Защита зданий от нежелательного шума

Основные понятия и величины

Шумом являются все звуки, воспринимаемые органами слуха и оказывающие на человека нежелательное физиологическое и психологическое воздействие в любых видах жизнедеятельности (работа, отдых, сон). Воздействие шума высокого уровня снижает производительность труда на 15-20%, что свидетельствует о необходимости интенсивной защиты от шума не только на основе санитарно-гигиенических, но и экономических требований. Шум является частным проявлением физического явления, называемого звуком. Звук - волнообразные колебательные движения, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Основные физические параметры звука - скорость и частота колебаний.В воздухе звук распространяется со скоростью 340 м/с в виде продольных волн (колебания воздушных частиц совпадают с направлением распространения звука). Звук оценивается величинами частоты колебаний, длины волны, интенсивности или силы звука. Частота колебаний в секунду изменяется в герцах (Гц). Частоты колебаний от 20 до 20000 Гц вызывают у человека звуковые ощущения. Колебания с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, более 20000 Гц - ультразвуком. Длина волны ? измеряется отношением скорости звука с к частоте колебаний f

При падении звуковых воздушных волн на ограждающую конструкцию в ее материале возникают колебания с продольными и поперечными (перпендикулярными направлению распространению звуковой волны) волнами. В очень тонких конструкциях (толщиной менее ?/6) звуковые колебания возбуждают изгибные волны, особенно резко сказывающиеся на звукоизоляции конструкции (рис. 17.12). При низких частотах скорость распространения изгибных волн мала и вызванные ими колебания пластинки имеют слабые излучения звуковой энергии. По мере повышения частот эта скорость возрастает, а при определенной, так называемой граничной частоте, возникает эффект волнового совпадения - совпадения длины изгибной волны с длиной проекции звуковой волны Я, падающей на ограждение. Волновое совпадение сопровождается резким увеличением интенсивности изгибных колебаний и звукопередачи через ограждение.

Шумовые воздействия имеют различные характер и происхождение. Соответственно в проектной практике предусматривают различные меры по снижению интенсивности их воздействия на организм человека.

Источники шумового воздействия находятся внутри помещения (машиносчетные станции, рестораны, и пр.); источники шума находятся вне проектируемого здания (или помещения в здании), так называемый, «проникающий шум». Источник проникающего шума может быть внешним или внутренним. Самый распространенный внешний источник - транспортный шум, воздействующий на наружные ограждающие конструкции (наружные стены и окна). Внутренний проникающий шум создают бытовые источники в смежных помещениях (громкая музыка, танцы и пр.) и работа инженерных систем (вентиляции, водоснабжения, отопления). Он передается в помещение через внутренние ограждающие конструкции.

В соответствие с расположением источника шума защита от его воздействия различна, При расположении источника шума в помещении - звукопоглощение, при проникающем шуме - звукоизоляция.

Метод звукопоглощения базируется на снижении интенсивности звуковой энергии в воздухе помещения за счет ее частичного поглощения ограждающими конструкциями, Звуковые волны, излучаемые источником, многократно отражаясь от ограждающих конструкций, вновь распространяются, создавая суммарное звуковое поле в воздухе помещения. Энергия отраженных волн E₀ меньше прямых (падающих) Е_n вследствие звукопередачи через ограждения и частичного поглощения энергии материалом ограждений. Отношение поглощенной энергии к падающей называют коэффициентом звукопоглощения ?:

Применяя для облицовки материалы с высоким коэффициентом звукопоглощения, можно снизить уровень шума в помещении на 8-10 дБ.

Помимо облицовок применяют подвесные потолки из звукопоглощающих материалов (например, акмиграна), а при необходимости и дополнительные подвесные звукопоглотители.

При проникающих шумах основной метод защиты - звукоизоляция. Поскольку защита от транспортных шумов требует помимо звукоизоляции целого комплекса различных градостроительных и объемно-планировочных мер этот вопрос рассмотрен далее.

В данной главе рассмотрены меры и принципы звукоизоляции от проникающего шума, возникающего внутри здания.

Распространение шума внутри здания разнохарактерно (рис. 7.12). Наиболее общим воздействием является воздушной шум (речь, музыка и пр.), приводящий в колебания ограждающие конструкций, вызывающие шум в смежных помещениях.

При ударных воздействиях на междуэтажные перекрытия (прыжки, танцы и пр.), шум, передающийся колебаниями перекрытия, называют ударным. Путь передачи шума может быть прямым или косвенным, обходным. Чем жестче сопряжения конструкций (например, в монолитных бетонных зданиях), колебания вызванные воздушным или ударным шумом могут распространяться по всему зданию весьма далеко от источника шума. Такой шум называют структурным.

К структурному относят и шум, излучаемый конструкциями, жестко связанными с вибрирующими механизмами - лифтовыми лебедками, насосами, вентиляционными установками (рис. 7.13).

Звукоизоляция воздушного шума ограждающей конструкции определяется соотношением прошедшей звуковой мощности к падающей на ограждение.

Оценка звукоизоляции осуществляется не в соответствии со звуковой мощностью, а с относительной величиной - уровнем звукового давления L, в дБ.

где р₀ - пороговое звуковое давление (р₀=2·10^-5 Па).

Связан такой подход с особенностями физиологии слухового восприятия, которое располагается в диапазоне между порогом слышимости (звуковой порог) и болевым порогом (L=20·lg10⁶ Па). Таким образом, диапазон колебаний, воспринимаемых, как звуковые, находится в границах от 0 до 120 дБ.

Чувствительность слуха зависит не только от силы звука, но и от его частоты. Наибольшая чувствительность соответствует диапазону частот от 100 до 3000 Гц и снижается за ее пределами. Чувствительность слуха различна при восприятии речи и музыки: при восприятии музыки диапазон чувствительности шире (рис. 7.14).

Нормы проектирования ограничивают допустимые параметры постоянного шума величинами уровней звукового давления L в дБ, которые установлены дифференцированно для октавных полос со среднегеометрическими значениями частот 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Проектирование звукоизоляции от воздушного и ударного шума

Звукоизоляция проектируемых конструкций исследуется в диапазоне частот от 100 до 3000 Гц путем экспериментальной проверки или расчета.

Звукоизоляция (R) от воздушного шума ограждающей конструкции оценивается ослаблением среднего уровня звуковой энергии при прохождении через ограждение с учетом звукопоглощения в изолируемом помещении:

где L₁ - средний уровень звукового давления в помещении с источником шума;
L₂ - то же, в изолируемом помещении;
S - суммарная площадь ограждающих конструкций изолируемого помещения, м²;
А - общее звукопоглощение изолируемого помещения, м².

При экспериментальной проверке натурный образец конструкции испытывается в камерах звукоизоляции: он устанавливается в проем между камерой высокого уровня (КВУ) с мощным источником звука и камерой низкого уровня (КНУ), где производится измерение уровня прошедшего звука во всем диапазоне частот с построением экспериментальной кривой частотной характеристики испытанной конструкции. Для экспериментальной оценки изоляции ударного шума (только для конструкций междуэтажных перекрытий) используют «стандартную ударную машину», содержащую пять свободно падающих с высоты 4 см молотков массой по 0,5 кг, которые производят по 10 ударов в 1 с. Уровни измеренного звукового давления под испытываемым перекрытием в КНУ приводят к 1/3 октавных полос частот с вычерчиванием частотной характеристики изоляции перекрытием ударного шума. Экспериментальные (или расчетные) кривые сопоставляют с нормативными (оценочными) кривыми частотных характеристик (или их табличными значениями) изоляции воздушного шума (табл.7.14) или приведенного уровня ударного шума под перекрытием (табл. 7.15).

Звукоизоляция ударного шума оценивается с учетом звукопоглощения в изолируемом помещении:

где L_w - уровень звукового давления под перекрытием;
L - средний замеренный уровень звукового давления под перекрытием;
А - общее звукопоглощение в помещении под перекрытием;
А₀ - стандартная величина звукопоглощения для данного типа помещений, м².

Звукоизолирующая способность конструкции от воздушного шума (R_w, дБ) в нормах проектирования регламентируется одним числом (индексом изоляции) и определяется путем сопоставления частотной характеристики проектируемой конструкции с оценочной (нормативной) кривой (или ее табличными значениями).

Индекс приведенного уровня ударного шума (L_nw.) оценивается также одним числом при сопоставлении с оценочной кривой частотных характеристик приведенного уровня шума под перекрытием.

Формирование многоукладной экономики в стране привело к дифференциации нормативных требований в зависимости от стоимости объекта. Так, например, для жилых домов установлены три категории по уровню требований к индексам звукоизоляции внутренних ограждающих конструкции - высоко-комфортные (категории А), комфортные (категории Б) и предельно-допустимые условия (категория В). Соответственно индексы L_nw для междуэтажных (между квартирами) перекрытий составляют для домов категории А, Б, В соответственно 55, 58, 60 дБ, а индексы изоляции от воздушного шума R_w межквартирных стен и перегородок - 54, 52 и 50 дБ.

Индекс изоляции воздушного шума R_w (дБ) применяемой конструкции при наличии рассчитанной или экспериментально полученной частотной характеристикой определяют сопоставляя ее с оценочной кривой, установленной Международной организацией по стандартизации (ИСО) или ее параметрами, приведенными в табл. 7.4.

Для определения R_w необходимо на график с оценочной кривой наложить график частотных характеристик проектируемой конструкции. В зависимости от величины средних неблагоприятных (вниз от оценочной кривой) отклонений R_w принимается

• при отклонении до 2 дБ - равным 52 дБ;
• меньше 2 дБ - оценочную кривую поднимают вверх на целое число дБ;
• больше 2 дБ - то вниз.

За величину R_w в двух последних случаях принимают ординату смещенной (вверх или вниз) оценочной кривой на частоте 500 Гц.

Ту же методику применяют при оценке индекса приведенного ударного шума L_nw под перекрытием кривой путем сопоставления частотных характеристик с оценочной кривой ИСО или ее параметрами, приведенными в табл. 7.5.

В этом случае неблагоприятным считается смещение конкретной кривой частотных характеристик вверх от оценочной кривой и индекс L_nw принимается в зависимости от величины средних неблагоприятных отклонений:

• если оно близко, но не превышает 2 дБ L_ow принимают равным 60 дБ;
• если оно превышает 2 дБ оценочную кривую смещают вверх на целое число дБ;
• если оно существенно меньше 2 дБ или отсутствует оценочную кривую смещают вниз.

За величину индекса L_nw в двух последних случаях принимают ординату смещенной оценочной кривой на частоте 500 Гц.

Расчет частотных характеристик звукоизоляции запроектированной конструкции от воздушного шума осуществляется графоаналитическим методом различными способами в зависимости от акустического типа конструкции ограждения: акустически однородного или раздельного. К первому относят конструкции, состоящие из одного или нескольких жестко связанных между собой материалов (железобетонная однослойная панель или отштукатуренная кирпичная стена), ко вторым - многослойные из нежестко связанных слоев различных материалов. Методика расчета звукоизоляции изложена в ИСО 717 «Оценка звукоизоляции в зданиях и элементов зданий» и «Руководстве по расчету и проектированию звукоизоляции ограждающих конструкций зданий», разработанных НИИСтороительной физики.

Для зданий с традиционными массивными однослойными ограждающими конструкциями оценочной характеристикой их звукоизоляции может служить «закон массы» - прямая пропорциональность величины R логарифму поверхностной массы m (кг/м²).

где f - частота колебаний, Гц.

Однако проектирование ограждающих конструкций с ориентацией на закон массы при повышенных требованиях звукоизоляции оказывается неэкономичным из-за перерасхода конструкционных материалов.

В этих случаях прибегают к применению слоистых конструкций. Это могут быть двойные конструкции (стенки, перегородки, плиты перекрытия или т.п.) разделенные замкнутой изолированной воздушной прослойкой (иногда заполненной звукоизолюрующим материалом) при отсутствии жестких связей между конструктивными слоями. Второй вариант повышения звукоизоляции относительно массивной однослойной конструкции - одно- или двухсторонняя установка перед ней легкой гибкой плиты на относе.

Тот же эффект — повышение изоляции междуэтажных перекрытий — обеспечивает устройство слоистых полов по сплошным или ленточным звукоизоляционным прокладкам, подвесных потолков или суммы этих мероприятий (слоистые полы и подвесные потолки).

Расчеты и отдельные экспериментальные исследования показывают возможность улучшения индексов звукоизоляции междуэтажных перекрытий при целесообразном подборе конструкции и материалов слоистого пола и подвесного потолка: воздушного шума до 4 дБ, ударного - от 5 до 15 дБ.

Проектирование звукоизоляции не ограничивается акустическим расчетом ограждающих конструкций. Оно обязательно должно сопровождаться объемно-планировочными и конструктивными мероприятиями, повышающими надежность звукоизоляции и снижение воздействий структурного шума и шума инженерного оборудования. В этих целях при выборе объемно-планировочных решений не допускают смежное расположение рядом с жилыми (рабочими) помещениями или больничными палатами лифтовых шахт и стволов мусоропроводов. Над этими помещениями не допускается располагать машинные помещения лифтов, бойлерные, котельные, водопроводные насосы (кроме пожарных). Не допускаются размещение в жилых зданиях встроенных трансформаторных подстанций и целого ряда других учреждений и устройств, полный перечень которых дан в МГСН 3-01.01.

При устройстве слоистых конструкций (перегородок, перекрытий с плавающим полом и др.) должны быть исключены жесткие связи с примыкающими несущими конструкциями: стыки должны быть изолированы звукоизоляционными прокладками, а крепления дополнительных акустических стенок редко расположенными нежесткими связями (рис. 7.15). В самих ограждающих конструкциях должны быть исключены сквозные щели и отверстия, так как они приводят к значительному снижению звукоизоляции.

При диффузном прохождении звуковой волны через такие щели передается больше звуковой энергии, чем это представляется в соответствии с размерами щели. Увеличение передаваемой через нее энергии обусловлено дифракцией звука и резонансными колебаниями воздуха в объеме отверстия.

Лифтовые шахты проектируют самонесущими с опиранием на собственный фундамент. Места пересечения шахтами междуэтажных перекрытий заполняют упругими звукоизоляционными прокладками. Также изолируют места пересечения стен и перекрытий трубопроводами инженерных систем зданий. Вентиляционные установки, аналогично лифтовым шахтам, предпочтительно проектировать самонесущими. В зданиях большой этажности, когда применение самонесущих шахт становится экономически неприемлемым вынужденным решением становятся применение ненесущих шахт, устанавливаемых поэтажно на перекрытия. Защитной мерой остается заполнение сопряжений звукоизоляционными прокладками.