Przegrody warstwowe z rdzeniami dźwiękochłonnymi z granulatów

tworzywa
Przegrody warstwowe z rdzeniami
dźwiękochłonnymi z granulatów
gumowych
Jan Sikora, Jadwiga Turkiewicz
W artykule przedstawiono wyniki badań izolacyjności akustycznej prototypów przegród warstwowych (przegrody dwuścienne),
w których granulaty gumowe stanowią rdzeń dźwiękochłonny. Granulaty gumowe uzyskane w wyniku recyklingu odpadów produkcyjnych i zużytych wyrobów zawierających przekładki bawełniane charakteryzują się dobrymi własnościami dźwiękochłonnymi. Badania izolacyjności akustycznej przegród warstwowych z blachy stalowej i płyty gumowej z zastosowanymi granulatami
wykazały ich przydatność stosowania jako elementów ściennych zabezpieczeń wibroakustycznych, szczególnie takich jak zintegrowane obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne. Zaprezentowane wyniki związane są z realizowanym przez autorów projektem
rozwojowym poświęconym opracowaniu nowych rozwiązań materiałowych przegród warstwowych przydatnych w projektowaniu
zabezpieczeń wibroakustycznych.
W
Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki realizowany
jest projekt badawczo-rozwojowy, którego celem
jest opracowanie zestawu zmodyfikowanych przegród warstwowych (pojedynczych i dwuściennych),
z różnych tworzyw o odpowiednio dobranych parametrach mechanicznych i akustycznych, przydatnych w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych maszyn i urządzeń. Przyjęto, że nowe
rozwiązania przegród warstwowych (o grubościach: minimalnej
3,5 mm, maksymalnej 22 mm), stanowiących elementy ścienne zabezpieczeń, będą zbudowane z różnych, nowych dotychczas nie stosowanych materiałów i tworzyw, charakteryzujących
się dobrymi własnościami akustycznymi (dźwiękochłonnymi
i dźwiękoizolacyjnymi). Założono także, aby w badaniach uwzględnić materiały uzyskiwane w wyniku recyklingu. Spośród wielu
przetestowanych materiałów na uwagę zasługują wyniki badań
granulatów wytworzonych z odpadów produkcyjnych wyrobów gumowych. Badania doświadczalne obejmowały ocenę własności
dźwiękochłonnych granulatów gumowych, tkaninowo-gumowych
i tkaninowych o grubościach warstwy: 10, 20, 30, 40 i 50 mm
oraz ocenę izolacyjności akustycznej od dźwięków powietrznych
wybranych konfiguracji przegród warstwowych (dwuściennych)
z zastosowanymi granulatami. Poniżej przedstawiono wyniki
oceny akustycznej trzech prototypowych przegród warstwowych
z rdzeniami dźwiękochłonnymi z granulatu gumowego i granulatu
tkaninowo-gumowego, a także wyniki badań własności dźwiękochłonnych tych granulatów.
Zastosowania przegród warstwowych
w rozwiązaniach ograniczających poziom
hałasu maszyn i urządzeń
Możliwości zastosowania przegród warstwowych w ograniczaniu nadmiernej hałaśliwości maszyn i urządzeń ilustrują trzy
przedstawione poniżej zabezpieczenia przeciwhałasowe [2, 3,
5]. Na rys. 1–3 przedstawiono przykłady rozwiązań konstrukcyjnych prototypowych zabezpieczeń wibroakustycznych opracowanych w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki, w których ściankach
zastosowano cienkie przegrody warstwowe.
Rysunek 1 prezentuje propozycję modyfikacji korpusu – osłony wirnika wentylatora promieniowego pod kątem zwiększenia
pochłaniania energii wibroakustycznej. Ściany osłony wirnika
wykonane z blachy stalowej grubości 2 mm zastąpiono przegrodą dwuścienną z rdzeniem dźwiękochłonnym z gumy piankowej
Armaflex grubości 25 mm. Natomiast przegrody dwuścienna
składa się z dwóch ścianek: jednorodnej z blachy stalowej
grubości 2 mm i niejednorodnej warstwowej grubości 1,3 mm
(trzy blachy aluminiowe grubości 0,35 mm sklejone na całej po-
Rys. 1.
Obudowa
wentylatora
promieniowego
o zwiększonym
pochłanianiu
energii
wibroakustycznej
46
Tworzywa sztuczne w przemyśle . Nr 6/2013
tworzywa
wierzchni). Po modyfikacji korpusu uzyskano obniżenie emisji
hałasu o 8,5 dB.
Wykorzystanie w przegrodzie dwuściennej warstwy gumy litej
oraz warstwy granulatu z tworzywa sztucznego przedstawiono
na rys. 2 prezentującym zastosowane elementy obudowy zintegrowanej dla tokarki uniwersalnej. Jednym z rozwiązań jest
zastąpienie oryginalnej osłony łańcuchów kinematycznych napędowych, osłoną o zwiększonej izolacyjności akustycznej. Po jej
zastosowaniu osiągnięto obniżenie hałasu o 13 dB.
Zastosowanie warstw gumowych, pianki poliuretanowej oraz
śrutu ołowianego w przegrodach pojedynczych i dwuściennych
elementów prototypowej zintegrowanej obudowy minimalizującej
hałas mechaniczny, uderzeniowy oraz urządzeń pomocniczych
w prasie mechanicznej mimośrodowej zilustrowano na rys. 3.
Po zastosowaniu zintegrowanej obudowy osiągnięto obniżenie
hałasu w granicach od 8 do 10 dB w zależności od trybu pracy
prasy (skokowy, ciągły).
Badania granulatów gumowych
Otrzymane pozytywne wyniki badań dotyczące własności
dźwiękochłonnych granulatów gumowych [2] zainspirowały badania akustyczne granulatów uzyskiwanych w wyniku recyklingu
odpadów produkcyjnych taśm transporterowych we współpracy
Katedry Mechaniki i Wibroakustyki z Fabryką Taśm Transporterowych „Wolbrom” w Wolbromiu [4]. W badaniach szczególną
uwagę zwrócono na własności akustyczne granulatów gumowych nie oczyszczonych do końca z włókna bawełnianego, a także odzyskanego samego włókna z niewielkim zanieczyszczeniem
drobnym ziarnem gumowym. Wstępne badania granulatów gumowych z zanieczyszczeniami włóknem bawełnianym wykazały,
że charakterystyka pochłaniania dźwięku takich materiałów jest
szerokopasmowa, zbliżona do charakterystyki wełny mineralnej,
stanowiącej w pewnym sensie wzorzec szerokopasmowego materiału dźwiękochłonnego stosowanego w zabezpieczeniach wibroakustycznych.
Rys. 2. Zmodyfikowana osłona boczna łańcuchów
kinematycznych napędowych tokarki
Tworzywa Sztuczne w Przemyśle . Nr 6/2013
Granulaty gumowe powstają w wyniku rozdrobnienia odpadów
gumowych: taśm transporterowych, bieżników opon, ochraniaczy, membran, uszczelek, wypływek itp. Mają postać ziaren
o regularnych bądź nieregularnych kształtach i czarnej barwie.
Materiały te o różnych frakcjach ziaren mają dobre własności
dźwiękochłonne ze względu na strukturę warstwy, podobną do
porowatej lub włóknistej, w której pochłanianie energii dźwiękowej odbywa się przez wnikanie jej w utworzone pory i kanaliki
powietrzne.
Proces rozdrobnienia odpadów produkcyjnych gumowych
typu taśma transporterowa (pozostałości po obcinaniu obrzeży) pozwala na otrzymanie granulatu gumowego w trzech postaciach: granulatu gumowego (po oczyszczeniu z tkaniny
bawełnianej), granulatu tkaninowo-gumowego (zanieczyszczonego włóknem bawełnianym) oraz tkaninowego (odseparowane włókno bawełniane od ziaren gumy poddane roztrzepaniu
do postaci „waty”). Fotografie 1–2 przedstawiają dwie z powyższych postaci granulatu, z wyznaczonymi charakterystykami pochłaniania dźwięku.
Badania fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku αf
(przy prostopadłym padaniu fali dźwiękowej na powierzchnię
badanej próbki materiału) przeprowadzono dla pięciu grubości
(10, 20, 30, 40 i 50 mm) każdej z trzech postaci granulatu
gumowego. Do wykonania eksperymentu badawczego użyto
rury impedancyjnej (Rury Kundta) [3] pozwalającej na określenie współczynnika pochłaniania dźwięku metodą wykorzystującą
współczynnik fal stojących. Metoda ta jest bardzo przydatna do
rozważań studialnych, a także do wstępnych badań umożliwiających określenie przydatności nowych materiałów (lub materiałów jeszcze niezbadanych) z punktu widzenia ich własności
dźwiękochłonnych. Do wykonania badań akustycznych tą meto-
Rys. 3. Przegrody warstwowe jako elementy ścienne
zintegrowanej obudowy prasy mechanicznej mimośrodowej
47
tworzywa
Fot. 1.
Granulat gumowy –
gęstość objętościowa:
458 kg/m3 ,
frakcja ziarna: 2x4
mm,
kształt ziarna:
płatki nieregularne,
typ drobnoziarnisty
Fot. 2.
Granulat tkaninowo-gumowy – gęstość
objętościowa:
340 kg/m3,
granulat gumowy
zanieczyszczony
kłaczkami z włókna
bawełnianego,
frakcja ziarna:
2x4 mm
dą potrzebna jest niewielka ilość badanego materiału: 2 próbki
(krążki) o średnicy 30 i 100 mm, co ma duże znaczenie z punktu
widzenia ekonomicznego – stosunkowo niewielki koszt wykonania próbki materiału do badania laboratoryjnego. Własności
dźwiękochłonne granulatu gumowego w dwóch postaciach uzyskanych na drodze recyklingu zużytych taśm transporterowych
zilustrowano w postaci wykreślnej.
Testowane przegrody warstwowe
Ze względu na konstrukcje przegród i ich zachowanie się
w polu akustycznym, przegrody dźwiękochłonno-izolacyjne stosowane zarówno w budownictwie, jak i w wibroakustyce (elementy ścienne zabezpieczeń przeciwhałasowych) dzielą się na
podstawowe rodzaje [3]: pojedyncze, proste (jednorodne, niejednorodne, wielowarstwowe) i wielokrotne, złożone (wykonane
z przegród jednorodnych, niejednorodnych, wielowarstwowych
o identycznej lub różnej strukturze ze szczelinami powietrznymi pomiędzy nimi). Najczęściej stosowanymi przegrodami
warstwowymi w zabezpieczeniach przeciwhałasowych są przegrody pojedyncze i dwuścienne [1, 3]. Przegroda pojedyncza
Rys. 4. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku
pięciu grubości warstwy granulatu gumowego
48
w najprostszym rozwiązaniu składa się z płyty dźwiękoizolacyjnej oraz warstwy dźwiękochłonnej. Natomiast najprostsza
przegroda dwuścienna (zwana podwójną) składa się z dwóch
jednakowych płyt dźwiękoizolacyjnych z umieszczoną pomiędzy nimi warstwą dźwiękochłonną – rdzeniem dźwiękochłonnym.
Test przydatności (z punktu widzenia oczekiwanych parametrów izolacyjności akustycznej) zastosowania granulatów gumowych w przegrodach warstwowych przeprowadzono dla próbek
przegród, których zestawienie zamieszczono w tabeli 1.
Przegroda warstwowa I (rys. 6) składa się z dwóch płyt
dźwiękoizolacyjnych z blachy stalowej grubości 1 mm, pomiędzy którymi znajduje się rdzeń dźwiękochłonny z granulatu
tkaninowo-gumowego o gęstości objętościowej 340 kg/m3.
Kształt ziarna gumowego: płatki nieregularne, frakcja ziarna:
2x4 mm, typ drobnoziarnisty. Granulat tego typu powstaje
w jednej z faz recyklingu, kiedy to ziarno gumowe jest zanieczyszczone kłaczkami z włókna bawełnianego. Przegrodę
I wykonano w dwóch wersjach grubości warstwy rdzenia dźwiękochłonnego (10 i 20 mm).
Budowa przegrody warstwowej II (rys. 7) jest identyczna
jak przegrody I, z tym że rolę rdzenia dźwiękochłonnego pełni czysty granulat gumowy, bez zanieczyszczeń, o gęstości
objętościowej 458 kg/m3. Próbka przegrody wykonana także
w dwóch wersjach grubości rdzenia dźwiękochłonnego (10
i 20 mm).
Przegroda warstwowa III (rys. 8) zbudowana jest z dwóch płyt
dźwiękoizolacyjnych z gumy zwykłej grubości 3 mm, pomiędzy
którymi znajduje się rdzeń dźwiękochłonny z granulatu tkaninowo-gumowego w postaci płyty o grubości 14 mm (ziarna gumowe sklejone z włóknem bawełnianym klejem poliuretanowym).
Płyty gumowe połączone są z rdzeniem także tym samym klejem. Przegroda III jest wersją, w której granulat tkaninowo-gumowy ma postać elastycznej płyty. W przegrodach I i II granulat
jest wsypywany do szczeliny pomiędzy płytami dźwiękoizolacyjnymi.
Własności dźwiękoizolacyjne testowanych
przegród warstwowych
Wyniki badań izolacyjności akustycznej próbek przegród
warstwowych I, II i III w postaci wykresów charakterystyk
izolacyjności akustycznej w pasmach 1/3 oktawowych częstotliwości przedstawiono na rys. 9 (przegroda I), rys.10
(przegroda II) i rys. 11 (przegroda III). W tabeli 2 zestawiono
wyniki badań dla wszystkich przegród łącznie z podaniem
dodatkowo jednoliczbowego wskaźnika izolacyjności od
Rys. 5. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku
pięciu grubości warstwy granulatu tkaninowo-gumowego
Tworzywa sztuczne w przemyśle . Nr 6/2013
tworzywa
Tabela 1. Zestawienie testowanych próbek przegród warstwowych – dwuściennych z rdzeniami dźwiękochłonnymi z granulatów
gumowych
Przegroda
I
I
II
II
III
Układ warstw materiałów
Blacha stalowa
Granulat tkaninowo-gumowy
Blacha stalowa
Blacha stalowa
Granulat tkaninowo-gumowy
Blacha stalowa
Blacha stalowa
Granulat gumowy
Blacha stalowa
Blacha stalowa
Granulat gumowy
Blacha stalowa
Guma zwykła PZ
Granulat tkaninowo – gumowy
Guma zwykła PZ
Rys. 6. Schemat poprzeczny przekroju
(rdzeń: granulat tkaninowo-gumowy)
Grubość warstwy
materiału [mm]
1
10
1
1
20
1
1
10
1
1
20
1
3
14
3
Grubość przegrody
[mm]
12
22
12
22
20
Rys. 7. Schemat poprzeczny przekroju
przegrody warstwowej I przegrody
warstwowej II rdzeń: granulat
gumowy)
Masa 1m2 warstwy
materiału [kg]
7,85
8,0
7,85
7,85
16,0
7,85
7,85
11,0
7,85
7,85
22,0
7,85
3,6
12,8
3,6
Masa 1m2 przegrody
[kg]
23,7
31,7
26,7
37,7
20
Rys. 8. Schemat poprzeczny przekroju przegrody warstwowej III (rdzeń:
granulat tkaninowo-gumowy w postaci
elastycznej płyty)
Rys. 9. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej
przegrody warstwowej I: blacha stalowa o gr. 1 mm – granulat tkaninowo-gumowy (gr.: 10 i 20 mm) – blacha stalowa
o gr. 1 mm
Rys. 10. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej
przegrody warstwowej II: blacha stalowa o gr. 1 mm – granulat
gumowy (gr.: 10 i 20 mm) – blacha stalowa o gr. 1 mm
dźwięków powietrznych Rw wyznaczonego w odniesieniu do
poszczególnych przegród. Rysunek 12 ilustruje zestawienie
porównawcze charakterystyk izolacyjności akustycznej przegród I i II (z rdzeniem dźwiękochłonnym o grubości 20 mm)
z przegrodą III.
Wnioski z badań
Analizując przedstawione powyżej wyniki badań izolacyjności akustycznej wybranych przegród dwuściennych z rdzeniami
dźwiękochłonnymi z granulatów gumowych, można wyciągnąć
następujące zasadnicze wnioski:
Tworzywa Sztuczne w Przemyśle . Nr 6/2013
49
tworzywa
Rys. 11. Charakterystyka izolacyjności akustycznej przegrody
warstwowej III: guma zwykła o gr. 3 mm – granulat tkaninowo-gumowy o gr 14 mm – guma zwykła o gr. 3 mm
1.Charakterystyki pochłaniania dźwięku granulatu tkaninowo-gumowego pozwalają na zaliczenie go do materiałów
dźwiękochłonnych szerokopasmowych (rys.5). Charakterystyka pochłaniania dźwięku tego materiału jest zbliżona do
charakterystyk wełny mineralnej. Wzrost grubości warstwy
powoduje wzrost średniej wartości współczynnika pochłaniania.
2.Czysty granulat gumowy charakteryzuje się, podobnie jak granulaty z innych tworzyw naturalnych i sztucznych, wąskopa-
Rys. 12. Porównanie charakterystyk izolacyjności
akustycznej przegród warstwowych I–II:
Przegroda I: blacha stalowa (1 mm) – granulat tkaninowo-gumowy (20 mm) – blacha stalowa (1 mm)
Przegroda II: blacha stalowa (1 mm) – granulat gumowy
(20 mm) – blacha stalowa (1 mm)
Przegroda III: guma zwykła (3 mm) – granulat tkaninowo-gumowy klejony (14 mm) – guma zwykła (3 mm)
smową charakterystyką pochłaniania dźwięku (rys. 4). Stąd
też nie występuje wzrost średniej wartości współczynnika pochłaniania, natomiast wraz z grubością warstwy częstotliwość
Tabela 2. Zestawienie zbiorcze wartości izolacyjności akustycznej zbadanych przegród warstwowych
Przegroda I: blacha stalowa (1 mm) – granulat tkaninowo-gumowy – blacha stalowa (1 mm)
Przegroda II: blacha stalowa (1 mm) – granulat gumowy – blacha stalowa (1 mm)
Przegroda III: guma zwykła (3 mm) – granulat tkaninowo-gumowy (klejony) – guma zwykła (3 mm)
I
Przegrody warstwowe
Częstotliwość f [Hz]
Izolacyjność akustyczna właściwa R [dB]
50
III
Grubość warstwy rdzenia dźwiękochłonnego [mm]
10
Rw [dB]
II
20
10
20
14
50
16,2
16,2
17,0
17,8
18,6
63
20,9
21,5
20,5
21,7
23,7
80
20,8
21,5
19,4
20,1
18,8
100
23,4
22,6
22,1
22,6
24,3
125
20,9
21,4
21,5
20,3
23,6
160
16,5
17,5
16,4
16,0
21,1
200
20,9
21,2
22,1
19,1
24,1
250
24,2
20,4
21,8
23,5
27,1
315
29,9
30,0
23,6
27,5
29,8
400
33,9
34,1
25,7
30,4
29,5
500
35,8
35,8
32,4
35,0
32,9
630
34,1
35,0
34,7
35,6
34,2
800
34,5
36,4
36,3
36,9
35,8
1000
35,6
38,5
38,5
39,5
38,4
1250
36,8
40,8
40,8
41,2
40,4
1600
38,4
43,7
43,6
43,5
42,0
2000
39,6
45,5
45,2
45,2
44,4
2500
39,7
45,9
46,0
46,1
45,5
3150
42,2
46,5
46,2
47,0
46,6
4000
44,9
47,1
46,9
47,6
48,5
5000
46,5
48,5
49,0
49,5
50,3
35
36
34
35
37
Tworzywa sztuczne w przemyśle . Nr 6/2013
rezonansowa (w której występuje największe pochłanianie
dźwięku) przesuwa się od częstotliwości wysokich do częstotliwości średnich.
3.Wszystkie zbadane przegrody charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami dźwiękoizolacyjnymi. Wartości jednoliczbowego wskaźnika izolacyjności akustyczne Rw wynoszą od 34
dB do 37 dB (tab.2).
4.Zwiększenie grubości rdzenia dźwiękochłonnego (z 10 mm na
20 mm) w przegrodach I i II powoduje nieznaczny przyrost izolacyjności akustycznej R w zakresie określonych częstotliwości. W przypadku przegrody I w zakresie częstotliwości powyżej
800 Hz (rys.9), w przypadku przegrody II w zakresie częstotliwości od 250 Hz do 630 Hz (rys. 10).Wskaźnik jednoliczbowy
Rw wzrasta z 35 do 36 dB dla przegrody I oraz z 34 do 35 dB
dla przegrody II (tab. 2 ).
5.Przegroda III charakteryzuje się najkorzystniejszym wskaźnikiem Rw = 37 dB. Porównanie jej charakterystyki izolacyjności akustycznej R z charakterystykami przegród I i II
z rdzeniami dźwiękochłonnymi o grubości 20 mm wykazuje
zwiększoną izolacyjność przegrody III w zakresie niskich
częstotliwości od 100 Hz do 315 Hz (rys. 12). W pozostałych zakresach izolacyjność akustyczna jest porównywalna
dla trzech próbek.
Przedstawione powyżej możliwości zastosowania przegród
warstwowych z rdzeniami dźwiękochłonnymi uzyskanymi w wyniku recyklingu wyrobów gumowych są oczywiście propozycją
do praktycznego wykorzystania, ostateczne rozwiązania mogą
być modyfikowane i uzupełniane innymi dodatkowymi warstwami dźwiękochłonnymi i dźwiękoizolacyjnymi, także innymi granulatami z odzysku o podobnej strukturze jak opisane
w artykule.
R E K L A M A
tworzywa
Literatura
[1] A. Kaczmarska, Z. Engel, J. Sikora: Dobór warstwowych
zabezpieczeń przeciwhałasowych – wytyczne dla projektantów,
Bezpieczeństwo Pracy, nr 6/2005, s. 10-13.
[2] J. Sikora: Materiały ziarniste w zabezpieczeniach przeciwhałasowych. Materiały Budowlane: technologie, rynek, wykonawstwo, Nr 8/2010, Miesięcznik techniczno-ekonomiczny, Warszawa 2010, str. 5-7 i 36.
[3] J. Sikora: Warstwy gumowe w rozwiązaniach zabezpieczeń
wibroakustycznych, Wydawnictwa AGH, Kraków 2011.
[4] J. Sikora, J. Turkiewicz: Właściwości dźwiękochłonne i zastosowanie granulatów gumowych, Izolacje, nr 1/2012, s. 54-58.
[5] Sikora: Przegrody warstwowe w rozwiązaniach ograniczających hałas maszyn I urządzeń. Bezpieczeństwo Pracy: nauka
i praktyka, 2012, nr 8, str. 26-31.
Artykuł opracowano w ramach realizacji projektu rozwojowego
nr II.B.12 (2011-2013) pt.: „Nowe rozwiązania materiałowe przegród
warstwowych w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych maszyn
i urządzeń”, stanowiącego jedno z zadań programu wieloletniego
„Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy”
koordynowanego przez CIOP - PIB w Warszawie
dr inż. Jan Sikora
dr inż. Jadwiga Turkiewicz
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Katedra Mechaniki i Wibroakustyki
al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
Tworzywa Sztuczne w Przemyśle . Nr 6/2013
51