Izolacyjność akustyczna płyt warstwowych stosowanych w halach

Izolacyjność akustyczna płyt warstwowych – wstęp

Izolacyjność akustyczna przegród (a więc i izolacyjność akustyczna płyt warstwowych) określa zdolność przegrody do ograniczenia przenikania przez nią energii akustycznej. Rozróżnia się dwa rodzaje izolacyjności akustycznej – na dźwięki powietrzne i uderzeniowe. W pierwszym przypadku oznacza to zdolność ograniczenia hałasu, który rozchodzi się w postaci fali akustycznej drogą powietrzną, natomiast drugi dotyczy ograniczenia dźwięków rozchodzących się drogą materiałową, np. w postaci fal mechanicznych poprzez konstrukcję budynku. Niniejszy artykuł skupi na ocenie hałasów rozchodzących się drogą powietrzną.

Izolacyjność akustyczna na dźwięki powietrzne jest określana przez współczynnik przenoszenia τ:
τ = W_o/W_i, gdzie W_i jest energią akustyczną padającą na przegrodę, W_o energią przeniesioną na drugą stronę przegrody. Ze względu na powyższą definicję współczynnik ten zmienia się w zakresie od 0 do 1. W praktyce posługuje się izolacyjnością akustyczną wyrażoną w dB, która jest zdefiniowana jako R = 10log(1/τ). Przykładowo R = 10 dB oznacza, iż tylko 1/10 część energii akustycznej padającej na przegrodę przedostaje się na jej drugą stronę. Przyrost izolacyjności o każde kolejne 10 dB oznacza dziesięciokrotne zmniejszenie transmisji hałasu przez przegrodę, a więc R = 20 dB oznacza transmisję tylko 1/100 części energii hałasu do obszaru po drugiej stronie przegrody.

Izolacyjność akustyczna przegród, czyli również izolacyjność akustyczna płyt warstwowych silnie zależy od częstotliwości. Dla większości przegród uzyskuje się niską izolacyjność w zakresie małych i jednocześnie stosunkowo dużą w zakresie dużych częstotliwości. Na rysunku poniżej przedstawiono częstotliwościową charakterystykę izolacyjności akustycznej dwóch przykładowych płyt warstwowych o grubości 10 cm.

Częstotliwościowa charakterystyka izolacyjności akustycznej panelu warstwowego o grubości 10 cm z rdzeniem z wełny (kolor czerwony) i z pianki PIR (kolor niebieski), rys. R. Bolejko

W celu ułatwienia interpretacji parametrów przegród, np. porównania ich pod względem izolacyjności akustycznej, wprowadzono jednoliczbowe, niezależne od częstotliwości, wskaźniki izolacyjności akustycznej. Najczęściej używany parametr R_w, który jest „wskaźnikiem ważonej izolacyjności akustycznej adekwatnej” [1], wyznacza się poprzez porównanie charakterystyki częstotliwościowej R przegrody z referencyjną krzywą. Dwa dodatkowe współczynniki, tzw. widmowe wskaźniki adaptacyjne C i C_tr [1], służą do ułatwienia oceny przenikania hałasów bytowych i komunikacyjnych przez przegrodę z uwzględnieniem ich zawartości widmowej – częstotliwościowej. Mianowicie wskaźnik C jest stosowany do oceny przegród wewnątrz budynku i określany dla typowych hałasów występujących na skutek normalnego użytkowania pomieszczeń (odgłosy rozmów, grającego radia). Parametr C_tr jest natomiast stosowany do przegród zewnętrznych, elewacyjnych, do oceny przenikania hałasu komunikacyjnego pochodzącego ze środowiska zewnętrznego. W dokumentach normatywnych z kolei najczęściej używa się „wskaźników oceny izolacyjności akustycznej adekwatnej” R_A1 i R_A2, które są powiązane z wyżej wymienionymi parametrami w sposób następujący – R_A1 = R_W+C oraz R_A2 = R_w+C_tr.

Podczas oceny lub porównania adekwatności akustycznych przegród z wymaganiami normowymi stosuje się zatem wskaźniki R_A1 i R_A2 określone na podstawie R_w, C i C_tr, które z kolei są wyznaczane w wyniku pomiarów w specjalistycznych laboratoriach badawczych izolacyjności akustycznej R w podstawowym (100–3200 Hz) lub rozszerzonym (50–5000 Hz) zakresie częstotliwości.

Producenci płyt warstwowych na ogół podają wszystkie pięć wskaźników – R_w, C, C_tr, R_A1, R_A2, ale należy pamiętać, iż R_A1 i R_A2 są uzyskiwane na podstawie R_w, C i C_tr. Wartości wskaźników, zgodnie z zalecaniami normatywnymi, podawane są z dokładnością do 1 B, a metodyka określania powyższych wskaźników jest opisana w normie PN EN ISO 717 1 [1].

Izolacyjność akustyczna płyt warstwowych w zależności od ich rodzaju

Przy budowie hal przemysłowych najczęściej stosuje się płyty warstwowe składające się z dwóch sztywnych okładzin zewnętrznych wykonanych np. z blachy z powłoką ochronną, pomiędzy którymi jest umieszczony lekki materiał o dobrych adekwatnościach termoizolacyjnych, np. pianka PIR lub wełna mineralna. Ponadto w panelach, nazywanych potocznie akustycznymi, rdzeniem jest płyta z twardej wełny mineralnej, a jedna z okładzin jest wykonana z blachy perforowanej. Płyty o takiej konstrukcji, z zastosowaniem blachy perforowanej, wykazują dobre adekwatności dźwiękochłonne od strony z perforacją, co dodatkowo umożliwia obniżenie hałasu pogłosowego w hali. Jest to więc dodatkowa cenna i pożądana cecha akustyczna takiej przegrody.

Izolacyjność akustyczna płyt warstwowych zależy od rodzaju i kolejności warstw, a przede wszystkim od masy powierzchniowej przegrody (masa przypadająca na 1 m²). Przy zastosowaniu pianek poliuretanowych, płyt styropianowych lub podobnych materiałów o małej porowatości i jednocześnie dosyć dużej sztywności mechanicznej, z punktu widzenia transmisji hałasu, płyty takie są opisane dzięki modelu przegrody podwójnej. Przy czym pod pojęciem przegrody podwójne należy rozumieć konstrukcję, która składa się z twardej sztywnej okładziny, warstwy o znacznie mniejszej sztywności (rdzeniu) oraz twardej i sztywnej drugiej okładziny. Na ogół przegroda podwójna umożliwia uzyskanie znacznie większej izolacyjności akustycznej, niż pojedyncza przy takiej samej sumarycznej masie powierzchniowej. W przegrodach podwójnych niestety występuję niekorzystny rezonans, wynikający z masy okładzin oraz sztywności rdzenia pomiędzy nimi. W przypadku lekkich przegród, jakimi są płyty warstwowe, rezonans ten znacznie obniża ich izolacyjność akustyczną w zakresie średnich częstotliwości (np. w pasmie około 1000 Hz dla płyt pokazanych na rysunku powyżej).

Z tego względu izolacyjność akustyczna płyt warstwowych ze sztywnym rdzeniem jest przede wszystkim określana przez ich masę powierzchniową i stosunkowo w niewielkim stopniu zależy od ich grubości. Dlatego przy określeniu R takich przegród można stosować tzw. akustyczne „prawo masy”, które oznacza, iż przy podwojeniu masy przegrody jej izolacyjność rośnie o 6 dB. Na podstawie danych podanych w tabeli poniżej można zauważyć, iż lżejsza płyta z rdzeniem PIR ma mniejszą izolacyjność akustyczną (o 2–3 dB), niż płyta z wełną mineralną, którego rdzeń ma większą gęstość – ρ_PIR ≈ 40 kg/mł, ρ_wełna ≈ 140 kg/mł.

Parametry akustyczne wybranych paneli/przegród warstwowych, fot. R. Bolejko

Izolacyjność akustyczna płyt warstwowych jest stosunkowo nieduża (znacznie mniejsza od izolacyjności przegród murowanych lub wylewanych), ze względu na małą masę paneli. Dla porównania – 10-centymatrowa przegroda żelbetowa ma izolacyjność ok. R_W = 50 dB, a płyta warstwowa w zależności od konstrukcji R_W = 25–34 dB. W zasadzie jedynym sposobem zwiększenia izolacyjności akustycznej płyt warstwowych jest wykonanie dodatkowej okładziny z zachowaniem minimum 5 cm odległości od panelu, np. według schematu podanego na rysunku poniżej. Na podstawie danych z tabeli powyżej można zauważyć, iż takie rozwiązanie umożliwia uzyskanie izolacyjności akustycznej zbliżonej do ścian ciężkich (przegroda nr 8).

Konstrukcja ściany/dachu hali z zastosowaniem płyty warstwowej lub z wykorzystaniem dodatkowej okładziny, rys. R. Bolejko

Bardzo ciekawym rozwiązaniem są płyty warstwowe skonstruowane z wykorzystaniem rdzenia z wełny mineralnej, w którym jedna z okładzin jest perforowana. Charakteryzują się one na ogół o kilka dB niższą izolacyjnością akustyczną względem konstrukcji bez perforacji, ale jednocześnie wykazują duże adekwatności dźwiękochłonne (pozycja 5 i 6 w tabeli). Stosowanie takich rozwiązań umożliwia obniżenia hałasu pogłosowego w hali i zwiększenie zrozumiałości komunikatów słownych podawanych, np. przez system DSO hali.

Podstawowe zasady ochrony przeciwhałasowej hal

Przy projektowaniu ochrony przeciwhałasowej hal należy rozważyć co najmniej dwa przypadki – transmisję hałasu z hali do otoczenia zewnętrznego lub w przeciwnym kierunku oraz przenikania hałasu pomiędzy pomieszczeniami znajdującymi w obrębie hali. o ile jest znany hałas w hali wyrażony dzięki poziomu dźwięku wyznaczonego z krzywą ważenia A, L_hala,A, to hałas na jej elewacji można oszacować dzięki równania L_elew,A = L_hala,A–R_A2–6 (1). Należy zwrócić uwagę, iż przy wykonywaniu takich obliczeń, podczas posługiwania się poziomami dźwięku ważonymi krzywą korekcyjną A, czyli poziomami dźwięku wyrażonymi w dBA, są stosowane wskaźniki oceny hałasu R_A, a nie wskaźnik R_w. Możliwość wykorzystanie prostych zależności (1), (2), (3) przy obliczaniu poziomu dźwięku w dBA hałasu w pomieszczeniach jest jednym z powodów wprowadzenie adaptacyjnych wskaźników widmowych C i C_tr, a ostatecznie wskaźników R_A.

Jeżeli jest znany hałas na elewacji budynku, a należy wyznaczyć jego poziom wewnątrz hali, to korzysta z zależności L_hala,A = L_elew,A–R_A2+6+10lg(S_el/A_hala) (2), gdzie S_el – powierzchnia elewacji hali [m²], A_hala = S_halaα_hala – chłonność akustyczna hali [m²], α_hala – średni współczynnik pochłaniana powierzchni w hali, S_hala – całkowita powierzchnia wewnętrzna hali [m²].

Chłonność akustyczna hali A jest określana na podstawie znajomości adekwatności dźwiękochłonnych, a dokładnie współczynnika pochłaniania dźwięku α, wszystkich powierzchni wewnętrznych hali. Na ogół w budynkach przemysłowych podłoga, ściany, sufit są wykonane z „twardych” akustycznie materiałów, takich jak beton, metal czy szkło, w tym panele warstwowe, które wykazują słabe adekwatności dźwiękochłonne, a więc chłonność akustyczna w hali jest mała. Na podstawie zależności (2) można zauważyć, iż to niekorzystnie wpływa na ochronę przeciwhałasową hali – w budynkach o małej chłonności hałas jest większy niż w halach z elementami dźwiękochłonnymi. Może to być kolejnym powodem, aby np. w konstrukcji dachu budynku stosować „akustyczne” płyty warstwowe, płyty z perforowaną okładziną. Przy projektowaniu współczesnych hal dobrą praktyką jest wykorzystanie co najmniej powierzchni sufitu do zwiększenia jej chłonności akustycznej, co powoduje zmniejszenie pogłosowości obiektu.

W przypadku, gdy ocenia się transmisję hałasu pomiędzy pomieszczeniami, hałas w tzw. pomieszczeniu odbiorczym można określić na podstawie poziomu dźwięku w pomieszczeniu nadawczym z zależności L_A,odb = L_nad,A–R_A1+10lg(S_p/A_odb) (3), gdzie S_p – powierzchnia wspólnej przegrody pomiędzy pomieszczeniami [m²], A_odb = S_w,odb, α – chłonność akustyczna pomieszczenia odbiorczego [m²], S_w,odp – powierzchnia wewnętrzna pomieszczenia odbiorczego [m²]. W obliczeniach domyślnie jest używany wskaźnik R_A1 (nie R_A2 jak w przypadku przegród elewacyjnych). Gdy w pomieszczenia nadawczym występuje jednak hałas o dużej zawartości dźwięków niskoczęstotliwościowych należy stosować wskaźnik R_A2 także w równaniu (3).

Podane powyżej proste zależności umożliwiają szybką ocenę możliwości zastosowania płyt warstwowych do budowy hal i przegród pomiędzy pomieszczeniami. Jednak w przypadku występowania tzw. szczegółowych rodzajów hałasu – tonalnego, impulsowego lub niskoczęstotliwościowego, ochrona przeciwhałasowa wymaga budowę bardziej zaawansowanych modeli obliczeniowych i stosowanie specjalistycznego oprogramowania.

Wykorzystanie płyt warstwowych do budowy hal znacznie przyśpiesza ich realizację oraz obniża koszty w porównaniu do technologii budynków murowanych i żelbetowych. Należy jednak pamiętać, iż izolacyjność akustyczna płyt warstwowych lekkich jest stosunkowo nieduża, co najmniej o 20 dB mniejsza od przegród ciężkich. Mając to na uwadze należy starannie opracować ochronę przeciwhałasową obiektu i tam gdzie jest to konieczne stosować dodatkowe okładziny od strony wewnętrznej hali, o konstrukcji odpowiednio dobranej do hałasu, który podlega ograniczeniu.

Literatura
1. PN EN ISO 717 1:2021-06 Akustyka – Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych – Izolacyjność od dźwięków powietrznych, PKN, 2013.