Streszczenie

Praca dotyczy podstawowych zagadnień związanych z doborem materiałów dźwiękochłonnych powszechnie stosowanych w technice budowlanej jako elementy ustrojów akustycznych. Teraz zrobiłbym to inaczej. Tego typu materiały dobiera się wg różnych kryteriów do określonych zastosowań na podstawie badań akustycznych, aby przeciwdziałać hałasowi miejskiemu i polepszyć właściwości akustyczne budowli architektonicznych, (no i naszego studia gitarowego..).

Wstęp teoretyczny zawiera podstawowe zagadnienia akustyczne:

• intensywność zjawisk dźwiękowych,
• jakość pracy ekranów tłumiących,
• sposoby symulacji ich pracy.

W drugim rozdziale znajduję się cel pracy, którym jest pomiar właściwości dźwiękoizolacyjnych wybranych materiałów i opracowanie kryteriów ich doboru w specjalnie zaprojektowanej komorze akustycznej.

Trzeci rozdział omawia problem rozprzestrzeniającego się hałasu oraz fizyczne przyczyny dźwiękochłonności materiałów.

Czwarty rozdział zawiera opis konstrukcji komory akustycznej przydatnej w badaniach właściwości akustycznych materiałów dźwiękochłonnych. Opisane zostały narzędzia potrzebne do przeprowadzenia badań oraz sposób podłączenia ich do komputera.

Piąty rozdział to opis demonstracyjnej wersji programu SpectraPlus wykorzystywanego w badaniach.

Szósty rozdział zawiera badania dźwiękoizolacyjności pianki polietylenowej, waty szklanej, wełny mineralnej oraz styropianu.

Przedostatni siódmy rozdział to porównanie właściwości analizowanych materiałów pod kątem stopnia zużycia, ceny, dźwiękoizolacyjności i gęstości powierzchniowej.

Ostatni rozdział zawiera wnioski jakie nasunęły się podczas badań.

1. Wstęp. 6

2. Cel pracy. 17

3. Hałas i jego niwelacja z pomocą ekranów dźwiękochłonnych. 18

3.1 Hałas i jego źródła. 18

3.2 Obliczanie wysokości barier. 22

3.2.1 Zjawiska w ekranach akustycznych. 22

3.2.2 Metody symulacyjne pracy ekranów.. 25

3.3 Przyczyna stosowania materiałów dźwiękochłonnych. 28

3.3.1 Zjawiska powodujące dźwiękochłonność. 28

3.3.2 Przykłady materiałów dźwiękochłonnych. 30

4. Urządzenia pomiarowe i komora akustyczna. 32

5. Program SpectraPlus Demo. 37

5.1 Informacje o programie. 37

5.2 Pomiar natężenia dźwięku. 40

5.3 Pomiar efektywności ekranowania. 42

5.4 Pomiar odbiciowego współczynnika pochłaniania. 43

5.5 Pomiar dźwiękoizolacyjności 45

6. Pomiary wybranych materiałów.. 46

6.1 Pianka polietylenowa. 46

6.1.1 Ogólna charakterystyka materiału. 46

6.1.2 Pomiar dźwiękoizolacyjności pianki polietylenowej 47

6.1.3 Wpływ zanieczyszczeń pyłowych na tłumienie pianki PE. 48

6.2 Wata szklana. 50

6.2.1 Ogólna charakterystyka waty szklanej 50

6.2.2 Dźwiękoizolacyjność waty szklanej 51

6.3 Twarda wełna mineralna Strop Rock. 53

6.3.1 Ogólne właściwości twardych wełen mineralnych. 53

6.3.2 Dźwiękoizolacyjność twardej wełny mineralnej Strop Rock. 54

6.4 Miękka wełna mineralne Fire Rock. 56

6.4.1 Ogólne właściwości miękkich wełen mineralnych. 56

6.4.2 Dźwiękoizolacyjność wełny mineralnej typu Firerock. 57

6.5 Styropian. 60

6.5.1 Ogólne właściwości styropianu. 60

6.5.2 Dźwiękoizolacyjność styropianu. 60

7. Porównanie właściwości analizowanych materiałów dźwiękochłonnych. 62

7.1 Porównanie materiałów nowych i eksploatowanych. 62

7.2 Zestawienie ceny, gęstości powierzchniowej i dźwiękoizolacyjności materiałów.. 63

7.3 Zależność tłumienia od gęstości powierzchniowej 66

8. Wnioski 69

9. Literatura. 71

1. Wstęp

Hałas ma wiele definicji. Prace naukowe z dziedziny medycyny pracy opisują negatywny wpływ dźwięków o wysokich natężeniach na ludzki organizm, słuch a nawet wzrok. Hałas to dźwięk lub dźwięki szkodliwe dla ludzkiego słuchu, nieprzyjemne w subiektywnym odczuciu osoby narażonej [1]. Ich poziom, wielkość, charakterystykę opisują parametry akustyczne omówione w tym rozdziale. Ekran akustyczny złożony z elementów dźwiękochłonnych powinien być tak dobrany, aby zmniejszyć hałas do poziomu wyznaczonego dla danego rodzaju terenu przez normę hałasu [2, 3, 4, 5].

Dźwięki powstają podczas ruchu harmonicznego przedmiotów, drgań maszyn i instrumentów, przepływającego prądu w głośnikach itp. Drgania te wzbudzane celowo lub nie oddziałują na stykające się z tymi ciałami gazy, ciecze i inne ciała stałe [2].

Rozchodzenie się dźwięków omówię na przykładzie gazów.

Rys. 1. Ruch harmoniczny wahadła sprężynowego

Powyższe wahadło sprężynowe z rysunku 1 to ciężarek o pewnej powierzchni zawieszony na sprężynie o stałej sprężystości k w powietrzu [7, 8]. Jak wiadomo taki ruch tłumiony jest tarciem powietrza jak i stratami w materiale. Część energii drgań przenoszona jest cyklicznie do powietrza i przy odpowiedniej amplitudzie i częstotliwości drgań sprężyny emitowana jako dźwięk.

Tak powstaje fala, w ośrodku gazowym. Fala jest zaburzeniem od stanu równowagi. Gaz to małe cząstki poruszające się w takt równań gazowych. Gdybyśmy w pewnej fazie dźwięku "zajrzeli do wnętrza" gazu w którym rozchodzi się dźwięk, to zauważylibyśmy, obszary rozmieszczone przemiennie: obszary większej i mniejszej gęstości cząsteczek (czyli o mniejszym lub większym ciśnieniu) [2, 8]. W dodatku te obszary rozprzestrzeniały by się. Jeśli źródłem dźwięku byłby punkt: to fala dźwiękowa rozprzestrzeniałby się jako rosnąca sfera wokół tego punktu. Na przemian powstawały by obszary o różnym zagęszczeniu cząsteczek powietrza (rys. 2).

Rys. 2. Rozchodzenie się fali kulistej ze źródła punktowego

Jeśli źródłem dźwięku byłaby drgająca płaszczyzna zaznaczona kolorem czerwonym (rys. 3), wówczas obszary o większym i mniejszym ciśnieniu byłyby równoległymi płaszczyznami przemierzającymi ośrodek z prędkością zależną od ośrodka [2].

Rys. 3. Fala dźwiękowa płaska po przemierzeniu odległości l.

Długość fali - jest odległością pomiędzy maksimami lub minimami ciśnienia akustycznego fali dźwiękowej. Jest to również odległość pomiędzy dwoma obszarami o tej samej fazie sygnału [2, 11].

Najprostsza fala akustyczna przedstawiona jest na rysunku 4:

Rys. 4. Fala akustyczna i jej długość wgczęstotliwość jest tak mała, że nie są słyszalne nazywamy infradźwiękami (niższe niż 16 Hz), zaś których częstotliwość jest tak duża, że również nie są słyszalne nazywamy ultradźwiękami(wyższe od 20kHz). Dźwięki powyżej 100MHz nazywane umownie są hiperdźwiękami [2, 3].

Oktawy i dekady

Jako, że ludzkie ucho odczuwa w przybliżeniu logarytmicznie zmiany tonów wprowadzono podział dźwięków o różnych częstotliwościach na oktawy i dekady [2, 8, 12]:

Częstotliwości początkowe oznaczające dźwięki "C" skali muzycznej dla poszczególnych oktaw to:

Częstotliwości dekadowe to:

Lub

Według tego podziału dźwięk o oktawę wyższy posiada 2 razy większą częstotliwość, a o oktawę niższy 2 razy mniejsza częstotliwość. Podział na dekady oznacza, że kolejne wartości są od siebie oddalone o 10 razy [2].

Istnieje też odrębny podział pasma ludzkiego słuchu na częstotliwości basowe - niskie: poniżej 250Hz, średnie 250-2000Hz i wysokie 2000Hz-20000Hz [16].

Interwał jest różnicą częstotliwości pomiędzy dwoma różnymi tonami. Interwał można oznaczyć za pomocą różnicy częstotliwości w Hz lub za pomocą części oktawy lub dekady czyli w sposób ilorazowy. I tak na przykład dźwięk 106Hz znajduje się w odległości jednej oktawy od dźwięku 212Hz i o dwie dekady od dźwięku 10600Hz. Oktawy dzielą się na 12 półtonów [3, 12].

Ciśnienie akustyczne

Jest jedną z miar intensywności zjawiska dźwiękowego. W ośrodku gazowym następują oscylacje ciśnienia na skutek zjawiska dźwiękowego, czyli następujące po sobie grzbiety (maksima) i doliny (minima) [2, 10]. Ciśnienie akustyczne (rys. 5) to skuteczna wartość tych zmian [13].

Rys. 5. Przebieg zmienności ciśnienia akustycznegomPa [14, 17].

Moc akustyczna

Kolejnym sposobem oznaczenia intensywności zjawiska akustycznego jest moc akustyczna. Wyraża ona ilość energii w jednostce czasu, jaką emituje źródło w postaci dźwięku. Jest wyrażona w watach [14, 17].

Poziom mocy akustycznej

Poziomy mocy akustycznej jest również możliwy do oznaczenia w postaci decybelowej [14, 17];

gdzie P₀ - poziom odniesienia 10^-12 W

Natężenie dźwięku

Natężenie dźwięku jest to jedna z miar głośności, intensywności dźwięku [2, 14]. Jest to stosunek mocy akustycznej do powierzchni przez jaką przepływa fala akustyczna. Dla fali kulistej (rys. 2) określone jest wzorem:

,

gdzie P - moc akustyczna wyrażona w watach, S- pole przekroju przez który przepływa fala dźwiękowa. W przypadku fali kulistej jest to sfera oddalona od środka o promień r [2, 3].

Dla fali płaskiej (rys. 3) wzór jest nieco inny:

,

gdzie l odległość od początku fali, a, b - wymiary obszaru badanego [2, 3].

• woda - 1500 m/s,
• powietrze - 340 m/s,
• stal - 5100 m/s - 6000 m/s,
• szkło - 6000 m/s,
• rtęć - 1500 m/s,
• lód - 3300 m/s,
• beton - 3800 m/s.

Prędkość akustyczna jest to prędkość z jaką drga cząstka środowiska w polu fali dźwiękowej. Im głośniejszy i im wyższy jest ton, tym większa jest prędkość akustyczna. W porównaniu z c prędkość akustyczna jest niewielka i jej wartość skuteczna nie przekracza 0,1 m/s [13].

Pogłos, echo

Zjawisko stopniowego zanikania dźwięku po wygaśnięciu źródła dźwięku, występujące wskutek odbić fal dźwiękowych od powierzchni pomieszczenia [2, 3].

Krzywe izofoniczne

Ucho ludzkie jest urządzeniem pomiarowym niedoskonałym. Po pierwsze jest nieliniowe. Różnice częstotliwości jak i natężenia dźwięku nie są proporcjonalne i liniowe. Różnica częstotliwości miedzy 100Hz a 200Hz jest tak samo adekwatna jak różnica pomiędzy 1000Hz a 2000Hz. Podobnie ma się sprawa ze zmianami ciśnienia akustycznego działającego na ludzki narząd słuchu. Skala decybelowa oznacza, że zwiększenie o 6dB oznacza czterokrotny wzrost mocy sygnału. Jednak nie oznacza to, że będziemy odczuwać ta zmianę jako "dwa razy głośniej". Zwiększenie poziomu ciśnienia z 0dB do 20dB oznacza jego wzrost z 20µPa do 200µPa natomiast z 100dB do 120dB oznacza wzrost z 2Pa na 20Pa. W pierwszym przypadku to wzrost o 180µPa a w drugim o 18Pa czyli wielkości oddalone o kilkanaście rzędów wielkości. Mimo iż dla ucha ludzkiego to ten sam przyrost głośności. Uznaje się że wzrost ciśnienia o 10dB oznacza wzrost głośności odczuwalnej przez słuch około 2 razy. Jest to wrażenie subiektywne [2, 8].

Kolejną charakterystyczną cechą jest zniekształcenie czułości słuchu dla dźwięków o różnej częstotliwości. Dlatego stosuje się dla mierników poziomu natężenia dźwięku korekcję wg krzywych izofonicznych, tzw. krzywych jednakowego słyszenia przedstawionych na rysunku 7 [33]. Głośność dźwięku o pewnej częstotliwości porównywana z dźwiękiem o częstotliwości 1000Hz. Najbardziej wrażliwy słuch jest w okolicy 4000Hz natomiast im bliżej krańca możliwości uszu ludzkich, tym zmysł mniej wrażliwy.

Fon - jednostka poziomu głośności dźwięku. Poziom głośności dowolnego dźwięku w fonach jest liczbowo równy poziomowi natężenia (wyrażonego w decybelach) tonu o częstotliwości 1 kHz, którego głośność jest równa głośności tego dźwięku [2, 14, 18].

Rys. 7. Izofony "normalnego" ucha wg Fletchera i Munsona. Wartości fonów są oznaczone na niebiesko. Ilustracja krzywej ważonej A.

Ekrany akustyczne pochłaniają, zmieniają kierunek, rozpraszają dźwięk. Powodują straty natężenia dźwięku. Są stosowane różne ekrany i bariery akustyczne o różnej konstrukcji istnieje też wiele metod porównywania ze sobą ekranów oraz oceny ich sprawności niezależnie od ich kształtu czy wielkości [6, 19].

Jednym ze sposobów oceny jakości pracy ekranów i barier akustycznych jest pomiar tzw. efektywności ekranowania ?L_e [1, 20].

Pomiar natężenia dźwięku wykonuje się za pomocą mikrofonów i rejestruje w komputerach lub za pomocą sonometrów przez długotrwałe rejestrowanie i uśrednianie przed wprowadzeniem ekranu L₁ i po wprowadzeniu ekranu na drodze hałasu L₂ dla różnych częstotliwości [1, 20, 21].

Różnica wskazań to tak zwana efektywność ekranowania DL _{wyliczana w decybelach:}

Urządzenia pomiarowe zostaną omówione w rozdziale czwartym.

Innym sposobem oceny efektywności ekranowania szczególnie w pomieszczeniach zamkniętych, przy wyciszaniu silników, dla wszelkiego rodzaju osłon i urządzeń elektrycznych jest pomiar izolacyjności akustycznej. Jest to pomiar podobny do pomiaru skuteczności, jednak pomija on wpływ ugięcia się fali na krawędzi ekranu. Obejmuje on pomiar w odgrodzonych od siebie pomieszczeniach. W jednym znajduje się urządzenie generujące dźwięk w drugim mikrofon lub miernik hałasu: sonometr. Różnica wskazań jest izolacyjnością w decybelach [17, 22].

Dużo bardziej rozbudowanym parametrem jest pogłosowy współczynnik tłumienia ?_s. Określa on jaki ułamek mocy akustycznej fali akustycznej został pochłonięty w materiale i nie przeszedł lub nie został odbity. Jest wyznaczany w pomieszczeniu o gładkich dobrze odbijających ścianach np. z betonu. Do takiej komory o objętości ok. 18m³ wstawia się fragment ekranu dźwiękochłonnego o wymiarach powyżej 10m². Porównuje się czasy pogłosu komory z materiałem dźwiękochłonnym i bez niego. W praktyce wyznacza się go dla częstotliwości 100-5000Hz [19, 21].

Istnieje też praktyczny współczynnik tłumienia ?_p odnoszący się do adaptacji akustycznych zagospodarowanych już pomieszczeń oraz wskaźnik pochłaniania dźwięku ?_w będący uśrednioną wartością ?_p z przedziału 100-5000Hz [21].

Wszystkie parametry zależą od rodzaju materiału, jego grubości oraz kształtu zewnętrznego.

Współczynnik tłumienia można wyznaczyć wieloma metodami. W przeciwieństwie do pomiaru dźwiękoizolacyjności mikrofony znajdują się pomiędzy ekranem a źródłem dźwięku w kierunku materiału izolacyjnego [21]. Wszystkie współczynniki tłumienia zawierają się w postaci niemianowanej liczby od 0 do 1.

Gęstość pozorna - Jest to gęstość materiału z uwzględnieniem porów i nieciągłości w strukturze. Czyli masa przypadająca na 1m³ [3].

Gęstość powierzchniowa - jest to miara określająca rozkład masy przypadającej na powierzchnie płaską ekranu 1m². Im grubszy materiał tym jego gęstość powierzchniowa jest większa [22].

2. Cel pracy

Celem pracy jest pomiar właściwości akustycznych wybranych materiałów i opracowanie kryteriów ich doboru na ekrany dźwiękochłonne. Badania będą dotyczyły następujących materiałów:

ˇ pianka polietylenowa,

ˇ wata szklana,

ˇ wełna mineralna,

ˇ styropian.

Sposoby realizacji celu pracy:

1. Opracowanie metodyki prostych pomiarów akustycznych w komorze z pomocą wersji demonstracyjnej programu SpectraPlus 5.0, wraz z pomiarem dźwiękoizolacyjności z pomocą komputera klasy PC.

2. Wybór najlepszych dźwiękochłonnych materiałów ze względu na kryteria:

ˇ akustyczne,

ˇ cenę,

ˇ gęstość powierzchniową.

3. Porównanie charakterystyk materiałów nowych i eksploatowanych

3. Hałas i jego niwelacja z pomocą ekranów dźwiękochłonnych

3.1 Hałas i jego źródła

Hałas i drgania wpływają nie tylko niekorzystnie na słuch, ale przyczynia się do rozdrażnienia, nerwic, stresu, bardzo duże natężenia dźwięku niekorzystnie wpływają na układ oddechowy i serce, a także na wzrok [2, 17].

Jak się okazuje z badań na przykładzie Japonii najczęściej przekroczonym (w przeliczeniu na powierzchnie tego kraju) wskaźnikiem środowiska jest hałas [23].

Tabela 1. Procentowy udział hałasu w zanieczyszczeniu środowiska w przeliczeniu na areał powierzchni kraju na przykładzie Japonii

Hałas obejmuje największe połacie i przestrzenie wokół środowiska życia człowieka.

W wyniku pomiarów wykonanych w ramach Programu Państwowego Monitoringu Środowiska, przeprowadzonych w 700 punktach (1999 r.) i 900 punktach (2000 r.) Inspekcja Ochrony Środowiska stwierdziła przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu w 95 proc. przypadków w roku 1999 i w 87 proc. w 2000 [24].

Sądząc po częstych relacjach z miejsc i analizie map akustycznych, czyli map największej koncentracji energii akustycznej większa część naszego kraju jest "zanieczyszczona" hałasem. Wiele skarg pochodziło z rejonów, gdzie już podjęto działania mające na celu zmniejszenie hałasu. Czyli obecne ekranowanie akustyczne nie spełniło oczekiwań podmiotów zlecających [23].

Problem tkwi w tym, że Polska się rozwija, po naszych drogach jeździ coraz więcej samochodów, jednak jakość dróg jak i jakość samochodów nie idą w parze ze wzrostem ilości samochodów. Sądząc po badaniach sprzed dwudziestu lat na przykładzie Francji aż 80% obywateli tego państwa uskarżało się na przekroczenie hałasu w ich najbliższym otoczeniu [1, 25] .

Normy hałasu

Aby móc porównywać ze sobą stopień narażenia ludzi na hałas wprowadzono normy hałasu. Norma hałasu to maksymalne poziomy natężenia dźwięku bezpieczne dla zdrowia człowieka mierzone z uśrednienia wartości chwilowych przez długotrwałe badania. Wartość natężeń dźwięku w decybelach musi być skorygowana z krzywą równomiernego słyszenia A. W Polsce obowiązuje następująca norma hałasu z 2007 roku [17, 34].

Tabela 2. Normy hałasu w decybelach natężenia dźwięku w wybranych miejscach [17]

Źródła hałasu:

Istnieje wiele kryteriów podziału hałasu ze względu na źródło energii wibroakustycznej (rys. 8). Ze względu na modele teoretyczne powstawania, ze względu na fizyczne przyczyny powstawania i ze względu na pochodzenie. Każdy rodzaj hałasu można dokładnie analizować na mniejsze elementy dzieląc dany rodzaj hałasu na jego przyczyny [25].

Rys. 8. Źródła hałasu wg [9]

Najczęściej ekrany akustyczne i dźwiękochłonne znajdują zastosowanie w przypadku dźwięków pochodzenia transportowego, źródeł przemysłowych [17]. Coraz częściej są stosowane dla poprawy akustyki w nieprzemysłowych miejscach pracy w postaci sufitów podwieszanych, ustrojów akustycznych [21].

Hałas transportowy

Analizując hałas transportowy motoryzacyjny w sposób dokładniejszy [25] dochodzimy do wniosku, ze prawie każdy element samochodu powoduje powstawanie hałasu. Gdyż źródłem hałasu samochodów są: drgania opony (rys. 9), hałas owiewającego samochód powietrza (rys. 10) [26], silnika, układu wydechowego, hamulców, hałas powstający przez powstanie pudła rezonansowego z całej karoserii samochodu [25].

Drgania opon są spowodowane zjawiskami fizycznymi obracającego się koła jak i podatności mechanicznej i zmiany kształtu opon podczas jazdy, nierównomiernego rozprowadzenia masy w oponie oraz rezonansów akustycznych w szczelinach opony. Drgania te schematycznie zostały zaprezentowane na rysunku 9.

Rys. 9. Źródła powstawania hałasu w oponie samochodowej [25]

Rys. 10. Samochód w tunelu aerodynamicznym.

Hałas w pomieszczeniach mieszkalnych i biurach

Hałas dotyka nas nie tylko w bliskości przemysłu czy dróg lub szlaków kolejowych. Jest wszechobecny. Na przestrzeni lat urządzenia elektryczne i elektroniczne mimo swojego gruntownego rozwoju niewiele się poprawiły jeśli chodzi o hałaśliwość. Do najbardziej uciążliwych urządzeń należą przede wszystkim odkurzacze, drukarki, systemy wentylacyjne, systemy nagłośnienia nieodpowiednio użytkowane, telewizory, stare lodówki, komputery, układy hydrauliczne, wiertarki [27].

Brak ekranowania akustycznego w budynkach jest przyczyną przedostawania się dźwięków pomiędzy pomieszczeniami i powstawania szumu, gwaru. Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym problemem poza inwestycjami na nowe urządzenia jest ekranowanie akustyczne elementów konstrukcyjnych budynku: wygłuszanie ścian, podług i instalowanie sufitów podwieszanych [27].

3.2 Obliczanie wysokości barier

3.2.1 Zjawiska w ekranach akustycznych

Metody doboru wysokości barier dźwiękochłonnych i dźwiękoizolacyjnych maja swój oddźwięk w zjawiskach powstających, gdy fala akustyczna natrafi na swej drodze w powietrzu ekran akustyczny. Nie bez przyczyny na dobór ekranów ma kształt terenu i rozmieszczenie w terenie różnych obiektów naturalnych i sztucznych [1, 28].

Gdy fala rozpościera się nad ziemią: dochodzi do pochłaniania fali przez grunt, odbicia od ziemi i interferencji z samą sobą. Fala ulega także refrakcji, czyli ugięciu pod wpływem wiatru oraz pochłanianiu przez powietrze. Im dalej od źródła dźwięku tym ciszej. W przybliżeniu o około 6dB przy wzroście odległości dwa razy [28].

Rys. 11. Zjawiska falowe nad ziemią

Włożenie na drodze fali ekranu akustycznego powoduje dodatkowe efekty: tj.: odbicie, przejście fali przez nieciągłość w ekranie, ugięcie fali od górnej krawędzi, pochłoniecie w ekranie. Wszystkie zjawiska, schematycznie zostały opisane na rysunku 12 [1, 22, 28, 31].

Rys. 12. Zjawiska w ekranach akustycznych

Z tych zjawisk, pozytywny skutek ma pochłonięcie fali i odbicie. Negatywny natomiast przejście fali przez ekran i ugięcie od górnej krawędzi czyli dyfrakcja. Podstawowe metody symulacji uznają, że ekran idealnie odbija falę lub ją pochłania. Ewentualne straty sygnału są spowodowane dyfrakcją fal [1].

Fala płaska padając na przesłonę, na skutek zjawiska dyfrakcji dociera również częściowo do przestrzeni leżącej w obszarze geometrycznego cienia. Dyfrakcję najprościej wytłumaczyć jest zasadą Huygensa - Fresnela, w myśl której każdy punkt przestrzeni, do którego dociera płaska fala, staje się źródłem elementarnej fali sferycznej. Fale te następnie interferują ze sobą, tworząc nowe czoło fali [2].

Rys. 13. Geometria i oznaczenia stosowane w symulacji pracy ekranu akustycznego: ugięcie fal na ekranie akustycznym o kąt ?

W praktyce stosuje się oznaczenia Ź - źródło hałasu; O - obserwator; W - wierzchołek ekranu akustycznego; H - wysokość ekranu; h₁, h₂ wysokość źródła i obserwatora nad ziemią; ? - kąt między odcinkiem |ŹO| a |WŹ|, h_eft - efektywna wysokość ekranu, wysokość trójkąta ^ŹWO; a, b - odcinki, na które dzieli wysokość efektywna odcinek między źródłem a obserwatorem [31].

3.2.2 Metody symulacyjne pracy ekranów

Metoda Maekawy

Metoda ta umożliwia zasymulowanie pracy ekranu akustycznego, operuje parametrem różnic dróg akustycznych [1, 17].

Różnice dróg akustycznych przedstawiono na rysunku 13 - to różnica drogi jaka następuje pomiędzy drogą fali bez ekranu odcinek |ZO| oraz poprzez ugięcie fali na wierzchołku ekranu przez odcinki: |ZW| i |WO|. Oznaczone jako ?r.

?r = |ZW|+|WO| - |ZO|

Rząd ugięcia

Jedna fala ugina się na krawędzi pod wieloma kątami, metoda Maekawy zakłada, że skuteczność tłumienia dźwięku zależy tylko od rzędu ugięcia. Rysunek 14 przedstawia ugięcie się fali pod trzema kątami ?₁, ?₂, ?₃. Dla kolejnych rzędów ugięcia N=1, N=2 i N=3 [31].

Rys. 14. Kilka kątów ugięcia dla różnic dróg akustycznych ?r

Rząd ugięcia spełnia zależność:

,

gdzie f - częstotliwość c- prędkość dźwięku w powietrzu (330m/s) [17].

Przybliżenie Maekawy upraszcza zjawiska wielokrotnego odbicia i ugięcia fali dźwiękowej od gruntu po obu stronach ekranu akustycznego. Zastępuje ekran o skończonej długości, ekranem o nieskończonej długości. Tam gdzie inne metody zakładały odbicie, metoda Maekawy przesuwa odbiorcę lub źródło do miejsca pozornego znajdującego się w punktach O? i Ź? na rysunku 15 [1]:

Ekran o skończonej wysokości Ekran nieskończonej wysokości

Rys. 15. Główna idea przybliżenia Maekawy

Rysunek 15 przedstawia zjawiska ugięcia jakie najczęściej występują na pojedynczym ekranie akustycznym w porządku od zjawiska procentowo najczęstszego, wpływającego w największym stopniu na natężenie dźwięku za ekranem: od prostego ugięcia do najrzadziej występującego ugięcia po przejściu przez ekran i odbiciu od podłoża [1].

Rys. 16. Metoda Maekawy - teoretyczne zależności między rzędem ugięcia a efektywnością ekranowania

Na rysunku 16 [31] przedstawiono zależność efektywności ekranowania od rzędu ugięcia N po uwzględnieniu wielokrotnych odbić fali od ekranu i podłoża i ich procentowego udziału w zjawisku.

Metoda Rettingera [31]

Jest starszą metodą symulacji ekranów akustycznych, jednakże prostą w interpretacji i czasami wykorzystywaną przez akustyków. Bazuje ona na teorii dyfrakcji Kirchoffa [32].

Na podstawie warunków ustawienia źródła i ekranu wg rysunku 13 oraz oznaczeń z tego rysunku wyznacza się wskaźnik "w" [31]:

Zależność skuteczności ekranowania od wskaźnika "w" wygląda następująco:

Rys. 17. Zależność skuteczności ekranowania od wskaźnika "w" w metodzie Rettingera.

Metoda Rettingera jak i metoda Maekawy jest stosowana tylko w prostych rozwiązaniach bliskim założeniom teoretycznym [32]. W teoriach tych bowiem nie został uwzględniony kształt ustrojów dźwiękochłonnych i dźwiękochłonność materiałów, straty związane z obiciami dźwięku od obiektów w pobliżu ekranów akustycznych oraz nowoczesne metody pomiaru intensywności zjawisk akustycznych [1].

3.3 Przyczyna stosowania materiałów dźwiękochłonnych

Podstawowym celem stosowania materiałów dźwiękochłonnych na ustroje akustyczne jest zniwelowanie wielokrotnych odbić, a także redukcja hałasu po stronie źródła [1]. Dźwiękochłonność to zdolność chłonięcia przez materiały energii fali akustycznej i przetworzenie tej energii poprzez tarcie na ciepło. Dźwiękoizolacyjność to zdolność materiałów do nie przepuszczania fali akustycznej. Istnieją materiały łączące obie właściwości [32].

3.3.1 Zjawiska powodujące dźwiękochłonność

Ekran akustyczny dobrze jest wypełnić materiałem dźwiękochłonnym wstawionym za kratki na konstrukcję nośną lub za ściankę z blachy perforowanej. W przypadku materiałów: wat szklanych i wełen mineralnych materiał wytłumiający trzeba wstawiać za cienką folie polimerową [1, 19].

Dźwiękochłonność znacząco poprawia skuteczność ekranów akustycznych oraz niweluje wielokrotne odbicia dźwięku w pobliżu drogi. Sprawia też, że kierowcy i ludzie z przeciwnej strony ulicy odczuwają mniejsze natężenie dźwięku [30, 32].

Straty energii akustycznej związane są ze zjawiskami w materiałach [1, 30, 34]:

1. Ubytku energii na skutek lepkości powietrza przechodzącego przez pory materiału. Lepkość to tarcie jakie występuje między powietrzem, a materiałem ekranu - patrz rysunek 18. Powietrze jest płynem i nośnikiem dźwięku, na skutek lepkości wytracana jest duża część energii fali [1, 30].
2. Straty związane z wzajemnym tarciem między sobą elastycznych włókien pobudzonych przepływającą falą akustyczną- np. w wełnie mineralnej (rys. 19).
3. Straty wywołane tłumieniem wewnętrznym w materiale - zjawisko w materiałach litych, np. w pleksiglasie - tłumienie uwarunkowane rozprzestrzenianiem się fal w materiałach litych oraz ze zjawiskiem tłumienia przy przejściu pomiędzy fali z jednego ośrodka do drugiego. Zależy od gęstości i prędkości dźwięku w danym materiale [33].
4. Pochłanianie dźwięku poprzez rezonans pudła w postaci wnęki w materiale ekranu akustycznego. Jest to zjawisko powodowane wibracjami powietrza w otworach zwanych rezonacyjnymi, które prowadzą od czoła ekranu, aż do komory lub komór w środku. Powietrze w takiej wnęce zachowuje się jak sprężyna, która zaczyna drgać, gdy na ekran pada fala o odpowiedniej częstotliwości. Częstotliwość zależy od pojemności komór, długości i przekroju otworów. Wnętrze takiego ustroju wypełnia się materiałami porowatymi by rozmyć rezonans na sąsiadujące częstotliwości [34].
5. Pochłanianie dźwięku na drodze membranowej. Pochłaniacz membranowy zbudowany jest z cienkiej warstwy materiału (sklejki, płyty wiórowej), za którym znajduje się poduszka powietrzna. Cały ustrój posiada określoną na skutek wymiarów geometrycznych częstotliwość rezonansową, którą, te ekrany tłumią [34].

Rys 18. Straty sygnału na skutek lepkości powietrza w porach materiału [30]

Rys. 19. Tarcie o mikrowłókna materiałów. Wykorzystywane są straty związane z wzajemnym tarciem włókien w materiałach włóknistych [30]

Sposoby tłumienia 1,2,3: obejmuje częstotliwości średnie i wysokie, natomiast sposoby 4 i 5 - tłumienie stosuje się głównie dla częstotliwości niskich [34].

3.3.2 Przykłady materiałów dźwiękochłonnych

W naszym kraju wyróżnia się [21]:

ˇ Materiały dźwiękochłonne,

ˇ Ustroje dźwiękochłonne,

ˇ Wyroby dźwiękochłonne.

Materiały dźwiękochłonne są to materiały, które bez dodatkowej obróbki posiadają właściwości dźwiękochłonne, natomiast nie można ich stosować samodzielnie jako okładziny na ścianach czy sufitach, ale mogą być użyte jako wypełnienie ustrojów dźwiękochłonnych. Materiały te są głównie porowate, włókniste, o strukturze waty, pianki lub wełny. Samodzielne ich stosowanie może powodować uszkodzenia samego materiału i rozdmuch włókien. Materiały tego typu wykorzystują tłumienie przez tarcie powietrza w porach materiału oraz przez tarcie samych mikrowłókien materiału o siebie [30].

Materiałami dźwiękochłonnymi są [19]:

• maty, filce i płyty z wełny mineralnej,
• maty i płyty z włókna szklanego (wata szklana),,
• pianki polimerowe (poliuretan, polietylen, polistyren, polipropylen, polistyren
• włókniny tekstylne,
• płyty ze szkła piankowego białego .

Wyroby dźwiękochłonne - to wyroby, które można bezpośrednio wykorzystać jako tworzywo dźwiękochłonne. Posiadają obrobioną odpowiednio zabezpieczoną powierzchnie przed erozją materiału dźwiękochłonnego bazowego.

Do wyrobów dźwiękochłonnych należą [2, 19]:

• płyty z wełny mineralnej (skalnej lub szklanej) z dekoracyjna fakturą zewnętrzną,
• płyty drewnopochodne (wiórowe, pilśniowe miękkie),
• płyty bądź wykładziny poliuretanowe,
• natryskiwane porowate tynki,
• dywany i wykładziny podłogowe.

Ustroje dźwiękochłonne są to konstrukcje wykonane z kilku materiałów, nie tylko dźwiękochłonnych, wyposażone w elementy do montażu na ścianach, przy ulicach, do fundamentów. Mogą być dodatkowo modyfikowane przez rozwiniecie powierzchni zewnętrznej wykonanie otworów rezonansowych i konstrukcji membranowej, wykonanie w postaci płaskiej i przestrzennej dla uzyskania dodatkowych właściwości tłumiących w szerokim spektrum częstotliwości [34].

4. Urządzenia pomiarowe i komora akustyczna

W części praktycznej zostanie omówiona samodzielnie wykonana i zaprojektowana komora do pomiarów dźwiękoizolacyjności wybranych materiałów dźwiękochłonnych oraz cała aparatura i oprogramowanie niezbędne do interpretacji i analizy wyników.

Mikrofon - jest to urządzenie elektroniczne, które przekształca energię fali dźwiękowej na prąd elektryczny. Istnieją różne konstrukcje mikrofonów wykorzystujące wiele zjawisk fizycznych [2, 3].

Podstawowym rodzajem mikrofonu jest mikrofon dynamiczny. Jest zbudowany z lekkiej membrany, która jest sprzężona z cewką zawieszoną w polu magnetycznym magnesu stałego [2]. Pod wpływem uderzania fali akustycznej o membranę cewka wykonuje ruch, który zostaje zamieniony na zmienny prąd elektryczny. Przykładowy rysunek mikrofonu dynamicznego przedstawia rysunek 20a [36].

Mikrofon piezoelektryczny. Jest zbudowany z materiału piezoelektrycznego. Pod wpływem fali akustycznej kryształy, z którego jest zbudowany jest mikrofon drgają czyli odkształcają się. Dzięki czemu powstaje wypadkowa polaryzacja napięcia elektrycznego dipoli elektrycznych na skutek zjawiska piezoelektrycznego [3].

Mikrofon pojemnościowy. Jest zbudowany z trzech okładzin elektrycznych, z których jedna ruchoma znajduje się pomiędzy dwiema nieruchomymi. Na skutek ingerencji fali akustycznej z okładziną ruchomą zmienia się w takt częstotliwości pojemność elektryczna takiego mikrofonu. Taki mikrofon wymaga osobnego zasilania. Jest o wiele bardziej czuły niż mikrofon dynamiczny [37].

Mikrofon elektretowy, jest mikrofonem pojemnościowym, w którym dielektryk posiada wypadkową polaryzację. Jest najczęściej stosowanym mikrofonem w technice multimedialnej. W części praktycznej posługiwano się takim typem mikrofonu. Gdyż nie wymaga on dodatkowych urządzeń zasilających. Mikrofon Easy Touch widoczny na rysunku 20b pozwala na rejestrację dźwięków z zakresu częstotliwości 100-10000Hz czyli zawiera się to w paśmie wyszczególnionym dla materiałów dźwiękochłonnych [34, 37].

a) b)

Rys. 20. a) Mikrofon dynamiczny Shure SM-05 b) Mikrofon elektretowy EasyTouch001M

Komputer - jest obecnie podstawowym narzędziem pracy prawie wszystkich akustyków [36]. Jego podstawowym przeznaczeniem jest przekształcenie danych z mikrofonów pomiarowych do postaci liczbowej. Prawie każdy komputer posiada kartę dźwiękową, która de facto jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym [2]. Która zamienia napięcie mikrofonu na porcję informacji i odwrotnie. Pozwala wyemitować dźwięk wygenerowany przez komputer w postaci fali akustycznej. Jest rejestratorem zmienności przebiegów akustycznych natężenia dźwięku [40].

W pracy posłużono się laptopem DELL LATITUDE D600. Wyposażonym w prosta kartę dźwiękową SigmaTel Audio oraz o oprogramowanie SpectraLab.

Głośnik

Wykorzystanym jako generator hałasu jest głośnik niemieckiej firmy Quadral: Phase Zero 4? o parametrach Moc maksymalna: 60W Skuteczność 88dB Przy mocy 1W z 1m Pasmo przenoszenia 65Hz?22 000Hz [40]. Omawiany głośnik przedstawiono na rysunku 21.

Rys. 21. Głośnik wykorzystywany w pomiarach Quadral Phase Zero

Wzmacniacz

W pracy posłużono się profesjonalnym wzmacniaczem elektroakustycznym polskiej firmy ADS LX800 zapewniającym wysoką moc przy niskich zniekształceniach i błędach w odtwarzaniu [41].

Rys. 22. Wzmacniacz ADS LX800 [41]

Komora do badania dźwiękoizolacyjności

Jest to urządzenie zaprojektowane w celu pomiaru dźwiękoizolacyjności materiałów dźwiękochłonnych powszechnego stosowania. Zbudowane jest z ciężkiej i grubej (1,8cm) płyty wiórowej pokrytej grubą warstwą okleiny o dobrych właściwościach odbiciowych, która niweluje wpływ drgań komory na przebieg doświadczeń. Jej budowa jest podobna do komory zaprojektowanej przez: Jerzego Polaczka, Marcina [22].

Wymiary zewnętrzne oraz konstrukcję komory wykorzystywanej w pracy przedstawiono na rysunku 23.

Rys. 23. Wymiary komory oraz kształt.

Zasada działania komory akustycznej

Komora współpracuje z komputerem, mikrofonem, głośnikiem i wzmacniaczem. Jest to z jednej strony otwarty prostopadłościan o niepowtarzających się i nieproporcjonalnych do siebie długości boków, aby przeciwdziałać fali stojącej i zniwelować rezonanse. Wewnątrz komory wstawia się głośnik - emiter fali akustycznej o określonym natężeniu dźwięku. Wylot komory zastawia się szczelnie materiałem dźwiękochłonnym. Rysunek 24 to schemat rozchodzenia się fali dźwiękowej przez dźwiękochłonny materiał położony u wylotu komory. Rysunek 25 przedstawia urządzenie zespół urządzeń gotowych do pomiaru dźwiękoizolacyjności styropianu. Przed komorą w odległości jednego metra stawiamy mikrofon - jako miernik natężenia dźwięku [22].

Rys. 24. Komora akustyczna z zamontowaną próbką styropianową.

Rys. 25. Droga dźwięku z głośnika zamontowanego w komorze do mikrofonu pomiarowego.

5. Program SpectraPlus Demo

5.1 Informacje o programie

Jest to program w wersji demonstracyjnej 30-dniowej firmy Pioneer Hill Software, jest to już piąta wersja tego programu [42]. W istocie jest to spektralny analizator o dużej liczbie opcji dodatkowych, wykorzystującym jako urządzenie wejściowe kartę dźwiękowa komputera. Podstawą działania tego programu jest szybka transformata Fouriera FFT [43].

Szybka transformata Fouriera jest to zbiór algorytmów pozwalających w programie SpectraPlus na szybkie przedstawienie spektrum częstotliwościowego sygnału akustycznego jaki pada na mikrofon. Jest to przetworzenie zmiennego w czasie przebiegu natężenia dźwięku w czasie na rozdział na harmoniczne części tego przebiegu czyli zależność natężenia dźwięku w funkcji częstotliwości sygnału [40].

Przebieg dźwiękowy mikrofonu zmienny w czasie jest próbkowany przez kartę dźwiękową [2]. Czyli co pewien okres czasu badane jest napięcie na mikrofonie i zamieniane na wartość cyfrową. Wymagana jest co najmniej 2 razy większa częstotliwość próbkowania pomiaru niż przebieg badany [36].

W naszym przypadku jest to 44100Hz umożliwia to badanie dźwięków z całego zakresu pracy mikrofonu z dobrą jakością. Sposób próbkowania sygnału został przedstawiony na rysunku 26 [44].

Uproszczony sposób wyliczania FFT przez komputer opiera się na poniższym wzorze:

N- liczba próbek sygnału (rozdzielczość), ? - częstotliwość, i- licznik od 1 do N, F(i) funkcja powstała przez próbkowanie sygnału, G(?) - funkcja zależna od częstotliwości [43].

Rys. 26. Ilustracja próbkowania sygnału akustycznego [44]

Rys. 27. Ustawienia procesu pomiaru w programie Spectra Plus

Rysunek 27 przedstawia pełne ustawienia procesu analizy programowej danych wejściowych z mikrofonu lub mikrofonów podpiętych do komputera. Najważniejsze elementy tego okna programowego to:

* Frequency Range and Resolution - rozdzielczość i zasięg pomiaru:

• Sampling ratio - częstotliwość próbkowania,
• Decimal ratio - zwiększenie dokładności pomiaru przez kilkakrotną analizę,
• FFT size - ilość próbek ,
• Spectral line resolution i frequency limit - pasmo przenoszenia pomiarów,
• Smoothing window - wybór algorytmu do wyliczania FFT [42],
• Sampling format - format próbkowania ze względu na liczbę bitów 8, 16 lub 24 bity oraz wybór ilości mikrofonów podczas badania:
• • 1 (mono) ,
  • 2 (stereo),
• Averaging settings - opcje uśredniania i prędkości analizy - łącznie z podtrzymaniem pików na wykresie (peak hold),
• Input Signal Overload - funkcja wykrywania przekroczenia napięcia na mikrofonie ponad sygnał dopuszczalny karty dźwiękowej, tzw. przesterowanie [2].

Istotną cechą programu SpectraPlus jest możliwość pomiaru zmiennych przebiegów akustycznych w czasie rzeczywistym od razu w trakcie pomiaru, z nagrania lub z wyprzedzeniem [42]. Drugą zaleta jest natychmiastowe przeliczanie amplitudy sygnału na decybele natężenia dźwięku co wiąże się z wygodą stosowania w przypadku pomiarów terenowych, przeliczeń natężeń dźwięku.

Program umożliwia miedzy innymi badanie przebiegów w następujących układach współrzędnych:

1. Spektrum czyli natężenia dźwięku w funkcji częstotliwości L = f(f),
2. Time series, czyli pomiaru chwilowego natężenia dźwięku w funkcji czasu L = f(t),
3. Spektrogramu czyli natężenia dźwięku w funkcji częstotliwości i czasu L=f(t, f),
4. Badania przesunięcia fazowego sygnału dźwiękowego w funkcji częstotliwości ? = f(f),
5. 3D surface - czyli zobrazowania dźwięku jako płaszczyzny w układzie trójwymiarowych współrzędnych i zależności L=f(t, f).

5.2 Pomiar natężenia dźwięku

Polega na skierowaniu mikrofonu pomiarowego bezpośrednio w kierunku źródła hałasu wg wskazań producenta mikrofonu - w taki sposób, aby charakterystyka mikrofonu była najmniej zakłócona. Włączenie pomiaru natężenia w funkcji częstotliwości dokonujemy przez zakładkę Spectrum z zakładki View. Następnie ustawiamy odpowiadająca nam opcję podtrzymania wyniku pomiarowego: szybko, wolno, bardzo wolno w zależności od charakterystyki zmienności dźwięku w czasie i włączamy przycisk uruchamiający pomiar [10].

Wynik pomiarowy będzie odniesiony do skali jaką sobie wybierzemy z uwzględnieniem lub nie: charakterystyki równomiernego słyszenia z rysunku 7 rozdziału 1.

Tak zmierzone spektrum możemy przeliczyć do natężenia dźwięku z ang. SPL (sound pressure level) [2, 42].

Rys. 28. Wykres krzywej przykładowego hałasu w pomieszczeniu mieszkalnym 15m²

Rysunek 28 przedstawia wykres krzywej przebiegu natężenia dźwięku przykładowego hałasu w bloku mieszkalnym. Badanie natężenia dźwięku w funkcji częstotliwości często nazywane jest wyznaczaniem charakterystyki częstotliwościowej [2].

Kalibracja, kompensacja i wyskalowanie mikrofonu

Przy pomiarze mikrofonami należy je wyskalować względem wzorca, tak aby pomiar hałasu był miarodajny [2]. Istnieją specjalne kalibratory i wzorce hałasu. W warunkach domowych można wyskalować mikrofon za pomocą głośnika dokładnie zbadanego w laboratoriach akustycznych. Do głośnika podaje się sygnał elektryczny o określonej mocy i określonej częstotliwości. Jednym z podstawowych parametrów głośnika jest skuteczność, która jest natężeniem dźwięku w funkcji częstotliwości prądu zasilającego głośnik. Natężenie dźwięku głośnika bada się z odległości 1m przy mocy 1 wata podawanej na głośnik [45]. Jeśli jednak chodzi o pomiary tłumienności kalibracja nie jest konieczna, gdyż pomiary tego typu bazują na względnym odejmowaniu natężeń dźwięku w decybelach [22].

Rys. 29. Panel programu do skalowania i wyboru osi pomiarowych

Rysunek 29 przedstawia pełne opcję kalibracji i dokładnego wyskalowania mikrofonów w programie SpectraPlus wraz z wszelkim osprzętem zewnętrznym. Główne nastawy potrzebne do badań akustycznych to [42]:

• Scalling control - okno programu umożliwiające skalowanie,
• Amplitude axis - pozwala na wybór skali rzędnych na wykresach na liniową i logarytmiczną w decybelach,
• Frequency axis - pozwala na wybór skal do pomiaru częstotliwości na skale z użyciem:
• • wszystkich możliwych punktów przeanalizowanych przez program w formie liniowej (linear) ,
  • formie logarytmicznej (logarithmic),
  • ograniczonej ilości punktów do części oktawy (następuje uśrednienie najbliższych wyników),
• Standard Frequency Weighting - umożliwia na skorygowanie pomiaru wg krzywych wagowych: równomiernego słyszenia A - przy niskich natężeniach dźwięku, B i C - dla średnich i wysokich. Krzywa A znajduje się w rozdziale 1 części teoretycznej rysunek 7,
• Microphone compensation - dokładna kompensacja mikrofonu dla całego pasma przenoszenia [2]. Są to pliki konfiguracyjne złożone na podstawie danych fabrycznych producenta mikrofonu [37].

5.3 Pomiar efektywności ekranowania

Polega na dwukrotnym zmierzeniu natężenia dźwięku jak w rozdziale 2. Pierwszy pomiar należy wykonać przed wprowadzeniem ekranowania, drugi - po wprowadzeniu ekranowania, w dokładnie tym samym miejscu i w takich samych warunkach (mikrofon skierowany w tym samym kierunku, z takimi samymi nastawami programowymi) [1, 10, 25].

Rys. 30. Pomiar efektywności ekranowania - kolor zielony - hałas przed wprowadzeniem ekranowania, kolor turkusowy - zniwelowany hałas przez ekranowanie akustyczne.

Po odgrodzeniu przykładowego hałasu z rysunku 28 barierą dźwiękoizolacyjną następuję spadek ilości energii akustycznej mierzonej przez mikrofon [1]. Różnica wskazań w decybelach pomiędzy dwoma wykresami jest skutecznością ekranowania przedstawioną jako nowa funkcja i zobrazowana wykresem na rysunku 31 [20, 21].

Przebieg skuteczności ekranowania w funkcji częstotliwości wykonuje się w arkuszu kalkulacyjnym odejmując wartości przebiegu hałasu przed wstawieniem ekranu i po wstawieniu ekranu:

Rys. 31. Przebieg skuteczności ekranowania

5.4 Pomiar odbiciowego współczynnika pochłaniania

Pomiar odbywa się w komorze odbiciowej czyli pomieszczeniu wyłożonego nieporowatym materiałem odbijającym. Do badania odbiciowego współczynnika pochłaniania stosuje się zakładkę Time Series lub Spectrogram z grupy View. Time series działa na zasadzie prostego oscyloskopu, natomiast spektrogram mierzy zmiany spektrum w funkcji czasu rysując trójwymiarową charakterystykę hałasu [42].

Do komory wstawiamy mikrofon i źródło hałasu o natężeniu powyżej 60dB. Po wyłączeniu źródła hałasu odczytujemy czas, gdy poziom natężenia dźwięku spadnie z poziomu maksymalnego o 60dB. Pomiar wykonuje się dwukrotnie [21]:

• w komorze z materiałem dźwiękochłonnym,
• w pustej komorze.

Oba czasy się rejestruje i zapisuję. Odczyt jest ułatwiony na skutek dobrej wizualizacji danych w programie (rys. 32). Można wykonać pomiar niezależny od częstotliwości dla całego sygnału posługując się zakładką Time Series. A także uwzględnić czasy pogłosu dla poszczególnych częstotliwości analizując wykres trójwymiarowy 3-d Surface lub barwny spektrogram [42].

Rys. 32. Kilka możliwości wizualizacji badania czasu zaniku piku dźwiękowego.

Współczynnik pochłaniania wyliczamy ze wzoru [29, 30]:

gdzie: V - objętość komory pogłosowej [m³],

F₀ - pole powierzchni próbki badanego materiału [m²],

T₁ - czas pogłosu komory pustej [s],

T₂ - czas pogłosu komory z materiałem pochłaniającym [s],

? ₁ - współczynnik pochłaniania ścian komory,

0,161 - stała wyznaczana doświadczalnie.

Współczynnik ? ₁ jest na ogół pomijany, gdy ściany komory są gładkie i ? ₁ ? 0

Można badać różne piki częstotliwościowe wykreślając zależność współczynnika pochłaniania w funkcji częstotliwości [30].

, gdzie f- częstotliwość.

Współczynnik wyrażony wzorem bada się dla kilku częstotliwości z zakresu 125Hz - 4000Hz i w specjalny sposób uśrednia oznaczając czasy pogłosu poszczególnych częstotliwości w pomieszczeniu badawczym [46].

5.5 Pomiar dźwiękoizolacyjności

Pomiar ten opiera się na wykorzystaniu komór akustycznych o dobrze odbijających ścianach (np. z betonu) przedzielonych ścianą z materiału badanego. Do jednej komory wstawia się głośnik pomiarowy do drugiej mikrofon pomiarowy. Bada się krzywe hałasu przed i po jego wprowadzeniu. Różnica jest energią jaka została w ekranie czyli dźwiękoizolacyjnością materiału [17].

W pracy został opracowany uproszczony sposób pomiaru dźwiękoizolacyjności w oparciu o prosta komorę opisaną w rozdziale 4. Wykorzystuje się dwukrotnie metodę pomiaru natężenia dźwięku [22].

Dla uzyskania porównywalnych wyników każdy materiał zlepiono z części w bloki tej samej grubości 50mm i wstawiono do wylotu komory wymiarów 216mm x 266mm - czyli każdy materiał miał tę samą objętość.

Jako sygnał testowy zastosowano szum biały, czyli mieszaninę wszystkich częstotliwości akustycznych [2]. W pracy wykorzystywano mieszaninę od około 60Hz do 20000Hz - bo na tyle pozwala głośnik [39]. Dźwięk, który był emitowany z komory, badano z użyciem mikrofonu w zakresie od 100Hz do ponad 10000Hz.

Pomiar w komorze dla każdego materiału uśredniono dla każdej częstotliwości osobno i zbadano błędy z odchyleń standardowych wartości przeliczonych z decybeli na jednostki nielogarytmiczne. Niektóre materiały badano uśredniając wyniki z kilku próbek. Dla dokładniejszego ocenienia błędów.

6. Pomiary wybranych materiałów

6.1 Pianka polietylenowa

6.1.1 Ogólna charakterystyka materiału

Polietylen (w skrócie PE) jest to giętki, woskowaty, przezroczysty i termoplastyczny materiał polimerowy. Syntezowany jest głównie metodą rodnikową. Jest odporny na działanie kwasów i zasad oraz soli. Wykazuje też odporność na działanie niskich temperatur [2].

Spieniony polietylen posiada właściwości pozwalające na jego użycie w wielu branżach. Zalety tego materiału to [47]:

• bardzo wysoka termoizolacyjność (przy niskich gęstościach),
• nienasiąkliwość (materiał posiada "zamkniętokomórkową" strukturę),
• duża wyporność (przy niskich gęstościach),
• termoplastyczność,
• duża elastyczność i wytrzymałość mechaniczna,
• brak objawów starzenia się, nawet po wielu latach,
• bardzo duża odporność na działanie agresywnych substancji,
• niska gęstość,
• długowieczność: pianka polietylenowa zachowuje swoje właściwości przez 80-100 lat

[48].

Na bazie polietylenu produkowana jest duża ilość wszelkiego rodzaju kompozytów. Czysty materiał pianki polietylenowej jest zbudowany w oparciu o odmianę niskiej gęstości LD-PE. Cechuje się większym rozbudowaniem przestrzennym łańcuchów makrocząsteczek niż odmiana wysokiej gęstości HD-PE [2].

Część materiału do produkcji pianki pochodzi z recyklingu folii polietylenowej [49].

W pracy zbadano trzy próbki: pierwszą nową nienaruszoną o grubości 50mm, drugą o grubości 15mm, trzecią o grubości 15mm, wystawiona na kilkutygodniowe działanie pyłów z opalania węglem kamiennym oraz pyłów pochodzących ze spalin i ruchu drogowego samochodów.

Pojedyncza grubość wykorzystanego w pracy arkuszu pianki posiadała grubość ok. 5mm, aby uzyskać 15mm lub 50mm należało zlepić ze sobą za pomocą kleju polimerowego 3 lub 10 arkuszy pianki.

Rys. 33. Pianka polietylenowa poddana działaniu pyłów

6.1.2 Pomiar dźwiękoizolacyjności pianki polietylenowej

Pomiar czystej pianki PE o grubości 50mm w odniesieniu do szumu białego jako sygnału testowego w wybranych częstotliwościach użytkowych dał następujący wynik (tabela 3). Pomiar był taki sam jak dla warunków takich jak dla pozostałych materiałów wg. rozdziału 5.5.

Tabela 3. Dźwiękoizolacyjność pianki polietylenowej

Przebieg dźwiękoizolacyjności dla wszystkich częstotliwości na podstawie tabeli 3 znajduje się na rysunku 34: pianka polietylenowa poddana badaniu o grubości 50mm posiada maksymalną dźwiękoizolacyjność w pobliżu 10 000Hz.

Rys. 34. Dźwiękoizolacyjność 50mm płyty zlepionej z pianki polietylenowej.

6.1.3 Wpływ zanieczyszczeń pyłowych na tłumienie pianki PE

Porównano ze sobą dwie płyty i grubości 15mm złożone z trzech warstw pianki polietylenowej zlepionej uniwersalnym klejem polimerowym. Jedną z nich umieszczono w pobliżu dróg wylotowych z Katowic przy ulicy Krakowskiej.

Po upływie ok. dwóch tygodni piankę poddano badaniom akustycznym porównawczym, z pianką przechowywaną w bezpiecznych warunkach. Porównanie obu przebiegów na rysunkach 35 i 36.

Rys. 35. Dźwiękoizolacyjność pianki polietylenowej czystej i brudnej w decybelach

Badanie w odniesieniu do dźwiękoizolacyjności czyli energii pochłoniętej w ekranie akustycznym przedstawione w jednostkach decybelowych rys. 35 jak i względnych wartościach procentowych (rys. 36) na podstawie [22, 30]. Wynik sugerował, że lepsze właściwości charakteryzują piankę czystą, jednakże mogło to być spowodowane rozwarstwieniem się płyt na skutek rozklejenia się warstw pianki polietylenowej [22].

Rys. 36. Energia stłumiona w materiale pianki PE w procentach (po przeliczeniu decybeli)

6.2 Wata szklana

6.2.1 Ogólna charakterystyka waty szklanej

Wata szklana jest materiałem pochodzenia mineralnego stosowanym w temperaturach dochodzących do 700oC. Wata szklana otrzymywana jest przez topnienie w temperaturze 1000oC piasku kwarcowego, stłuczki szklanej z dodatkiem wapienia lub dolomitu. Roztopiony surowiec poddaje się procesowi rozwłóknienia, a do otrzymanych włókien dodaje się lepiszcze. Materiał formuje się w postaci płyt, mat, otulin, mat impregnowanych papierem, aluminium. Ciężar objętościowy od 20 kg/m³ do 150 kg/m³ [2].

W pracy zastosowano watę szklaną pochodzącą z lat 80-tych XX wieku o grubości 50mm. Strukturę tej waty obrazuje rysunek 37. Ogólny stopień zużycia i rozwarstwienia obrazuje rysunek 38.

Rys. 37. Struktura waty szklanej

Rys. 38. Wyeksploatowana płyta z waty szklanej poddania badaniu

6.2.2 Dźwiękoizolacyjność waty szklanej

Oznaczono ją na podstawie badania kilku kluczowych wartości dźwiękoizolacyjności z zakresu 125-16000Hz dla waty szklanej grubości 50mm wg sposobu z rozdziału 5.5.

Tabela 4. Dźwiękoizolacyjność waty szklanej

Częstotliwość [Hz]	125	250	500	1000	2000	4000	8000	16000
Wata szklana	8,9	5,5	8,5	6,3	8,6	12,5	11,5	7,9	[dB]

Rys. 39. Charakterystyka dźwiękoizolacyjności wyeksploatowanej waty szklanej

Badanie właściwości akustycznych waty szklanej eksploatowanej wykazało (tablica 4 i rys. 39), że wata ta posiada najlepsza dźwiękoizolacyjność w piku w pobliżu częstotliwości 5500Hz.

6.3 Twarda wełna mineralna Strop Rock

6.3.1 Ogólne właściwości twardych wełen mineralnych

Wełna mineralna zwana też wełna kamienną jest materiałem o technologii produkcji podobnej do waty szklanej. Surowcem jest tutaj bazalt, który topi się w temperaturze 1400 oC. Po stopieniu poddaje się go procesowi rozwłóknienia następnie lepi się włókna i poddaje hydrofobizacji, która zmniejsza nasiąkliwość produktu końcowego [2].

Wełna mineralna jest formowana w prasach pod różnym ciśnieniem w postaci płyt, filców, mat, otulin lub luzem. Istnieje wiele technologii otrzymywania wełny mineralnej uzyskuje się w ten sposób materiały o gęstości od 20 kg/m³ dla wełny mineralnej w postaci granulatu (luzem) do 180 kg/m³ dla najtwardszych płyt [2, 50].

Właściwości wełny mineralnej:

• izolacyjność termiczna,
• niepalność i ognioodporność,
• zdolność pochłaniania dźwięków,
• stabilność kształtu i wymiaru,
• sprężystość i wytrzymałość mechaniczna,
• odporność biologiczna i chemiczna,
• wodoodporność i paroprzepuszczalność.

Interesujący nas materiał to wełna mineralna twarda o wysokiej gęstości służącą do izolacji stropów o nazwie handlowej StropRock. Charakteryzuje się ona dość gładką powierzchnią niską porowatością odpornością na wilgoć oraz dużą gęstością [50].

Wykonano cztery próbki materiału, dwie z nich pokryto lakierem uniwersalnym w celu zbadania wpływu zanieczyszczeń i powłok wierzchnich na właściwości dźwiękochłonne. Grubość wełny wynosi 50mm. Tak uzyskaną płachtę i jej włókna przedstawiono na rysunkach 40 i 41.

Rys. 40. Płyta z twardej wełny mineralnej StropRock

Rys. 41. Włókna twardej wełny mineralna pokryta lakierem (kolor czerwony)

6.3.2 Dźwiękoizolacyjność twardej wełny mineralnej Strop Rock.

Niektóre kluczowe dźwiękoizolacyjności w decybelach dla wybranych częstotliwości: dla wełny mineralnej czystej i lakierowanej są przedstawione w tabeli 5. W wybranych częstotliwościach częściej bardziej chłonna akustycznie jest wełna mineralna pokryta lakierem uniwersalnym.

Tabela 5. Dźwiękoizolacyjność wełny mineralnej Strop Rock

Częstotliwość [Hz]	125	250	500	1000	2000	4000	8000	16000
StropRock	12,7	13,2	14,1	14,2	18,3	24,7	26,6	8,4	[dB]
StropRock lakierowana	20,6	10,4	14,5	14,3	17,9	24,1	27,4	9,8	[dB]

Przebieg charakterystyki dla całego spektrum częstotliwości dla obu materiałów wygląda następująco (rys. 42):

Rys. 42. Charakterystyka dźwiękoizolacyjności wełny mineralnej twardej StropRock

Przy badaniu przebiegu ciągłego dźwiękoizolacyjności w zakresie 500-10000Hz przebiegi kompensują się dając podobne wyniki dźwiękoizolacyjności. W jednych częstotliwościach lepsza jest wełna czysta w innych lakierowana.

6.4 Miękka wełna mineralne Fire Rock

6.4.1 Ogólne właściwości miękkich wełen mineralnych

Miękka wełna mineralna ma technologię produkcji podobną do wełny mineralnej twardej. Z tym, że podczas formowania w prasach używa się niższej siły docisku, posiada ona też większe przestrzenie pomiędzy włóknami, a co za tym idzie mniejszą gęstość i gęstość powierzchniową. Miękka wełna o nazwie handlowej Fire Rock pokryta jest z jednej strony grubą folią aluminiową w celu zmniejszenia przepuszczalności powietrza [50] i hydrofobizacji [2].

Jedna płyta posiada grubość 25 mm. Dlatego też w pracy złożono próbki o podwójnej grubości.

Pierwsza opcja pomiarowa polegała na ułożeniu czystych płyt u wylotu komory, druga opcja podobnie jak dla wełny mineralnej twardej - płyt pokrytych lakierem. Mikrowłókna wełny pokrytej lakierem przedstawia rysunek 43, sposób przytwierdzenia aluminium do wełny jest przedstawiony na rysunku 44.

Rys. 43. Widok włókien wełny mineralnej w powiększeniu.

Rys 44. Metalizowana powierzchnia wełny mineralnej typu FireRock

6.4.2 Dźwiękoizolacyjność wełny mineralnej typu Firerock

Zbadano cztery płyty wełny mineralnej Fire Rock. Dwie pokryto lakierem, dwie pozostawiono czyste. Grubości poszczególnych zespołów były takie same jak dla pozostałych materiałów zbadanych w pracy.

Na podstawie pomiaru kilku płyt uśredniono wyniki. W większości przypadków lakierowana wełna miękka typu Fire Rock jest lepsza akustycznie od wełny nie pokrytej lakierem. Przedstawia to poniższa tabela 6 jak i wykres na rysunku 45.

Tabela 6. Dźwiękoizolacyjność wełny mineralnej typu FireRock

Częstotliwość [Hz]	125	250	500	1000	2000	4000	8000	16000
FireRock	9,3	14,4	16,5	16,3	20,9	26,4	25,6	9,2	[dB]
FireRockMalowana	7,8	14,9	15,8	16,8	22,8	27,4	27,5	9,8	[dB]

Rys. 45 Charakterystyka dźwiękoizolacyjności wełny mineralnej tyu FireRock

Wpływ grubości wełny mineralnej na dźwiękoizolacyjność

Dodatkowym badaniem w przypadku wełny Firerock było sprawdzenie wpływu grubości materiału tłumiącego na ostateczne właściwości tak powstałego ekranowania akustycznego. U wylotu komory wstawiono materiał grubości 25mm, 50mm, 75mm, 100mm. Dokładając i szczelnie dociskając do siebie płyty.

Rys 46. Wpływ grubości wełny mineralnej na dźwiękoizolacyjność

Na rysunku 46 widać wyraźną zależność wzrostu dźwiękoizolacyjności wraz ze wzrostem grubości płyt wełnianych, ale tylko do pewnego pułapu. Zmiana grubości z 25mm na 50mm daje wyraźny wzrost dźwiękoizolacyjności. Nieco mniejszy wzrost daje nam zmiana z 50mm na 75mm. Natomiast na przebieg charakterystyk w wyższych częstotliwościach prawie zerowy wpływ ma wzrost grubości wełny z 75mm na 100mm, w pozostałych częstotliwościach zysk dźwiękoizolacyjności jest jednak obserwowany.

6.5 Styropian

6.5.1 Ogólne właściwości styropianu

Styropian (rys. 47) jest polską nazwą materiału zwanego polistyrenem spienionym. Podobnie jak polietylen należy do grupy poliolefin [2]. Jest nieodporny na działanie rozpuszczalników. Istnieją dwie odmiany polistyrenu: samogasnąca i zwykła w zależności od odporności na działanie płomienia. Styropian ma niską temperaturę topnienia. Jest bardzo lekki i łatwy w montażu. Jest częściej stosowany jako izolacja termiczna niż akustyczna. Jednakże istnieją specjalne styropiany akustyczne o podwyższonej dźwiękoizolacyjności np. tzw. Akustyr [51].

Grubość styropianu użytego do pomiarów wynosiła 50mm.

Rys. 47. Struktura styropianu: polistyrenu piankowego

6.5.2 Dźwiękoizolacyjność styropianu

Charakterystykę 50mm warstwy styropianu obrazują tablica 7 oraz rysunek 48.

Tabela 7. Dźwiękoizolacyjność styropianu dla wybranych częstotliwości oktawowych

Częstotliwość [Hz]	125	250	500	1000	2000	4000	8000	16000
Styropian	24,2	12,7	4,4	12,7	12,8	16,2	16,2	9,2	[dB]

Rys. 48. Charakterystyka dźwiękoizolacyjności styropianu

7. Porównanie właściwości analizowanych materiałów dźwiękochłonnych

7.1 Porównanie materiałów nowych i eksploatowanych

Porównując piankę polietylenową nową i (rys. 35 i 36) obserwujemy podobny wykres zależności tłumienia w funkcji częstotliwości. Uśredniając całe przebiegi uzyskujemy średnią dźwiękoizolacyjność 4dB przy grubościach 25mm dla płyt czystej i eksploatowanej.

Wata szklana omówiona w rozdziale 6.2 wg różnych badań [19] jest niewiele gorszym materiałem od wełny mineralnej. Jednakże w naszym przypadku stopień eksploatacji przez długoletni okres przechowywania w nieodpowiednich warunkach wpłynął negatywnie na wyniki testu dźwiękoizolacyjności w komorze. Poniższy wykres obrazuje porównanie polistyrenu, który jest uważany za słaby materiał dźwiękoizolacyjny, z watą szklana z badań porównywalna w literaturze z wełną mineralną co do struktury i właściwości. Okazuje się, że polistyren piankowy jest lepszy akustycznie od starej waty szklanej, nieodpowiednio zabezpieczonej (rys. 49). Natomiast oba materiały nie dorównują wełnie mineralnej (por. rys. 42 i 45 oraz tab. 5 i 6).

Rys. 49. Porównanie dźwiękoizolacyjności polistyrenu piankowego i waty szklanej

Wełny mineralne omówione w rozdziałach 6.3 i 6.4 pokryte warstwą wysuszonego lakieru poprawiają lub zachowują swoje właściwości dźwiękoizolacyjne w zakresie: 1500-10000Hz

7.2 Zestawienie ceny, gęstości powierzchniowej i dźwiękoizolacyjności materiałów

Cena materiału

Cenę materiału odniesiono do danych ze sklepów budowlanych Castorama oraz producentów wełny mineralnej Rockwool [50], a także serwisów producentów styropianu [51]. Cenę odniesiono do jednego metra kwadratowego materiału o grubości 50mm. Ceny wełny mineralnej uwidocznione w pracy pochodzą z kwietnia 2008 roku [52].

Dźwiękoizolacyjność

Jakość materiałów oparłem o parametr dźwiękoizolacyjności: jest to suma efektów odbiciowych i chłonnych służących niwelacji hałasu. Dźwiękoizolacyjność ogólną wyliczono przez uśrednienie przebiegów z zakresu 500-10000Hz dla interesujących nas materiałów z rozdziału 3 części praktycznej w komorze zaprojektowanej na potrzeby pracy dyplomowej [22].

Gęstość

Gęstość materiału wyliczyłem ze wzoru:

gdzie m - masa materiału w [g], S - przekrój powłoki w [dm²], d - grubość powłoki w [dm], V - objętość w [dm³] [2].

Masę oznaczono na kuchennej wadze elektronicznej z dokładnością do 0,5g.

Gęstość powierzchniowa to ilość masy przypadająca na m² ekranu akustycznego.

gdzie m - masa materiału w kg, S - przekrój powłoki w dm², d - grubość powłoki w dm, V - objętość w dm³ [2].

Interesujące zależności wydajnościowe przedstawione zostały w tabeli 8. Tabela zawiera rozkład kompromisowych właściwości poszczególnych produktów, czyli właściwości akustycznych z pomiarów wszystkich materiałów omówionych w rozdziale 6, ich gęstości i ceny. Przy założeniu ich tej samej grubości.

Tabela 8. Zestawienie cech materiałów tłumiących

Nazwa materiału	Masa [g]	Gęstość [g/dm3]	Gęstość pow. [kg/m2]	Dźwięko- izolacyjność [dB]	Cena [zł]
Twarda wełna mineralna	414,5	142,9	7,2	21	41,5
Miękka wełna mineralna	246,5	85,0	4,3	23	66
Styropian	43	14,8	0,7	16	14
Wata szklana	140	48,3	2,4	11	0
Pianka PE	60	20,7	1,0	10	22

Rys. 50. Zależność ceny, gęstości powierzchniowej i ubytku energii akustycznej w wybranych materiałach

Rys. 51. Zestawienie dźwiękoizolacyjności na wykresie trójwymiarowym

7.3 Zależność tłumienia od gęstości powierzchniowej

W pracy udało się potwierdzić zależność wzrostu tłumienności materiałów wraz ze wzrostem ich gęstości powierzchniowej.

Na rysunku 52 przedstawiono uśrednione charakterystyki dźwiękoizolacyjności wszystkich materiałów zbadanych w pracy i zestawiono zależność od gęstości badanych materiałów. Błąd metody określono na ok. 1dB, natomiast błędy gęstości wyznaczono metodą różniczki zupełnej.

Rys 52. Zależność tłumienia od gęstości powierzchniowej

Interesującym zjawiskiem jest także wzrost tłumienności przy zwiększeniu grubości próbki na podstawie charakterystyk pianki polietylenowej o grubości 12,5mm i o grubości 50mm z rozdziału 6.1.2. Ten wzrost ukazuje rysunek 53. Uśrednione wartości wzrastającej dźwiękoizolacyjności w zależności od grubości wełny mineralnej przedstawiono na rysunku 54.

Rys. 53 Zależność dźwiękoizolacyjności pianki polietylenowej od jej grubości

Rys 54. Zależność dźwiękoizolacyjności wełny mineralnej od jej grubości

Na uwagę zasługuje fakt, iż ze wzrostem grubości próbki rośnie proporcjonalnie gęstość powierzchniowa materiału umieszczonego w komorze.

Tabela 9. Ranking materiałów dźwiękochłonnych

Zestawienie materiałów w ranking przedstawia tabela 9. Właściwości dźwiękoizolacyjne zostały uszeregowane od najlepszych do najgorszych. Cena - od materiału najtańszego do najdroższego. Gęstość powierzchniowa od największej do najmniejszej.

8. Wnioski

Dobór materiału dźwiękochłonnego do hałasu o znanym przebiegu natężenia dźwięku to kwestia kompromisu miedzy jakością, cena i gęstością materiału. W pracy zbadano 5 różnych materiałów służących do konstrukcji przeróżnego rodzaju ustrojów dźwiękochłonnych i wibroizolacyjnych. Porównano je ze względu na cenę, właściwości dźwiękoizolacyjne jak i gęstość powierzchniową.

Stwierdzono, że najlepsze właściwości dźwiękoizolacyjne ma wełna mineralna miękka typu FireRock. najniższą cenę posiada styropian. Największa gęstość powierzchniową posiada wełna mineralna twarda typu StropRock.

Pierwszym kryterium w doborze ekranu moim zdaniem powinna być charakterystyka akustyczna materiału. Dobór materiału musi opiewać na badania hałasu w pomieszczeniu i wyznaczeniu jego charakterystyki. Do hałasu dobiera się ekran o charakterystyce dźwiękoizolacyjności jak najbardziej zbliżonej do ekranu akustycznego. Dzięki temu możemy wybrać kilka materiałów i określić potrzebną nam grubość i wybrać najtańszy materiał, który spełni nasze oczekiwania.

Najlepsze właściwości dźwiękoizolacyjne mają bardzo drogie 66złotych/m² i więcej wełny mineralne miękkie. Są to jednak materiały najdroższe oraz najgęściejsze po za tym wymagają osłon aby nie pyliły i nie chłonęły wody. W dodatku koszt montażu takiego ustroju jest najwyższy z możliwych.

Wszelkie badania akustyczne można przeprowadzić w komorze podobnej do tej omówionej w pracy dyplomowej. W sposób relatywnie tani można zbadać jakość materiału dźwiękochłonnego i dźwiękoizolacyjnego.

Próba technologiczna omówiona w pracy może być wykorzystywana w przedsiębiorstwach recyklingu w celu zbadania nowych kompozytowych materiałów zawierających w swym składzie materiał pochodzenia odpadowego, na przykład odpady z butelek z politereftalanu etylu czy też szlamy polakiernicze.

Zamiast oprogramowania Spectra Lab można użyć miernika hałasu lub oscyloskopu sprzężonego z mikrofonem.

Najczęściej stosowanym materiałem dźwiękochłonnym jest styropian, nie cieszy się on najlepszą opinią wśród akustyków. Jednak za popularnością styropianu przemawia fakt, iż jest to jeden z najtańszych materiałów, jest lekki, ma niski koszt montażu i bardzo dobry stosunek dźwiękoizolacyjności do ceny.

Żaden z materiałów dźwiękoizolacyjnych w stanie surowym, czyli bez obudowy, nie zapewnia ochrony przed hałasem niskich częstotliwości o długości fali większej niż grubość materiału.

W pracy udało się zbadać wpływ zanieczyszczeń pyłowych na jakość ekranu akustycznego. W przypadku pianki polietylenowej o strukturze zamknietokomórkowej zbadano znikomy wpływ pyłów na dźwiękoizolacyjność. W przypadku wełny mineralnej wpływ pokrycia lakierowego korzystnie wpływa na dźwiękoizolacyjność materiału. Sugeruje to zastosowanie ekranów akustycznych jako ekranów ekologicznych wzdłuż tras komunikacyjnych, czy też w ramach osłonięcia zapylonych stref w halach fabrycznych.

9. Literatura

[1] Rufin Makarewicz - Hałas w środowisku - Ośrodek Wydawnictw Naukowych, Poznań 1996

[2] www.wikipedia.org

[3] www.pwn.pl

[4] www.wiem.onet.pl

[5] Radosław Kucharski, Podstawy stosowania ekranów akustycznych w środowisku, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 2004

[6] Paweł Żukowski, Hałas i wibracje w aspekcie zdrowia człowieka, Zarys problematyki i metod badań, Fosze Rzeszów 1996 str. 44-88

[7] https://fizyka.ckumm.edu.pl/ruchdrgajacyifalowy/ruchdrgajacyifalowy.htm

[8] W. Westphal, FIZYKA, Część 1, Mechanika, akustyka, nauka o cieple PZWS 1950

[9] Z. Engel, Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem, Wyd. 2, PWN Warszawa, 2001

[10] Mieczysław Roczniak, Akustyka hałasu, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1994

[11] Robert Reshnick, David Halliday, Fizyka 1, wyd. 11, PWN Warszawa 1999

[12] Robert Gabor, Efekty syntezy polifonicznej, Akademia transformacji dźwięku, Miesięcznik Top Guitar 3/2007 str. 75-78 wyd. International Music Presse

[13] https://www.freewarestudio.yoyo.pl/xpublic_pole.php

[14] Heliodor Chmielewski, Międzynarodowy układ jednostek i miar SI, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1979

[15] https://neur.am.put.poznan.pl/wa/1.3.pdf

[16] https://www.hifi.pl/porady/slownik/decybel.php

[17] Przemysław Umiński, Hałas i wibracje a ochrona środowiska, Praca dyplomowa: Uniwersytet Śląski Katowice 2005

[18] Robert Bielecki - Wykorzystanie zjawiska pochłaniania dźwięku w tłumieniu źródeł hałasu, praca przejściowa, AGH Kraków 2002

[19] Maria Mirowska, Jadwiga Szczecińska, Iwona Żuchowicz, Parametry techniczne i akustyczne materiałów, wyrobów i ustrojów dźwiękochłonnych produkowanych w Polsce, Wydawnictwa Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa 1981

[20] https://www.signalco.pl

[21] https://www.itb.pl/konferencje/NA23-06-04/mirowska.pdf

[22] Jerzy Polaczek, Marcin Trzyna, Dźwiękochłonne i dźwiękoizolacyjne kompozyty oparte o polimery i gumę, Tworzywa Sztuczne i Chemia, NR 6, LISTOPAD/GRUDZIEŃ 2007r.

[23] https://www.gridw.pl/raport_pl/caly/12a.htm

[24] Beata Kalinowska, Za głośno, 2002

[25] Rafał Dmowski: Hałasy i drgania w samochodzie, rozpoznawanie i usuwanie, Poradnik Warsztatowy, Nr 3/2006

[26] https://legacy.ensight.com/

[27] https://www.muratorplus.pl

[28] https://neur.am.put.poznan.pl/wa/1.3.pdf

[29] W. Soedel, Noise attenuation by absorption. Reduction of Machinery Noise, Edited by Malcolm J. Crocker, Purdue University 1975, West Lafayete, Indiana 47907.

[30] Robert Bielecki, Wykorzystanie zjawiska pochłaniania dźwięku w tłumieniu źródeł hałasu, praca przejściowa, AGH Kraków 2002

[31] https:/republika.pl/fajferje/ekrany_akustyczne.htm

[32] D. Gu?as, R. Klimas, V. Tricy?, Acoustic screen structures, their properties for noise and vibration reduction ,The archive of mechanical engineering VOL. LIV 2007 Nr 2

[33] https://sound.eti.pg.gda.pl/student/ochrona/drgania.pdf

[34] https://www.audio.com.pl/akademia/1998_07_p12.pdf

[35] Dz. U. 07.120.826 Rozporządzenie ministra środowiska z dnia 14 czerwca 2007 w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku.

[36] www.elektroda.pl

[37] www.shure.com

[38] https://www.easytouch.pl

[39] https://www.quadral.com/

[40] Zbigniew Dąbrowski, Jacek Dziurdź, Grzegorz Klekot, Stanisław Radkowski, Laboratorium podstaw pomiarów wielkości dynamicznych

[41] www.ads.com.pl

[42] www.spectraplus.com

[43] Maxim Lyadov Sound card audio tracks measurement procedure https://www.digit-life.com/articles/geniussoundmakerlive51/englixt.html

[44] https://fourier.eng.hmc.edu/e161/lectures/figures/sampling3.gif

[45] www.tremolo.pl

[46] PN-EN 20354:2000

[47] www.wisegeek.pl

[48] www.foam.polting.com.pl

[49] www.ameplus.pl

[50] www.rockwoll.pl

[51] https://www.marbet.com.pl/pdf/cennik_ZP.pdf

[52] www.castorama.pl

[53] www.freepatentsonline.com

Spis ilustracji

Rys. 1. Ruch harmoniczny wahadła sprężynowego. 6

Rys. 2. Rozchodzenie się fali kulistej ze źródła punktowego. 7

Rys. 3. Fala dźwiękowa płaska po przemierzeniu odległości l. 7

Rys. 4. Fala akustyczna i jej długość wg. 8

Rys. 5. Przebieg zmienności ciśnienia akustycznego. 10

Rys. 6. Natężenia dźwięku i ciśnienia akustycznego wybranych źródeł w decybelach, paskalach i W/m² 12

Rys. 7. Izofony "normalnego" ucha wg Fletchera i Munsona. Wartości fonów są oznaczone na niebiesko. Ilustracja krzywej ważonej A.. 14

Rys. 8. Źródła hałasu wg. 20

Rys. 9. Źródła powstawania hałasu w oponie samochodowej 21

Rys. 10. Samochód w tunelu aerodynamicznym. Im większy opór powietrza tym większy hałas powstaje na skutek ruchu samochodu. 21

Rys. 11. Zjawiska falowe nad ziemią. 23

Rys. 12. Zjawiska w ekranach akustycznych. 23

Rys. 13. Geometria i oznaczenia stosowane w symulacji pracy ekranu akustycznego: ugięcie fal na ekranie akustycznym o kąt ?. 24

Rys. 14. Kilka kątów ugięcia dla różnic dróg akustycznych ?r. 25

Rys. 15. Główna idea przybliżenia Maekawy. 26

Rys. 16. Metoda Maekawy - teoretyczne zależności między rzędem ugięcia a efektywnością ekranowania 27

Rys. 17. Zależność skuteczności ekranowania od wskaźnika "w" w metodzie Rettingera. 28

Rys 18. Straty sygnału na skutek lepkości powietrza w porach materiału. 30

Rys. 19. Tarcie o mikrowłókna materiałów. Wykorzystywane są straty związane z wzajemnym tarciem włókien w materiałach włóknistych. 30

Rys. 20. a) Mikrofon dynamiczny Shure SM-05 b) Mikrofon elektretowy EasyTouch001M 33

Rys. 21. Głośnik wykorzystywany w pomiarach Quadral Phase Zero. 34

Rys. 22. Wzmacniacz ADS LX800. 34

Rys. 23. Wymiary komory oraz kształt. 35

Rys. 24. Komora akustyczna z zamontowaną próbką styropianową. 36

Rys. 25. Droga dźwięku z głośnika zamontowanego w komorze do mikrofonu pomiarowego. 36

Rys. 26. Ilustracja próbkowania sygnału akustycznego. 38

Rys. 27. Ustawienia procesu pomiaru w programie Spectra Plus. 38

Rys. 28. Wykres krzywej przykładowego hałasu w pomieszczeniu mieszkalnym 15m² 40

Rys. 29. Panel programu do skalowania i wyboru osi pomiarowych. 41

Rys. 30. Pomiar efektywności ekranowania - kolor zielony - hałas przed wprowadzeniem ekranowania, kolor turkusowy - zniwelowany hałas przez ekranowanie akustyczne. 42

Rys. 31. Przebieg skuteczności ekranowania. 43

Rys. 32. Kilka możliwości wizualizacji badania czasu zaniku piku dźwiękowego 44

Rys. 33. Pianka polietylenowa poddana działaniu pyłów.. 47

Rys. 34. Dźwiękoizolacyjność 50mm płyty zlepionej z pianki polietylenowej. 48

Rys. 35. Dźwiękoizolacyjność pianki polietylenowej czystej i brudnej w decybelach 49

Rys. 36. Energia stłumiona w materiale pianki PE w procentach (po przeliczeniu decybeli) 49

Rys. 37. Struktura waty szklanej 50

Rys. 38. Wyeksploatowana płyta z waty szklanej poddania badaniu. 51

Rys. 39. Charakterystyka dźwiękoizolacyjności wyeksploatowanej waty szklanej 52

Rys. 40. Płyta z twardej wełny mineralnej StropRock. 54

Rys. 41. Włókna twardej wełny mineralna pokryta lakierem (kolor czerwony) 54

Rys. 42. Charakterystyka dźwiękoizolacyjności wełny mineralnej twardej StropRock 55

Rys. 43. Widok włókien wełny mineralnej w powiększeniu. 56

Rys 44. Metalizowana powierzchnia wełny mineralnej typu FireRock. 57

Rys. 45 Charakterystyka dźwiękoizolacyjności wełny mineralnej tyu FireRock 58

Rys 46. Wpływ grubości wełny mineralnej na dźwiękoizolacyjność. 59

Rys. 47. Struktura styropianu: polistyrenu piankowego. 60

Rys. 48. Charakterystyka dźwiękoizolacyjności styropianu. 61

Rys. 49. Porównanie dźwiękoizolacyjności polistyrenu piankowego i waty szklanej 62

Rys. 50. Zależność ceny, gęstości powierzchniowej i ubytku energii akustycznej w wybranych materiałach 65

Rys. 51. Zestawienie dźwiękoizolacyjności na wykresie trójwymiarowym.. 65

Rys 52. Zależność tłumienia od gęstości powierzchniowej 66

Rys. 53 Zależność dźwiękoizolacyjności pianki polietylenowej od jej grubości 67

Rys 54. Zależność dźwiękoizolacyjności wełny mineralnej od jej grubości 67

Spis tabel

Tabela 1. Procentowy udział hałasu w zanieczyszczeniu środowiska w przeliczeniu na areał powierzchni kraju na przykładzie Japonii 18

Tabela 2. Normy hałasu w decybelach natężenia dźwięku w wybranych miejscach [17] 19

Tabela 3. Dźwiękoizolacyjność pianki polietylenowej 47

Tabela 4. Dźwiękoizolacyjność waty szklanej 51

Tabela 5. Dźwiękoizolacyjność wełny mineralnej Strop Rock. 55

Tabela 6. Dźwiękoizolacyjność wełny mineralnej typu FireRock. 57

Tabela 7. Dźwiękoizolacyjność styropianu dla wybranych częstotliwości oktawowych 60

Tabela 8. Zestawienie cech materiałów tłumiących. 64

Tabela 9. Ranking materiałów dźwiękochłonnych. 68