Opracowanie metod pomiaru współczynnika pochłaniania dźwięku materiałów oraz izolacyjności akustycznej przegród w zakresie częstotliwości powyżej 5 kHz

Celem projektu było opracowanie metod umożliwiających określanie parametrów charakteryzujących właściwości dźwiękochłonne materiałów i izolacyjność akustyczną przegród w zakresie częstotliwości powyżej 5 kHz.

Szacuje się, że ok. 25 tys. pracowników w Polsce jest narażonych na hałas ultradźwiękowy po­chodzący od technologicznych urządzeń ultradźwiękowych i podobna liczba pracowników – na hałas ultradźwiękowy od pozostałych maszyn i urządzeń. Ultradźwięki niskich częstotliwości, generowane przez ww. źródła, mogą wnikać do organizmu człowieka drogą kontaktową. Zaw­sze jednak energia akustyczna pochodząca od tych źródeł jest przekazywana do organizmu człowieka drogą powietrzną.

Ze względu na wymienione drogi przekazywania energii ultradźwiękowej do organizmu człowieka najskuteczniejszym sposobem ograniczania zagrożenia hałasem ultradźwiękowym są działania polegające na hermetyzacji źródeł ultradźwięków oraz ograniczeniu emisji źródeł hałasu. Następnie wśród działań ograniczających zagrożenie hałasem ultradźwiękowym jest stosowanie środków ochrony zbiorowej. Ze względu na specyfikę tego hałasu (krótkofalowość ultradźwię­ków), polegającą na występowaniu narażenia głównie bezpośrednio w sąsiedztwie jego źródeł, najskuteczniejszymi środkami ochrony są osłony, obudowy oraz ekrany akustyczne, ograni­czające hałas na drodze propagacji. Jednak skuteczne ograniczenie tego hałasu wymienionymi metodami technicznymi wymaga między innymi znajomości właściwości zarówno materiałów (w tym wartości współczynników pochłaniania dźwięku) jak i przegród (w tym wartości izolacyjności akustycznej) w zakresie częstotliwości powy­żej 5 kHz.

W związku z powyższym w ramach projektu opracowano metodę umożliwiającą wyznaczenie kierunkowego współczynnika pochłaniania dźwięku materiałów w zakresie częstotliwości do 40 kHz. Jest to metoda impulsowa, w której współczynnik pochłaniania dźwięku jest określany w funkcji padania fali akustycznej. Podczas pomiarów przeprowadzanych tą metodą muszą być spełnione między innymi następujące wymagania: wyeliminowane są wszelkie niepożądane odbicia (istnieją warunki pola swobodnego), źródło dźwięku emituje falę płaską oraz wymiary badanego materiału są kilkakrotnie większe od długości fali akustycznej. Dla ustalonego kąta padania fali akustycznej wykonuje się pomiary ciśnienia akustycznego impulsu odbitego od badanej próbki materiału i impulsu odbitego od sztywnej płyty (dla której przyjmuje się, że współczynnik pochłaniania jest równy zero), a następnie oblicza się wartość kierunkowego współczynnika pochłaniania dźwięku. Zaprojektowano i wykonano stanowisko badawcze, jak również opracowano (w środowisku Matlab) oprogramowanie sterujące badaniami, w tym realizujące generowanie impulsów, rejestrację i pomiary poziomów ciśnienia akustycznego.

W ramach badań eksperymentalnych (wstępnych i weryfikacyjnych) wykonanych w komorze bezechowej określono kierunkowe współczynniki pochłaniania dźwięku dla 10 różnych próbek materiałów, w tym wielowarstwowych. Przeprowadzone badania wykazały, między innymi, bardzo dobre właściwości dźwiękochłonne wełny mineralnej, wełny szklanej, gąbki poliuretanowej oraz układów materiałów „wełna szklana i płyta w technologii plaster miodu” w zakresie częstotliwości 5–40 kHz. W tym zakresie częstotliwości kierunkowy współczynnik pochłaniania dźwięku wymienionych próbek przyjmował wartości bliskie lub równe jedności.

Projekt II.B.11. Wartości kierunkowego współczynnika pochłaniania dźwięku wełny szklanej o grubości 50 mm dla kąta padania fali akustycznej 50^o

Na potrzeby wyznaczenia izolacyjności akustycznej przegród w zakresie częstotliwości powyżej 5 kHz opracowano 2 metody. Pierwsza z nich umożliwia pomiary izolacyjności właściwej od dźwięków powietrznych w warunkach laboratoryjnych w zakresie częstotliwości do 8 kHz. Pomiary przeprowadza się w zespole dwóch komór pogłosowych (komora nadawcza i komora odbiorcza) sprzężonych otworem pomiarowym o wymiarach 0,7 x 0,7 m. Wyznaczanie izolacyjności akustycznej właściwej przegrody od dźwięków powietrznych polega na przeprowadzeniu pomiarów poziomów ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu nadawczym oraz w pomieszczeniu odbiorczym, a następnie obliczeniu różnicy tych poziomów.

Druga z opracowanych metod umożliwia wyznaczenie izolacyjności akustycznej ciśnieniowej przegrody w pasmach 1/3-oktawowych o częstotliwościach środkowych z zakresu 5–25 kHz. Izolacyjność ta jest zdefiniowana jako zmniejszenie poziomu ciśnienia akustycznego w określonym miejscu w wyniku zainstalowania przegrody w otworze pomiarowym. Dla tak zdefiniowanej izolacyjności akustycznej ciśnieniowej przegrody zasadniczym elementem wykonanego do jej wyznaczania stanowiska badawczego jest zminiaturyzowana, wykonana z wielowarstwowych, prasowanych płyt drewnianych, komora badawcza w formie sześcianu. W górnej ścianie komory znajduje się otwór pomiarowy, w którym mocuje się badaną przegrodę, natomiast wewnątrz komory zainstalowane jest źródło hałasu ultradźwiękowego.

W ramach badań eksperymentalnych wyznaczono wartości izolacyjności akustycznej ciśnieniowej w pasmach 1/3-oktawowych o częstotliwościach środkowych 5–25 kHz 20 przegród pojedynczych (8 przegród o różnych grubościach wykonanych z MDF, PCV, plexi, szkła oraz mieszanki cementu i wiórów) i warstwowych (12 przegród wykonanych z warstw o różnych grubościach i kombinacjach, obejmujących takie materiały, jak: blacha stalowa, blacha aluminiowa, guma, granulat gumowy, ścier gumowy, polietylen, MDF).

W mierzonym zakresie częstotliwości wartości średnie izolacyjności akustycznej ciśnieniowej badanych przegród pojedynczych wynosiły 39,5–47,6 dB. W przypadku przegród pojedynczych najlepszymi właściwościami izolacyjnymi charakteryzowała się przegroda wykonana z płyty PCV o grubości 4 mm.

Natomiast w przypadku zbadanych przegród warstwowych wartości średnie izolacyjności akustycznej ciśnieniowej wahały się w granicach 44,1–60,1 dB. Ostatnia z tych wartości była wyznaczona dla przegrody o grubości 52 mm, składającej się z następujących warstw: blacha aluminiowa (1 mm), płyta polietylowa komorowa (50 mm) i blacha aluminiowa (1 mm).

Projekt II.B.11. Wyniki pomiarów izolacyjności akustycznej ciśnieniowej D_U przegrody z płyty PCV o grubości 4 mm

Uzyskane wyniki badań izolacyjności akustycznej ciśnieniowej przegród zostały opracowane w formie kart katalogowych zawierających także syntetyczny opis przegrody i fotografie. Karty te stanowią przygotowany w ramach projektu katalog dotyczący izolacyjności akustycznej wybranych przegród w wersji internetowej.

Wyniki projektu przedstawiono w 5 publikacjach (1 w czasopiśmie o zasięgu międzynarodowym, 1 w czasopiśmie o zasięgu krajowym (złożono do druku) i w 3 wydawnictwach mających charakter materiałów konferencyjnych) oraz zaprezentowano na 4 konferencjach naukowych i podczas seminarium dotyczącego zagrożeń hałasem ultradźwiękowym w środowisku pracy.