Ääneneristys lasin avulla

Transkriptio

1 Ääneneristys lasin avulla Tekninen tiedote Johdanto Saatat olla viettämässä rauhallista sunnuntai-iltapäivää kotona hyvän kirjan parissa, olet ehkä juuri menossa nukkumaan yöllä tai kenties olet työpaikalla pöytäsi äärellä yrittäen keskittyä, kun rauhasi yhtäkkiä rikkoutuu meluavien naapureiden, kovan liikenteen tai muun ei-toivotun melun tähden. Melu tunkeutuu joskus häiritsemään meidän kaikkien elämää. Melu näyttää vain pahenevan asutustiheyden kasvaessa, tehdastuotannon ja liikenteen määrän lisääntyessä hiljaisten paikkojen samalla harvetessa. Melun lisääntyessä olemme oppineet myös enemmän sen terveysvaikutuksista; päivittäisen melun tunkeutuminen ennen rauhallisiin ympäristöihin aiheuttaa stressiä. Tulevaisuus ei näytä paremmalta, sillä elintilan vähetessä liikenne ja melu yleensä vain lisääntyvät. Melun aiheuttaman stressin ja jopa vakavampien sairauksien välttämiseksi olemme nykyisin yhä kiinnostuneempia tavoista suojata ihmisiä melulta. Tähän mennessä on tehty jo paljon melun rajoittamiseksi rakennuksen ulkopuolelle ja rakennuksen eri osien välisen melun kulkeutumisen hallitsemiseksi. Tämä on erittäin tärkeää, me haluammekin nyt keskittyä huolellisen lasivalinnan merkitykseen ongelman hallitsemisessa. 1

2 Mitä ääni on? Fysikaalisesti ääni kuuluu aaltoliikeopin / mekaanisten värähtelyjen piiriin. Jo 2000 vuotta sitten amfiteatteria rakentava roomalainen arkkitehti käytti hyväkseen vedessä eteneviä aaltoja suunnitelmansa parantamiseen. Jos esimerkiksi napautamme äänirautaa, kuulemme värähtelyt mutta emme näe niitä. Nämä ääniraudan värähtelyt siirtyvät ilmamolekyyleihin, jotka siirtävät ne edelleen muihin ilmamolekyyleihin. Käyttäytymistä voidaan havainnollistaa vedessä. Näitä värähtelyjä voidaan verrata vedessä olevaan aaltoon, jolloin aallonkorkeus on äänenvoimakkuuden mitta ja aaltojen lukumäärä tietyssä ajassa on äänen taajuus, ts. mitä enemmän aaltoja, sitä korkeampi taajuus. Taajuus määritellään jaksoina sekunnissa eli Hertzeinä. Hertz on oikea tapa kuvata äänien taajuutta tai korkeutta, ja sen lyhenne on Hz. Kuva 1: ääni leviää samaan tapaan kuin aallot vedessä Taajuuden määritelmä Äänenpaine Musiikissa nuotin A (lähin A keski-c:n yläpuolella) taajuus on 4 Hz tai värähtelyä sekunnissa konserttivirityksessä. Jos taajuus kaksinkertaistetaan 880 Hz:iin, nuotti kasvaa oktaavilla tasavireisessä viritysjärjestelmässä. Nuoren ihmisen korva voi havaita taajuuksia Hz:n alueella ja pystyy havaitsemaan äänenpaineita, tai tarkemmin sanoen paineenvaihteluja, alueella 10-5 Pascalia (Pa) = 0,00001 (kuulon alaraja) 10 2 Pa = 100 Pa (kipukynnys) siirtämällä nämä aivoihin äänenvoimakkuuden tuntemuksena. Iän karttuessa kuuluvan taajuuden alue pienenee asteikon molemmista päistä luonnollisesti tai kuulovaurioiden seurauksena. Värähtelyjen lukumäärä Aika sekunteina Kuva 2: taajuuden määritelmä Hiljaisimman ja kovimman äänen suhde on 1:10 miljoonaan. Koska tätä on hankala käsitellä, käytännössä äänenpainetaso, tai lyhyesti äänitaso L, ilmaistaan logaritmiasteikolla, jonka avulla äänenpaine muunnetaan kätevämpään mittaan, desibeliasteikkoon (db). Normaali alue on 0 db:stä (kuulokynnys) noin 130 db:iin (kipukynnys). Kuvassa 3 on joitakin esimerkkejä. Melu voi muodostua monella eri tavalla, melulähde voi siis tuottaa eri äänenvoimakkuuksia eri taa- Melunlähde ja melun havaitseminen juuksilla. Jos otamme esimerkiksi lentokoneen, Kuulokynnys Keskivälin kuuloalue Kipukynnys 130dB 120dB 110dB 100dB 90dB 80dB 70dB 60dB db db 30dB 20dB 10dB 0dB Paineilmavasara Meluisa tehdashalli Radion kovaääninen musiikki Tieliikenne Toimiston melu Normaali keskustelu Televisio-ohjelma Hiljainen puutarha Tikittävä kello Rapiseva paperi Lentokone ( m:n etäisyydellä) Rock-konsertti on olemassa selvä ero potkurilentokoneen, nykyaikaisten suihkukoneiden ja sotilaskoneiden tuottaman äänen välillä. Jos äänenvoimakkuus ja taajuus piirretään kaaviona, nämä äänet näyttäisivät selvästi erilaisilta. Kun yritämme torjua melua, erot voidaan ottaa huomioon; tietyt lasityypit toimivat toisia paremmin eri taajuuksilla. Sovittamalla lasin suorituskyky melun mukaan voidaan kaikkein ärsyttävimpiä ääniä vähentää valikoivasti ja saada mahdollisimman suuri hyöty. Niillä, jotka asuvat yksityisillä kevytkoneilla liikennöidyn kiitotien vieressä on aivan eri ongelma Äänetön Lähes kuulumaton Juuri ja juuri kuuluva Erittäin hiljainen Hiljainen Melko hiljainen Melko kova Kova Erittäin kova Erittäin kova Äärimmäisen kova Kestämätön Kestämätön Kivulias kuin sotilastukikohdan vieressä asuvilla. Meluongelmat ratkaistaan tällöin eri lasikokoonpanolla. 2 Kuva 3: melunlähde ja melun havaitseminen (lähde: Kuraray, Troisdorf)

3 Melutaso voidaan määrittää useilla eri tavoilla. Suurissa tai vaikeissa projekteissa voidaan teettää sijaintipaikan melukartoitus käyttäen akustiikkakonsultteja, jotka mittaavat sopivilla laitteilla keskimääräiset melutasot taajuuksittain tietyn ajanjakson aikana. Nämä kartoitukset antavat tarkkaa tietoa melun voimakkuudesta kullakin taajuudella, jolla sitä halutaan vaimentaa. Tiedot esitetään usein raporteissa, joissa melu on jaoteltu taulukkoon oktaavitaajuuksittain, esim: Taajuus Hz Äänenpaine db Ääntä voidaan mitata sijaintipaikalla, melunlähteen läheltä tai kauempaa. Mikäli tarkkaa sijaintia ei tiedetä, voidaan tarkennus tehdä etäisyyden perusteella. Mitä kauempana melunlähteestä ollaan, sitä vähäisempi sen vaikutus. Suunnittelun perustana tuleekin käyttää juuri Lden tasoa, eikä erillisiä äänihuippuja. Siksi suunnittelussa tulisi pyrkiä kontrolloimaan yleistä melua poikkeuksellisten äänien sijaan, muuten päädytään tarpeettomasti äärimmäisiin ääneneristysvaatimuksiin. Joissakin tapauksissa, kun tiettyä melua esiintyy vain lyhytaikaisesti, voi olla syytä käyttää vain osaa aikajaksoista tai erillistä indikaattoria. Melunmittausvälineissä on joskus mahdollisuus rekisteröidä tiedot A-painotuksella. Jos sisätilojen melurajat asetetaan, ne ilmaistaan usein yksikköinä db(a) tai L Aeq. A-painotus on meluun vakiokäyrää seuraava taajuuksittain tehty korjaus. A-painotuksessa otetaan huomioon, että ihmiskorva ei reagoi samaan äänenvoimakkuuteen samalla tavalla eri taajuuksilla, esim. jotkut taajuudet kuulostavat kovaäänisemmiltä kuin toiset, vaikka ne tuotetaan samalla energialla. On tärkeää ottaa huomioon ihmisen reaktio meluun sen sijaan, että päätökset tehtäisiin ääntä absoluuttisesti mittaavien herkkien mittareiden perusteella. Esimerkki: Melun heikkeneminen etäisyyden mukaan Tieliikenteen aiheuttama melu vähenee suunnilleen 3 db, kun etäisyys kaksinkertaistetaan suorassa kulmassa tiehen nähden. Jos esimerkiksi L on db -melutaso 5 metrin etäisyydellä, heikkeneminen noudattaa seuraavaa kaavaa: 5 metriä L db 10 metriä (L-3) db 20 metriä (L-6) db metriä (L-9) db 80 metriä (L-12) db 160 metriä (L-15) db Melutaso mitataan usein tietyn aikajakson keskiarvona, jotta voidaan poistaa odottamattoman kovan melun, esim. auton äänimerkin liian suuri vaikutus. Melun energialle voidaan määrittää pitkän ajan A -painotettuna keskiarvona nk. päivä-, ilta- ja yötaso (Lden). Mikäli melukartoitusta ei tehdä, käytettävissä on usein aiempiin kartoituksiin perustuvia esimerkkejä, joiden avulla suunnittelijat voivat olettaa tavallisten melunlähteiden, kuten tieliikenteen, musiikin, puheen, junien, lentoliikenteen jne., tuottamia tyypillisiä melutasoja. Mikäli kolmannesoktaavi- tai oktaavikaistoja koskevia tietoja ei ole käytettävissä, voidaan ääneneristävyydelle käyttää tiettyjä termejä, tyypillisesti käytetään Rw- ja Rtra- arvoja. Nämä lasin suorituskykyä kuvaavat arvot määritellään taajuus- / vaimennuskäyrään perustuen vertaamalla sitä matemaattisesti standardikäyriin. Kun oikea vastaavuus on saavutettu, saadaan Rw ja Rtra arvot vaimennusasteikolta kiinteällä taajuudella. Kun melutaso tunnetaan, lasin suorituskyky voidaan sovittaa siten, että päästään haluttuun jäännösmelutasoon. On tärkeää varmistaa, että käytetyt indeksit vastaavat toisiaan tai ovat samalla asteikolla. 3

4 Syvällisempää tietoa kaipaaville Äänieristys / [db] Äänieristysarvon R W määrittäminen 10mm Pilkington Optifloat Optifloat TM 16 mm:n - 16 SZR ilmaväli - 9,1mm 9.1 mm:n Pilkington Pilkington Optiphon Optiphon TM R W = db Kolmannesoktaavialueen keskikohdan taajuus / [Hz] Mittausarvot Viitekäyrä / [db] Rinnakkaissiirto Kuva 4: äänieristyksen määrittäminen 10 mm:n Pilkington Optifloat 16 mm:n ilmaväli 9,1 mm:n Pilkington Optiphon * -eristyslasin mittausarvot näkyvät sinisinä. Standardin EN 717 kohdassa 4 määritelty viitekäyrä näkyy punaisena. Tätä viitekäyrää siirretään nyt alaspäin kokonaisina db portaina, kunnes poikkeamien summa vertailukäyrästä mitattuihin arvoihin on suurin, mutta alle 32 db. Vain viitearvoja pienemmät mittausarvot otetaan huomioon. Tämän siirretyn viitekäyrän (vihreä käyrä kuvassa 4) y-arvo 0 Hz:n taajuudella on etsitty R W -arvo, tässä db. Valitettavasti edellä mainittu äänenpaineen amplitudin ja havaitun äänenvoimakkuuden välinen suhde ei ole niin yksinkertainen kuin tiedemiehet toivoisivat, koska luonto on tehnyt kuulostamme herkemmän tietyille alueille kuin toisille. Tämä merkitsee sitä, että kuulemme esim. tuhannen hertsin äänen kovempana kuin sadan hertsin äänen, vaikka äänenvoimakkuus on sama. Tämä ihmiskorvan ominaisuus otetaan huomioon viitekäyrän muodossa. * tunnettiin aiemmin nimellä Pilkington Optilam Phon Eri lasityyppien ääneneristävyyden määritys Ääneneristys / [db] Kahden eristyslasin vertailu, kun Koska jokaisen rakenteen mittaaminen kohteessa olisi aikaa vievää ja kallista, rekisteröidään kaikki äänieristysspektrit vakio-olosuhteissa (sininen viiva kuvassa 4). Kuten näemme, ääneneristys on pitkälti taajuudesta riippuva. Jotta vältyttäisiin koko datasarjan käyttämiseltä, tämä kaavio voidaan supistaa yhteen ainoaan arvoon. Vakiomenettelyä kuvaillaan seuraavassa ruudussa. Tuloksena on yksi lukema tässä tapauksessa R W =db jota voidaan käyttää jatkolaskelmissa Taajuus / [Hz] Viitekäyrä Tällaisen yksittäisen arvon haittana on se, että voimme päästä samaan tulokseen täysin erilaisilla käyrämuodoilla, ks. kuva 5. Edustavampia yksittäisarvoja saadaan käyttämällä erityistarkoituksiin räätälöityjä viitekäyriä. Kuva 5: kahden eristyslasin vertailu 4

5 Tällaisia erityistapauksia ovat mm. termit C ja C tr. Ne ottavat huomioon asuinalueiden ja liikenteen melujen eri taajuusspektrit ja mahdollistavat toimivien ratkaisujen löytämisen kyseisiin ongelmiin yksinkertaisella tavalla. C-tekijä ottaa huomioon melunlähteet: Asuinalueen toiminta (puhe, musiikki, radio, TV) Leikkivät lapset Junaliikenne keskiverto- ja suurilla nopeuksilla Maantieliikenne > 80 km/h Suihkukoneet lyhyeltä etäisyydeltä Liiketoiminnat, jotka tuottavat lähinnä keski- ja suurtaajuusmelua Ctr -tekijä ottaa huomioon melunlähteet: Kaupunkiliikenne Hidas junaliikenne Potkurilentokoneet Suihkukoneet pitkältä etäisyydeltä Diskomusiikki Liikeyritykset, jotka tuottavat lähinnä matala- ja keskitaajuista melua Jos siis rakennusta suunnitellaan kaupunkiin, aivan päätien viereen, C tr -arvo on sopivin. Jos taas aivan moottoritien viereen, on C-arvo sopivampi. Vaikuttavat tekijät Massa Kuten edellä mainittiin, ääni etenee aaltoina virittäen kyseisen massan molekyylejä niin, että ne värähtelevät. Tämän lähetystavan tähden melu vaimenee luonnollisesti kyseisen massan vaikutuksesta. Lyhyesti sanottuna: mitä enemmän massaa lähettimen ja vastaanottimen välillä, sitä suurempi vaimennus. Yksinkertaisin keino lisätä lasin äänieristysominaisuuksia on siis käyttää paljon lasia. Siten 12 mm yksinkertaisen ruudun RW-arvo on 34 db, kun taas 4 mm ruudun vastaava arvo on vain 29 db. 4 mm, 8 mm ja 12 mm float -lasi Äänieristys R db / db mm 8mm 4mm Kolmasosaoktaavialueen keskikohdan taajuus Laskusäännöt Vaikka db -asteikon käyttö antaa käteviä numeroita, se aiheuttaa myös jokseenkin epätavallisia "laskusääntöjä". Jos melunlähde kaksinkertaistetaan, db -kokonaisarvo kasvaa vain 3 db. Kymmenkertainen lisäys, esim. kymmenen sähkötuuletinta yhden sijaan, lisää melua vain kaksinkertaiseksi, ts. 10 db. Selityksen päätteeksi mainittakoon vielä, ettei korvan vieressä olevan melutason puolittamista havaita äänenvoimakkuuden puolittumisena. Yleensä ottaen seuraava pitää paikkansa: 1 db eroa ei käytännössä pystytä havaitsemaan 3 db ero on juuri ja juuri havaittavissa 5 db ero on jo selvä ero 10 db ero puolittaa / kaksinkertaistaa melun. Koinsidenssitaajuus ja epäsymmetria Vertaamalla 4 mm, 8 mm ja 12 mm float -lasien spektrejä toisiinsa, havaitsemme kunkin käyrän oikean osan kääntyvän laskuun. Tämä suorituskyvyn lasku tietyillä taajuuksilla tai koinsidenssitaajuuksilla tapahtuu taajuuden vastatessa tuotteen luonnollista resonanssitaajuutta. Ns. koinsidenssitaajuus on kullekin materiaalille ominainen riippuen sen paksuudesta. Perussääntönä: Hz f g = d (jossa d = lasin paksuus) Tämän kaavan mukaan fg on Hz 4 mm float-lasille, 1 0 Hz 8 mm float-lasille ja Hz 12 mm float-lasille, mikä hyvin vastaa kuvan 6 spektrejä. Kuva 6: ruudun paksuuden vaikutus koinsidenssitaajuuteen 55 5

6 Äänieristys R / db Ratkaisuna voimme vaihdella lasiruutujen paksuutta eristyselementin rakenteessa niin, että toisen ruudun ollessa koinsidenssitaajuudessa, toinen ei ole jatkaen edelleen äänen vaimentamista. Tällaiset asymmetriset rakenteet voivat siten vähentää merkittävästi koinsidenssialueella tapahtuvaa suorituskyvyn laskua, ks. kuva 7. Paksuuseron on hyvä olla n. 30 %. Tämä ei ainoastaan vähennä laskua vaan myös siirtää sitä asteikolla ylöspäin, sillä mitä korkeampi taajuus, sitä tehokkaampi lasi on kokonaismelutason vaimentamisessa. vertailu ja Kuva 7: Epäsymmetrinen eristyslasi koinsidenssin vähentämiseksi Kolmannesoktaavialueen keskikohdan taajuus / Hz Lasivälit / kaasutäytteet Toinen menetelmä ääneneristävyyden hallitsemiseksi on lasiruutujen välisen etäisyyden vaihteleminen. Tavanomaisissa eristyslasielementeissä ruutujen väli on rajoitettu optimaalisen lämpötehon säilyttämiseksi eikä väli ole riittävän suuri vaikuttaakseen merkittävästi akustiseen suorituskykyyn.1+1 ja 1+2 rakenteessa lasiväli on usein merkittävästi suurempi, yli 60 mm:n ilmaväli parantaa jo selvästi suorituskykyä. Lasiväli voidaan lisäksi myös ympäröidä ääntä vaimentavalla materiaalilla. Eristyslasin täytekaasulla on hyvin pieni vaikutus, esim. Argon kaasu ei paranna ääneneristävyyttä. Tiheämmän Kryptonin vaikutus on enintään 1 db. Merkittävästi raskaampaa Rikkiheksafluoridia (SF6) on käytetty aikaisemmin, mutta se on erittäin haitallinen kasvihuonekaasu, CO 2 -ekvivalentti on Lisäksi se heikentää U arvoa ja käyttö onkin jo lopetettu. Erotus / vaimennus Mainitsimme jo, että lasin paksuus auttaa ja että lasien paksuus epäsymmetria on kätevä keino parantaa ääneneristävyyttä. Massan lisääminen tai suurten ilmavälien käyttäminen voivat olla myös ei-toivottuja painon ja tilan kannalta. Onneksi on olemassa tapoja parantaa suhteellisen ohuiden lasiruutujen akustista suorituskykyä sisällyttämällä vaimennusvaikutus itse lasiin. Laminoimalla lasit tavallisella PVB -välikerroksella voimme vähenee koinsidenssitaajuuden aiheuttamaa suorituskyvyn lasku ja siirtää taajuutta. Käyttämällä rakenteessa Pilkington Optilam lasia saadaan merkittävä parannus verrattuna saumanpaksuisen tavallisen float lasin käyttöön. Monoliittisesta lasista (Pilkington Optifloat ) ja laminoidusta Pilkington Optilam lasista koostuvan eristyslasin ääneneristävyys voi olla jo erittäin hyvä. Pilkington Optiphon, kun vaaditaan enemmän Nämä tuotteet ovat myös turvalaseja, mutta niissä käytetty laminointikalvo eristää ääntä vielä paremmin. Kun tarkastelet Pilkington Optiphon -käyrän profiilia, havaitset koinsidenssitaajuudella tapahtuvan suorituskyvyn laskun lähes kadonneen. Oikealla tuoterakenteella voidaan saavuttaa erinomainen ääneneristävyys paksuutta juurikaan kasvattamatta. Tämä mahdollistaa suuremman suunnittelun joustavuuden muista lasituskriteereistä tinkimättä. Spektrien vasemmassa osassa näkyy toinen suorituskyvyn lasku. Tämä on ns. resonanssitaajuus, jolla taajuudella komponentti värähtelee kokonaisuudessaan resonanssissa ja siirtää siten äänivärähtelyä erityisen hyvin ja eristää heikosti. Äänieristystä voidaan parantaa siirtämällä rakenneosan resonanssitaajuus toiselle taajuudelle (loitolle häiriötaajuudesta tai alueelle, jossa ihmiskorva kuulee sen huonommin). Tähän päästään kätevästi eristyslasin "erotuksella", tekemällä lasiruudusta samalla kertaa sekä tiheä että pehmeä. Tämä voidaan tehdä yhdistämällä kaksi lasiruutua joko erityisillä (pehmeillä) valuhartseilla tai nykyaikaisilla PVB -kalvoilla, jotka on kehitetty erityisesti tätä sovellusta varten. 6

7 Tärkeä muistutus Akustisen tuotteen oikean valinnan tarkoituksena on tehdä sisätiloista miellyttäviä ja poistaa niistä melun aiheuttama stressi. Jäännösmelun taso ei ole sama kaikilla, ja kansallisia ohjeita on laadittu useimmille ympäristöille. Esimerkiksi kirjastossa taustamelun tulisi olla noin 30 db ja makuuhuoneessa eri kuin olohuoneessa. Täydellinen meluttomuus ei ole toivottavaa, ja toteutuukin vain kaiuttomissa testikammioissa. Täydellinen äänettömyys voi olla aavemainen kokemus, sillä korva virittyy jopa sisäisille erittäin häiritseville äänille Yhtälö on siis ensihätään: Melunlähde rakenteen vaimennus = jäännösmelu Huomaa, että koko rakennuksen tulee toimia ja ettei pelkkä lasi ratkaise kaikkia akustisia ongelmia. Ääni tarvitsee vain pienen reiän päästäkseen rakennukseen päinvastoin kuin lämmön kulkeutuminen, joka on yleensä suhteessa pinta-alaan. Lasin ääneneristävyys 35 db asti vastaa koko tuuletusluukuttoman, kiinteästi lasitetun ikkunan suorituskykyä. Tämän tason yläpuolella myös kehäosalle asetetaan tiukkenevia vaatimuksia toimivan lopputuloksen saavuttamiseksi. Yhteenveto Lasirakenteen ääneneristävyyden parantamiseksi voidaan mainita viisi tekijää. 1. Lasin massa 2. Epäsymmetrinen rakenne 3. Suuri lasiväli 4. Eri kaasujen käyttö, ei SF6 5. Optiphon erikoislaminoitu turvalasi tai CIP- (Cast In Place) tuotteet. Kun ääneneristys vaatimukset ovat korkeat, on Pilkington Optiphon erittäin käyttökelpoinen ratkaisu valettuihin hartsituotteisiin (CIP) verrattuna. Jopa yli RW db -lasit voidaan toimittaa teollisina mittoina. PVB laminoitu Pilkington Optiphon toimii turvalasina mm. kaiteissa ja katoissa db Äänen vähenemisen kaaviokuva Hertz 6.4mm Pilkington Optilam 6.8mm Pilkington Optiphon 6mm Pilkington Optifloat Pilkington Optilam Kuva 8: äänen vähenemisen kuvaus Aika sekunteina Pilkington Optiphon Aika sekunteina Kuva 9: kuvasta nähdään vaikuttava vaimennusero tavallisen laminoidun Pilkington Optilam - ja Pilkington Optiphon -tuotteiden välillä äänisuunnittelun kannalta. 7

8 Tämä dokumentti on valmisteltu ja esitetty hyvässä uskossa, mutta Pilkington Group Limited ei ota mitään vastuuta siinä mahdollisesti olevien virheiden tai puutteiden aiheuttamista vahingoista tai siihen luottamisen seurauksista. Syksy 2008