Nowa norma dotycząca akustyki wnętrz

Myśląc o zagrożeniach związanych z hałasem, kojarzymy je głównie z hałasem komunikacyjnym czy przemysłowym, zapominając, że bardzo głośno może być także w pomieszczeniach obiektów użyteczności publicznej, gdzie głównymi źródłami dźwięku są sami ludzie. Poziom dźwięku (L_Aeq) wytwarzanego przez dzieci na korytarzu

podstawówki w czasie przerwy zwykle waha się między 80 a 90 dBA i jest porównywalny lub wyższy do poziomu dźwięku wytwarzanego przy granicy lotniska przez lądujący samolot pasażerski. Poziom ten zależy oczywiście od liczby dzieci, ich pobudzenia, wielkości pomieszczenia, a także od jego wykończenia. Zmiana tego wykończenia (a tym samym zmiana akustyki po

mieszczenia) może przynieść redukcję poziomu dźwięku rzędu kilkunastu decybeli – i to bez ingerencji w aktywność „mobilnych źródeł dźwięku”. Akustyka dostosowana do funkcji pomieszczenia daje wiele korzyści jego użytkownikom:

– obniżenie poziomu hałasu (np. w korytarzach i stołówkach szkolnych czy w centrach obsługi telefonicznej);

– ograniczenie zasięgu przestrzennego hałasu w pomieszczeniach (np. w biurach typu open space czy korytarzach szpitalnych);

– zwiększenie zrozumiałości mowy (np. w salach lekcyjnych czy salach sportowych);

– umożliwienie poprawnego funkcjonowania systemu DSO czy też systemu nagłośnieniowego.

Zapewnienie poprawnej akustyki w nowo projektowanych obiektach przy użyciu najprostszych rozwiązań oznacza zwiększenie kosztów budowy o niecały 1%. Wobec potencjalnych korzyści dla przyszłych użytkowników trudno świadomie na akustyce wnętrz oszczędzać. Z tą świadomością mamy jednak problem.

Akustyka wnętrz zwykle jest kojarzona ze specjalistycznymi lub wręcz unikalnymi obiektami, jak sale koncertowe czy teatralne. Oczywiście dla funkcjonalności tego typu pomieszczeń akustyka wnętrz jest najważniejsza i zwykle jej wymogom podporządkowana jest ich architektura. Dosyć powszechny jest za to brak świadomości znaczenia akustyki wnętrz w typowych pomieszczeniach budynków użyteczności publicznej – jak szkoły, obiekty sportowe czy biurowe. Wynika to z jednej strony z braków w programach nauczania na kierunkach budowlanych, z drugiej strony – z faktu, że jeszcze niedawno nie było żadnej normy określającej chociażby podstawowe kryteria oceny.

Pochłanianie dźwięku i chłonność akustyczna

Fala dźwiękowa docierająca do przeszkody może zostać przez nią pochłonięta lub odbita.

Stopień dźwiękochłonności danego materiału określają współczynniki pochłaniania dźwięku a, które przyjmują wartości z zakresu 0-1. Jeżeli dla danego materiału i dla danego pasma częstotliwości współczynnik a przyjmuje wartość 0,6, oznacza to, że materiał ten pochłania 60% energii padającej na niego fali dźwiękowej, a odbija 40%.

Znając własności dźwiękochłonne materiałów użytych we wnętrzu, można obliczyć chłonność akustyczną całego pomieszczenia:

A = S₁ X α₁ + S₂ X α₂ + S₃ X α₃ + …

gdzie: S_n – pole powierzchni poszczególnych elementów ograniczających wnętrze (ściany, okna, sufit itd.), α_n – właściwy dla tego elementu współczynnik pochłaniania dźwięku.

Obliczając chłonność akustyczną pomieszczenia, można także uwzględnić chłonność akustyczną powietrza w nim zawartego oraz znajdujących się w nim obiektów (np. mebli). Dla tego samego pomieszczenia chłonność akustyczna w różnych pasmach częstotliwości może się znacznie różnić.

Pogłos

Pogłos jest zjawiskiem stopniowego zanikania energii dźwięku w pomieszczeniu po wyłączeniu źródła dźwięku. Jest związany z występowaniem dużej liczby odbić fal dźwiękowych od powierzchni ograniczających to pomieszczenie oraz przedmiotów w nim się znajdujących. Jeżeli odstęp czasowy między kolejnymi odbiciami docierającymi do słuchacza jest mały (przyjmuje się zwykle, że mniejszy niż 50 ms), zlewają się one w jeden ciągły dźwięk. Ponieważ każde kolejne odbicie fali dźwiękowej i każdy metr pokonywanej przez nią przestrzeni oznacza pewną utratę energii (wskutek pochłaniania dźwięku przez powietrze oraz odbicia od kolejnych powierzchni), kolejne odbite dźwięki docierające do słuchacza są coraz cichsze. Z tego powodu każdy impuls dźwiękowy w pomieszczeniu nie urywa się nagle jak w przestrzeni otwartej, tylko stopniowo zanika. Tempo tego zaniku zależy od wielkości, ukształtowania i wykończenia

pomieszczenia. Im mniejsza kubatura i im większa chłonność akustyczna pomieszczenia, tym pogłos jest słabszy. Słabszemu pogłosowi sprzyja też równomierne rozłożenie powierzchni dźwiękochłonnych w pomieszczeniu, a także obecność elementów rozpraszających dźwięk. Pogłos mierzony jest wielkością zwaną czasem pogłosu T [s] – jest to czas potrzebny na zmniejszenie, po wyłączeniu źródła dźwięku, poziomu ciśnienia akustycznego we wnętrzu o 60 dB.

Wartości czasu pogłosu dla różnych pasm częstotliwości (dla tego samego pomieszczenia) mogą się znacznie od siebie różnić.

Jeżeli w pomieszczeniu o odczuwalnym pogłosie (długim czasie pogłosu) zamiast dźwięków impulsowych (np. klaśnięcia) wytwarzany jest ciągły sygnał dźwiękowy (np. przemowa), mamy do czynienia ze stale utrzymującym się pogłosem, który zwiększa poziom dźwięku i niekorzystnie wpływa na zrozumiałość mowy. W pobliżu

źródła dźwięku dominuje dźwięk bezpośredni, a w dalszych partiach pomieszczenia przeważają dźwięki odbite (mówimy wtedy o polu pogłosowym). O ile w pobliżu źródła zrozumiałość mowy i czytelność innych sygnałów dźwiękowych emitowanych przez źródło jest zwykle bardzo dobra, o tyle w polu pogłosowym gwałtownie się pogarsza. Odległość od źródła, w której zaczyna się pole pogłosowe, zależy od kubatury pomieszczenia i czasu pogłosu. Im dłuższy jest czas pogłosu, tym pole pogłosowe zaczyna się bliżej źródła.

Czas pogłosu jest parametrem najczęściej stosowanym do opisu akustyki wnętrz. Mimo że niedoskonały, mówi nam dużo o charakterze akustycznym pomieszczenia. Jeśli wnętrze charakteryzuje się relatywnie krótkim czasem pogłosu, to znaczy, że jest cichsze, panują w nim lepsze warunki do komunikacji słownej (naturalnej czy z użyciem nagłośnienia), a w odbiorze subiektywnym wydaje się bardziej przytulne.

Warunki techniczne

W rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. (Dz.U. z 2015 r. poz. 1422), zwanym dalej WT, zawarte są ogólne postulaty dotyczące akustyki, które po części odnoszą się również do akustyki wnętrz.

§ 323 pkt 2:

Pomieszczenia w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej należy chronić przed hałasem:

1) zewnętrznym przenikającym do pomieszczenia spoza budynku:

2) pochodzącym od instalacji i urządzeń stanowiących techniczne wyposażenie budynku:

3) powietrznym i uderzeniowym, wytwarzanym przez użytkowników innych mieszkań, lokali użytkowych lub pomieszczeń o różnych wymaganiach użytkowych;

4)  pogłosowym, powstającym w wyniku odbić fal dźwiękowych od przegród ograniczających dane pomieszczenie.

§ 326 pkt 5:

W pomieszczeniach budynków użyteczności publicznej, których funkcja związana jest z odbiorem mowy lub innych pożądanych sygnałów akustycznych, należy stosować takie rozwiązania budowlane oraz dodatkowe adaptacje akustyczne, które zapewnią uzyskanie w pomieszczeniach odpowiednich warunków określonych odrębnymi przepisami.

Szczegółowe wymagania wiążące się z ochroną przed hałasem środowiskowym, instalacyjnym i bytowym (§ 323 pkt 2 ppkt 1-3) zawarte są w dwóch normach powołanych w WT PN-B- 02151-02:1987 oraz PN-B-02151- 3:1999. Do czerwca 2015 r. nie było natomiast żadnego dokumentu, który by określał wymagania dotyczące warunków pogłosowych (§ 323 pkt 2 ppkt 4) oraz zrozumiałości mowy (§ 326 pkt 5). Lukę tę wypełnia opublikowana w czerwcu 2015 r. norma PN-B-02151-4:2015-06 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Część 4: Wymagania dotyczące warunków pogłosowych i zrozumiałości mowy w pomieszczeniach oraz wytyczne prowadzenia badań.

Tab. 1 Przykładowe wymagania dla sal i pracowni szkolnych

Norma PN-B-0251-4:2015-06

Norma dotyczy wybranych pomieszczeń w budynkach zamieszkania zbiorowego oraz użyteczności publicznej i powinna być stosowana przy ich projektowaniu, wznoszeniu, modernizacji oraz przebudowie. Norma z założenia nie dotyczy wnętrz o akustyce kwalifikowanej, takich jak sale koncertowe, teatralne i operowe, sale projekcyjne w kinach, studia nagraniowe, radiowe i telewizyjne czy sale prób w szkołach muzycznych. Te specjalistyczne pomieszczenia wymagają indywidualnego podejścia i określenia wymagań na podstawie literatury przedmiotu czy preferencji użytkowników.

Fot. 1 Sala lekcyjna o kubaturze 150 m³. Czas pogłosu w pasmach 250-4000 Hz waha się w granicach T = 0,58-0,35 s. W paśmie 125 Hz T = 0,83 s. Średnia wartość STI = 0,8. Materiały dźwiękochłonne o współczynniku w budynkach. Część 4: Wymagania dotyczące warunków pogłosowych i zrozumiałości mowy w pomieszczeniach oraz wytyczne prowadzenia badań. w budynkach. Część 4: Wymagania dotyczące warunków pogłosowych i zrozumiałości mowy w pomieszczeniach oraz wytyczne prowadzenia badań. α_w > 0,95 rozmieszczone na suficie oraz dwóch ścianach (gazetki ścienne) (fot. i pomiary W. Mikulski: Wyniki badań wpływu adaptacji akustycznych sal lekcyjnych na jakość komunikacji werbalnej, „Medycyna Pracy” 2013, 64(2):207-215; za zgodą autora)

Wymagania normy są osobno zdefiniowane dla dwóch zasadniczych grup pomieszczeń:

– pomieszczenia, w których głównym celem jest zapewnienie dobrej zrozumiałości mowy;

– pomieszczenia, w których podstawowym celem jest ograniczenie hałasu pogłosowego.

Taki sposób podziału wymagań, wynikający oczywiście z rozmaitych funkcji pomieszczeń wskazanych w normie, jest spójny z ogólnymi wymaganiami zawartymi w WT.

Zapewnienie zrozumiałości mowy

W pierwszej grupie znajdują się pomieszczenia przeznaczone do komunikacji słownej, i to głównie prowadzonej przy znacznej odległości mówca-słuchacz: sale i pracownie szkolne, sale wykładowe (w tym audytoryjne), sale konferencyjne, sale rozpraw sądowych i inne pomieszczenia o podobnej funkcji. Dla tych pomieszczeń określone są dwa rodzaje wymagań, które powinny być spełnione łącznie: maksymalny dopuszczalny czas pogłosu T oraz minimalna wymagana wartość wskaźnika transmisji mowy STI.

Czas pogłosu T. Określony w normie maksymalny dopuszczalny czas pogłosu pomieszczenia zależy od jego kubatury oraz przeznaczenia i waha się w granicach 0,6-1,0 s. Czas pogłosu nie powinien być dłuższy od wartości maksymalnej w żadnym z pasm oktawowych o środkowych częstotliwościach z zakresu 2508000 Hz. W przypadku pasma o środkowej częstotliwości 125 Hz może być on dłuższy maksymalnie o 30% od podanej wartości maksymalnej. Wymagania są podane dla pomieszczeń o kubaturze do 2000 m³. Dla pomieszczeń większych wymagania powinny być ustalane indywidualnie. Wskaźnik transmisji mowy STI. Dla wszystkich pomieszczeń tej grupy minimalna wartość STI wynosi 0,6. Wymaganie to dotyczy pomieszczeń o kubaturze do 2000 m³. Dla pomieszczeń większych wymagania powinny być ustalane indywidualnie. Wymagania dotyczące zarówno czasu pogłosu, jak i STI dotyczą pomieszczeń wykończonych, umeblowanych w sposób typowy dla przeznaczenia, jednak bez obecności ludzi.

Tab. 2 Przykładowe wymagania dla obiektów sportowych

W przypadku pomieszczeń przeznaczonych do nauczania początkowego lub językowego maksymalny czas pogłosu powinien być o 0,1 s krótszy od wymagania podstawowego. W przypadku pomieszczeń (o kubaturze do 250 m³) przeznaczonych do prowadzenia zajęć dla osób z ubytkami słuchu lub innymi problemami z komunikacją słowną maksymalny czas pogłosu nie powinien być dłuższy niż 0,4 s.

Zrozumiałość mowy w danym miejscu pomieszczenia zależy od występującej w tym miejscu różnicy w poziomie dźwięku: głosu mówcy i mogącego go zagłuszać tła akustycznego. Zjawiskiem silnie ograniczającym zrozumiałość mowy jest pogłos. Dlatego norma zaleca jego ograniczenie. Pogłos można łatwo zmniejszyć, wprowadzając do pomieszczenia materiały dźwiękochłonne ograniczające odbicia dźwięku. Głos mówcy w miejscu lokalizacji słuchacza będzie wtedy dużo wyraźniejszy, ale będzie też cichszy. W dużych wnętrzach, w których część słuchaczy znajduje się w znacznej odległości od mówcy (> 8-9 m), może się zdarzyć, że po wprowadzeniu materiałów dźwiękochłonnych w tych odległych od mówcy miejscach jego głos będzie zbyt cichy w stosunku do tła akustycznego. Wprowadzenie do wymagań minimalnej wartości STI stanowi właśnie zabezpieczenie pomieszczeń przeznaczonych do komunikacji słownej przed taką sytuacją. Wymaganie to jest nadrzędne w stosunku do czasu pogłosu. Oznacza to, że w uzasadnionych przypadkach udokumentowanych obliczeniami dopuszcza się przekroczenie dopuszczalnej wartości czasu pogłosu, jeżeli jest to niezbędne do spełnienia wymagań dotyczących wartości wskaźnika transmisji mowy STI.

Tab. 3 Przykładowe wymagania dla pomieszczeń biurowych

W normie określono szczegółowo sposób przeprowadzania pomiaru kontrolnego wartości STI w pomieszczeniu. Określono też sposób wytwarzania pola akustycznego, usytuowanie, ukierunkowanie i liczbę pozycji źródła dźwięku, usytuowanie i liczbę punktów pomiarowych, a także liczbę pomiarów. Przyjęto, że pomieszczenie spełnia wymagania dotyczące wskaźnika transmisji mowy, STI, jeżeli średnia ze wszystkich wyników pomiarów jest większa od 0,6 oraz żaden z wyników pomiarów nie jest mniejszy od 0,55.

Fot. 2 Gminna hala sportowa w Bezledach. Przykład hali sportowej spełniającej wymagania normy. Materiały dźwiękochłonne rozmieszczone między dźwigarami i płatwiami z drewna klejonego oraz na ścianie szczytowej pomieszczenia (fot. Ecophon)

Ograniczenie hałasu pogłosowego

W drugiej grupie znajdują się pozostałe pomieszczenia, w których komunikacja słowna nie jest wiodącą funkcją lub jeśli nią jest, to odległość mówca-słuchacz jest niewielka (np. biura obsługi klienta). Głównym celem jest ograniczenie poziomu i zasięgu hałasu. Dla tych pomieszczeń wymagania sformułowano na dwa sposoby: czas pogłosu T i chłonność akustyczna A.

Czas pogłosu T. Maksymalny dopuszczalny czas pogłosu pomieszczenia zależy od jego przeznaczenia (a w kilku przypadkach także kubatury lub wysokości) i waha się w granicach 0,4-2,5 s. Czas pogłosu nie powinien być dłuższy od wartości maksymalnej w żadnym z pasm oktawowych o środkowych częstotliwościach z zakresu 250-4000 Hz. Dla pasma o środkowej częstotliwości 125 Hz nie ustalono wymagania, jednak zalecono, aby w pomieszczeniach o dużej kubaturze, w których przewiduje się zainstalowanie systemu nagłaśniającego, czas pogłosu w tym paśmie był zbliżony do wartości czasu pogłosu w pasmach częstotliwości 500 Hz i 1000 Hz. Wymaganie dotyczy zasadniczo pomieszczeń wykończonych, z trwale zamocowanymi elementami umeblowania i wyposażenia, bez obecności ludzi, chociaż jest kilka odstępstw od tej reguły.

W tej grupie znajduje się wiele pomieszczeń o rozmaitym przeznaczeniu: sale w żłobkach i przedszkolach, świetlice i stołówki szkolne, biblioteki i czytelnie, sale sportowe i hale basenowe pływalni, pokoje biurowe i gabinety lekarskie, atria, hole i foyer, wielokondygnacyjne strefy komunikacji ogólnej w centrach handlowych, terminale pasażerskie portów lotniczych, dworce kolejowe i autobusowe, galerie wystawowe i sale ekspozycyjne w muzeach.

W normie określono, że pomiar kontrolny czasu pogłosu w pomieszczeniu powinien być wykonany zgodnie z normami PN-EN ISO 3382-1 lub PN-EN ISO 3382-2. Przyjęto, że pomieszczenie spełnia wymagania dotyczące czasu pogłosu, jeśli wartości otrzymane w wyniku pomiarów nie są wyższe od dopuszczalnych. Możliwe jest jednak przekroczenie dopuszczalnej wartości w pojedynczym paśmie częstotliwości, jednak nie więcej niż o 5%.

Chłonność akustyczna A. Dla niewielkiej części pomieszczeń wymaganie zdefiniowano nie przez maksymalny czas pogłosu, lecz poprzez minimalną chłonność akustyczną A. Dla każdego typu pomieszczeń minimalna chłonność akustyczna została określona jako krotność powierzchni rzutu tego pomieszczenia: np. A > 0,6 x S, gdzie S to powierzchnia pomieszczenia w metrach kwadratowych. W ten sposób sformułowana minimalna chłonność akustyczna pomieszczeń waha się w zależności od rodzaju pomieszczenia od 0,4 do 1,3. Minimalna chłonność akustyczna powinna być osiągnięta w każdym z pasm oktawowych o środkowej częstotliwości 500 Hz, 1000 Hz i 2000 Hz. Wymaganie dotyczy zasadniczo pomieszczeń wykończonych, ale nieumeblowanych, chociaż w przypadku kilku typów pomieszczeń wskazano konieczność uwzględnienia w obliczeniach chłonności akustycznej umeblowania i wyposażenia. Wymagania podane w normie dotyczą pomieszczeń o wysokości w świetle wykończenia nie większej niż 4 m. W przypadku wyższych pomieszczeń minimalną chłonność akustyczną należy określić indywidualnie, zwiększając ją w stosunku do podanych wymagań proporcjonalnie do stopnia przekroczenia wysokości 4 m.

Fot. 3 Małe biuro typu open space. Chłonność akustyczna odniesiona do powierzchni podłogi waha się w przedziale 1,3-1,7 (dla zakresu częstotliwości 500-2000 Hz). Materiały dźwiękochłonne o współczynniku α_w > 0,90 rozmieszczone na suficie, częściowo na ścianach oraz na wolno stojących ekranach (fot. Ecophon)

W tej grupie pomieszczeń są m.in.: biura typu open space, sale operacyjne banków i urzędów, biura obsługi klientów, centra obsługi telefonicznej, szatnie i warsztaty w szkołach, korytarze w przedszkolach, szkołach, hotelach, szpitalach i przychodniach, klatki schodowe w przedszkolach, szkołach, obiektach służby zdrowia i administracji publicznej, sale chorych na oddziałach intensywnej opieki medycznej, poczekalnie i punkty przyjęć w szpitalach i przychodniach lekarskich.

W normie przedstawiono wzór służący do obliczania chłonności akustycznej pomieszczenia, pozwalający uwzględnić także chłonność akustyczną zawartego w nim powietrza oraz umeblowania. Do normy dołączone są załączniki informacyjne zawierające przykładowe obliczenia oraz dane dotyczące własności dźwiękochłonnych przykładowych ustrojów, wyrobów i elementów budowlanych i wykończeniowych oraz wyposażenia.

Pomijanie zagadnień akustyki wnętrz zarówno na etapie projektowania, jak i wykonawstwa obiektów użyteczności publicznej prowadzi często do znacznego pogorszenia ich funkcjonalności, a poprawianie błędów w funkcjonujących już budynkach jest kłopotliwe i kosztowne. Dlatego istotne jest, żeby

0komfort akustyczny wnętrz obiektów użyteczności publicznej zadbać już w fazie projektowej. Opisana norma ma w tym pomóc, stanowiąc dla projektantów i inwestorów punkt odniesienia przy ustalaniu wymagań funkcjonalnych i samym projektowaniu.

Na stronie www.ecophon.pl/PN znajduje się przewodnik po normie wraz z kalkulatorem pozwalającym obliczyć chłonność akustyczną pomieszczenia.

Wskaźnik transmisji mowy STI

Wskaźnik transmisji mowy (ang. Speech Transmission Index) to parametr określający w sposób obiektywny zrozumiałość mowy w pomieszczeniu. Przybiera wartości w zakresie od 0 do 1, gdzie wyższa wartość oznacza lepszą zrozumiałość mowy. Wartość STI może być określona zarówno za pomocą obliczeń, jak i pomiarów. Technicznie pomiar polega np. na emisji w pomieszczeniu szumu o paśmie zbliżonym do pasma mowy ludzkiej, modulowanego częstotliwościami zbliżonymi do tych, które występują w naturalnej mowie. Poziom dźwięku sygnału odpowiada poziomowi dźwięku normalnego głosu. Następnie bada się zmiany głębokości modulacji (czyli zniekształcenie) sygnału w różnych miejscach pomieszczenia.

Wartość STI mierzona w danym miejscu pomieszczenia zależy od poziomu tła akustycznego (poziom dźwięku zakłócającego sygnał), od czasu pogłosu oraz odległości od źródła sygnału. Im niższy poziom tła akustycznego, im krótszy czas pogłosu i im bliżej jest źródło, tym większe wartości przyjmuje STI.

mgr inż. arch. Mikołaj Jarosz Ecophon

dr inż. arch. Andrzej Kłosak

Zakład Budownictwa i Fizyki Budowli Instytut Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Politechnika Krakowska