Zanimljive zablude o zvučnoj izolaciji

Središnje pitanje u rješavanju problema zvučne izolacije zgrada svodi se na pitanje kako zaustaviti zvuk. Akustičari su razvili teoriju o zvuku koja objašnjava njegovo širenje kroz građevne pregrade i metode predviđanja, no unatoč tome s vremenom su se pojavile razne zablude. Čini se da se među arhitektima prenose usmenom predajom.

Među njima je najraširenije mišljenje da postoje materijali koji su sami po sebi zvučni izolatori. Vjerojatno je to uzrokovano činjenicom da za sve ostale vrste izolacija u građevinarstvu (vlaga, toplina i sl.) postoje materijali s takvim svojstvima.

Najpoznatija je uporaba raznih toplinsko-izolacijskih materijala za postizanje energetske učinkovitosti i arhitekti su upoznati s njihovom primjenom. Takvi materijali postavljaju se u ili na građevinske pregrade i njima se postiže potrebna izolacija.

Koncept da postoje materijali s izraženim izolacijskim svojstvima intuitivno je prenesen i na područje zvučne zaštite, pa se govori o pregradama na koje se postavlja nekakva “zvučna izolacija”.

Mineralna vuna kao zvučni izolator

S vremenom se ustalilo mišljenje da je mineralna vuna zvučni izolator, koji svojim postavljanjem u pregradu rješava problem zvučne izolacije. Za razmatranje takve tvrdnje može se primijeniti metodologija dokazivanja nedvojbenog, a to je da je vuna dobar toplinski izolator. Svojstva toplinske izolacije lako se mogu pokazati na primjeru zamišljene pregrade od mineralne vune prikazane na slici 1.

Slika 1 – Gradijent temperature i gradijent razine zvučnog tlaka na pregradi od mineralne vune: lijevo – temperaturni gradijent kada je na jednoj strani pregrade temperatura -40º, a na drugoj sobna temperatura 20º; desno – gradijent razine zvučnog tlaka ako razina zvuka od 100 dB djeluje na jednoj strani pregrade.

Za ilustraciju je uzeta ploča od staklene vune debljine 10 cm i gustoće oko 30 kg/m³. Ako se pretpostavi da je s jedne strane temperatura -40˚, a s druge strane 20˚, računica pokazuje da će s jedne strane temperatura na površini vune biti 17˚, a s druge -39˚. (autori ovog teksta se bave problematikom toplinske izolacije koju ne razumiju; sve navedene vrijednosti smo dobili od kolega koji se bave energetskom učinkovitošću, pa im ovim putem zahvaljujemo na usluzi).

Veliki temperaturni gradijent unutar pregrade očit je dokaz da je promatrana mineralna vuna toplinski izolator.

Ista se metodologija može koristiti za provjeru može li se takav sloj vune smatrati zvučnim izolatorom. U tom smislu organiziran je mali eksperiment u kojem je jedna strana iste vunene pregrade bila izložena zvučnom polju od 100 dB. Eksperimentalno ispitivanje u laboratorijskim uvjetima pokazalo je da razina zvučnog tlaka s druge strane pregrade doseže oko 88 dB. Ovaj gradijent prikazan je na desnoj strani slike 1. Tako da prikazana pregrada od vune smanjuje razinu zvučnog tlaka za samo 12 dB!

Prevedeno na obični jezik, to znači da će se sve čuti kroz promatrani vuneni zid, što je na neki način intuitivno jasno. Njegova izolacijska svojstva znatno su niža od bilo koje obične pregrade koja se nalazi u zgradama. Čak će i pregrada od šperploče postići bolji rezultat, što pobija opće mišljenje koje postoji o mineralnoj vuni kao zvučnom izolatoru. Zaključak ovog eksperimenta je da se mineralna vuna, sama po sebi, ne može smatrati zvučnim izolatorom u smislu u kojem su definirane duge vrste izolacije.

Analizirajući dalje ponašanje mineralne vune u zvučnoj izolaciji, umjesto pregrade sa slike 1, uočava se standardni suhozidni zid ukupne širine 15 cm, što znači da se sa svake strane nalaze dvije gipsane ploče debljine 1,25 cm. postavljen na limenu podkonstrukciju širine 10 cm.

Slika 2. Neki primjeri pregrada sa i bez mineralne vune i gradijent razine zvučnog tlaka u njima

Takav zid prikazan je na slici 2. Kada se jedna njegova strana izloži razini zvuka od 100 dB, kao što je bilo u pokusu s vunom, može se odrediti razina koja će biti s druge strane. Na temelju podataka proizvođača takvih konstrukcija izračunato je da će ta razina biti oko 61 dB.

Dakle, razlika u razini zvučnog tlaka na dvije strane takvog zida je 39 dB. Usporedbom postignutog rezultata takvog suhomontažnog zida sa rezultatom dobivenim zidom od mineralne vune na slici 1. vidljivo je da je pregrada od gipsanih ploča neusporedivo bolji zvučni izolator (39 dB prema samo 12 dB).

Ako se sada ista prethodno analizirana vuna postavi u međuprostor promatranog suhozida i istom metodom, uz korištenje certifikata proizvođača, odredi gradijent razine zvučnog tlaka, dobiva se da će on na drugoj strani iznositi 43 dB. strana. Ovaj je slučaj također prikazan na slici 2. Dakle, postavljanje vune unutar suhozida rezultiralo je ozbiljnim poboljšanjem njegovih izolacijskih svojstava za čak 18 dB. Ovo je veći dobitak izolacije nego što se postiže samo vunom. Za one koji misle da je mineralna vuna zvučni izolator ova dva slučaja njene uloge mogu djelovati zbunjujuće, ali samo ako ne poznaju fiziku širenja zvuka.

Za daljnju analizu ponašanja vune u zvučnoj izolaciji, može se pogledati što se događa kada se doda drugim vrstama pregrada. Ako se radi o zvučnom izolatoru, kao što sugeriraju rezultati mjerenja izolacije suhozida, njegov doprinos izolaciji pregrada trebao bi uvijek biti prisutan bez obzira na to gdje je postavljen. Za provjeru se može koristiti betonski zid debljine 20 cm, prikazan na slici 2.

Kada se izvede eksperiment kao u prethodnim primjerima i jedna strana takve pregrade bude izložena razini zvučnog tlaka od 100 dB, razina zvuka na drugoj strani bit će samo 39 dB. Razlika je čak 61 dB. To je u skladu s poznatom činjenicom da je beton najbolji zvučni izolator jer ima najveću gustoću. Kada se na takav zid postavi sloj mineralne vune, njegova izolacijska svojstva se uopće ne mijenjaju, što je također prikazano na slici 2.

Razina zvuka s druge strane takvog zida ostaje ista unatoč prisutnosti vune, točnije količina zvučne energije koja prolazi kroz takav zid bit će ista sa ili bez vune. Da ne bude zabune, prisutnost vune u prostoriji s druge strane takvog zida promijenit će akustične uvjete u njoj, pa će doći do neke promjene u onome što se čuje kroz zid, ali sasvim drugim mehanizmima koji nemaju nikakve veze s izolacijskim svojstvima zida. Ali to je druga priča.

Sažimanjem ovih primjera dolazi se do sljedeće slike stanja vune kao “zvučnog izolatora”:

• sama pregrada od mineralne vune (10 cm) postiže izolaciju od oko 12 dB,
• kada se ista vuna postavi u međuprostor žbukanog zida njen doprinos izolaciji je čak 18 dB,
• kada se vuna postavi na površinu betonske pregrade debljine 20 cm, njen doprinos je 0 dB.

Iz toga je jasno da se pri korištenju vune u zvučnoj izolaciji odvijaju neki fizički procesi koji se intuitivno ne mogu razumjeti. Objašnjenje leži u mehanizmu prijenosa zvučne energije kroz građevne pregrade, koji se bitno razlikuje od mehanizma prijenosa topline ili vlage kroz njih. Sve je to posljedica činjenice da je zvuk po svojoj prirodi mehanička pojava, iako nevidljiva. A ono najvažnije iz ovoga je evidentna činjenica da se zvučna izolacija ne postiže jednostavnim postavljanjem nekog materijala na zid, kao što se to radi kod drugih vrsta izolacija u graditeljstvu, već na malo složeniji način.

Neobično ponašanje mineralne vune u zvučnoj izolaciji može se razumjeti samo ako se pođe od fizikalne biti zvuka, što znači od njegove definicije. Definicija zvuka je sljedeća: zvuk je svaka vremenski promjenjiva mehanička deformacija u elastičnom mediju. Dio definicije koji kaže da se radi o vremenski promjenjivim deformacijama znači da se radi o vibracijama u materiji, no najvažniji dio ove definicije je onaj koji kaže da je zvuk mehanička pojava. Energija zvuka koja putuje svemirom u biti je mehanička energija.

Postoji u kinetičkom obliku kao oscilatorno kretanje molekula, au potencijalnom obliku deformacijom elastičnih veza među njima. Zadaća zvučne izolacije je zaustaviti širenje takve specifične pojave u potrebnoj mjeri.

Sve zablude o zvuku, a posebno o zvučnoj izolaciji u zgradarstvu, rezultat su nepoznavanja činjenice da se radi o potpuno mehaničkoj pojavi. Da bi se razumjela logika zvučne zaštite, potrebno je krenuti od zakona mehanike. Zanimljiva analogija koja pomaže u razumijevanju može biti dobro poznati trampolin za skakanje prikazan na slici 3.

Ako netko skoči na njega, na primjer u točki A, cijela njegova površina vibrira i pravi neke oscilacije. U svim točkama njegove površine postoje pomaci koji mogu biti vrlo veliki, što ovisi o intenzitetu skokova. Ono što se događa s površinom trampolina također predstavlja zvuk jer su to vremenski promjenjive mehaničke deformacije elastičnog medija. Jedina razlika je u tome što su na trampolinu promjene u pokretu relativno spore, poput nekog ogromnog bubnja koji stvara vrlo niske frekvencije, ispod dosega osjetila sluha.

Shematski prikaz trampolina s označenim točkama Ai B prikazan je na slici 4. Rješavanje zvučne izolacije u zgradama je u svemu analogno rješavanju hipotetskog zadatka koji se može postaviti na trampolinu sa slike: ako netko skoči na njega u točki A. , u točki B treba osigurati da pomak površine bude dovoljno mali, na primjer, 1 cm (vrijednost se uzima krajnje proizvoljno).

Analogija ovog zahtjeva sa zahtjevima zvučne izolacije u zgradama je potpuna, jer pojava buke u prostoriji implicira da u njoj postoje velika mehanička kretanja molekula zraka. Zvučna izolacija mora osigurati da mehanička kretanja molekula zraka u susjednoj prostoriji budu manja od neke unaprijed određene vrijednosti. Jedina je razlika što se kod zvuka ne promatraju molekularna gibanja kao pokazatelj stanja, jer se ne mogu jednostavno izmjeriti, već se za to koriste neke druge veličine izražene u decibelima.

Razmišljanje o tome kako smanjiti kretanje trampolina u točki B u biti je analogno razmišljanju o tome kako postići dovoljno veliku zvučnu izolaciju između prostorija. Trivijalno rješenje tog zadatka bilo bi ograničiti intenzitet skokova na mjeru koja osigurava zadovoljenje zadanog uvjeta u točki B. U domeni buke to je ekvivalentno postavljanju najveće dopuštene vrijednosti razine zvuka u prostorijama zgrade, što je osigurano zakonskim odredbama i kućnim redom.

Ako se nešto mora učiniti da se smanji kretanje u točki B, ad hoc ideja bi mogla biti presjeći skakalište na dva dijela.

Dodavanjem nekih elemenata u metalni kostur dobivaju se dvije neovisne površine koje vjerojatno mogu zadovoljiti postavljeni uvjet. Također je moguće potpuno razdvojiti konstrukcije tako da se dobiju dva trampolina. Na slici 4 shematski su prikazani takvi zahvati. Prikazanim rješenjem realno je da će zadovoljiti postavljeni uvjet.

Međutim, za točku B se može postaviti stroži uvjet da pomaci moraju biti manji od npr. 1 mm ili čak i manji. U slučaju razdvajanja konstrukcija i izrade dva trampolina, ipak će postojati neka vrsta slabe mehaničke veze između njih. Postoji preko površine na kojoj stoje oba trampolina, ako je to npr. drveni pod, ili preko strujanja zraka koje nastaje kretanjem velike površine na kojoj se nalazi točka A. To znači da unatoč odvojenosti trampolina, neki može se očekivati ​​malo pomicanje površine u točki B što ovisi o okolini, pa se može dogoditi da stroži uvjet nije zadovoljen.

Da bi se to nekako riješilo, potrebno je prekinuti preostale slabe mehaničke veze između svih trampolina. To se može postići npr. betoniranjem postolja na kojem trampolini stoje ili na neki način odvajanjem njihovih postolja kao što je simbolično označeno na slici 4.

Slika 4 – Shematski prikazi intervencija na trampolinu za smanjenje njegovog kretanja u točki B

Također je moguće umetnuti tvrdu barijeru između dva trampolina kako bi se spriječio međusobni mehanički utjecaj kretanja zraka. I ova je mjera shematski prikazana na toj slici. Sve su to nužni zahvati u slučaju da je postavljen vrlo strogi kriterij oslanjanja površine na točku B.

Prikazani primjer s trampolinom kao nečim što svatko može iskustveno dočarati za sebe pokazuje dvije važne činjenice vezane uz zvuk.

• Zvuk je fizički fenomen koji se sastoji od mehaničkih oscilacija srednjih molekula na mikro razini. Stoga se zvučna izolacija može postići samo sredstvima koja mogu djelovati na zaustavljanje širenja mehaničke (zvučne) energije.
• Zaustavljanje zvučne energije rješava se različitim oblicima mehaničkog odvajanja, koji se uglavnom postižu fizičkim diskontinuitetima.

Nepoznavanje ovih činjenica dovodi do zabluda koje nastaju pokušajima intuitivnog objašnjenja zvučnih pojava, pa su tako nastali materijali nazvani “zvučna izolacija”.

Primjeri s vunom u zidovima i s trampolinom razjašnjavaju dvije važne zablude.

• Prvo, mineralna vuna se sama po sebi ne može nazvati zvučnim izolatorom, ali je odličan dodatak u pregradnim konstrukcijama koje zahtijevaju veću zvučnu izolaciju. Također ima važnu ulogu u zaustavljanju zvuka i ne smanjuje njegovu akustičnu vrijednost.
• Drugo, zvuk je sveden na jednostavan mehanički fenomen, a nije neki nejasni fenomen. Riječ je o vibrirajućim molekulama koje svoju energiju prenose s jedne na drugu. Dakle, zvučna izolacija se rješava stvaranjem fizičkih prekida (diskontinuiteta) u mediju kroz koje se širi mehanička energija zvučnog vala.

Analogija s trampolinom također je pokazala da u slučaju visokih zahtjeva za zvučnom izolacijom, čak i sitnice poput nekih zaobilaznih puteva zvučne energije postaju važne. U slučaju trampolina to su bile staze po podu ili kroz strujanje zraka, a u zgradama su to bočni zidovi, otvori, bočne prostorije i slično. Kako sve te principe praktično primijeniti u zgradarstvu je posebna tema.

Autori teksta: Prof. dr Miomir Mijić, Prof. dr Dragana Šumarac Pavlović