dr inż. Jan Sikora ZASTOSOWANIE PŁYTY POLIETYLENOWEJ W DŹWIĘKOCHŁONNO-IZOLACYJNYCH PRZEGRODACH WARSTWOWYCH Application of the polyethylene plate in sound absorbing-insulating layered partition AbstraKt S.?? Wstępne badania izolacyjności akustycznej przegród warstwowych z blachy aluminiowej z płytą polietylenową o strukturze komorowej wykazały przydatność jej stosowania w zabezpieczeniach przeciwhałasowych, zwłaszcza w obudowach dźwiękochłonno-izolacyjnych i ekranach akustycznych. W 2 r. w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki rozpoczęto realizację projektu badawczo-rozwojowego, którego celem jest opracowanie nowych rozwiązań materiałowych dźwiękochłonnoizolacyjnych przegród warstwowych, przydatnych w projektowaniu zabezpieczeń przeciwhałasowych. Założono, że nowe rozwiązania przegród warstwowych, stanowiących elementy ścienne zabezpieczeń, będą zbudowane z różnych, nowych, dotychczas niestosowanych materiałów i tworzyw, charakteryzujących się dobrymi właściwościami akustycznymi (dźwiękochłonnymi i dźwiękoizolacyjnymi). Jednym z nowych materiałów przetestowanych pod kątem przydatności jako warstwy dźwiękochłonnej jest płyta polietylenowa. Badania doświadczalne obejmowały ocenę właściwości dźwiękochłonnych samej płyty oraz izolacyjności akustycznej od dźwięków powietrznych wybranych konfiguracji przegród warstwowych (pojedynczych i dwuściennych z blachy aluminiowej) z zastosowaną płytą. Badania właściwości akustycznych (pochłanianie dźwięku i izolacyjność akustyczna) przeprowadzono w odniesieniu do trzech grubości płyty, z uwzględnieniem zastosowania przegród warstwowych w zabezpieczeniach typu obudowa dźwiękochłonno-izolacyjna i ekran akustyczny. WŁASNOŚCI DŹWIĘKOCHŁONNE PŁYTY POLIETYLENOWEJ Badana płyta polietylenowa ma strukturę komórkową (z komorami powietrznymi otwartymi) podobną do folii pęcherzykowych (z komorami powietrznymi zamkniętymi) stosowanych w opakowaniach. W całej objętości płyty (w przekroju poziomym i pionowym) występują komory powietrzne oddzielone cienkimi ściankami z tworzywa elastycznego folii (FOT. ). Aby komory powietrzne nie były zamknięte, w płycie wykonane są nakłucia rozmieszczone co ok. mm (FOT. 2). Struktura płyty przypomina strukturę rezonatorów Helmholtza, co ma zasadniczy wpływ na pochłanianie dźwięku. Płyta wytwarzana jest z granulatu LDPE (polietylenu o małej gęstości). W procesie technologicznym surowiec mieszany jest ze środkiem spieniającym, dodatkami zapewniającymi odpowiednie właściwości mechaniczne piany oraz dodatkami wpływającymi na niepalność tworzywa. Wstępnej oceny właściwości dźwiękochłonnych płyty dokonano na rurze impedancyjnej (Rurze Kundta), pozwalającej na określenie współczynnika pochłaniania dźwięku metodą wykorzystującą współczynnik fal stojących []. Badania fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku α f (przy prostopadłym padaniu fali dźwiękowej na powierzchnię płyty) przeprowadzono na płycie o gęstości objętościowej 3g/m 3. Do badań doświadczalnych wybrano próbki płyty w trzech wersjach o gr.: 2, i mm (FOT. 3). Przyjęcie takich grubości było podyktowane możliwościami zastosowania płyty w przegrodach warstwowych stanowiących elementy ścienne ekranów akustycznych i klasycznych obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych ( mm i mm) oraz zintegrowanych obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych (2 mm). Do badań wykorzystano próbki w postaci krążków o średnicy 3 i mm. Wykonano dwie serie badań, których wyniki uśredniono. Wyniki badań zamieszczono na RYS. w postaci wykresów 2 3 FOT.. Komory powietrzne w płycie (widok po zdjęciu warstwy wierzchniej); FOT. 2. Nakłucia komór powietrznych w płycie (widok z góry); FOT. 3. Próbki płyty polietylenowej o gr. 2, i mm do badania właściwości dźwiękochłonnych; nr /2/22
Fizyczny współczynnik pochłaniania dźwięku α,,9,8,7,6,,4,3,2,, Płyta polietylenowa Fizyczny współczynnik pochłaniania dźwięku α f 2 mm mm mm 2 Grubość warstwy [mm] 2,,86,89,23,238,236,74,289,288,39,29,23 2,6,29,286,4,32,33,28,48,398,24,474,4,32,62,86,83,72,64,842,738,722 2,88,6,672,72,7,649,3,74,86 2,7,74,77 3,6,77,784,68,69,64,428,,6,627,698,646 α śr.,432,27,6 TABELA. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku α f próbek płyty polietylenowej o różnej grubości,2 2, 6,3 k RYS.. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku próbek płyty polietylenowej o różnej grubości; rys.: archiwum autora charakterystyk pochłaniania dźwięku w pasmach /3 oktawowych częstotliwości oraz w TABELI. Na podstawie analizy RYS. można sformułować następujące wnioski z wstępnych badań właściwości dźwiękochłonnych (materiał dźwiękochłonny powinien być poddany badaniu pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku oraz mieć określoną klasę pochłaniania dźwięku zgodnie z normą PN-EN ISO 64:999 []) płyty: płyta polietylenowa o gęstości objętościowej 3g/m 3 ma dobre właściwości pochłaniania dźwięku i może być zaliczana do materiałów dźwiękochłonnych; kształt charakterystyk pochłaniania dźwięku płyty o gr. i mm odpowiada materiałom dźwiękochłonnym szerokopasmowym (np. wełnie mineralnej); 2 2 3 RYS. 2. Schemat poprzeczny przekroju przegrody pojedynczej; rys.: archiwum autora ścianka z przegrody jednorodnej (dźwiękoizolacyjnej) blacha aluminiowa o gr. mm, 2 warstwa materiału dźwiękochłonnego płyta polietylenowa w trzech wariantach grubości: 2, i mm RYS. 3. Schemat poprzeczny przekroju przegrody podwójnej (dwuściennej) o ściankach jednorodnych (dźwiękoizolacyjnych); rys.: archiwum autora ścianki z przegród jednorodnych (z tego samego materiału) blacha aluminiowa o gr. mm, 2 warstwa dźwiękochłonna (rdzeń dźwiękochłonny) płyta polietylenowa w trzech wariantach grubości: 2, i mm zwiększenie gr. płyty z mm do mm nie wpływa praktycznie na charakterystykę pochłaniania dźwięku. Zmiana grubości nie spowodowała zwiększenia pochłaniania (wartość α śr. jest porównywalna); płyta o gr. 2 mm ma dobre właściwości dźwiękochłonne powyżej Hz. Poniżej tej częstotliwości pochłanianie dźwięku jest znacząco mniejsze niż w odniesieniu do płyty o gr. mm. Jej charakterystyka pochłaniania dźwięku wykazuje występowanie częstotliwości rezonansowych (przy których występuje maks. pochłaniania dźwięku przez materiał). Największa wartość pochłaniania (,9) występuje przy częstotliwości 2 Hz. PRZEGRODY WARSTWOWE W ZABEZPIECZENIACH PRZECIWHAŁASOWYCH Ze względu na konstrukcje przegród i ich zachowanie w polu akustycznym przegrody dźwiękochłonno-izolacyjne stosowane w budownictwie i w wibroakustyce (elementy ścienne zabezpieczeń przeciwhałasowych) można podzielić na [2, 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 w zabezpieczeniach przeciwhałasowych przegrodami warstwowymi są przegrody pojedyncze i dwuścienne [4, ]. Przegroda w najprostszym rozwiązaniu składa się z płyty dźwiękoizolacyjnej oraz warstwy dźwiękochłonnej (RYS. 2). Najprostsza przegroda (zwana podwójną) składa się zaś z dwóch jednakowych płyt dźwiękoizolacyjnych z umieszczoną między nimi warstwą dźwiękochłonną rdzeniem dźwiękochłonnym (RYS. 3). Test przydatności (z punktu widzenia oczekiwanych parametrów izolacyjności akustycznej) zastosowania płyty polietylenowej w przegrodach warstwowych przeprowadzono na próbkach przegród, których schematyczne przekroje przedstawiono na RYS. 2 i 3. Badaną płytę łączono z blachą aluminiową dwustronną taśmą klejącą. Wynik testu był pozytywny, co umożliwia opracowanie bardziej złożonych przegród warstwowych (z dodatkowymi warstwami dźwiękochłonnymi i dźwiękoizolacyjnymi). W ten sposób będzie można uzyskać przegrody o wyższych parametrach izolacyjności akustycznej od przegród w wykonaniu najprostszym. 2 nr /2/22
FOT. 4. Płyta polietylenowa o gr. 2 mm w przegrodzie pojedynczej (4) i dwuściennej (); FOT. 6 7. Płyta polietylenowa o gr. mm w przegrodzie pojedynczej (6) i dwuściennej (7); FOT. 8 9. Płyta polietylenowa o gr. mm w przegrodzie pojedynczej (8) i dwuściennej (9); 4 WŁASNOŚCI DŹWIĘKOIZOLACYJNE PRZEGRÓD WARSTWOWYCH Z PŁYTĄ POLIETYLENOWĄ Do przeprowadzenia badań przydatności zastosowania płyty polietylenowej w przegrodach warstwowych pojedynczych i dwuściennych wykonano po 3 próbki przegrody pojedynczej i dwuściennej (FOT. 4 9). Badania wstępne izolacyjności akustycznej próbek przegród warstwowych przeprowadzono na stanowisku do badania izolacyjności akustycznej przegród o małych wymiarach (7 mm 7 mm) umożliwiającym wstępne określanie właściwości dźwiękoizolacyjnych nowych, prototypowych przegród. Opis stanowiska przedstawiono w artykule Ocena właściwości dźwiękoizolacyjnych przegród o małych wymiarach [] oraz w publikacji Warstwy gumowe w rozwiązaniach zabezpieczeń wibroakustycznych [2]. Wyniki badań izolacyjności akustycznej próbek przegród pojedynczych i podwójnych w postaci wykresów charakterystyk izolacyjności akustycznej w pasmach /3 oktawowych częstotliwości przedstawiono na RYS. 4 (przegrody pojedyncze) i RYS. (przegrody dwuścienne). W TABELACH 2 i 3 podano dodatkowo jednoliczbowy wskaźnik izolacyjności od dźwięków powietrznych R w wyznaczony w odniesieniu do poszczególnych przegród. RYS. 6 8 ilustrują zestawienia porównawcze charakterystyk izolacyjności akustycznej przegród pojedynczych i dwuściennych z warstwą płyty polietylenowej o identycznej grubości. 6 7 8 9 Na podstawie analizy zestawień porównawczych charakterystyk izolacyjności akustycznej przegród warstwowych (wykonanych z połączenia blachy aluminiowej z płytą z polietylenu) można stwierdzić, że: zwiększenie grubości płyty w przegrodzie pojedynczej wpływa znacząco na wzrost jej izolacyjności akustycznej w całym zakresie częstotliwości powyżej 2 Hz; 4 4 3 3 2 2 2 mm mm mm 2,2 2, RYS. 4. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegrody pojedynczej: blacha aluminiowa o gr. mm warstwa płyty polietylenowej (gr.: 2, i mm); rys.: archiwum autora 4 4 3 3 2 2 2 mm mm mm 2,2 2, RYS.. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegrody dwuściennej: blacha aluminiowa o gr. mm warstwa płyty polietylenowej (gr.: 2, i mm) blacha aluminiowa o gr. mm; rys.: archiwum autora nr /2/22
Przegroda Grubość warstwy płyty polietylenowej [mm] 2 Przegroda Grubość warstwy płyty polietylenowej [mm] 2,9,, 3,7 6,4 6,9 7,9 4, 4,2 7,4 7,3 6,7 8,4,4 4,2 8, 7,4 6,9 3,8 8,4 9,9,9 9,9 2, 3,4 4,,7 6,9 9, 9,8 3,3 3,9 3,8 2 4,7 4,4 7,6 3,4 4, 23,6 3, 9, 27,2,9 2, 3, 7,3 27, 28, 2, 26,6 29, 23, 26,3 32,7 2 2,3 27,7 34,6 27,8 32,2 36,4 3,2 3,6 4,8,,4 7,3,4,3,2 4,3 2,3 2,2 2 3,4 6, 24,4 2, 24,9 28,6 3,8 28, 3, 22, 3,3 3,2 27, 2,8 3,9 26, 26,3 33, 3,2 32,7 3, 2 33,6 37,6 38,6 39, 4, 42,8 43,7 43,9 4,2 2 3,2 37, 43, 2 44,6 44,4 4,4 3 33, 39, 42,9 3 42,9 42,7 43, 34, 36,8 37, 37,4 37,7 37,7 33, 33,9 33,9 33,8 33,9 34, R w [db] 2 26 3 TABELA 2. Wartości izolacyjności akustycznej przegrody pojedynczej: blacha aluminiowa ( mm) płyta z polietylenu zmiana grubości płyty w przegrodzie dwuściennej ma zasadniczy wpływ na zwiększenie izolacyjności akustycznej w zakresie częstotliwości od 2 Hz do Hz; w obu rodzajach przegród zwiększenie grubości płyty wpływa na wyraźny wzrost wartości jednoliczbowego wskaźnika izolacyjności od dźwięków powietrznych R w. W przegrodzie pojedynczej R w wynosi odpowiednio 2 db, 26 db i 3 db, a w przegrodzie dwuściennej 2 db, 29 db i 34 db; R w [db] 2 29 34 TABELA 3. Wartości izolacyjności akustycznej przegrody dwuściennej: blacha aluminiowa ( mm) płyta z polietylenu blacha aluminiowa ( mm) przegrody dwuścienne charakteryzują się lepszą izolacyjności akustyczną od przegród pojedynczych. Zastosowanie płyty o gr. 2 mm powoduje znaczący przyrost izolacyjności akustycznej (od do db) przegrody dwuściennej powyżej Hz. Płyta o gr. mm powoduje przyrost izolacyjności akustycznej przegrody dwuściennej rzędu db w zakresie od Hz do Hz i,2hz do 2,Hz. Płyta o gr. mm powoduje zwiększenie izolacyjności akustycznej przegrody dwuściennej już w mniejszym 4 4 3 3 2 2 2,2 2, RYS. 6. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegrody pojedynczej i dwuściennej z płytą polietylenową o gr. 2 mm; rys.: archiwum autora nr /2/22 4 4 3 3 2 2 2,2 2, RYS. 7. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegrody pojedynczej i dwuściennej z płytą polietylenową o gr. mm; rys.: archiwum autora
4 4 3 3 2 2 2,2 2, RYS. 8. Porównanie charakterystyk izolacyjności akustycznej przegrody pojedynczej i dwuściennej z płytą polietylenową o gr. mm; rys.: archiwum autora stopniu, rzędu db, w zakresie od Hz do Hz i od Hz do 2,Hz. ZASTOSOWANIE PRZEGRÓD WARSTWOWYCH Z PŁYTĄ POLIETYLENOWĄ Uzyskane wyniki badań wstępnych właściwości dźwiękochłonnych płyty z polietylenu oraz właściwości dźwiękoizolacyjnych przegród warstwowych pojedynczych i dwuściennych potwierdzają jej pełną przydatność stosowania w elementach ściennych zabezpieczeń przeciwhałasowych. Przegrody pojedyncze i dwuścienne z płytą o gr. 2 mm powinny znaleźć zastosowanie w projektowaniu zintegrowanych obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych. Zintegrowana obudowa [, 3] jest szczególnym rodzajem obudowy dźwiękochłonno-izolacyjnej ma zastosowanie w ograniczaniu hałasu maszyn i urządzeń, które występują na stanowiskach pracy w halach produkcyjnych i wymagają ciągłej i bezpośredniej obsługi przez operatora (np. prasy mechaniczne, tokarki). W takich maszynach nie można stosować klasycznej obudowy hermetyzującej maszynę, do której dostęp odbywa się przez drzwi w obudowie. Przegrody pojedyncze i dwuścienne z płytą o gr. mm i mm mogą mieć zastosowanie w obudowach klasycznych oraz ekranach akustycznych. W przypadku obudów przegroda może stanowić jej element ścienny, przegroda jedną z warstw przegrody pojedynczej. Aluminiowy panel ekranu akustycznego dźwiękoizolacyjnego przypomina swoją budową przegrodę dwuścienną, natomiast panel ekranu akustycznego dźwiękochłonnego jednostronnie pochłaniającego dźwięk jest odpowiednikiem przegrody pojedynczej. Przegrody dwuścienne z płytą o gr. mm i mm mogą być również wykorzystywane jako elementy ścianek działowych w budownictwie przemysłowym. Same zaś płyty o gr. mm i mm mogą znaleźć zastosowanie jako płyty dźwiękochłonne w absorpcyjnych tłumikach hałasu. Przedstawione możliwości zastosowania przegród warstwowych z płytą polietylenową są, oczywiście, propozycją do praktycznego wykorzystania, a ostateczne rozwiązania mogą być modyfikowane i uzupełniane dodatkowymi warstwami dźwiękochłonnymi i dźwiękoizolacyjnymi, także innymi odmianami płyty z polietylenu. Artykuł opracowano w ramach realizacji projektu rozwojowego nr II.B.2 (2-23) 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 LITERATURA. J. Sikora, Ocena właściwości dźwiękoizolacyjnych przegród o małych wymiarach, IZOLACJE, nr /2, s. 44 48. 2. J. Sikora, Warstwy gumowe w rozwiązaniach zabezpieczeń wibroakustycznych, Wydawnictwa AGH, Kraków 2. 3. Z. Engel, J. Sikora, Obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne. Podstawy projektowania i stosowania, Wydawnictwa AGH, Kraków 998. 4. Z. Engel, J. Sikora, Sposoby redukcji hałasu maszyn i urządzeń. Rozwiązania przegród dźwiękoizolacyjnych, IZOLACJE, nr /2, s. 6 64.. A. Kaczmarska, Z. Engel, J. Sikora, Dobór warstwowych zabezpieczeń przeciwhałasowych wytyczne dla projektantów, Bezpieczeństwo Pracy, nr 6/, s. 3. AbstraKt W artykule przedstawiono wyniki badań wstępnych właściwości dźwiękochłonnych płyty polietylenowej oraz ocenę możliwości jej zastosowania w nowych rozwiązaniach materiałowych przegród warstwowych, stanowiących elementy ścienne zabezpieczeń przeciwhałasowych. Artykuł zawiera także wyniki badań izolacyjności akustycznej prototypów przegród warstwowych, w których płyta stanowi warstwę dźwiękochłonną (w przegrodach pojedynczych) oraz rdzeń dźwiękochłonny (w przegrodach dwuściennych). Zaprezentowane wyniki związane są z realizowanym przez autora projektem rozwojowym poświęconym opracowaniu nowych rozwiązań materiałowych przegród warstwowych przydatnych w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych. The results of the preliminary investigations of sound absorbing properties of the polyethylene plate, together with the assessment of the possibility of its application in new material solutions of layered partitions constituting wall elements in antinoise protections, are presented in the paper. The paper contains also the results of acoustic insulation examinations of prototypes of layered partitions in which the plate constitutes the sound absorbing layer (in single partitions) or sound absorbing core (in dual-wall partitions). The presented results correspond with the research project concerning the development of new material solutions of layered partitions suitable in designing vibroacoustic protections, realized by the author. Jan Sikora jest absolwentem Wydziału Maszyn Górniczych i Hutniczych AGH w Krakowie (teraz Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki). Pracuje w AGH Akademii Górniczo-Hutniczej od 97 r., obecnie jako adiunkt w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z wibroakustyką przemysłową. Przedmiotem jego prac badawczych są nowe materiały i rozwiązania w redukcji zagrożeń wibroakustycznych. Jest autorem i współautorem publikacji, w tym 3 książek z zakresu ochrony środowiska przed hałasem, projektowania zabezpieczeń wibroakustycznych, właściwości akustycznych nowych materiałów i przegród warstwowych stosowanych w redukcji hałasu maszyn i urządzeń. 6 nr /2/22