Строительные материалы и технологии
Выпуск от 29.06.2004

Звукопоглощающие материалы и акустические преграды
(часть 2)

За последние 10-15 лет уровень шума в жилых многоквартирных домах существенно возрос. Это связано с увеличением числа бытовых источников шума в квартирах, наличием лифтов, насосов, другого инженерного оборудования.
Звукоизолирующую функцию в многоквартирных домах выполняют межквартирные стены, межкомнатные перегородки, межэтажные перекрытия.

Звукоизоляция наружных стен от уличного шума определяется звукоизоляцией окон. Звукоизоляция перегородок с дверьми определяется звукоизоляцией дверей. Поэтому здесь мы рассмотрим только звукоизоляцию стенами и перегородками без проемов и отверстий.

Рис. 1 Пути передачи шума в изолируемое помещение могут быть прямыми (1 и 2) и косвенными (3 и 4)

Различают звукоизоляцию воздушного шума (т.е. шум, непосредственно излученный в воздух, когда источник шума не связан с ограждающими конструкциями механической связью, например, разговор, работа теле- и радиоприемников и т.п.) и изоляцию ударного шума. Последний возникает при ударах по междуэтажным перекрытиям при ходьбе, танцах, падении предметов на пол.
Пути передачи шума в изолируемое помещение могут быть прямыми (1 и 2) и косвенными (3 и 4) - см. рис. 1. Такая передача возможна потому, что колебания, вызванные воздушным и ударным шумом, распространяются по всему зданию.

Вибрирующие конструкции излучают шум в помещение, расположенное даже на значительном удалении от источника. Такой шум называют структурным. Структурный шум в зданиях вызывается работой насосов, лифтов, вентиляторов и т.п., а также при работе ручного электроинструмента. Из-за наличия структурного шума звукоизоляция стен и перегородок в реальных зданиях всегда меньше их расчетной звукоизоляции или звукоизоляции измеренной в лаборатории. Следует отметить, что в современных зданиях, выполненных из железобетона, стекла, металла, кирпича, структурный шум распространяется практически без потерь на стыках и по длине конструктивных элементов. Поэтому в таких зданиях борьба с шумом очень трудна и должна начинаться на стадии проектных решений.

Нормы звукоизоляции конструкций в зданиях различного назначения приводятся в СНИП II-12-77 и МГСН 2.04-97.
Так, в СНиП нормируемым показателем звукоизоляции является индекс изоляции воздушного шума I_в, дБ. Его определяют по особой формуле, приведенной в СНиП, как средневзвешенное значение звукоизоляции конструкции в диапазоне частот от 100 до 5000 Гц в третьоктавных полосах частот.

Величина R_w также определяет средневзвешенную звукоизоляцию конструкции в том же диапазоне частот, но по несколько иной методике. Разница между I_в и R_w составляет 2 дБ, т.е. R_w = I_в + 2 дБ. В последнее время расчет и измерение в R_w общеприняты. Ударный шум также характеризуется по СНиП II-12.77 индексом приведенного ударного шума или значением L_w.

Звукоизоляция воздушного шума ограждающими конструкциями зависит от типа конструкции (однослойные и многослойные конструкции) и от наличия в конструкции отверстий или щелей в примыканиях этой конструкции к другим строительным элементам.
Под однослойными понимаются конструкции, состоящие из одного или нескольких слоев, жестко связанных друг с другом. Отношение звуковой энергии, прошедшей через конструкцию (E_пр), к энергии падающей на нее (E_пад), называется коэффициентом звукоизоляции

Изоляция воздушного шума конструкций без учета косвенной передачи при диффузном (равнонаправленном) падении звука, дБ равна

Если, например, через конструкцию прошло 1% энергии, то тогда

Такая звукоизоляция очень мала. Связь между значениями  τ и R приведена в таблице 2.

Таблица 2.

Энергия, прошедшая через конструкцию, %	t	R, дБ	Конструкция, обеспечивающая звукоизоляцию
10	0,1	10	-
1	0,01	20	Дверь
0,1	0,001	30	Окно
0,01	0,0001	40	Междукомнатная перегородка
0,001	0,00001	50	Междуквартирная стена

Таким образом, для обеспечения достаточно высокой звукоизоляции воздушного шума конструкция не должна пропускать более стотысячной доли падающей на нее энергии. Поэтому так велико значение качества строительно-монтажных работ. Только при обеспечении хорошей герметичности, отсутствии щелей и трещин можно достичь высокой изоляции воздушного шума.

Основное влияние на передачу звука оказывают изгибные волны, которые образуются при толщине конструкции меньше 1/6 длины волн изгиба на данной частоте. Ограждающие конструкции удовлетворяют этому условию во всем нормируемом диапазоне (100-5000 дБ).

Звукоизоляция строительных конструкций зависит от частоты возбуждающей колебания звуковой волны. Так, на низких частотах (ниже 100 дБ) вблизи первых частот собственных колебаний конструкции возникает резонансное явление, и звукоизоляция во многом зависит от внутреннего трения материала конструкции. На более высоких частотах амплитуда колебаний зависит от массы конструкции (закон массы), при удвоении массы или частоты звукоизоляция увеличивается на 5-6 дБ.

Однако для легких конструкций прирост звукоизоляции с ростом частоты значительно меньше расчетного. Это происходит из-за явления так называемого волнового совпадения, когда совпадают длина проекции падающей на конструкцию продольной звуковой волны и длины возбуждающей в конструкции изгибной волны.

В реальных конструкциях уменьшение звукоизоляции наблюдается на частотах 500-1000 дБ вследствие явления волнового совпадения. А это область наиболее часто излучаемых частот шума. В этой области звукоизоляция конструкции во многом определяется ее толщиной и жесткостью, которые в свою очередь определяют длину изгибных волн.

На более высоких частотах (F> 2F_гр, где F_гр - начальная частота волнового совпадения) звукоизоляция опять растет с частотой примерно 7,5 дБ на октаву.

Для ориентировочной оценки индекса изоляции воздушного шума однослойных ограждений из бетона, железобетона, кирпича, керамических блоков, гипсокартона и др. подобных материалов с поверхностной массой 100-1000 кг/м² можно использовать следующие формулы:

при P > = 200кг/м² I_B=23lgP_э-10дБ

при P < = 200кг/м² I_B=23lgP_э+10дБ;

где - P_э эквивалентная поверхностная плотность кг/м²
- коэффициент

• Для сплошных конструкций из материала , γ > 1800кг/м³, k=1
  
• Для конструкций из бетонов на цементном вяжущем , γ > 1200...1300кг/м³, k=1,25
  
• Для конструкций из бетона и железобетона с круглыми пустотами , γ > 1800кг/м³,
  

, где

I - момент инерции сечения, м⁴;
b - ширина сечения, м;
h_пр- приведенная толщина сечения, м.

• Для конструкций из бетонов на пористых заполнителях и цементном вяжущем (керамзито-, пено-, шлакобетоном и т.п.)

, где
Е - модуль упругости материала, Па;
p- плотность материала, кг/м³

В области средних и низких частот звукоизоляция зависит от массы, частоты звука, коэффициента потерь, изгибной жесткости и размеров ограждения. Увеличение значений этих параметров повышает звукоизоляцию.

Звукоизоляция многослойными конструкциями

Многослойными называются конструкции, выполненные из слоев материалов, имеющих различные акустические характеристики - плотность, модуль упругости, коэффициент потерь. При прохождении звуковой волны через границу сред происходит частичное отражение энергии волны. При этом чем большая разница в величинах плотности, модуле упругости и коэффициенте потерь смежных слоев, тем больше отражение энергии. Таким образом, звукоизоляция многослойных конструкций определяется не только общей массой, упругостью и потерями конструкции, но и отражениями от каждого слоя, поэтому звукоизоляция многослойных конструкций при прочих равных условиях выше, чем однослойных. Однако добиться в практических условиях строительства работы конструкций как многослойных достаточно трудно из-за наличия жестких механических связей между слоями. В зданиях акустически многослойными чаще всего бывают раздельные (двойные) стены и перегородки, междуэтажные перекрытия, стены с гибкими плитами на относе.

Последний тип конструкций чаще всего используют для увеличения звукоизоляции уже существующих преград. На них через деревянный или металлический каркас набиваются листы гипсокартона, фанеры, ДСП и т.п. Между стеной и рейками необходимо применять упругие прокладки. Для снижения резонансов в воздушном промежутке между основной стеной и легкой зашивкой воздушный промежуток заполняется эффективным звукопоглотителем. Лучшими материалами для этого являются маты из базальтового волокна (Шуманет-БМ) или супертонкого стекловолокна (Шумостоп-С). Применение пенопластов, прессованной пробки и других подобных легких пористых материалов акустически нецелесообразно. Согласно многочисленным натурным испытаниям, гибкие плиты на относе с заполнением звукопоглотителем воздушных полостей дают дополнительно до 4 дБ звукоизоляции при применении с 2-х сторон и 2 дБ при одностороннем применении.

Звукоизоляция раздельных перегородок (стен) на низких частотах равна звукоизоляции однослойной конструкции с суммарной массой всех элементов. С повышением частоты звукоизоляция увеличивается, но при условии обязательного использования звукопоглотителя между плоскостями раздельных стенок. Эффективность звукопоглотителя увеличивается с уменьшением общей массы сдвоенной преграды. Очень большое влияние на звукоизоляцию раздельными преградами, особенно на средних и высоких частотах, оказывает косвенная передача звука через сопряжения перегородок с перекрытиями. Поэтому улучшение звукоизоляции такими преградами мало зависит от толщины воздушного промежутка и составляет в среднем 6 дБ. С точки зрения звукоизоляции, наиболее целесообразными являются раздельные перегородки, имеющие плиты одинаковой массы, но различающиеся изгибной жесткостью в несколько раз, например, за счет толщины.

Изоляция воздушного шума между межэтажными перекрытиями в основном определяется несущей ж/б плитой. Конструкция пола практически всегда повышает звукоизоляцию на 1-3 дБ за исключением некоторых типов линолеума на войлочной подоснове.

Во всех случаях при выборе ограждающих конструкций при прочих равных условиях необходимо стремиться к следующему:

1. Использовать по возможности строительные материалы (бетон, кирпич и т.п.) большей плотности, без пустот, отверстий. При этом швы между элементами стены и между стеной (перегородкой) и другими стенами и полом и потолком должны быть плотно заделаны.
   
2. Примыкание перегородок к сопредельным стенами и перекрытиям для уменьшения влияния косвенной звукопередачи должно быть виброразвязанным. То есть во всех горизонтальных и вертикальных стыках должны быть проложены прокладки из виброгасящих волокнистых материалов (Шумостоп-С, Вибросил и т.п.).
   
3. Собранные конструкции не должны иметь сквозных технологических отверстий (под электропроводку, вентиляцию и т.д.)
   
4. Двойные перегородки не должны иметь жесткой механической связи друг с другом и с сопредельными элементами (пол, потолок, стены). Воздушная полость между ними должна быть заполнена звукопоглотителем (Шуманет-БМ, Шумостоп-С и т.п.).

Эффективная дополнительная звукоизоляция. В последнее время требования к комфортности жилья резко возросли, поэтому остро встал вопрос существенного повышения звукоизоляции существующих стен и перегородок при реконструкции или капитальном ремонте зданий. Так же остро стоит этот вопрос в случае повышения требований жильцов, вселившихся в новые дома. Решение этого вопроса простым удвоением массы (толщины) преград не является достаточно эффективным ни с акустической точки зрения (максимальная добавка звукоизоляции 5 дБ), ни с экономической и конструктивной . Применение гипсокартонных обшивок при всей простоте и легкости (немассивности) дает максимум 4 дБ дополнительной звукоизоляции при толщине обшивки (с каркасом) 40-60 мм, что очень неэффективно.

С 1999 года в России и странах СНГ для повышения звукоизоляции существующих стен, перегородок и перекрытий используют панели дополнительной звукоизоляции - ЗИПС®, которые, являясь многослойными конструкциями, крепятся к основной преграде без промежуточного каркаса через специальным образом выполненные виброразвязанные узлы (Патент РФ № 2140498). Испытание таких конструкций в Англии (Лаборатория по испытанию строительных материалов и конструкций) и России (НИИСФ РАСН) показало, что ЗИПС дает дополнительную звукоизоляцию в 7-10 дБ при толщине в 70 мм и массе 25 кг/м². Проведение натурных испытаний в жилых квартирах в Москве дало результаты, очень близкие к лабораторным, что свидетельствует об очень высокой эффективности применения ЗИПС для решения задач повышения звукоизоляции существующих конструкций.

ЗИПС представляет собой многослойную панель из супертонкого стекловолокна и гипсоволокна. Стандартная толщина - 40,70 и 130 мм. Предусмотрены варианты крепления к стенам и потолкам. Панели не горючи и влагостойки. На них может наноситься любая отделка (окрашивание, оклейка обоями и т.д.).

Изоляция ударного шума междуэтажными перекрытиями

В первом приближении явление удара аппроксимируется действием временно приложенной к перекрытию силы, действующей в течение короткого промежутка времени. Обычно принимается, что между уровнем вибрации конструкций Lv = 20 ly(V/V₀)и уровнем звукового давления L имеется простая связь L ~ V , где V - колебательная скорость конструкции; V₀=5*10^-8м/c- пороговое значение колебательной скорости.

Задача определения уровня ударного шума сводится к нахождению колебательной скорости перекрытия при работе стандартной ударной машины, производящей 100 ударов в секунду пятью молотками массой 0,5 кг, свободно падающих с высоты 40 мм. Полученные уровни звукового давления под перекрытием приводят к октавным полосам частот и единому звукопоглощению, равному 10 м₂, а затем сравнивают с нормативными (СНиП II-12-77). Такие уровни называют приведенными (Ln).

Обеспечить нормативные требования изоляции ударного шума только одними несущими ж/б плитами перекрытия невозможно. Их толщина для этого должна быть вместо 14-30 см около 1 м, т.к. удвоение толщины плиты снижает уровень L_n на 9 дБ. Увеличение модуля упругости и коэффициента потерь повышает изоляцию ударного шума на 1,5 дБ и 3 дБ соответственно.

Для достижения требуемого приведенного уровня ударного шума под перекрытием эффективным считается использование многослойных конструкций между жесткими слоями, а также полов, в которых самый верхний слой является упругим (ковры, линолеумы). В первом случае эффект звукоизоляции достигается не только за счет дополнительного отражения энергии в упругом слое, но прежде всего за счет рассогласования частот резонансов при колебаниях отдельных жестких слоев "пирога" перекрытия и пола. Во втором случае ковровое или ворсовое покрытия имеют высокие значения изоляции ударного шума за счет больших потерь энергии удара при смятии упругого слоя пола.

Звукоизоляция перекрытиями с полами на упругом основании ("плавающими" полами)

К этому типу перекрытий относятся конструкции со сплошным упругим слоем между полом и несущей ж/б плитой и конструкцией с полом на мягких и упругих прокладках.

Если индекс приведенного уровня ударного шума для несущих плит перекрытий составляет 80-90 дБ, то перекрытия с плавающими полами имеет уже Iy = 67…70 дБ.

Ударное воздействие по полу вызывает периодические напряжения в упругом слое. В нем возникают деформации, на которые расходуется часть звуковой энергии. Снижение уровня ударного шума зависит, прежде всего, от частоты собственных колебаний пола на упругом основании f_o . Чем ниже f_o, тем больше величина снижения уровня ударного шума Δ L за счет пола на упругом основании, т.к.

Δ L = 40 ly (f/ f_o). Каждое удвоение частоты при f >f_o приводит к росту изоляции ударного шума за счет пола на упругом основании на 12 дБ. Но на средних частотах и выше возможно возникновение волновых процессов в упругом слое, что замедляет рост звукоизоляции с 12 до 6 дБ на октаву.

Простым практическим методом определения приведенного уровня ударного шума Iу под междуэтажным перекрытием (в том числе с полами по лагам) является следующий метод (по СНиП II-12-77):

1. Определяют частоту собственных колебаний пола, лежащем на упругом основании по формуле

, где

Р2 - поверхностная плотность пола на упругом основании, кг/м²
k = Еg /h, где
Еg - динамический модуль упругости прокладки;
h - толщина упругой прокладки в обжатом состоянии.

Динамический модуль упругости Еу определяется по таблицам СНиП II-12.77 или берется из данных лабораторных испытаний. Из формулы определения f_o видно, что чем меньше значение k, тем меньше значение f_o, а это приводит к большему значению изоляции ударного шума "плавающими" полами. Поэтому наиболее эффективны для "плавающих" полов упругие прокладки и волокнистые материалы на основе супертонких стеклянных и базальтовых волокон. Такие материалы имеют Еу в диапазоне 0,27…0,45 кПа. Менее эффективны для этих целей мягкие плиты ДВП (Еу = 1 МПа) и пески и шлаки (Еg = 8…12 МПа).

2. По таблицам СНиП II-12.77 находят индекс приведенного ударного шума несущей плиты перекрытия I yo , который зависит от поверхностной плотности плиты и конструкции потолка. Эти значения колеблются в пределах I yo = 80 дБ при плотности несущей плиты Рп 450 кг/м² до Iуо = 91 дБ при Рп = 150 кг/м².

3. По таблице СНиП II-12.77 находят индекс приведенного ударного шума I y в зависимости от величины f_o и I yo.

В рассмотренных конструкциях перекрытий улучшение изоляции ударного шума достигается за счет упругих материалов, которые должны сохранить свои упругие свойства в течение всего срока эксплуатации перекрытий (до капитального ремонта). Однако уже в первые месяцы и годы изоляция может ухудшиться на 2…6 дБ из-за потерь материалом прокладок упругих свойств. Наиболее целесообразным является применение в конструкциях плавающих полов прокладки из кремнеземного и супертонкого волокна общей массой 100-150 кг/м². Эти материалы (торговые марки Вибросил и Шуманет-100) при толщине 3..6 мм имеют индекс дополнительной изоляции ударного шума ΔLy 23-25 дБ, что позволяет применять их практически при всех типах железобетонных плит перекрытий при плотности сжатия под ними 80-120 кг/м2 в зданиях всех категорий комфортности. По показателю ?Ly эти материалы при той же толщине существенно превосходят (на 3-6 дБ) вспененные материалы (Пенофол и т.п.), мягкие ДВП, пробковые подложки и др. материалы.
Физически это объясняется тем, что тонковолокнистые материалы имеют многоуровневое рассеяние энергии.
Рассеяние происходит:

• из-за вязкости воздуха в межволокнистом пространстве;
• из-за трения воздуха о волокна;
• из-за трения волокон друг о друга;
• из-за трения в кристаллической решетке волокон.

Кроме того, эти материалы исключительно долговечны, так как старение неорганических волокон происходит практически мгновенно после их остывания после формовки. Упругие прокладки из органических материалов (вспененный полиэтилен и полипропилен, ДВП) стареют в процессе всего времени эксплуатации в полах. Кроме того, под большими нагрузками в них быстрее развиваются остаточные деформации, что также существенно снижает их звукоизолирующую способность.
Наиболее эффективными конструкциями для снижения ударного шума являются пятислойные конструкции, когда поверх "плавающей" стяжки укладывается финишный (рабочий) слой пола также через упругую прокладку.

При этом важно, чтобы собственные частоты колебаний инерционных слоев (железобетонной плиты, стяжки и непосредственно пола) были рассогласованы. В качестве примера такой конструкции можно привести паркетную доску толщиной 14-22 мм по упругому основанию из Шуманет -100, или Пенофола (3-4 мм) или пробки (3 мм) по цементно-песчаной стяжке плотностью 80-120 кг/м² , лежащей в свою очередь на упругой прокладке из Вибросила (6 мм) или Шумостоп-С (20 мм). Вся эта конструкция покоится на несущей железобетонной плите.
Такие конструкции дают дополнительную изоляцию ударного шума более 34 дБ и могут быть использованы в особо ответственных случаях.
Высокая звукоизоляция ударного шума (до 24 дБ) также может быть достигнута при устройстве подвесных (раздельных от несущей плиты) потолков. Если потолки будут обладать малой изгибной жесткостью (например, плиточные подвесные потолки Экофон, Акусто, Рокфон, ТИГИ-KNAUF) и достаточно изолированы от несущей плиты шарнирным присоединением подвесов, то излучаемая подвесной конструкцией энергия вниз будет существенно меньше энергии, проходящей через несущую плиту. Звукоизоляция увеличивается при размещении в воздушном промежутке звукопоглощающих материалов (например, Шуманет-БМ). Снижение шума будет происходить также и за счет того, что в защищаемом (нижнем) помещении будет дополнительное звукопоглощение материалом потолка.

В конструкциях такого типа, как и в целом при устройстве звукоизоляции, необходимо строго следить за отсутствием сквозных отверстий и щелей в изолирующих конструкциях, плотном примыкании элементов друг к другу.
В случае с "плавающими полами" упругие прокладки должны заходить вверх на стены по их периметру, не допуская жесткого механического контакта пола (стяжки) со стенами.