Akustyka nawiewników okiennych i ściennych

W Polsce większość budynków przeznaczonych do przebywania ludzi wyposażona jest w instalację wentylacji grawitacyjnej lub mechanicznej wywiewnej. Aby instalacja w tych budynkach działała, konieczne jest doprowadzenie do pomieszczeń powietrza. Od 1 stycznia 2009 r. obowiązują nowe wymagania dotyczące infiltracji okien [1].

Do końca 2008 roku okna o współczynniku infiltracji 0,5–1,0 m³/(m×h×daPa^2/3) mogły być wprowadzone do obrotu bez konieczności stosowania dodatkowych elementów nawiewnych. Nawiewniki były wymagane przy współczynniku niższym niż 0,3 m³/(m×h×daPa^2/3), natomiast nie określono wymagań dla przedziału 0,3–0,5.

Obecnie współczynnik infiltracji dla otwieranych okien i drzwi balkonowych powinien wynosić maksymalnie 0,3, a dopływ powietrza zewnętrznego na potrzeby wentylacyjne należy zapewnić poprzez urządzenia nawiewne umieszczone w oknach, drzwiach balkonowych lub innych częściach przegrody zewnętrznej. Zatem okno pełniące funkcję wentylacyjną musi być wyposażone w nawiewnik. Wyjątkiem są pomieszczenia, w których zastosowano wentylację mechaniczną nawiewną lub nawiewno-wywiewną.

Niestety, wraz z dopływającym powietrzem do pomieszczeń przedostaje się hałas. Warto więc przyjrzeć się bliżej temu zjawisku oraz przeanalizować, w jaki sposób można ochronić przed hałasem pomieszczenia, a tym samym ich użytkowników.

Podstawowe informacje dotyczące dźwięku

W ujęciu fizycznym fale dźwiękowe są podłużnymi falami mechanicznymi, a sam dźwięk jest szczególnym zjawiskiem towarzyszącym rozchodzeniu się fal. Szczególność tego zjawiska polega m.in. na konieczności istnienia ośrodka materialnego: gazu, cieczy lub ciała stałego. Materialne cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, drgają wzdłuż prostej pokrywającej się z kierunkiem poruszającej się fali. Im gęściej ułożone cząstki, tym prędkość dźwięku jest większa. Przykładowo prędkość dźwięku w powietrzu wynosi ok. 330 m/s, ale w żelazie wartość ta jest dużo większa i osiąga 5100 m/s.

Zakres częstotliwości fal mechanicznych jest bardzo duży, ale fale dźwiękowe, które w działaniu na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia, zawierają się w przedziale od 20 do 20 000 Hz. Fale słyszalne powstają w wyniku drgania strun (np. głosowych), słupów powietrza (organy) oraz różnych płyt i membran (praca głośnika).

Sam proces rozchodzenia się dźwięku w powietrzu ciekawie opisał w swoich wykładach wybitny fizyk Richard Feynman [3]: „Otóż podstawą wszystkiego jest tu to, że ruch jakiegoś obiektu w powietrzu zapoczątkowuje rozprzestrzenianie się zaburzeń powietrza. Jeżeli chodzi o rodzaj tych zaburzeń, to spodziewamy się, że ruch obiektu wywoła zmianę ciśnienia.

Gdy obiekt porusza się powoli, powietrze oczywiście opływa go, ale nam chodzi o ruch bardzo szybki, w którym nie ma czasu na tego rodzaju opływanie. Powietrze jest zatem podczas ruchu sprężane i powstaje zmiana ciśnienia, która wywiera nacisk na dalsze jego warstwy. Te warstwy są z kolei sprężane, co wywołuje wzrost ich ciśnienia i w ten sposób w przestrzeni rozchodzi się fala zagęszczeń i rozrzedzeń powietrza”. Ta fala „zagęszczeń i rozrzedzeń” to właśnie fala dźwiękowa.

Zmiany ciśnienia wywołane przez dźwięk w porównaniu z jego wartością w stanie równowagi są bardzo małe. Jednostką wygodną do mierzenia ciśnienia jest bar, równa się on 105 N/m₂. W przypadku dźwięku używamy logarytmicznej skali natężeń, ponieważ czułość ucha wzrasta logarytmicznie. Skalę tę nazywa się skalą decybeli. Określamy w niej poziom ciśnienia akustycznego L_p [dB] dla danej amplitudy ciśnienia akustycznego p w następujący sposób:

gdzie:

p – ciśnienie akustyczne [Pa],

p₀ – ciśnienie akustyczne odniesienia równe 2×10–10 [bar].

Na przykład amplituda ciśnienia akustycznego p = 10³×p₀ = 2×10^–7 barów odpowiada dźwiękowi o umiarkowanym natężeniu 60 dB. Widać z tego, że zmiana ciśnienia wywołana przez dźwięk jest bardzo mała w porównaniu z ciśnieniem w stanie równowagi czy też ze średnim ciśnieniem atmosferycznym. W przypadku dźwięku mamy najczęściej do czynienia z natężeniami nieprzekraczającymi 100 dB. Dźwięk o natężeniu 120 dB wywołuje już uczucie bólu w uchu.

Akustyka pomieszczeń w budynkach

Z uwagi na postanowienia normy PN-B-02151-02:1987 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynkach. Dopuszczalne wartości poziomu dźwięku w pomieszczeniach pomieszczeniom w budynkach stawia się wymagania co do dopuszczalnego poziomu dźwięku A hałasu przenikającego łącznie od wszystkich źródeł hałasu usytuowanych poza pomieszczeniem.

W opracowaniu skupiono się wyłącznie na izolacyjności przegród zewnętrznych: ścian i okien, z pominięciem przenikania dźwięku od źródeł wewnętrznych.

Izolacyjność akustyczna przegród zewnętrznych – wymagania

Wymagania dotyczące przegród przywołane zostały zgodnie z normą PN-B-02151-3:1999 [5]. Przegrody zewnętrzne narażone są na dźwięki powietrzne, stąd ich izolacyjność akustyczną charakteryzują poniższe wskaźniki.

Ściana zewnętrzna bez okien lub z oknami oraz okno w przegrodzie zewnętrznej

Całą przegrodę charakteryzuje R'_A2 lub R'_A1 – wskaźnik oceny izolacyjności akustycznej właściwej przybliżonej. Elementy budowlane przeznaczone do zastosowania w budynkach jako przegroda budowlana scharakteryzowane są przez R_A2 lub R_A1 (wskaźnik oceny izolacyjności akustycznej) lub R_w(C, C_tr) – wskaźnik ważony izolacyjności akustycznej właściwej i widmowy wskaźnik adaptacyjny C i C_tr.

Różnica pomiędzy R'_A1(2) a R_A1(2) sprowadza się do tego, że wskaźnik R'_A1(2) uwzględnia wpływ bocznego przenoszenia dźwięku (jest to przenoszenie dźwięku pomiędzy pomieszczeniami przez materiał, z którego zbudowana jest przegroda) przez przegrodę w zależności od jej masy. W wymiarze liczbowym wartości R_A1(2) są większe. Żeby nie zagęszczać opisów nadmierną liczbą wzorów, autor nie podaje zależności pomiędzy tymi dwoma R. W wymaganiach normowych (tabela 1 i 2) podaje się wartość R'_A1(2), bo uwzględnia ona przegrodę jako całość.

Wyznaczanie izolacyjności akustycznej elementów przegrody zewnętrznej

Wskaźniki oceny izolacyjności akustycznej R_A2 i R_A1 oblicza się w następujący sposób:

gdzie:

R_w – wskaźnik ważony izolacyjności akustycznej właściwej elementu przegrody zewnętrznej [dB],

C – widmowy wskaźnik adaptacyjny obliczany w odniesieniu do widma różowego szumu skorygowanego charakterystyką częstotliwościową A [dB],

C_tr – widmowy wskaźnik adaptacyjny obliczany w odniesieniu do widma hałasu drogowego skorygowanego charakterystyką częstotliwościową A [dB].

R_w określone jest pośrednio poprzez określenie izolacyjności akustycznej właściwej R w normowym przedziale częstotliwości od 100 do 3150 Hz. Wyniki sprowadza się później do wartości jednoliczbowej (R_w).

W badaniach laboratoryjnych R wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

L₁ – poziom średniego ciśnienia akustycznego w komorze nadawczej [dB],

L₂– poziom średniego ciśnienia akustycznego w komorze odbiorczej [dB],

S – powierzchnia próbki, równa powierzchni otworu [m²],

A – równoważne pole powierzchni dźwiękochłonnej pomieszczenia odbiorczego [m²].

Wartości L₁, L₂ i A zostały określone w dalszej części artykułu.

Widmowe wskaźniki adaptacyjne C i C_tr wprowadzono do obliczeń wskaźnika R_w, aby uwzględnić w ocenie izolacyjności charakterystykę widma hałasu. Rodzaj źródła hałasu dla poszczególnych wskaźników podano w tabeli 3.

Pełna charakterystyka elementu budowlanego (np. okna) powinna zostać zapisana np.:

R_w (C; C_tr) = 41 (0; –5 ) [dB].

Izolacyjność akustyczna nawiewników okiennych i ściennych

Nawiewniki powietrza zewnętrznego są elementami montowanymi w przegrodzie zewnętrznej (w oknie lub w ścianie). Chociaż przepisy nie precyzują oddzielnych wymagań co do izolacyjności akustycznej samych nawiewników, to ich wpływ na izolacyjność całej przegrody jest zauważalny i dlatego uwzględnia się je przy obliczeniach. Przegrodzie jako całości stawia się wymagania zgodne z podanymi w akapicie „Izolacyjność akustyczna przegród zewnętrznych – wymagania”.

Izolacyjność akustyczna elementów o powierzchni mniejszej od 1 m² (a taką mają nawiewniki) opisana jest parametrem D_n,e [dB], czyli elementarną znormalizowaną różnicą poziomów, o następującym wzorze:

gdzie:

D – różnica poziomów [dB],

A – równoważne pole powierzchni dźwiękochłonnej pomieszczenia odbiorczego [m²],

A₀ – równoważne pole powierzchni dźwiękochłonnej odniesienia [m²] (w mieszkaniach A₀ = 10 m²).

Różnicę poziomów D określa się ze wzoru:

D = L₁ - L₂

gdzie:

L₁ – poziom ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu nadawczym [dB],

L₂ – poziom ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu odbiorczym [dB].

Wartość L₁ i L₂ wylicza się ze wzoru:

gdzie:

p₁, p₂...p_n – ciśnienia akustyczne podlegające uśrednieniu [Pa],

p₀ – ciśnienie akustyczne odniesienia równe 20 µPa,

n – liczba punktów pomiarowych.

Wartość A we wzorze na znormalizowaną różnicę poziomów jest określona jako hipotetyczne pole powierzchni całkowitej pochłaniającej, bez efektów dyfrakcyjnych, przy którym czas pogłosu byłby taki sam jak w rozważanym pomieszczeniu, jeżeli powierzchnia ta byłaby jedynym elementem pochłaniającym w tym pomieszczeniu.

Wartością izolacyjności, którą stosuje się w obliczeniach, jest podobnie jak dla okien i ścian wskaźnik ważony elementarnej znormalizowanej różnicy poziomów D_n,e,w. Podobnie jak dla okien i ścian wartość wskaźnika jest określona przez D_n,e dla normowego zakresu częstotliwości (od 100 do 3150 Hz).

Również podobnie jak dla okien określa się izolacyjność z uwzględnieniem wskaźników adaptacyjnych C i C_tr – D_n,eA1 i D_n,eA2.

Pełna charakterystyka akustyczna nawiewnika powinna zostać zapisana np.:

D_n,e,w (C; C_tr) = 42 (0; –2) [dB].

Warto zwrócić uwagę na podane powyżej wzory opisujące R i D_n,e. Przy badaniu nawiewników nie bierze się pod uwagę powierzchni, jaką zajmuje ten element. Między innymi dlatego wprowadzono różne wskaźniki opisujące izolacyjność okna i nawiewnika.

Obliczanie wypadkowej izolacyjności okna lub ściany zewnętrznej z nawiewnikiem

Jak widać, zagadnienia związane z akustyką nie są proste, a niewystarczająca znajomość tematu przez zainteresowane środowisko (architektów, producentów okien itd.) może prowadzić do licznych nieporozumień. Bardzo często zdarza się, że producent okien zwraca się do producenta nawiewników o podanie izolacyjności akustycznej nawiewnika, po czym automatycznie przyjmuje uzyskaną wartość jako równą wymiarowi fizycznemu R_w okna.

Duże zaskoczenie budzi fakt, że np. okno o współczynniku R_w 33 dB po zamontowaniu nawiewnika o współczynniku D_n,e,w 33 dB nie uzyskuje wypadkowej izolacyjności na takim poziomie. Jednym słowem – po zamontowaniu nawiewnika jest głośniej. Jeszcze większe zdziwienie, graniczące niemal z niewiarą, budzi fakt, że po zamontowaniu nawiewnika o izolacyjności 42 dB wypadkowa izolacyjność dla okna z nawiewnikiem wciąż będzie mniejsza od 33 dB. Jednak jeśli się zastanowić (i nie trzeba do tego dużej znajomości zagadnień związanych z akustyką), każdy otwór w oknie, przez który dopływa powietrze, musi być powiązany ze wzrostem hałasu w porównaniu do sytuacji, kiedy tego otworu nie ma.

Wypadkowy wskaźnik ważony izolacyjności akustycznej właściwej okna wraz z zamontowanym nawiewnikiem określa się ze wzoru:

gdzie:

R_w,wyp – wypadkowy wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej okna z nawiewnikiem [dB],

R_w – wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej okna bez nawiewnika (podawany przez producenta okien, określany w badaniach laboratoryjnych) [dB],

S – powierzchnia okna [m²],n – liczba nawiewników na oknie,

l – długość nawiewnika [m] – wartość ta jest istotna w przypadku nawiewników montowanych np. w pakiecie szybowym – wymiar nawiewnika będzie ściśle zależał od szerokości pakietu  szybowego; dla nawiewników montowanych w skrzydle lub ościeżnicy, które są produkowane w stałym wymiarze,

l = 1 m,

D_n,e,w – wskaźnik elementarnej znormalizowanej różnicy poziomów ciśnienia akustycznego nawiewnika (podawany przez producenta nawiewnika, określany w badaniach laboratoryjnych) [dB].

Powyższy wzór można zastosować do obliczania wypadkowej izolacyjności (R_A1wyp, R_A2wyp) przy uwzględnieniu wskaźników adaptacyjnych C i C_tr. Zamiast R_w i D_n,e,w należy podstawić inne odpowiednie wartości (R_A1, R_A2, D_n,eA1, D_n,eA2):

Przy obliczaniu wypadkowej izolacyjności dla ściany wraz z zamontowanym nawiewnikiem ściennym należy posłużyć się wzorem:

gdzie:

S – powierzchnia ściany [m²],

pozostałe wielkości – jak we wcześniej podanych wzorach.

Wzory na obliczanie R_A1,wyp oraz R_A2,wyp ściany wraz z nawiewnikiem będą analogiczne jak dla nawiewników zamontowanych w oknie.

Gdyby pokusić się o obliczenie wypadkowej izolacyjności akustycznej całej przegrody zewnętrznej, to wzór ogólny przyjąłby postać:

R_w,wyp – wypadkowy wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej przegrody zewnętrznej [dB],

R_wi – wskaźnik izolacyjności akustycznej właściwej poszczególnych elementów przegrody: ściany, okna, okna wraz z nawiewnikiem, rolety, rolety wraz z nawiewnikiem [dB],

Si – powierzchnia poszczególnych elementów przegrody [m²],

S – powierzchnia przegrody [m²],

n – liczba części przegrody o izolacyjności akustycznej R_wi,

m – liczba nawiewników ściennych,

D_n,e,w – wskaźnik elementarnej znormalizowanej różnicy poziomów ciśnienia akustycznego nawiewnika [dB].

Jeżeli R_wi będzie wartością określającą okno lub roletę z zamontowanym nawiewnikiem, a w pomieszczeniu nie będą zamontowane nawiewniki ścienne, wzór uprości się do postaci:

Zmiana izolacyjności akustycznej dla okna opisanego wskaźnikiem R_w = 35 dB  W tabeli 4 pokazano wpływ nawiewników o różnej izolacyjności akustycznej na wypadkową wartość izolacyjności okna wraz z nawiewnikiem. Do porównania przyjęto, że okno bez nawiewnika posiada izolacyjność R_w = 35 dB, bez względu na powierzchnię.

Podsumowanie

Nie uda się wyeliminować hałasu przenikającego do pomieszczeń bezpośrednio z zewnątrz. Jednak projektant, konstruktor czy użytkownik ma możliwość wyboru takich technologii, które w możliwie najwyższym stopniu ograniczą niekorzystne przenikanie dźwięku i zapewnią największy możliwy komfort akustyczny.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 201, poz. 1238).
2. Resnick R., Halliday D., Fizyka.
3. Feynman R., Feynmana wykłady z fizyki.
4. PN-B-02153:2002 Akustyka budowlana. Terminologia, symbole literowe i jednostki.
5. PN-B-02151-3:1999 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Izolacyjność akustyczna przegród w budynkach oraz izolacyjność akustyczna elementów budowlanych. Wymagania.
6. PN-B-02151-02:1987 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynkach. Dopuszczalne wartości poziomu dźwięku w pomieszczeniach.
7. PN-EN ISO 717-1:1996 Akustyka. Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków powietrznych.