dr inż. Jan Sikora, dr inż. Jadwiga Turkiewicz WŁAŚCIWOŚCI DŹWIĘKOCHŁONNE I ZASTOSOWANIE GRANULATÓW GUMOWYCH Sound absorbing properties and application of rubber granulates Abstract 8 Coraz częściej jako rdzeń dźwiękochłonny w przegrodach dwuściennych stosuje się otrzymywany w wyniku recyklingu granulat gumowy. Nowe badania dowodzą, że materiał ten może mieć charakterystykę pochłaniania dźwięku podobną do wełny mineralnej. Zwiększa to możliwości jego zastosowania i sprawia, że staje się on atrakcyjny dla producentów ekranów akustycznych. W projektowaniu i doborze przegród dźwiękoizolacyjnych, dźwiękochłonno-izolacyjnych oraz materiałów dźwiękochłonnych w nich występujących od wielu lat uwzględnia się warstwy gumowe w postaci gumy pełnej i porowatej. Badania nad określeniem własności dźwiękochłonnych materiałów ziarnistych i nad możliwościami ich stosowania w przegrodach dźwiękochłonno-izolacyjnych wykazały przydatność m.in. granulatów gumowych. y gumowe mają dobre własności pochłaniania dźwięku i mogą być stosowane jako rdzenie dźwiękochłonne w przegrodach dwuściennych. ZASTOSOWANIE WARSTW GUMOWYCH Warstwy gumowe stosuje się w przegrodach dźwiękochłonno-izolacyjnych z dwóch powodów []: ze względu na dobre własności dźwiękoizolacyjne oraz zdolność do tłumienia drgań materiałowych przegrody. Zastosowane w układach warstwowych z płytami metalowymi minimalizują zjawisko rezonansu akustycznego i zapobiegają powstawaniu w przegrodzie sztywnej zjawiska koincydencji, które wpływa na obniżenie izolacyjności akustycznej. W przegrodach dźwiękochłonno-izolacyjnych będących elementami ściennymi zabezpieczeń wibroakustycznych warstwy gumowe wykorzystuje się jako warstwy dźwiękoizolacyjne, dźwiękochłonne i jako rdzenie dźwiękochłonne. Z wymagań stawianych warstwom dźwiękoizolacyjnym wynika, iż najlepszym izolatorem dźwięku jest guma o następujących własnościach: lita, gładka, odznaczająca się dużą masą objętościową, dużym tłumieniem oraz małą porowatością. Guma jako warstwa dźwiękoizolacyjna stosowana jest dość często w przegrodach będących ściankami klasycznych obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych (całkowicie zamkniętych i częściowo zamkniętych), w panelach i ścianach ekranów akustycznych, a także w rozwiązaniach elementów ściennych zintegrowanych obudów. Używa się jej w celu zwiększenia izolacyjności przegród oraz minimalizacji drgań materiałowych, które występują szczególnie w obudowach całkowicie zamkniętych. Guma o własnościach dźwiękochłonnych, podobnie jak zawarta w przegrodach guma będąca warstwą dźwiękoizolacyjną, może występować jako warstwa pojedyncza (płyta z granulatu spojonego lepiszczem lub płyta z gumy porowatej) albo być jedną z warstw dźwiękochłonnych w układach warstwowych przegród pojedynczych i podwójnych. Stosowanie przegród wielokrotnych ze szczeliną powietrzną (najczęściej dwuściennych) poprawia izolacyjność akustyczną przegrody. Przestrzeń powietrza między przegrodami składowymi może jednak zmniejszać jej izolacyjność w pewnych wypadkach zależnych od częstotliwości rezonansowej przegrody. Wypełnienie przestrzeni powietrznej materiałem dźwiękochłonnym (rdzeniem dźwiękochłonnym) zwiększa izolacyjność przegrody i wyrównuje zaniżenie izolacyjności spowodowane wzmożonym przekazywaniem energii akustycznej w obszarze częstotliwości rezonansowych przestrzeni powietrznej. 2 Rys.. Schemat poprzeczny przekroju przegrody podwójnej (dwuściennej) o ściankach jednorodnych z rdzeniem dźwiękochłonnym; Archiwa autorów ścianki z przegród jednorodnych, 2 rdzeń dźwiękochłonny z granulatu gumowego lub gumy porowatej 2 Rys. 2. Schemat poprzeczny przekroju przegrody podwójnej (dwuściennej) o ściankach niejednorodnych; Archiwa autorów ścianki z przegród niejednorodnych warstwowych, 2 rdzeń dźwiękochłonny z granulatu gumowego lub gumy porowatej
2 3 4 5 Indeks fotografii Fot.. gumowy I gęstość objętościowa: 46 kg/m 3, frakcja ziarna: 2 4 mm, kształt ziarna: wiórki, nieregularne, typ miał ; Archiwa autorów Fot. 2. gumowy II gęstość objętościowa: 458 kg/m 3, frakcja ziarna: 2 4 mm, kształt ziarna: płatki nieregularne, typ drobnoziarnisty ; Archiwa autorów Fot. 3. gumowy III gęstość objętościowa: 46 kg/m 3, frakcja ziarna: od 2 2 mm do 5 mm, kształt ziarna: płatki, nieregularne, typ gruboziarnisty ; Archiwa autorów Fot. 4. gumowy IV gęstość objętościowa: 5 kg/m 3, frakcja ziarna: o 4 4 mm do 8 8 mm, kształt ziarna: płatki, nieregularne, typ gruboziarnisty, Archiwa autorów Fot. 5. V gęstość objętościowa: 34 kg/m 3, frakcja ziarna: od 2 2 mm do 3 3 mm, zanieczyszczony kłaczkami z włókna bawełnianego, typ drobnoziarnisty tkaninowo-gumowy; Archiwa autorów RDZENIE DŹWIĘKOCHŁONNE Z GRANULATÓW GUMOWYCH Praktyka projektowania rozwiązań przegród dwuściennych pokazuje, że rdzeniem dźwiękochłonnym mogą być nie tylko warstwy gumy porowatej, lecz także granulaty wytworzone z różnych tworzyw [2, 3]. Charakteryzują się one bardzo dobrymi własnościami pochłaniania dźwięku. Zaliczają się do nich granulaty gumowe, które pochłaniają dźwięk lepiej od płyt gumowych porowatych. y gumowe powstają w wyniku rozdrobnienia odpadów gumowych: 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. Zastosowanie materiałów gumowych o właściwościach dźwiękochłonnych jako wypełnienia przestrzeni powietrznej między przegrodami dwuściennymi pozwala zmniejszyć ich grubość bez straty właściwości izolacji akustycznej. Jest to nie bez znaczenia w konstruowaniu zintegrowanych obudów dźwiękochłonnoizolacyjnych [3]. Zintegrowane obudowy stosowane do maszyn wymagających ciągłej i bezpośredniej obsługi powinny być zbudowane ze ścianek charakteryzujących się dwoma podstawowymi parametrami: akustycznym, zapewniającym bardzo dobrą izolacyjność akustyczną, oraz technicznym, ograniczającym jej grubość do niezbędnego minimum, aby nie spowodować zwiększenia gabarytów obudowanej maszyny lub urządzenia. Schematy przekrojów (rys. 2) ilustrują rdzenie dźwiękochłonne z warstwami gumowymi stosowane w przegrodach podwójnych (dwuściennych) o ścianach jednorodnych i niejednorodnych. WŁASNOŚCI DŹWIĘKOCHŁONNE GRANULATÓW GUMOWYCH Badania własności dźwiękochłonnych granulatów gumowych polegały na określeniu fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku α f (przy prostopadłym padaniu fali dźwiękowej na powierzchnię warstwy). Wykorzystano tę samą metodykę wykonywania pomiarów oraz sposób przygotowania próbek, jak w badaniach własności dźwiękochłonnych materiałów ziarnistych [, 4, 5]. Badaniami objęto pięć granulatów gumowych (I V) różniących się gęstością objętościową, frakcją i kształtem ziarna. Z wizualnego punktu widzenia zbadane granulaty można pogrupować na cztery typy: w postaci miału, postaci drobnoziarnistej, gruboziarnistej oraz drobnoziarnistej tkaninowo-gumowej. Eksperyment badawczy przeprowadzono na próbkach granulatów w pięciu wersjach grubości warstwy (, 2, 3, 4 i 5 mm). Fot. 5 przedstawiają granulaty, którym określono charakterystyki pochłaniania dźwięku. Wyniki badań zostały zamieszczone w postaci wykresów w pasmach /3 oktawowych częstotliwości (rys. 3 7) i zestawień tabelarycznych (tabele 5). OCENA AKUSTYCZNA GRANULATÓW Na podstawie analizy charakterystyk pochłaniania dźwięku granulatów I V przedstawionych na rys. 3 7 oraz średnich wartości współ- nr, styczeń 22
,9,8,5,4,3,2, 25 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 35 k,2,6 k 2, 3, Rys. 3. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstwy granulatu gumowego I; Archiwa autorów,9,8,5,4,3,2, 25 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 35 k,2,6 k 2, 3, Rys. 4. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstwy granulatu gumowego II; Archiwa autorów gumowy I 2 3 4 5,36,35,3,38,55 25,42,39,33,35,64 6,56,57,54,2,75,53,62,54,56,8,55,62,56,46,95 35,45,57,55,99,52,6,65,,39,6,72,8,35,99,77,97,6,24,353,5,85,,372,578 8,23,37 3,878,98,247,48,898,969 6,24,35,838,897,828,289 33,999,47 2,284,92,959,42,44 35,483 69,89,8 47,467 2,422 47,927,86,422 27,965 4,36,274,972,4,463 α śr.,27,26,373,356,42 Tabela. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku α f granulatu gumowego I gumowy II 2 3 4 5,8,3,3,3, 25,36,34,25,63, 6,99,83,79,36,78,57,,65,57,67,39,64,8,76,9 35,46,55,8,79,3,39,92,95,2,57,85,87,2 7,263,56,,95,33,52,48,257,359,434 44 8,237,447 89,97,3,46 43,972,94 6,428,479,953,94 45,25 78,96,443,39 2,278,889,988,33 35,42,83 78,49 2 5 57,3,84,33,953 99 82,87 56 88,924,978,398,22 α śr.,239,354,356,382,376 Tabela 2. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku α f granulatu gumowego II czynnika pochłaniania dźwięku podanych w tabelach 5 można stwierdzić, że:» we wszystkich zbadanych granulatach występuje wyraźny wpływ grubości warstwy na pochłanianie dźwięku. Niezależnie od ich gęstości objętościowej, frakcji ziarna oraz jego kształtu wzrost grubości warstwy powoduje wzrost średniej wartości współczynnika pochłaniania dźwięku;» na charakterystykę pochłaniania dźwięku ma wpływ frakcja ziarna. y gumowe II (określone jako drobnoziarniste ), III i IV (określone jako gruboziarniste ) można zaliczyć do materiałów dźwiękochłonnych wąskopasmowych ze względu na pasmo częstotliwości (w granicach jednej oktawy), w którym występuje naj- większe pochłanianie dźwięku. Wraz ze wzrostem grubości warstwy częstotliwość rezonansowa, w której występuje największe pochłanianie dźwięku, przesuwa się od częstotliwości wysokich do częstotliwości średnich ( Hz, Hz);» charakterystyki pochłaniania dźwięku granulatów gumowych I (określonych jako miał ) i V (określonych jako drobnoziarnisty tkaninowo-gumowy) pozwalają na zaliczenie ich do materiałów dźwiękochłonnych szerokopasmowych (o szerokości ponad 4 oktawy). Oba granulaty mają charakterystyki pochłaniania zbliżone do charakterystyk wełny mineralnej, szczególnie granulat gumowy V;» gęstość objętościowa zbadanych granulatów gumowych nie ma zauważalnego wpływu na charakterystykę pochłaniania dźwięku.
,9,8,5,4,3,2, 25 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 35 k,2,6 k 2, 3, Rys. 5. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstwy granulatu gumowego III; Archiwa autorów,9,8,5,4,3,2, 25 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 35 k,2,6 k 2, 3, Rys. 6. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstwy granulatu gumowego IV; Archiwa autorów gumowy III 2 3 4 5,37,3,45,43,3 25,2,27,4,42,2 6,59,56,72,64,4,6,53,67,66,34,6,52,73,78,6 35,33,3,74,88,,49,64,93,27,52,9,26 3,275,64,9,88,266,495,9,27,239,396 8,23,26,44,972,35,258 57,944,854 6,383,585,97 48,573,28,543,972,427,52 2,5 8,99,96,527 35,478 79,362,446,99 7 65,97,96,439 54,257 77 26,379,542,94 56 56 α śr.,27,294,388,49,445 Tabela 3. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku α f granulatu gumowego III gumowy IV 2 3 4 5,77,48,9,6,86 25,8,47,9,5,89 6,59,24,88,85,9,4,9,52,42,28,96,7,2,9,35 35,8,54,35,3 4,97,87 5,5,243,99,9,8 6,348,278,3,52,,5,33,383,5 9,27,549,876,246,268,589,893,923 6,59,496,886,934 93,22,556,97 24,553 2,568,92,89,586,562 35 2,982 2,54 43,823,844 25 68,988,99,58 44,866,527,862,87,972 98 36 α śr.,322,346,435,434,47 Tabela 4. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku α f granulatu gumowego IV Najlepsze własności pochłaniania dźwięku mają granulaty I (o gęstości 46 kg/m 3 ) i V (o gęstości 34 kg/m 3 ). ZASTOSOWANIE GRANULATÓW GUMOWYCH Poszerzone badania doświadczalne wybranej grupy granulatów gumowych uzyskanych z recyklingu potwierdzają ich własności dźwiękochłonne (zasygnalizowane po wstępnych badaniach sondażowych materiałów ziarnistych [5]), a tym samym ich przydatność do zastosowania w nowych rozwiązaniach przegród warstwowych będących elementami ściennymi zabezpieczeń wibroakustycznych. y gumowe mogą być więc stosowane jako rdzenie dźwiękochłonne w przegrodach dwuściennych. Z badań wynika, że granulaty gumowe można zaliczyć do materiałów dźwiękochłonnych wąskopasmowych i szerokopasmowych. Oprócz zastosowania w elementach ściennych zabezpieczeń wibroakustycznych ograniczających nadmierną aktywność akustyczną maszyn i urządzeń mogą one być stosowane w panelach ekranów akustycznych. y o pochłanianiu wąskopasmowym mogą być bardzo przydatne jako dodatkowe warstwy dźwiękochłonne w zwiększaniu izolacyjności akustycznej w zakresie częstotliwości średnich ( Hz) wpływających na wzrost wskaźników jednoliczbowych R w i DL R. Z kolei granulaty gumowe o pochłanianiu szero- nr, styczeń 22
gumowy V Fizyczny współczynnik pochłaniania dźwięku αf,9,8,5,4,3,2, 25 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 35 k,2,6 k 2, 3, Rys. 7. Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku pięciu grubości warstw granulatu gumowego V; Archiwa autorów 2 3 4 5,73,77,5,8,2 25,64,79,39,93,9 6,86,8,63 3,3,27,92 2,225,99,,7,267 35,88,4,36,99,33,5,22,9,296,,2,99,29,48 36,8,234,454,568,822,56,242,53 88,93,226,338 9,928,934,223,446,867,976,925 6,423 68,985,925 95,39 62,99,85 62 2 7,969,927 89,866 35,832,989,826,838,953,823,867 63,955,936,929 7 79,934,826,964,88,983,955,97 α śr.,343,42,53,579 39 Tabela 5. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku α f granulatu gumowego V kopasmowym (szczególnie granulat V tkaninowo-gumowy) można stosować jako warstwę dźwiękochłonną w panelach ekranów akustycznych zamiast wełny mineralnej. Spośród badanych materiałów największe zastosowanie w elementach ściennych zabezpieczeń wydaje się mieć granulat gumowy V nieoczyszczony podczas recyklingu z włókien bawełnianych. Artykuł opracowano w ramach realizacji projektu rozwojowego nr II.B.2 (2 23) Nowe rozwiązania materiałowe przegród warstwowych w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych maszyn i urządzeń, będącego jednym z zadań programu wieloletniego Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy koordynowanego przez CIOP-PIB w Warszawie LITERATURA. J. Sikora, Warstwy gumowe w rozwiązaniach zabezpieczeń wibroakustycznych, Wydawnictwa AGH, Kraków 2. 2. J. Sikora, J. Turkiewicz, Przegrody dwuścienne z rdzeniami dźwiękochłonnymi z materiałów ziarnistych, IZOLACJE, nr /7, s. 28 33. 3. J. Sikora, Materiały ziarniste w zabezpieczeniach przeciwhałasowych, Materiały Budowlane, nr 8/, s. 5 7 i 36. 4. J. Sikora, J. Turkiewicz, Charakterystyki pochłaniania dźwięku materiałów ziarnistych, IZOLACJE, nr 9/, s. 26 3. 5. J. Sikora, Dźwiękochłonne właściwości materiałów ziarnistych, IZOLACJE, nr 9/7, s. 26 29. Abstract This article presents the results of the expended research program on sound absorbing properties of rubber granulates, executed at the Department of Mechanics and Vibroacoustics in 8 2. The authors have worked for several years on granular materials in their natural form and on granulated products formed from processed solids, expecting that it would be possible to use them as the sound absorbing core in protection walls that limit the excessive acoustic activity of internal and external noise sources. The papers published in 7, presenting the findings of preliminary research on acoustic properties of the granular materials, aroused interest among the manufacture of acoustic screens. W artykule przedstawiono wyniki rozszerzonego programu badań właściwości dźwiękochłonnych granulatów gumowych, które przeprowadzono w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki w latach 8 2. Materiałami ziarnistymi w swej naturalnej postaci oraz granulatami powstałymi z przetworzonych technologicznie substancji stałych autorzy zajmują się od kilku lat. Upatrują w nich możliwy do stosowania rdzeń dźwiękochłonny w ściankach zabezpieczeń ograniczających nadmierną aktywność akustyczną źródeł hałasu wewnętrznego i zewnętrznego. Opublikowane w 7 r. artykuły z wynikami wstępnych badań materiałów ziarnistych zainteresowały producentów ekranów akustycznych. Jan Sikora jest absolwentem Wydziału Maszyn Górniczych i Hutniczych AGH w Krakowie (teraz Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki). Pracuje w AGH 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 8 publikacji, w tym 3 książek w zakresie ochrony środowiska przed hałasem, projektowania zabezpieczeń wibroakustycznych, właściwości akustycznych nowych materiałów i przegród warstwowych stosowanych w redukcji hałasu maszyn i urządzeń. Jadwiga Turkiewicz jest absolwentką Wydziału Maszyn Górniczych i Hutniczych AGH (teraz Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki). Pracuje w AGH od 979 r., obecnie jako adiunkt w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z biernymi metodami zwalczania hałasu. Przedmiotem jej prac badawczych są badania akustyczne materiałów dotyczące ich własności pochłaniających dźwięk. Jest autorką i współautorką 29 publikacji dotyczących własności akustycznych materiałów mogących mieć zastosowanie w biernej ochronie przeciwhałasowej oraz ograniczenia zagrożenia hałasem. 6