یکی از مشکلات رایج در جوامع و بخش های صنعتی، آلودگی صوتی است. امروزه از عایق کاری صوتی، نه تنها در بخش های صنعتی، بلکه در بخش های اداری و خانگی نیز استفاده می شود، به طوری که در کشورهای توسعه یافته یکی از معیارهای ارزش گذاری بر ملک، علاوه بر عایق کاری حرارتی آن، عایق کاری صوتی آن ملک است. گرچه به این موضوع در کشورهای توسعه یافته به جد پرداخته می شود، اما متاسفانه از این مهم در کشور ایران به خصوص در بخش های اداری و مسکونی غفلت شده است. در این بخش سعی بر این است که با معرفی مفاهیم فنی عایق های صوتی، این مهم برای صنعت گران و دست اندرکاران ساخت و ساز شفاف شده و امید است فرهنگ عایق کاری صوتی و اهمیت سلامت فردی در طراحی ها وارد شود.

برای بررسی مکانیک صوت و عایق کاری صوتی، آشنایی با مفاهیم مقدماتی زیر الزامیست:

در فیریک، صدا عبارت است از ارتعاش مکانیکی یک فضای گازی، مایع و یا جامد ارتجاعی (elastic). صدا نوعی انرژی مکانیکی محسوب می شود و هنگامی بوجود می آید که ذرات حول مرکز تعادل خود نوسان کنند.

صدا (و به طور کلی همه امواج) با پارامترهایی تعریف و توصیف می شوند که مهم ترین آنها عبارتند از:

طول موج (λ)، فرکانس (f)، دامنه نوسان (d) و سرعت موج (c)

• فرکانس (f):

پارامتری است در موج یا هر ذره نوسان کننده و عبارت است از تعداد نوسانی که ذره نوسان کننده در هر ثانیه انجام می دهد و برحسب هرتز [Hz] بیان میشود.

• طول موج (λ):

فاصله ذرات هم فاز است، مثلا فاصله ذراتی که همگی در حداکثر دامنه نوسان قرار دارند. طول موج بر حسب متر [m] بیان می شود.

• سرعت پیشروی:

سرعت انتشار موج در فضا را سرعت موج (c) می گویند و برحسب متر بر ثانیه [m/s] بیان می شود.

• دامنه نوسان (d):

حداکثر فاصله جابه‌جایی ذره نوسان کننده از مرکز نوسان است و با واحد متر [m] بیان می‌شود.

• محدود شنوایی انسان:

گوش انسان می‌تواند از فرکانس 20Hz تا 20000Hz را بشنود و فرکانس‌های پایین‌تر از این محدوده و بالاتر از آن، توسط گوش انسان تشخیص داده نمی‌شوند.

باندهای اکتاو:

برای بررسی، ارزیابی، رتبه‌بندی و دیگر مسائل تکنیکی عایق‌های صوتی و پدیده‌های مربوط به صوت، نه‌تنها سطح توان صوت مهم است بلکه توزیع فرکانسی آن صدا نیز از اهمیت برخوردار است.

معمولاً یک‌صدا، از چندین فرکانس مختلف تشکیل‌شده است. همچنین، تحلیل صدا معمولاً در دامنه فرکانسی گسترده‌ای (مثلاً 20Hz-20000Hz) انجام می‌شود.

برای تحلیل فرکانسی، اول باید دامنه فرکانسی را به بازه‌های کوچک‌تر تقسیم‌بندی کرد. این کار می‌توان به دو روش انجام داد. در روش اول، طول بازه‌ها برابر است. مثلاً بازه‌ها به طول 10Hz هستند.

 درروش دوم نسبت عدد بزرگ به کوچک بازه مساوی است و مثلاً همیشه عدد بزرگ بازه (حد بالای بازه) 2 برابر عدد کوچک بازه (حد پایین بازه) است. برای مثال بازه به این صورت تقسیم‌بندی می‌شود:

 [90-180], [180 – 360], [360-720]

 اگر نسبت حد بالای بازه به حد پایین بازه 2 باشد، به چنین بازه‌هایی باندهای اکتاو می‌گویند.

تقسیم بازه فرکانسی به روش باندهای اکتاو، ازنظر درک شنوایی انسان بسیار بهتر است. رایج‌ترین باند اکتاو، اکتاو 1/3 (یک‌سوم) است که نسبت حد بالایی به حد پاینیی بازه، جذر مرتبه سوم دو (تقریباً 1/26) هست. اکتاوهای 1/12 و 1/24 نیز در تحلیل فرکانسی استفاده می‌شوند.

• دسیبل (dB):

دسیبل واحدی است لگاریتمی (با پایه 10) برای نشان دادن نسبت دو مقدار. این نسبت می تواند نسبت دو مقدار فشار، توان، شدت صوت، ولتاژ یا هر پارامتر قابل اندازه گیری دیگری باشد. در آکوستیک، سطح فشار صوت (p با واحد پاسکال Pa) و سطح توان صوت (P با واحد توان W) و سطح شدت صوت (I با واحد W/m2) به صورت دسیبل و نسبت به یک مقدار مرجع تعریف می شوند. در حقیقت هر پارامتر قابل اندازگیری را می توان برحسب دسیبل بیان نمود.

• توان صوت :

ازآنجایی‌که صوت نوعی موج مکانیکی است و هر موج نیز انرژی محسوب می‌شود، صوت نیز انرژی مکانیکی بوده که به آن انرژی آکوستیک می‌گویند. مقدار انرژی خروجی در واحد زمان از منبع صوتی را توان صوتی می‌نامند و واحد آن وات [W] است. سطح توان صوت (Sound Power Level) با دسیبل نسبت به یک سطح مرجع بیان می‌شود.

Sound Power Level   dB

LW = 10 Log (P/P0)   Reference value P0 = 10-12W

مثلاً منبع صوتی با شدت توان صوتی 1W، سطح توان صوتی دارد برابر با:

LW = 10 * Log (1 / 10-12) = 120 dB

• فشار صوت :

فشار صوت یا فشار آکوستیک، عبارت است از مجذور میانگین مربعات اختلاف فشار (با فشار اتمسفر) که به‌وسیله عبور صوت از یک فضا پدید آمده است و با واحد پاسکال اندازه‌گیری می‌شود. سطح فشار صوت با دسیبل نسبت به یک سطح مرجع بیان می‌شود.

Sound Pressure Level dB

LP = 10 log (p/P0)       Reference value P0 = 20μPa =20*10-6 Pa

سطح فشار صوت:

وقتی‌که صوت منتشر می‌شود، انرژی آن در طول فاصله کم می‌شود. برای اندازگی‌ای شدت صوت در فاصله‌های مختلف، از متغیر سطح فشار صوت استفاده می‌شود. با فرض اینکه صدا به‌صورت کروی در فضا منتشرشده و سطح مانعی نیز بین منبع انتشار و محل اندازه‌گیری وجود نداشته باشد، رابطه سطح فشار صوت با سطح توان آن به‌صورت زیر است:

LP = LW + 10 * Log (1/4πr2)  dB

مثلاً منبع صوتی با شدت صوت 60dB، در فاصله 20 متری شدت صوتی برابر 23dB و در فاصله 40متری شدت صوتی برابر 17dB خواهد داشت:

LP(20mm) = 60dB + 10Log(1/4π202) = 23dB

LP(40mm) = 60dB + 10Log(1/4π402) = 17dB

شدت صوت:

شدت صوت به صورت مقدار متوسط انرژی که صوت در واحد سطح در یک راستای مشخص منتقل می کند، تعریف می شود و واحد آن وات بر متر مربع [W/m2] است. سطح شدت صوت با دسیبل نسبت به یک سطح مرجع بیان میشود.
سطح مرجع شدت صوت I0 به گونه ای تعیین می شود که فشار صوت و شدت صوت در راستای انتشار در یک میدان صوتی، هردو یک مقدار داشته باشند. به همین دلیل بیشتر مواقع به جای فشار صوت از شدت صوت استفاده می شود.

Sound Intensity Level dB
LI = 10 log (I/I0) Reference value I0 = 10-12 W/m2

 

 

 

برای بررسی عملکرد عایق کاری صوتی از مدل ها و ضرایب مختلفی استفاده می شود. معروف ترین و پرکاربردترین این ضرایب عبارتند از: ضریب کاهش صوت نرماله شده (Rw) و کلاس انتقال صوت (Sound Transmission Class) که مخصوص استانداردهای آمریکا می باشد.

سرعت صوت:

سرعت موج در هوا مستقل از فرکانس بوده و تنها تابعی از دمای محیط است:

c = 331.4+0.607t m/s

در هوای معمولی (حدودا 200C) سرعت صوت تقریبا ثابت بوده و برابر است با تقریبا c ≈ 340m/s .
در مواد دیگر سرعت صوت متغیر است مثلا در:
شیشه: 5500-6000m/s
آلومینیوم/ فولاد: 5100m/s
چوب: 3400-4500m/s
سیمان / بتون: 4000m/s
آجر: 3600m/s
یخ: 3100m/s
آب: 1500m/s
پشم های معدنی: 180m/s
همواره بین سرعت، فرکانس و طول موج رابطه ای برقرار است:
c = f * λ

از آنجایی که سرعت صوت تنها تابعی از دمای هوا (فضایی که در آن منتشر می شود) می باشد، در دمای ثابت، سرعت آن ثابت خواهد بود؛ بنابراین با افزایش فرکانس در سرعت مشخص، طول موج کم می شود و بالعکس. به عبارت دیگر، همواره فرکانس و طول موج نسبت عکس با یکدیگر دارند.

معمولا دو نوع مکانیزم انتقال صوت وجود دارد:

1.  هوابرد (Airborne)
2. ضربه (Impact)

در مکانیزم هوابرد، آلودگی صوتی مستقیم از طریق هوا از منبع صوتی، منتقل می شود مانند سروصدای خودروهای درون خیابان، تجهیزات مکانیکی، سیستم های تهویه، سیستم سینمای خانگی همسایه مجاور.

در مکانیزم ضربه، آلودگی صوتی از درون خود اجزاء سازه منتقل می شوند، مانند صدای قدم زدن افراد واحدهای بالاسر، ضربه به دیوار مجاور، بستن درب. به مکانیزم انتقال صوت ضربه، صوت سازه برد نیز گفته می شود.

برای انجام عایق کاری صوتی، می بایست تمامی مکانیزم های انتقال صوت مد نظر قرار گیرند. درها، پنجره ها و دریچه ­ها برای جلوگیری از آلودگی صوتی محیطی (Ambient) عایق شده و خود اجزاء ساختمان نیز، دارای لایه های عایق های صوتی باشند. خوشبختانه، بسیاری از موادی که در عایق کاری حرارتی استفاده می شوند (مانند پشم سنگ) به عنوان عایق صوتی نیز بکار می روند و نیاز به افزودن لایه های مجزا در اجزاء ساختمان نیست.

جذب صدا و کاهش صدا

        

باید توجه شود که عایق صوتی و جاذب صوتی مفاهیم متفاوتی هستند. منظور از عایق صوتی، ماده ای است که انتقال صوت را در فضا کاهش می دهد درحالی که منظور از جاذب صوتی، ماده ای است که از انعکاس صوت از سطوح مختلف جلوگیری می کند.

وقتی صدا به یک مانع برخورد می کند، مانند هر موج دیگری، قسمتی از آن انعکاس یافته و قسمت دیگر درون مانع منتشر می گردد. موجی که از درون مانع منتشر می شود، قسمتی از آن جذب می شود به خاصیت میرایی (damping) ماده بستگی دارد و قسمت دیگر از مانع عبور می کند و دوباره در فضا منتشر می شود. به عبارت ساده:

II: شدت صوت اولیه موج برخوردکننده به دیوار

IR: شدت صوت موج منعکس‌شده

IA: شدت صوت موج میرا شده

Itr: شدت صوت موج منتشرشده از درون مانع

ضریب جذب صوت

ضریب جذب صوت، خاصیتی از ماده است که نشان می دهد ماده می تواند چقدر از موج منتشر شده را جذب کند. این ضریب همواره عددی بین صفر و یک است به طوری که عدد یک بیانگر جذب 100% و عدد صفر جذب صفر درصد را نشان می دهد. عدد بزرگ تر ضریب جذب صوت همیشه بیانگر بهتر بودن ماده برای عایق کاری آکوستیک نیست و این ضریب بر زمان طنین اثر می گذارد. عدد مناسب ضریب جذب صوت باید متناسب با کاربر سازه و اتاق مورد نظر تعیین شود.

میرایی

وقتی صوت از درون یک محیط (چه سیال و چه جامد) منتشر می‌شود انرژی آن تقلیل می‌یابد. علت این پدیده به دو دلیل است: اول انکسار و پخش شدن موج و دوم جذب. ترکیب اثرات انکسار و جذب پدیده میرا شدن موج را به وجود می‌آورد.

نرخ کاهش

عبارت است از نرخ کاهش شدت صوت یا میرایی صدا پس از خاموش شدن منبع صوتی در اتاق. در یک اتاق با دمای ثابت، نرخ کاهش ثابت بوده و متناسب بازمان طنین (Reverberation Time) اندازه‌گیری می‌شود.

فرکانس بحرانی

در عایق‌کاری آکوستیک ساختمان‌ها، فرکانس بحرانی وقتی رخ می‌دهد که سرعت صوت در هوا برابر با سرعت انتشار امواج در پارتیشن یا پنل شود. در فرکانس بحرانی، مکانیزم اصلی انتشار صوت درون پنل تغییر می‌کند و ضریب کاهش صوت پنل به‌طور چشمگیری کم می‌شود. فرکانس بحرانی به نوع ماده عایق و ضخامت پنل بستگی دارد.

زمان طنین یا تناخنش

زمان طنین عبارت است از مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا شدت صدا، بعد از خاموش شدن کامل منبع صوتی، به مقدار 60dB کاسته شود.

معیار نویز (Noise Criteria)

در طراحی آکوستیک سیستم‌های تهویه، می‌بایست میزان حساسیت شنوایی انسان‌ها مدنظر قرار گیرد. به‌این‌ترتیب، دیگر مقدار بلندی» صدا را، بر اساس اعدادی کاملاً مطلق و دقیق نمی‌توان بیان کرد، چراکه حساسیت شنوایی در انسان‌ها متفاوت است. همچنین، گوش انسان واکنش‌های مختلفی نسبت به صداهای با شدت مختلف و فرکانس مختلف، از خود نشان می‌دهد. مثلاً صدایی با شدت صوت مشخصی، ممکن است در فرکانسی بلند تعبیر شود، ولی همان شدت صوت در فرکانس دیگری چندان آلودگی صوتی ایجاد نخواهد کرد. برای تسهیل طراحی مهندسی آکوستیکی، معیاری تعریف می‌شود به‌عنوان معیار نویز (Noise Criteria). این معیار به‌صورت نمودارهایی نسبت به‌شدت صوت (برحسب dB) و فرکانس (فرکانس‌های میانی باندهای اکتاو) رسم می‌شود. این نمودارها، مقدار حداکثر شدت صوت را در هر فرکانس بیان می‌کنند. مثلاً برای داشتن NC-35، شدت صوت در دامنه فرکانسی، باید زیر نمودار NC=35 قرار بگیرد.

مقدار مناسب NC متناسب با نیازهای طراحی و سیستم آکوستیک مطلوب، تعریف می‌شود. در بیشتر مواقع مقدار NC-45 جواب گوی عایق‌کاری آکوستیک سیستم تهویه است. معیار نویز، هرچند پارامتری مفید و مهم در طراحی آکوستیک سیستم‌های تهویه محسوب می‌شود، اما می‌تواند عایق‌کاری صوتی را دچار خطا کند. مثلاً چون معیار نویز به‌صورت مقادیر گسسته با فرجه‌های 5 واحدی، تعریف می‌شود، ممکن است دو طیف مختلف نویز یا میزان آلودگی متفاوت، هر دوبه‌یک NC ارجاع داده شوند.

معمولاً فرکانس‌های پایین کمتر از فرکانس‌های بالاتر توسط عایق‌های صوتی جذب می‌شوند (البته این اصل برای میرایی صدا عمومیت دارد)؛ بنابراین برای عایق‌کاری آکوستیک سیستم‌های تهویه، باندهای اکتاو 63Hz و 125Hz باید بیشتر موردتوجه قرار گیرند، چراکه وجود نویز در این باندها، می‌تواند باعث لرزش سیستم شود.