Zanimljive zablude o zvučnoj izolaciji

Centralna tema u rešavanju problema zvučne izolacije u zgradama svodi se na pitanje kako zaustaviti zvuk. Akustika je razvila teoriju o zvuku kojom se objašnjava njegovo prostiranje kroz građevinske pregrade i metode predikcije, ali i pored toga oko te teme su vremenom nastale razne zablude. One se među arhitektama izgleda prenose usmenim predanjem.

Među njima najrasprostranjenije je mišljenje da postoje materijali koji, sami po sebi, predstavljaju izolator za zvuk. To je verovatno indukovano činjenicom da za sve druge vrste izolacija u građevinarstvu (vlage, toplote i slično) postoje neki materijali sa takvim svojstvima.

Najšire je poznata upotreba raznih termoizolacionih materijala radi zadovoljavanja energetske efikasnosti i arhitekte su familijarni s njihovom upotrebom. Takvi materijali se postavljaju u, ili na građevinske pregrade i s njima se postiže tražena izolacija.

Koncept da postoje materijali sa izraženim izolacionim svojstvima intuitivno se preneo i na oblast zvučne zaštite, pa se govori i o pregradama na koje se postavlja neka „zvučna izolacija“.

Mineralna vuna kao zvučni izolator

Vremenom se ustalilo mišljenje da je mineralna vuna zvučni izolator čijim se stavljanjem u pregradu rešava problem zvučne izolacije. Da bi se razmotrila takva tvrdnja može se primeniti metodologija dokazivanja onoga što je nesumnjivo, a to je da je vuna dobar toplotni izolator. Toplotna izolaciona svojstva lako se mogu pokazati na primeru zamišljene pregrade od mineralne vune kao što je ona prikazana na slici 1.

Slika 1 – Gradijent temperature i gradijent nivoa zvučnog pritiska na pregradi od mineralne vune:
levo – temperaturni gradjent kada je s jedne strane pregrade temperatura -40º, a s druge sobna temperatura 20o;
desno – gradijent nivoa zvučnog pritiska ako s jedne strane pregrade deluje zvuk nivoa 100 dB.

Za ilustraciju je uzeta tabla od staklene vune debljine 10 cm i gustine oko 30 kg/m³. Ako se pretpostavi da je s jedne njene strane temperatura -40˚, a sa druge strane 20˚, proračun pokazuje da će s jedne strane na površini vune biti temperatura 17˚, a s druge -39˚ (autori ovog teksta se u pitanje toplotne izolacije ne razumeju; sve navedene vrednosti dobijene su od kolega koji se bave energetskom efikasnošću, pa im se ovim putem zahvaljujemo na usluzi).

Veliki gradijent temperature unutar pregrade evidentan je dokaz da je posmatrana mineralna vuna izolator toplote.

Istom metodologijom se može proveriti da li se takav sloj vune može smatrati zvučnim izolatorom. U tom smislu organizovan je mali eksperiment u kome je jedna strana iste vunene pregrade izložena zvučnom polju nivoa 100 dB. Eksperimentalna provera u laboratorijskim uslovima pokazala je da nivo zvučnog pritiska s druge strane pregrade dostiže oko 88 dB. Ovaj gradijent je prikazan na desnoj strani slike 1. Dakle, prikazana pregrada od vune umanjuje nivo zvučnog pritiska za samo 12 dB!

Prevedeno na običan jezik to znači da će se kroz posmatrani zid od vune sve čuti, što je na neki način i intuitivno jasno. Njena izolaciona svojstva značajno su manja od svake obične pregrade koja se sreće u zgradama. Čak će i pregrada od šperploče ostvariće bolji rezultat, što demantuje opšte mišljenje koje postoji o mineralnoj vuni kao zvučnom izolatoru. Zaključak ovog eksperimenta je da se mineralna vuna, sama za sebe, ne može smatrati zvučnim izolatorom u smislu u kome se definišu duge vrste izolacije.

Analizirajući dalje ponašanje mineralne vune u zvučnoj izolaciji može se umesto pregrade sa slike 1 posmatrati jedan standardni suvomontažni zid ukupne širine 15 cm, što znači da ima po dve gipsane ploče debljine 1,25 cm sa svake strane postavljene na limenoj potkonstrukciji širine 10 cm.

Slika 2. Neki primeri pregrada sa i bez mineralne vune i gradijent nivoa zvučnog pritiska u njima

Ovakav zid je prikazan na slici 2. Kada se jedna njegova strana izloži zvuku nivoa 100 dB, kao što je to bilo u eksperimentu sa vunom, može se odrediti nivo koji će biti na drugoj strani. Na osnovu podataka koje daju proizvođači ovakvih konstrukcija izračunato je da će taj nivo biti oko 61 dB.

Prema tome, razlika nivoa zvučnog pritiska s dve strane takvog zida je 39 dB. Kada se uporedi rezultat koji postiže takav suvomontažni zid sa rezultatom koji je dobijen zidom od mineralne vune sa slike 1, vidi se da je pregrada sa gipsanim pločama neuporedivo bolji zvučni izolator (39 dB naspram samo 12 dB).

Ako se sad u međuprostor posmatranog suvomontažnog zida postavi ona ista prethodno analizirana vuna i istom metodom, koristeći ateste proizvođača, odredi gradijent nivoa zvučnog pritiska dobija se da će s njegove druge strane biti 43 dB. Ovaj slučaj je takođe prikazan na slici 2. Dakle, stavljanje vune u unutrašnjost suvomontažnog zida donelo je ozbiljno poboljšanje njegovih izolacionih svojstava za čak 18 dB. To je veći izolacioni dobitak nego što je postignut samom vunom. Za one koji smatraju da je mineralna vuna zvučni izolator ova dva slučaja njene uloge mogu delovati zbunjujuće, ali samo ako se ne poznaje fizika prostiranja zvuka.

Da bi se dalje analiziralo ponašanje vune u zvučnoj izolaciji može se pogledati šta se dešava kada se ona dodaje drugim vrstama pregrada. Ako je ona zvučni izolator, kako to sugeriše rezultat merenja izolacije suvomontažnog zida sa gipsanim pločama, njen doprinos izolaciji pregrada morao bi uvek da postoji bez obzira gde je stavljena. Za proveru se može uzeti betonski zid debljine 20 cm, prikazan na slici 2.

Kada se izvede eksperiment kao u prethodnim primerima i jedna strana takve pregrade izloži nivoa zvučnog pritiska 100 dB, s druge strane će nivo zvuka biti samo 39 dB. Razlika je čak 61 dB. To je u skladu sa dobro poznatom činjenicom da je beton najbolji zvučni izolator jer ima najveću gustinu. Kada se na takav zid postavi sloj mineralne vune njegova izolaciona svojstva se ni malo ne menjaju, što je takođe prikazano na slici 2.

Nivo zvuka s druge strane takvog zida ostaje isti i pored prisustva vune, ili preciznije, količina zvučne energije koja prolazi kroz takav zid biće ista sa ili bez vune. Da ne bude neke zabune, prisustvo vune u prostoriji s druge strane takvog zida promeniće akustičke uslove u njoj, pa bi se u njoj postigla neka promena u onome što se čuje kroz zid, ali sasvim drugim mehanizmima koji nemaju veze sa izolacionim svojstvima zida. No, to je druga priča.

Rezimirajući ove primere dolazi se do sledeće slike stanja vune kao „zvučnog izolatora“:
• pregrada načinjena od same mineralne vune (10 cm) postiže izolaciju od oko 12 dB,
• kada se ista vuna stavi u međuprostor gipsanog zida njen doprinos izolaciji je čak 18 dB,
• kada se postavi na površinu betonske pregrade debljine 20 cm vuna njen doprinos je 0 dB.

Iz ovoga je jasno da se pri korišćenju vune u zvučnoj izolaciji odvijaju neki fizički procesi koji se ne mogu intuitivno razumeti. Objašnjenje je u mehanizmu prenosa zvučne energije kroz građevinske pregrade koji je bitno drugačiji od mehanizma prenosa toplote ili vlage kroz njih. Sve je to posledica činjenice da je zvuk po svojoj prirodi mehanička pojava, mada nevidljiva. A najvažnije iz ovog je evidentna činjenica da se zvučna izolacija ne postiže jednostavnim stavljanjem nekog materijala na zid, kao što se to radi u ostalim vrstama izolacija u građevinarstvu, već na malo složeniji način.

Neobično ponašanja mineralne vune u zvučnoj izolaciji može se razumeti samo ako se pođe od fizičke suštine zvuka, a to znači od njegove definicije. Definicija zvuka glasi: zvuk je svaka vremenski promenljiva mehanička deformacija u elastičnoj sredini. Deo definicije koji kaže da su u pitanju vremenski promenljive deformacije znači da se radi o vibracijama u materiji, ali najvažniji deo ove definicije je onaj koji govori da je zvuk mehanička pojava. Zvučna energija koja putuje kroz prostor u svojoj suštini je mehanička energija.

Ona postoji u kinetičkom obliku kao oscilatorno kretanje molekula i u potencijalnom obliku deformacijom elastičnih veza među njima. Zadatak zvučne izolacije je da širenje takve specifične pojave zaustavi u meri koja se zahteva.

Sve zablude o zvuku, a posebno o zvučnoj izolaciji u zgradama, posledica su nepoznavanja činjenice da je to u potpunosti mehanički fenomen. Da bi se razumela logika zvučne zaštite mora se poći od zakona mehanike. Jedna zanimljiva analogija koja pomaže razumevanju može biti svima poznata trambulina za skakanje prikazana na slici 3.

Ako na njoj neko skače, na primer u tački A, čitava njena površina vibrira i pravi neke oscilacije. U svim tačkama njene površine javljaju se pomeraji koji mogu da budu vrlo veliki, što zavisi od intenziteta skokova. Ono što se dešava sa površinom trambuline takođe predstavlja zvuk jer su to vremenski promenljive mehaničke deformacije elastične sredine. Razlika je samo u tome što su na trambulini promene u kretanju relativno spore, poput nekog ogromnog bubnja koji stvara vrlo niske frekvencije, ispod domašaja čula sluha.

Šematska predstava trambuline sa označenim tačkama Ai B prikazana je na slici 4. Rešavanje zvučne izolacije u zgradama u svemu je analogno rešavanju hipotetičkog zadatka koji se može postaviti na trambulini sa slike: ako neko po njoj skače u tački A, u tački B treba obezbediti da pomeraj površine bude dovoljno mali, na primer, 1 cm (vrednost je uzeta krajnje proizvoljno).

Analogija ovakvog zahteva sa zahtevima zvučne izolacije u zgradama je potpuna, jer pojava buke u nekoj prostoriji podrazumeva da u njoj postoje veliki mehanički pomeraji molekula vazduha. Zvučna izolacija mora obezbediti da mehanički pomeraji molekula vazduha u susednoj prostoriji budu manji od neke unapred zadate vrednosti. Razlika je samo u tome što se u slučaju zvuka kao pokazatelj stanja ne posmatraju pomeraji molekula, jer se ne mogu jednostavno meriti, već se za to koriste neke druge veličine izražavane u decibelima.

Razmišljanje kako umanjiti kretanje trambuline u tački B suštinski je analogno s razmišljanjima kako postići dovoljno veliku zvučnu izolaciju između prostorija. Trivijalno rešenje tog zadatka bilo bi ograničenje intenziteta skokova na meru koja obezbeđuje zadovoljenje postavljenog uslova u tački B. To je u domenu buke ekvivalentno zadavanju maksimalno dozvoljene vrednosti nivoa zvuka u prostorijama zgrade, što se obezbeđuje zakonskim odredbama i kućnim redom.

Ako se ipak nešto mora uraditi za smanjenje kretanja u tački B, jedna ad hoc ideja može biti da se površina po kojoj se skače preseče na dva dela.

Dodavanjem nekih elemenata u metalnom kosturu dobijaju se dve nezavisne površine, što verovatno može zadovoljiti postavljeni uslov. Moguće je i potpuno razdvojiti konstrukcije tako da se dobiju dve trambuline. Na slici 4 šematski su prikazane ovakve intervencije. Sa prikazanim rešenjem realno je da će zadovoljiti postavljeni uslov.

Međutim, za tačku B može se postaviti strožiji uslov da pomeraji moraju biti manji od, na primer, 1 mm ili čak manje. U slučaju razdvajanja konstrukcija i pravljenja dve trambuline ostaće i dalje nekakva slaba mehanička veza između njih. Ona postoji preko podloge na kojoj obe trambuline stoje, ako je to na primer neki drveni pod, ili preko strujanja vazduha nastalog pokretima velike površine na kojoj je tačka A. To znači da se uprkos razdvajanju trambulina može očekivati neko malo kretanje površine na mestu tačke B koje zavisi od okruženja, pa se može desiti da strožiji uslov ne bude zadovoljen.

Da bi se to nekako rešilo potrebno je prekinuti i preostale slabe mehaničke veze između sve trambuline. To se može postići, na primer, betoniranjem podloge na kojoj stoje trambuline ili razdvajanje njihovih podloga na neki način kao što je simbolički označeno na slici 4.

Takođe je moguće između dve trambuline umetnuti tvrdu barijeru da se spreči međusobni mehanički uticaj kretanjem vazduha. I ova mera je šematski prikazane na toj slici. Sve su to neophodne intervencije u slučaju da se postavlja vrlo strog kriterijum mirovanja površine u tački B.

Prikazani primer sa trambulinom kao nečim što svako može sebi iskustveno dočarati pokazuje dve važne činjenice koje se odnose na zvuk.

1. Zvuk je fizički fenomen koga čine mehaničke oscilacije molekula medija na mikro nivou. Zbog toga se zvučna izolacija može postići samo sredstvima koja mogu delovati na zaustavljanje širenja mehaničke (zvučne) energije.
2. Zaustavljanje zvučne energije rešava se raznim oblicima mehaničkih razdvajanja koja načelno postižu fizičkim diskontinuitetima.

Neupućenost u ove činjenice vodi ka zabludama koje nastaju kroz pokušaje da se intuitivno objasne zvučni fenomeni, pa su tako nastali i materijali nazvani „zvučna izolacija“.

Primeri sa vunom u zidovima i sa trambulinom razjašnjavaju dve važne zablude.

• Prvo, mineralna vuna sama po sebi ne može se nazvati zvučnim izolatorom, ali jeste odličan aditiv u pregradnim konstrukcijama od kojih se zahteva veća zvučna izolacija. To je isto tako važna uloga u zaustavljanju zvuka i ne umanjuje njenu akustičku vrednost.
• Drugo, zvuk se svodi na jednostavnu mehaničku pojavu, i nije neki nejasan fenomen. Radi se o vibriranju molekula koji tu svoju energiju prenose od jednog do drugog. Zbog toga se zvučna izolacija rešava pravljenjem fizičkih prekida (diskontinuiteta) u mediju kroz koji se prostire mehanička energija zvučnog talasa.

Analogija sa trambulinom je pokazala još i da u slučaju visokih zahteva za zvučnom izolacijom postaju važne čak i sitnice kao što su neke obilazne putanje zvučne energije. U slučaju trambuline to su bile putanje preko poda ili strujanjem vazduha a u zgradama to su bočni zidovi, otvori, bočne prostorije i slično. Kako da se svi ovi principi praktično primene u zgradama predstavlja posebnu temu.

Autori teksta: Prof. dr Miomir Mijić, Prof. dr Dragana Šumarac Pavlović