycznie). Przykładowo, dzięki zastosowaniu odpowiednich materiałów czas pogłosu w silnie pogłosowej klasie lekcyjnej można skrócić z ok. 2,0 s do 0,5 s, zwiększając odsetek zrozumiałych sylab do ponad 90%.

W artykule przedstawiono wymagania normy PN-B­‑02151­‑4:2015-06 [2] dotyczące wybranych pomieszczeń szkolnych wraz z zaleceniami materiałowymi.

Sale lekcyjne o kubaturze do 250 m³

Norma PN-B-02151-4:2015-06 [2] zaleca maksymalny czas pogłosu na poziomie 0,6 s. Wymaganie to powinno być spełnione we wszystkich pasmach oktawowych z zakresu 250–4000 Hz. W paśmie 125 Hz czas pogłosu może być o 30% dłuższy. 

Wartość wskaźnika transmisji mowy w żadnym miejscu sali nie powinna być niższa niż 0,6. Wymagania dotyczące tak czasu pogłosu, jak i STI dotyczą pomieszczeń wykończonych, umeblowanych w sposób typowy dla przeznaczenia, ale bez obecności ludzi.

W przypadku pomieszczeń przeznaczonych do nauczania początkowego lub językowego maksymalny czas pogłosu nie powinien być dłuższy niż 0,5 s, a w przypadku sal dla osób z ubytkami słuchu lub innymi problemami z komunikacją słowną - niż 0,4 s.

Zrozumiałość mowy w danym miejscu pomieszczenia zależy od występującej w tym miejscu różnicy w poziomie dźwięku: głosu mówcy i mogącego go zagłuszać tła akustycznego. Zjawiskiem silnie ograniczającym zrozumiałość mowy jest pogłos. Stąd norma zaleca jego ograniczenie.

Pogłos można łatwo zmniejszyć, wprowadzając do pomieszczenia materiały dźwiękochłonne ograniczające odbicia dźwięku. Głos mówcy w miejscu lokalizacji słuchacza będzie wtedy dużo wyraźniejszy, ale będzie też cichszy.

W dużych wnętrzach, w których część słuchaczy znajduje się w znacznej odległości od mówcy (>  8-9 m), może się zdarzyć, że po wprowadzeniu materiałów dźwiękochłonnych w tych odległych od mówcy miejscach jego głos będzie zbyt cichy w stosunku do tła akustycznego. Wprowadzenie do wymagań minimalnej wartości STI stanowi właśnie zabezpieczenie pomieszczeń przeznaczonych do komunikacji słownej przed taką sytuacją.

Małe sale o długości do 9–10 m na całej powierzchni sufitu powinny mieć materiały dźwiękochłonne o wskaźniku pochłaniania dźwięku αw ≥ 0,95, a na tylnej ścianie od wysokości ok. 100 cm do 220 cm umieszczone dźwiękochłonne panele ścienne o αw ≥ 0,95. Takie same panele ścienne mogą być umieszczone na jednej ze ścian bocznych od wysokości ok. 120 cm do 240 cm. Dla ograniczenia czasu pogłosu w paśmie 125 Hz materiały dźwiękochłonne stosowane na sufitach i ścianach powinny się charakteryzować współczynnikiem pochłaniania dźwięku dla tego pasma αp125Hz ≥ 0,65–0,70.

W przypadku większych sal o długości ponad 9-10 m na 60–70% powierzchni sufitu powinny być materiały dźwiękochłonne o wskaźniku pochłaniania αw ≥ 0,95 i αp125Hz ≥ 0,65-0,70. Na pozostałych 30-40% sufitu (przednia część sali z wyłączeniem marginesów wzdłuż ścian bocznych) materiał charakteryzujący się wciąż stosunkowo dobrym pochłanianiem w paśmie 125 Hz (αp125Hz ≥ 0,4) i możliwie odbijający (αp < 0,4) w pozostałych pasmach. Panele ścienne powinny mieć taki sam układ, jak w małych pomieszczeniach.

Świetlice i stołówki

Norma zaleca maksymalny czas pogłosu na poziomie 0,6 s. Wymaganie to powinno być spełnione we wszystkich pasmach oktawowych z zakresu 250-4000 Hz. Wymaganie dotyczy pomieszczeń wykończonych, umeblowanych w sposób typowy dla przeznaczenia, ale bez obecności ludzi.

Na całej powierzchni sufitu powinny być materiały dźwiękochłonne o wskaźniku pochłaniania dźwięku αw ≥ 0,95. Na dwóch przylegających do siebie ścianach, od wysokości ok. 100 cm do 220 cm, umieszczone dźwiękochłonne panele ścienne o αw ≥ 0,95.

Sale przedszkolne

Norma zaleca maksymalny czas pogłosu na poziomie 0,4 s. Wymaganie to powinno być spełnione we wszystkich pasmach oktawowych z zakresu 250-4000 Hz. Wymaganie dotyczy pomieszczeń wykończonych, umeblowanych w sposób typowy dla przeznaczenia, ale bez obecności ludzi

Na całej powierzchni sufitu powinny być materiały dźwiękochłonne o wskaźniku pochłaniania dźwięku αw = 1,00. Na dwóch przylegających do siebie ścianach, od wysokości ok. 100 cm do 220 cm, umieszczone dźwiękochłonne panele ścienne o αw = 1,00. Materiały dźwiękochłonne stosowane na sufitach i ścianach powinny się charakteryzować współczynnikiem pochłaniania dźwięku dla pasma 250Hz αp250Hz ≥ 0,95.

Korytarze

Norma zaleca minimalną chłonność akustyczną pomieszczenia (A) odniesioną do pola powierzchni jego rzutu (S) na poziomie A/S ≥ 1,0. Wymaganie to powinno być spełnione we wszystkich pasmach oktawowych z zakresu 500–2000 Hz. Wymaganie dotyczy pomieszczeń wykończonych, ale bez umeblowania i bez obecności ludzi. Dotyczy pomieszczeń o wysokości do 4 m.

W przypadku pomieszczeń o wysokości w świetle wykończenia przekraczającej 4 m należy określić indywidualnie minimalną chłonność akustyczną, zwiększając ją proporcjonalnie do wzrostu wysokości pomieszczenia ponad 4 m.

Na całej powierzchni sufitu powinny być materiały dźwiękochłonne (FOT. 1) o wskaźniku pochłaniania dźwięku αw = 1,00.

Jeśli nie jest to możliwe, chłonność akustyczną pomieszczenia można uzupełnić, wykorzystując górne partie ścian (powyżej 200 cm) do instalacji dźwiękochłonnych paneli ściennych.

Jeżeli na suficie i na ścianach używa się materiałów o wskaźniku pochłaniania αw = 1,00, to suma ich powierzchni powinna odpowiadać powierzchni rzutu pomieszczenia.

Sale sportowe

Norma zaleca maksymalny czas pogłosu na poziomie 1,5 s dla sal o kubaturze do 5000 m3 i 1,8 s dla sal większych. Wymaganie to powinno być spełnione we wszystkich pasmach oktawowych z zakresu 250–4000 Hz. Wymaganie dotyczy pomieszczeń wykończonych z trwale zamocowanymi elementami umeblowania i wyposażenia, ale bez obecności ludzi.

Dla spełnienia wymagań konieczne jest wprowadzenie do wnętrza odpowiedniej ilości materiałów dźwiękochłonnych, a także właściwe ich rozmieszczenie - nie powinny być one koncentrowane tylko na jednej powierzchni (FOT. 2).

W najbardziej typowych, prostopadłościennych wnętrzach materiały dźwiękochłonne powinny się znaleźć na każdej z trzech par równoległych powierzchni. W praktyce wystarczy pokrycie materiałem o αw ≥ 0,9 ok. 70-80% powierzchni sufitu (dachu) i 10-20% powierzchni ścian. Na suficie mogą to być sufity podwieszane, panele montowane bezpośrednio do stropu/dachu czy też wolnowiszące ekrany. Ze względu na to, że zwykle jest problem ze zbyt małą chłonnością akustyczną w pasmach 125-250 Hz, preferowane jest użycie sufitów podwieszanych z pustką powietrzną, które z innych rozwiązań są w tych pasmach najbardziej skuteczne.

Pomijanie zagadnień akustyki wnętrz zarówno na etapie projektowania, jak i wykonawstwa obiektów oświatowych prowadzi często do znacznego pogorszenia ich funkcjonalności, a poprawianie błędów w funkcjonujących już budynkach jest kłopotliwe i kosztowne. Dlatego istotne jest, żeby o komfort akustyczny wnętrz szkół zadbać już w fazie projektowej. Dobrym punktem odniesienia przy ustalaniu wymagań i samym projektowaniu jest norma PN-B-02151-4:2015-06 [2].

Zapewnienie poprawnej akustyki w nowo projektowanych obiektach przy użyciu najprostszych rozwiązań oznacza zwiększenie kosztów budowy o niecały 1%. Wobec potencjalnych korzyści dla przyszłych użytkowników trudno świadomie na akustyce wnętrz oszczędzać. Z tą świadomością wciąż mamy jednak problem.

Literatura

1. PN-EN ISO 11654:1999, "Akustyka. Wyroby dźwiękochłonne używane w budownictwie. Wskaźnik pochłaniania dźwięku".
2. PN-B-02151-4:2015-06, "Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Część 4: Wymagania dotyczące warunków pogłosowych i zrozumiałości mowy w pomieszczeniach oraz wytyczne prowadzenia badań".
3. PN-EN ISO 3382-2:2010, "Akustyka. Pomiar parametrów akustycznych pomieszczeń. Część 2: Czas pogłosu w zwyczajnych pomieszczeniach".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!