Jak ograniczyć hałas powietrzny i uderzeniowy?
Aby ograniczyć hałas, w pierwszej kolejności należy poznać źródła jego powstawania oraz główne drogi transmisji. Poza doborem odpowiednich parametrów akustycznych przegród w budynku mogą to być specjalne elementy umieszczane w jego konstrukcji oraz poprawnie wykonane dylatacje.
Ograniczenie hałasu uderzeniowego w budynkach jest trudnym zagadnieniem, które wymaga indywidualnej analizy skuteczności wybranej metody ochrony dla danego obiektu. Rozchodzi się on w konstrukcji w postaci fal mechanicznych i przez to ma znacznie większy zasięg niż powietrzny.
Każda z metod ochrony przed hałasem (dylatacje, złącza budowlane i wibroizolacja) ma ograniczony zakres zastosowania, a najbardziej przydatną wydaje się wibroizolacja podłóg, stropów, wybranych pomieszczeń czy nawet całego obiektu. Naley pamiętać, że techniki ograniczenia hałasu mogą być skutecznie stosowane tylko na etapie projektowania budynku, gdy są możliwe zmiany jego konstrukcji lub rozmieszczenia pomieszczeń o określonych funkcjach akustycznych. Uzyskanie dodatkowej ochrony przed hałasem uderzeniowym w obiekcie istniejącym jest bardzo trudne, a w wielu przypadkach wręcz niemożliwe.
Hałas powietrzny i uderzeniowy
Aby ograniczyć hałas należy poznać jego rodzaje. W obiektach występują dwa rodzaje hałasu: powietrzny i uderzeniowy. Pierwszy z nich to niepożądane dźwięki emitowane w postaci fali akustycznej (np. głośno grające radio, rozmowa lub szum od przepływu powietrza w instalacji), hałas uderzeniowy stanowią natomiast drgania mechaniczne, rozchodzące się w postaci fali mechanicznej w konstrukcji budynków. Na ostatnim odcinku drogi propagacji do obserwatora drgania te są zamieniane na falę akustyczną i postrzegane jako hałas, np. odgłosy kroków dochodzące z klatki schodowej lub dźwięk spadających przedmiotów na podłogę w innym pomieszczeniu. W przypadku kroków źródło stanowią uderzenia twardego obuwia o bieg schodów, generujące drgania w ich konstrukcji, które z kolei w postaci fali mechanicznej docierają do stropu i ścian pomieszczenia z obserwatorem, wywołują ich drgania oraz powodują emisję hałasu. W odróżnieniu od fali akustycznej, która jest falą podłużną, drgania mogą być propagowane w postaci kilku rodzajów fal mechanicznych, najczęściej: podłużnej, poprzecznej, giętnej i skrętnej.
Ze względu na możliwość rozchodzenia się drgań w formie różnych rodzajów fal fizyka transmisji hałasu uderzeniowego jest o wiele bardziej zawiła i trudniejsza do opisu niż stosunkowo prosty przypadek fali akustycznej w powietrzu. Kontrola i ograniczenie hałasu uderzeniowego w budynkach są także bardziej skomplikowane niż powietrznego.
Ograniczenie hałasu – drogi transmisji
Hałas powietrzny i uderzeniowy w budynkach może rozchodzić się trzema podstawowymi drogami: bezpośrednią Dd, pośrednią Dp i boczną Ff (rys. 1). Na przykład rozmowa prowadzona na parterze pokazanego budynku może być słyszalna na wyższej kondygnacji na skutek transmisji hałasu: drogą bezpośrednią Dd w postaci dźwięków powietrznych poprzez strop rozdzielający pomieszczenia; drogą pośrednią Dp jako fala akustyczna poprzez kratki nawiewno-wywiewne i wspólny szacht wentylacyjny; a także drogą boczną Ff w postaci drgań ze ściany pomieszczenia nadawczego do ściany pomieszczenia odbiorczego. Na rys. 1 pokazano także drogi bezpośrednie Dd i boczne Ff, Df dla hałasu z pomieszczenia technicznego oraz dla dźwięków uderzeniowych w postaci kroków na drugiej kondygnacji. Na drodze bezpośredniej i pośredniej hałas rozchodzi się jako fala akustyczna, natomiast na drogach bocznych – jako mechaniczna. Odpowiednia ochrona przeciwhałasowa wymaga jednoczesnej kontroli transmisji hałasu na wszystkich trzech drogach. W przeciwnym razie nie uzyska się założonej izolacyjności akustycznej pomiędzy pomieszczeniami, chociaż rozdzielono je masywnymi przegrodami budowlanymi.
W praktyce często także słyszalne są hałasy lub rozmowy, przedostające się z sąsiedniego pomieszczenia poprzez kanały systemu wentylacji wymuszonej (w których nie przewidziano tłumików hałasu), pomimo zastosowania pomiędzy pomieszczeniami przegrody budowlanej o odpowiednio dużej izolacyjności akustycznej. Wypadkowy hałas w pomieszczeniu odbiorczym będzie sumą energii akustycznej przedostającej się poszczególnymi drogami.
Ilość energii docierająca wybraną drogą zależy od poziomu hałasu na wejściu tej drogi (np. przy kratce wentylacyjnej) oraz pola powierzchni przekroju drogi (np. kanału wentylacyjnego), a dokładniej stosunku tej powierzchni do powierzchni przegrody bezpośredniej rozdzielającej pomieszczenia, będącej w pewnym sensie elementem odniesienia dla pozostałych dróg. Na ogół dąży się do takiej sytuacji, w której izolacyjność akustyczna na drodze pośredniej i bocznej jest co najmniej o 10 dB większa niż dla drogi bezpośredniej. Wówczas o ochronie przeciwhałasowej decyduje przede wszystkim przegroda pomiędzy pomieszczeniami.
Jak ograniczyć hałas za pomocą środków technicznych?
Ograniczenie hałasu uderzeniowego w budynkach można uzyskać za pomocą: dylatacji, złącz budowlanych oraz wibroizolacji. Przy wyznaczaniu izolacyjności akustycznej pomiędzy chronionymi przeciwhałasowo pomieszczeniami stosuje się wzory (1) i (2) oraz dodaje do nich dodatkowe tłumienie wynikające z redukcji drgań powstałej po wdrożeniu wskazanych rozwiązań technicznych.
Ograniczenie hałasu przez zastosowanie dylatacji
Dylatacja to wprowadzona fizyczna nieciągłość w konstrukcji budynku, której teoretyczna skuteczność w ograniczaniu rozchodzenia się drgań jest bardzo wysoka. W rzeczywistości jednak nigdy nie udaje się zrealizować idealnej dylatacji. Istniejące w niej dodatkowe, niekontrolowane łączniki silnie redukują, a czasami wręcz eliminują jej działanie. Istotny wpływ mają też wypełnienia szczelin dylatacyjnych, zwykle z wełny mineralnej bądź styropianu albo ze sznurów i mas dylatacyjnych (rys. 2). Elastyczność takich materiałów określa tzw. sztywność dynamiczna, której definicję najlepiej można zrozumieć dzięki wykorzystaniu liniowego jednowymiarowego elementu – sprężyny stalowej. Sztywność statyczną kst i dynamiczną kdyn sprężyny wyznacza się poniższymi wzorami.
Sztywność mat i podkładek elastycznych dodatkowo zależy od ich wymiarów, m.in. rośnie wraz ze wzrostem ich powierzchni i jest wyrażana w [N/m3]. Styropian stropowy o grubości 30–50 mm ma sztywność dynamiczną wynoszącą 10–20 MN/m3, stropowa wełna mineralna o podobnej grubości natomiast – 5–10 MN/m3.
Ponieważ sztywność wypełnienia nie jest zerowa, to pomimo zastosowania dylatacji nadal następuje transmisja fal mechanicznych. Im mniejsza sztywność wypełnienia, tym oczywiście większa skuteczność dylatacji. Co więcej, transmisja drgań może nadal występować nawet w pustej dylatacji, ponieważ samo powietrze też może wykazywać istotną sztywność i stanowić dodatkowy łącznik (w dylatacji tworzy się tzw. poduszka powietrzna). Dla dylatacji o typowych szerokościach (5–80 mm) sztywność poduszki powietrznej wynosi 22–1,4 MN/m3. Porównując to z warstwą wełny o grubości 40 mm (sztywność 5 MN/m3), można zauważyć, że dylatacje „puste” o grubości do 2 cm mają od niej większą sztywność, a tym samym mniejszą efektywność.
W praktyce znaczna część dylatacji ma zamkniętą szczelinę, dlatego nawet w poprawnie wykonanych, bez niekontrolowanych łączników mechanicznych, nadal istnieje łącznik w postaci poduszki powietrznej, co istotnie zmniejsza skuteczność ograniczania drgań. Niestety nie istnieją wiarygodne modele obliczeniowe umożliwiające wyznaczenie wartości redukcji drgań przez dylatację, które można byłoby stosować w praktyce. Na ogół takie dane uzyskuje się wyłącznie poprzez pomiary. Co więcej, skuteczność dylatacji zależy nie tylko od jej szerokości, sposobu wykonania lub wypełnienia, lecz także od właściwości dynamicznych samego budynku.
Ogólnie można stwierdzić, że dylatacja o standardowej szerokości (od 6 do 30 mm) jest na ogół skuteczna tylko dla częstotliwości powyżej 30–60 Hz, a jej typowe tłumienie wynosi ok. 10 dB i rośnie z częstotliwością. Skuteczne tłumienie hałasów uderzeniowych w całym paśmie słyszalnym, czyli od 20 Hz, w większości przypadków jest możliwe dla dylatacji zamkniętych, czyli z poduszką powietrzną o szerokości co najmniej 10 cm.
Ograniczenie hałasu przez złącza budowlane
W złączach budowlanych także następuje redukcja drgań, a jej stopień zależy od typu złącza, kierunku transmisji i stosunku masy powierzchniowej tworzących je przegród. Jeżeli pomiędzy pomieszczeniami chronionymi występuje kilka złączy budowlanych, to wypadkowe tłumienie w większości przypadków jest sumą redukcji drgań w każdym z nich. Transmisja drgań w budynku pomiędzy pomieszczeniami może być zatem kontrolowana poprzez dobór rodzaju i liczby złączy. Na przykład tłumienie hałasu uderzeniowego z korytarza, dochodzącego do sąsiadującego pomieszczenia na tej samej kondygnacji, będzie określone przede wszystkim przez właściwości pojedynczego złącza typu krzyżowego, pomiędzy pomieszczeniami rozdzielonymi korytarzem ta redukcja będzie natomiast równa sumie tłumienia dwóch złączy krzyżowych.
Jeżeli dla uproszczenia założy się, że wszystkie przegrody w budynku są takie same (pod względem materiału i grubości), to uzyska się redukcję hałasu uderzeniowego w pierwszym przypadku o 12 dB, w drugim – o 24 dB.
Kontrolowanie hałasu uderzeniowego poprzez dobór typów i liczby złączy budowlanych występujących na bocznej drodze transmisji w praktyce umożliwia uzyskanie znacznie większej redukcji hałasu uderzeniowego, niż przy wykorzystaniu pozostałych metod. Wymaga to jednak zaprojektowania drogi bocznej o znacznej długości, co nie zawsze jest możliwe, szczególnie w przypadku pomieszczeń znajdujących się blisko siebie.
