Przegrody warstwowe z rdzeniami dźwiękochłonnymi z granulatów gumowych

Transkrypt

1 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: 0,, 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. 3 przedstawiono przykłady rozwiązań konstrukcyjnych prototypowych zabezpieczeń wibroakustycznych opracowanych w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki, w których ściankach zastosowano cienkie przegrody warstwowe. Rysunek 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,3 mm (trzy blachy aluminiowe grubości 0,35 mm sklejone na całej po- Rys.. Obudowa wentylatora promieniowego o zwiększonym pochłanianiu energii wibroakustycznej 46 Tworzywa sztuczne w przemyśle. Nr 6/3

2 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 3 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 0 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. 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 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 (0,, 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. 2. Zmodyfikowana osłona boczna łańcuchów kinematycznych napędowych tokarki Tworzywa Sztuczne w Przemyśle. Nr 6/3 Rys. 3. Przegrody warstwowe jako elementy ścienne zintegrowanej obudowy prasy mechanicznej mimośrodowej 47

3 Fot.. Granulat gumowy gęstość objętościowa: 458 kg/m 3, frakcja ziarna: 2x4 mm, kształt ziarna: płatki nieregularne, typ drobnoziarnisty Fot. 2. Granulat tkaninowo- -gumowy gęstość objętościowa: 340 kg/m 3, 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 00 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 [, 3]. Przegroda pojedyncza 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. Przegroda warstwowa I (rys. 6) składa się z dwóch płyt dźwiękoizolacyjnych z blachy stalowej grubości mm, pomiędzy którymi znajduje się rdzeń dźwiękochłonny z granulatu tkaninowo-gumowego o gęstości objętościowej 340 kg/m 3. 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 (0 i 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/m 3. Próbka przegrody wykonana także w dwóch wersjach grubości rdzenia dźwiękochłonnego (0 i 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 4 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 /3 oktawowych częstotliwości przedstawiono na rys. 9 (przegroda I), rys.0 (przegroda II) i rys. (przegroda III). W tabeli 2 zestawiono wyniki badań dla wszystkich przegród łącznie z podaniem dodatkowo jednoliczbowego wskaźnika izolacyjności od Rys. 4. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstwy granulatu gumowego 48 Rys. 5. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstwy granulatu tkaninowo-gumowego Tworzywa sztuczne w przemyśle. Nr 6/3

4 Tabela. Zestawienie testowanych próbek przegród warstwowych dwuściennych z rdzeniami dźwiękochłonnymi z granulatów gumowych Przegroda I I II II III Układ warstw materiałów Granulat tkaninowo-gumowy Granulat tkaninowo-gumowy Granulat gumowy Granulat gumowy Guma zwykła PZ Granulat tkaninowo gumowy Guma zwykła PZ Grubość warstwy materiału [mm] Grubość przegrody [mm] Masa m 2 warstwy materiału [kg] 8,0 6,0,0 22,0 3,6 2,8 3,6 Masa m 2 przegrody [kg] 23,7 3,7 26,7 37,7 Rys. 6. Schemat poprzeczny przekroju (rdzeń: granulat tkaninowo-gumowy) Rys. 7. Schemat poprzeczny przekroju przegrody warstwowej I przegrody warstwowej II rdzeń: granulat gumowy) 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. mm granulat tkaninowo-gumowy (gr.: 0 i mm) blacha stalowa o gr. mm Rys. 0. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegrody warstwowej II: blacha stalowa o gr. mm granulat gumowy (gr.: 0 i mm) blacha stalowa o gr. mm dźwięków powietrznych R w wyznaczonego w odniesieniu do poszczególnych przegród. Rysunek 2 ilustruje zestawienie porównawcze charakterystyk izolacyjności akustycznej przegród I i II (z rdzeniem dźwiękochłonnym o grubości mm) z przegrodą III. Tworzywa Sztuczne w Przemyśle. Nr 6/3 Wnioski z badań Analizując przedstawione powyżej wyniki badań izolacyjności akustycznej wybranych przegród dwuściennych z rdzeniami dźwiękochłonnymi z granulatów gumowych, można wyciągnąć następujące zasadnicze wnioski: 49

5 Rys.. Charakterystyka izolacyjności akustycznej przegrody warstwowej III: guma zwykła o gr. 3 mm granulat tkaninowo-gumowy o gr 4 mm guma zwykła o gr. 3 mm Rys. 2. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegród warstwowych I II: Przegroda I: blacha stalowa ( mm) granulat tkaninowo- -gumowy ( mm) blacha stalowa ( mm) Przegroda II: blacha stalowa ( mm) granulat gumowy ( mm) blacha stalowa ( mm) Przegroda III: guma zwykła (3 mm) granulat tkaninowo- -gumowy klejony (4 mm) guma zwykła (3 mm). 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, wąskopasmową 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 ( mm) granulat tkaninowo-gumowy blacha stalowa ( mm) Przegroda II: blacha stalowa ( mm) granulat gumowy blacha stalowa ( mm) Przegroda III: guma zwykła (3 mm) granulat tkaninowo-gumowy (klejony) guma zwykła (3 mm) I II III Przegrody warstwowe Grubość warstwy rdzenia dźwiękochłonnego [mm] Izolacyjność akustyczna właściwa R [db] Częstotliwość f [Hz] 50 6,2 6,2 7,0 7,8 8,6 63,9 2,5,5 2,7 23,7 80,8 2,5 9,4, 8, ,4 22,6 22, 22,6 24,3 25,9 2,4 2,5,3 23,6 60 6,5 7,5 6,4 6,0 2, 0,9 2,2 22, 9, 24, ,2,4 2,8 23,5 27, 35 29,9 30,0 23,6 27,5 29, ,9 34, 25,7 30,4 29, ,8 35,8 32,4 35,0 32, , 35,0 34,7 35,6 34, ,5 36,4 36,3 36,9 35, ,6 38,5 38,5 39,5 38, ,8 40,8 40,8 4,2 40, ,4 43,7 43,6 43,5 42, ,6 45,5 45,2 45,2 44, ,7 45,9 46,0 46, 45, ,2 46,5 46,2 47,0 46, ,9 47, 46,9 47,6 48, ,5 48,5 49,0 49,5 50,3 R w [db] Tworzywa sztuczne w przemyśle. Nr 6/3

6 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 R w wynoszą od 34 db do 37 db (tab.2). 4. Zwiększenie grubości rdzenia dźwiękochłonnego (z 0 mm na 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. 0).Wskaźnik jednoliczbowy R w 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 R w = 37 db. Porównanie jej charakterystyki izolacyjności akustycznej R z charakterystykami przegród I i II z rdzeniami dźwiękochłonnymi o grubości mm wykazuje zwiększoną izolacyjność przegrody III w zakresie niskich częstotliwości od 00 Hz do 35 Hz (rys. 2). 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. Literatura [] A. Kaczmarska, Z. Engel, J. Sikora: Dobór warstwowych zabezpieczeń przeciwhałasowych wytyczne dla projektantów, Bezpieczeństwo Pracy, nr 6/05, s [2] J. Sikora: Materiały ziarniste w zabezpieczeniach przeciwhałasowych. Materiały Budowlane: technologie, rynek, wykonawstwo, Nr 8/0, Miesięcznik techniczno-ekonomiczny, Warszawa 0, str. 5-7 i 36. [3] J. Sikora: Warstwy gumowe w rozwiązaniach zabezpieczeń wibroakustycznych, Wydawnictwa AGH, Kraków. [4] J. Sikora, J. Turkiewicz: Właściwości dźwiękochłonne i zastosowanie granulatów gumowych, Izolacje, nr /2, s [5] Sikora: Przegrody warstwowe w rozwiązaniach ograniczających hałas maszyn I urządzeń. Bezpieczeństwo Pracy: nauka i praktyka, 2, nr 8, str R E K L A M A Artykuł opracowano w ramach realizacji projektu rozwojowego nr II.B.2 (-3) 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, Kraków Tworzywa Sztuczne w Przemyśle. Nr 6/3 5