Пенопласт – акустический материал или нет?

Автор: Нурумов Р.Б. инженер-акустик, к.т.н.

Непростой спор с проектировщиками и строителями на одном из объектов г. Алматы о материале заполнения воздушного промежутка в конструкциях каркасно-обшивных перегородок подтолкнул меня к идее провести мини исследование на тему – какие же материалы предлагают специалисты-строители для повышения у исходных конструкций каркасно-обшивных перегородок и облицовок звукоизолирующей способности. Как это не покажется странным, но чаще всего рекомендуются следующие материалы – упаковочные коробки для яиц, пробковые покрытия, «специальные» обои, звукоизоляционные краски (оказывается есть и такие), конечно же волокнистые материалы, но безусловным лидеров опроса оказался пенопласт.  Причём то, что пенопласт – «превосходный  звукоизолятор», полагали практически все опрошенные. То есть, у большого количества людей сформировался устойчивый стереотип о том, с помощью какого именно материала, в случае необходимости, можно решить все проблемы недостаточной звукоизоляции.

Давайте попробуем вместе разобраться с вопросом – обладает ли пенопласт (или любой другой вид пенополистирола) звукоизолирующими (или звукопоглощающими) свойствами. Возможно инженеры-акустики, профессионально занимающиеся вопросами звукоизоляции ограждающими конструкциями и утверждающие об отсутствии практически значимых акустических свойств пенополистиролов, безнадёжно отстали, и пенопласт действительно «прекрасный звукоизолятор» и работает он по, возможно, даже ещё не открытым законам строительной физики?

Во-первых, сразу же необходимо определиться с понятием «звукоизоляционный материал». Звукоизоляционных материалов НЕ БЫВАЕТ, т.к. звукоизоляция – это свойство конструкции, а не материала. Т.е. можно говорить об определённом уровне звукоизолирующей способности, например, кирпичной стены, но никак не отдельного кирпича или глины из которой он сделан.

Во-вторых, пористые материалы (к которым, в какой-то мере, относится и пенопласт) входят в состав многослойных конструкций, обладающих определённым уровнем звукоизолирующей способности, в качестве промежуточного упругого поглощающего слоя между плотными твёрдыми материалами внешних оболочек. Физическая модель таких многослойных конструкций описывается как «масса – пружина – масса».

Пенопласт – акустический материал или нет?

 

Рисунок 1 – Ограждающая конструкция, состоящая из бетонной стены толщиной 125 мм, и дополнительной облицовки (штукатурка) на упругом слое (пенопласт) толщиной 35 мм.

Пенопласт – акустический материал или нет?

Рисунок 2 – Ухудшение изоляции от воздушного шума ограждающей конструкцией, приведённой на рис.1

а. Штрих-пунктирная линия – ж/б стена толщиной 125 мм без доп. облицовки (  дБ);

б. Сплошная линия – а)+ доп. облицовка – штукатурка по пенопласту (  дБ);.

Как показали многочисленные акустические испытания, проводимые как в лабораторных условиях, так и на объектах, звукоизоляция ограждений в состав которых входит пенополистирол, не увеличится, а в большинстве случаев даже уменьшается на определённых частотах (см. рис.2). Чтобы разобраться с этим, казалось бы, парадоксом опять обратимся к основам строительной физики.

Дело в том, что УХУДШЕНИЕ ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ многослойной конструкции, состоящей из массивной стены (или перекрытия) и облицовки из гипсокартона или штукатурки с использованием, в качестве заполнителя воздушного промежутка акустически жёсткого материала, каким является вспененный полистирол (пенопласт), связано с резонансными явлениями. Как и любая колебательная система, выполненная по классической схеме «масса – пружина – масса», данная конструкция имеет резонансную частоту . Именно около резонансной частоты и наблюдается провал звукоизоляции (рис.2), который может достигать величины в 10 15 дБ!

Какими же параметрами (или характеристиками) определяется резонансная частота ограждающей конструкции? Обратимся к некоторым нормативным документам.

Фрагмент документа «Пособие к МГСН 2.04-97 «Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий»

…При заполнении промежутка в многослойной каркасно-обшивной ограждающей конструкции пористым материалом с жёстким скелетом (пенопласт, пенополистирол, фибролит и т.п.) частоту резонанса следует определять по формуле

 

Пенопласт – акустический материал или нет?

Возвращаясь к рис.1, в зависимости от толщин пенопласта и штукатурки, резонансная частота данной конструкции находится в диапазоне частот 200÷500 Гц (и по результатам акустических испытаний см. рис.2, и по расчёту по формуле 1), т.е. попадает в нормируемый частотный диапазон, а точнее в середину речевого диапазона. Именно на этой частоте и происходит «провал» звукоизолирующей способности этого ограждения.

Разберёмся с подобной, очень нередкой, ситуацией привлекая в помощь, опять же, строительную физику (практика всегда должна опираться на теорию, а теория подтверждаться практикой – диалектика развития).

Для начала определимся, что же такое звукопоглощение и отличается ли оно (если вообще отличается) от звукоизоляции.

Звукопоглощение – способность материала превращать звуковую энергию движущихся молекул воздуха (кинетическую энергию) в тепловую энергию в структуре материала.

Одной из основных характеристик звукопоглощающих материалов является индекс звукопоглощения  (отношение количества поглощённой материалом энергии к энергии, падающей на поверхность материала), который оценивают по среднему показателю в нормируемом диапазоне частот 100 3150 Гц. Этот индекс может принимать значение от 0 до 1.

Эффективный звукопоглощающий материал – специализированный материал, для которого звукопоглощение – основная функция, должен обладать средним индексом звукопоглощения  порядка 0,7. Если звукопоглощающий материал используется для заполнения воздушного промежутка в конструкциях каркасно-обшивных перегородок и облицовок, то он также должен обладать оптимальными упругими характеристиками – основным из которых является динамический модуль упругости (или модуль Юнга), значение которого не должно превышать 1,5 МПа.

Таким образом, чем больше индекс звукопоглощения и чем меньше динамический модуль упругости, т.е. чем пластичнее материал, тем выше его акустическая эффективность как элемента многослойной звукоизолирующей ограждающей конструкции.

Физическим признаком звукопоглощающего материала является его пористость, и, как следствие, продуваемость. Т.е. молекулы воздуха – носителя звуковой энергии, входя в лабиринт из сообщающихся пор и волокон такого материала, расходуют энергию звуковой волны на трение волокон друг о друга, на столкновения друг с другом и со стенками лабиринта, на раскачивание всего  волокнистого «скелета» материала.

Отсюда следует важный вывод – для того, чтобы материал хорошо поглощал звуковую энергию необходимо, чтобы он был открыто-пористым, т.е. воздухопродуваемым.

Пенополистирол это непродуваемый материал, в основном, с закрытой ячеистой структурой (с пузырьками воздуха внутри). Слой пенопласта, смонтированный на жёсткой поверхности стены или перекрытия, обладает малым коэффициентом звукопоглощения. Кроме того, динамический модуль упругости пенопласта, , на порядок больше чем у открыто-пористых волокнистых материалов (см. табл.1), что делает его применение в качестве упругого слоя даже в конструкциях плавающих полов также малоэффективным.

Именно из-за большого значения  пенопласта, часто наблюдается такое явление, особенно после устройства плавающего пола, как «звенящий» пол. Это связано с недостаточной «нагруженностью» упругого слоя из пенопласта цементно-песчаной стяжкой. Для того, чтобы получить заявляемые производителем пенопласта 23 дБ снижения ударного шума конструкцией плавающего пола, на пенопласт нужно «уложить»  ц/п стяжку толщиной порядка 100 мм и массой квадратного метра ц/п стяжки не менее 120 кг. А если к этому размеру прибавить толщину пенопласта и финишного покрытия пола, то по высоте помещения мы можем «украсть» у самих себя не менее 150 мм. Думаю, далеко не все на это могут пойти, учитывая, что среднестатистическая высота потолков наших квартир 2,75 м (разброс высот потолков квартир находится в диапазоне 2,5 – 3,2 м. Тем более что добиться подобного, а часто и большего, акустического эффекта можно при помощи других материалов, например, многослойных стеклохолстов (см. рис.3).

Пенопласт – акустический материал или нет?

Рисунок 3 – Уровни снижение ударного шума под перекрытием конструкциями плавающих полов

 

Таблица 1 – Акустические и упругие характеристики некоторых материалов

 

Вид материала Индекс звукопоглощения
(при частоте 1000 Гц)
Динамический
модуль упругости
,
при нагрузке 2КПа, МПа
Пенополиэтилен (10 мм) 0,08 1,02
Пенополистирол (пенопласт) 0,15 – 0,35 0,5 – 1,3
Пробка 0,2 – 0,3 0,5 – 1,5
Ковровые покрытия с ворсом 0,2 – 0,25 1,5
Плиты древесно-волокнистые, мягкие 0,4 – 0,8 1,4
Плиты минеральные из базальтового или стеклянного волокна 0,7 – 0,9 0,045 – 0,2

Звукоизоляция – снижение уровня звука при его прохождении сквозь ограждающую конструкцию (стену, перекрытие).

Звукоизолирующая эффективность ограждающей конструкции, в соответствии с нормативными документами, оценивается индексом изоляции воздушного шума  (некоторым усредненным показателем звукоизолирующей способности конструкции в диапазоне частот наиболее характерном для жилья – от 100 до 3150 Гц)

Если с акустически однородными конструкциями всё достаточно понятно – чем тяжелее и толще ограждающая конструкция, тем выше её звукоизолирующая способность (данное утверждение основано на фундаментальном законе акустики – законе массы), то с многослойными (т.е. акустически неоднородными) конструкциями всё не так просто.

Эффективными, с точки зрения звукоизоляции, являются такие многослойные ограждающие конструкции, которые имеют в своём составе тяжёлые, сплошные (без трещин и отверстий) оболочки и широкий, не разделённый никакими дополнительными слоями, воздушный промежуток между тяжёлыми оболочками, заполненный звукопоглощающим, упругим  материалом с высоким  и низким . Т.е. эффективные звукопоглощающие материалы – это неотъемлемая часть многослойных звукоизолирующих конструкций, будь то каркасно-обшивные перегородки, или подвесные потолки или дополнительные звукоизолирующие облицовки.

Резюмируя вышесказанное отметим, что для того, чтобы ограждающая конструкция была эффективной, с точки зрения звукоизолирующей способности, необходимо, как минимум, вывести резонансную частоту её колебаний (ф-ла 1) за пределы нормируемого диапазона частот (100 3150 Гц). На практике для многослойных конструкций это положение можно реализовать за счёт варьирования значениями массы оболочек, что возможно в очень малых пределах, за счёт изменения динамической жёсткости упругого слоя, а при заданном значении динамического модуля упругости, как в случае с пенопластом – только толщиной промежуточного (упругого) слоя.

Учитывая, что динамический модуль упругости пенопласта в 6 10 раз больше, чем у волокнистых материалов расчётная толщина, например, каркасной перегородки с пенопластовым заполнителем воздушного промежутка, при её одинаковой звукоизолирующей способности с перегородкой содержащей волокнистый заполнитель, будет примерно в 2,5 3,3 раза больше.

Таким образом, при одинаковой толщине упругого слоя изоляция воздушного шума каркасно-обшивной перегородкой с применением пенопласта будет всегда ниже, чем при использовании волокнистых открыто-пористых материалов. Этот вывод подтверждается также имеющимися в нашем распоряжении протоколами акустических испытаний каркасно-обшивных перегородок с разными материалами заполнения воздушного промежутка.

Пенопласт – это великолепный теплоизолирующий материал, но его применение для увеличения звукоизоляции ограждающих конструкций, как, впрочем, и для увеличения звукопоглощения поверхностей, более чем НЕ ОПРАВДАНО, поэтому его нельзя считать не только эффективным элементом звукоизолирующих конструкций, но и звукопоглощающим материалом.

И последнее, в качестве заключения – не бывает плохих материалов, бывает неправильное их применение, в том числе и в строительной практике.

Я ни в коем случае не хочу как-либо опорочить этот материал. Пенопласт занимает и будет занимать достойное место в решении теплоизоляционных задач, но, ещё раз подчеркну, его применение при решении акустических задач малоперспективно.

Автор: Нурумов Р.Б. инженер-акустик, к.т.н.