Применение специальных звукопоглощающих пленок в стеклопакетах с триплексом

29 мая 2009

Dr. Gérard Savineau, Solutia Europe S.A./N.V., Parc Scientifique Fleming (Sud), Rue Laid Burniat, 3 B-1348 Louvain-la-Neuve, Belgium

Перевод А. Линченко ©, 2009

Аннотация

Защита микроклимата зданий от постоянно возрастающего уровня шума является решающим фактором при выборе стекломатериалов для новых и обновленных структур. Передача звука внутрь пространства зданий в основном происходит через наиболее слабый элемент - обычную стеклянную конструкцию со стандартным оконным стеклом или стеклопакетом. Многослойные стекла, созданные с использованием акустических прослоек из поливинилбутирата (ПВБ), такие как серия Saflex A от Solutia, предлагают более эффективные решения для снижения уровня шума. Звукоизоляционные характеристики акустических пленко ПВБ четко соответствуют конструкции и параметрам высококачественного альтернативного решения, отвечающего всем комплексным требованиям. Эта статья сосредоточит свое внимание на методах шумопонижения и осветит преимущества в направлении реализации снижения шума инновационного акустического решения от Saflex, подразделения корпорации Solutia.

Введение - многослойные защитные стекла как шумопоглощающий материал

По данным Управления по контролю над шумом, подразделения Агентства по охране окружающей среды, США: «шум представляет реальную и явную угрозу здоровью человека. Днем и ночью, дома, на работе и на отдыхе, шум может стать причиной серьезного физического и психологического стресса. Никто не может противостоять этому влиянию» [1]. Медицинские эксперты соглашаются. Воздействие нежелательного и неблагоприятного шума является непосредственной причиной возникновения стресса у многих людей. Стресс может воздействовать на иммунную систему человека и приводить к изменению биоритма, увеличивать уровень холестерина в крови, вызывать нарушение пищеварения. Шумовое загрязнение также может приводить к снижению производительности из-за нарушения сна и/или концентрации в течение рабочего дня. Звуки соседских скандалов, взлета самолетов, движения на скоростных шоссе и строек являются теми раздражающими и, тем не менее, повсеместными шумовыми факторами, которые просачиваются в ежедневное окружение многих людей.

Поскольку наш современный мир становится все более и более хаотичным, владельцы домов и офисов нуждаются в эффективных средствах защиты от угнетающего шума и создания тишины и спокойствия. К счастью, современные технологии предлагают решение этой проблемы. Многослойные защитные стекла на основе акустических пленок ПВБ, такие как стекла серии Saflex A от Solutia, являются одним из таких решений. Звуки проникают в наши дома, школы и рабочие места через акустически слабые оконные и дверные системы. Обычное стекло вибрирует при контакте со звуковыми колебаниями и не может быть эффективным звуковым барьером. Напротив, многослойное стекло с синтетическим внутренним ПВБ слоем, препятствует передаче звука и тем самым эффективно приглушает все звуки, которые достигают жильцов.

Акустическая информация

Знание основ акустики применительно к пониманию акустических стекломатериалов, необходимо для разработки конструкций с высокой степенью звукоизоляции. Следующие определения [2] помогут понять акустические свойства.

  • Звук. «Звук это колебания среды, воспринимаемые через слух. Физически, звук - это механические колебания, распространяемые в среде (за исключением вакуума) в виде волны».
  • Шум. Это термин, чаще всего применяемый к нежелательным звукам. В науке и технике, шум это нежелательный компонент, который мешает полезному сигналу.
  • Восприятие звука. Для человека, слышимый диапазон частот заключается между 20 и 20000 Гц, со снижением верхней границы с возрастом. Как правило, человек наиболее чувствителен к звукам в пределах частот от 500 до 8000 Гц. Пороговая величина слышимости зависит от частоты и, как было показано Гельфандом [3], наибольшая чувствительность слуха приходится на частоту между 1000 и 5000 Гц.
  • Индекс артикуляции (ИА). Это параметр, используемый аудиологами для определения уровня речевого сигнала, различаемого пациентами со специфическими дефектами слуха. Индекс варьируется от 0 до 100%, и впервые был описан Френчем и Штейнбергом (1947 г.) и доработан Павловичем [4/5], а также Мюллером и Киллионом [6]. Сегодня индекс артикуляции может быть вычислен по методу Павловича ANSI S3.5-1969 [7]. Его значение немного отличается в различных диапазонах частот (500, 1000, 2000 и 4000 Гц для требуемых частот согласно ANSI и методу Павловича, а также 1500, 3000 и 6000 Гц) и для различных частотных спектров речи.
  • Речевая информация. Согласно методу Густава Мюллера и Мэда Киллиона, диапазон частот, в котором наиболее разборчива речевая информация человеческого голоса, находится в пределах от 1000 до 3000 Гц. По результатам исследования ясно, что нежелательные шумы должны задерживаться в широкой области частот (от 500 до 8000 Гц), но, что более вероятно, в области «чувствительности слуха» (от 1000 до 5000 Гц) и в идеале в «области речевой информации» (от 1000 до 3000 Гц). Многослойный защитный триплекс на базе акустических ПВБ пленок, такое как Saflex A, значительно способствует осуществлению шумопоглощения и создания других комфортных акустических уровней для различных частотных диапазонов.

Основные положения акустики

А-взвешивание

Поскольку человеческое ухо может различать звуки в очень широком диапазоне амплитуд, звуковое давление зачастую измеряют как степень по логарифмической шкале в децибелах. Уровень давления звука (SPL) или Lp определяется по формуле:

Lp= 10 log10 (p²/pref²)= 20 log10 (p/pref), дБ

Порог слышимости (pref) обычно принимается равным pref=20 мкПа. С учетом чувствительности человеческого слуха, зачастую берется частотно-взвешенное звуковое давление, согласно системе взвешивания Международной электротехнической комиссии (IEC). Этот отбор называется А-взвешиванием для приведения в соответствие человеческому слуху по шуму, и А-взвешенный уровень давления звука измеряется в децибелах (Рис. 1 и Рис. 2).

А-взвешенный уровень давления звука

Рис. 1

А-взвешенный уровень давления звука другой диапазон

Рис. 2

Важной характеристикой человеческого восприятия постоянного звука является то, что повышение или снижение давления звука на 3 дБ или менее едва различимо, около 5 дБ четко ощутимо и около 10 дБ воспринимается как удвоение или уменьшение наполовину уровня шума.

Уровень звукового давления октавного диапазона

Для проведения акустического анализа обычно определяют уровень давления звука в полосе частот (см. подробнее ANSI Standard SA.6-1984). Каждый тип шума имеет собственные характеристики октавной полосы частот. Уровень давления звука октавной полосы частот для городского движения, шоссе и взлета обычного коммерческого реактивного самолета показаны на Рис. 3.

Уровень давления звука октавной полосы

Рис. 3

Параметры шума окружающей среды

Параметры шума окружающей среды - это количественные показатели, которые объединяются в единую величину. Три основные характеристики шума окружающей среды: уровень давления звука, частота и временные характеристики. К примеру, одночасовой 50-процентильный эквивалент А-взвешенного шума обозначается как L50 (1 час) и означает А-взвешенный уровень шума, достигнутый по истечению 30-й минуты непрерывного 60-минутного периода. Также может использоваться эквивалентный уровень звука. Он отличается от L50 тем, что его влияние по вносимому шуму аналогично интенсивному и кратковременному воздействию, такому как пролет самолета или проезд шумного грузовика.

Показатель среднесуточного уровня шума равен отношению среднего уровня звука за сутки (DNL) к 10 дБ. Минимальный уровень шума приходится на ночь (с 22:00 до 7:00).

Понижение звука за счёт использования стеклопакетов из триплекса

Изоляция пространств внутренних помещений от внешних звуков является основным требованием для соответствия их основным функциям. Практически во всех зданиях есть по крайней мере несколько внутренних помещений, которые подвергаются негативному воздействию громких звуков извне, но для некоторых случаев требуется дополнительная звуковая защита:

  • отели и рестораны;
  • дома/строения, расположенные вблизи автомагистралей/городских дорог;
  • аэропорты и прилегающие строения;
  • образовательные учреждения;
  • производственные комплексы и их окрестности;
  • офисные здания;
  • и др.

Акустическая комфортность помещения зависит от того, сколько шума попадает в него снаружи и количество шумовых отражений внутри самого помещения. Хорошо спроектированные акустически помещения могут значительно снижать отражения. Как можно увидеть в таблице 1, звуковые характеристики помещения играют значительную роль при правильном подборе стекол для обеспечения одинакового уровня комфорта.

Таблица 1 - зависимость звуковых характеристик помещения от правильно подобранных стеклопакетов.

Наружный шум Объем комнаты (м3) Внутренний шум
DNL V LP
DNL 2xV LP + 3 дБ
DNL 3xV LP + 6 дБ

Многослойное стекло может обеспечить звукоизоляционные характеристики сравнимые с характеристиками материала стены толщиной 38 мм и обеспечивает высокие показатели звуковой изоляции низкочастотного шума. Конструктора и материаловеды могут значительно заглушить шум, используя многослойный триплекс с применением акустических прослоек Saflex для следующих конструкционных компонентов комнат:

  • стены, перемычки и комнатные перегородки;
  • окна и дверные стекла;
  • напольное покрытие;
  • лифты;
  • душевые перегородки.

Потери при передаче звука за счёт стекла

Сопротивляемость строительных материалов, таких как стекло, передаче звуков по стандартам США называется звукопоглощающей способностью (TL). Она может быть определена посредством прикладной методики, описанной стандартами ASTM E90-90, ASTM E336-1984 и EN ISO 140-1. Стандарт ASTM E90 подразумевает определение показателя класса звукопередачи (STC). Следующий показатель - класс передачи внутрь-наружу (OITC), его значение характеризует качество остекления. Различие между уровнем шума в исходной и приемной комнатах называется шумопонижением (NR). Потери звука в материале зависят от его массы, коэффициента затухания и плотности. Затухание - это механическое свойство материала или системы определяющее скорость рассеивания колебаний. Затухание характеризует звукопоглощающую способность материала.

По европейским нормам, акустические характеристики определяют согласно стандарту EN 12758:2002. Этот стандарт пока что в стадии разработки и опирается на EN ISO 140-1:1997 и EN ISO 140-3:1995. По данному стандарту требуется определение параметра Rw и соответствующим поправочным коэффициентам С и Ctr. Показатель Rw и соответствующие ему поправочные коэффициенты С и Ctr, устанавливаются в соответствие с EN ISO 717-1: Акустика. Классы звукоизоляции зданий и строительных элементов. Часть 1: Воздушная звукоизоляция (ISO 717-1:1996). Оба поправочных коэффициента вычисляются из коэффициента звукоизоляции Rw и записываются как Rw(C;Ctr). Поправочный коэффициент С соответствует преимущественно высоким и средним частотам, в то время как коэффициент Ctr применяется к средним и низким частотам. Выбор поправочных коэффициентов в зависимости от источника шума показан в таблице 2.

Таблица 2 - поправочные коэффициенты при расчёте звукоизоляции зданий.

Источник шума/Продолжительность Rw + C Rw + Ctr
Детские игры х
Домашняя активность (речь, музыка, радио, телевидение) х
Дискотека, ночной клуб, живая музыка х
Шум дорожного движения (быстрая езда > км/ч">80 км/ч) х
Шум дорожного движения (медленная езда) х
Шум железной дороги (средняя и высокая скорость) х
Шум железной дороги (низкая скорость) х
Шум реактивного самолета (близко: взлет/посадка) х
Шум реактивного самолета (вдали от аэропорта) х
Винтовой самолет х
Промышленный шум средней и высокой частоты х
Промышленный шум средней и низкой частоты х

Не так давно был добавлен новый метод испытания показателей согласно ISO: «Измерение механического сопротивления (MIM) многослойного стекла ISO PAS 16940». MIM тест основан на прохождении небольшого луча длиной 30 см и толщиной 2,5 см и получении ответной реакции образца стекла под воздействием внешних факторов. Результатами теста являются резонансные частоты и величины коэффициентов потерь, вычисленные при этих частотах. Цель этого измерения в сравнении свойств прослоек. Два параметра, упругость и коэффициент затухания или коэффициент потерь (и другие, такие как плотность и толщина стеклокомпонентов) могут характеризовать звукопоглощающую способность самого стекломатериала.

Акустический поливинилбутират оценивается согласно новому методу ISO PAS 16940: «Остекление зданий. Стекломатериалы и воздушная звукоизоляция. Измерение механического сопротивления многослойного стекла» (называемый также метод MIM-измерения).

Этот метод позволяет определить акустические свойства различных ПВБ-пленок посредством определения упругости и измерения коэффициента затухания (или коэффициента звуковых потерь по первому методу луча). По результатам испытаний пленки 44.2, частота первого порядка подчиняется следующим закономерностям:

  • f1 <xxx Гц (ориентировочно: 290 Гц)
  • Rw > yy,y дБ (ориентировочно: 35,5 дБ)
  • коэффициент потерь: > z,zz (ориентировочно: > 0,15 или 15%)

Определение звука для критических акустических характеристик

ПВБ пленки серии Saflex A от Solutia отвечают текущим и будущим требованиям и повышают акустические свойства без увеличения суммарной толщины стекол и их систем. ПВБ пленки серии Saflex A являются решением для тех архитекторов, которые нуждаются в системах остекления, которая призвана обеспечить более высокий уровень акустического комфорта в сочетании со всеми преимуществами многослойных стекол. Серия пленок Saflex A с их улучшенными показателями звукопоглощения по сравнению со стандартными ПВБ пленками Saflex помогает архитекторам достичь акустических целей без наращивания суммарной толщины стекла или воздушной прослойки стеклопакетов, что позволяет сохранить неизменным вес конструкций и, следовательно, избежать дополнительных строительных издержек (Рис 4).

Потери звука при передаче в строительных стеклопакетах

Рис. 4

Испытания, проводенные в исследовательской акустической лаборатории на основе образцов многослойного стекла конструкции 44.2 зафиксировали максимальное значение величины Rw на уровне 36 дБ. Это соответствует улучшению показателя на 3 дБ по сравнению со стандартным многослойным триплексом подобной конфигурации и на 5 дБ по сравнению с 8-миллиметровым сплошным стеклом.

Акустические характеристики конструкций некоторых обычных многослойных стекол на основе пленок Saflex, зафиксированные в результате лабораторных испытаний показаны в таблице 3.

Таблица 3 - акустические характеристики многослойных стекол на основе пленок Saflex.

Конструкция стекла Параметры конструкции стекла Лаборатория Акустическая характеристика согласно ISO 717-7
Rw (дБ) C;Ctr (дБ)
44.2 4 мм+0,76 мм
AC 41+4мм
IBP 38 -1; −3
44.2 / 16 / 8 4 мм + 0,76 мм
AC 41 + 4 мм / 16 мм
Аргон / 8 мм
IFT 41 -2;-6
55.2 5мм + 0,76мм
AC 41 + 5мм
KUL 38 -1;-3
66.2 6 мм + 0,76 мм
AC 41 + 6 мм / 16 мм
Аргон / 8 мм
IFT 39 -1;-2
66.2 / 16 / 8 6 мм + 0,76 мм
AC 41 + 6 мм / 16 мм
Аргон / 8 мм
IFT 43 -2;-5
88.2 8мм + 0,76мм
AC 41 + 8мм
IBP 42 -1;-3
88.2 / 16 / 10 8 мм + 0,76 мм
AC 41 + 8 мм / 16 мм
Аргон / 10 мм
IFT 44 -1;-4

KUL = Katholieke Universiteit Leuven

IFT = Institut für Fenstertechnik

IBP = Institut für Bauphysik Fraunhofer

Для верхового остекления, были проведены дополнительные испытания в лаборатории KUL (Бельгия) с симуляцией ливневых осадков и града [8]. Они четко показали, что акустические ПВБ пленки также дают существенные преимущества в снижении ударных шумов по сравнению с другими стекломатериалами, что показано в таблице 4.

Таблица 4 - преимущества стеклопакетов из триплекса по сравнению с дркгими стекломатериалами в снижении ударных шумов.

Кровельные стекломатериалы Уровень интенсивности излучаемого звука (LIA, дБ)
Одинарное остекление
Поликарбонат 20 мм 71,2
Листовое термополированное стекло 8 мм 56,3
Стандартная ПВБ пленка типа 44.2 53,3
Акустическая ПВБ пленка типа 44.2 46,7
Стеклопакет
6/12/6 53,9
6/12/44.2 (стандартная ПВБ) 51,9
6/12/44.2 (акустическая ПВБ) 45,8
33.2/12/44.2 (акустическая ПВБ) 39,5

Заключение - выбор, доставка и установка многослойных стеклопакетов

Выбор, доставка и установка подходящих стеклянных окон, дверей, фасадов, кровель, перегородок для обеспечение надлежащей звукоизоляции это сложная задача. Акустические консультанты помогут вам понять основные акустические требования и сравнить данные не только по основным показателям (STC/Rw), но и по диапазону частот (TL, октавный диапазон), этот процесс включает в себя следующие этапы:

  • оценка шума окружающей среды (шум дороги, самолетов, железной дороги и т. п.);
  • определение минимально допустимых STC или Rw (и их корректировка согласно коэффициентам C, Ctr);
  • выбор стекла: одинарное ламинированное стекло или ламинированный стеклопакет на основе акустических ПВБ пленок, такие как оптимальные решения серии Saflex A;
  • конструирование окон, установка и обслуживание.

Резюме - преимущества многослойных строительных триплексов серии Saflex A

Здания и офисные комплексы, находящиеся в среде высокого шумового загрязнения, такие как окрестности аэропортов, шоссе или железнодорожных станций, а также пунктах с высокой плотностью населения, только выиграют от использования многослойных систем остекления производства серии Saflex A на базе акустических ПВБ пленок. Дополнительное звукопоглощение, обеспечиваемое серией Saflex A, также поможет обеспечить акустический комфорт в больницах, образовательных учреждениях, отелях, записывающих студиях, спортивных стадионах и других подобных зданиях. Установка многослойных строительных триплексов серии Saflex A рекомендуется для любых объектов, где необходим высокий уровень защиты от шума.

Пленки серии Saflex A на данный момент используются в одинарных стеклах и стеклопакетах для окон, фасадов и перегородок, на кровлях и склонах, в офисных перегородках. При правильном подборе, ламинировании и установке, пленки Saflex A обеспечивают создание многослойных стекол, соответствующих мировым стандартам многослойного защитного стекла.

Многослойные строительные стелка-триплексы, выполненные на базе пленок Saflex A, предоставляют отличное оптическое качество, и задерживает более 99,5% входящего ультрафиолетового излучения (ISO 9050), в результате чего значительно сокращается разрушительное воздействие света и выгорание материалов. Пленки серии А выпускаются фирмой Saflex, подразделением корпорации Solutia.

Справочные материалы

  1. M. David Egan, Hon. AIA, is a consultant in acoustics and Professor Emeritus at the College of Architecture, Clemson University. He has been principal consultant of Egan Acoustics in Anderson, South Carolina for more than 35 years. He is the author of «Concepts in Architectural Acoustic» and «Architectural Acoustics-2007». Both books are widely used at schools of architecture throughout the USA
  2. From Wikipedia (http://wikipedia.org/wiki/ Sound_level)
  3. Gelfand,S.A., 1990. Hearing: An introduction to psychological and physiological acoustics. 2d edition. New York and Basel: Marcel Dekker, Inc.
  4. Pavlovic, C.V. (1987) Derivation of primary parameters and procedures for use in speech intelligently predictions. Journal of the Acoustical Society of America 82:413-422
  5. Pavlovic, C.V. (1988) Articulation Index predictions of speech intelligibility in hearing aid selection. Asha 8:63-65
  6. Mueller, H.G., Killion, M.C.(1990). An easy Method for Calculating the Articulation Index - Hearing journal 9:14-17
  7. ANSI S3.5-1969 R 1986. American national standard methods for the calculation of the articulation index. New York: ANSI
  8. John Libby, Technical Manager, Solaglas Saint Gobain (UK) - Advanced acoustic glazing - the latest developments in sound and vision.