Charakterystyki akustyczne gumowo-metalowych przegród dźwiękoizolacyjnych - możliwości predykcji i badania doświadczalne

W celu redukcji poziomu hałasu stosowane są różnego typu zabezpieczenia przeciwhałasowe [2]. Wśród podstawowych rozwiązań technicznych wymienić należy przegrody budowlane [3], ekrany akustyczne, tłumiki hałasu [4], osłony dźwiękoizolacyjne [5], a także adaptację akustyczną, przeprowadzaną w pomieszczeniach z hałaśliwymi maszynami i urządzeniami [6]. Do rozwiązań technicznych, zwłaszcza jeśli mamy na myśli poprawę warunków akustycznych na stanowiskach pracy, zaliczają się także obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne.

Przy projektowaniu zabezpieczeń typu obudowa dźwiękochłonno-izolacyjna niezbędna jest wiedza na temat parametrów akustycznych ścianek konstrukcyjnych, które powszechnie nazywane są przegrodami [7]. Przegrody zbudowane z materiałów mających właściwości dźwiękochłonne oraz z płyt, które mają własności dźwiękoizolacyjne, nazywane są przegrodami dźwiękochłonno-izolacyjnymi. Zazwyczaj materiał dźwiękochłonny takiej przegrody umieszcza się w obudowie od wewnątrz, czyli od strony źródła dźwięku.

Podstawowym materiałem dźwiękoizolacyjnym stosowanym przy budowie przegród do konstrukcji obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych są płyty metalowe, zazwyczaj są to blachy stalowe lub aluminiowe. Blachy te wyklejane są warstwą gumy. Badania warstw gumowych w rozwiązaniach zabezpieczeń wibroakustycznych zostały szerzej omówione w pracy [8], w której opisano między innymi badania doświadczalne przeprowadzone na stanowiskach laboratoryjnych, dotyczące właściwości dźwiękochłonnych oraz materiałów dźwiękoizolacyjnych.

Oprócz badań laboratoryjnych stosowane są także metody obliczeniowe umożliwiające uzyskanie charakterystyki izolacyjności akustycznej przegród z wykorzystaniem parametrów fizycznych materiałów. W zależności od rodzaju przegrody stosowanych jest wiele modeli obliczeniowych [9-12]. Podstawowym i najbardziej znanym jest prawo masy [3, 13], za pomocą którego w przybliżony sposób można określić izolacyjność akustyczną przegród nie tylko jednorodnych, ale i tych o strukturze warstwowej, wykonanych z materiałów o właściwościach dźwiękoizolacyjnych.

W ramach artykułu poddano weryfikacji, w jakim stopniu przy użyciu podstawowego modelu obliczeniowego można uzyskać charakterystykę izolacyjności akustycznej przegród gumowo-metalowych, która byłaby zgodna z wynikami badań przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych. Weryfikacji poddano także wyniki uzyskane z wykorzystaniem komercyjnego oprogramowania.

Zestawiając charakterystyki widmowe izolacyjności akustycznej na wykresach, dokonano analizy porównawczej. Z charakterystyk widmowych obliczono jednoliczbowe ważone wskaźniki izolacyjności akustycznej R_w, wraz z widmowymi wskaźnikami adaptacyjnymi C i C_tr. Na podstawie zestawienia wartości wskaźników jednoliczbowych porównano wyniki otrzymane metodami obliczeniowymi z wynikami badań doświadczalnych.

Przegrody gumowo-metalowe

Przy konstrukcji ścianek obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych, zwłaszcza obudów zintegrowanych, w których istotne jest zachowanie małych wymiarów przegrody (chodzi o ich grubość), stosuje się warstwy gumowe pod różną postacią [8]. Wymienić należy między innymi gumy o strukturze porowatej lub w postaci granulatu o gęstości odpowiednio 350-500 oraz 400-600 kg/m3, które spełniają funkcję rdzenia dźwiękochłonnego w przegrodzie. Granulaty oraz materiały ziarniste znalazły zastosowanie jako warstwy dźwiękochłonne także w przegrodach zabezpieczeń ograniczających hałas - w panelach ekranów akustycznych.

Odmienną grupę stanowią gumy o większej gęstości, wynoszącej 1000-1500 kg/m3, o strukturze litej [8]. Gumy lite, które analizowano w ramach artykułu, pełnią funkcję dźwiękoizolacyjną w elemencie ściennym obudowy. Gdy guma lita wypełnia przestrzeń między dwiema płytami (np. metalowymi), to stanowi wówczas rdzeń dźwiękoizolacyjny przegrody. Tego typu przegrody nazywane są dwuściennymi.

W TAB. 1 przedstawiono własności materiałów stanowiących elementy składowe przegród warstwowych gumowo-metalowych, które analizowano w ramach artykułu. Wszystkie płyty miały wymiary 1000×2000 mm (szerokość×wysokość). Płyty stalowe miały grubość 1 mm, natomiast warstwy gumowe miały grubości 2,5, 5 i 10 mm.

Podstawową płytą dźwiękoizolacyjną była blacha stalowa (S) stanowiąca pojedynczą przegrodę jednorodną. Płyty z gumy EPDM 40 (G), klejone do blach stalowych, stanowiły przegrody dwuwarstwowe (niejednorodne) lub trójwarstwowe, nazywane w tym przypadku przegrodami dwuściennymi w układzie warstw: płyta stalowa–guma–płyta stalowa.

Opis oznaczeń i parametrów analizowanych przegród pokazano w TAB. 2, w której podano także odniesienie do RYS. 1-3, przedstawiającego poglądowy układ warstw i oznaczenia przegród. Analizowane przegrody warstwowe gumowo-metalowe miały grubości od 3,5 do 12 mm.

Badania doświadczalne przegród

Badania doświadczalne przegród przeprowadzono w laboratorium sprzężonych komór pogłosowych znajdującym się w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH w Krakowie, które przeznaczone jest do określania izolacyjności akustycznej właściwej od dźwięków powietrznych [4, 8]. Podczas badań akustycznych przegrody dwuwarstwowe usytuowane były warstwami gumowymi od strony komory nadawczej - źródła dźwięku. Badania izolacyjności akustycznej przeprowadzone zostały zgodnie z obowiązującymi normami [14-15].

Na RYS. 4 pokazano wyznaczone z pomiarów charakterystyki izolacyjności akustycznej R dla przegrody jednorodnej - pojedynczej płyty stalowej S oraz przegród dwuwarstwowej gumowo-metalowej G10-S i trójwarstwowej S-G10-S (objaśnienia symboliki przegród zawiera TAB. 2).

Dla każdej przegrody podano wartości jednoliczbowego ważonego wskaźnika izolacyjności akustycznej R_w wraz z widmowymi wskaźnikami adaptacyjnymi (C; C_tr).

Zastosowanie warstwy gumowej o grubości 10 mm, przyklejonej do płyty stalowej, poprawiło własności dźwiękoizolacyjne przegrody, zwiększając wskaźnik R_w o 6 dB. Doklejenie trzeciej warstwy - płyty stalowej przyniosło stosunkowo niewielką korzyść (R_w = 36 dB) w porównaniu do układu dwuwarstwowego.

Na RYS. 5 pokazano porównanie charakterystyk widmowych izolacyjności akustycznej przegród gumowo-metalowych dwuwarstwowych. Zwiększanie grubości warstwy gumowej przyniosło widoczne na wykresach (RYS. 5) zwiększenie wartości izolacyjności akustycznej. Można zaobserwować odpowiadające temu wzrosty wartości wskaźnika R_w o 2 dB.

RYS. 6 przedstawia charakterystyki akustyczne przegród trójwarstwowych (dwuściennych). Zwiększenie grubości gumowego rdzenia dźwiękoizolacyjnego w przegrodzie z 2,5 do 5 mm praktycznie nie powoduje wzrostu izolacyjności akustycznej. Nieznaczną poprawę dźwiękoizolacyjności zauważyć można przy zastosowaniu rdzenia o grubości 10 mm.

Możliwości obliczenia izolacyjności akustycznej przegród warstwowych

Prawo masy

Do przybliżonego określenia charakterystyki izolacyjności akustycznej R stosowane jest prawo masy określone wzorem [13]:

      (1),

gdzie:

M - masa powierzchniowa przegrody [kg/m²],

ƒ - częstotliwość [Hz].

Zgodnie ze wzorem (1) izolacyjność akustyczna przegrody jednorodnej jest wprost proporcjonalna do masy powierzchniowej M i częstotliwości fali dźwiękowej ƒ i powinna w przybliżeniu wzrastać o 6 dB na oktawę. Prawo masy nie uwzględnia wpływu własności fizycznych materiału oraz własności konstrukcyjnych przegrody. Pomija ono także zjawisko rezonansu przestrzennego pomiędzy falami dźwiękowymi w ośrodku powietrznym a falami giętnymi w przegrodzie, zwanego zjawiskiem koincydencji, powodującego obniżenie izolacyjności akustycznej dla pewnej częstotliwości [3, 10-13].

Z charakterystyk widmowych (RYS. 4, RYS. 5 i RYS. 6) otrzymanych z badań laboratoryjnych wynika, że dla analizowanych przegród gumowo-metalowych zjawisko koincydencji nie występuje w rozpatrywanym paśmie częstotliwości: 50 Hz-5 kHz. Z tego powodu model prawa masy wydaje się dla tego typu przegród wystarczającym przybliżeniem, a zjawisko to nie będzie tutaj szerzej omawiane.

W modelu prawa masy nie uwzględnia się także wymiarów przegród (szerokości i wysokości płyt).

W celu zastosowania prawa masy dla przegród warstwowych masę powierzchniową M wyznacza się sumując iloczyny gęstości i grubości materiałów (warstw).

Oprogramowanie symulacyjne

Wygodnym w użyciu narzędziem do wyznaczania własności dźwiękoizolacyjnych przegród warstwowych jest komercyjne oprogramowanie, które w szybki sposób, oprócz charakterystyki widmowej, pozwala na obliczenia jednoliczbowych wskaźników, między innymi takich jak R_w, C i C_tr.

Przykładem takiego programu jest AFMG SoundFlow [16], którego użyto w ramach artykułu. Oprogramowanie jest przeznaczone do obliczeń parametrów akustycznych struktur wielowarstwowych, w tym również własności dźwiękochłonnych materiałów. Parametry akustyczne struktury materiałowej obliczane są z wykorzystaniem własności fizycznych materiałów oraz modeli teoretycznych opracowanych przez takich badaczy jak Mechel, Bies i inni [16].

Zgodnie z tematyką artykułu przy użyciu programu wyznaczono charakterystykę izolacyjności akustycznej w pasmach 1/3-oktawowych o częstotliwościach środkowych z zakresu 50 Hz-5 kHz dla siedmiu przegród o parametrach pokazanych w TAB. 2. Podczas obliczeń symulacyjnych uwzględniono wymiary przegród zgodne z wymiarami próbek używanych w czasie badań doświadczalnych.

Wyniki obliczeń izolacyjności akustycznej

Wykorzystując podstawowy model obliczeniowy, jakim jest prawo masy, jak również obliczenia symulacyjne, wyznaczono charakterystyki widmowe izolacyjności akustycznej R analizowanych przegród. Na RYS. 7, RYS. 8, RYS. 9, RYS. 10, RYS. 11, RYS. 12 i RYS. 13 przedstawiono zestawienie porównawcze charakterystyk dla siedmiu przegród opisanych w tabeli 2, wyznaczonych dwiema metodami obliczeniowymi w odniesieniu do charakterystyki uzyskanej z pomiarów.

Z wykresów pokazanych na RYS. 7, RYS. 8, RYS. 9, RYS. 10, RYS. 11, RYS. 12 i RYS. 13 wynika, że prawo masy dość dobrze sprawdza się w określeniu charakterystyki izolacyjności akustycznej w porównaniu do badań laboratoryjnych. Najlepsze przybliżenia charakterystyk otrzymano dla przegród w zakresie częstotliwości powyżej 160 Hz. Znaczne rozbieżności między wartościami izolacyjności można zaobserwować wraz ze wzrostem grubości gumowej warstwy (RYS. 10) lub gumowego rdzenia dźwiękoizolacyjnego (RYS. 13).

Krzywe izolacyjności akustycznej uzyskane w wyniku przeprowadzonych symulacji w programie komputerowym lepiej oddają charakter krzywych otrzymanych z badań laboratoryjnych. Modele obliczeniowe używane w programie lepiej przybliżają wartości izolacyjności akustycznej uzyskane z badań laboratoryjnych w zakresie niższych częstotliwości (poniżej 200 Hz). Słabsze odwzorowanie charakterystyki, podobnie jak w przypadku modelu prawa masy, zaobserwować można dla przegrody z najgrubszymi warstwami gumy (RYS. 10 i RYS. 13).

W TAB. 3 pokazano zestawienie obliczonych jednoliczbowych ważonych wskaźników izolacyjności akustycznej R_w, wraz z widmowymi wskaźnikami adaptacyjnymi C i C_tr, dla analizowanych w ramach badań doświadczalnych, symulacyjnych i obliczeń z użyciem prawa masy, przegród gumowo-metalowych.

Wskaźnik jednoliczbowy R_w obliczany jest dla pasma częstotliwości od 100 Hz do 3150 Hz. Wyniki pokazane w TAB. 3 potwierdzają, że w przypadku przegród o stosunkowo dużej grubości (G10-S oraz S-G10-S) wartości R_w, podobnie jak i charakterystyki, znacznie odbiegają od wartości otrzymanych w wyniku badań laboratoryjnych. Różnice wskaźników R_w wynoszą 4-6 dB.

Przeprowadzone analizy porównawcze wykazały, że w przypadku badanych przegród gumowo-metalowych we wszystkich przypadkach (wariantach przegród, TAB. 3) lepsze przybliżenie wartości jednoliczbowego ważonego wskaźnika R_w otrzymano wykorzystując prawo masy, porównując je z wynikami otrzymanymi z obliczeń symulacyjnych.

Wnioski

Przegrody gumowo-metalowe charakteryzują się stosunkowo małą grubością i dość dobrą skutecznością w ograniczaniu poziomu hałasu maszyn i urządzeń, dlatego często wykorzystywane są do budowy ścianek dźwiękoizolacyjnych w obudowach dźwiękochłonno-izolacyjnych, w szczególności w obudowach zintegrowanych.

Aby zapewnić odpowiednie właściwości dźwiękoizolacyjne, warstwy gumowe muszą charakteryzować się dużą gęstością, powyżej 1000 kg/m³, którą mają gumy o strukturze litej.

Do orientacyjnego rozeznania przydatności danej przegrody w konstruowaniu ścianki dźwiękoizolacyjnej typu przegroda gumowo-metalowa, np. do obudowy dźwiękoizolacyjnej lub dźwiękochłonno-izolacyjnej, wystarczającym narzędziem wydaje się zastosowanie podstawowego modelu obliczeniowego, jakim jest prawo masy. Nie uwzględnia ono ani struktury przegrody, ani wpływu własności fizycznych materiału, ani zjawiska koincydencji. Natomiast z obliczonej tym sposobem charakterystyki izolacyjności akustycznej wyznaczyć można jednoliczbowe ważone wskaźniki R_w, które w dość dobrym stopniu, w przypadku analizowanych typów przegród warstwowych - gumowo-metalowych, przybliżają wartości R_w obliczone na podstawie badań laboratoryjnych, zwłaszcza dla przegród jednowarstwowych (jednorodnych) i dwuwarstwowych. W przypadku przegród trójwarstwowych różnice wartości R_w były większe i wynosiły do 4 dB.

Badania symulacyjne również mają wykorzystanie przy określaniu parametrów dźwiękoizolacyjnych przegród gumowo-metalowych. Uzyskano charakter przebiegu krzywej izolacyjności akustycznej zbliżony do wyników otrzymanych z badań laboratoryjnych. Istotny wpływ na wyniki otrzymane z badań symulacyjnych będą miały przede wszystkim dokładne wartości właściwości fizycznych materiałów składowych przegrody.

Artykuł wydany w ramach działalności statutowej AGH w Krakowie, Katedry Mechaniki i Wibroakustyki nr 11.11.130.734.

Literatura

1. Z. Engel, W. Zawieska, "Hałas i drgania w procesach pracy - źródła, ocena, zagrożenia", CIOP-PIB, Warszawa 2010.
2. Z. Engel, J. Sikora, "Obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne: podstawy projektowania i stosowania", Wydawnictwa AGH, Kraków 1998.
3. J. Nurzyński, "Akustyka w budownictwie", PWN, Warszawa 2018.
4. J. Sikora, "Wytyczne dla projektantów zabezpieczeń wibroakustycznych dotyczące możliwości stosowania nowego zestawu dźwiękochłonno-izolacyjnych przegród warstwowych", Wydawnictwa AGH, Kraków 2013.
5. J. Sikora, K. Kosała, "Rozwiązania ograniczające hałas uderzeniowy prasy mechanicznej", "Bezpieczeństwo Pracy - Nauka i Praktyka" 4/2002, s. 21-24.
6. K. Kosała, R. Olszewski, "Płytowe ustroje dźwiękochłonne - rozwiązania konstrukcyjne i obliczenia symulacyjne", "IZOLACJE" 10/2017, s. 60-64.
7. J. Sikora, "Przegrody warstwowe stosowane w rozwiązaniach ograniczających hałas maszyn i urządzeń", "Bezpieczeństwo Pracy - Nauka i Praktyka" 8/2012, s. 26-31.
8. J. Sikora, "Warstwy gumowe w rozwiązaniach zabezpieczeń wibroakustycznych", Wydawnictwa AGH, Kraków 2011.
9. D.A. Bies, C.H. Hansen, "Engineering noise control, theory and practice", Spon Press, London - New York 2009.
10. L. Majkut, R. Olszewski, "Modelowanie izolacyjności akustycznej przegród jednorodnych", "Autobusy. Eksploatacja i Testy" 12/2018, s. 553-556.
11. K. Kosała, "Calculation models for analyzing the sound insulating properties of homogeneous single baffles used in vibroacoustic protection", "Applied Acoustics" 146/2019, s. 108-117.
12. K. Kosała, L. Majkut, R. Olszewski, "Modelowanie izolacyjności akustycznej przegród Metodą Statystycznej Analizy Energii", "Autobusy. Eksploatacja i Testy" 12/2018, 106-109.
13. J. Sadowski, "Podstawy izolacyjności akustycznej ustrojów", Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1973.
14. EN ISO 10140-2: 2011, "Akustyka. Pomiar laboratoryjny izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Część 2: Pomiar izolacyjności od dźwięków powietrznych".
15. EN ISO 717-1-08:2013, "Akustyka. Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Część 1: Izolacyjność od dźwięków powietrznych".
16. AFMG SoundFlow Software Manual. Ahnert Feistel Media Group 2011.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!