Akustyka nawiewników - artykuł

AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
AKUSTYKA NAWIEWNIKÓW OKIENNYCH I ŚCIENNYCH
Coraz częściej użytkownicy budynków borykają się z problemem nadmiernego hałasu
przenikającego do pomieszczeń z zewnątrz. Wraz z rosnącym rozwojem gospodarczym kraju
problem ten dotyka nie tylko mieszkańców dużych centrów aglomeracji miejskich ale pojawia
się tam gdzie do niedawna o hałasie nikt nie słyszał.
Większość budynków w Polsce przeznaczonych do przebywania ludzi wyposażona jest
w instalację wentylacji grawitacyjnej bądź mechanicznej wywiewnej. Żeby instalacja w takich
budynkach działała konieczne jest zapewnienie doprowadzenia powietrza do pomieszczenia.
Niestety, wraz z dopływającym powietrzem do pomieszczeń przedostaje się hałas, zjawisko
wysoce niepożądane. Warto by więc przyjrzeć się bliżej zjawisku hałasu oraz przeanalizować w
jaki sposób można zabezpieczyć pomieszczenia a tym samym użytkowników.
Na początek trochę pojęć podstawowych związanych z akustyką.
Nazewnictwo zastosowane poniżej jest zgodne z normą PN-B-02153:2002– Akustyka
budowlana. Terminologia, symbole literowe i jednostki.
1. Pojęcia podstawowe i coś o dźwięku
Hałas – wszelkie niepożądane, nieprzyjemne, dokuczliwe, uciążliwe lub szkodliwe dźwięki
oddziałujące na człowieka.
Dźwięk(fala akustyczna) – rozprzestrzeniające się falowo drganie akustyczne.
Drganie akustyczne – ruch cząstek ośrodka sprężystego względem ich położenia.
Okres drgań (s) – najmniejszy przedział czasu, po którym powtarzają się te same stany
okresowych drgań akustycznych.
Częstotliwość f (Hz) – odwrotność okresu drgań liczbowo równa liczbie okresów drgań w ciągu
1 s.
Pasmo częstotliwości – zbiór częstotliwości zawartych między dwiema częstotliwościami
granicznymi.
Dźwięk słyszalny – dźwięk wywołujący wrażenie słuchowe.
Infradźwięk – dźwięk, którego widmo jest zawarte w paśmie częstotliwości od 1 Hz do 20 Hz.
Ultradźwięk – dźwięk, którego widmo zawarte jest w paśmie częstotliwości powyżej 16 kHz.
Dźwięk powietrzny – dźwięk powstający i rozprzestrzeniający się w powietrzu.
Szum – dźwięk, którego zmienność w czasie w danym punkcie przestrzeni jest opisana funkcją
losową.
1/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
Ciśnienie statyczne ps (Pa) – ciśnienie, które istnieje w danym punkcie ośrodka, gdy nie ma w
nim drgań akustycznych; jest to ciśnienie atmosferyczne.
Ciśnienie akustyczne p (Pa) – różnica między ciśnieniem istniejącym w danym punkcie ośrodka
w chwili przejścia fali akustycznej a ciśnieniem statycznym.
Moc akustyczna P (W) – ilość energii wypromieniowanej przez źródło dźwięku w jednostce
czasu.
Izolacyjność akustyczna – odporność przegrody na przenoszenie dźwięków powietrznych lub
dźwięków uderzeniowych
Coś o dźwięku
W ujęciu fizycznym fale dźwiękowe są podłużnymi falami mechanicznymi a sam dźwięk
jest szczególnym zjawiskiem towarzyszącym rozchodzeniu się fal. Szczególność tego zjawiska
polega min. na konieczności istnienia ośrodka materialnego: gazu, cieczy lub ciała stałego. (Stąd
wszystkie dźwięki w przestrzeni kosmicznej towarzyszące filmom s.f. są jedynie miłym dla ucha
dodatkiem a w rzeczywistości czymś niespotykanym. Jak to ktoś napisał „W przestrzeni
kosmicznej nikt nie usłyszy Twojego krzyku..”.)
Materialne cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, drgają wzdłuż prostej
pokrywającej się z kierunkiem poruszającej się fali. Im gęściej ułożone cząstki tym prędkość
dźwięku jest większa. Np. prędkość dźwięku w powietrzu wynosi ok. 330 m/s ale w żelazie
wartość ta jest dużo większa i wynosi 5100 m/s. (Tu powinien nam się przypomnieć obrazek
z wielu filmów – człowiek przykładający ucho do szyny kolejowej, sprawdzający czy nadjeżdża
pociąg...)
Zakres częstotliwości fal mechaniczny jest bardzo duży, ale fale dźwiękowe, które w działaniu na
ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia zawierają się w przedziale od 20 do 20.000 Hz.
Fale słyszalne powstają w wyniku drgania strun (np. głosowych), drgań słupów powietrza
(organy) oraz drgań różnych płyt i membran (praca głośnika).
Sam proces rozchodzenia dźwięku w powietrzu bardzo ciekawie opisał w swoich
wykładach wybitny fizyk Richard Feynman :
„Otóż podstawą wszystkiego jest tu to, że ruch jakiegoś obiektu w powietrzu
zapoczątkowuje rozprzestrzenianie się zaburzeń powietrza. Jeżeli chodzi o rodzaj tych zaburzeń,
to spodziewamy się, że ruch obiektu wywoła zmianę ciśnienia. Gdy obiekt porusza się powoli,
powietrze oczywiście opływa go, ale nam chodzi o ruch bardzo szybki, w którym nie ma czasu na
tego rodzaju opływanie. Powietrze jest zatem podczas ruchu sprężane i powstaje zmiana
ciśnienia, która wywiera nacisk na dalsze jego warstwy. Te warstwy są z kolei sprężane,
2/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
co wywołuje wzrost ich ciśnienia i w ten sposób w przestrzeni rozchodzi się fala zagęszczeń i
rozrzedzeń powietrza.”
Ta fala „zagęszczeń i rozrzedzeń” to właśnie fala dźwiękowa...
Zmiany ciśnienia wywołane przez dźwięk w porównaniu z jego wartością w stanie
równowagi są bardzo małe. Wygodną jednostką, w której mierzymy ciśnienie, jest bar; równa się
on 105 N/m2. W przypadku dźwięku używamy logarytmicznej skali natężeń, ponieważ czułość
ucha z grubsza biorąc wzrasta logarytmicznie. Skalę tę nazywa się skalą decybeli. Określamy
w niej poziom ciśnienia akustycznego Lp dla danej amplitudy ciśnienia akustycznego p
w następujący sposób:
L p = 20 log(
p
), ( dB )
p0
gdzie:
p – ciśnienie akustyczne, Pa
p0 – ciśnienie akustyczne odniesienie równe 2 · 10-10 bar
Np. Amplituda ciśnienia akustycznego p = 103· p0 = 2·10-7 barów odpowiada dźwiękowi u
umiarkowanym natężeniu 60 dB. Widać z tego, że zmiana ciśnienia wywołana przez dźwięk jest
bardzo mała w porównaniu z ciśnieniem w stanie równowagi czy też ze średnim ciśnieniem
atmosferycznym. W przypadku dźwięku najczęściej mamy do czynienia z natężeniami nie
przekraczającymi 100 dB. Dźwięk o natężeniu 120 dB wywołuje już uczucie bólu w uchu.
2. Akustyka pomieszczeń w budynkach
Z uwagi na postanowienia normy PN-87/B-02151/02 Akustyka budowlana. Ochrona przed
hałasem
pomieszczeń
w
budynkach.
Dopuszczalne
wartości
poziomu
dźwięku
w pomieszczeniach, pomieszczeniom w budynkach stawia się wymagania, co do
dopuszczalnego poziomu dźwięku A hałasu przenikającego łącznie od wszystkich źródeł hałasu
usytuowanych poza pomieszczeniem.
Z uwagi na temat artykułu skupiam się wyłącznie na izolacyjności przegród zewnętrznych: ścian
i okien z pominięciem przenikania dźwięku od źródeł wewnętrznych.
3/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
3. Izolacyjność akustyczna przegród zewnętrznych - wymagania
Wymagania dotyczące przegród przywołuję zgodnie z PN-B-02151-3 Akustyka
budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach – Izolacyjność akustyczna przegród
w budynkach oraz izolacyjność akustyczna elementów budowlanych. Wymagania.
Przegrody zewnętrzne narażone są na dźwięki powietrzne stąd ich izolacyjność akustyczną
charakteryzują poniższe wskaźniki :
Ściana zewnętrzna bez okien lub z oknami oraz okno w przegrodzie zewnętrznej
- całą przegrodę charakteryzuje R’A2 lub R’A1 – wskaźnik oceny izolacyjności akustycznej
właściwej przybliżonej
- elementy budowlane przeznaczone do zastosowania w budynkach jako przegroda budowlana
scharakteryzowane są przez RA2 lub RA1 (wskaźnik oceny izolacyjności akustycznej)
lub Rw(C, Ctr) – wskaźnik ważony izolacyjności akustyczne właściwej i widmowy wskaźnik
adaptacyjny C i Ctr
Różnica pomiędzy R’A1(2) a RA1(2) sprowadza się do tego, że wskaźnik R’A1(2) uwzględnia
wpływ bocznego przenoszenia dźwięku (jest to przenoszenie dźwięku między pomieszczeniami
przez materiał z którego zbudowana jest przegroda) przez przegrodę w zależności od jej masy.
W wymiarze liczbowym wartości RA1(2) są większe. Żeby nie zagęszczać opisów nadmierną ilością
wzorów nie podaję tu zależności pomiędzy dwoma „R-ami”. W wymaganiach (tabela 1 i 2)
podaje się wartość R’A1(2) bo ta wartość uwzględnia przegrodę jako całość.
Tabela 1 - Wymagana wypadkowa izolacyjność akustyczna właściwa przybliżona ścian zewnętrznych z oknami w
budynkach mieszkalnych
Minimalny wskaźnik oceny wypadkowej izolacyjności akustycznej właściwej
przybliżonej R’A2 lub R’A1 w decybelach, w zależności od miarodajnego
poziomu dźwięku A w decybelach w ciągu dnia/nocy na zewnątrz budynku
Przegroda
zewnętrzna w
pomieszczeniu
Poziom
dźwięku A w
dzień (dB)
Poziom
dźwięku A w
nocy (dB)
Wymagania dla pokoi
Wymagania dla kuchni
Do 45
Od 46 do
50
Od 51 do
55
Od 56 do
60
Od 61 do
65
Od 66 do
70
Od 71 do
75
Do 35
Od 36 do
40
Od 41 do
45
Od 46 do
50
Od 51 do
55
Od 56 do
60
Od 61 do
65
20
20
20
20
23
20
23
20
28
23
33
28
38
33
4/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
Tabela 2 - Dla przypadku gdzie okna stanowią nie więcej niż 50% powierzchni przegrody zewnętrznej, wymaganą
izolacyjność akustyczną części pełnych i okien przyjmuje się wg poniższej tabeli.
Wymagany wskaźnik oceny wypadkowej izolacyjności
akustycznej przybliżonej R’A2 lub R’A1 przegrody
zewnętrznej w decybelach
20
23
28
33
38
Wymagany wskaźnik oceny izolacyjności akustycznej
poszczególnych części przegrody zewnętrznej RA2 lub RA1
Minimalne wymagania dla
Minimalne wymagania
części pełnej (dB)
dla okna (dB)
25
20
30
20
35
25
40
30
45
35
4. Wyznaczanie izolacyjność akustycznej elementów przegrody
zewnętrznej
Wskaźniki oceny izolacyjności akustycznej RA2 i RA1 oblicza się w następujący sposób :
R A1 = Rw + C
R A 2 = Rw + C tr
gdzie:
Rw – wskaźnik ważony izolacyjności akustycznej właściwej elementu przegrody zewnętrznej, dB.
C – widmowy wskaźnik adaptacyjny obliczany w odniesieniu do widma różowego szumu
skorygowanego charakterystyką częstotliwościową A, dB.
Ctr – widmowy wskaźnik adaptacyjny obliczany w odniesieniu do widma hałasu drogowego
skorygowanego charakterystyką częstotliwościową A, dB.
Rw określone jest pośrednio poprzez określenie izolacyjności akustycznej właściwej,
R w normowym przedziale częstotliwości. Wyniki
sprowadza się później do wartości
jednoliczbowej (Rw).
W badań laboratoryjnych R wyznacza się ze wzoru :
R = L1 − L2 + 10 × lg
S
A
gdzie:
L1 – poziom średniego ciśnienia akustycznego w komorze nadawczej, (dB)
L2 – poziom średniego ciśnienia akustycznego w komorze odbiorczej, (dB)
S – powierzchnia próbki, równa powierzchni otworu, (m2)
A – równoważne pole powierzchni dźwiękochłonnej pomieszczenia odbiorczego, (m2)
Określenie wartości L1, L2 i A znajduje się w punkcie 5 niniejszego artykułu.
5/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
Widmowe wskaźniki adaptacyjne C i Ctr wprowadzono do obliczeń wskaźnika Rw,
aby uwzględnić w ocenie izolacyjności, charakterystykę widma hałasu. Rodzaj źródła hałasu dla
poszczególnego wskaźnika przedstawia tabela 3.
Tabela 3. Rodzaj źródła hałasu dla poszczególnego wskaźnika.
Odpowiedni wskaźnik
adaptacyjny
C (widmo nr 1)
Ctr (widmo nr 2)
Odpowiedni widmowy wskaźnik adaptacyjny
Źródła hałasu bytowego (rozmowa, muzyka, radio, tv)
Zabawa dzieci
Ruch kolejowy ze średnią i dużą prędkością
Ruch na drodze szybkiego ruchu > 80 km/h
Samoloty odrzutowe, w małej odległości
Zakłady
przemysłowe
emitujące
głównie
hałas
średnio
i
wysokoczęstotliwościowy
Ruch uliczny miejski
Ruch kolejowy z małymi prędkościami
Śmigłowce
Samoloty odrzutowe, w dużej odległości
Muzyka dyskotekowa
Zakłady przemysłowe emitujące głównie hałas nisko i wysokoczęstotliwościowy
Pełna charakterystyka elementu budowlanego (np. okna) powinna być zapisana :
Np. Rw (C; Ctr) = 41 (0; -5 ) dB
5. Izolacyjność akustyczna nawiewników okiennych i ściennych
Nawiewniki powietrza zewnętrznego są elementami montowanymi w przegrodzie zewnętrznej
(w oknie lub w ścianie). Chociaż przepisy nie precyzują oddzielnych wymagań co do
izolacyjności akustycznej samych nawiewników to ich wpływ na izolacyjność całej przegrody jest
zauważalny i dlatego uwzględnia się je przy obliczeniach. Przegrodzie jako całości stawia się
wymagania zgodnie z wymaganiami zawartymi w punkcie 3 artykułu.
Elementy o powierzchni mniejszej od 1 m2 (a takie są właśnie nawiewniki) opisane są
parametrem Dne (dB) czyli elementarną znormalizowaną różnicą poziomów. Wielkość ta opisana
jest wzorem :
A
Dne = D − 10 × lg
A0
gdzie:
D – różnica poziomów (dB)
A – równoważne pole powierzchni dźwiękochłonnej pomieszczenia odbiorczego, (m2)
A0 – równoważne pole powierzchni dźwiękochłonnej odniesienia, (m2) (W mieszkaniach A0 = 10
m2)
6/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
Różnicę poziomów D określa się ze wzoru :
D = L1 − L2
gdzie:
L1 – poziom ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu nadawczym (dB)
L2 – poziom ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu odbiorczym (dB)
Wartość L1 i L2 określa się ze wzoru :
p + p2 + ... + pn
= 10 × lg 1
2
np0
2
L1( 2 )
2
2
gdzie:
p1, p2....pn – ciśnienia akustyczne podlegające uśrednieniu (Pa)
p0 – ciśnienie akustyczne odniesienia równe 20 μPa
n – liczba punktów pomiarowych
Wartość A, we wzorze na znormalizowaną różnicę poziomów, jest określona jako
hipotetyczne pole powierzchni całkowitej pochłaniającej, bez efektów dyfrakcyjnych, przy
którym czas pogłosu byłby taki sam jak w rozważanym pomieszczeniu, jeżeli powierzchnia ta
byłaby jedynym elementem pochłaniającym w tym pomieszczeniu.
Wartością izolacyjności, którą stosuje się w obliczeniach jest, podobnie jak dla okien
i ścian, wskaźnik ważony elementarnej znormalizowanej różnicy poziomów Dn,e,w. Podobnie jak
dla okien i ścian wartość wskaźnika jest określona przez Dne dla normowego zakresu
częstotliwości.
Również podobnie jak dla okien określa się izolacyjność z uwzględnieniem wskaźników
adaptacyjnych C i Ctr – Dn,e(C) i Dne(Ctr).
Pełna charakterystyka akustyczna nawiewnika powinna być zapisana:
Np. Dn,e,w (C; Ctr) = 42 (0; -2) dB
Warto zwrócić uwagę na wzory opisujące R z punktu 4 i Dne z punktu 5. Przy badaniu
nawiewników nie bierze się pod uwagę powierzchni jaką zajmuje ten element. Między innymi
dlatego wprowadzono różne wskaźniki opisujące izolacyjność okna i nawiewnika.
7/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
6. Obliczanie wypadkowej izolacyjności okna lub ściany zewnętrznej z
nawiewnikiem
Z powyższych punktów wynika, że problemy związane z akustyką nie są łatwe a mocno
ograniczona znajomość tematu przez zainteresowane środowisko (architektów, producentów
okien itd.) powoduje zamieszanie i może prowadzić do frustracji i nieporozumień.
Najczęściej dzieje się tak, że producent okien zwraca się do producenta nawiewników
o podanie izolacyjności akustycznej nawiewnika po czym automatycznie przyjmuje uzyskaną
wartość jako równą co do wymiaru fizycznego Rw okna. Jak dotąd autor nie spotkał się by
producenci rozróżniali wartości Rw i Dn,e,w.
Całkiem spore zdziwienie budzi fakt, ze np. okno o współczynniku Rw 33 dB
po zamontowaniu nawiewnika o współczynniku Dn,e,w 33 dB nie uzyskuje wypadkowej
izolacyjności 33 dB. Jednym słowem po zamontowaniu nawiewnika jest głośniej. Jeszcze
większe zdziwienie graniczące niemal z niewiarą budzi fakt, że po zamontowaniu nawiewnika
o izolacyjności 42 dB, wypadkowa izolacyjność dla okna z nawiewnikiem będzie mniejsza
od 33 dB.
Zaskoczenie wydaje się trochę dziwne bo jeżeli się zastanowić (i nie trzeba do tego znać
szeroko zagadnień związanych z akustyką) każdy otwór w oknie przez który dopływa powietrza
musi się wiązać ze wzrostem hałasu w porównaniu do sytuacji kiedy tego otworu nie ma.
A jak to wygląda na liczbach.
Wypadkowy wskaźnik ważony izolacyjności akustycznej właściwej okna wraz z zamontowanym
nawiewnikiem określa się ze wzoru :
10


Rw, wyp = −10 × log10 − 0 ,1Rw + n 10 − 0,1Dn ,e , w 
S


gdzie :
Rw,wyp – wypadkowy wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej okna z nawiewnikiem, dB
Rw – wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej okna bez nawiewnika (podawany przez
producenta okien), dB
S – powierzchnia okna, m2
n – liczba nawiewników na oknie
Dn,e,w – wskaźnik elementarnej znormalizowanej różnicy poziomów ciśnienia akustycznego
nawiewnika, dB
8/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
UWAGA:
Powyższy wzór można zastosować do obliczania wypadkowej izolacyjności przy uwzględnieniu
wskaźników adaptacyjnych C i Ctr. Zamiast Rw i Dn,e,w należy podstawić odpowiednio inne
wartości (RA1, RA2, Dne(C), Dne(Ctr)).
Powyższy wzór można stosować również przy obliczaniu wypadkowej izolacyjności ściany
zewnętrznej wraz z nawiewnikiem.
7. Przykład dla okna standardowego o izolacyjności akustycznej Rw =
35 dB i zamontowanego jednego nawiewnika.
UWAGA: Izolacyjność akustyczna nawiewników w pozycji pełnego otwarcia
Poniżej zamieszczono wykres na którym porównano wpływ różnych rodzajów nawiewników
higrosterowanych akustycznych oferowanych przez AERECO Wentylacja Sp. z o.o.
Przy porównaniach izolacyjności warto pamiętać, że okno rozszczelnione (nie należy tego nie
mylić z mikrouchyłem) to takie, którego współczynnik infiltracji „a” zawiera się w przedziale
0,5-1,0 m3/m*h*daPa2/3. Na podstawie aprobaty technicznej udzielonej przez Instytut Techniki
Budowlanej w Warszawie przyjęto, że izolacyjność akustyczna Rw okna rozszczelnionego
powinna wynosić 30 dB.
Na wykresie pokazano dla porównania linię odniesienia dla okna nierozszczelnionego bez
nawiewnika (Rw = 35 dB).
9/11
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
Wykres 1 – Zmiana Rw okna po montażu nawiewnika akustycznego higrosterowanego
Zmiana Rw okna po montaŜu nawiewnika akustycznego
higrosterowanego dla róŜnych powierzchni
36
35
35
35
35
35
35
35
35
34
33,54
33,41
33,24
Rw wypadkowe [dB]
33,04
33
32,79
32,87
32,69
32,45
32,47
32,46
32,20
31,99
32
31,87
32,25
32,00
31,70
31,45
31,46
31,19
31,33
31
30,89
30,88
30,86
30,52
30
30,24
30
30
30,08
30
30
30
30
30
29,53
29
28,81
28
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Powierzchnia okna [m2]
okno bez nawiewnika
okno z nawiewnikiem EHA 37 dB
okno z nawiewnikiem EHA 40 dB
10/11
okno rozszczelnione a = 0,5-1,0
okno z nawiewnikiem EHA 39 dB
okno z nawiewnikiem EHA 42 dB
5
AKUSTYKA – Nawiewniki okienne i ścienne
Marcin Gasiński
Z powyższego opracowania wynika wprost, że nie uda się nam nigdy wyeliminować
hałasu przenikającego do pomieszczenia bezpośrednio z zewnątrz. Jednakże projektant,
konstruktor czy użytkownik posiada możliwość wyboru takich technologii które w jak
największym stopniu ograniczą niekorzystne przenikanie dźwięku i zapewnią największy
możliwy komfort akustyczny.
LITERATURA
1. R. Resnick, D. Halliday – Fizyka
2. R. Feynaman – Feynmana wykłady z fizyki
3. PN-B-02153:2002 – Akustyka budowlana. Terminologia, symbole literowe i jednostki.
4. PN-B-02151-3:1999 – Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach –
Izolacyjność akustyczna przegród w budynkach oraz izolacyjność akustyczna elementów
budowlanych. Wymagania.
5. PN-EN ISO 717-1:1996 – Akustyka. Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i
izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność
od dźwięków
powietrznych
6. AT-15-4190/2001 - Okna i drzwi balkonowe systemu BRÜGMANN seria 700 z
kształtowników z nieplastyfikowanego PVC.
11/11