Ekrany akustyczne

 FALA DŹWIĘKOWA W RYZACH

Ekrany dźwiękochłonne jakie są – każdy widzi. Przynajmniej teoretycznie. Praktycznie większość z nas wie o nich tyle, że w jakiś sposób chronią przed hałasem. Jest to oczywiście prawda, niemal tak precyzyjna jednak, jak pierwsze zdanie tego tekstu inspirowane przez historyczny opis konia autorstwa Benedykta Chmielowskiego. Tymczasem znajomość pewnych ogólnych zasad działania ekranów dźwiękochłonnych może znacząco ułatwić dobór i lokalizację tych urządzeń. Jest to o tyle proste, że ich skuteczność jest ściśle uzależniona od kilku zaledwie czynników. Są to: materiał z którego wykonany jest ekran, jego struktura i faktura, a także usytuowanie w stosunku do źródła hałasu oraz wysokość i szerokość. Rozpatrując sprawę od strony zjawisk fizycznych – istotne są z kolei trzy: pochłanianie, odbicie i załamanie fali dźwiękowej. Dopisać można do tego jeszcze czynnik czwarty, wynikowy – przenikanie fali.

Czytaj również: Ultranowoczesne szkło termoizolacyjne w wersji do hartowania

Dlaczego jest ciszej

Zaczynając od ogółów – ekran akustyczny powoduje powstanie za nim cienia akustycznego, dzięki któremu natężenie dźwięku jest tam znacznie niższe niż przed ekranem. Ponieważ jednak nic w przyrodzie nie ginie, dźwięki które nie przedostają się za ekran mogą zostać odbite lub pochłonięte. Te natomiast, które nie ulegną pochłonięciu ani nie zostaną odbite – przenikną przez przeszkodę. Im mniejsze będzie przenikanie – tym skuteczniejszy ekran. Pamiętać jednak należy także o tym, że dźwięk odbity od ekranu również gdzieś trafia – należy więc projektując ekrany zwrócić uwagę na to, aby chroniąc jeden obszar nie pogorszyć znacząco akustyki innego. Pewnym specyficznym rodzajem odbicia jest także rozproszenie. Z kolei zjawiskiem zmniejszającym skuteczność takich przegród poza przenikaniem fal dźwiękowych jest ugięcie fali dźwiękowej. Następuje ono na krawędziach ekranu i zmniejsza obszar objęty cieniem akustycznym.

Pochłanianie dźwięku

Opis zjawisk istotnych do zrozumienia działania ekranów dźwiękochłonnych zacznijmy od pochłaniania fal dźwiękowych. W ogromnym skrócie jest to zjawisko polegające na absorbowaniu energii fali przez materiał ekranu. Znaczenie ma tu porowatość struktury – im większa, tym lepsze tłumienie. Siłą rzeczy skuteczniejsze w tak ustalonej konkurencji będą elementy z materiałów masywnych, stosunkowo grube. Istotna jest również częstotliwość fal dźwiękowych – te o wyższych częstotliwościach tłumione są skuteczniej. Oznacza to, że ekrany zaprojektowane tak, aby tłumić dźwięki sprawdzą się lepiej przy źródłach hałasu o wysokiej częstotliwości niż przy wydających dźwięk niski.

Czytaj również: Ekologiczna akustyka pomieszczeń

Odbicie dźwięku

Odbicie fali dźwiękowej polega z kolei na zmianie kierunku rozchodzenia się fali. W najprostszym wydaniu, kiedy wyobrażamy sobie gładką powierzchnię ekranu – jest to odbicie zwierciadlane. Tak napisana definicja jest bardzo prosta i łatwo zrozumiała – można ją jednak odrobinę skomplikować ponownie odwołując się do częstotliwości dźwięków przed którymi ekran ma chronić, oraz zakładając że ekran ma fakturę. W takim wypadku odbicie zwierciadlane następuje tylko do momentu kiedy rozmiar nierówności na jego powierzchni ma wielkość znacznie większą od długości fali. Kiedy te dwa parametry są do siebie zbliżone – następuje rozpraszanie, z punktu widzenia ochrony przed hałasem znacznie skuteczniejsze niż zwykłe odbicie zwierciadlane. W tym przypadku kierunek odbitych fal dźwiękowych zaczyna przypominać losowy, następuje więc kolejne zmniejszenie jego poziomu. Ponownie więc można tak dobrać fakturę ekranu akustycznego, aby jak najlepiej rozpraszała dźwięki które w danym przypadku stanowią największą składową hałasu przed którym chcemy chronić. Aby zdać sobie sprawę, o jakich wielkościach mowa – kilka przykładów. W powietrzu fala dźwiękowa o częstotliwości 20Hz ma długość 17m, a fala o częstotliwości 20kHz – 1,7cm. To mniej więcej granice fal akustycznych. W hałasie komunikacyjnym dominują najczęściej dźwięki o częstotliwości ok 1000Hz, co odpowiada długości fali ok 30cm. Taka powinna więc być również wielkość nierówności na powierzchni ekranu akustycznego mającego rozproszyć „statystyczny” hałas. Rzecz oczywiście nieco komplikuje się w zderzeniu z rzeczywistością, zamiast więc polegać na statystyce, warto najpierw dobrze poznać hałas z którym walczymy i określić jego parametry, a następnie dobrać zarówno materiał jak i formę ekranu akustycznego tak, aby jego skuteczność była maksymalna.

Dyfrakcja – ugięcie fali

Nieco inny charakter ma ugięcie fali dźwiękowej, czyli dyfrakcja. Polega ona na zmianie kąta rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. W efekcie granica cienia akustycznego nie jest „ostra” jak można by się spodziewać porównując na przykład z cieniem od punktowego źródła światła, ale pewną przestrzenią o słabnącym (ale jednak obecnym) natężeniu hałasu. Dzieje się tak, ponieważ krawędź ekranu na skutek ugięcia fali można rozpatrywać jako nowe źródło fali, znacznie słabsze niż pierwotne. Ten sam efekt powstaje na bocznych krawędziach ekranu – stąd im dłuższy pas osłony akustycznej, tym ochrona staje się skuteczniejsza.

Podstawowe zjawiska fizyczne zachodzące przy uderzeniu fali dźwiękowej w ekran akustyczny.

1. Źródło dźwięku
2. Fala dźwiękowa. Dla uczytelnienia rysunku zaprezentowano tylko wycinek, w rzeczywistości jest to fala kulista lub cylindryczna (w zależności od źródła dźwięku)
3. Ekran akustyczny
4. Kąt padania
5. Kąt odbicia równy kątowi padania
6. Fala odbita
7. Część fali dźwiękowej pochłonięta przez ekran
8. Część przenikająca przez ekran

Rozproszenie fali dźwiękowej padającej na ekran akustyczny. Warto zauważyć, że zjawisko to następuje zarówno na przedniej jak i na tylnej ścianie ekranu.

1. Fala dźwiękowa padająca na ekran
2. Długość fali
3. Wysokość odpowiada natężeniu dźwięku
4. Wielkość nierówności na powierzchni ekranu odpowiadająca długości fali
5. Rozproszenie fali dźwiękowej padającej na ekran
6. Ekran dźwiękochłonny
7. Fala dźwiękowa przechodząca przez ekran
8. Rozproszenie fali dźwiękowej „wychodzącej” z ekranu

Ugięcie fali dźwiękowej na krawędzi ekranu akustycznego.

1. Źródło fali
2. Ekran akustyczny
3. Teoretyczna linia cienia akustycznego, nie uwzględniająca zjawiska ugięcia fali
4. Krawędź ekranu, na której następuje ugięcie fali
5. Fala dźwiękowa po ugięciu na krawędzi przeszkody zmniejsza skuteczność ekranu akustycznego.

Ekran akustyczny ETIUDA. Na szczycie widoczne dyfraktory powodujące ugięcie fali dźwiękowej.

Stopień odbicia i pochłaniania fali dźwiękowej decyduje o skuteczności ekranu. Na zdjęciu zbliżenie na powierzchnię ekranu akustycznego ETIUDA firmy Buszrem.