Как да си направим звукоизолация? Част 2 – Звукоизолация на елементи. Видове системи и свойства на материалите, които определят и влияят върху звукоизолацията

Както разбрахме в част първа от серията статии „Как да си направим звукоизолация?“ има два основни фактора, които определят степента на шумоизолация на едно помещение, а това са именно индекса на звукоизолация на елементите на помещението и преминаването на звука по обходни пътища.

Във втората част на тази поредица от статии ще ви разкажем за двата основни типа системи в строителната акустика и кои свойства на материалите и системата, са определящи и изключително важни за индекса на звукоизолация, и кои са тези, които не са от съществено значение.

Основни понятия

Преди да разграничим типовете системи е важно да въведем една проста терминология. Всички материали, които са с отворена пореста или влакнеста структура и през, които може да премине въздушна струя ще ги наречем въздухопроницаеми. Това са всички видове минерални вати, всички типове полиестерни вати, всички видове платове и всички видове „дунапрени“ (полиуретанова или меламинова пяна). Всички останали популярни строителни материали, като керамични изделия, бетон, гипс картонени плоскости, дървени плоскости, битумни или полимерни мембрани, експандиран или екструдиран полистирен (EPS и XPS), метални листи и други, ще наречем плътни материали.

Коя е първата система?

Първите научни изследвания в областта на звукоизолацията започват още през 40-те години на миналия век с една от първите публикации на немския учен професор Крeмер (Cremer) през 1942г. Той поставя основите на теорията за еднолистови системи (single leaf) за звукоизолация. Именно това е първата система за звукоизолация, която ще ви представим. Ще се запитате, защо е система като я наричаме еднолистова? Отговорът е, че в строителната акустика разглеждаме всички системи съставени от само плътни материали, които не са разделени от въздушна междина или въздухопроницаем материал като еднолистови. Примерите са много:

• Тухлена зидария с мазилка, съставена от кухи керамични, залепени с зидарски разтвор и измазани от двете страни с гипсова мазилка
• Стъклени преградни стени с единично стъкло
• Бетонови плочи със замазка и подова настилка
• Масивни дървени врати от масивно дърво и залепен МДФ
• Тухлена зидария с каменна или керамична облицовка
• Покривна конструкция от дървена облицовка, битумна мембрана за хидроизолация и керемиди

Генерално всички системи от твърди материали, които са слепени или захванати помежду си ние приемаме като еднолистови системи.

Има ли различни типове еднолистови материали?

Преди да разберем, какви свойства на материалите в еднолистовите системи определят тяхната степен на звукоизолация, трябва да направим едно много важно разделение. Ще разделим листовете системи на два типа:

• Листови системи с хомогенни изотропни материали ( материали, които имат еднакви свойства в различните направления) Примери за тези материали са: бетона, гипсокартонените плоскости, варовите и циментовите смеси, газобетонните тухли, битумните мембрани и други.

• Листови системи с нехомогенни ортотропни материали (материали, които имат различни свойства в различните направления) Примери са дървото и кухите керамични и бетонови тухли.

Как изглежда графиката на звукоизолация на хомогенни изотропни материали?

В случая на хомогенни изотопни системи, типичната графика на звукови загуби изглежда така:

Отличават се пет различни зони, които са определящи за степента на звукоизолация.

Зона едно, наречена още „Stiffness controlled“ се определя от якостта на огъване на системата, което е функция от неговата еластичност и размери (дължина, височина и дебелина). Любопитен факт е, че ако сравним звукоизолацията на метален лист с дебелина 0.6мм и размери 2,00/ 2,00м и на същия лист, но с размери 0,20/0,20м резултатите ще бъдат коренно различни, особено в зона едно. Малкият размер ще покаже много по-високи стойности, отколкото големия размер, защото якостта на огъване на листа с размери 0,20/0,20м е много по-голяма.  Възможност за повишаване на якостта на огъване е формуване на този лист материал, като LT ламарина (нагъване в определен профил).

Зона две – резонансна честота на системата. Както знаем в природата всеки предмет, сграда, машина си има своя собствена честота. Тя се определя от формата, якостта на материала, от който е изпълнена и от размерите му. Най-често даваният пример е с чаша вино. Тя има честота, при която, ако влезе в резонанс с гласа на оперен певец се счупва. В строителните системи е същото. Всеки преграден елемент си има собствена резонансна честота, която се определя от размерите, теглото и якостта на огъване на елемента. Ако вземем горния пример, резонансната честота на по-малкия размер метален лист е различна от тази на по-големия лист.

Увеличавайки масата на системата резонансната честота намалява, увеличавайки якостта на огъване на системата резонансната честота се увеличава. Когато търсим добра изолация, целта е да намалим резонансната честота под прага на човешкия слух (20Hz).

Третата зона е зоната, която се влияе най-много от теглото на системата и е дефинирана с „масовият“ закон. Той гласи: При всяка следваща честотна лента звуковите загуби на системата се увеличават със скорост 6dB на честотна октава. Ако увеличим масата на системата два пъти ще увеличим звукоизолацията в тази зона с 6dB. За да си го представите по-добре нека разгледаме един примера.

Да кажем, че имаме бетонена стена с дебелина 8см, която има тегло 192кг/м², за да увеличим звукоизолацията в тази зона с 6dB, то трябва да удвоим дебелината. Ако върху нея поставим един слой битумна мембрана с тегло от 5кг/м², то звукоизолацията би се променила с 0.15dB, което е пренебрежително малко.

Четвъртата зона е най-объркващата и трудна за разбиране. Това е зоната на честотното съвпадение. Най-просто казано, това е най-ниската честота, при която ъгъла на попадане на звуковите вълни съвпада с ъгъла на огъване на преградата, предизвикано от звуково натоварване. Стойността на тази честота и на степента на резонанса зависи от два фактора: коефициента на вътрешни загуби на материала и якостта на огъване. Важно е да направим разграничение между собствената резонансна честота и тази на съвпадение. Тази на съвпадение се проявява най-често във високите честоти и е пряко свързана с ъгъла на попадане на звуковите вълни върху преградния елемент.

И на последно място е петата зона, която е отредена за влиянието на вътрешните загуби на материала. С повишаване на честота звуковите загуби нарастват с 9dB.

Каква е разликата между графиката на звукоизолация на хомогенните изотропни системи и тази на ортотропните системи?

Ситуацията при ортотропните системи е много подобна от гледна точка на зони, но тяхната  влиянието е по-различно. Например зона три (закона на масите) има много по-малък честотен обхват, отколкото зона четири (честотното съвпадение). Графиката е равна в средните честоти, което рефлектира на нисък индекс на звукоизолация.

Това е една от причините поради, които единичните тухлени зидарии с кухи тухли, да не могат да достигнат високи нива на звукови загуби дори и да им бъде увеличено двойно теглото. Изчислителните модели на тези системи са изключително усложнение и включват редица математически апарати, за да бъдат постигнати верни резултати спрямо измерените лабораторни стойности.

Какви изводи може да си направим за еднолистовите системи?

Когато искаме да направим звукоизолация от еднолистова система, трябва да изберем комбинация от материали, които да са хомогенни с висока якост на огъване и високо тегло. За да увеличим звукоизолацията на системата, чрез добавяне на тегло, то трябва това тегло да е поне 50% от вече съществуващото такова. При нехомогенни материали, не можем да очакваме, че увеличаването на теглото ще повиши звукоизолацията. За да повишим индекса, трябва да търсим увеличаване на якостта на огъване в най-слабата посока и увеличаване на вътрешните загуби на системата.

Каква алтернативна система може да използваме за звукоизолация?

През 1949  са издадени две публикации  на Беракен & Лърк (Beranek & Work) и Лондон (London) на тема звукоизолация на двулистови системи (double-leaf) или познати още като двойни стени (double wall). Всички конструкции, които са съставени две еднолистови системи разделени с въздушна междина или въздухопроницаем материал помежду им, се определят като двулистови системи или двойни стени. За да го разберете по-правилно, ще ви дадем следните примери за такива системи:

• Щендерна стена от гипс картонени плоскости. Тя най-често е съставена от по два слоя гипсокартон с въздушна междина помежду им празна или пълна с вид вата (дори да сложим по три слоя от гипскартон на страна или допълнително мембрана, ние я разглеждаме като двулистова система);
• Двойна зидария. Две тухлени зидарии разделени помежду си с минерална вата или въздух;
• Окачени тавани. Бетонна плоча или дървена плоча с окачен плътен таван от гипс картонени плоскости;
• Пред стенни обшивки на тухлени зидарии. Отново независимо от броят на плоскостите, стига те да не са плътно залепени за тухлената зидария;
• Дограми с двойни стъклопакети (стъкло, въздушна междина, стъкло);
• Стъклени преградни стени с двойни стъкла;
• Подова плоча със сух под. Сухият под трябва да е съставен от въздухопроницаем материал и поставени плътни плоскости като шперплат, гипсофазерни плоскости и други.

Това са една много малка част от възможните примери и комбинации, които съществуват в строителната практика. Тук може да вметнем, че моделът за изчисление на двулистовите системи е приложим и при многолистови системи, които са съставени на принципа: твърд материал + въздухопроницаем материал + твърд материал + въздухопроницаем материал + твърд материал +… Разликата е в това, че има по-голям брой резонансни честотни пада.

Двулистовите системи са най-масовите системи, които ползваме за звукоизолация на помещения. Ако сравним еднолистова система с двулистова на база на техните тегла, то двулистовата има над 6dB по-висока ефективност.

При двулистовите системи се наблюдават четири зони на промяна на кривата на звукоизолация, които се повлияват от вече познатите фактори: тегло, якост на огъване и вътрешни загуби. Няма да изпадаме в подробности как всеки фактор влияе, защото те са много подобни на еднолистовите системи. Единственото важно и различно при тях, е че резонансната честота се определя от резонансната честота на цялата система. Което значи, че се взима в предвид масата на двата твърди материала и разстоянието между тях.

Тук можем да вметнем, че когато говорим за многолистови системи, се появяват повече от една резонансна честота, поради наличието на повече от една въздушна междина, което в голяма част от случаите влошава звукоизолацията в ниски и средни честоти.

Голямата разлика и това което отличава двулистовите системи от еднолистовите е наличието на още два фактора, които тотално изместват графиката. Това са наличието на въздухопроницаем (absorption) материал във въздушната междина между двете твърди тела  и вида на връзката между тях.

Според редица автори участвали в множество изследвания на връзката между звукоизолацията на елемент и наличието и вида на звукопоглъщащи материал, можем да направим следните генерални изводи:

• Липсата на въздухопроницаем материал във въздушната междина води до преместване на резонансната честота и понижава звукоизолацията на системата с минимум 6dB.
• Наличието на въздухопроницаем материал дори в рамките на 20% от въздушната междина дава значително подобрение в звукоизолацията на системата.
• Оптималната дебелина на въздухопроницаем материал е 80% от въздушната междина.
• Най-важният параметър на въздухопроницаемия материал е неговото съпротивление на въздухопреминаване. То трябва да е над 5kPa/m’. Всеки въздухопроницаем материал е подходящ стига да спазва това условие.
• Повишаването на коефициента на въздухопреминаване ( това най-често става, чрез повишаване на обемното тегло на материала) не повишава звукоизолацията.

Разбира се тук трябва да добавим и влиянието на дебелината на въздушната междина, която отсъства при еднолистовите системи. Нейното влияние при наличие на въздухопреминаване се ограничава само в ниските честоти, но в случая на липса на такъв материал, увеличаването на дебелината два пъти повишава индекса с 3 до 6dB. Това е особено важно за стъклопакетите, където не е възможно поставянето на въздухопроницаем материал между стъклата.

Другият изключително важен фактор е връзката на двете твърди плоскости. От графиката става ясно, че влиянието ѝ е в средни и високи честоти, след честота на акустичен мост (f_br) увеличаването на индекса може да е до 20dB, ако няма наличие на такава връзка. Разбира се в практиката това е много трудно изпълним случай и е силно зависещ от устойчивостта на системата. Затова редица компании и учени разработват системи, в който да намалят влиянието на „връзката“. Това до което са достигнали, е че броят връзки, разстоянията между тях и динамичната коравина са от изключително значение на ефективността на предаване на звука през нея. За да не изпадаме в подробности накратко ще споменем примери за различни еластични връзки:

• Метални профили. В зависимост от типа материал, дебелината на стените, формата и размера му се определя неговата динамична коравина. Колкото по-ниска е тя, толкова по-еластична е връзката, съответно по-добра звукоизолация.

• Различни типове гумени и силиконови окачвачи. В замисимост от материала, натоварването и размерите може да се определи отново динамичната коравина, от която зависи и подобряването на звукоизолацията. Тук е важно да отбележим, че натоварването играе ключова роля. Ако окачвача не е натоварен или е натоварен максимално, то връзката се счита за „твърда“ (rigid) и ефективността на изолацията намалява драстично.

Какви са изводите от двулистните системи?

Когато избираме такива системи, например: правим пред стенна обшивка или окачен таван или щендерна стена, за да постигнем максимална ефективност освен масата и якостта на огъване на системата, то трябва да поставим въдзухопроницаем материал във въздушната междина и трябва да изберем максимално еластични връзки (окачвачи) между двете конструкции.

От всичко това, какво разбрахме за звукоизолацията на елементи?

За да преведем цялата тази информация на практичен език, можем да направим следните обобщения:

• При наличие на стени от бетон (хомогенен изотопен материал) звукоизолацията е значително по-добра от тази на кухи тухлени стени със същата дебелина.

• Преградните стени с по-висока якост на огъване и по-голямо тегло (бетонени стени и стени от плътна керамична тухла) са с по-висока изолация, спрямо стени със същата дебелина, но по-ниски показатели на якост и тегло (стени от олекотени бетони).

• Двойни стени изградени от две плоскости с въздушна междина и вата са с по-висока звукоизолация от единична стена със същата дебелина и тегло.

• Ако искаме да постигнем най-високите стойности на звукоизолация на фиксирана дебелина трябва да използваме максимално тежки материали, които да нямат връзка по между си и във въздушната междина да е поставен въздухопроницаем материал (вата, полиестер, полиуретан и др.) Ако конструктивно не  е възможно да се отделят, то трябва да използваме най-еластичните връзки, съобразени с натоварването, което им се упражнява. 

Важно уточнение

Няма как да пропуснем да ви споделим, че това са генерализирани изводи, които са направени на база на много научни модели и експерименти. В разработките може да се открие много повече информация с комплекси формули. И до ден днешен всички разработени модели допускат отклонения от 1 до 3dB, поради комплексните физични явления, които не могат да се обхват в един математически модел. Въпреки това, науката е категорична, че това са най-важните параметри, които ни водят при проектирането и изграждането на звукоизолационните системи.

Какво да очаквате от следващата статия?

Ако си припомним от предишната статия, звукоизолацията на един елемент е първия от двата фактора, които определят степента на звукоизолация на помещение. Във следващата част ще се запознаем, как при една стена, която има висок индекс на звукоизолация, може финалният резултат за проникването на звука в помещението да е два пъти по-нисък, ако пренебрегнем другия фактор и как една отвор от 5мм може да ни лиши от спокойния сън.