Přístupy k hodnocení vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi v budovách pro bydlení

Úvod

Obr. 1 Základní faktory ovlivňující akustickou kvalitu budov pro bydlení

Výslednou akustickou kvalitu budov pro bydlení zásadně ovlivňují účastníci procesu výstavby, mezi které patří zejména: státní správa, investor, architekt, projektant a realizační firma. Státní správa určuje závazné legislativní požadavky na zvukovou izolaci, které musí být dodrženy v každé obytné budově. Investor má možnost tyto požadavky individuálně zvýšit a tím zajistit budoucím uživatelům vyšší akustický komfort. Zahraniční studie naznačují, že lidé jsou v takových případech ochotni akceptovat zvýšenou cenu stavby nebo bytové jednotky. Úkolem architekta a projektanta, obvykle ve spolupráci se specialistou na stavební akustiku, je požadované hodnoty zvukové izolace zajistit, a to vhodným dispozičně konstrukčním řešením stavby. Skutečná míra zvukové izolace na dokončené stavbě však může být zásadně ovlivněna také kvalitou provedení stavebních konstrukcí, vlastnostmi použitých stavebních materiálů, atd. Na hodnotách zvukové izolace in-situ následně závisí subjektivní hodnocení akustické kvality budovy jejími uživateli.

Akustická kvalita budov

On-line výpočet neprůzvučnosti

Cílem zajištění akustické pohody v budovách pro bydlení je omezení zejména následujících rizik:

• rušení běžných domácích aktivit včetně komunikace osob,
• rušení odpočinku a spánku,
• narušování soukromí uživatelů,
• ev. vliv na zdraví uživatelů (stres a s ním související nemoci).

Těchto cílů má být dosaženo bez omezování osob při běžném užívání stavby.

Vnímání zvuku člověkem je složitý proces, který závisí na mnoha přímých i nepřímých aspektech, jako například na povaze zvuku, informativním obsahu zvuku, délce trvání, denní či roční době, postoji člověka k rušivému zvuku, individuálních fyziologických dispozicích člověka, aktuálním zdravotním a psychickém stavu člověka a na mnoha dalších. Stanovení obecných kritérií pro akustickou kvalitu budov je tak velmi obtížné.

Veličinou, která se běžně používá k popisu působení zvuku na člověka, bývá hladina akustického tlaku A, L_A. Limitní hodnoty hladiny L_A stanoví Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. U obytných budov se však tyto hodnoty vztahují především na hluk z technických zařízení budov a na hluk dopravy. Na sousedský hluk, kterým se rozumí hluk působený hlasovými projevy lidí a zvířat a činnostmi spojenými s běžným užíváním bytu, se toto nařízení vlády nevztahuje. Jedním z důvodů je náhodný charakter sousedského hluku. Na rozdíl od hluku technických zařízení budov a dopravy, který bývá lépe definovatelný (ve vztahu k intenzitám, kmitočtovému složení, časovému průběhu apod.).

Požadavky na ochranu před sousedským hlukem jsou tak vyjádřeny prostřednictvím veličin zvukové izolace. V případě zvuků přenášených převážně vzduchem se jedná o veličiny vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi. Mezi zvuky přenášené vzduchem patří:

• hlasitý hovor,
• hudba, rozhlas, televize,
• provoz domácích spotřebičů,
• běžné činnosti v bytě a dětské hry.

Veličiny vzduchové neprůzvučnosti

Pro hodnocení vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi se používají veličiny založené na rozdílu hladin akustického tlaku v místnosti zdroje L₁ a hladin v místnosti příjmu L₂ (D = L₁ − L₂). Nejčastěji se jedná o stavební neprůzvučnost R´, méně často o normovaný rozdíl hladin D_nT. V České republice je v souladu s [2] ČSN 73 0532 základní veličinou stavební neprůzvučnost, přičemž normovaný rozdíl hladin se používá jen v případech, kdy místnosti nemají společnou dělicí konstrukci.

Pro stavební neprůzvučnost a rozdíl hladin platí následující vztahy:

kde je

L₁

– průměrná hladina akustického tlaku v místnosti zdroje [dB],

L₂

– průměrná hladina akustického tlaku v místnosti příjmu [dB],

S

– plocha dělicího prvku [m²],

A₂

– ekvivalentní pohltivá plocha v místnosti příjmu [m²],

T₂

– doba dozvuku místnosti příjmu [s],

T₀

– referenční doba dozvuku, pro byty je dána hodnotou 0,5 s.

Na stavební neprůzvučnost je možné pohlížet jako na rozdíl hladin vztažený k ploše dělicí konstrukce 10 m² (+10log (S/10)) a k ekvivalentní ploše pohlcování v místnosti příjmu 10 m² (−10log (A₂/10)), zatímco na normovaný rozdíl hladin jako na rozdíl hladin vztažený k referenční době dozvuku místnosti příjmu T₀ (+10log (T₂/T₀)). Pro běžné obytné místnosti a dělicí prvky s plochou přibližně 10 m² bývají hodnoty obou veličin prakticky stejné, tj. R´ ≈ D_nT.

V následujícím textu jsou rozlišeny dva způsoby hodnocení vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi:

• konstrukčně orientované,
• uživatelsky orientované.

Konstrukčně orientované hodnocení pohlíží na vzduchovou neprůzvučnost jako na vlastnost stavební konstrukce nebo části budovy. Používá proto veličiny a postupy, které umožňují snadné porovnání zvukově izolačních vlastností různých konstrukcí mezi sebou.

Uživatelsky orientované hodnocení naproti tomu klade důraz na vyjadřování vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi veličinami, které lépe korelují s hladinou akustického tlaku A v místnosti příjmu, resp. s rozdílem hladin akustického tlaku A mezi místností zdroje a místností příjmu L_A1 − L_A2, a tedy i se subjektivním hodnocením zvukové izolace.

Jednočíselné vyjádření veličin

Pro porovnání s požadavky se používá jednočíselná „vážená“ podoba veličin označovaná indexem „w“, tedy R´_w nebo D_nT,w. Způsob převodu kmitočtově závislých veličin vzduchové neprůzvučnosti z třetinooktávových nebo oktávových pásem na jednočíselné veličiny je popsán v [3] ČSN EN ISO 717-1. Tento postup spočívá v porovnání vypočtených či změřených hodnot stavební neprůzvučnosti nebo normovaného rozdílu hladin s tzv. směrnou křivkou, která má reprezentovat vyhovující tvar spektra příslušné veličiny. Směrná křivka se popsaným způsobem posunuje směrem ke křivce změřených nebo vypočtených hodnot, přičemž R´_w nebo D_nT,w je hodnota posunuté směrné křivky v kmitočtovém pásmu 500 Hz.

Jednočíselné veličiny mají mít vypovídající schopnost o zvukové izolaci (podobně jako hladina L_A o kvalitě vnitřního prostředí).

Vliv plochy dělicího prvku na vzduchovou neprůzvučnost

Dělicí prvek (stěnu nebo strop) lze považovat za plošný zdroj zvuku. Celková hladina akustického výkonu L_wt,2 vyzařovaná prvkem do místnosti příjmu tedy závisí na ploše dělicího prvku S podle vztahu:

kde τ je činitel průzvučnosti (podíl akustického výkonu přeneseného k akustickému výkonu dopadajícímu na konstrukci). S narůstající plochou dělicího prvku roste hladina jím vyzařovaného akustického výkonu L_wt,2 a následně také hladina akustického tlaku v místnosti příjmu:

Závislost hladiny L₂ na ploše prvku lze dobře ilustrovat na příkladu místnosti, do které bude zvuk pronikat: a) stěnou o ploše 7,9 m² nebo b) stěnou o ploše 15,8 m² (na obrázku 2 prvky zvýrazněné červenou barvou). Předpokládejme, že jinak budou obě stěny stejné (např. ze železobetonu tl. 200 mm) a že tedy budou vykazovat podobné hodnoty vážené stavební neprůzvučnosti, tj. R´_w,stěna1 ≈ R´_w,stěna2 = 57 dB.

Ve dvou krajních místnostech bude umístěn všesměrový zdroj zvuku vyzařující růžový šum s hladinou akustického výkonu L_wA = 85 dB. Uspořádání místností je patrné z obrázku 2. S použitím vztahu:

lze stanovit vážený normovaný rozdíl hladin pro stěnu 1 D_nT,w,stěna1 = 62 dB a pro stěnu 2 D_nT,w,stěna2 = 59 dB.

Obr. 2 Prostorové modely tří místností v programu Google SketchUp (vlevo) a ODEON 10.1 (vpravo)

Pro výpočet přenosu zvuku mezi místnostmi byl použit program ODEON 10.1. Z výsledků výpočtů vyplývá, že v obou místnostech zdroje lze očekávat hladinu akustického tlaku A L_A = 83,5 dB. Při šíření zvuku menší stěnou bude hladina akustického tlaku A v místnosti příjmu L_A,stěna1 = 30,0 dB, zatímco při šíření větší stěnou L_A,stěna2 = 33,0 dB. Rozdíl hladin a tudíž také očekávaná vzduchová neprůzvučnost mezi místnostmi se tedy v obou případech liší o 3 dB. Přitom hodnoty vážené stavební neprůzvučnosti R´_w jsou stejné. Na rozdíl od normovaného rozdílu hladin D_nT,w, který vliv plochy dělicího prvku na hodnotu vzduchové neprůzvučnosti postihuje (D_nT,w,stěna1 − D_nT,w,stěna2 = 62 − 59 = 3 dB).

Pro uživatelsky orientované hodnocení je tedy jednoznačně vhodnější používat veličinu normovaný rozdíl hladin D_nT, která pro různé velikosti stavebních prvků lépe koreluje s hladinou akustického tlaku A v místnosti příjmu.

Vliv doby dozvuku místnosti příjmu na vzduchovou neprůzvučnost

Zvuková pohltivost vnitřních povrchů (včetně vybavení nábytkem) ovlivňuje hladinu akustického tlaku v místnosti příjmu L₂. Obecně platí, že čím více je místnost zařízená, tím kratší je doba dozvuku a tím nižší bude hladina akustického tlaku v poli odražených vln. Mezi celkovou ekvivalentní plochou pohlcování A₂, objemem přijímací místnosti V₂ a dobou dozvuku T₂ platí podle ČSN EN ISO 140-4 následující zjednodušený vztah:

Veličiny vzduchové neprůzvučnosti se obvykle vztahují k referenční době dozvuku T₀ (odpovídající běžné hodnotě v obytných místnostech s nábytkem), ev. k referenční ploše pohlcování A₀. To má význam zejména při měřeních, kdy má být vyloučen vliv nezařízených místností na hodnotu zvukové izolace. Představme si nyní část skutečné obytné budovy tvořenou čtyřmi místnostmi. Stěny jsou z železobetonu tloušťky 200 mm s R´_w ≈ 56 dB, strop je železobetonu tl. 180 mm s těžkou plovoucí podlahou s R´_w ≈ 57 dB. Hodnoty vážené stavební neprůzvučnosti byly stanoveny měřením na dokončené stavbě bez vybavení nábytkem (obrázek 3 vlevo). Úkolem je stanovit míru vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi při provozu stavby pro strop a stěnu (na obrázku 3 prvky zvýrazněné modrou barvou). Předpokládejme, že obytné místnostmi budou zařízeny obvyklým způsobem (obrázek 3 vpravo), tj. že doba dozvuku bude odpovídat referenční hodnotě 0,5 s.

Obr. 3 Prostorový model části budovy v programu Google SketchUp, vlevo stav těsně po dokončení (odpovídá podmínkám při měření), vpravo místnosti zařízené nábytkem (odpovídá stavu při užívání)

Obr. 4 Prostorový model části budovy v softwaru ODEON 10.1

V tabulce 2 jsou uvedeny výsledky výpočtů šíření zvuku mezi místnostmi pomocí programu ODEON 10.1. Z tabulky vyplývá, že při provozu stavby bude rozdíl hladin akustického tlaku A mezi místností zdroje a místností příjmu asi o 7 dB vyšší než při měření na právě dokončené stavbě (hodnoty ve čtvrtém sloupci zleva). Tento rozdíl je postihnut vztažením veličin vzduchové neprůzvučnosti k referenční době dozvuku (+10log (T₂/T₀)), jak dokládají hodnoty v posledním sloupci tabulky.

Faktory přizpůsobení spektru C, C_tr

Obr. 5 Kmitočtový průběh stavební neprůzvučnosti dělicího prvku z železobetonu tl. 200 mm (červená, R´_w = 56 dB) a sádrokartonové příčky se dvěma řadami samostatných ocelových sloupků, z každé strany dvojnásobně opláštěné tl. 200 mm (modrá, R´_w = 56 dB, hodnoty převzaty z [11], korekce na boční přenos zvuku uvažována ve výši −4 dB)

Výhodou hodnocení vzduchové neprůzvučnosti pomocí jednočíselných vážených veličin, určených podle ČSN EN ISO 717-1, je především jednotný přístup ke všem typům stavebních prvků v důsledku zanedbání tvaru spektra konkrétního rušivého zvuku. Vážená neprůzvučnost se určuje stejně například pro zděné stěny, sádrokartonové příčky i prosklené fasády a získané hodnoty jsou tak vzájemně přímo porovnatelné.

Zanedbání vlivu kmitočtového složení rušivého zvuku na vzduchovou neprůzvučnost je však zároveň také největší nevýhodou výše uvedené postupu. Pro některé typy stavebních prvků totiž vážené hodnoty veličin vzduchové neprůzvučnosti nekorelují se skutečnou mírou zvukové izolace. Jedná se zejména o prvky s výrazným poklesem neprůzvučnosti v některém z kmitočtových pásem, typicky o lehké vícenásobné prvky.

Pro ilustraci tohoto jevu lze využít předchozí příklad skutečné budovy. Dělicí stěnu z železobetonu nyní zaměníme za sádrokartonovou stěnu se stejnými váženými hodnotami veličin vzduchové neprůzvučnosti (R´_w = 56 dB, resp. D_nT,w = 59 dB).

Zdrojem zvuku bude opět stejný růžový šum (uvažováno pouze běžné zvukově izolační pásmo od 100 Hz do 3 150 Hz). Z tabulky 2 vyplývá, že pro stěnu z železobetonu bude hladina akustického tlaku A v místnosti příjmu L_A2 = 20,8 dB. Při použití stěny ze sádrokartonu tato hladina výpočtově vzroste na L_A2 = 25,9 dB. Jinými slovy, vzduchová neprůzvučnost mezi místnostmi se zhorší o 5 dB (přestože hodnoty vážených veličin vzduchové neprůzvučnosti jsou pro obě stěny stejné).

Aby bylo možné při hodnocení přihlédnout k vlivu rozdílných tvarů spekter zvuku na vzduchovou neprůzvučnost, norma ČSN EN ISO 717-1 zavádí veličinu faktor přizpůsobení spektru. Rozlišuje dvě základní spektra – č. 1 = růžový šum vážený funkcí A (například sousedský hluk), č. 2 = hluk silniční dopravy vážený funkcí A. V tomto pořadí se faktor přizpůsobení spektru označuje C nebo C_tr. Obecně je však možné uvažovat jakýkoliv tvar spektra. Výsledná veličina vzduchové neprůzvučnosti se potom stanoví ze vztahu:

nebo

kde R´_A,1, resp. R´_A,2 je rozdíl hladin akustického tlaku A v místnosti zdroje a v místnosti příjmu, pro spektrum č. 1, resp. pro spektrum č. 2.

Pro železobetonovou stěnu z předchozího příkladu je faktor C = −1 dB, pro sádrokartonovou příčku C = −4 dB. S využitím faktorů přizpůsobení spektru lze stanovit rozdíl hladin akustického tlaku A: R´_A,1,ŽB = 56,5 − 1,0 = 55,5 dB, R´_A,1,SDK = 56,0 − 4,1 = 51,9 dB. Výpočtově se tedy vzduchová neprůzvučnost pro obě varianty liší o 3,6 dB, což potvrzuje výsledky získané programem ODEON 10.1. Rozdíl je sice o něco menší než 5 dB, nicméně hodnoty z programu byly stanoveny pouze pro jednu vybranou polohu zdroje a příjemce (viz obrázek 6). Nereprezentují tedy prostorový průměr a mají tak spíše informativní charakter. Z obou výsledků je však zřejmé, že pro uživatelsky orientovaný přístup k hodnocení vzduchové neprůzvučnosti v budovách jsou veličiny R´_A,1 nebo D_nT,A,1 vhodnější než vážená stavební neprůzvučnost R´_w nebo vážený normovaný rozdíl hladin D_nT,w.

Kmitočtový rozsah hodnocení

Obr. 6 Poloha příjemce v místnosti příjmu

Tradičním kmitočtovým rozsahem pro určení veličin vzduchové neprůzvučnosti jsou třetinooktávová pásma od 100 Hz do 3 150 Hz. Vychází se z toho, že zvuk o nižších kmitočtech je lidským sluchem vnímán s poměrně malou citlivostí a zvuk o vyšších kmitočtech bývá konstrukcemi dostatečně tlumen. Tento předpoklad však u některých typů prvků platí jen omezeně. Nejčastěji se jedná o lehké vícenásobné stavební prvky, jejichž vzduchová neprůzvučnost na nízkých kmitočtech bývá v důsledku menší plošné hmotnosti a vlivu rezonance typu hmotnost-poddajnost-hmotnost relativně nízká. Míra zvukové izolace mezi místnostmi tak může být ovlivněna i přenosem zvuků o kmitočtech nižších než 100 Hz (zejména u elektronicky zesilované hudby). V takových případech se doporučuje tradiční zvukově izolační oblast rozšířit o třetinooktávová pásma 50 Hz, 63 Hz a 80 Hz. Toho lze dosáhnout například zahrnutím faktorů přizpůsobení spektru C_50-3150 nebo C_tr,50-3150. V případě naší železobetonové stěny je faktor C_50-3150 = −1 dB, tedy stejný jako faktor C. Pro sádrokartonovou příčku je C_50-3150 = −8 dB, tedy o 4 decibely nižší než faktor C pro kmitočtovou oblast od 100 Hz do 3 150 Hz. Z toho vyplývá, že u železobetonové stěny zvuk o kmitočtech nižších než 100 Hz výsledný rozdíl hladin akustického tlaku A prakticky neovlivní. Na rozdíl od sádrokartonové stěny, kde sníží rozdíl hladin o další 4 dB (z původních 51,9 na 47,1 dB). To potvrzuje i výpočet pomocí softwaru ODEON 10.1. Pro železobetonovou stěnu je vypočtená hladina akustického tlaku A v místnosti příjmu L_A2 = 21,3 dB (původně 20,8 dB), kdežto pro sádrokartonovou příčku se hladina zvýší na L_A2 = 30,9 dB (původně 25,9 dB).

Požadavky na vzduchovou neprůzvučnost

Obr. 7 Závislost mezi intenzitou podnětu a odpovědí typická pro hluk podle [9]

Požadavky na vzduchovou neprůzvučnost mezi místnostmi stanoví v závislosti na charakteru oddělovaných místností a na směru přenosu zvuku (horizontální x vertikální) norma ČSN 73 0532. Základní požadovaná hodnota zvukové izolace mezi byty v bytových domech, resp. mezi obytnou místností jednoho bytu a všemi ostatními místnostmi druhého bytu, je pro stěny i stropy R´_w = 53 dB. Pro případy, kdy normové požadavky nepostačují potřebám, uvádí norma doporučené zvýšené požadavky. Pro vzduchovou neprůzvučnost mezi byty jsou zavedeny dvě třídy zvýšené zvukové izolace bytu (TZZI I a TZZI II). Třídě TZZI I odpovídá požadavek R´_w = 55 dB, třídě TZZI II R´_w = 59 dB.

Zavedení tříd zvukové izolace umožňuje klasifikovat budovy, které poskytují uživatelům vyšší akustický komfort. Na obrázku 7 je znázorněna pro zvuk obvyklá závislost mezi velikostí podnětu a procentem respondentů, kteří hodnotí podmínky jako dobré (G), přijatelné (F) nebo špatné (P). Ve střední části grafu je sklon křivek přibližně 4 % na jeden decibel. Z toho vyplývá, že při splnění požadavků třídy TZZI I bude spokojeno asi o 10 % více uživatelů než při splnění základního požadavku na vzduchovou neprůzvučnost, resp. pro třídu TZZI II to bude až o 25 % více.

Závěr

Z uvedených přístupů k hodnocení vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi jsou nejvhodnější ty, které vycházejí z rozdílu hladin akustického tlaku A mezi místností zdroje a místností příjmu.

Při hodnocení budov by neměl být zanedbáván vliv plochy dělicího prvku na vzduchovou neprůzvučnost. Podobně je třeba brát v úvahu i vliv tvaru spektra rušivého zvuku. Vzhledem ke stále častějšímu používání lehkých dělicích prvků by měl být zohledněn i zvuk v třetinooktávových pásmech pod 100 Hz. Vhodnou veličinou pro hodnocení vzduchové neprůzvučnosti v budovách tak může být veličina D_{nT,A,1,50-3150} = D_nT,w + C_50-3150 (ev. D_{nT,A,1,50-5000} = D_nT,w + C_50-5000).

Sjednocení přístupu k hodnocení vzduchové neprůzvučnosti předpokládá i návrh revize normy ISO 717-1 [12], který se rovněž přiklání k veličinám určeným vážením pomocí váhové korekce A a k rozšířené kmitočtové oblasti od 50 Hz do 5 000 Hz.

Pro úplnost je však třeba dodat, že rozšíření zvukově izolační oblasti pod 100 Hz může vést ke komplikacím při stanovování vzduchové neprůzvučnosti měřením, zejména v důsledku nedostatečné difuzity zvukového pole na nízkých kmitočtech. Rovněž výpočtový odhad vzduchové neprůzvučnosti ve fázi projektové přípravy se stane komplikovaným, neboť neprůzvučnost v kmitočtových pásmech pod 100 Hz může být významně ovlivněna vlastními kmitočty stavebního prvku (u dvojitých prvků také rezonancí typu hmotnost-poddajnost-hmotnost).

Poděkování

Tato práce byla podpořena grantem č. LD12075 „Efektivní navrhování zvukově izolačních dělicích konstrukcí v budovách“ v rámci programu COST CZ pro rok 2012 a akcí COST TU0901 “Integrating and Harmonizing Sound Insulation Aspects in Sustainable Urban Housing Constructions“.

Použitá literatura

• 1. ČSN 01 1600 Akustika – Terminologie, 2003
• 2. ČSN 73 0532 Akustika – Ochrana proti hluku v budovách a posuzování akustických vlastností stavebních výrobků – Požadavky, 2010
• 3. ČSN EN ISO 717-1 Akustika – Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách – Část 1: Vzduchová neprůzvučnost, 1998
• 4. ČSN EN 12354-1 Stavební akustika – Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků – Část 1: Vzduchová neprůzvučnost mezi místnostmi, 2001
• 5. Kaňka, Jan, Stavební fyzika 1: Akustika budov, 2. vyd., Praha: ČVUT, 2007, 120 s., ISBN 978-80-01-03664-8
• 6. Kolmer, Felix; Kyncl, Jaroslav, Prostorová akustika, 1. vyd., Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, n. p., 1980, 244 s.
• 7. Hopkins, Carl; Sound Insulation, 1^st edition, Elsevier, 2007, ISBN 978-0-7506-6526-1
• 8. Vigran, Tor Erik, Building Acoustics, 1^st edition, Taylor & Francis, 2008, ISBN 0-203-93131-9
• 9. Rindel, Jens Holger, Sound Insulation of Buildings, Internoise conference, 2007
• 10. Rasmussen Birgit, Sound insulation between dwellings – Requirements in building regulaitons in Europe, Applied Acoustics 71, p. 373-385, 2010
• 11. Gypsum Board Walls: Transmission Loss Data, IRC-IR-761, National Research Council Canada, 1998
• 12. Scholl, Werner: Revision of ISO 717: Future single-number quantities for sound insulation in buildings, Forum Acusticum, Aalborg, 2011