Przy stale rosnącej gęstości zaludnienia, intensywnym rozwoju przemysłu i natężenia ruchu pojazdów, trudno oprzeć się wrażeniu, że hałas staje się coraz dotkliwiej odczuwaną plagą i coraz trudniej jest go uniknąć. Coraz wyższemu poziomowi hałasu towarzyszy rosnąca świadomość jego negatywnego oddziaływania na nasze zdrowie, bo nawet w miejscach, które kiedyś były ciche, dźwięki codziennego życia wdzierają się w uszy, powodując stres. Prognozy na przyszłość pokazują, że natężenie ruchu drogowego i hałasu będą nadal wzrastać, przy jednoczesnym zmniejszaniu się naszej przestrzeni życiowej. Stąd też rośnie zainteresowanie sposobami ochrony ludzi przed hałasem, a tym samym przed powodowanym przezeń stresem, mogącym prowadzić do poważnych chorób.
Wiele czasu poświęcono badaniu zagadnień przenikania hałasu z otoczenia do wnętrz budynków oraz między sąsiadującymi ze sobą obszarami. Chcemy skoncentrować się tu na starannym doborze odpowiedniego rodzaju szkła, jako jednym ze sposobów częściowego rozwiązania tego problemu.
Czym jest dźwięk?
Z fizycznego punktu widzenia dźwięk jest zjawiskiem z obszaru fizyki falowej/drgań mechanicznych. Już 2000 lat temu rzymski architekt projektujący amfiteatry wykorzystywał obserwacje rozchodzenia się fal w wodzie do doskonalenia swych projektów.
Jeśli na przykład uderzymy w kamerton, usłyszymy jego drgania, ale ich nie zobaczymy. Drgania kamertonu przekazywane są cząsteczkom powietrza, a te przekazują je kolejnym cząsteczkom. Takie zachowanie można zademonstrować w wodzie. Drgania, o których tu mowa, są porównywalne z falami na wodzie, gdzie wysokość fali stanowi miarę natężenia dźwięku, zaś liczba fal odpowiada częstotliwości dźwięku, tj. im więcej fal, tym wyższa częstotliwość. Częstotliwość definiowana jest jako liczba okresów drgań na sekundę i wyrażana jest w hercach. Jednostka ta opisuje częstotliwość lub wysokość dźwięku, a jej skrótem jest Hz.
W muzyce w stroju koncertowym, dźwięk A (najbliższy powyżej środkowego C) ma częstotliwość 440 Hz, czyli 440 drgań na sekundę. Jeśli częstotliwość zostanie podwojona do 880 Hz, dźwięk podniesie się o oktawę przy stroju równomiernie temperowanym.
Ucho młodego człowieka przystosowane jest do odbioru fal o częstotliwości od 20 do 20000 Hz i może wykrywać ciśnienie akustyczne a ściślej fluktuacje ciśnienia w zakresie od 10-5 Paskali [Pa], tj. 0,00001 Pa (dolny próg słyszalności) do 102 Pa, tj. 100 Pa (próg bólu), przekazując je mózgowi jako odczucie głośności. Wraz z wiekiem, z przyczyn naturalnych lub na skutek uszkodzenia słuchu, maleje zakres słyszalnych częstotliwości z obydwu końców skali.
Relacja pomiędzy najcichszym i najgłośniejszym hałasem określana jest stosunkiem wynoszącym 1 do 10 milionów. Ponieważ posługiwanie się tak rozległym zakresem jest bardzo niewygodne, w praktyce poziom ciśnienia akustycznego lub, w skrócie, poziom dźwięku L, wyrażany jest w skali logarytmicznej, która dokonuje konwersji ciśnienia akustycznego na bardziej wygodną miarę, znaną jako skala decybeli [dB]. Standardowy zakres mieści się w przedziale od 0 dB (próg słyszalności) do około 130 dB (próg bólu). Na Rysunku 3 pokazano kilka przykładów.
Istnieje nieskończenie wiele sposobów wytwarzania hałasu, a każdy hałas może składać się z dźwięków o różnym natężeniu przy różnych częstotliwościach. Przykładowo, w przypadku samolotu istnieje wyraźna różnica dźwięku wytwarzanego przez samoloty z napędem śmigłowym, współczesne samoloty napędzane dwuprzepływowymi silnikami odrzutowymi oraz samoloty wojskowe. Jeśli zależność między natężeniem dźwięku a jego częstotliwością przedstawimy w postaci graficznej, to wykresy te będą się wyraźnie od siebie różnić. Przy ograniczaniu hałasu różnice te należy wziąć pod uwagę, ponieważ różne rodzaje szkła wykazują różne tłumienie dla różnych częstotliwości. W celu uzyskania największych korzyści można dopasować charakterystykę szkła do danego typu hałasu i selektywnie wytłumić najbardziej nieprzyjemne dźwięki. Osoby mieszkające w sąsiedztwie prywatnego pasa startowego użytkowanego przez lekkie samoloty, mają zupełnie inny problem niż ci, którzy sąsiadują z wojskową bazą lotniczą. Rozwiązanie problemu hałasu będzie polegać na zastosowaniu szyb o różnych konfiguracjach.
Poziom hałasu można określać różnymi metodami. W przypadku dużych lub trudnych projektów można zlecić konsultantom akustycznym wykonanie analizy obciążenia hałasem miejsca projektowanego obiektu. Do pomiaru i uśrednienia poziomu hałasu przy różnych częstotliwościach w przedziale czasowym stosują oni czułe urządzenia. Analizy te dostarczają precyzyjnych danych na temat każdej częstotliwości, jaką należy wytłumić. W raportach informacje te przedstawiane są często w postaci tabelarycznej, z rozbiciem hałasu na częstotliwości w pasmach oktawowych, np.
Dźwięk można mierzyć w danym miejscu, blisko źródła hałasu lub w pewnej odległości między źródłem a wybranym miejscem. W przypadku, gdy dane tego miejsca nie są dostępne, dźwięk można skorygować uwzględniając odległość. Im dalej znajduje się źródło dźwięku, tym słabsze jest jego oddziaływanie.
Przykład: Słabnięcie hałasu wraz z odległością.
Hałas ruchu drogowego maleje o około 3 dB wraz z podwojeniem odległości prostopadle do drogi. Jeśli na przykład L stanowi wyrażony w dB poziom hałasu w odległości 5 m, to poziom ten będzie obniżał się wraz z odległością w następujący sposób:
Poziom hałasu często mierzy się w przedziale czasowym i uśrednia się w celu usunięcia nieproporcjonalnego wpływu odizolowanego głośnego bodźca dźwiękowego o charakterze wyjątkowym, np. dźwięku klaksonu samochodowego. Poziom energii hałasu może być określony jako długookresowy, ważony według charakterystyki A, średni poziom dźwięku nazywany poziomem dzień wieczór noc (Lden). Do projektowania przyjmuje się z reguły nie odizolowane głośne dźwięki a właśnie poziom hałasu Lden. Dlatego też celem projektu powinna być redukcja poziomu hałasu ogólnego a nie hałasów mających charakter sporadyczny. W przeciwnym razie kryteria ograniczenia hałasu stałyby się ekstremalne. W niektórych zastosowaniach właściwym może być przyjęcie tylko części z trzech przedziałów czasowych lub wprowadzenie dodatkowego wskaźnika dla hałasu, który pojawia się tylko przez krótki okres.
Niekiedy urządzenia do pomiaru hałasu umożliwiają rejestrację jego poziomu ważonego według charakterystyki A. Tam, gdzie wyznaczono limity hałasu w pomieszczeniach, często są one wyrażane w dB (A) lub LAeq. Waga A stanowi korektę hałasu dla każdej częstotliwości według znormalizowanej krzywej. Korekta ta uwzględnia fakt, że ludzki słuch nie reaguje tak samo na takie samo natężenie dźwięku dla każdej częstotliwości. Oznacza to, że niektóre częstotliwości wydają się nam głośniejsze niż inne, chociaż ich energia jest taka sama. Ważne jest, aby
uwzględniać tę charakterystykę słuchu człowieka zamiast podejmować decyzje oparte na wskazaniach czułych przyrządów, mierzących dźwięki w sposób absolutny.
Jeśli nie przeprowadzono analizy akustycznej otoczenia, istnieją przykłady wcześniejszych analiz tego rodzaju, umożliwiające projektantom przyjęcie typowych poziomów hałasu generowanego przez jego najbardziej rozpowszechnione źródła, np. ruch drogowy, muzykę, mowę, pociągi, samoloty itp.
W sytuacji, gdy informacje dla pasm oktawowych lub 1/3-oktawowych nie są dostępne, istnieje szereg skrótowych wyrażeń używanych do opisu hałasu. Zazwyczaj są to wskaźniki RW i Rtra, podające informacje w formie skondensowanej. Dla określenia parametrów szkła, skrótowce wyznacza się, porównując wykres tłumienia dźwięku w funkcji jego częstotliwości z krzywymi wzorcowymi, aż do uzyskania najlepszego ich dopasowania. Redukcja hałasu przy określonej częstotliwości na krzywej wzorcowej dostarcza wskaźniki RW i Rtra.
Gdy poziom hałasu jest znany, można tak dobrać charakterystykę szkła, aby uzyskać wymagany poziom hałasu szczątkowego. Dla prawidłowości obliczeń ważne jest, aby wskaźniki pomiarowe były dopasowane, albo ujęte w tej samej skali.
Dla tych, którzy mają ochotę zagłębić się bardziej
Kolorem niebieskim pokazano wartości zmierzone dla szyby zespolonej złożonej ze szkła Pilkington Optifloat™ o grubości 10 mm, przestrzeni powietrznej o szerokości 16 mm i szkła Pilkington Optiphon™ o grubości 9,1 mm. Krzywą odniesienia według normy EN 717, Rozdział 4, zaznaczono kolorem czerwonym. Tę właśnie krzywą odniesienia przesuwamy skokowo co 1 dB w kierunku krzywej pomiarowej, aż suma niekorzystnych odchyleń będzie możliwie jak największa lecz nie przekroczy wartości 32 dB. Uwzględniane są tylko te wartości pomiarowe, które są mniejsze od wartości odniesienia. Wartość na osi rzędnych tej przesuniętej krzywej odniesienia (zielona krzywa na Rys. 4) przy częstotliwości 500 Hz jest szukaną wartością RW i w tym przykładzie wynosi ona 45 dB. Kształt krzywej odniesienia uwzględnia opisywaną wcześniej naturę ludzkiego ucha, która sprawia, że nasz słuch jest bardziej wrażliwy na niektóre częstotliwości. Charakter naszego narządu słuchu powoduje, że odczuwamy dźwięk o częstotliwości tysiąca herców jako głośniejszy niż dźwięk o częstotliwości stu herców, pomimo iż natężenie dźwięku jest takie samo. Krzywa odwzorowuje więc tę szczególną zależność między amplitudą ciśnienia dźwięku a głośnością odczuwaną.
Określenie izolacyjności akustycznej różnych rodzajów szkła
Ponieważ każdorazowe wykonywanie pomiarów dla każdego systemu w miejscu jego zastosowania byłoby czasochłonne i kosztowne, wszystkie widma tłumienia dźwięku są rejestrowane w warunkach znormalizowanych. Izolacyjność akustyczna jest w bardzo dużym stopniu zależna od częstotliwości. Aby uniknąć pracy z całym zestawem danych, wykres można zredukować do jednej liczby. Znormalizowaną procedurę opisano przy Rysunku 4. Wynikiem jest jedna liczba - w tym przypadku RW = 45 dB - którą można stosować w dalszych obliczeniach. Niedogodnością takiej jednoliczbowej specyfikacji jest to, że taki sam wynik można otrzymać przy użyciu krzywych o zupełnie innych kształtach, co widać na Rysunku 5.
Bardziej wyrazistą specyfikację jednoliczbową można otrzymać przy użyciu zindywidualizowanych krzywych odniesienia, opracowanych dla konkretnych wymagań.
Takimi "przypadkami specjalnymi" są widmowe wskaźniki adaptacyjne C i Ctr. Uwzględniają one różne widma częstotliwości hałasu mieszkaniowego i hałasu drogowego, umożliwiając tym samym znalezienie w prosty sposób odpowiednich rozwiązań dla rozpatrywanego problemu.
Wskaźnik C uwzględnia następujące źródła hałasu:
- czynności mieszkaniowe (rozmowa, muzyka, radio, TV),
- zabawy dzieci,
- ruch kolejowy ze średnią i dużą prędkością,
- ruch drogowy na autostradach >80 km/h,
- samoloty odrzutowe w małej odległości,
- zakłady przemysłowe emitujące głównie hałas o średniej i wysokiej częstotliwości.
Wskaźnik Ctr uwzględnia takie źródła hałasu, jak:
- ruch uliczny miejski,
- ruch kolejowy z małymi prędkościami, śmigłowce,
- samoloty odrzutowe w dużej odległości, muzyka dyskotekowa,
- zakłady przemysłowe emitujące głównie hałas o niskiej i średniej częstotliwości.
Zatem, jeśli projektowany budynek znajduje się w dużym mieście, w bezpośrednim sąsiedztwie głównej drogi, wówczas najbardziej odpowiedni będzie wskaźnik Ctr. Jeśli natomiast budynek projektowany jest w bezpośredniej bliskości autostrady, wtedy najbardziej właściwy będzie wskaźnik C.
Zasady obliczeń
Mimo iż użycie skali decybelowej daje wygodne i poręczne liczby, to wiąże się też z nią stosowanie dość niezwykłych "zasad obliczeniowych". Jeśli natężenie źródła hałasu zostanie podwojone, wówczas łączna liczba decybeli zwiększa się tylko o 3 dB. Dziesięciokrotne zwiększenie hałasu, np. dziesięć wentylatorów elektrycznych zamiast jednego, powoduje jedynie podwojenie się poziomu hałasu, tj. wzrost o 10 dB.
Dla uzupełnienia tych wyjaśnień należałoby także wspomnieć, że spadek poziomu hałasu o połowę nie jest odczuwany przez ludzkie ucho jako zmniejszenie się o połowę natężenia dźwięku. Generalnie obowiązują tu następujące zasady:
- różnica 1 dB jest praktycznie niezauważalna;
- różnica 3 dB jest ledwo odczuwalna;
- różnica 5 dB stanowi wyraźną różnicę;
- różnica 10 dB oznacza zmniejszenie o połowę/podwojenie się poziomu hałasu.
Różne rodzaje izolacji akustycznej
Masa
Jak już wspomniano wcześniej, dźwięk rozchodzi się w postaci fal poprzez wzbudzanie drgań cząstek ośrodka propagacji. Ze względu na ten mechanizm przekazywania, hałas podlega naturalnemu tłumieniu zależnemu od masy ośrodka przenoszącego drgania. Upraszczając - im większa masa znajduje się między nadajnikiem a odbiornikiem, tym silniejsze tłumienie. W związku z tym, najprostszym sposobem zwiększenia izolacyjności akustycznej szkła jest stosowanie jego dużej ilości. Tak więc pojedyncza tafla szkła o grubości 12 mm ma wartość RW = 34 dB, pod czas gdy ta sama wartość dla tafli o grubości 4 mm wynosi jedynie 29 dB.
Częstotliwość koincydencji i asymetria
Jeśli porównamy widma szkła float o grubości 4 mm, 8 mm i 12 mm, to zauważymy, że w każdym z tych widm występuje spadek w jego prawej części. Ten spadek parametrów przy pewnych częstotliwościach lub częstotliwościach koincydencji występuje przy częstotliwości, która odpowiada naturalnej częstotliwości rezonansowej produktu. Tak zwana częstotliwość koincydencji jest cechą charakterystyczną materiału i w przypadku szkła zależy od jego grubości.
Zgodnie z tym wzorem, częstotliwość koincydencji fg wynosi 3000 Hz dla szkła float
o grubości 4 mm, 1500 Hz dla szkła float o grubości 8 mm i 1000 Hz dla szkła float o grubości 12 mm, co odpowiada bardzo dobrze
55
widmu pokazanemu na Rysunku 6.
W celu uniknięcia tego problemu można różnicować grubości poszczególnych tafli szkła w szybie zespolonej tak, aby gdy jedna tafla znajduje się w swej częstotliwości koincydencji, inna znajdowała się poza nią i nadal tłumiła dźwięk. Takie asymetryczne konstrukcje mogą znacznie zmniejszyć spadek tłumienia hałasu w obszarze koincydencji, co pokazano na Rysunku 7. Pożądana jest różnica grubości szyb wynosząca 30%. Nie tylko zmniejsza ona spadek tłumienia, ale także przesuwa go w górę skali, co jest korzystne, ponieważ im wyższa częstotliwość tym skuteczniej szkło obniża ogólny poziom hałasu.
Odstęp między szybami / wypełnienie gazem
Inną metodą ograniczenia transmisji hałasu są zmiany odległości między szybami. W przypadku tradycyjnych szyb zespolonych odstęp między taflami szkła jest ograniczony w celu utrzymania optymalnych parametrów termicznych. Jest on jednak niedostateczny dla znacznego polepszenia izolacyjności akustycznej. Przy oszkleniu podwójnym (np. okna skrzynkowe) pojawia się możliwość uzyskania relatywnie większego odstępu między szybami, a przestrzeń powietrzna przekraczająca 60 mm zaczyna już zapewniać rzeczywistą poprawę parametrów akustycznych. Ten pozytywny efekt można jeszcze zwiększyć przez wypełnienie przestrzeni między szybami płytkami dźwiękoizolacyjnymi.
Wypełnienie komory szyby zespolonej gazem daje marginalny efekt. Zastosowanie argonu nie daje praktycznie żadnej poprawy. Krypton, dzięki swej gęstości, zapewnia niewielką poprawę tłumienia dźwięku, wynoszącą do 1 dB. Do celów izolacji dźwiękowej nadawałby się sześciofluorek siarki (SF6), który jest stosunkowo ciężki. Ma on jednak dwie wady. Po pierwsze, pogarsza wartość współczynnika przenikania ciepła, a po drugie gaz ten ma ekwiwalent CO2 wynoszący 22 800, a tym samym znacznie przyczynia się do efektu cieplarnianego. Właśnie z tych powodów stosowanie gazu SF6 jest zakazane w znacznej części Europy.
Odsprzęganie / tłumienie
Stwierdziliśmy już, że grubość szkła wpływa na tłumienie hałasu, a stosowanie różnych grubości tafli szkła w szybie zespolonej stanowi przydatną metodę jego poprawy. Zwiększanie masy produktu, czy stosowanie dużych odstępów między szybami może być niepożądane ze względu na ograniczenia ciężaru i przestrzeni. Na szczęście istnieją sposoby poprawy tłumienia hałasu za pomocą stosunkowo cienkich tafli szkła przez zapewnienie właściwości tłumiących bezpośrednio szkłu. Dzięki zlaminowaniu szyb za pomocą warstwy zwykłej folii PVB możemy zredukować spadek tłumienia, spowodowany częstotliwością koincydencji i przesunąć częstotliwość, przy której występuje ten spadek. Dodanie laminowanego szkła Pilkington Optilam™ do konstrukcji szyby zespolonej może zapewnić znaczny wzrost izolacyjności szczególnie wtedy, gdy poziom hałasu jest wysoki przy częstotliwości koincydencji dla szkła monolitycznego. Szyby zespolone mogą zapewnić bardzo dobre wyniki, wykorzystując kombinację szkła monolitycznego (Pilkington Optifloat™) oraz szkła laminowanego Pilkington Optilam™. Do zastosowań, w których stawiane są jeszcze wyższe wymagania przeznaczone jest szkło Pilkington Optiphon™. Produkt ten wykorzystuje w szkle laminowanym specjalne warstwy, które dodatkowo odsprzęgają akustycznie obydwie tafle szkła, przy jednoczesnym zapewnieniu typowej dla szyb laminowanych wytrzymałości na uderzenia. Jeśli spojrzymy na profil krzywej dla szkła Pilkington Optiphon™, dostrzeżemy, że prawie zupełnie wyeliminowano w nim spadek tłumienia, występujący przy częstotliwości koincydencji. Do określonej charakterystyki dźwiękowej można dopasować odpowiedni typ produktu, który umożliwi uzyskanie bardzo wysokich parametrów użytkowych bez radykalnego zwiększenia grubości szkła. Pozwoli to na większą elastyczność przy projektowaniu bez poświęcenia innych funkcji oszklenia.
W lewej części widma widoczny jest dalszy spadek. Jest to tak zwana częstotliwość rezonansowa, tj. częstotliwość, przy której cały komponent wpada w drgania rezonansowe, na skutek czego szczególnie dobrze przenosi drgania akustyczne i kiepsko je tłumi.
Izolacyjność akustyczną można poprawić przesuwając częstotliwość rezonansową komponentu do innej częstotliwości (dalej od uciążliwej częstotliwości lub do obszaru, w którym ludzki słuch jest mniej czuły). Efekt ten osiągany jest za pomocą "odsprzężenia" szyby zespolonej, dzięki zastosowaniu w niej szkła, które jest zarazem zwarte i miękkie. Można to osiągnąć przez połączenie dwóch tafli szkła specjalnymi (miękkimi) odlewanymi żywicami lub nowoczesnymi warstwami PVB, opracowanymi specjalnie do tych zastosowań.
Ważne przypomnienie
Celem doboru produktu o odpowiedniej charakterystyce akustycznej jest stworzenie wewnątrz budynku komfortowego otoczenia, wolnego od stresu powodowanego przenikającym z zewnątrz hałasem.
Poziom hałasu szczątkowego nie jest jednakowy dla wszystkich rodzajów pomieszczeń, a dla większości z nich opracowano krajowe wytyczne. Na przykład, w bibliotece hałas tła powinien wynosić około 30 dB, a sypialnia różni się pod tym względem od salonu. Zerowy poziom hałasu jest niepożądany i zasadniczo występuje jedynie w komorach bezechowych, przeznaczonych do badań. Zerowy poziom hałasu może być niesamowitym doświadczeniem, ponieważ ucho dostraja się do innych dźwięków, które stają się wtedy mocno uciążliwe. Jako wstępną wskazówkę można wykorzystać następujące równanie:
źródło hałasu - tłumienie budynku = hałas szczątkowy
Należy zauważyć, że cały budynek musi mieć pożądane właściwości akustyczne, a samo szkło nie rozwiąże wszystkich problemów. W przeciwieństwie do utraty lub zysku ciepła, których wielkość jest zazwyczaj proporcjonalna do pola powierzchni, dźwięk potrzebuje jedynie małej szczeliny, aby dostać się do budynku. Przy redukcji hałasu do 35 dB zapewnionej przez szkło rama okienna bez otworów wentylacyjnych powinna mieć podobne parametry. Powyżej tego poziomu, okna przewidziane do redukcji hałasu powinny dotrzymywać kroku parametrom szkła, aby zapewnić prawidłowe funkcjonowanie końcowego produktu.
Podsumowanie
Istnieje pięć czynników, które można wykorzystywać łącznie, a które mogą mieć pozytywny wpływ na izolacyjność dźwiękową szyb zespolonych:
- Masa szkła
- Asymetryczna konstrukcja
- Duży odstęp pomiędzy szybami
- Stosowanie alternatywnych gazów
- Stosowanie specjalnego szkła laminowanego Pilkington Optiphon™ lub produktów laminowanych żywicami.
W zastosowaniach o wyższych wymaganiach w zakresie izolacji akustycznej, nowoczesne laminowane bezpieczne szyby dźwiękochłonne takie jak Pilkington Optiphon™, zaczynają wyraźnie dominować nad szybami żywicowanymi, ponieważ pozwalają one na osiągnięcie wartości RW przekraczających nawet 50 dB i mogą być dostarczane w dużych wymiarach. Kompatybilność folii PVB z innymi materiałami jest dobrze rozpoznana, a korzyści takie jak bezpieczeństwo użytkowania w przypadku oszkleń ponad głowami oraz ochrona przed uderzeniami są tu dodatkowym atutem.
red. na podstawie mat. firmy
