Kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyys - laboratoriotutkimus

Transkriptio

1 Kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyys - laboratoriotutkimus Valtteri Hongisto, Riikka Helenius, Mika Lindgren 45 x 12 puu LR 12 mm TC 125 mm AWS 125 mm TYÖYMPÄRISTÖTUTKIMUKSEN RAPORTTISARJA 1 Työterveyslaitos, 22

2 2 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22

3 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren JULKAISUTIEDOT Julkaisu: Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1, Työterveyslaitos, 22 ISBN , ISSN Kirjoittajat: Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren Otsikko: PROJEKTITIEDOT Tutkimusprojekti: Seinärakenteiden ääneneristävyyden laskentamallit ERVE Ohjelma/muu tieto: Tekesin Värähtelyn ja äänenhallinnan teknologiaohjelma, VÄRE Vastuullinen osasto: Turun aluetyöterveyslaitos, Ilmastointi- ja akustiikkalaboratorio Rahoittajat: Tekes, TTL, Kvaerner-Masa Yards Oy, Rannila Steel Oy, NSM Oy Projektin kesto: 11/1999-1/22 TTL projektinumero: 317 Painopäivämäärä: joulukuu 22 Julkaisuvapaa: Sivuja: 53 Painos: 2 TIIVISTELMÄ Rakennusosien ilmaääneneristävyys on otettava huomioon, kun suunnitellaan viihtyisiä ja toimivia työ- ja asuinrakennuksia. Perinteisesti ääntä on eristetty paksuilla massiivisilla seinärakenteilla. Kun halutaan keveitä ja hyvin ääntä eristäviä seinärakenteita, päädytään kaksinkertaisiin tai monikerroksisiin seinärakenteisiin, joissa levykerrosten välissä on ilmavälejä. Haluttaessa optimoida tällaisen seinärakenteen ääneneristävyys, pitää tuntea erityisen hyvin levyjen väliseen kytkentään vaikuttavat tekijät. Tässä tutkimuksessa pyritään antamaan selkeä käsitys siitä, miten kaksinkertaisen seinärakenteen ilmavälissä tehtävät muutokset vaikuttavat ilmaääneneristävyyteen. Tutkittavia parametreja olivat mm. ilmavälin paksuus, absorptiomateriaalin määrä ja ominaisuudet, rankojen määrä, paksuus ja jäykkyys, sekä ruuvausjako levyn ja rangan välillä. Kullekin parametrille valittiin kohtalainen määrä riittävän erilaisia arvoja, jolloin saatiin havainnollisia parametrisia testisarjoja. Ääneneristävyysmittauksia tehtiin yhteensä 68 kappaletta Työterveyslaitoksen akustiikkalaboratoriossa Turussa. Kaikissa rakenteissa pintalevyinä käytettiin 2 mm teräslevyä. Absorptiomateriaalina käytettiin eri tiheyksisiä mineraalivilloja. Rankoina käytettiin 4 eri jäykkyyksistä teräsrankaa sekä eri paksuisia puurankoja. Kun kyseessä olivat kytkemättömät seinärakenteet (erillisrankaseinät), tärkeimmiksi parametreiksi osoittautuivat ilmavälin paksuus ja absorptiomateriaalin määrä. Kun kyseessä olivat kytketyt seinärakenteet (ranka kytkee seinäpuoliskot toisiinsa), tärkeimmiksi parametreiksi osoittautuivat rangan tyyppi ja ruuvausjako. Puurangan paksuudella ei ollut käytännössä mitään vaikutusta. Ennakoitua vähemmän merkitsi myös rankojen välinen etäisyys. Sillä oli käytännön merkitystä vain alueella 1-2 Hz kun rankajako oli pieni. Tällöin pintalevy rupesi voimakkaasti resonoimaan. Tutkimustuloksista on hyötyä kehitettäessä seinärakenteita ja haluttaessa ymmärtää kaksoisseinärakenteiden ääneneristävyyskäyttäytymistä. Tuloksia voidaan soveltaa seinärakenteiden lisäksi ovi-, siirtoseinä- ja ikkunarakenteille sekä keveille välipohja-, kattoja fasadirakenteille. 3

4 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22 ESIPUHE Työterveyslaitoksen ilmastointi- ja akustiikkalaboratoriossa Turussa toteutettiin vuosina tutkimushanke "Seinärakenteiden ääneneristävyyden laskentamallit." Tutkimushankkeen päätavoitteena oli koota yhteen ja validoida olemassa olevat ilmaääneneristävyyden ennustemallit koskien kaksikerroksisia kevyitä seinärakenteita sekä kehittää uusi malli, joka olemassaolevia paremmin ottaa huomioon kaksinkertaisen seinärakenteen kaikki akustiset parametrit. Tutkimuksen rahoittivat Tekes, Työterveyslaitos, Rannila Steel Oy, Kvaerner- Masa Yards Oy, NSM Oy ja vuosina myös Käefer Oy. Tutkimus oli osa Tekesin VÄRE ohjelmaa. Tutkimuksen toteuttivat Työterveyslaitoksella Turussa erikoistutkija Valtteri Hongisto, laboratorioinsinööri Mika Lindgren ja tutkija Riikka Helenius. Lisäksi hankkeessa olivat osittain mukana tutkimusapulainen Esa Nousiainen, apulaistutkija Petteri Laitinen ja tutkija Jukka Keränen. Keskeisenä osana ERVE-hankkeen alkuvaihetta oli kaksoisseinärakenteiden parametrinen tutkimus, jossa pyrittiin selvittämään kokeellisesti kaksinkertaisen seinärakenteen eri puoliskojen kytkentätapojen vaikutusta ääneneristävyyteen. Tavoitteena varmistua tärkeimmistä ääneneristävyyteen vaikuttavista tekijöistä ja siten ohjata uuden ennustemallin kehitystä. Tämä raportti esittää kaksinkertaisille seinärakenteille tehdyn kokeellisen tutkimuksen tulokset. Raportti on kohdistettu erityisesti rakennustuotevalmistajille tuotekehityksen apuvälineeksi. Luvun 5 tuloksista arvioidaan olevan kuitenkin hyötyä kaikille alan parissa työskenteleville kuten akustiikkakonsulteille, tutkijoille, koneiden ja rakennusten suunnittelijoille ja opettajille. Tieteellisempää lähestymistapaa kaipaaville suositellaan tutkimuksen englanninkielistä versiota, joka julkaistaan vuonna 22 tai 23 eurooppalaisessa acta acustica acustica -lehdessä. 1. 4

5 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO Tausta Tutkimuksen tavoite TEORIA Yksinkertainen seinärakenne Kaksinkertainen seinärakenne MENETELMÄT Ilmaääneneristävyyden mittaus Ilmaääneneristysluvun R W määritys Kaksinkertaisen seinärakenteen asennus MATERIAALIT TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU Ilmavälin paksuuden vaikutus kytkemättömässä rakenteessa (tyhjä väli) Ilmavälin paksuuden vaikutus kytkemättömässä rakenteessa (absorboiva väli) Absorptiomateriaalin täyttösuhteen vaikutus kytkemättömässä rakenteessa Rangan tyypin vaikutus (d = 125 mm) Rangan tyypin vaikutus (d = 42 mm) Puurankajaon vaikutus Rankajaon vaikutus joustavilla teräsrangoilla Ruuvausjaon vaikutus puurangoilla kytketyssä rakenteessa Ilmavälin paksuuden vaikutus kytketyssä rakenteessa Mineraalivillan virtausresistiivisyyden ja tiheyden vaikutus Rankajaon vaikutus yksittäisellä teräslevyllä Ruuvausjaon vaikutus yksittäisellä teräslevyllä Mineraalivillan ääneneristävyys JOHTOPÄÄTÖKSET...45 Liite 1 - Kaksinkertaisten seinien testisarjat Liite 2 Yksinkertaisten seinien testisarjat Liite 3 Kuvissa esiintyvät käyrät KIRJALLISUUS

6 6 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22

7 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 1 JOHDANTO 1.1 Tausta Meluntorjunta on yksi kuudesta oleellisesta vaatimuksesta Euroopan rakennustuotedirektiivissä 89/16/EEC. Rakennus tulee suunnitella ja rakentaa siten, että työntekijöiden ja asukkaiden kokema melu on tasolla, joka ei haittaa heidän terveyttään ja sallii heidän nukkua, levätä ja työskennellä tyydyttävissä olosuhteissa. Rakennuksissa rakenteiden ääniominaisuuksia kuvataan ilma- ja askelääneneristävyydellä, huonetilan ominaisuuksia jälkikaiunta-ajalla ja laitteiden ominaisuuksia melutasolla tai äänitehotasolla. Ilmaääneneristävyys on tärkein rakennuksen akustinen ominaisuus. Riippuen huoneissa tapahtuvista toiminnoista, voi olla välttämätöntä asettaa vaatimustaso ympäröiville rakenteille tai rakennusosille, joko eristämään huoneeseen tulevaa tai huoneessa syntyvää ääntä. Seinärakenteet mitoitetaan yleensä jonkin tavoitetason mukaan. Selkeimmät tavoitetasot on esitetty asuinhuoneistoille mutta yleisiä suosituksia voidaan esittää myös työpaikoille. Esimerkiksi olohuoneissa A-painotettu ekvivalentti äänitaso L Aeq ei saisi ylittää arvoa 3 db päiväsaikaan. Tämä koskee sekä ulkoa että naapurista tulevaa ääntä, ei huoneiston omaa ääntä. Luokka- ja kokoushuoneissa arvo on 35 db, jotta riittävä puheen erotettavuus ja keskittymiskyky voidaan saavuttaa. Toimistotyyppisissä tiloilla tavoitetasona on tyypillisesti db riippuen tehtävän vaativuudesta. Teollisuuden valvomoissa arvo on db riippuen tehtävistä. Teollisuushalleissa ja muissa meluisissa tiloissa, joissa ei vaadita keskittymisrauhaa, arvo on 85 db. Melun vaikutukset terveyteen ja viihtyvyyteen ovat niin kiistattomat, että rakennusakustisia vaatimuksia noudatetaan melko tunnollisesti suomalaisessa rivija kerrosrakentamisessa. Asuinhuoneistoissa ilmaääneneristysluvun pitää olla huoneistojen välillä Suomen Rakentamismääräyskokoelman osan C1 (1998) mukaan yli R' w = 55 db. Arvon täyttävät seinärakenteet on hyvin kuvattu erilaisissa käsikirjoissa laboratorioarvoina R w. Sivutiesiirtymät kylläkin huonontavat tätä arvoa käytännössä jopa db. Sivutiesiirtymien mitoittamiseksi ei ole vielä olemassa vakiintunutta käytäntöä Suomessa. Tämä onkin yksi tulevaisuuden tutkimusaihe. Hankalammat ääneneristysongelmat esiintyvät esimerkiksi työpaikoilla, julkisissa tiloissa ja laivoissa, joissa tavoitteelliset melutasot ja työtehtävät vaihtelevat paikasta riippuen ja ihmisten sietokyky erilaisissa tehtävissä vaihtelevat. Ääneneristävyyden vaatimustasot voivat vaihdella 2 ja 8 db välillä. Vaatimukset riippuvat meluisan puolen melutason ja eristettävän puolen tavoitetason mukaan. Tällöin pitää rakenne mitoittaa eri tilanteen mukaan. Vastaavanlainen ongelma on rakennusten ulkoseinät. Ääneneristävyysmitoituksia voidaan joutua tekemään joko rakennuksen sisäpuolella tai ulkopuolella olevan 7

8 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22 melutason perusteella. Esimerkkinä voi olla liikennemelusta häiriintyvä toimistorakennus tai voimalan melusta häiriintyvä asuinalue. Kokemusten mukaan seuraaviin kohteisiin on jatkuva uusien ääneneristystuotteiden kehittämisen tarve: väliseinät, erityisesti kevytrakenteiset ja monikerroksiset ikkunat ulkoseinät ja katot toimistojen, potilashuoneiden, koulujen ja asuntojen äänieristysovet laivan henkilöstön ja matkustajien hytit sisältäen seinät, alakatot ja ovet kokoushuoneiden ja monitoimitilojen siirtoseinät koneiden, konehuoneiden ja valvomoiden erikoisseinät ja -kotelot teattereiden, studioiden ja vastaavien tilojen seinät tie- ja raideliikennemeluesteet 2 Ääneneristävyysvaatimukset vaihtelevat edellisissä usein kohteesta toiseen ja tuotteiden ääneneristävyys pyritään optimoimaan kilpailukyvyn parantamiseksi tapauskohtaisesti, yleensä myynti- ja markkinointiprojektien yhteydessä. Oman ongelmansa muodostavat lisäksi kentällä äänivuodot esim. ovilla, siirtoseinillä ja ikkunoilla sekä rakenteelliset sivutiesiirtymät. Äänivuotoja ovissa on käsitelty aikaisemmissa tutkimuksissa melko tyhjentävästi. 3,4,5,6 Rakenteellisista sivutiesiirtymistä on tehty vasta esitutkimusta 7,8,9 ja niitä on tarkoitus tutkia lisää jatkohankkeessa. Optimaalisella ääneneristävyydellä tarkoitetaan sitä, että mm. seuraavat tekijät toteutuvat yhtä aikaa ääneneristävyystavoitteen ohella: alhainen tuotantokustannus alhainen massa ohut rakenne jäykkä rakenne tavoitteellinen paloluokka helppo ja nopea valmistaa soveltuu tuotantolaitoksen olemassa oleviin tuotantoprosesseihin Yksinkertaisten seinärakenteiden ilmaääneneristävyyteen vaikuttavat tekijät tunnetaan melko hyvin. Merkittävimmät tekijät ovat: 1A Pintamassa 1B Youngin moduli 1C Kokonaishäviökerroin 1D Poissonin suhde 1E Näytteen koko Monikerroksisten seinärakenteiden ilmaääneneristävyyteen vaikuttavien tekijöiden määritys on huomattavasti vaikeampaa. Kaksinkertainen seinärakenne koostuu tyypillisesti rakennuslevyistä, huokoisista kerroksista ja erilaisista kytkennöistä niiden välillä. Tällaisen rakenteen ääneneristävyyteen vaikuttavat: 2A Levyjen välisten tukirankatyyppien jäykkyys 2B Rankojen etäisyys 8

9 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 2C Ilmavälin suuruus 2D Absorptiomateriaalin määrä ja ominaisuudet 2E Levyjen ruuvaustapa rankoihin/toisiinsa Kun monikerroksisia seinärakenteita kehitetään, törmätään aina kysymykseen, mitkä ovat tekijöiden 1A 1E ja 2A 2E vaikutukset ääneneristävyyteen. Kirjallisuudesta löytyy tutkimuksia, joissa on esitetty milloin minkäkin seinäparametrin vaikutuksia kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyyteen. 1 Sen sijaan ei ole julkaistu tutkimuksia, joissa kaikkia keskeisimpiä parametreja olisi tutkittu yhtaikaa mukaanlukien tukirangan vaikutukset. 1.2 Tutkimuksen tavoite Tämän tutkimusraportin tavoitteena on esittää yleistajuisesti tärkeimpien parametrien vaikutus kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyyteen. Työssä keskitytään pintalevyjen välisten kytkentöjen tutkimiseen. Tulokset on esitetty niin, että niitä voidaan hyödyntää helposti esimerkiksi tuotekehityksessä ja opettamistarkoituksissa. 9

10 1 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22

11 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 2 TEORIA Tämän luvun tarkoituksena on esittää lyhyt teoria, jonka avulla lukija voi halutessaan paremmin ymmärtää tuloksissa käsiteltävät resonanssi-ilmiöt. Tämä raportti ei käsittele ääneneristävyyden ennustemalleja kuitenkaan tätä laajemmin. Aiheesta saa tarvittaessa lisätietoja Hongiston tutkimuksesta Yksinkertainen seinärakenne Yksinkertaisen ja kevyen (alle kg/m 2 ) levyn ääneneristävyyskäyrä on yleensä kuvassa esitettyä muotoa. Siinä esiintyy kaksi keskeistä resonanssia, joilla ääneneristävyys on huono. Resonanssitaajuus f 11 ja koinsidenssi-ilmiö on esitetty kuvassa ja niiden laskentatapa esitetään seuraavassa. Alin ominaistaajuus tai normaaliresonanssi f 11 (Hz) yksinkertaiselle reunoiltaan vapaasti tuetulle levylle, jonka leveys on L x (m) ja korkeus L y (m), saadaan yhtälöstä f 11 π Eh 1 1 = ( 1 ν ) m' L L c 1 1 = 4 f L + L x 2 y c 2 x 2 y (1) missä h on levyn paksuus (m), E levymateriaalin kimmomoduli (N/m 2 ), ν levymateriaalin Poissonin suhde, m levymateriaalin pintamassa (kg/m 2 ), f c levymateriaalin kriittinen taajuus (Hz) ja c on äänen nopeus ilmassa (343 m/s). Resonanssi voi esiintyä yli 1 Hz alueella, jos levy on esimerkiksi kiinnitetty tukirankoihin erittäin tiheästi, kuten 4 mm välein tai tiheämmin. Tukirankojen välille voidaan tällöin katsoa muodostuvan itsenäisesti värähtelevä osalevy. Ominaistaajuuden laskennassa pitää siis valita mitat L x ja L y sen mukaan, mitkä ovat levyn reunaehdot. Ominaistaajuuden f 11 yläpuolella ääneneristävyys kasvaa noin 6 db/oktaavi massalain mukaan koinsidenssitaajuuteen asti. Massalaki antaa ääneneristävyyden R (db) äänen taajuuden f (Hz) funktiona yhtälöstä R = 2log m' f 48dB (2) Korkeammilla taajuuksilla koinsidenssi pienentää seinärakenteen ääneneristävyyttä. Koinsidenssi tapahtuu silloin, kun äänen etenemisnopeus ilmassa on yhtä suuri kuin taivutusaallon etenemisnopeus levyssä. Kriittinen taajuus f c (Hz) eli alin koinsidenssitaajuus voidaan laskea yhtälöstä f c = c 12ρ 1 2πh E ( ν ) / missä ρ on levymateriaalin tiheys (kg/m 3 ). Esim. 2 mm teräslevyllä f c = 62 Hz, jossa esiintyy kuoppa ääneneristävyyskäyrässä. (3) 11

12 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22 f c 4 f mm teräslevy massalaki Kuva Yksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyyttä heikentävät resonanssit: ominaistaajuus f 11 ja kriittinen taajuus f c. Kyseessä on 2 mm teräslevy, jossa on puiset pystyrangat 11 mm välein (b s = 17 mm). Yhtenäinen käyrä on mitattu. Kuva Yksinkertaisen levyn poikkeustaajuudet. Vasemmalla alin ominaistaajuus f 11, jossa levy kokonaisuudessaan värähtelee reunan tukipisteiden välissä. Oikealla koinsidenssi, jossa levyn taivutusaalto λ a ja ilmassa etenevä ääniaalto λ B ovat yhtä pitkät. 12

13 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 2.2 Kaksinkertainen seinärakenne Kaksinkertaisen kevyen seinärakenteen (m < 2 kg/m 2 ) ääneneristävyyskäyrät ovat yleensä kuvan muotoisia. Kaksinkertaisella rakenteella saavutetaan huomattavasti parempi ääneneristävyys kuin samanmassaisella yksinkertaisella levyllä, poislukien matalat taajuudet. Matalilla taajuuksilla kytkemättömän kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyyttä pienentää massa-ilma-massa resonanssi. Ilmavälissä oleva ilma käyttäytyy jousen tavoin. Alhaisin resonanssitaajuus f normaalille tulokulmalle saadaan yhtälöstä f = 1 2π ρ 2 c d m ' + m ' 1 m ' m ' (4) missä m 1 ja m 2 ovat levyjen pintamassat (kg/m 2 ), ρ on ilman tiheys (1,19 kg/m 3 ) ja d on ilmavälin paksuus (m). Tyhjällä ilmavälillä massa-ilma-massa resonanssi tapahtuu välillä f 5f, jolloin ääneneristävyys on huono laajalla alueella. Taajuuden 5f yläpuolella ääneneristävyys kasvaa jyrkästi. Absorboivalla ilmavälillä resonanssi näkyy vain f :n kohdalla. Tämän yläpuolella ääneneristävyys kasvaa 18 db/oktaavi. Useimmat oppikirjat esittävät, että kaksinkertaisilla rakenteilla esiintyy ilmavälin resonanssi taajuuksilla, kun ilmavälin paksuus d on puolet aallonpituudesta, toisin sanoen c f r = n, n = 1, 2,... (5) 2d Tyypillisesti resonanssitaajuus on keskikorkeilla taajuuksilla. Kerroin n kertoo, että resonanssi tapahtuu myös alimman taajuuden (n=1) kokonaislukumonikerroilla. Tämä raportti osoittaa kuitenkin, ettei tämä resonanssi ole kovin merkittävä. Samanlainen resonanssi voi samalla periaatteella tapahtua myös pysty- tai vaakasuunnassa ilmavälin sisällä. Tällöin mitan d tilalle asetetaan yhtälössä (5) kaviteetin korkeus tai leveys. Resonanssit ovat tällöin huomattavasti alemmilla taajuuksilla. Kuvassa 2.2.2c on esitetty resonanssin riippuvuutta ilmavälin mitasta. Kaksoisrakenteen ääneneristävyys heikkenee tukirankojen myötä, jos ne kytkevät levypuoliskot mekaanisesti toisiinsa. Pienillä taajuuksilla ääni etenee aina ilmaväliä pitkin, jolloin rangoilla ei ole ääneneristävyyteen huomattavaa vaikutusta. Ns. silta-taajuuden f b yläpuolella ääni kulkeutuu lähes pelkästään rankaa pitkin. Siltataajuus on yleensä alueella Hz. Sille ei esitetä kaavaa tässä raportissa. Siltataajuuden yläpuolella ääneneristävyys kasvaa 6 db/oktaavi. Kriittinen taajuus näkyy myös kaksoisrakenteilla, mutta jos käytetään erilaisia levyjä, (joilla on siis eri f c ), tai paksuja absorboivia ilmavälejä, on kuoppa vähemmän syvä. Kuvassa on esitetty yhtälöiden (1) ja (3) mukaan lasketut tärkeimpien resonanssitaajuuksien kuvaajat tulosten tulkinnan helpottamiseksi. 13

14 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, f B f 3 2 f c Kytketty rakenne, AWS-rangat 11 mm välein, absorboiva ilmaväli Kytkemätön rakenne, absorboiva ilmaväli Kytkemätön rakenne, tyhjä ilmaväli b = 11 mm d = 125 mm d=125mm Kuva Kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyyttä heikentävät tekijät: massa-ilma-massa -resonanssitaajuus f, siltataajuus f b ja kriittinen taajuus f c. Kyseessä on kaksi 2 mm teräslevyä, joita erottaa 125 mm paksu ilmaväli. 14

15 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren Resonanssitaajuus f 11 [Hz] Resonanssitaajuus f [Hz] Rankajako b [mm] Ilmavälin paksuus d [mm] 1 1 a) b) Resonanssitaajuus f r (Hz) Ilmavälin paksuus d (m) c) Kuva a) Rankajaon b vaikutus 2 mm teräslevyn ominaistaajuuteen f 11. b) Ilmavälin paksuuden d vaikutus massa-ilma-massa resonanssiin f, kun molempina pintalevyinä on 2 mm teräs. c) Ilmavälin paksuuden d vaikutus kaviteetin resonanssiin f r. 15

16 16 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22

17 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 3 MENETELMÄT 3.1 Ilmaääneneristävyyden mittaus Kunkin seinärakenteen ilmaääneneristävyys mitattiin standardin ISO 14-3:1995 mukaisesti. Ilmaääneneristysluku määritettiin standardin ISO 717-1:1996 mukaisesti. Standardin 14-3:1995 mukaan rakennuselementin ilmaääneneristävyys R (db) saadaan yhtälöstä S R = L1 L2 + 1lg (6) A missä L 1 on keskimääräinen äänenpainetaso lähetyshuoneessa (db), L 2 on keskimääräinen äänenpainetaso vastaanottohuoneessa (db), S on näytteen pintaala (m 2 ) ja A on vastaanottohuoneen absorptiopinta-ala (m 2 ). Vastaanottohuoneen absorptiopinta-ala määritetään käyttäen Sabinen kaavaa A V = 16, (7) T missä V on vastaanottohuoneen tilavuus (m 3 ) ja T on vastaanottohuoneen jälkikaiunta-aika (s). Vastaanottohuoneessa mitattavan keskimääräisen äänenpainetason L 2 tulisi olla ainakin 6 db taustamelutasoa L 2b korkeampi. Mikäli tasoero L 2 - L 2b on suurempi kuin 6 db, mutta pienempi kuin 15 db, tehdään taustamelukorjaus käyttäen yhtälöä L' 2 L /1 L /1 2 2b = 1 lg(1 1 ) (8) missä L' 2 on taustamelukorjattu äänenpainetaso (db). Jos tasoero on pienempi tai yhtä suuri kuin 6 db, tehdään korjaus L 2 1,3 db. Sivutiesiirtymiä ei saa olla mittauksien aikana. Näytettä ympäröivän rakenteen läpi kulkeutuvan äänitehon (sivutiesiirtymien) pitää olla 6 db alhaisempi kuin näytteen läpi menevän, jos halutaan antaa tarkka mittausarvo näytteestä. Toisin sanoen ympäröivän rakenteen ääneneristävyyden pitää olla 6 db (mieluiten 15 db) parempi kuin näytteen, jotta luotettavia laboratoriotuloksia voidaan antaa. Niiden osuus mitatusta äänestä pitää tarkastella kussakin tapauksessa erikseen. Ympäröivän rakenteen riittävyys selvitetään mittaamalla kulloisenkin näyteasennuksen R' T -arvo, jonka aikana näyte on peitetty lisärakenteella. Sillä pyritään vaimentamaan näytteen läpi kulkeutuvaa ääntä vähintään 6 db. Pelkällä näytteellä saadaan mittaustulokseksi R' S. Kun lisärakenne on näytteen päällä, saadaan mittaustulokseksi R' T. Tästä seuraa kolme tapausta ja toimenpidettä: 17

18 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22 1) R' T > R' S + 15 db sivutiesiirtymä on vähäistä, tuloksena ilmoitetaan R' S. 2) R' S + 6 db < R' T < R' S + 15 db sivutiesiirtymä häiritsee näytteelle saatua mittaustulosta R' S, jolloin suoritetaan korjaus ISO 14-3 mukaan yhtälöllä R' S/1 R' T/1 ( ) R = 1log 1 1 Yhtälöstä seuraa.2 db:n korjaus, kun R' T = R' S + 15 db ja 1.3 db:n korjaus, kun R' T = R' S + 6 db. 3) R' T < R' S + 6 db sivutiesiirtymän vaikutus on liian suuri eikä luotettavaa tulosta voida esittää. Ääneneristävyystulokseksi annetaan R=R' S +1.3 db ja tuloksen perässä ilmoitetaan, että se on ala-arvio (underestimate). Korkeimman ääneneristävyyden omaavissa rakenteissa käytettiin intensiteettimenetelmää, joka on kuvattu eri viitteessä. 11 Mittaukset suoritettiin Työterveyslaitoksen akustiikkalaboratoriossa Turussa. Kaiuntahuoneiden 1 ja 2 pohjakuva ja mitat on esitetty kuvassa Erottavan seinän rakenteet on esitetty kuvassa Lähetyshuoneen seinät ovat 16 mm betonia. Vastaanottohuoneen seinät ovat 1 mm lecaharkkoa. Vastaanottohuone on erotettu lähetyshuoneesta siten, että seinien välillä on 8 mm ilmaväli täynnä mineraalivillaa. Lisäksi vastaanottohuoneen seinät on rakennettu tärinäeristimien päälle, joiden myötä rakenteellinen eristys yhteisestä alapohjasta on noin db. Ääni tuotettiin lähetyshuoneeseen neljää eri äänilähdettä käyttäen (B - E). Käytössä on kolme korreloimatonta kohinageneraattoria. Kaiutinpaikat on valittu standardin ISO 14-3:1995 liitteen C mukaisesti. Äänitaso lähetyshuoneessa sekä vastaanottohuoneessa mitattiin käyttäen kahta kiertyvää mikrofonipuomia (Bruel&Kjaer 3923) sekä kahta kondensaattorimikrofonia (Bruel&Kjaer 4165 esivahvistimella Bruel&Kjaer 2669). Kiertyvän mikrofonipuomin pyörimissäde oli 1 cm. Mittaus tehtiin 64 sekunnin aikakeskiarvona yhdellä puomin paikalla. Vastaanottohuoneen äänenpainetaso mitattiin samanaikaisesti lähetyshuoneen äänenpainetason mittauksen kanssa. Lähetys- ja vastaanottohuoneiden kanavien tasot tarkistettiin ennen mittauksia äänitasokalibraattorin kanssa (Bruel&Kjaer 422). Vastaanottohuoneen jälkikaiunta-aikamittaus suoritettiin kahdella eri kaiuttimen paikalla ja kolmella eri mikrofonin paikalla. Kaiuttimia on kiinteästi asennettuna 2 kpl vastaanottohuoneessa (Focal 1 ja 2). Signaalina käytettiin vaaleanpunaista kohinaa, joka tuotettiin analysaattorilla (Bruel&Kjaer 2133). Signaali vahvistettiin päätevahvistimella (Eagle PA). Jälkikaiunta-aika määritettiin 12 mittauksen perusteella käyttäen 2 db vaimenemiseen kuluvaa aikaa. Kaikki äänisignaalit analysoitiin kaksikanavaisella reaaliaikaanalysaattorilla (Bruel&Kjaer 2133). Akustiset mittalaitteet täyttävät seuraavat IEC-standardit ja niiden tarkkuusluokat: IEC 651, äänitasomittarit, tyyppi 1 IEC 84, integroivat äänitasomittarit, luokka 1 IEC 126, oktaavi- ja kolmasosaoktaavikaistasuotimet, luokka 1 IEC 942, äänitasokalibraattorit, luokka 1 (9) 18

19 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren Mittaushuoneiden lämpötila ja suhteellinen kosteus mitattiin psykrometrillä (Casella London 52). Lämpötila oli alueella C ja suhteellinen kosteus alueella 25 %. lähetyshuone 76 x 29 h = 36 vastaanottohuone 69 x 4 h = 36 Neutrik MR1 kohinageneraattori C QSC 13 W USA päätevahvistin (2 ch) 1 2 AUKKO 2 22 x 12 a a Behringer DSP 8 taajuussuodin ja kohinageneraattori mikrofoni 1 E B mikrofoni 2 Eagle PA 46E vahvistin B&K 2133 reaaliaikaanalysaattori + kohinageneraattori D AUKKO 1 26 x 384 Focal 1 Focal 2 A Y1 X1 Y2 X2 Ch A Ch B lähetyshuone vastaanottohuone mikrofoni mikrofoni 2 kiertyvä mikrofonipuomi 36 r=1 h=18 AUKKO m r=1 h= tärinäneristin leikkaus a-a Kuva Akustiikkalaboratorion kaiuntahuoneet. Huoneiden tilavuudet ovat 81 ja 113 m 3. 19

20 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Ilmaääneneristysluvun R W määritys Ilmaääneneristysluku R w määritettiin vertailukäyrän avulla, jonka muoto on ISO mukainen. Käyrää siirretään 1 db pykälin ylimpään mahdolliseen asentoon, jossa ei-toivottujen poikkeamien summa on enintään 32 db. Ei-toivottu poikkeama tapahtuu, kun mittaustulos on vertailukäyrän alapuolella. R w on tällöin vertailukäyrän arvo Hz:llä. Esimerkki määrityksestä on kuvassa R w Mittaustulos ISO vertailukäyrä Kuva Ilmaääneneristysluvun R w määritys vertailukäyrän avulla. 3.3 Kaksinkertaisen seinärakenteen asennus Akustiikkalaboratoriossa on kaksi näyteaukkoa: pieni näyteaukko 22 mm 12 mm ja suuri näyteaukko 26 mm 384 mm. Näyteaukko koostuu kahdesta asennusseinästä (AS), jotka on rakenteellisesti eristetty toisistaan. Mittauksissa käytettiin pienempää mittausaukkoa eli aukkoa 2, jonka ala on 2,8 m 2. Näytteet rakennettiin aina sen kokoiseksi. Mittausaukkojen kehykset ovat 28 mm vaneria (kuva 3.3.1). Kaksinkertaisten seinien levyt asennettiin aukkoon puulistojen ja ruuvien avulla. Laitojen tiiveys varmistettiin joko akryylimassalla tai ilmastointiteipillä molemmin puolin. Suurin osa mittauksista tehtiin, kun aukko oli 115 mm leveä (ennen kesäkuuta 21). Viimeisissä mittauksissa leveys oli 12 mm. Näin ollen näytekoko kasvoi aavistuksen tutkimuksen edetessä. Tällä ei kuitenkaan ole suurta merkitystä tulosten arvioinnin kannalta. 2

21 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 16 mm teräsbetoniseinä mm mineraalivilla 8 mm ilmavälissä 1 mm kevytsoraharkkoseinä + 5 mm tasoite 28 mm vaneri 384 (mittausaukko 1) 12 (mittausaukko 2) 2 28 AS-1 AS-2 26 (mittausaukko1) 22 (mittausaukko 2) 28 2 AS-1 AS-2 RAKENNE LEVEYSSUUNNASSA RAKENNE PYSTYSUUNNASSA Kuva Mittausaukkojen 1 ja 2 poikkileikkauskuvat (AS = asennusseinä). Lähetyshuone on AS-1 puolella. Tämä tutkimus tehtiin mittausaukossa 2. 21

22 22 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22

23 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 4 MATERIAALIT Pintalevyinä käytettiin 2 mm paksuisia teräslevyjä. Teräksen ominaisuuksille löytyy kirjallisuudesta seuraavat arvot: tiheys ρ = 78 kg/m 3 tai pintamassa m = 15,6 kg/m 2, Youngin moduli E = N/m 2 ja Poissonin suhde ν =,28. Teräslevyn kriittinen taajuus on f c = 62 Hz. Seinärakenne oli joko kytkemätön (ei levyt toisiinsta kytkeviä rankoja) tai kytketty. Kytketyissä rakenteissa käytettiin puu- tai teräsrankoja. Kaikki rangat asennettiin pystyyn, jolloin ne olivat 22 mm pitkiä. Teräsrangat olivat tyyppiä AWS-, LR-, TC- ja LPR-ranka (kuva 4.1 ja taulukko 4.1). Puurangat olivat kaikki samaa materiaalia mutta eri paksuisia. Absorptiomateriaaleina käytettiin erilaisia mineraalivilloja, joiden ominaisuudet esitetään taulukossa 4.2. Materiaaliparametrien mittausmenetelmät on kuvattu eri artikkeleissa, 12,13,14,15 joten niistä esitetään vain tulokset taulukoissa 4.1 ja 4.2 sekä kuvassa 4.2. Määritetyt parametrit ovat rakennuslevyn kokonaishäviökerroin η tot, mineraalivillojen virtausresistiivisyys r ja dynaaminen jäykkyys s sekä tukirangan dynaaminen jäykkyys K ja taivutusjäykkyys yksikköleveyttä kohti B'. Tutkimus koostui kaikkiaan 68 ääneneristävyysmittauksesta, joista yhteensä 54 mittausta tehtiin kaksinkertaisille seinärakenteille ja 14 mittausta yksinkertaisille seinärakenteille tai mineraalivilloille. Kunkin mittauksen yksityiskohtaiset tiedot esitetään liitteissä 1 ja 2. Kuva Levyjen kytkentään käytetyt Rannila Steel Oy:n teräsrangat: vasemmalta lukien rankatyypit AWS, TC, LR ja LPR. Paksuudet on esitetty taulukossa

24 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, 22.1 Kokonaishäviökerroin.1.1 ilman rankoja rankojen kanssa f [Hz] Kuva Teräslevylle asennettuna mitattuja kokonaishäviökertoimia η tot. Taulukko 4.1 Rankojen ominaisuudet. Ranka Paksuus (mm) Leveys (mm) Materiaalin paksuus t (mm) Dynaaminen jäykkyys K' (MN/m) Taivutusjäykkyys B (Nm 2 ) AWS ,3,2 14 TC ,6 2,8 29 LR , 3,3 26 LPR 42 4,8,9 31 puu puu puu Taulukko 4.2 Absorptiomateriaalien ominaisuudet. Villan nimi Tiheys=ρ= (kg/m 3 ) Huokoisuus Virtausresistiivisyys r (Pas/m 2 ) Dynaaminen jäykkyys s' (MN/m 3 ) TAKU TAKU PAL PAL I - KH I - KT EL Villamatto Laivavilla

25 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 5 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU Kaksinkertaisen rakenteen akustisten parametrien vaikutukset ääneneristävyyteen esitetään luvuissa Tutkitut parametrit olivat: ilmavälin paksuus kytkemättömässä rakenteessa absorptiomateriaalin täyttösuhde rangan tyyppi ja dynaaminen jäykkyys rankajako puurangoilla rankajako joustavilla teräsrangoilla ruuvausjako pintalevyn ja puurangan välillä ilmavälin paksuus kytketyssä rakenteessa mineraalivillan virtausresistiivisyys Lisäksi luvuissa esitetään rankajaon ja ruuvaustiheyden vaikutukset yksittäisen teräslevyn ääneneristävyyteen. Lopuksi esitetään luvussa 5.13 vielä pelkän mineraalivillan ääneneristävyys eri tiheyksillä ja paksuuksilla. Kaksoisrakenteilla merkittävimmät resonanssit olivat teräslevyn ominaistaajuus f 11 ja massa-ilma-massaresonanssi f. Niiden laskentaesimerkkejä ei esitetä joka luvussa erikseen vaan lukijaa kehotetaan tarpeen mukaan tarkistamaan kuvasta kyseinen taajuus. 25

26 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Ilmavälin paksuuden vaikutus kytkemättömässä rakenteessa (tyhjä väli) mm 25 mm 42 mm 84 mm 125 mm 2 mm d=25mm d=42mm d=84mm d = 125 mm d = 2 mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli ilmavälin d (mm) paksuuden vaikutus kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyyteen, kun ilmaväli oli tyhjä. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Selvästi havaitaan kaksinkertaisten rakenteiden perusilmiö: ilmavälin puuttuessa (d= mm) ääneneristävyys on huonompi kuin ilmavälin kanssa. Ääneneristävyys kasvaa voimakkaasti massa-ilma-massa resonanssitaajuuden f (tässä...16 Hz) ja kriittisen taajuuden (tässä f c =62 Hz) välisellä alueella, kun ilmaväli kasvaa. Ääneneristävyyden kasvu riippuu hieman taajuudesta. Alueella f 8 Hz kasvu on suurempaa kuin alueella 1 4 Hz. Kriittisellä taajuudella ääneneristävyys ei riipu lainkaan ilmavälin paksuudesta. Tämä johtuu siitä, että resonoivien levyjen välillä on voimakas kytkentä, joka voi heiketä vain käyttämällä absorptiomateriaalia ilmavälissä. Kun ilmaväliä ei ole lainkaan (d = mm), ääneneristävyys on tapauksia d = 25 ja 42 mm parempi matalilla taajuuksilla, koska f -resonanssi heikentää jälkimmäisten ääneneristävyyttä. Ns. seisovan aallon resonanssia f r ilmavälin paksuuden puolikkaalla ei havaita, toisin kuin useimmat oppikirjat antavat olettaa. Ainoa viite tällaisesta on tapauksen d = 2 mm kuoppa 8 Hz:llä, mutta sekin on vähäinen. Käytännön ennustemallien ei siten tarvitse ottaa resonanssia huomioon. 26

27 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 5.2 Ilmavälin paksuuden vaikutus kytkemättömässä rakenteessa (absorboiva väli) mm d=25mm d=42mm d=84mm d = 125 mm 3 42 mm 84 mm mm 1 2 mm d = 2 mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli ilmavälin d (mm) paksuuden vaikutus kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyyteen, kun ilmaväli oli absorboiva. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Ääneneristävyydet ovat parempia kuin tyhjän ilmavälin tapauksessa (kuva 5.1.1). Lisäksi ääneneristävyydet kasvavat nopeammin taajuuden kasvaessa, toisin sanoen käyrät ovat jyrkempiä. Ääneneristävyyden kasvu ilmavälin kasvaessa ei riipu juurikaan taajuudesta toisin kuin kuvassa Resonanssitaajuus f on selvemmin havaittavissa kuin kuvassa Se pienenee ilmavälin kasvaessa 125 Hz:stä alaspäin, kuten yhtälö (4) ja kuva ennustaa. Kriittisellä taajuudella f c ääneneristävyys muista taajuuksista poikkeamatta kasvaa, kun ilmaväli kasvaa. Tämä on siis toisin kuin kuvassa Ero johtuu siitä, että mineraalivillan määrä kasvaa ilmavälin kasvaessa ja kytkentä siten heikkenee levyjen välillä. HUOM: Absorbentin ei tarvitse olla täysin irti molemmista levyistä kuten kuvasta saattaa ymmärtää. Absorbentti voi nojata esim. toiseen levyyn. Sen sijaan absorbenttia ei missään tapauksessa saa liimata kumpaankaan levyyn, koska tämä vaikuttaa levyn jäykkyyteen ja siten laskee koinsidenssitaajuutta. Absorbenttia ei myöskään saa liimata molempiin levyihin saatikka ahtaa ilmaväliin, koska tästä seuraa mekaaninen kytkentä pintalevyjen väliin ja ääneneristävyys romahtaa, koska absorbentti toimii yleensä erittäin jäykkänä jousena (syntyy sandwich-rakenne). 27

28 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Absorptiomateriaalin täyttösuhteen vaikutus kytkemättömässä rakenteessa a% = % 6 4 % 3 24% 2 48% 1 88% a% = 24% a% = 48% a% = 88% Kuva Ilmaväli d = 125 mm. Tutkimuksen kohteena oli absorptiomateriaalin täyttösuhteen a (%) vaikutus kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyyteen. Täyttösuhde määritetään yhtälöstä d a a = 1 % (1) d missä d a (mm) on absorptiomateriaalin paksuus. Mittauksissa käytettiin viittä eri paksuista ilmaväliä: 25, 42, 84, 125 ja 2 mm. Kuvassa esitetään ilmavälillä d = 125 mm saadut mittaustulokset. Kuvissa esitetään tulokset muilla ilmavälin d arvoilla. Kuvista voidaan tehdä seuraavat havainnot: Ääneneristävyys kasvaa voimakkaasti jo pienellä absorptiomateriaalin lisäyksellä. Kasvu on huomattavasti suurempi täyttösuhteen muuttuessa % 24 % verrattuna täyttösuhteen muutokseen 24 % 88 %. Eri ilmaväleillä tehtyjen mittausten perusteella havaittiin, että ääneneristävyyden suhteellinen kasvu ei riipu ilmavälin paksuudesta. Se on aina db keskitaajuuksilla, 5 db 2 Hz lähistöllä ja db f :n alapuolella. Täyttösuhteen vaikutuksen vähäisyyteen 2 Hz alueella, jossa esiintyy tasanne, ei löydetty pätevää selitystä. Ilmiö esiintyy myös jatkossa. Matalilla taajuuksilla kaksoisrakenteiden ääneneristävyys on huonoimmillaan. Kaikki keinot ääneneristävyyden parantamiseksi ovat tällöin tarpeen. Tästä johtuen päädytään yleensä käyttämään korkeaa täyttösuhdetta ilmavälissä. 28

29 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren HUOM. Kuvassa puuttuu mittausdataa korkeilla taajuuksilla, koska sivutiesiirtymät olivat liian voimakkaita eikä luotettavia tuloksia näin ollen saatu % 6% 2 1 % 36% 71% Kuva Ilmaväli d = 25 mm. Kuva Ilmaväli d = 42 mm % 1% 71% % 2% 8% 84% Kuva Ilmaväli d = 84 mm. Kuva Ilmaväli d = 2 mm. 29

30 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Rangan tyypin vaikutus (d = 125 mm) x 12 puu puu LR väliseinäranka 2 TC termoranka 1 AWS-ranka kytkemätön LR 12 mm TC 125 mm AWS 125 mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli rangan tyypin vaikutus seinärakenteen ääneneristävyyteen. Absorboivan ilmavälin paksuus oli d = 12 mm tai 125 mm. Rankajako oli b = 5 mm ja ruuvausjako b s = 17 mm. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Verrattaessa kytkemättömään tilanteeseen, kaikkien rankojen vaikutus on ääneneristävyyttä huonontava. Siltataajuuden 2 Hz alapuolella rangoilla ei ole vaikutusta ääneneristävyyteen. Ääni kulkeutuu tällöin pääasiassa ilmavälin kautta. Teräsrangoilla saavutetaan parempi ääneneristävyys kuin puurangalla, koska teräsrangat ovat joustavia. AWS-rangan ja puurangan välinen ero on suurempi kuin 5 db taajuusvälillä Hz, suurimmillaan 2 db. Syynä AWS:n paremmuuteen on alhaisin dynaaminen jäykkyys. Puuranka on käytännössä puristumaton levyjä vastaan kohtisuorassa suunnassa, jolloin kaksoisrakenne on kuin yhtä puuta rangan kohdalla. 1-4 Hz alueella joustavan rangan ero puurankaan oli teoriaa pienempi. Joustovaikutus ei ilmeisesti sittenkään yllä korkeille taajuuksille. Puurangalla havaitaan voimakkaat resonanssit taajuuksilla 16 ja 315 Hz, joista lisää luvussa

31 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 5.5 Rangan tyypin vaikutus (d = 42 mm) LPR väliseinäranka 2 puu 1 kytkemätön LPR 42 mm puu45mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli rangan tyypin vaikutus seinärakenteen ääneneristävyyteen. Absorboivan ilmavälin paksuus oli d = 42 mm tai 45 mm. Rankajako oli b = 5 mm ja ruuvausjako b s = 17 mm. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Joustavalla LPR-rangalla saadaan parempi ääneneristävyys kuin puurangalla. LPR-rangalla saatu ääneneristävyys on yhtä suuri kytkemättömän rakenteen ääneneristävyyden kanssa 315 Hz saakka, koska ääni kulkeutuu ilmavälin kautta eikä rangan kautta. Rangan huonontava vaikutus alkaa kuitenkin paljon korkeammalla taajuudella kuin kuvassa LPR-rangalla saatu ääneneristävyys on pienempi kuin puurangalla massailma-massa -resonanssitaajuudella f (1 Hz). Puuranka jäykistää ilmeisesti levyä enemmän kuin LPR-ranka, jolloin voimakasta resonanssia ei pääse siinä syntymään. 1 Hz yläpuolella puu ja teräs ovat yhtä hyviä. Syytä tähän ei tiedetä. Ilmeisesti teräksen joustavuusvaikutus ei yllä korkeille taajuuksille. 31

32 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Puurankajaon vaikutus mm 5 mm 2 11 mm 1 kytkemätön b = 11 mm b=5mm b=275mm Kuva Ilmaväli d = 45 mm ja ruuvausjako b s = 17 mm. Tutkimuksen kohteena oli puurankajaon b (mm) vaikutus kytketyn seinärakenteen ääneneristävyyteen. Absorboivan ilmavälin paksuudet olivat d = 45 mm (kuva 5.6.1), d = 84 mm (kuvat ja 5.6.3) ja d = 12 mm (kuva 5.6.4). Kuvista voidaan tehdä seuraavat havainnot: Ääneneristävyys kasvaa vain jonkin verran yli 2 Hz:llä, kun rankajako suurenee. Taajuuksilla Hz tapahtuu voimakas resonanssi, joka heikkenee rankajaon kasvaessa. Resonanssit johtuvat teräslevyn jäykistymisestä. Teräslevyyn muodostuu kapeita osalevyjä rankojen väliin, joissa tapahtuu normaaliresonanssi f 11 huomattavasti täyslevyistä (L x =115 mm) näytettä korkeammalla taajuudella. Esimerkiksi tilanteessa b=275 mm on osalevyn leveys L x =225 mm, jolloin saadaan kuvasta resonanssiksi f 11 =16 Hz. Resonanssitaajuuden f alapuolella kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyys on pienempi kuin kytketyn seinärakenteen äänenristävyys. Levyjen jäykistäminen siis heikentää massa-ilma-massa resonanssia. Kuvassa ääneneristävyydet ovat selvästi paremmat kuin kuvassa 5.6.2, mikä johtuu siitä, että ruuvausjako b s kasvaa arvosta 17 mm arvoon 68 mm. Ruuvausjaon vaikutus esitetään paremmin kuvissa 5.8. Normaaliresonanssi f 11 on huomattavasti heikompi kuvassa Ruuvauksen löyhentäminen ilmeisesti vaikuttaa puurangan luoman jäykän reunaehdon voimakkuuteen. 32

33 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren mm 3 5 mm 2 11 mm 1 kytkemätön b = 11 mm b=5mm b=275mm Kuva Ilmaväli d = 84 mm ja ruuvausjako b s = 17 mm b = 12 mm b = 6 mm b = 3 mm mm 6 mm 12 mm kytkemätön Kuva Ilmaväli d = 84 mm ja ruuvausjako b s = 68 mm (vertaa kuvaan 5.6.2). 33

34 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, mm 2 11 mm 1 kytkemätön b = 11 mm b=5mm Kuva Ilmaväli d = 12 mm ja ruuvausjako b s = 17 mm. 34

35 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 5.7 Rankajaon vaikutus joustavilla teräsrangoilla mm 5 mm 2 11 mm 1 kytkemätön b = 275 mm b = 5 mm b = 11 mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli rankajaon b (mm) vaikutus joustavalla AWSteräsrangalla kytketyn seinärakenteen ääneneristävyyteen. Absorboivan ilmavälin paksuus oli d = 125 mm ja ruuvausjako b s = 17 mm. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Normaaliresonanssi f 11 tapahtuu samalla taajuudella (2 Hz) kuin puurangoilla (kuva 5.6.4), mutta se on huomattavasti heikompi. 2 Hz:n yläpuolella rankajaon vaikutus ääneneristävyyteen on hyvin vähäinen, kuten puurangoillakin. Rankajaon vaikutus on vielä pienempi joustavilla rangoilla kuin puurangoilla. 35

36 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Ruuvausjaon vaikutus puurangoilla kytketyssä rakenteessa bs = 17 mm bs = 34 mm bs = 68 mm mm mm 68 mm kytkemätön Kuva Rankajako b = 3 mm. Tutkimuksen kohteena oli ruuvausjaon b s (mm) vaikutus puurangoilla kytketyn seinärakenteen ääneneristävyyteen. Mittauksissa käytetyt rankajaot olivat b = 3 mm (kuva 5.8.1) ja b = 12 mm (kuva 5.8.2). Absorboivan ilmavälin paksuus oli d = 84 mm. Kuvista voidaan tehdä seuraavat havainnot: Kun rankajako on pieni (3 mm), ruuvausjaon lyhentyessä ääneneristävyys heikkenee melko lineaarisesti koko taajuusalueella. Eniten ruuvausjako vaikuttaa keskitaajuuksilla, jopa 12 db, vähiten kriittisen taajuuden läheisyydessä ja matalilla taajuuksilla. Kun rankajako on suuri (12 mm), ruuvausjaon kasvattaminen parantaa ääneneristävyyttä vain 16 Hz yläpuolella, parhaimmillaan jopa 2 db. Ruuvausjaon b s vaikutus ääneneristävyyteen on huomattavasti suurempi kuin rankajaon b vaikutus (ks. kuvat ). On ilmeistä, että puurankoja käytettäessä ruuvausjaon tulisi olla mahdollisimman harva. Kukin ruuvi toimii runkoäänen siirtymäreittinä rangasta levyyn, jolloin mm. ruuvauskireys voi myös olla vaikuttava tekijä. Levyt rankaan kiinnittävien ruuvien kiristysmomentti on luultavasti tekijä, joka vaikuttaa myös ääneneristävyyteen ruuvaustiheyden lisäksi. Momenttia ei määritetty lainkaan tässä tutkimuksessa. 36

37 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren bs = 17 mm bs = 34 mm bs = 68 mm mm 34 mm 68 mm mm kytkemätön Kuva Rankajako b = 12 mm. 37

38 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Ilmavälin paksuuden vaikutus kytketyssä rakenteessa mm 84 mm 12 mm d = 45 mm d = 84 mm d = 12 mm Kuva Rankajako b = 5 mm. Tutkimuksen kohteena oli ilmavälin paksuuden d (mm) vaikutus puurangoilla kytketyn seinärakenteen ääneneristävyyteen. Ilmaväli oli absorboiva. Mittauksissa käytetyt rankajaot olivat b = 5 mm (kuva 5.9.1) ja b = 11 mm (kuva 5.9.2). Ruuvausjako oli b s = 17 mm. Kuvista voidaan tehdä seuraavat havainnot: Kytketyllä rakenteella ilmavälin vaikutus on pieni verrattuna kytkemättömällä rakenteella saatuihin eroihin (ks. kuvat ja 5.2.1). Suurimmat erot tapahtuvat matalilla taajuuksilla. Siltataajuuden f b (tässä 2 Hz) alapuoli on ainut taajuusalue, johon ilmavälin paksuus vaikuttaa, koska siellä äänen läpäisy tapahtuu yksinomaan ilmaväliä pitkin. Taajuuden 4 Hz yläpuolella ilmavälin paksuudella on pieni vaikutus, mikä johtuu siitä, että ilmavälin kautta ei käytännössä kulkeudu ääntä paljoakaan. Näin ollen ääneneristävyyden kasvu johtuu luultavasti osin rangan massan kasvusta (liikkuvuuden laskusta). Kun rankajako kasvaa, kasvaa myös rangan paksuuden vaikutus (vrt. kuvia ja 5.9.2). Tämä on seurausta siitä, että ilmareitin suhteellinen merkitys kasvaa rankojen vähentyessä. 38

39 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren mm 84 mm 12 mm d = 45 mm d = 84 mm d = 12 mm Kuva Rankajako b = 11 mm. 39

40 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Mineraalivillan virtausresistiivisyyden ja tiheyden vaikutus 1 r = Pas/m2 kg/m Pas/m2 8 Pas/m2 3 3 Pas/m2 2 1 Pas/m2 1 3 Pas/m r = 8 Pas/m2 17 kg/m3 r = 3 Pas/m2 61 kg/m3 r = 1 Pas/m2 118 kg/m3 r = 3 Pas/m2 217 kg/m3 Kuva Kytkemätön rakenne, ilmaväli d = 125 mm. Tutkimuksen kohteena oli absorptiomateriaalin virtausresistiivisyyden r (Pas/m 2 ) ja tiheyden ρ a (kg/m 3 ) vaikutus kytkemättömän (kuvat ja 5.1.2) ja kytketyn (kuva 5.1.3) seinärakenteen ääneneristävyyteen. Mittauksissa käytetyt ilmavälin paksuudet olivat d = 125 mm ja 84 mm. Absorbentin täyttösuhde oli kaikissa tapauksissa yli 7 %. Kuvista voidaan tehdä seuraavat havainnot: Absorptiomateriaalin virtausresistiivisyyden vaikutus kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyyteen on melko pieni, 8 db. Vaikutus on suurimmillaan korkeilla taajuuksilla. Mineraalivillan tiheys ei siten myöskään vaikuta seinärakenteen ääneneristävyyteen merkittävästi. Kytketyllä rakenteella virtausresistiivisyyden vaikutus on vielä pienempi kuin kytkemättömällä rakenteella, koska ääntä etenee melko vähän korkeilla taajuuksilla ilmaa pitkin. Suurin osa äänestä etenee rankaa pitkin. Absorptiomateriaalin täyttösuhteen vaikutusta ei nähty tarpeen tutkia lainkaan kytketyillä rakenteilla, koska on oletettavissa, ettei löydetä uusia ilmiöitä. Koska kuvassa ei ääneneristävyys kasva kuin korkeintaan 8 db absorbentin vaikutuksesta, on helppoa päätellä täyttösuhteen vaikutus luvun 5.3 perusteella. Kansainvälisten tutkimusten mukaan virtausresistiivisyys vaikuttaisi ääneneristävyyteen vain pienillä virtausresistiivisyysarvoilla alueella < r < Pas/m 2. 4

41 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren r = Pas/m2 kg/m Pas/m2 8 Pas/m2 3 Pas/m2 r = 8 Pas/m2 r = 3 Pas/m2 21 kg/m3 63 kg/m Kuva Kytkemätön rakenne, ilmaväli 84 mm r=pas/m2 kg/m3 4 r = 8 Pas/m2 21 kg/m3 3 Pas/m2 2 8 Pas/m2 r = 3 Pas/m2 63 kg/m3 3 Pas/m Pas/m2 r = 11 Pas/m2 121 kg/m Kuva Kytketty rakenne, ilmaväli d = 84 mm. 41

42 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Rankajaon vaikutus yksittäisellä teräslevyllä mm, b = 275 mm 2 mm, b = 5 mm b = 275 mm b = 5 mm 2 mm, b = 11 mm b = 11 mm b = 11 mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli puurankojen rankajaon b (mm) vaikutus yksittäisen teräslevyn ääneneristävyyteen. Ruuvausjako oli b s = 17 mm. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Matalilla taajuuksilla havaitaan samanlaisia kuoppia kuin puurangoilla kuvissa ja 5.8. Kuopat johtuvat normaaliresonanssista f 11 kaavan (1) mukaan. Resonanssi heikkenee rankajaon kasvaessa siten, että rankajaolla b = 11 mm resonanssia ei enää havaita. Kriittisen taajuuden kuoppa f c =62 Hz näkyy selvästi yksinkertaisessa rakenteessa. Kriittinen taajuus näkyi selvästi myös kaksoisrakenteissa. Ainoa tekijä, joka hillitsi kuoppaa eli paransi vaimennusta tällä taajuudella, oli paksut absorboivat kerrokset ilmavälissä. 42

43 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 5.12 Ruuvausjaon vaikutus yksittäisellä teräslevyllä 4 17 mm 34 mm 68 mm 3 bs = 17 mm bs = 34 mm bs = 68 mm Kuva Tutkimuksen kohteena oli ruuvausjaon b s (mm) vaikutus yksittäisen teräslevyn ääneneristävyyteen. Puurankojen rankajako oli b = 5 mm. Kuvasta voidaan tehdä seuraava havainto: Ruuvausjako ei vaikuta yksittäisen levyn ääneneristävyyteen. Tästä seuraa se, että kuvissa 5.6.3, ja havaittu ruuvausjaon kasvun voimakas vaikutus kaksoisseinärakenteisiin johtuu puhtaasti rakenteellisen kytkennän parantumisesta levyjen välillä eikä levyjen värähtelymuotojen muuttumisesta. 43

44 Työympäristötutkimuksen raporttisarja 1 Työterveyslaitos, Mineraalivillan ääneneristävyys KT, mm KT, +3 mm KT, +3+3 mm PAL, mm PAL, +3 mm PAL, +3+3 mm KT KT + 3 KT PAL PAL PAL Kuva Tutkimuksen kohteena oli mineraalivillan ääneneristävyys. Tutkimus suoritettiin kahta eri villatyyppiä käyttäen. Ensimmäinen villatyyppi oli lämmöneristematto KT, jonka tiheys oli ρ a = 19 kg/m 3 ja virtausresistiivisyys r = 8 Pas/m 2. Toinen villatyyppi oli palosuojalevy PAL, jonka tiheys oli ρ a = 117 kg/m 3 ja virtausresistiivisyys r = 9 Pas/m 2. Mittauksissa käytettiin kolmea eri villan paksuutta d a :, 8 ja 11 mm. Kuvasta voidaan tehdä seuraavat havainnot: Ääneneristävyys kasvaa virtausresistiivisyyden r kasvaessa. Ääneneristävyys riippuu melko lineaarisesti villan paksuudesta. Ääneneristävyys kasvaa voimakkaasti taajuuden kasvaessa. Kasvu on tiheämmällä villalla suurempi kuin massalaki yhtälön (2) mukaan olettaa, jopa 12 db/oktaavi. Korkeilla taajuuksilla saadaan massalakia suurempia ääneneristävyyden arvoja, ts. tiheä villa on parempi äänieriste kuin samanmassainen levy. Yhtä voimakasta ääneneristävyyden kasvua ei kuitenkaan havaittu, kun mineraalivillan tiheyttä kasvatettiin ilmavälin sisällä (luku 5.1). Tähän on syynä se, että ilmavälissä mineraalivilla toimii ilmavälissä tapahtuvan kaiunnan poistajana, ei niinkään ääneneristävyyttä parantavana elementtinä. Tyhjässä ilmavälissä kaiunta kasvattaa äänitasoa noin 2 db, johon absorbentti hyvin puree. Kuitenkaan virtausvastusta kasvattamalla ilmavälissä ei päästy oleellisesti parempiin tuloksiin kuten kuvassa

45 Valtteri Hongisto, Riikka Helenius ja Mika Lindgren 6 JOHTOPÄÄTÖKSET Tästä tutkimuksesta voidaan vetää seuraavat tärkeät havainnot koskien kaksinkertaisen seinärakenteen ääneneristävyyttä: Ilmavälin paksuuden d kasvattaminen parantaa kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyyttä huomattavasti riippumatta siitä, onko ilmaväli tyhjä tai absorboiva. Kun käytetään rankoja, ilmavälin paksuuden (rankapaksuuden) kasvattaminen ei juurikaan vaikuta. Absorptiomateriaalin täyttösuhteen a vaikutus kytkemättömän seinärakenteen ääneneristävyyteen on suhteellisesti tehokkainta silloin, kun täyttösuhde on alkujaan pieni. Jos täyttösuhde kasvaa nollasta arvoon 2 %, on vaikutus suurimmillaan. Jos taas täyttösuhdetta kasvatetaan %:sta 9 %:iin, on ääneneristävyyden kasvu suhteellisen pieni. Kun käytetään rankoja, ei mineraalivillalla tai sen täyttöasteella ole paljoakaan merkitystä paitsi matalimmilla taajuuksilla. Joustavilla rangoilla (AWS-teräsranka) ääneneristävyys on huomattavasti parempi kuin jäykillä rangoilla (puuranka). Ruuvausjaon b s kasvattaminen rangan ja levyn välillä parantaa merkittävästi ääneneristävyyttä. Mitä vähemmän ruuveja käytetään sitä parempi on rakenteen ääneneristävyys. Puurankajaon b vaikutus ääneneristävyyteen on vähäinen. Rankajaon kasvattaminen parantaa rakenteen ääneneristävyyttä vain matalilla taajuuksilla, kun ruuvausjakokin on suuri. Rankajaon vaikutus joustavalla rangalla on vielä vähäisempi kuin puurangoilla. On ilmeistä, että kaksoisseinärakenteissa tulee pyrkiä erillisrankarakenteisiin aina kuin mahdollista. Muussa tapauksessa tulisi valita mahdollisimman harva ja joustava ranka. Puurangoilla ei päästä kovin hyvään ääneneristävyyteen paitsi jos ilmaväli on suuri (mielellään yli 125 mm), ilmaväli on kokonaan absorboiva, rankajako on suuri ja ruuvausjako mahdollisimman harva (mielellään yli 3 cm). Ilmavälissä olevan mineraalivillan tiheyden tai virtausvastuksen vaikutus kaksoisseinärakenteen ääneneristävyyteen näyttäisi olevan mitätön sekä kytkemättömässä että kytketyssä rakenteessa. Käytössä oli mineraalivilloja tiheysvälillä 3 ja 22 kg/m 3. 45