Основные принципы проектирования шумозащитного остекления

Данная статья предназначена, в основном, для потребителей, заказчиков строительных объектов и проектировщиков, которым важно без излишних сложностей и углубления в теоретические основы строительной акустики правильно выбрать кон-струкцию остекления и произвести оценку акустического комфорта в помещениях.

Акустический комфорт

 Шум – это любой нежелательный звук.

Акустический комфорт является важной составляющей качества жизни. В больших городах приходится прилагать немалые усилия, для того чтобы обеспечить акустический комфорт в рабочих и жилых помещениях. В строительной акустике различают два вида шумов в зависимости от пути их распространения:

- воздушный – звуковые колебания, распространяющиеся в воздухе;

 - структурный – звуковые колебания, распространяющиеся по материалу строительных конструкций.

Частным случаем структурного шума является ударный шум – звуковые колебания, возникающие при непосредственном механическом воздействии на строительные конструкции. Основным источником акустического дискомфорта в городах является воздушный шум. Источники воздушного шума чрезвычайно разнообразны, но основной из них в городе – транспорт, на долю которого приходится 60 – 80% всего шума.

 Основные сведения о физической природе шума

Шумом принято называть любой не желательный для человека звук – механические колебания в диапазоне слышимости человека, распространяющиеся в среде в виде волн. Звуковые волны, распространяясь в пространстве, образуют звуковое поле, то есть сгущения и разрежения, которые создают добавочные изменения давления по отношению к среднему значению давления в среде. Мгновенное звуковое давление представляет собой разность полного давления в некоторой точке среды в определенный момент времени и статического давления в этой же точке. В расчетах и измерениях в основном используется эффективное звуковое давление, представляющее собой среднеквадратичное значение мгновенного звукового давления.

Интенсивностью или силой звука (I) называется количество энергии, переноси-мой звуковой волной за единицу времени, через единицу площади поверхности, нор-мальной к направлению распространения звуковой волны. Сила звука (Вт/м2) пропорциональна квадрату эффективного звукового давления:

где: pЭФ – эффективное звуковое давление, Па; ρ – плотность воздуха, кг/м3; С – скорость звука, м/с. Человек слышит звуки в диапазоне частот 20 – 20 000 Гц. Наибольшее, воспринимаемое человеком безболезненно, звуковое давление – 1×10-2 Па, наименьшее воспринимаемое звуковое давление (порог слышимости) – 2×10-5 Па. Сила звука, соответствующая порогу слышимости: I0=10-12 Вт/м2.

Экспериментально установлено, что увеличение силы звука в геометрической прогрессии воспринимается слухом человека в арифметической прогрессии (закон Вебера-Фехнера), поэтому для оценки воздействия звука используется логарифмическая шкала [1]. В логарифмической шкале измеряемая величина соотносится с выбранным базовым значением. Для количественной оценки силы звука используется величина уровня звука или уровня звукового давления (L):

где: k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбранной единицы измерения; I и рЭФ – соответственно, сила и эффективное звуковое давление измеряемого звука; I0 и р0 ЭФ – сила звука и эффективное звуковое давление соответствующие базовому значению, в качестве которого выбран порог слышимости.

Если выбран k = 1, уровень звука измеряется в белах (единица измерения, названная в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). На практике, в основном, в качестве единицы измерения логарифмических величин используется одна десятая бела – децибел (дБ), поскольку минимальный прирост громкости, воспринимаемый человеческим слухом примерно равен 1 дБ [1]. В этом случае k = 10 и формула (2) приобретает вид:

или

Из формулы (2) видно, что увеличение силы звука в 10 раз соответствует увеличению уровня звука на 10 дБ. Звуковые волны от разных источников складываются. При этом суммарная сила звука равна сумме сил звука от всех источников: IΣ = I1 + I2 + I3 +…

Общий уровень звука при увеличении числа равногромких источников возрастает незначительно. Возьмем источник, сила звука которого в данной точке равна 10-6 Вт/м2. При этом уровень звука будет равен:

Добавим второй такой же источник. Суммарная сила звука IΣ = I1 + I2 будет равна: 1×10-6 + 1×10-6 = 2×10-6 Вт/м2.

Суммарный уровень звука составит:

Таким образом, прирост уровня звука составит всего 3 дБ. Добавление третьего источника такой же силы звука даст еще меньший прирост – на 1,8 дБ и так далее. Если имеются источники различной силы звука, то более слабый источник вносит совсем незначительный вклад в общий уровень звука. Включенному пылесосу соответствует уровень звука 70 дБ (сила звука равна 1×10-5 Вт/м2), а уровень звука громкого разговора равен 60 дБ (сила звука – 1×10-6 Вт/м2). Суммарный уровень звука составит:

Таким образом, более слабый источник добавил всего 0,4 дБ в суммарный уровень звука. При наличии нескольких источников, излучающих звук с различной интенсивностью, более слабый звук «поглощается» более мощным.

 Количественная оценка субъективного восприятия шума (физиологические особенности восприятия звуков)

Акустические вибрации воздуха преобразуются слуховым органом человека в субъективные звуковые ощущения. Существует связь между субъективными характеристиками (восприятием) звука и соответствующими им физическими параметрами. Громкость звука – это субъективное слуховое ощущение, которое позволяет определить для звука место на шкале от «тихих» до «громких». Человеку кажется громче звук с бо́льшим звуковым давлением. Кроме того, человеческий слух имеет различную чувствительность к звуку различных частот. Зависимость субъективно воспринимаемой громкости звука от его частоты (впервые исследованная Флетчером и Мансоном) представлена на рисунке 1 в виде графика кривых равной громкости.

Громкость звука оценивают, сравнивая её на слух с громкостью эталонного звука (чистого тона частотой 1000 Гц). Уровень эталонного звука (дБ), столь же громкого на слух, как и измеряемый звук, называется уровнем громкости измеряемого звука.

Для численной оценки субъективно воспринимаемой громкости шума (и любого звука сложного тембра) используются две величины: уровень громкости (измеряемый в фонах) и взвешенный уровень звука (измеряемый в дБА). Один фон – это уровень громкости звука, для которого уровень равногромкого с ним эталонного звука равен 1 дБ. Таким образом, для чистого тона частотой 1000 Гц шкала уровня громкости в фонах совпадает со шкалой уровня звука в дБ. На практике в строительной акустике уровень громкости звуков измеряют шумомерами для всех полос частот, входящих в диапазон слышимости и вычисляют средневзвешенный уровень громкости с учетом поправочных коэффициентов чувствительности слуха для каждой частотной полосы. Полученное значение уровня громкости выражается в единицах, получивших название дБА, поскольку таблица поправочных коэффициентов для разных частотных полос носит название шкалы «А». Один фон соответствует 1 дБ эталонного звука (1 кГц). Один дБА также соответствует 1 дБ эталонного звука (1 кГц). Однако, в силу особенностей субъективного восприятия сложных звуков человеческим слухом один фон НЕ равен одному дБА. Подробнее вопросы численной оценки субъективной громкости звуков рассмотрены в статье "Психоакустика".

Различные примеры шумов и соответствующие им уровни громкости приведены в таблице 1.

Источники шумов и показатели звукоизоляции

При решении задачи снижения шума в помещении необходимо принимать во внимание, помимо внешних шумов, также и внутренние шумы, то есть порождаемые внутри самого помещения. В промышленных зданиях основным источником шума служит производственное оборудование. Источниками шума внутри помещений жилых зданий являются, в основном, лифты, системы вентиляции, тепловодоснабжения и канализации. Степень звукоизоляции помещения от внешних шумов следует выбирать так, чтобы снизить внешний шум до уровня внутреннего. Дальнейшее усиление звукоизоляции не приводит к повышению акустического комфорта в помещении.

Воздушный шум хорошо поглощается массивными преградами. В практике строительства, конструкции наружных стен жилых зданий достаточно массивны и обладают, как правило, высокой звукоизоляцией, поэтому проблема шумозащиты в домах сводится к необходимости повышения звукоизоляции окон.

Шумозащитные свойства ограждающих конструкций оцениваются по индексу звукоизоляции, который равен разности уровней звука до и после прохождения им конструкции: R = L1-L2. Следует отметить, что индекс звукоизоляции любой конструкции зависит от частоты звука. Ниже, на рисунке 2 в качестве примера, представлена зависимость индекса звукоизоляции одинарного остекления от частоты. Как видно из графика, высокочастотные звуки лучше поглощаются ограждающими конструкциями. При этом в области частот, близких резонансной частоте колебаний конструкции наблюдается резкий спад индекса звукоизоляции.

Шум от различных источников имеет различный спектральный состав, поэтому взвешенный (суммарный) индекс звукоизоляции у одной и той же конструкции, будет различаться для различных видов шума. Наиболее часто используются следующие ин-дексы звукоизоляции:

 - RW – взвешенный индекс звукоизоляции воздушного шума, измеряемый по отноше-нию к эталонному спектру белого шума (шум с постоянной спектральной плотностью);

 - RW+C – индекс звукоизоляции типового среднечастотного шума*;

 - RW+Ctr – индекс звукоизоляции типового транспортного шума, измеряемый по отношению к типичному спектру шума автотранспорта (низкочастотный шум). В российской технической литературе используется аналогичный индекс обозначаемый RАтран. Ниже приведены спектры двух типовых видов шума (нормализованные к 0 дБ).

В соответствии со стандартом ISO 717-1 [6] акустические свойства строительных элементов принято указывать в виде унифицированного индекса, который объединяет три этих показателя и записывается следующим образом: RW(C; Ctr). Здесь C и Ctr представляют собой два поправочных коэффициента, прибавляя которые к значению RW, получают, соответственно RW+C или RW+Ctr.

В таблице 2 показано, какие индексы следует использовать для оценки эффективности звукоизоляции в зависимости от источника шума.

 Таблица 2. Тип шума в зависимости от его источника

Пример источника шума RW + C RW + Ctr

Играющие дети ✓

Бытовой шум (разговоры, музыка, радио, телевизор) ✓

Дискотека ✓

Шум скоростного шоссе (> 80 км/час) ✓

Шум городского транспорта ✓

Скоростной железнодорожный транспорт ✓

Медленный железнодорожный транспорт ✓

Близко пролетающий реактивный самолет ✓

Далеко пролетающий реактивный самолет ✓

Турбовинтовые самолеты ✓

Транспортный шум имеет более низкочастотный состав по сравнению с белым. Поскольку низкочастотные составляющие шума хуже поглощаются конструкциями, значение индекса RW+Ctr всегда ниже, чем RW (поправка Ctr отрицательна). Методы определения индексов звукоизоляции установлены в международных и российских нормативных документах, в частности: ISO 717-1 [6], ISO 140 [7], СП 23-103-2003 [4] и СНиП 23-03-2003 [5].

 Влияние конструкции остекления на его шумозащитные характеристики 

Прежде всего, следует отметить, что индекс звукоизоляции открытого окна практически равен нулю. Если окно открыто, уровень шума в помещении резко возрастает. Если даже окно чуть приоткрыто или в оконной конструкции имеются неплотности, звукоизоляционные показатели резко падают. Индекс звукоизоляции окна, открытого всего на 10% не превышает 10 дБ [4]. Для обеспечения естественной вентиляции помещений в условиях повышенного шума используются специальные конструкции оконных рам, снабженные вентиляционными клапанами с глушителями шума.

Светопрозрачная часть занимает от 70 до 90% площади окна. Соответственно, при закрытом окне, плотном притворе и герметичности стыков рамы окна с проемом, звукоизоляция окна зависит в основном от конструкции остекления: количества, толщин и типов стекол, зазоров между стеклами, газозаполнения. Ниже приведены данные по влиянию на индекс звукоизоляции транспортного шума следующих факторов: толщина стекол, размера воздушного зазора стеклопакета, несимметричность стеклопакета, использование многослойного стекла (триплекса), а также использование многослойного стекла со специальной шумозащитной пленкой ПВБ. Такая пленка имеет повышенное звукопоглощение в области низких частот, поэтому хорошо подходит для защиты именно от транспортного шума. В настоящее время на российском рынке представлена одна марка такого стекла – Stratophone* производства Asahi Glass Company с пленкой компании Sekisui.

Таблица 3. Влияние параметров остекления на звукоизоляцию

Параметр сравнения Толщина стекла / формула стеклопакета RW+Ctr, дБ

Влияние толщины стекла на звукоизоляцию 4 мм 26 6 мм 28

Сравнение показателей звукоизоляции обычного стекла, многослойного стекла и многослойного шумозащитного стекла 6 мм 28 Stratobel** 33.2 (толщина 6,76 мм) 29 Stratophone 33.2 (толщина 6,76 мм) 33

Сравнение показателей звукоизоляции одинарного остекления, обычного симметричного стеклопакета и несиммет-ричного стеклопакета Стекло 4 мм 26 4 мм / 12 / 4 мм (симметричный стеклопакет) 26 4 мм / 12 / 6 мм (несимметричный стеклопакет) 30

 Сравнение показателей звукоизоляции стеклопакетов с различным воздушным зазором Стеклопакет 6 мм / 12 / 6 мм 28 Стеклопакет 6 мм / 20 / 6 мм 30

Сравнение показателей звукоизоляции стеклопакетов из обычного многослойного стекла и многослойного шумозащитного стекла Stratobel 88.2 (16,76 мм) / 15 / Stratobel 66.2 (12,76 мм) 41 Stratophone 88.2 (16,76 мм) / 15 / Stratophone 66.2 (12,76 мм) 47

Как видно из приведенных данных, увеличение толщины стекла приводит к повышению индекса шумоизоляции. Многослойное стекло с обычной ПВБ пленкой обладает несколько лучшей шумоизоляцией по сравнению с листовым стеклом. Намного лучшей шумоизоляцией обладает шумозащитное стекло со специальной пленкой ПВБ.

Хотя реклама и убедила среднего потребителя в том, что ЛЮБОЙ стеклопакет является волшебным средством защиты от внешнего шума, «стандартный» однокамерный стеклопакет со стеклами одинаковой толщины в плане шумоизоляции ничем не лучше даже одинарного остекления. Объясняется это тем, что повышение массы и количества слоев звуковой преграды в стеклопакете по сравнению с обычным стеклом компенсируется появлением дополнительной резонансной частоты, соответствующей собственным колебаниям стеклопакета и совпадением резонансных частот колебаний обеих стекол (рисунок 3).

Впрочем, сложившееся под влиянием рекламы мнение потребителей имеет под собой определенные основания. Дело в том, что любая неплотность или щель существенно снижает шумозащитные характеристики остекления. Окна со стеклопакетами, за счет своей герметичности, как правило, обладают лучшей шумозащитой, чем традиционное оконное остекление. И это несмотря на то, что симметричные стеклопакеты (наиболее представленные на российском рынке) сами по себе служат даже худшей шумозащитой, чем одинарное остекление.

Применение несимметричного стеклопакета (со стеклами различной толщины) обеспечивает значительное улучшение шумоизоляции. Увеличение воздушного зазора в стеклопакете также дает определенный эффект увеличения шумоизоляции.

Наилучшими же показателями шумоизоляции обладают несимметричные стеклопакеты с двумя шумозащитными стеклами.

 Зависимость уровня шума от индекса шумоизоляции остекления

Уровень шума, создаваемого в помещении внешними источниками, зависит от следующих факторов: уровень шума у фасада здания, индекса звукоизоляции остекления и его площади, а также от площади помещения, его формы и поглощения звуковых волн материалами пола, стен и потолка помещения. Уровень шума, проникающего в помещении извне (внешнего шума), рассчитывается с помощью специализированного программного обеспечения. Однако, приближенно его можно оценить, например, по методике, установленной EN 12354-3:2000 [8].

В качестве примера рассчитаем уровень шума, проникающего с оживленной городской магистрали в помещение объемом 50 м3, с двустворчатым окном, выходящим на фасад кирпичного здания. Акустические характеристики элементов ограждающей конструкции приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики элементов ограждающей конструкции

Элемент Индекс изоляции транс-портного шума (RW+Ctr), дБ Площадь эле-мента (S), м2 1 кирпичная стена 51 6 2 стеклопакеты 26 / 39 3,2 3 рама 37 1,4 4 уплотнитель глухой створки 60 6,3 5 уплотнитель открывной створки 45 8,4 Расчет проводится по следующим формулам:

где: L2 – уровень шума в помещении, создаваемого внешними источниками; L1,2m – уровень шума снаружи (в 2 метрах от фасада здания); D2m,nT – индекс звукоизоляции ограждающей конструкции (нормализованный по T).

где: R' – кажущийся индекс звукоизоляции ограждающей конструкции; ΔLfs – коэффициент учета формы фасада (в отсутствие выступающих элементов фасада, балконов и т.д. принимается равным нулю); V – объем помещения; S – площадь ограждающей конструкции; T0 – опорное значение времени реверберации, принимаемое 0,5 с.

где: τe,i – коэффициент передачи звука элементом фасада.

где: Ri – индекс звукоизоляции элемента ограждающей конструкции; Si – площадь элемента ограждающей конструкции.

В первом варианте примем, что в окне установлены «стандартные» стеклопакеты 4 мм / 12 / 4 мм с индексом звукоизоляции RW+Ctr = 26 дБ. Во втором варианте расчет будет выполнен для шумозащитных стеклопакетов с использованием стекла Stratophone: 8 мм / 15 / Stratophone 66.2, RW+Ctr = 39 дБ. Уровень шума у фасада здания примем (по таблице 1): L = 70 фон. Уровень транспортного шума в помещении составит: для «стандартных» стеклопакетов (RW+Ctr = 26 дБ):

или 

для шумозащитных стеклопакетов (RW+Ctr = 39 дБ):

или 

Во втором случае субъективная громкость шума в помещении ниже в два раза.

 Основные принципы проектирования шумозащитного остекления.

Кратко подведем основные принципы проектирования остекления с учетом требований к шумозащите.

1. Любая неплотность или щель существенно снижает шумозащитные характеристики остекления. Качество монтажа окна является, таким образом, весьма существенным фактором.

2. В наиболее шумных местах, для обеспечения воздухообмена в помещениях желательно применять окна с шумозащитными клапанами.

3. Несимметричные стеклопакеты поглощают шум значительно лучше, чем симметричные.

4. Чем выше зазор камеры стеклопакета – тем лучше его шумоизоляция.

5. Толстые стекла поглощают шум лучше, чем тонкие, многослойное стекло – лучше, чем простое, а шумозащитное стекло со специальной ПВБ пленкой – значительно лучше, чем обычное многослойное.

Примечание

1. А.Ю. Радзишевский «Основы аналогового и цифрового звука» – М.: Издательский дом «Вильямс», 2006

2. В. К. Иофе, А. А. Янпольский «Расчётные графики и таблицы по электроаку-стике», – Л., 1954

3. Л.Г. Осипов, В.Н. Бобылев, Л.А. Борисов и др. «Звукоизоляция и звукопоглощение», – М.: «Издательство АСТ»: «Издательство Астрель», 2004

4. СП 23-103-2003 «Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий»

5. СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»

 6. ISO 717-1 «Acoustics - Rating of sound insulation in buildings and of building elements. Part 1: Airborne sound insulation»

7. ISO 140 Acoustics - Measurement of sound insulation in buildings and of building elements.

8. EN 12354-3:2000 Building acoustics - Estimation of acoustic performance of buildings from the performance of elements - Part 3: Airborne sound insulation against outdoor sound

См. также: "Звукоизоляция окон".

Вклад участников

Михаил Смирнов 08:45, 24 января 2012 (UTC)