วิธีการติดตั้งฉนวนกันเสียงสำหรับอาคารโครงสร้างเหล็ก?

เหตุใดอาคารโครงสร้างเหล็กจึงสร้างความท้าทายเฉพาะด้านการกันเสียง

การขยายตัวของเสียงที่เดินทางผ่านอากาศและเสียงจากการกระแทก เนื่องจากความหนาแน่นสูงและการเกิดการสั่นพ้องของวัสดุเหล็ก

ความหนาแน่นสูงของเหล็ก ซึ่งมีค่าประมาณ 7,800 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ช่วยกันเสียงความถี่สูง เช่น เสียงพูดคุยกันหรือเสียงรถยนต์ที่แล่นผ่านไป ตามหลักการที่เรียกว่า Mass Law อย่างไรก็ตาม ยังมีอีกด้านหนึ่งของเรื่องนี้ด้วย คือ เหล็กมีความแข็งแกร่งสูงมาก จึงสั่นสะเทือนได้ค่อนข้างมากเมื่อสัมผัสกับเสียงความถี่ต่ำที่ต่ำกว่าประมาณ 250 เฮิร์ตซ์ ตัวอย่างเช่น เสียงครางจากเครื่องจักร หรือการสั่นสะเทือนที่เดินทางผ่านระบบทำความร้อน ตามผลการวิจัยจาก NRC Canada เมื่อปี 2023 การสั่นสะเทือนเหล่านี้อาจทำให้เสียงความถี่ต่ำดังขึ้นได้จริงๆ ระหว่าง 6 ถึง 12 เดซิเบล เมื่อแผ่นเหล็กไม่ได้รับการบุฉนวนอย่างเหมาะสม มันจะทำหน้าที่คล้ายกับหนังกลองขนาดใหญ่ โดยสะท้อนเสียงกลับคืนไปมากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ของเสียงทั้งหมดที่กระทบเข้ามา จนเกิดเสียงก้องรบกวนที่ค้างอยู่ในห้องเป็นเวลานานเกินไป

การส่งผ่านแบบโครงสร้าง: วิธีที่การสั่นสะเทือนเดินทางผ่านโครงสร้างโลหะและจุดต่อ

การสั่นสะเทือนที่เกิดจากก้าวเดิน เครื่องจักรที่กำลังทำงาน หรือชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ จะแพร่กระจายผ่านโครงสร้างเหล็กได้อย่างรวดเร็วมาก โดยบางครั้งมีความเร็วสูงกว่า 5,000 เมตรต่อวินาที การสั่นสะเทือนเหล่านี้สามารถแพร่กระจายไปรอบ ๆ วัสดุฉนวนแบบมาตรฐานผ่านสลักเกลียว จุดเชื่อมแบบเชื่อม (weld points) และข้อต่อโครงสร้างอื่น ๆ ได้ นอกจากนี้ยังสามารถส่งเสียงความถี่ต่ำไปยังระยะทางค่อนข้างไกลด้วย เช่น อาจส่งไปถึงประมาณ 30 เมตรจากแหล่งกำเนิด การใช้เหล็กไม่สามารถลดการสั่นสะเทือนเหล่านี้ได้ตามธรรมชาติเหมือนไม้ การทดสอบพบว่า เหล็กปล่อยพลังงานการสั่นสะเทือนออกมากกว่าไม้ถึงสามเท่าเมื่อพิจารณาที่ความถี่ประมาณ 100 เฮิร์ตซ์ ซึ่งส่งผลอย่างมีน้ำหนักต่อการประยุกต์ใช้งานจริง โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องควบคุมการแพร่กระจายของเสียง

กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการกันเสียงในเปลือกอาคารที่มีโครงสร้างเหล็ก

แผงโลหะฉนวนกันเสียงที่ผ่านการรับรองด้านอะคูสติก (IMPs) และระบบผนังแบบคอมโพสิต

แผงโลหะฉนวน (IMPs) ที่ออกแบบมาเพื่อการควบคุมเสียงนั้นแท้จริงแล้วผสานความสามารถในการควบคุมเสียงเข้าไปในโครงสร้างผนังเองโดยตรง แผงเหล่านี้ทำงานได้เพราะมีวัสดุเช่น ใยแร่หรือไฟเบอร์กลาสซ้อนอยู่ระหว่างชั้นเหล็กสองชั้น โครงสร้างแบบนี้สามารถบรรลุค่าดัชนีการส่งผ่านเสียง (Sound Transmission Class: STC) ได้ตั้งแต่ประมาณ 45 ถึง 55 โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการกันความร้อนของอาคารแต่อย่างใด ขณะที่แผ่นโลหะเคลือบผิวทั่วไปไม่สามารถทำเช่นนี้ได้ ด้วย IMPs คลื่นเสียงจะถูกดูดซับไว้ที่ชั้นกลางและเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนแทนที่จะสะท้อนกลับออกมา ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าแผงเหล่านี้สามารถลดเสียงรบกวนจากอากาศได้ดีกว่าผนังเหล็กธรรมดาที่ไม่มีฉนวนกันความร้อนประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสอดคล้องกับความจำเป็นในการควบคุมเสียงอย่างเข้มงวดในอาคารเชิงพาณิชย์

โครงสร้างแบบชั้นซ้อน: ช่องว่างอากาศ รางรองรับแบบยืดหยุ่น และการปิดผนึกอย่างต่อเนื่องตามแนวทางรั่วไหลของเสียง

การประกอบแบบหลายขั้นตอนช่วยลดเสียงโครงสร้างผ่านการแยกส่วนอย่างมีกลยุทธ์และการเพิ่มมวล ซึ่งใช้แนวทางสามขั้นตอนเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด:

เทคนิคนี้อาศัยหลักฟิสิกส์แบบมวล-สปริง โดยวัสดุหนัก เช่น ไวนิลที่มีมวลสูง (mass loaded vinyl) หรือแผ่นยิปซัมหนา จะทำหน้าที่เป็นอุปสรรคขัดขวางเสียงจากภายนอก ในขณะที่พื้นผิวด้านในที่แยกออกจากกันจะดูดซับเสียงที่เล็ดลอดผ่านเข้ามา การติดตั้งให้ถูกต้องจึงมีความสำคัญมาก ช่องว่างใดๆ ระหว่างแผ่น รอบท่อ หรือบริเวณที่ผนังเชื่อมกับพื้น จะทำให้เสียงรั่วไหลออกไปได้ งานวิจัยยังแสดงให้เห็นสิ่งที่น่าประหลาดใจอีกด้วย คือ แม้เพียง 1% ของพื้นที่ผนังทั้งหมดที่เปิดโล่ง ก็สามารถลดประสิทธิภาพการกันเสียงลงครึ่งหนึ่งได้ นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมความละเอียดรอบคอบในการติดตั้งจึงส่งผลต่อประสิทธิภาพจริงในงานใช้งานจริงอย่างมาก

เทคนิคการแยกส่วน (Decoupling) เพื่อแยกเสียงโครงสร้างในโครงสร้างเหล็ก

คลิปกันเสียง ชั้นลอย และตัวแขวนลดการสั่นสะเทือนสำหรับคานเหล็ก

เมื่อเราพูดถึงการแยกส่วน (decoupling) ในการก่อสร้าง สิ่งที่เรากำลังทำอยู่จริง ๆ คือการแยกส่วนต่าง ๆ ของอาคารออกจากกัน เพื่อไม่ให้การสั่นสะเทือนแพร่กระจายผ่านโครงสร้างได้ง่ายนัก ตัวยึดแยกเสียงเล็ก ๆ ที่ติดตั้งระหว่างคานเหล็กกับรางยึดแผ่นยิปซัมมีประสิทธิภาพค่อนข้างดี เนื่องจากภายในมีวัสดุยางที่สามารถดูดซับแรงกระแทกได้ งานวิจัยบางชิ้นระบุว่าวิธีนี้ช่วยลดการแพร่กระจายของเสียงผ่านโครงสร้างได้ประมาณสามในสี่ แม้ว่าผลลัพธ์อาจแตกต่างกันไปตามคุณภาพของการติดตั้งก็ตาม สำหรับพื้น ระบบพื้นลอย (floating floor) ที่ใช้วัสดุรองพื้นพิเศษจะทำหน้าที่คล้ายผ้าห่มกันเสียง โดยสร้างอุปสรรคทางกายภาพเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนที่ไม่ต้องการ อุปกรณ์กลไกต่าง ๆ จะถูกแขวนไว้กับโครงยึดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งช่วยลดปริมาณการสั่นสะเทือนที่ถ่ายโอนไปยังส่วนอื่น ๆ ของอาคาร หากดำเนินการอย่างถูกต้อง วิธีการทั้งหมดนี้จะทำลายสะพานการสั่นสะเทือน (vibration bridges) ที่เสียงมักแอบลอดผ่านเข้ามา ซึ่งโดยทั่วไปจะช่วยลดระดับเสียงลงได้ระหว่าง 15 ถึง 20 เดซิเบล ส่งผลให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในอาคารชุดหรือสำนักงานที่สร้างด้วยโครงสร้างเหล็ก ซึ่งความเงียบเป็นสิ่งสำคัญ

การปรับปรุงเป้าหมายสำหรับจุดอ่อนที่สำคัญในอาคารโครงสร้างเหล็ก

ประตูป้องกันเสียงที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน STC, หน้าต่างกระจกลามิเนต/กระจกสองชั้น และวัสดุซีลรอบขอบ

อาคารที่มีโครงสร้างกรอบเหล็กมักมีจุดที่เกิดปัญหาบริเวณพื้นที่ทางเข้า ประตูที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน STC 45 หรือสูงกว่านั้นสามารถลดเสียงรบกวนที่รุกล้ำเข้ามาจากพื้นที่ใกล้เคียงหรือสิ่งแวดล้อมภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด หน้าต่างที่ผลิตจากกระจกลามิเนตหรือกระจกสองชั้น (ซึ่งมีช่องอากาศเล็กๆ อยู่ระหว่างแผ่นกระจก) สามารถลดการผ่านของเสียงลงได้ประมาณครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับกระจกธรรมดาแบบชั้นเดียว ส่วนวัสดุซีลรอบขอบที่ทำจากยางหรือวัสดุคล้ายยาง จะช่วยสร้างรอยต่อที่เกือบสมบูรณ์แบบตามขอบของประตูและหน้าต่าง ซีลเหล่านี้จะป้องกันเสียงรบกวนประเภทช่องทางข้างเคียง (side channel noises) ที่เล็ดลอดเข้ามาผ่านช่องว่างระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ของอาคารได้ส่วนใหญ่

การดูดซับเสียงภายใน: แผ่นดูดซับเสียงแขวนเพดาน, ฉากกั้นเสียง, และการใช้วัสดุไวนิลชนิดมีมวลสูง (mass-loaded vinyl)

เหล็กมีแนวโน้มสะท้อนเสียงไปทั่วบริเวณ ดังนั้นพื้นผิวด้านในจึงจำเป็นต้องมีการลดหรือควบคุมผลดังกล่าวอย่างใดอย่างหนึ่ง สำหรับพื้นที่เปิดกว้างขนาดใหญ่ เช่น คลังสินค้าหรือโรงงานอุตสาหกรรมที่มีเพดานสูง แผ่นกันเสียงแบบแขวน (suspended ceiling baffles) ที่บรรจุใยแร่ (mineral wool) ซึ่งมีค่า NRC ไม่ต่ำกว่า 0.8 จะให้ผลดีมากในการลดเสียงก้อง (echoing noises) ส่วนการแบ่งแยกพื้นที่ต่าง ๆ ภายในอาคารประเภทนี้ ฉากกั้นเสียงแบบโมดูลาร์ (modular acoustic partitions) กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น ฉากกั้นเหล่านี้โดยทั่วไปมีผ้าหุ้มภายนอกห่อหุ้มแกนกลางที่ทำจากไฟเบอร์กลาส จึงให้ทั้งความยืดหยุ่นและความสามารถในการดูดซับเสียงที่ดีเยี่ยม สำหรับการสร้างโซนที่แยกจากกันอย่างชัดเจนระหว่างพื้นที่สำนักงานกับพื้นที่การผลิต ในบริเวณที่มีกิจกรรมที่ก่อให้เกิดแรงกระแทกอย่างต่อเนื่อง การติดตั้งไวนิลที่มีมวลสูง (mass loaded vinyl) โดยตรงบนโครงสร้างเหล็กจะช่วยลดปัญหาได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยสามารถลดการถ่ายโอนการสั่นสะเทือนได้ถึง 20–30 เดซิเบล ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาพื้นที่ใช้สอยบนพื้นไว้สำหรับการปฏิบัติงานจริงได้อย่างเต็มที่

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดอาคารที่มีโครงสร้างเหล็กจึงทำให้เสียงดังขึ้น?

ความหนาแน่นสูงของเหล็กช่วยกันเสียงความถี่สูง แต่ความแข็งแกร่งของเหล็กทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเมื่อสัมผัสกับเสียงความถี่ต่ำ ซึ่งส่งผลให้เสียงเหล่านั้นดังขึ้น

การสั่นสะเทือนเดินทางผ่านโครงสร้างเหล็กอย่างไร?

การสั่นสะเทือนเดินทางผ่านเหล็กได้อย่างรวดเร็ว โดยบางครั้งเร็วกว่า 5,000 เมตรต่อวินาที และสามารถเล็ดลอดผ่านวัสดุกันเสียงทั่วไปได้ผ่านข้อต่อโครงสร้าง ส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนเสียง

มาตรการกันเสียงแบบใดที่ให้ผลดีที่สุดในอาคารโครงสร้างเหล็ก?

แผ่นโลหะที่ผ่านการรับรองด้านอะคูสติก รางยืดหยุ่น (resilient channels) ฉนวนกันเสียงพิเศษ และสารยาแนวเฉพาะทาง สามารถลดการถ่ายโอนเสียงในอาคารโครงสร้างเหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จุดอ่อนทั่วไปที่ทำให้เกิดปัญหาเสียงในอาคารโครงสร้างเหล็กคืออะไร?

จุดอ่อนทั่วไป ได้แก่ หน้าต่าง ประตู และข้อต่อโครงสร้าง ซึ่งเสียงสามารถแทรกผ่านช่องว่างหรือบริเวณที่ไม่ได้รับการยาแนวอย่างเหมาะสมได้อย่างง่ายดาย