Modernizacja akustyczna placówki edukacyjnej

W 2017 r. zlecono wykonanie pomiarów akustycznych [4, 5], które faktycznie potwierdziły te zastrzeżenia. Wyniki pomiarów wykazały długi czas pogłosu, wysoki poziom hałasu oraz niską zrozumiałość mowy we wszystkich pomieszczeniach szkoły.

W tym samym roku Urząd Dzielnicy Ursynów m.st. Warszawy podjął decyzję o akustycznej modernizacji budynku. Projekt modernizacji akustycznej szkoły wykonało krakowskie biuro akustyczne archAKUSTIK, przy współpracy warszawskiej pracowni WMN Architekci. Zgodnie z wiedzą Autora była to pierwsza w Polsce tego typu kompleksowa modernizacja szkoły, podyktowana wyłącznie względami akustycznymi.

Projekt modernizacji akustycznej składał się z:

• pomiarów akustycznych stanu istniejącego,
• pomiarów powykonawczych,
• projektu wnętrza z uwzględnieniem wszystkich elementów akustycznych (głównie dźwiękochłonnych),
• projektu elektryki (z uwagi na relokację instalacji i lamp),
• uzgodnień konstrukcyjnych, przeciwpożarowych i higieniczno-sanitarnych,
• szczegółowego kosztorysu,
• specyfikacji materiałowej.

Etap projektowania

Proces projektowania rozpoczęto od wykonania inwentaryzacji poszczególnych pomieszczeń z uwzględnieniem ich wymiarów i istniejącego wyposażenia.

Budynek szkolny o powierzchni użytkowej 8200 m2 składa się z 29 klas szkolnych, 4 sal nauczania początkowego (I–III), 4 sal językowych, korytarzy, jadalni, auli oraz dużej sali gimnastycznej.

• We wszystkich pomieszczeniach przeprowadzono pomiary akustyczne podstawowych parametrów według normy ISO 3382 (T20/T30/EDT) z wykorzystaniem oprogramowania Dirac (v.6) [11].
• Dodatkowo korzystając z oprogramowania NRC SPMSoft [12], w wybranych pomieszczeniach zmierzono zrozumiałość mowy.
• Pomieszczenia zostały podzielone na grupy o zbliżonych wymiarach, funkcji i typowym wyposażeniu.
• Następnie dla każdej grupy pomieszczeń stworzono 1–2 komputerowe modele wnętrz w programie Odeon (v14) [12]. Każdy z nich skalibrowano w taki sposób, aby czas pogłosu i wskaźnik transmisji mowy w modelu odpowiadały wartościom uzyskanym podczas pomiarów.
• Dane z modelu pozwoliły na opracowanie projektu architektonicznego dla każdego typu pomieszczenia, uwzględniając przy tym rodzaj, lokalizację oraz wymaganą powierzchnię materiałów dźwiękochłonnych.

Zgodnie z założeniami projektu poprawa komfortu akustycznego miała nastąpić poprzez spełnienie wymagań akustycznych opisanych w normie PN-B 02151-4:2015 [6]. Została ona wprowadzona w 2015 r., a od 1 stycznia 2018 r. jej stosowanie jest obowiązkowe we wszystkich nowoprojektowanych i modernizowanych budynkach. Określono w niej maksymalne dopuszczalne wartości czasu pogłosu lub minimalne wymagane wartości równoważnej powierzchni dźwiękochłonnej w zależności od funkcji pomieszczenia. Pomieszczenia, w których komunikacja werbalna jest szczególnie istotna, np. klasy szkolne, aule, sale wykładowe i konferencyjne, powinny spełniać ponadto minimalne wymagane wartości Wskaźnika Transmisji Mowy (STI).

W typowej klasie szkolnej o objętości od 120 do 250 m3 uśredniony w pomieszczeniu czas pogłosu (RT) zmierzony według ISO 3382 część 1 lub 2 [7, 8] nie powinien przekraczać 0,6 sekundy dla 250–8000 Hz oraz 0,78 sekundy dla 125 Hz.

Średnia wartość STI zmierzona według EN ISO 60286-16 [10] z wykorzystaniem sztucznych ust [9] przy realnych poziomach tła akustycznego (zwykle 35 dBA) nie powinna być niższa niż 0,60.

Na wybór rozwiązań projektowych miały wpływ wymagania ze strony inwestora, ograniczenia konstrukcyjne oraz wymogi sanitarno-higieniczne. Przede wszystkim całkowity koszt prac budowlanych został ograniczony do 1 mln złotych netto, co wymusiło wybór najtańszych materiałów dźwiękochłonnych oraz ograniczyło ich powierzchnię do minimum.

Najprostszym rozwiązaniem, poprawiającym akustykę sal lekcyjnych byłoby zamontowanie dźwiękochłonnych sufitów podwieszanych. Niestety zmniejszenie wysokości pomieszczeń, mających zaledwie 3,0 m, było praktycznie niemożliwe. Zaś ze względu na wytyczne sanitarno-higieniczne maksymalne pokrycie sufitu materiałami dźwiękochłonnymi zostało ograniczone do maksymalnie 40–50% jego powierzchni. Grubość warstwy nie mogła być większa niż 10 cm.

Z powodu braku zapasu nośności konstrukcji dachu na sali gimnastycznej niemożliwe było podwieszenie jakichkolwiek elementów do sufitu. Instalacja materiałów dźwiękochłonnych została tam ograniczona jedynie do ścian. Dodatkowo w większości pomieszczeń i korytarzy materiały wykończeniowe mogły być zamocowane do ścian jedynie powyżej wysokości 2 m nad poziomem posadzki. Przestrzeń poniżej została pozostawiona na potrzeby zawieszania materiałów edukacyjnych i ustawiania mebli.

Projekt i wyniki pomiarów powykonawczych

Klasy szkolne

Do izolacji akustycznej klas szkolnych o wysokości 3,0 m wykorzystano płyty dźwiękochłonne z wełny mineralnej o grubości 100 mm.

Materiał został umiejscowiony po obwodzie sufitu, pokrywając ok. 45–50% jego powierzchni. Środek sufitu został pozostawiony jako otynkowany i w pełni odbijający dźwięk. Dodatkowo na dwóch prostopadłych ścianach powyżej wysokości 2 m zastosowano metrowy pas materiału dźwiękochłonnego. Dzięki temu powierzchnia ścian poniżej 2 m mogła być wykorzystana przez nauczycieli do wieszania materiałów edukacyjnych. Pozwoliło to na spełnienie wymagań normowych RT_{250–8 kHz} ≤  0,6/RT_{125 Hz}  ≤  0,78 oraz STI  ≥  0,6.

Łączna powierzchnia materiału dźwiękochłonnego pokrywała jedynie ok. 66–73% powierzchni pomieszczenia. Zastosowane rozwiązanie pozwoliło jednak na obniżenie czasu pogłosu we wszystkich klasach z ~2,0 sekund przed modernizacją do ~0,6 sekundy po modernizacji już od 125 Hz.

Parametr STI, charakteryzujący zrozumiałość mowy, podwyższył się z poziomu 0,45–50 do co najmniej 0,70.

Na FOT. 1, FOT. 2 i FOT. 3 (zdjęcie główne) pokazano typową klasę szkolną o wysokości 3 m i powierzchni ok. 65 m2 przed i po modernizacji oraz jako model obliczeniowy w programie Odeon.

Świetlice

W świetlicach o wysokości 3,3 m w celu spełnienia wymagań normowych RT_{250–4 kHz} ≤  0,6, materiał dźwiękochłonny umiejscowiono na całej powierzchni sufitu. Analogicznie do klas szkolnych na dwóch prostopadłych ścianach zastosowano dodatkowo metrowy pas materiału. Łączna powierzchnia materiału akustycznego w tym typie pomieszczeń odpowiadała ok. 122% powierzchni pomieszczenia.

W celu uzyskania pochłaniania dźwięku co najmniej od 250 Hz, płyty sufitowe z wełny mineralnej o grubości 15 mm zostały podwieszone 200 mm poniżej lica stropu. Pozwoliło to na obniżenie czasu pogłosu we wszystkich świetlicach z ~1,5 sekundy przed modernizacją do ~0,4 sekundy w 500 Hz oraz do ~0,5 sekundy w 250 Hz po modernizacji.

Na FOT. 4, FOT. 5 i FOT. 6 pokazano typową świetlicę o wysokości 3,3 m i powierzchni ok. 65 m2 przed i po modernizacji oraz jako model obliczeniowy w programie Odeon.

Sala gimnastyczna

Sala gimnastyczna o wymiarach 44×24×11 m według normy powinna spełnić warunek RT_{250–4 kHz}  ≤  1,8 s. Z powodu braku zapasu nośności konstrukcji dachu niemożliwe było podwieszenie jakichkolwiek elementów do sufitu.

• Materiał dźwiękochłonny został zamocowany wyłącznie na ścianach.
• Uzyskanie wymagań normowych ułatwiło małe przeszklenie ścian i możliwość montażu płyt dźwiękochłonnych na wszystkich ścianach. Dzięki temu, że dach sali był jednospadowy, ryzyko pojawienia się typowego echa trzepoczącego pomiędzy twardym sufitem a twardą podłogą było niewielkie.
• W celu uzyskania efektywnego pochłaniania dźwięku od co najmniej 250 Hz, warstwę dźwiękochłonną stanowiło połączenie płyt z wełny mineralnej o grubości 60 mm i 40 mm (z odporną na uderzenia tkaniną szklaną).
• Materiał umiejscowiono powyżej wysokości 2,5 m.

Powyższe rozwiązanie projektowe pozwoliło na obniżenie czasu pogłosu z ponad 6,0 sekund przed modernizacją do 1,75 sekundy po modernizacji już od 250 Hz oraz uzyskanie wartości 1,88 sekundy w 125 Hz.

Na FOT. 7, FOT. 8 i FOT. 9 pokazano salę gimnastyczną przed i po modernizacji oraz jako model obliczeniowy w programie Odeon.

Korytarz

W celu spełnienia wymagań normy w korytarzach o wysokości 3 m, jako ogólną zasadę przyjęto umiejscowienie materiału dźwiękochłonnego na możliwie całej powierzchni sufitu oraz na górnych częściach ścian tam, gdzie było to możliwe.

Płyty sufitowe z wełny mineralnej o grubości 15 mm zostały podwieszone 200 mm poniżej lica stropu, a na ścianach powyżej wysokości 2,5 m zamocowano płyty o grubości 40 mm. Pozwoliło to na obniżenie Czasu Wczesnego Zaniku w średnich częstotliwościach z ponad 2,5 sekundy przed modernizacją do zaledwie 0,5 sekundy po modernizacji.

Na FOT. 10 i FOT. 11 pokazano typowy korytarz o powierzchni 216 m2 przed i po modernizacji. W tym korytarzu zamocowano łącznie 230 m2 materiału dźwiękochłonnego (202 m2 na suficie oraz 28 m2 na ścianach).

Porównanie pomiarów akustycznych przed i po modernizacji

Wyniki pomiarów czasu pogłosu (T30) przed i po modernizacji akustycznej dla trzech rodzajów pomieszczeń (świetlic, klas szkolnych i sali gimnastycznej) zostały przedstawione na RYS. 1, RYS. 2 i RYS. 3.

Analizując wyniki, można zauważyć, że niskie częstotliwości są gorzej pochłaniane w przypadku świetlic niż klas szkolnych. Pozwala to wnioskować, że grubszy materiał dźwiękochłonny (100 mm) zamocowany bezpośrednio do ściany posiada lepsze właściwości pochłaniania tego zakresu częstotliwości niż cieńszy materiał (15 mm), który jest podwieszony 200 mm poniżej stropu.

W przypadku korytarzy przed i po modernizacji dokonano pomiaru poziomu dźwięku A w różnych odległościach od źródła wszechkierunkowego. Wpływ wprowadzenia materiałów dźwiękochłonnych w korytarzach na obniżenie poziomu hałasu pokazano na RYS. 4.

Jak widać na wykresie, zastosowane rozwiązanie pozwoliło zredukować poziomu dźwięku o 8–9 dB (A) w odległości 20 m od źródła. Jednak z uwagi na niskie rozproszenie dźwięku dolnych partii równoległych ścian korytarzy, słychać było nieznaczne echo trzepoczące. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zamontowanie materiału dźwiękochłonnego odpornego na uszkodzenia mechaniczne na znacznej powierzchni jednej z dłuższych oraz jednej z krótszych ścian. Niestety z przyczyn użytkowych to rozwiązanie wydaje się trudne do zastosowania.

Wnioski

Modernizacja akustyczna SP 340 została pozytywnie oceniona zarówno przez dyrekcję szkoły, jak i nauczycieli i uczniów. Twierdzą oni zgodnie, że hałas w korytarzach i na sali gimnastycznej w dużej mierze został zredukowany, a komunikacja pomiędzy nauczycielem a dziećmi w klasach uległa znacznej poprawie. Uczniowie również dostrzegają zmianę w poziomie hałasu i jak mówią „sale są teraz cichsze”.

Po sukcesie projektu, w 2019 r. zainicjowano pilotażowy program modernizacji ośmiu warszawskich szkół. Stołeczny ratusz przeznaczył na ten cel 5 mln zł. [15]

Wnioski po zakończeniu omawianej modernizacji można przedstawić następująco:

1) w typowych klasach z typowym wyposażeniem spełnienie wymagań normy PN-B 02151-4:2015, co do czasu pogłosu na poziomie 0,6 sekundy już od niskich częstotliwości (125–250 Hz) jest możliwe po umiejscowieniu materiałów dźwiękochłonnych po zewnętrznym obrysie sufitów oraz w górnej części ścian,

2) wykonanie pomiarów rzeczywistego czasu pogłosu w pomieszczeniach przed ich modernizacją pozwoliło na odpowiednią kalibrację modeli obliczeniowych. Dzięki temu błędy wyników pomiarów po modernizacji zostały zminimalizowane,

3) w pustych pomieszczeniach (bez mebli i wyposażenia), gdzie chłonność skoncentrowana jest w górnych partiach pomieszczenia, równoległe i odbijające dźwięk powierzchnie dolnych części ścian mogą przyczyniać się do powstawania słyszalnego echa trzepoczącego,

4) w salach gimnastycznych montaż płyt dźwiękochłonnych do sufitu może okazać się niemożliwy ze względu na niewystarczającą nośność konstrukcji dachu. W takiej sytuacji tylko pokrycie wszystkich ścian dobrym materiałem dźwiękochłonnym pozwoli na spełnienie wymagań normy w zakresie dopuszczalnego czasu pogłosu. Takie rozwiązanie będzie jednak tylko możliwe w przypadku, gdy ściany tych pomieszczeń nie są mocno przeszklone, a pozostawiona bez materiałów dźwiękochłonnych powierzchnia sufitu mocno rozprasza dźwięk albo jest nierównoległa do podłogi.

Literatura

1. „Hałas w szkole – rodzice z SP340 walczą o ciszę”, artykuł z dn. 29.04.2016, http://www.haloursynow.pl/artykuly/
   /halas­‑w-szkole-rodzice-z-sp-340-walcza-o-cisze,5965.htm (dostęp 12.04.2019).
2. „Szkolny korytarz jak ekspresówka – będą ekrany dźwiękochłonne”, artykuł z dn. 29.11.2016, http://www.tvnwarszawa.tvn24.pl/informacje,news,szkolny-korytarz-jak-ekspresowka-brbeda-ekrany-dzwiekochlonne,218462.html (dostęp 12.04.2019).
3. „Za głośno w szkołach. Ursynowska podstawówka z nowatorskim wyciszeniem”, artykuł z dn. 23.11.2016, http://informator-stolicy.pl/artykul/za-glosno-w-szkolach­‑ursynowska-podstawowka-z-nowatorskim-wyciszeniem (dostęp 12.04.2019).
4. „Problem hałasu w szkołach – modernizacja akustyczna”, artykuł z dn. 11.12.2018, http://sztuka-architektury.pl/article/11899/problem-halasu-w-szkolach-modernizacja-akustyczna (dostęp 12.04.2019).
5. W. Mikulski, J. Radosz, J. Kozłowski, „Pomiary hałasu oraz pomiary właściwości akustycznych wybranych pomieszczeń w szkole podstawowej nr 340 w Warszawie”, Raport CIOP 223/PZ/2017/NA, (2017).
6. 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”.
7. EN ISO 3382-1:2009, „Acoustics – Measurement of room acoustic parameters. Part 1: Performance spaces”.
8. EN ISO 3382-2:2008, „Acoustics – Measurement of room acoustic parameters. Part 2: Reverberation time in ordinary rooms”.
9. ITU-T Recommendation P.51 Artificial Mouth, 8/96 (1996).
10. PN EN ISO 60268:16, „Urządzenia systemów elektroakustycznych. Część 16: Obiektywna ocena zrozumiałości mowy za pomocą wskaźnika transmisji mowy”.
11. Oprogramowanie pomiarowe Dirac, http://www.acoustics­‑engineering.com
12. J.S. Bradley, T. Estabrooks, „SPMSoft (Speech Privacy Measurement Software) User’s Manual”, Technical Report NRC-IRC-19941, NRC, Canada (2012), dostępne: https://doi.org/10.4224/20378218
13. Oprogramowanie symulacyjne Odeon: http://www.odeon.dk
14. A.K. Kłosak, „Wytyczne do projektowania pomieszczeń zgodnie z nową normą o akustyce wnętrz – PN-B-02151-4:2015-06”, „Materiały Budowlane” 8/2017, s.143–146.
15. „W ślad ursynowskiej szkoły pójdą inne. Będą wyciszane”, artykuł z dn. 29.04.2016, https://www.haloursynow.pl/artykuly/w-slad-ursynowskiej-szkoly-pojda-inne-beda,10599.htm (dostęp 15.07.2019).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!