Analiza i modelowanie parametrów wibroakustycznych połączeń w lekkich przegrodach budowlanych

Abstract

Przegrody dwupłytowe, zbudowane z dwóch płyt gipsowo-kartonowych rozdzielonych warstwą materiału porowatego i połączonych profilami stalowymi, stanowią obecnie jeden z podstawowych elementów lekkiego budownictwa szkieletowego. Ich zaletami - w odniesieniu do przegród monolitycznych - są niewielka masa, prostota konstrukcji oraz szybkość montażu. Cechy te niosą jednak istotne ograniczenia: niska masa powierzchniowa prowadzi do obniżonej izolacyjności akustycznej w zakresie niskich częstotliwości, a obecność profili stalowych powoduje powstawanie mostków akustycznych, które ograniczają skuteczność tłumienia dźwięków materiałowych. Dodatkowo, często spotykany niedbały montaż sprzyja błędom wykonawczym, istotnie wpływającym na parametry akustyczne przegród. Trudności te przekładają się na ograniczoną dokładność prognozowania izolacyjności akustycznej struktur dwupłytowych. W literaturze brakuje jednoznacznych analiz dotyczących roli profili stalowych w kształtowaniu parametrów wibroakustycznych. Istniejące modele obliczeniowe opierają się zazwyczaj na skrajnych założeniach - od całkowitego braku połączenia między płytami po idealnie sztywne sprzężenie - co nie oddaj e rzeczywistych warunków pracy konstrukcji. Ponadto, niewystarczająco opisane pozostają zjawiska towarzyszące wzbudzeniu materiałowemu oraz odpowiedzi struktur dwupłytowych na wzbudzenia punktowe, co stanowi istotną lukę badawczą. Celem niniejszej rozprawy jest analiza wpływu profili stalowych na właściwości akustyczne struktur dwupłytowych, z wykorzystaniem metod eksperymentalnych i numerycznych. W części doświadczalnej przeprowadzono badania w polu rozproszonym oraz przy wzbudzeniu mechanicznym, natomiast modelowanie numeryczne wykonano w środowisku COMSOL Multiphysics z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Wykazano, że zasada wzajemności nie jest w pełni spełniona w niesymetrycznych szkieletowych strukturach dwupłytowych oraz wskazano parametry determinujące to zjawisko. Ponadto zidentyfikowano rolę profili stalowych, które - w zależności od częstotliwości - mogą zarówno zwiększać, jak i obniżać tłumienie przenoszenia. Opracowano również wytyczne dotyczące doboru warunków brzegowych i metod uproszczonego modelowania struktur dwupłytowych. W końcowej części pracy przeprowadzono analizę możliwości zwiększenia tłumienia przenoszenia poprzez modyfikację geometrii i sztywności struktury oraz zastosowanie struktur płytowych o bezechowym zakończeniu (ang. Acoustic Black Holes, ABH). Zaproponowane rozwiązania umożliwiają poprawę parametrów wibroakustycznych bez konieczności zwiększania masy ani całkowitej grubości przegród. Wykorzystanie efektu ABH stanowi nowatorski element badań, wnosząc istotny wkład w rozwój metod pasywnej redukcji drgań i optymalizacji konstrukcji lekkich przegród budowlanych. Double-panel partitions, consisting of two gypsum boards separated by a layer of porous material and connected with steel studs, represent one of the fundamental components of modem lightweight frame construction. Their advantages include low mass, structural simplicity, and rapid assembly. However, these features also introduce significant limitations: the low surface mass leads to poor sound insulation at low frequencies, while the presence of steel studs creates acoustic bridges that reduce the effectiveness of structure-borne sound attenuation. Moreover, the simplified installation process often results in workmanship errors that substantially affect the acoustic performance of the partitions. These challenges translate into limited accuracy in predicting the acoustic insulation of double-panel structures. The role of steel studs in shaping vibroacoustic parameters remains insufficiently addressed in the literature. Existing analytical and numerical models are typically based on extreme assumptions - from a complete lack of coupling between panels to perfectly rigid connections - which do not reflect the actual operating conditions of such systems. Furthermore, phenomena associated with structure-borne excitation and the response of double-panel systems to point excitations are not yet fully understood, representing a significant research gap. The aim of this dissertation is to analyze the influence of steel studs on the acoustic performance of double-panel structures using both experimental and numerical approaches. The experimental investigations included measurements under diffuse field and mechanical excitation conditions, while the numerical modeling was conducted in the COMSOL Multiphysics environment using the finite element method. It was demonstrated that the reciprocity principle is not fully satisfied in asymmetric double-panel structures, and the physical parameters responsible for this behavior were identified. Additionally, the role of steel studs was characterized, showing that they can either enhance or deteriorate the transmission loss depending on the frequency range. Guidelines for the selection of boundary conditions and for simplified modeling approaches of double-panel systems were also developed. In the final part of the thesis, a numerical analysis of methods to improve acoustic insulation was carried out by modifying the geometry and stiffness of the structure, as well as by applying the concept of Acoustic Black Holes (ABH). The proposed solutions enable enhancement of vibroacoustic performance without increasing the total mass or thickness of the partitions. The use of the ABH effect represents a novel contribution to the field, providing a promising passive method for vibration reduction and optimization of lightweight building structures.