Przesłanki fizyczne doboru materiałów do okien ciepło- i dźwiękochronnych

O potrzebie ochrony przed wszelkiego rodzaju hałasem i zachowaniem w tym względzie środowiska naturalnego nie należy nikogo specjalnie przekonywać, zwłaszcza wówczas, gdy większość mieszkańców miast i miejscowości położonych przy przelotowych trasach komunikacyjnych (drogi, ulice, linie kolejowe) jest codziennie narażona (w pracy, w domu) na hałas komunikacyjny.

Obecnie stosowane są trzy sposoby ograniczania hałasu komunikacyjnego:

Jak z powyższego wynika, technicznie jest możliwym wykonanie takiego rodzaju okien i ich podstawowego tworzywa w postaci szkła, które będzie jednocześnie spełniać warunki przegrody termoizolacyjnej i dźwiękochłonnej. Przedstawiony w ten sposób problem wielofunkcyjności okna, jako przegrody szklanej, stanowi swego rodzaju tezę artykułu, która wymaga logicznego dowodu opierającego się o właściwości fizyczne światła i dźwięku.

Problem izolacyjności cieplnej szyb zespolonych był następstwem kolejnych kryzysów energetycznych i w pierwszej fazie opierał się na polepszeniu współczynnika przenikania ciepła (U < 2 W/(m 2 K)), który był raczej miernikiem ilości traconego ciepła, oddawanego na zewnątrz. Przysłoniło to trochę inną ważną cechę funkcjonalną przegród szklanych (okna, fasady, świetliki), objawiającą się zwłaszcza w okresie letnim, przegrzewaniem pomieszczeń mieszkalnych i biurowych, co jest wynikiem ich zbyt niskiej refleksyjności (właściwość odbijania) promieniowania słonecznego.

Porównanie właściwości fizycznych światła i dźwięku

Wraz ze wzrostem zastosowania szkła w budownictwie i architekturze intensyfikują się dążenia do uniwersyfikacji szkła i wyrobów z niego (okna, fasady, przeszklenia dachowe, itp.) w celu uzyskania wyrobów wielofunkcyjnych, spełniających jednocześnie role np. przegrody termoizolacyjnej, przeciwsłonecznej i dźwiękochłonnej.

Już ww. przykład może budzić zakłopotanie inżyniera budowlanego, chociażby z tego powodu, że szkło, jako tworzywo charakteryzujące się stosunkowo wysokim modułem sprężystości, wykazuje porównywalny z metalami (np. aluminium) współczynnik przewodzenia fal mechanicznych (drgań). Zatem wyraźnie widać, że szkło, z punktu widzenia wymagań dźwiękochłonności, będzie materiałem antagonistycznym w przegrodzie zaprojektowanej do funkcji termoizolacyjnych. Ten, jak i inne jeszcze przykłady przegród wielofunkcyjnych z udziałem szkła, można zaakceptować lub wykluczyć wyłącznie na drodze porównań właściwości fizycznych światła jako promieniowania elektromagnetycznego i hałasu, który stanowi sobą fale mechaniczną przenoszoną przez środowisko gazowe (powietrze).

Nie ulega wątpliwości, że promieniowanie świetlne i hałas mają wiele cech wspólnych, ale jednocześnie wykazują dość znaczne zróżnicowanie. Do cech wspólnych należy zaliczyć:

E = h v (1)

c = l v (2)

gdzie:

E – energia kwantu promieniowania, J;

h – stała Plancka, 6,62 10 -34 J s;

c – prędkość światła, 3 10 8 m/s;

l – długość fali świetlnej, m;

v – częstotliwość drgań źródła, Hz (1/s).

Z przytoczonych wzorców (1) i (3) wynika, że energia promieniowania elektromagnetycznego zależy wprost proporcjonalnie od częstotliwości drgań źródła i odwrotnie proporcjonalnie od długości fali.

E = 2 p 2A 2v 2m (6)

gdzie:

E – energia impulsu mechanicznego, J;

A – amplituda drgań źródła, m;

m – masa drgającego punktu materialnego, kg;

T – okres drgań fali mechanicznej, s;

v – częstotliwość drgań źródła, Hz (1/s).

Ze wzoru (6) wynika, że energia impulsu mechanicznego jest tym większa im większa jest częstotliwość i amplituda drgań. Energia wzrasta również wraz ze wzrostem masy punktu materialnego.

Duże podobieństwo fal akustycznych i świetlnych występuje w przypadku rozprzestrzeniania się tego promieniowania w różnych ośrodkach materialnych. Jeżeli fala dźwiękowa, rozprzestrzeniająca się w danym ośrodku, natrafi na swojej drodze na inny ośrodek o odmiennej oporności akustycznej, wówczas zostaje na granicy tych ośrodków częściowo odbita, a częściowo pochłonięta przez drugi ośrodek. Kąt odbicia fali dźwiękowej płaskiej jest równy kątowi padania na granicy ośrodków. Podobne zachowanie obserwuje się dla fali świetlnej. Fala dźwiękowa płaska, podobnie jak fala świetlna, wnikając do drugiego ośrodka ulega załamaniu, tj. zmianie kierunku w stosunku do fali padającej, jeżeli prędkość fali w obu ośrodkach nie jest jednakowa, co występuje zawsze przy różnych opornościach właściwych ośrodków. Przykładem załamania światła na granicy dwóch różnych ośrodków jest przebieg wielobarwnego promieniowania w pryzmacie.

W zależności od rodzaju powierzchni, a zwłaszcza jej tekstury, odbita fala akustyczna całkowicie lub częściowo, podobnie jak światło, ulega osłabieniu i wykazuje niższą energię. Schemat odbicia, załamania i pochłaniania fali dźwiękowej przedstawiono na rys. 1.

Kształt powierzchni, od której odbija się fala dźwiękowa, wpływa na kształt czoła fali odbitej. Powierzchnia płaska odbija falę dźwiękową bez zmiany kierunku, powierzchnia wklęsła – skupia, natomiast wypukła – rozprasza (rys. 2). I tutaj również zauważa się podobieństwo fali dźwiękowej do fali świetlnej.

Również, podobnie jak fala świetlna, fala akustyczna ulega interferencji, dyfrakcji i tworzy cień akustyczny. W tym ostatnim przypadku istnieje jednakże pewna różnica. Ze względu na o wiele większe długości fali ldrgań akustycznych niż fal świetlnych, cień akustyczny (przy tych samych wymiarach przeszkody) jest o wiele mniejszy. Dla zobrazowania skali zróżnicowań wymiarów l promieniowania elektromagnetycznego i fal akustycznych przedstawiono na rys. 3 widmo tego rodzaju fal oraz porównawczo długości fal akustycznych.

Ze względu na częstotliwość i związaną z tym długość fali akustycznej dźwięki występujące w przyrodzie dzieli się na:

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej jest zależna od ośrodka i rodzaju fali. W powietrzu prędkość dźwięku wynosi 340–345 m/s, natomiast w ciałach stałych zależy od rodzaju fali akustycznej, rodzaju materiału, a ściślej od jego gęstości objętościowej i modułu sprężystości. Zależność tą można przedstawić wzorem (7).

gdzie:

c – prędkość fali mechanicznej, m/s;

E – moduł sprężystości, Pa;

r – gęstość objętościowa, kg/m 3.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku (fal podłużnych) w ciałach stałych jest znacznie większa niż w powietrzu i tak np. w aluminium c = 4700 m/s, w szkle c = 5200 m/s, w betonie zwykłym c = 4000 m/s, w ceramice zwykłej c = 3600 m/s, w ołowiu c = 1300 m/s.

Fale akustyczne dla przemieszczania energii wymagają ośrodka materialnego, przy braku takiego ośrodka zostaje wyhamowany całkowicie przepływ dźwięku. Dlatego też próżnia okazuje się doskonałym izolatorem nie przepuszczającym fali dźwiękowej.

Odwrotnie zachowują się fale elektromagnetyczne, które nie wymagają ośrodka materialnego i są przewodzone również przez próżnię (przewodzenie promieniowania słonecznego przez próżnię międzygwiezdną). Pomimo, że promieniowanie elektromagnetyczne do przewodzenia nie wymaga ośrodka materialnego, to ośrodki materialne, również w postaci materiałów budowlanych, w większym lub mniejszym stopniu absorbują to promieniowanie, co stanowi kolejne podobieństwo fal elektromagnetycznych do fal akustycznych.

Niektóre aspekty techniczne i materiałowe okien ciepłoizolacyjnych i akustycznochronnych

Nie ulega wątpliwości, że wszelkie działania inżynierskie, związane z doborem materiałów oraz projektowaniem konstrukcji okien i innych przegród z udziałem szkła i spełniających rolę izolacji cieplnej oraz akustycznej, powinna poprzedzać wnikliwa analiza zagadnień teoretycznych z dziedziny fizyki budowli.

Już pobieżna analiza elementarnych właściwości fizycznych fal świetlnych i akustycznych wskazuje, że większość materiałów stosowanych do szklanych przegród termoizolacyjnych, po dokonaniu niewielkich modyfikacji, można zastosować również do celów akustycznochronnych. Dotyczy to również niewielkich modyfikacji konstrukcji tego rodzaju przegród, które mogą skutecznie przyczynić się do zmiany ich przeznaczenia. Jeżeli, np. przestrzeń międzyszybowa wypełniona powietrzem lub gazem ciężkim (SF 6) dobrze tłumi fale elektromagnetyczne, to jej powiększenie do 15, 20 czy 24 mm w szybach podwójnych korzystnie wpłynie na właściwości dźwiękochłonne. Oczywiście, należy w tym względzie zachować pewien umiar, ponieważ zbyt szeroki rozstaw ramki stwarza niebezpieczeństwo odkształceń poziomych tworzywa szklanego pod wpływem różnicy ciśnień wewnątrz i na zewnątrz komory.

Zarówno, w przypadku przegród termoizolacyjnych jak i dźwiękochłonnych, duże znaczenie przywiązuje się do szczelności komory, stosując specjalnego rodzaju tworzywa syntetyczne (butyl, żywice silikonowe, itp.). W tym przypadku celem uszczelnienia jest całkowite odizolowanie środowiska wewnętrznego (osuszone powietrze, gaz szlachetny, gaz ciężki) od zewnętrznego, pozwalające trwale utrzymać właściwości izolacyjne przegrody.

W świetle wykonanych porównań materiałów i konstrukcji stosowanych do wykonywania przegród ciepło- i dźwiękochłonnych stają się w pełni uzasadnione tendencje wykonawcze, proponujące rozwiązania techniczne uniwersalne, skupiające jednocześnie obie funkcje.

Przykładem takiego rozwiązania może być konstrukcja załączona na rys. 4 o nazwie firmowej Climasonor, łącząca w sobie element dźwiękochłonny z termoizolacyjnym Climalit.

Bardzo często, w celu polepszenia segmentu dźwiękochłonności, elementy przegród wykonuje się ze szkła podwójnego, klejonego cienką warstwą specjalnego tworzywa sztucznego, które stanowią wspólnie z tworzywem szklanym (najczęściej szkło z dodatkiem PbO) skuteczną warstwę dźwiękochłonną.

Poza oknami rozwiązania łączone (wielofunkcyjne) są wykorzystywane przez architektów i projektantów w nowoczesnym budownictwie wysokokubaturowym, rozszerzając możliwości elastycznego kształtowania bryły budynków. Optymalne uzupełnienia funkcjonalne, np. przez zastosowanie szyb z izolacją dźwiękową Contrasonor, przeciwsłonecznych Contrasol czy przeciwwłamaniowych Contracrime, otwierają jeszcze bardziej możliwości zastosowania w budownictwie i architekturze.

Należy na zakończenie zauważyć, że nie istnieją aktualnie jakieś stałe, obowiązujące wzorce oszkleń wielofunkcyjnych. Układ szyb, ich kolejność i skład materiałowy zależy od założonych wymagań, ilości środków finansowych, jakie planuje przeznaczyć inwestor oraz dostępnych w danym okresie rozwiązań technicznych. Obecnie coraz częściej producenci prezentują rozwiązania, które jeszcze do niedawna uchodziły za futurystyczne, bo są jednocześnie ciepłe, ciche, bezpieczne, nie przegrzewające i nie wychładzające nadmiernie pomieszczeń. Oczywiście, wzrost funkcjonalności niezmiennie wpływa na cenę oraz grubość, która w najnowocześniejszych przegrodach nie przekracza 45–50 mm.

Dr inż. Paweł Mieczkowski
Politechnika Szczecińska

Literatura:
[1] Praca zbiorowa pod kierunkiem Klemma B.: Budownictwo ogólne. Fizyka budowli. Arkady, Warszawa 2006.
[2] Czupkiewicz M.: Ochrona przed hałasem, Kwartalnik „Okno” 3/1997.
[3] Makarewicz M.: Oszklenia wielofunkcyjne. Kwartalnik „Okno” 4/2003.