Звукоизоляционные и звукопоглощающие материалы и их применение в строительстве Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

акустика

Звукоизоляционные и звукопоглощающие материалы и их применение в строительстве

А.И. Герасимов

МГСУ

Важной задачей современного строительства гражданских зданий является создание комфортного акустического климата в помещениях различного назначения. Акустический климат в помещении в значительной степени определяется способностью ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий и т.п.) изолировать воздушный и ударный звук, а условия слухового восприятия речи и музыки (особенно важно для ряда общественных зданий) — способностью поглощать звук ограждающими поверхностями.

Для решения данной проблемы целесообразно применение звукоизоляционных и звукопоглощающих материалов.

Наибольшей степенью изоляции воздушного и ударного звука обладают пористо-волокнистые материалы со сквозной пористостью — маты и плиты из минерального и стеклянного волокна (диаметр волокна 5—7 мкм), используемые в составе ограждающих конструкций, меньшей степенью — пористо-ячеистые материалы с замкнутой пористостью: пенополивинилхлорид (ПВХЭ), пенополиуретан, полистирол и т.п.

Пористо-волокнистые материалы также весьма эффективны при использовании в целях звукопоглощения в составе облицовки ограждающих поверхностей и специальных акустических конструкций (например, подвесные потолки).

Эффективность применения звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов зависит от их физико-механических характеристик (динамического модуля упругости Ед, динамической жесткости 5'1 и коэффициента звукопоглощения а). Характеристики динамический модуль упругости и динамическая жесткость1 используются при выборе материала, расчете и проектировании изоляции воздушного и ударного звука ограждающими конструкциями; коэффициент звукопоглощения (КЗП) — при выборе материала, расчете и проектировании акустики помещений (аудитории, конференц-залов, офисов, кинозалов и т.д.).

Согласно СНиП 23-3-2003 «Защита от шума и акустика» звукоизоляция ограждающих конструкций воздушного шума оценивается индексом изоляции воздушного шума дБ, а ударного шума — индексом приведенного уровня ударного шума , (в дБ).

Звукоизоляция междуэтажных перекрытий с конструкцией «плавающего» пола

Как показывает практика, во многих случаях единственным наиболее эффективным решением повышения звукоизоляции междуэтажных перекрытий является применение конструкции пола по упругим прокладкам («плавающего» пола). Сборная или монолитная «плавающая» стяжка основания пола служит эффективным средством по улучшению тепло- и звукоизоляционных свойств конструкции. Преимущество «плавающей» стяжки состоит в том, что она может быть уложена при полной ее изоляции от вертикальных ограждающих конструкций, за счет этого исключается возможность структурной передачи звука через вертикальные конструкции, что особенно важно в каркасных и монолитных зданиях. При правильном выборе поверхностной плотности стяжки, типа материала прокладки и величины его приведенной динамической жесткости, а также покрытия пола, можно добиться наибольшей звукоизоляции конструкции. При этом надо исходить из следующих условий:

— соотношение поверхностной плотности конструкции пола и несущей части перекрытия должно составлять 1:3—1:4;

— резонансная частота (собственная) «плавающего» пола f 2 должна быть ниже 90 Гц, поскольку улучшение изоляции ударного шума несущей конструкции перекрытия за счет пола начинается с данной частоты. Она должна быть по возможности ниже нормируемого диапазона частот 100—3150 Гц;

— динамический модуль упругости материала изоляционного слоя должен быть Ед < 10 • 105 Н/м2 (Па), a 5'<4 • 107 H/m3.

Оценка индекса приведенного уровня ударного звука конструкции междуэтажного перекрытия

1. Определяем поверхностную плотность несущей конструкции перекрытия т., кг/м2, по формуле

т. = р.h. ,

1 Г) 1 '

(1)

где р1 — плотность бетона, кг/м3; ^ — толщина сплошной плиты или приведенная толщина в случае плиты с пустотами, м.

2. Определяем индекс приведенного уровня ударного шума несущей части перекрытия 1-0пю дБ, по табл.1 либо по формуле

Динамическая жесткость (приведенная) материала упругого слоя (прокладки) 5', Н/м3, определяется по формуле 5' = Ед/Л, где Л — толщина упругого слоя материала в обжатом состоянии, м: Л = Л (1 — £) м, Л — толщина упругого слоя материала в необжатом состоянии, м; £ — относительное сжатие (деформация) звукоизоляционного слоя под нагрузкой.

L0 = 164 - 35 Lg(m,/mn) ,

nw 1' 0' '

(2)

Резонансная частота «плавающего» пола определяется по формуле

S

vi m ■ где 1

f0 — —--^m ' где т — поверхностная плотность пола, кг/м .

2

акустика

где т0 — опорная поверхностная плотность: т0 = 1 кг/м2.

С учетом косвенной передачи звука к значению I0 , полученному в пункте 2, добавляем 2 дБ.

3. Устанавливаем тип стяжки, ее толщину и плотность р2-

4. Определяем поверхностную плотность пола т2, кг/м2, по формуле

т2 = Р/2 , (3)

где р2 — плотность материала пола, кг/м3; ^2 — толщина пола, м.

5. Определяем нагрузку на упругую прокладку О, Н/м2, по формуле

о = (m + GH) ,

(4)

50

40

30

20

10

\

1

1

V

1 'Л W n\

\ '■• чч \

\ Ч ч V ч

\ ч ч *

-

0

4

6

8

10 12

Рисунок 1. График зависимости Д!г/Я от 5 ' при различных поверхностных плотностях пола.

80

70

60

50

40

где Он — нормативная (расчетная) нагрузка на перекрытие. (Для жилых зданий Сн = 150 кг/м2).

6. По таблицам 1,2 выбираем материал для упругой прокладки.

В качестве упругой прокладки целесообразно использовать минераловатные плиты плотностью от 75 до 125 кг/м3, толщиной 20—50 мм. В зависимости от величины нагрузки определяется динамический модуль упругости материала, его относительная деформация и приведенная динамическая жесткость.

Значение Lnw можно также определить, используя зависимость его от величины индекса улучшения изоляции ударного шума ALwR для «плавающего» пола, полученную на основе анализа результатов исследований (рис. 2).

AL

40

M-wR

Рисунок 2. Отношение между индексом L и индексом

AL

для конструкции «плавающего пола».

С точки зрения изоляции воздушного шума конструкция «плавающего» пола менее эффективна и позволяет улучшить звукоизоляцию перекрытия не более чем на 4—5 дБ.

7. В соответствии с полученными значениями 5' и поверхностной плотностью пола определяем с помощью графиков, показанных на рис. 1, значение Д!^ индекса улучшения изоляции ударного шума междуэтажным перекрытием за счет устройства пола.

8. Определяем индекс приведенного уровня ударного шума перекрытием в целом I , дБ, по формуле

L = L0 - kAL

wR '

(5)

где к — коэффициент, характеризующий влияние несущей части перекрытия, к = 1 — для несу-

120 90 70

50 2 30 кг/м

Поверхностная плотность плиты перекрытия, кг/м2 Значение L0 , дБ nw' "

150 86

200 84

250 82

300 80

350 78

400 77

450 76

500 75

550 74

600 73

Таблица 1. Индекс приведенного уровня ударного шума несущей части перекрытия из сплошных плит.

-

nw

nw

nw

акустика

щей части перекрытия из сплошных железобетонных плит, к = 0,9 — то же, из многопустотных железобетонных плит; к = 0,8 — то же, из ребристых железобетонных плит.

Процесс прохождения звука через звукопоглощающий материал сопровождается затуханием, вызванным тремя различными механизмами: снижением уровня звука из-за затухания при распространении внутри слоя; снижением уровня за счет отражения

звука от передней поверхности слоя материала и, наконец, снижением за счет отражения от задней поверхности материала.

К основным волновым параметрам, характеризующим акустические свойства материалов, относятся волновое сопротивление щ, равное отношению звукового давления к нормальной колебательной скорости частиц, и постоянная распространения у. В общем случае для среды с внутренним

Плотность Толщина Нагрузка на упругие прокладки ст 103 Н/м2

р, кг/м3 Л, мм 2 4 10

е Ед-10э Н/м2 S- 10х Н/м3 е Ед-10э Н/м2 S' • 10' Н/м3 е Е„-ю; Н/м2 S' -10' Н/м3

40 15 20 30 0,4 1,4 1,6 1,2 0,6 0,5 1,6 2,2 1,7 1,1 0,6 2 3,5 2.7 1.8

60 20 30 50 0,08 1,8 0,98 0,66 0,4 0,15 1,9 1,1 0,8 0,45 0,3 2,3 1,55 1 0.6

70 20 30 43 0,065 1,87 1 0,7 0,5 0,13 2,0 1,14 0,8 0,6 0,19 2,3 1,4 0,95 0,7

70* 20 30 40 0.03 2,4 1,2 0,8 0,6 0,04 3,54 1,84 1.2 0,9 0,1 4,86 2.7 1.8 1,35

85 20 30 40 0,08 1,85 1 0,7 0,5 0,1 2,0 1,1 0,73 3.55 0,21 2,65 1,7 1,12 0,84

125 13 26 0,08 2 7 2,2 1,1 0,08 3 2,5 1,25 0,15 4,1 3,7 1,9

150 15 20 30 0,06 3,58 2,54 1,9 1,3 0,085 4,68 3,4 2,55 1,7 0,085 6,21 4,53 3,4 2,26

* С поперечным расположением волокон.

Таблица 2. Физико-механические характеристики минераловатных матов и плит «!БОУег».

Материал Плотность р, кг/м3 Нагрузка на упругие прокладки а - 103 Н/м2

2 4 10

Ед-ю; Н/м2 е Ед-ю; Н/м2 е Ед-ю; Н/м2 £

Пенопопивинил хлорид (ПВХЭ) 170 5,7 0,03 6 1 0,05 7,0 0,1

Пенополиуретан 80 2,8 0,06 3 6 0,2 6,7 0 23

«Этафом». «Изолон», «Вилатерм» - 2 5 0,1 4,0 0,15 4,5 0,15

«Fonostop» - 11,0 0,05 - - - -

Таблица 3. Физико-механические характеристики пористо-ячеистых материалов.

акустика

трением оба параметра являются комплексными и частотозависимыми величинами.

w = wa + Jwi

J = а + /ß,

(6)

где wа, w. — действительная и мнимая части волнового сопротивления;

а — коэффициент затухания амплитуды давления плоской звуковой волны;

И - 2кГ

р —- — фазовая постоянная, показываю-

с

щая, с какой частотой , Гц, и скоростью с, м/с, распространяется звуковая волна в материале.

Фазовая постоянная воздуха равна волновому

2п/

, где с0 — скорость звука в воздухе.

k = -числу 0

Г- jkd =

2

2сЬу¿С + (2а + —)вЬ1 С , (7)

2а

а затухание звука при прохождении через слой звукопоглощающего материала

MT = -20lg|| = -10 lg Т ,

(8)

R= 20 lg

chjad +

1

sfrfad

(9)

зовать эмпирические выражения для расчета волновых параметров волокнистых звукопоглощающих материалов «1зоуег». В качестве основных физико-технических характеристик выбраны плотность материала р, кг/м3, диаметр волокна сСв, мкм, и длина волокна I, см.

В основу метода положена эмпирическая формула для волнового сопротивления w и постоянной распространения, выраженные через структурную характеристику материала О:

= wa - jw. = 1 + Q - jQ , (10)

_ k{Q+ 2)Q Y= . ' + jk(1 + Q) 1 + Q

(11)

Прохождение звука через слой звукопоглощающего материала толщиной С при нормальном падении звука при условии, что звукопоглощающая плита не совершает колебаний как единое целое, можно оценить фактором звукоизоляции Т, т.е. отношением звуковых давлений позади и внутри слоя.

Для волокнистого материала структурная характеристика определяется по формуле

Q =

q+ qo

Jkdä

(12)

где д = 0,01 р/р0 — приведенная плотность, пропорциональная отношению плотности материала р, кг/м3, при 1 = 20°С, д = р/123;

с0

Звукоизоляция слоя Я, дБ, в данном случае может быть представлена следующим выражением

где z^ — входной импеданс слоя, z = w • ctg Jad; Ya — постоянная распространения слоя материала; d — толщина слоя.

В рассматриваемом случае при условии J^d >> 1 основную роль в процессе прохождения звука через слой играет затухание при распространении.

Волновые параметры слоя звукопоглощающего материала определяются на основе методики, разработанной в НИИСФе Госстроя РФ. Однако для практических целей вполне достаточно исполь-

к —

к — волновое число для воздуха,

с0 = 340 м/с

д0 — 1/(10д2 + 0,5 д- + 0,Sk2diв /-2) — величина, учитывающая влияние податливости скелета волокнистой среды на ее акустические свойства.

На рис. 3 представлены результаты расчета звукоизоляции минераловатных плит «Ьоуег» объемной плотностью 40, 70 и 150 кг/м3, толщиной 60 и 120 мм по формуле (9) при условии, что плиты неподвижны. Это допущение выполняется для материалов плотностью 40, 70 и 150 кг/м3 для частот выше 200 Гц. Значения звукоизоляции плит ниже указанных частот соответствуют звукоизоляции тонкого слоя равной поверхностной плотности (см. рис. 3, пунктирные линии). При этом звукоизоляция изменяется согласно «закону масс» с наклоном 4 дБ/окт. Выше частоты 200 Гц звукоизоляция минераловатных плит выше, чем звукоизоляция плотной плиты, равной поверхностной плотности. Звукоизоляция минера-ловатных плит увеличивается с ростом плотности материала с и толщины слоя (см. рис. 3).

Za +

z

a у

акустика

R, дБ

50

40

30

20

10

/

/ (

/ /

/ / / '/

/ / (

/ / / / /-

У'" /

/

/ /

рукции стены или прокладки Я, дБ, с акустической панелью из минераловатных плит может быть определена по формуле

R = R0 + AR ,

(13)

63 125 250 500 1000 2000 4000

f, Гц

Рисунок 3. Частотная характеристика изоляции воздушного звука минераловатными плитами «Isover»:

1 — минераловатные плиты (плотность 40 кг/м3, диаметр волокна 5 мкм, длина волокна 7 см) толщиной 60 мм; 2 — то же, толщиной 60 мм; 4 — то же, толщиной 120 мм; 5 — минераловатные плиты (плотность 150 кг/м3) толщиной 60 мм; 6 — то же, толщиной 120 мм.

Звукоизоляция акустических стеновых панелей из минераловатных плит «ISOVER»

В настоящее время в практике строительства при акустическом благоустройстве помещений гражданских зданий широкое применение находят акустические стеновые панели, изготовленные из жестких или полужестких плит из минерального волокна плотностью от 150 кг/м3 и выше и толщиной, как правило, не более 40 мм.

В помещениях с обычными жесткими поверхностями (бетон, штукатурка и т.п.) звук отражается от стен и потолков и создает дискомфорт, но что еще более важно, особенно в помещениях общественных зданий (аудиториях, конференц-залах и др.), снижает разборчивость речи. Звукопоглощающие стеновые панели помогают избежать этого и создавать благоприятную акустическую среду. Кроме того, стеновые панели позволяют обеспечить дополнительную звукоизоляцию воздушного шума основной стеной или перегородкой, т.е. уменьшить передачу звука из одного помещения в другое.

Звукоизоляция акустически однородной конст-

где R0 — изоляция воздушного шума стеной или перегородкой, дБ; AR — изоляция воздушного шума минераловатной плитой (акустической панелью), дБ.

Частотная характеристика изоляции воздушного шума основной конструкции стены или перегородки может быть рассчитана с помощью известных методов. Для расчета частотной характеристики изоляции воздушного шума минераловатными плитами используется формула (9). На рис. 4 в качестве примера представлена частотная характеристика изоляции воздушного шума перегородки из керамзи-тобетонных блоков плотностью 1200 кг/м3, толщиной 150 мм с двумя слоями штукатурки толщиной по 15 мм с двух сторон. Поверхность перегородки со стороны помещения с источником шума облицована акустическими панелями из полужестких минераловатных плит плотностью 150 кг/м3, толщиной 40 мм. Вычисленный индекс изоляции воздушного шума базовой конструкции составил R° w = 47 дБ, а конструкции в целом — Rw = 51 дБ. На рис. 9 показана частотная характеристика коэффициента звукопоглощения (КЗП) панели, рассчитанная по формуле

а = 1 -

' zzi'2

V Z + i

(14)

КЗП = 0,6

Известно, что слой звукопоглощающего материала, расположенного непосредственно на жесткой стене, обладает относительно небольшим поглощением по сравнению со слоем, отнесенным от стены на расстояние А.0/4. Это условие не представляется возможным выполнить при облицовке стен.

Звукоизоляция многослойных (двухстенных) облегченных перегородок с заполнением материалом из минерального волокна «1БОУБР»

Известно, что с помощью двухслойной конструкции можно получить максимальный звукоизоляционный эффект при минимальной массе конструкции. Анализ звукоизоляции подобных конструкций показал, что их эффективность в основном зависит от расстояния между слоями и степени демпфирования воздушного промежутка. Если

6

3

акустика

а)

б)

R, дБ 90 80 70 60 50 40 30 20 10

1 0,8

3200 f, Гц

125 250

500

1000 2000

4000 f, Гц

Рисунок 4. Звукоизоляция многослойных (двухстенных) облегченных перегородок с заполнением материалом из минерального волокна:

а) Частная характеристика звукоизоляции однослойной перегородки с акустической панелью из минераловатных плит:

1 — расчетная частотная характеристика изоляции воздушного шума перегородки из керамзитобетонных блоков;

2 — то же, с облицовкой из акустической панели.

б) Частотная характеристика коэффициента звукопоглощения минераловатной плиты плотностью 150 кг/м3, расположенной непосредственно на жесткой стене.

в промежутке между наружными оболочками (стенками) размещен звукопоглощающий материал со сквозной плотностью (минераловатные плиты), то поглощение звуковой энергии при многократном прохождении в нем отраженной звуковой волны увеличивается. Известно, что поглощение звуковой энергии оценивается коэффициентом звукопоглощения, и чем он выше, тем большего эффекта звукоизоляции следует ожидать.

Утолщение звукопоглощающего материала должно способствовать также увеличению звукоизоляции. За счет заполнения воздушного пространства между оболочками звукопоглощающим материалом достигаются две основные цели: подавление резонансов свободных колебаний воздушной полости и уменьшение излучения звука в воздушную полость между оболочками при вынужденных колебаниях. Поэтому для достижения возможно большей звукоизоляции следует в воздушную полость помещать пористо-волокнистые материалы, имеющие высокий коэффициент звукопоглощения.

Особенности проектирования звукоизоляции каркасных перегородок

Звукоизоляция перегородок, состоящих из двух легких жестких на изгиб оболочек, существенно зависит от наложения провалов, возникающих в результате волнового совпадения. Этот недостаток может быть компенсирован соответствующим увеличением расстояния между оболочками, которое, исходя из минимальных требований DIN 4109, должно быть не менее 10 см. При такой конструкции стен наиболее эффективным является применение оболочек разных толщин. Стены, состоящие из двух гибких легких оболочек, имеют хорошую звукоизолирующую способность, однако, их небольшая поверхностная плотность приводит к тому, что приходится устанавливать большие расстояния между оболочками (10—25 см). Для таких стен или перегородок, как правило, необходимы опорные конструкции (каркасы), поэтому важно, чтобы стойки каркаса устанавливались раздельно, а возникающее благодаря каркасу повышение жесткости плиты было бы по возможности минимальным. Вследствие это-

2

акустика

Конструкция перегородок (горизонтальный разрез) Состав конструкции Индекс изоляции воздушного шума Яш, дБ

шншншнлишншнш 2 слоя гипсокартонных плит 50 мм - воздушный зазор деревянный каркас 50 мм - минераловатные плиты, р = 50 кг/м («^оуег») 2 слоя гипсокартонных плит 48

I—I X 2 слоя гипсокартонных плит 75 мм - воздушный зазор деревянный каркас 75 мм - минераловатные плиты, р = 50 кг/м («^оуег») 2 слоя гипсокартонных плит 52

¡мш и ШШПЙ

600 т-т 1 слой гипсокартонных плит 50 мм - минераловатные плиты, р = 60 кг/м («^оуег») 50 мм - воздушный зазор металлический каркас 1 слой гипсокартонных плит 47

600 Т-т 2 слоя гипсокартонных плит 50 мм - минераловатные плиты, р = 60 кг/м («^оуег») металлический каркас 50 мм - воздушный зазор 2 слоя гипсокартонных плит 49

600 Т-т 2 слоя гипсокартонных плит 75 мм - минераловатные плиты, р = 60 кг/м («^оуег») металлический раздельный каркас 100 мм - воздушный зазор 2 слоя гипсокартонных плит 54

Таблица 4. Звукоизоляция каркасных перегородок.

го расстояние между стойками должно быть не менее 800 мм. Точечное крепление предпочтительнее линейного. Промежуток между оболочками заполняется звукопоглощающими-звукоизоляционными минераловатными материалами «Ьоуег» на 1 /2—1 /3 толщины воздушного пространства, с учетом того, что пористый звукопоглотитель обеспечивает оптимальную эффективность в том случае, когда звуковая волна со своим максимумом скорости находится в слое материала. Звукопоглощающий материал должен иметь небольшую плот-

ность и высокий коэффициент звукопоглощения (КЗП). Этому условию удовлетворяют «Ьоуег» с р = 40 кг/м3 и р = 60 кг/м3. С учетом всех условий с помощью конструкций из гибких оболочек (например, из ГКЛ) можно достичь расчетной величины звукоизоляции до 55 дБ.

В таблице 4 представлены рекомендуемые варианты многослойных конструкций перегородок, обладающих повышенными звукоизоляционными качествами.