Akustika vícevrstvých stavebních konstrukcí
Zvuková izolace stěn je v moderních systémech výstavby často zhotovovaná vícevrstvými konstrukcemi. Tento článek se věnuje akustickému fungování právě takových konstrukcí a rozebírá důležitost správné realizace. Také varuje před omezenou zvukovou neprůzvučností na nízkých frekvencích, které se často nevěnuje dost pozornosti. Ke srovnávání akustického chování konstrukcí a simulacím byl použit software pro výpočet zvukové neprůzvučnosti INSUL.
1. Úvod
Vícevrstvé konstrukce jsou nedílnou součástí moderních staveb, zejména těch, které se odklání od tradiční středoevropské výstavby. Vyznačují se složitější konstrukcí a mají – obecně řečeno – nižší hmotnost oproti zděným či betonovým konstrukcím. S narůstajícími požadavky na stavební řešení obytných a administrativních objektů jsou jejich skladby častokrát mnohovrstvé. Tyto skladby již prakticky nemají mnoho společného s klasickou sádrokartonovou příčkou ve smyslu: deska, sloupek, deska. Požadavky na tepelnou techniku, neprůvzdušnost, vlhkostní transfery a v neposlední řadě i na akustiku a vedení technických zařízení budov ve vrstvách konstrukce tlačí projektanty a stavební firmy až do velmi komplexních souvrství. Často se jedná o skladby se dvěma i třemi rámy a mezilehlými deskovými prvky. Z akustického hlediska však ne vždy rovnice, že více vrstvami se dosáhne lepší zvuková izolace, neboť mezi jednotlivými vrstvami dochází častokráte k rezonanci, která negativně ovlivňuje celkové akustické chování konstrukce.
2. Limity a zjednodušení
V rámci zpřehlednění situace je v tomto článku mnoho zjednodušení. Jak bylo předesláno, všechny hodnoty byly vypočteny softwarem pro výpočet zvukové neprůzvučnosti INSUL [1]. Jedná se navíc o hodnoty laboratorní vzduchové neprůzvučnosti. Není tedy přihlédnuto k bočním přenosům, a proto modelová situace tak zdaleka nebude odpovídat situaci na stavbě se všemi nedokonalostmi a omezeními stavební realizace. Zvláště ve vyšších hodnotách neprůzvučnosti se již znatelně projevuje výzmnamý vliv bočních cest a způsobů napojení do okolních konstrukcí.
3. Vícevrstvé konstrukce
Pod pojmem vícevrstvé konstrukce se pro účely tohoto článku rozumí stavební stěnové konstrukce s minimálně jedním rámem opláštěným z obou stran deskovými prvky. Příkladem je jednoduchá sádrokartonová příčka. Je však možné mít těchto opláštěným rámů více, a vytvořit tak složitejší konstrukce.
4. Akustické působení
Na začátek krátké osvětlení fyzikálního působení homogenní konstrukce. Níže je graf (Graf 1) vzduchové neprůzvučnosti s vyznačením tří základních oblastí. Frekvenčně nejníže je oblast vlastní rezonance. U homogenních (pro účely tohoto článku lze zjednodušeně nazvat jednovrstvých) konstrukcí je většinou dostatečně nízká, aby se v pásmu dotčeného legislativními požadavky neprojevila. Současná legislativa sleduje z pohledu zvukové izolace v budovách frekvence od 100 do 3150 Hz. Spodní hranice oblasti slyšitelnosti je však udávána na frekvenci 20 Hz. Reálně tento nesoulad znamená, že pásmo od 20 do 100 Hz je ze současného pohledu legislativně nesledované, ale přitom slyšitelné. Nezřídka do tohoto pásma právě spadají vlastní rezonanční kmitočty deskových prvků vícevrstvých konstrukcí a to je možný zdroj problémů na stavbách.
Druhou oblastí v křivce vzduchové neprůzvučnosti je pásmo vlivu hmotnosti. Zde platí zákon hmoty a neprůzvučnost se zvyšuje tempem 6 dB/oktávu. Toto pásmo je shora frekvenčně ohraničeno počátkem vlnové rezonance.
Oblast vlivu vlnové koincidence je poslední oblastí. Začíná kritickou frekvencí (fcr), což je nejnižší kmitočet vlnové koincidence. Tuto vlnovou koincidenci způsobuje zvuková vlna dopadající na prvek (s výjimkou kolmého dopadu). Ta vyvolá v prvku ohybové vlnění.
„Pro tento druh přenosu, který se nazývá vynucený, závisí rychlost ohybových vln v prvku na úhlu dopadu zvukové vlny a je vždy větší nebo rovna rychlosti zvuku ve vzduchu. Jestliže pro určitý úhel dopadu nastane situace, že rychlost vynucených ohybových vln je rovna rychlosti volných ohybových vln, potom dochází k jevu nazývanému vlnová koincidence. Ta se projevuje těsnou vazbou mezi prostředím a konstrukcí, a tedy i zvýšeným přenosem zvuku a poklesem neprůzvučnosti konstrukce v porovnání s oblastí vlivu plošné hmotnosti.“ [2]
![Graf 1: Frekvenční průběh vzduchové neprůzvučnosti stěny [2]](/docu/clanky/0210/021042o1.png)
Graf 1: Frekvenční průběh vzduchové neprůzvučnosti stěny [2]
Tento graf je však platný zejména pro jednoduché, resp. jednovrstvé stěny. V případě vícevrstvých konstrukcí je výsledná křivka složitější. Jednak desky na vnitřní a vnější straně mohou mít jinou tloušťku a případně jiný materiál, a ještě je mezi deskami rám. Tento rám vždy do určitě míry přenáší vibrace, a jednak tvoří mezeru. Tato mezera je buď vyplněná materiálem s vysokou pohltivostí nebo je ponechána volně jen jako vzduchová mezera. Druhé řešení bez vloženého materiálu je ovšem konstrukčně chybné a v této mezeře dochází zpravidla k výraznějším vlastním rezonancím a dalšímu zkomplikování křivky neprůzvučnosti.
5. Simulace
Softwarové simulace probíhaly v programu INSUL [1]. Tento program je určen pro výpočtové stanovení vzduchové neprůzvučnosti vodorovných i svislých stavebních konstrukcí. INSUL provádí odhady neprůzvučnosti na základě fyzikálního modelu. Jde o modifikaci širšího a obecnějšího výpočetního postupu, který modeluje vibrace pevných těles v prostředí tekutin [3]. Verifikací tohoto programového postupu, stejně tak jako porovnání dalších programů, které se specializují na odhad zvukové neprůzvučnosti, se zabývá článek z roku 2012 [4].
Okrajové podmínky byly stanoveny jako plošný stěnový element o rozměru 2,7 × 4 m. Objem místnosti příjmu byl 50 m3 a doba dozvuku 0,5 s. Vyhodnocení zvukové izolace bylo provedeno ve spektrálním pásmu 100–3150 Hz. Všechny tyto požadavky jsou v souladu s normami pro měření a vyhodnocení vzduchové neprůzvučnosti platné v ČR k datu sepsání tohoto článku. Jedná se normy pro měření a vyhodnocení zvukové neprůzvučnosti v budovách, zejména o ČSN EN ISO 16283-1 [5] a ČSN EN ISO 10140-2 [6].
Na srovnávacím grafu 2 jsou znázorněny idealizované konstrukce SDK stěny. Jedná se o sádrokartonové desky tloušťky 12,5 mm a dřevěný rám se sloupky 40 × 100 mm v rozestupu 625 mm. Pro náhled do prvních souvislostí je prostor v tomto rámu ponechán prázdný tedy bez obvyklého absorbéru, např. v podobě minerální vaty. Seznam konstrukcí i s jejich kódovým označením, celkové plošné hmotnosti, tloušťkou a vzduchovou neprůzvučností, která se v jako jednočíselná veličina používá pro porovnání s legislativně závaznou normou ČSN 730532[7] viz níže:
| označení | popis | plošná hmotnost (kg/m2) | celková tloušťka (mm) | vzduchová neprůzvučnost Rw (dB) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | jednoduchá SDK deska bez rámu | 8,4 | 12,5 | 26 |
| 1+1 | jednoduchý rám oboustranně opláštěný deskami | 17,7 | 125 | 34 |
| 1+1+1 | dva rámy, jedna deska středová a po jedné na povrchu | 27 | 237,5 | 40 |
| 1+0+1 | jako předešlá varianta ale bez středové desky | 18,6 | 237,5 | 41 |
| 3 | tři desky bez rámu spojeny navzájem vruty | 25,2 | 37,5 | 35 |
Obr. 1: Vizualizace konstrukcí 1. část; označení zleva: 1+1; 1+1+1; 1+0+1; 3
Jednotlivé křivky neprůzvučností jsou na grafu ještě doplněny vyznačením frekvencí 100 Hz a 3150 Hz pro znázornění legislativně sledovaného pásma.
Graf 2: Křivky vzduchové neprůzvučnosti konstrukcí bez vložené izolace
Analýza grafu:
- Kritická frekvence všech konstrukcí je na hodnotě cca 2500 Hz.
- Jednovrstvé konstrukce mají lineární průběh až do kritické frekvence, přičemž ztrojnásobení hmotnosti znamená zvýšení neprůzvučnosti o 9 dB (obecně je častější porovnání zdvojnásobení hmotnosti a 6 dB).
- Varianta s největší plošnou hmotností (díky největšímu množství použitého materiálu), 1+1+1 má lepší neprůzvučnost až od 315 Hz. Do té doby projevuje nižší neprůzvučnost než konstrukce pouze se dvěma deskami. Dokonce na 80 Hz má neprůzvučnost nižší než jednoduchá SDK deska bez rámu.
Další srovnání je již běžné stavební praxi blíže, neboť do vzniklých mezer v rámu je přidán zvukově pohltivý materiál. Zvoleným materiálem v simulace je minerální vlákno KNAUF v tloušťce 80 mm. Jinak zůstaly konstrukce stejné jako v předchozím srovnání. Označení konstrukcí a vizuální náhled v Tab. 2 resp. Obr. 2
| označení | popis | plošná hmotnost (kg/m2) | celková tloušťka (mm) | vzduchová neprůzvučnost Rw (dB) |
|---|---|---|---|---|
| 1+1 | jednoduchý rám oboustranně opláštěný deskami | 17,7 | 125 | 34 |
| 1+1_izo | předešlé plus izolace | 12,5 | 125 | 39 |
| 1+1+1 | dva rámy, jedna deska středová a po jedné na povrchu | 27 | 237,5 | 40 |
| 1+1+1_izo | předešlé plus dvě vrstvy izolace | 35,2 | 237,5 | 45 |
| 1+0+1 | dva rámy, desky pouze na povrchu | 18,6 | 237,5 | 41 |
| 1+0+1_izo | předešlé plus dvě vrstvy izolace | 26,8 | 237,5 | 58 |
Obr. 2: Vizualizace konstrukcí 2. část s vloženou zvukovou izolací; označení zleva: 1+1_izo; 1+1+1_izo; 1+0+1_izo
Výsledné křivky vzduchové neprůzvučnosti těchto konstrukcí jsou v grafu 3, kde je pro srovnání přidaná pro srovnání referenční betonová stěna tl. 190 mm, která má stejnou hodnotu vážené vzduchové neprůzvučnosti jako konstrukce 1+0+1_izo (Rw = 58 dB).
Graf 3: Křivky vzduchové neprůzvučnosti konstrukcí bez a s vloženou izolací
Analýza grafu:
- Na tomto příkladě je názorně vidět, že vícevrstvé konstrukce mají výrazně jiný průběh křivky neprůzvučnosti oproti jednovstvým konstrukcím. Při stejné jednočíselné hodnotě vážené vzduchové neprůzvučnosti Rw (dB) mají jednovrstvé konstrukce oproti vícevrstvým lepší hodnoty na nízkých frekvencích ale zároveň horší hodnoty na středních a vysokých frekvencích.
- Zvukově pohltivá vrstva uvnitř rámu výrazně zlepšuje výsledné zvukově izolační schopnosti konstrukce.
- Propad neprůzvučnosti na frekvencích kolem 2500 Hz v důsledku kritického kmitočtu zůstává i nadále přítomen, přestože se s vloženým absorbérem vyskytuje na vyšších hodnotách neprůzvučnosti.
- Jednotlivé vrstvy je vhodné od sebe oddělit, aby nepřenášely vibrace, a tím zvukovou energii. Tento jev je vidět zejména na skladbě 1+1+1 (zde je přítomné pevné spojení, a tím umožněn přenos vibrací, a tedy je zde patrná nižší neprůzvučnost) a skladby 1+0+1 (kde jsou dva nezávislé rámy, tudíž nedochází k přenosu vibrací). Ve výsledku je tak vzduchová neprůzvučnost skladby 1+0+1 větší, přestože má ve skladbě o jednu sádrokartonovou desku méně.
K podobnému závěru ohledně důležitosti vložené zvukové izolace došla i obsáhlá studie v rámci programu COST [8]. Tento projekt se zabýval komplexním návrhem dřevostaveb z pohledu akustiky. Níže na obr. 3 je porovnání příček s vloženou izolací a bez ní na dvojitém rámu. Závěry jsou podobné přestože se na rozdíl od této práce jedná o mírně odlišné rozměry a materiály.
![Obr. 3: Porovnání neprůzvučností konstrukcí na dvojitém rámu – vliv zvukové izolace v mezeře [3]](/docu/clanky/0210/021042o19.png)
![Obr. 3: Porovnání neprůzvučností konstrukcí na dvojitém rámu – vliv zvukové izolace v mezeře [3]](/docu/clanky/0210/021042o21.png)
Obr. 3: Porovnání neprůzvučností konstrukcí na dvojitém rámu – vliv zvukové izolace v mezeře [3]
6. Závěr
Na základě proběhlých simulací a jejich analýzy lze vyvodit, že vícevrstvé konstrukce jsou obecně velmi efektivním řešením zvukové izolace. Je ovšem nutné brát na zřetel jejich přirozené chování. Jedná se zejména o menší neprůzvučnost na nízkých frekvencích v porovnání s jednovrstvými konstrukcemi o stejné plošné hmotnosti. Toto se může negativně projevit obzvláště v kombinaci se zdrojem hluku, který emituje zvukovou energii na nízkých frekvencích. V praxi jsou to například basy ve zvukových aparaturách (tzn. subwoooferech) nejen na venkovních koncertech, ale i v kinech, klubech či výkonějších domovních reproduktorech.
Je také nezbytné pro efektivní využití vícevrstvých konstrukcí nepodcenit vliv přenosu vibrací přes konstrukci a zamezit tomu například nezávislými rámy. Posledním velkým a realizačně jednoduchým opatřením je vložení zvukově pohltivého materiálu do mezery mezi rámy, které výrazně zvyšuje zvukověizolační parametry vícevrstvých stěn.
7. Literatura
- Software INSUL, Marshall day Acoustic; version 9.0.8; licenční číslo 3866 denominované ČVUT fakultě stavební
- Ing. NOVÁČEK Jiří, Ph.D.; Neprůzvučnost homogenních a izotropních jednoduchých stavebních prvků:
https://stavba.tzb-info.cz/akustika-staveb/180-nepruzvucnost-homogennich-a-izotropnich-jednoduchych-stavebnich-prvku (16. 3. 2020) - Mikhail OVCHINNIKOV, Jianbo ZHOU, and Satish YALAMANCHILI. Acoustic streaming of a sharp edge. The Journal of the Acoustical Society of America 136:1, 22–29
- KURRA, Selma. (2012). Comparison of the models predicting sound insulation values of multilayered building elements. Applied Acoustics. 73. 575–589. 10.1016/j.apacoust.2011.11.008.
- ČSN EN ISO 16283-1 Akustika – Stavební měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách – Část 1: Vzduchová neprůzvučnost
- ČSN EN ISO 10140-2 Akustika – Laboratorní měření zvukové izolace stavebních konstrukcí – Část 2: Měření vzduchové neprůzvučnosti
- ČSN 73 0532 Akustika. Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách. Požadavky
- COST Action FP0702 – European Cooperation in science and technology – working group 4 Building acoustics design https://www.traguiden.se/globalassets/forskning/akustik/cost/ebook_fp_0702_chapter-4.pdf (16. 3. 2020)
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
In modern building systems, sound insulation of walls is often made of multi-layer structures. This article deals with the acoustic operation of such structures and discusses the importance of proper implementation. It also warns against limited sound insulation at low frequencies, which is often not given enough attention. Software for calculating sound insulation - INSUL - was used to compare the acoustic behavior of structures and for simulations.