Zvuk, tlak, frekvencija
Gibanje vibrirajućeg tijela remeti okolinu oko njega. Ti se poremećaji postupno šire u svim smjerovima od izvora do tijela primatelja, npr. uha. Brzina kojom se kreću ovisi o fizikalnim svojstvima okoline (u zraku na 20°C brzina je 340 m/s). Ne šire se u vakuumu. Pod određenim uvjetima, ovi poremećaji mogu se percipirati uhom uzrokujući, jednostavno rečeno, „zvuk“. Zvuk čujemo uhom i to je varijacija tlaka na bubnjić koji se prenosi kretanjem u okolini, općenito zraku. Bubnjić prenosi te promjene tlaka, a neuroakustički sustav uha to pretvara u zvučni podražaj.
Za mjerenje zvuka potrebne su dvije vrijednosti:
- razina tlaka koja je predstavljena u paskalima (Pa) ili češće korištena razina zvučnog tlaka – predstavljena u decibelima (dB)
- frekvencija, koja ovisi o trajanju cjelokupne vibracije mjerenjem broja vibracija u sekundi izraženih u hercima (Hz), što je veća frekvencija, to je više pikova u sekundi
Postoje različita frekvencijska područja:
- niske frekvencije, ispod 300 Hz
- srednje frekvencije, između 300 i 1200 Hz
- visoke frekvencije, iznad 1200 Hz
Na slici 1 su prikazana frekvencijska područja.
Na slici 2 su prikazani frekvencija i intenzitet.
Prag čujnosti za ljudsko uho je tlak od 2 • 10–5 Pa. Uho može podnijeti pritisak do 20 Pa bez oštećenja. Prag boli je oko 200 Pa. Ljudsko uho osjetljivo je na minimalne zvučne promjene tlaka. Uho osjeća te promjene i preko 10 milijuna puta manji tlak od tlaka na pragu boli. Što se tiče frekvencije, uho u prosjeku može čuti zvukove u području od otprilike 20 Hz do između 16.000 i 20.000 Hz.
Akustički tlak
U praksi se akustički tlak ne koristi za mjerenje intenziteta zvuka jer je:
• raspon tlaka vrlo velik – od 2 • 10–5 do 20 ili 100 Pa
• odnos između ljudskog uha i akustičkog tlaka nije linearan nego logaritamski
Razina akustičkog tlaka Lp stoga se izračunava pomoću formule:
gdje je p zvučni tlak (Pa) zvučnog vala pa je referentni tlak ekvivalentan pragu sluha od 2 • 10–5 Pa. Ova vrijednost je izražena u decibelima (dB). Primjer: ako zvuk ima zvučni tlak od 10 Pa tada ćemo za akustični tlak dobiti:
Tablica 1 prikazuje odnos između zvučnog tlaka (Pa), razine akustičkog tlaka (dB) i detalja fizioloških učinaka te primjer odgovarajućeg zvuka.
Decibeli u praksi
Kada nekoliko neovisnih izvora proizvodi zvučne tlakove p1, p2, … u isto vrijeme, rezultirajući tlak izračunava se pomoću formule p2 = p21+ p22 +…, a rezultirajući akustički tlak dobiva se formulom:
To znači da je neispravno zbrajati sve akustične vrijednosti predstavljene u dB. Dva zvuka s istim akustičkim tlakom zajedno proizvode buku izmjerenu u dB veću od svake komponente zasebno. Primjer: ako buka ima zvučni tlak od 0,2 Pa, akustički tlak izračunava se pomoću formule:
Ukoliko dva zvuka pojedinačno imaju akustički pritisak po 60 dB pojedinačno, onda je kombinirani akustički tlak:
Slika 3 prikazuje kombiniranje akustičkih tlakova.
Važno: čak i ako postoji razlika u izolaciji od 3 dB između dva proizvoda, to je jednako smanjenju intenziteta zvuka do 50%. Isto ne vrijedi za čujnost zvuka u uhu. U slučaju uha, ova razlika je:
1 dB je praktički nečujan
3 dB je jedva čujno
5 dB je jasno
10 dB je ekvivalentno 50% smanjenju percepcije intenziteta zvuka
20 dB je ekvivalentno 75% smanjenju percepcije intenziteta zvuka
Ova razlika od 20 dB otprilike je ekvivalentna području koje pokrivaju akustična stakla.
Akustička udobnost
U tablici 2 prikazan je maksimalni akustički tlak ovisno o vrsti prostorije ili aktivnostima koje se u njima obavljaju.
Zvučni spektar
U stvarnosti, zvukovi koje uho čuje nisu sastavljeni od ponavljajućih frekvencijskih ciklusa i identičnih razina tlaka, već različitih frekvencija i zvučnih tlakova, koji su superponirani jedni na druge, tvoreći neprekidni spektar koji sadrži sve frekvencije. Prikazan je razumljiv zvuk. Zato ga je potrebno prikazati u dijagramu koji se zove zvučni spektar, a koji predstavlja razinu tlaka (ili zvučnu izolaciju) ovisno o frekvenciji. Slika 4 prikazuje primjer zvučnog spektra.
Indeks smanjenja zvuka
Zvučna izolacija spektra osigurava mnoge detalje akustičkih izvedbi ostakljenja. Iako je njime kao alatom teško manipulirati (indeks smanjenja zvuka), iz tog razloga ga je poželjno izvesti iz različitih krivih indikacija koje sažimaju zvučnu izolaciju spektra. Prednost ovih pokazatelja je u tome što se mogu koristiti za lakšu klasifikaciju akustične izvedbe različitih elemenata. Nekoliko zemalja ima standardno upravljanje ovim pokazateljima. Danas su zamijenjeni jednobrojnim pokazateljima Rw (C; Ctr). Pojedinosti su dane u Standardu EN ISO 717-1.
Jednobrojna vrijednost Rw (C; Ctr)
Jednobrojna vrijednost, prema europskom standardu EN ISO 717-1, u stvarnosti se sastoji od tri člana definirana kao: Rw (C; Ctr) gdje je: Rw jednobrojna vrijednost poznata kao težinski indeks smanjenja zvuka, C je član prilagodbe vrha spektra buke (viši vrh zvukova), Ctr je član prilagodbe spektra gradske buke (niži vrh zvukova).
Dva člana prilagodbe određuju se na takav način da se uzme u obzir vrstu zvuka u funkciji potrebne izolacije. Prvi indeks (vrh buke) je ekvivalentan pretežno visokim i srednjim frekvencijama. Drugi (buka putničkog prometa) ekvivalentan je pretežno niskim i srednjim frekvencijama.
Jedan se broj dodaje klasifikaciji razine izvedbe ili skupu zahtjeva s odgovarajućim faktorom prilagodbe, koji se bira prema izvoru buke. Ovisno o scenariju, potrebne mjere zvučne izolacije osigurane su posebno za ostakljenje (Rw + C) ili (Rw + Ctr).
Tablica 3 daje detalje koji omogućavaju korištenje člana prilagodbe ovisno o izboru buke.
Važno je naglasiti da je izmjerena vrijednost indeksa smanjenja zvuka ekvivalentna laboratorijskim mjerenjima i općenito je poželjnija od one dobivene na licu mjesta za isti izvor buke. U praksi, smanjenje buke na mjestu je manje.
Međutim, jednobrojna vrijednost znači da se staklo može klasificirati ovisno o izvoru buke. Drugim riječima, ako jedna vrsta stakla ima bolju vrijednost od drugog, također će se bolje „ponašati” na mjestu kada je izloženo istom izvoru buke.
Primjer: staklo kod kojeg zvučna izolacija Rw (C; Ctr) iznosi 38 (–2; –5) će pokazati sljedeće vrijednosti:
• za nisku frekvenciju buke izolacija Rw + Ctr = 38 – 5 = 33 dB
• za visoku frekvenciju buke izolacija Rw + C = 38 – 2 = 36 dB
Napomena: neke zemlje ne koriste simbol Rw (C; Ctr) nego RA i RAtr, gdje je:
• RA = Rw + C
• Rtr = Rw + Ctr
Vanjska buka
Razina i ton osnovne buke zajedno s razinom buke iz nedefiniranih izvora čimbenici su koji se moraju uzeti u obzir tijekom projektiranja, kako bi se odabrala odgovarajuća zvučna izolacija za fasadu.
Ne samo da vanjska buka može imati različite razine zvuka ovisno o izvoru, već se također može razlikovati u tonu. Brzo kretanje prometa, koje ima visoki pik, ima drugačiji ton od niskog pika zvuka motora autobusa ili sporijeg gradskog prometa. Zvuk zrakoplova ili vlaka također ima drugačiji ton.
Ovo razmatranje je vrlo važno kod projektiranja fasada, jer je u praksi puno teže izolirati niže pikove zvuka. Slika 5 prikazuje spektar za dvije vrste izvora zvuka (gradski promet i promet na autocesti).
Razine zvuka potrebne za unutarnju akustičnu udobnost ovise o okruženju u kojem se zgrada nalazi. Buka prolazi kroz ostakljenje i bit će smetnja u vrlo mirnom okruženju više nego u urbanom središtu. Postoji veća razlika između buke od specifičnih prepoznatljivih izvora koji ulaze u zgradu izvana (npr. prolazak motocikla) i od neprepoznatljivih izvora puno većih u centru grada. Dizajneri moraju pridati pažnju ovom pitanju.
Zvučna izolacija stakla
Svako staklo postavljeno je u okvir koji osigurava zvučnu izolaciju. Ipak, neke vrste ostakljenja, poput laminiranog stakla s prahom ili akustične PVB folije zajedno s nekim specifičnim vrstama dvostrukih ostakljenja značajno poboljšavaju akustičke karakteristike. U nastavku je opisano akustično ponašanje različitih tipova ostakljenja.
Jednostrano panel (float) staklo
Što se tiče zvučne izolacije, staklena ploča djeluje kao jednostrana pregrada koja podliježe dvama akustičkim zakonima koji vrijede za sve jednostrane staklene pregrade. Analizira se vezano uz materijal od kojeg su izrađeni:
- zakon frekvencije
- zakon mase
Frekvencijski zakon, potvrđen u teoriji za tanke pregrade svih dimenzija, pokazuje da se izolacija povećava za 6 dB s udvostručenjem prosječne frekvencije. U praksi zakon nije uvijek primjeren i unutar zvučnog spektra postoje tri frekvencijske zone. U prvoj zoni je frekvencijski zakon u većini slučajeva odgovarajući i izolacija raste s frekvencijom. Međutim, pregrade su specifičnih dimenzija i imaju nedostatak, što znači da su izolacijski dobici samo 4 i najviše 5 dB, kada se prosječna frekvencija udvostruči, npr. približno 800 Hz.
U drugoj zoni razina zvučne izolacije pada zbog kritične frekvencije staklene ploče. Kritična frekvencija tanke staklene ploče je frekvencija pri kojoj su brzina slobodne trake na pregradi i brzina zraka jednake, npr. frekvencija na kojoj staklena ploča spontano vibrira kao val.
Na sobnoj temperaturi, kritična frekvencija određena je prema sljedećem izrazu:
gdje je e debljina staklene ploče izražena u mm.
Položaj ove zone ovisi o elastičnosti materijala. Postoji veće podudaranje u niskofrekventnoj zoni.
U trećoj zoni, nakon usklađivanja, izolacija se brzo povećava s udvostručenjem frekvencije, u teoriji za 9 dB, ali u praksi je to povećanje manje. Slika 6 prikazuje zakon frekvencije u teoriji i praksi.
Zakon mase, koji je određen u teoriji, pokazuje da ako se masa pregrade udvostruči, tada se osigurava povećanje zvučne izolacije od 6 dB pri konstantnoj frekvenciji. U praksi se ovaj zakon primjenjuje u većini slučajeva, osim u podudarnoj zoni. Povećanje debljine jednostruke staklene ploče također gura kritičnu frekvenciju u područja niže frekvencije (cf – kritična frekvencija, zakon frekvencije). Slika 7 prikazuje zakon masa u teoriji i praksi.
Tablica 4 prikazuje kritičnu frekvenciju jednostrukog stakla u ovisnosti o debljini.
Zaključci
- U svjetlu zakona frekvencije, svi materijali prirodno osiguravaju bolju zvučnu izolaciju na višim frekvencijama nego na nižim. Buka kojoj su izložene zgrade često sadrži niske frekvencije.
- Porast debljine jednostrukog panelnog ostakljenja koje u teoriji povećava tzv. zvučnu izolaciju stakla ima nedostatak premještanja kritične frekvencije preko valova k nižim frekvencijama i zbog toga slabljenje izolacije na nižim pikovima zvuka, na nižim frekvencijama. Međutim, porast debljine stakla može poboljšati karakteristike.
- Jednostruko panel ostakljenje osigurava razinu izolacije (Rw) aproksimativno 29 dB debljine 4 mm do 35 dB debljine 12 mm.
Autori članka: Prof. dr Dragan Škobalj, Ž. Đokić dipl.inž.stroj.
