ความสัมพันธ์ของการสะท้อน ดูดซับ และทะลุผ่านของเสียง

เสียงภายนอกอาคารกับเสียงภายในอาคารต่างกันอย่างไร

เวลาที่เราเปล่งเสียงอยู่กลางแจ้ง เสียงจะพุ่งออกไปข้างหน้าและไม่ย้อนกลับมา นั่นคือพฤติกรรมของเสียงภายนอกอาคาร

ในทางกลับกัน หากเราเปล่งเสียงในพื้นที่ปิด เสียงจะวิ่งไปชนผนัง ฝ้าเพดาน หรือพื้น ไปมาภายในห้อง นี่คือพฤติกรรมของเสียงที่อยู่ภายในอาคาร

เมื่อคลื่นเสียงกระทบพื้นผิวห้องจะเกิดอะไรขึ้น

เมื่อคลื่นเสียงกระทบกับพื้นผิวห้อง จะเกิดปรากฏการณ์ 3 อย่าง คือ

• เสียงบางส่วนกระเด้งสะท้อนกลับ
• เสียงบางส่วนถูกพื้นผิวของผนังดูดซับ
• เสียงบางส่วนทะลุผนังออกไป

ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน การดูดซับ และการทะลุผ่าน

ตามหลักการแล้ว ผลรวมของพลังงานเสียงที่สะท้อน + เสียงที่ถูกดูดซับ + เสียงที่ทะลุออกไป จะต้องเท่ากับพลังงานเสียงที่วิ่งไปกระทบกับผนังในตอนแรก

ถ้ากำหนดให้

• ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (ρ) = พลังงานของเสียงที่สะท้อน/พลังงานของเสียงที่ตกกระทบ
• ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ (ρ) = พลังงานของเสียงที่ถูกดูดซับ/พลังงานของเสียงที่ตกกระทบ
• ค่าสัมประสิทธิ์การทะลุผ่าน (τ) = พลังงานของเสียงที่ทะลุผ่าน/พลังงานของเสียงที่ตกกระทบ

จะได้ว่า

τ + ρ + α = 1.0

ค่า Sound Transmission Loss (TL) คืออะไร และทดสอบอย่างไร

ค่าสัมประสิทธิ์การทะลุผ่านของเสียงสามารถนำมาคำนวณเป็นค่าประสิทธิภาพในการทะลุผ่านของผนัง หรือค่า Sound Transmission Loss (TL) ได้

ในความเป็นจริง ค่า Sound Transmission Loss (TL) หาได้จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ซึ่งมีลักษณะและขั้นตอนดังนี้

1. ห้องทดสอบเป็นห้องทึบ 2 ห้องที่อยู่ติดกัน ผนังภายในห้องสร้างด้วยคอนกรีตหนาอย่างน้อย 40 เซนติเมตร เพื่อให้ผนังสามารถป้องกันเสียงทะลุผ่านออกไปข้างนอกได้
2. ติดตั้งระบบผนังที่ต้องการทดสอบค่าประสิทธิภาพในการป้องกันเสียง กั้นระหว่างห้องทั้ง 2
3. ห้องที่เป็นแหล่งกำเนิดเสียง (Source Room) จะถูกวางลำโพงเพื่อเปิดเสียงสัญญาณที่ความดังสูงเข้าไปในห้อง
4. วัดระดับความดังของห้องผู้รับ (Receiving Room)

ผลต่างระดับเสียงระหว่างห้องแหล่งกำเนิดและห้องผู้รับ คือค่าประสิทธิภาพในการป้องกันเสียงของระบบผนังที่ทำการทดสอบ

ค่า STC (Sound Transmission Class) คืออะไร

ค่า STC หรือ Sound Transmission Class คือค่าดัชนีที่เป็นตัวเลขตัวเดียว ใช้เป็นตัวแทนในการสื่อสารประสิทธิภาพของการป้องกันเสียงทะลุผ่านของระบบผนังแบบภาพรวม

ที่ต้องมีค่านี้เพราะเมื่อทดสอบค่าประสิทธิภาพในการป้องกันเสียง หรือค่า TL ห้องปฏิบัติการจะออกผลทดสอบแยกตามช่วงความถี่แบบ Octave มาให้ ซึ่งค่อนข้างยุ่งยากในการสื่อสาร โดยเฉพาะกับวงการสถาปนิก เพราะการพูดถึงค่า TL จะต้องระบุย่านความถี่ที่ต้องการสื่อสารด้วย

วิธีหาค่า STC

การหาค่า Sound Transmission Class ไม่ใช่การหาค่าเฉลี่ยของ TL ทุก ๆ ความถี่ แต่ใช้เส้น STC Contour ซึ่งเป็นกราฟมาตรฐาน

วิธีการคือขยับกราฟมาตรฐานขึ้นลงในแนวดิ่ง เปรียบเทียบกับค่า TL ที่ได้จากการวัด โดยขยับซ้ำแล้วซ้ำเล่าจนเข้าเงื่อนไขดังต่อไปนี้

• เมื่อรวมค่าผลต่างระหว่างค่าบน STC contour กับค่า TL ที่ได้จากการวัด จะต้องมีค่าไม่เกิน 32 dB
• ค่าผลต่างสูงสุดของแต่ละจุด จะต้องไม่เกิน 8 dB

เส้นประสีน้ำเงินคือ เส้น STC Contour

วิธีการหาค่า STC อาจดูซับซ้อน แต่ไม่จำเป็นต้องสนใจมาก สิ่งที่น่าสนใจคือค่า STC จะบอกประสิทธิภาพในการป้องกันเสียงได้แบบเป็นรูปธรรม ดังแสดงในภาพ

ผนังของห้องแบบต่าง ๆ ควรมีค่า STC เท่าไหร่

เพื่อให้ง่ายต่อการเลือกระบบ จึงขอแนะนำค่า STC ที่เหมาะสมต่อการใช้งานห้องต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

ปัจจัยอะไรทำให้ผนังมีค่า TL สูง

ปัจจัยของระบบผนังที่ทำให้ค่า TL สูง มี 3 ปัจจัยหลัก ๆ

1. ผนังทึบไม่มีรอยรั่ว เสียงเหมือนน้ำ ถ้าเจอตรงไหนรั่วจะไหลลอดตรงนั้นมาก
2. ยิ่งน้ำหนักต่อพื้นที่ผิวมากยิ่งกันเสียงได้มาก หมายความว่าผนังยิ่งหนักยิ่งกันเสียงดี
3. ยิ่งระบบผนังประกอบด้วยหลายชั้น และใช้วัสดุหลาย ๆ ชนิด เวลาพลังงานเสียงวิ่งทะลุผ่าน พลังงานเสียงจะถูกทำลายได้ง่าย ส่งผลให้กันเสียงได้ดีขึ้น

ลองมาดูแต่ละหัวข้อกัน

ปัจจัยที่ 1: ผนังที่มีรอยรั่วทำให้ค่า TL ลดต่ำลงอย่างมาก

ผนังที่มีรอยรั่วจะทำให้ค่า TL ลดต่ำลงอย่างน่าใจหาย

ในทางทฤษฎี เราสามารถคำนวณค่า TL เฉลี่ยของระบบผนังที่ประกอบด้วยพื้นผิวหลายชนิดได้จากสมการนี้

สมมุติว่าผนังก่ออิฐหนา 10 เซนติเมตร มีค่า TL ดังแสดงในกราฟ มีค่า STC เท่ากับ 45

เมื่อกำหนดให้ผนังมีช่องว่าง ความสูงเพียงแค่ 5 มิลลิเมตร

ผลลัพธ์ที่ได้คือ ค่า STC ลดลงจาก 45 เหลือเพียง 20 เท่านั้น

จะเห็นว่าหากรูรั่วมีขนาดใหญ่ขึ้นมากกว่านี้ จะยิ่งทำให้ค่า STC ลดต่ำลงอย่างมาก จนแทบจะไม่สามารถป้องกันเสียงทะลุผ่านได้เลย

ปัจจัยที่ 2: ยิ่งผนังมีน้ำหนักต่อพื้นที่ผิวมาก ยิ่งกันเสียงได้ดี

ประการที่ 2 ยิ่งผนังมีน้ำหนักต่อพื้นที่ผิวมากขึ้น ยิ่งกันเสียงได้ดียิ่งขึ้น

ยกตัวอย่างแผ่นไม้ที่มีความหนาแตกต่างกัน จะเห็นได้ว่าค่า STC สูงขึ้นตามไปด้วย

ตามทฤษฎีกฎของมวล (Mass Law Theory) ยิ่งน้ำหนักต่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น 2 เท่า จะทำให้ค่า TL เพิ่มขึ้นเฉลี่ย 5-6 dB

ปัจจัยที่ 3: ผนังหลายชั้นและวัสดุหลายชนิดทำให้ค่า TL สูงขึ้น

ประการสุดท้ายคือ ผนังที่มีหลายชั้นและประกอบด้วยวัสดุหลายชนิด ยิ่งทำให้ค่า TL สูงขึ้น

พิจารณาระบบผนังก่ออิฐหนา 100 มิลลิเมตร เรารู้แล้วว่าตามกฎของมวล ผนังหนาเพิ่มขึ้น 2 เท่า (น้ำหนักต่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น 2 เท่า) ทำให้ค่าการกันเสียงเพิ่มขึ้น 5-6 เดซิเบล

แต่ถ้าหากเราแยกผนังก่ออิฐหนา 10 เซนติเมตร ออกเป็น 2 ชั้น โดยมีช่องว่างตรงกลางขนาด 50 มิลลิเมตร ค่า STC จะเป็นเท่าไหร่

จะเห็นว่าค่า STC เพิ่มขึ้นเป็น 74 โดยที่น้ำหนักต่อพื้นที่ผิวของผนังเท่ากับผนังก่ออิฐหนา 200 มิลลิเมตร

นี่จึงเป็นสาเหตุว่าทำไมผนังที่มีหลายชั้นและเป็นวัสดุต่างชนิดกันจึงเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันเสียงได้ดีขึ้น

การประยุกต์ใช้กับระบบผนังเบา

หลักการที่ว่าผนังที่มีหลายชั้นและประกอบด้วยวัสดุหลายชนิดยิ่งทำให้ค่า TL สูงขึ้น ถูกนำมาประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในระบบผนังเบา

เหตุผลคือในสภาพการก่อสร้างจริง ผนังที่มีน้ำหนักมากจะเป็นภาระแก่โครงสร้างอาคาร อีกทั้งผนังที่มีน้ำหนักมากจำเป็นต้องก่อตามแนวคาน ซึ่งทำให้เกิดข้อจำกัดในการจัดสรรพื้นที่ภายในอาคาร

โดยทั่วไประบบผนังเบา เช่น ระบบผนังยิปซั่ม ความหนาแผ่น 10 มิลลิเมตร ติดตั้งกับโครงรูปตัวซี หนา 64 มิลลิเมตร จะมีค่า STC อยู่ที่ 33

ใส่ฉนวนกันเสียงในผนังเบาช่วยเพิ่มค่า STC ได้เท่าไหร่

ค่า STC ดังกล่าวยังไม่เพียงพอในการป้องกันเสียง การเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันเสียงให้แก่ระบบผนังเบา ทำได้โดยการติดตั้งฉนวนกันเสียงที่ถูกออกแบบมาเพื่อใส่ในผนัง

ยกตัวอย่างเช่น การติดตั้งฉนวน ISO-NOISE ความหนา 50 มิลลิเมตร เข้าไปภายในช่องว่างระหว่างผนัง จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันเสียงจาก STC 33 กลายเป็น STC 38 โดยไม่ต้องเพิ่มความหนาของผนัง และไม่เพิ่มน้ำหนักผนังซึ่งเป็นภาระของโครงสร้างแต่อย่างใด

ทำไมฉนวนในช่องว่างผนังจึงช่วยกันเสียงได้ดีขึ้น

การติดตั้งฉนวนกันเสียง เช่น ISO-NOISE เข้าไปภายในช่องว่างผนัง ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันเสียงแก่ระบบผนังทั้งระบบได้ เพราะฉนวนทำหน้าที่ทำลายพลังงานเสียงที่คงค้างภายในช่องว่างของผนัง

เมื่อเสียงวิ่งผ่านแผ่นยิปซั่มแผ่นแรกเข้าไปภายในช่องว่าง เสียงจะเกิดการสะท้อนไปมาภายในช่องว่าง ก่อนจะทะลุแผ่นยิปซั่มแผ่นที่สองออกไปยังห้องผู้รับ การคงค้างของพลังงานเสียงภายในช่องว่างนี้ส่งผลให้ระบบผนังมีประสิทธิภาพในการป้องกันเสียงลดลง

การติดตั้ง ISO-NOISE ซึ่งทำหน้าที่ทำลายพลังงานเสียงที่คงค้างภายในช่องว่างของผนัง จะเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันเสียงได้อย่างน้อย 6-8 เดซิเบล

Coincident effect คืออะไร

สิ่งที่น่าสังเกตคือ ที่ความถี่ 3150 จะเห็นได้ว่าค่า TL ของผนังลดลงเป็นอย่างมากเมื่อเทียบกับค่า TL ในช่วงความถี่สูงด้วยกัน

ปรากฏการณ์นี้เกิดจากเสียงที่ความถี่ 3150 ซึ่งเดินทางไปกระทบผนัง มีความยาวคลื่นไปตรงกับความยาวคลื่นของผนังที่สร้างการสั่นสะเทือนในรูปแบบที่ตั้งฉากกับระนาบผนัง (Bending wave in panel)

ส่งผลให้ผนังมีการสั่นสะเทือนในรูปแบบตั้งฉากกับระนาบรุนแรง ทำให้ TL ที่ความถี่นี้ลดลง เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Coincident effect”

ลดผลกระทบของ Coincident effect ได้อย่างไร

การลดผลกระทบของ Coincident ทำได้โดยการเพิ่มคุณสมบัติการหน่วง (damping properties) การสั่นสะเทือนของแผ่นผนังให้น้อยลง หมายความว่าเมื่อเกิด coincident effect ผนังจะเกิดการขยับตัวน้อยลง

มีผู้ผลิตหลายเจ้าได้ผลิตวัสดุหน่วงประเภทนี้ขึ้นมา เช่น Green Glue ของบริษัท Trandar ซึ่งมีลักษณะคล้ายกาว

โดยการทาให้ทั่วระหว่างแผ่นยิปซั่ม 2 แผ่น ก่อนติดตั้งกับระบบผนัง จะช่วยลดความรุนแรงของ coincident effect และทำให้ค่า TL ที่ช่วงความถี่ 3150 Hz สูงขึ้น