Jaksollisen sandwich-rakenteen vibroakustiikasta



Samankaltaiset tiedostot
JAKSOLLISEN SANDWICH-RAKENTEEN VIBROAKUSTIIKASTA

KRIITTISEN TAAJUUDEN JA DILATAATIORESONANSSIN VAIKUTUS SANDWICH-LEVYN ÄÄNENERISTÄVYYTEEN

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

SIIRTOMATRIISIN JA ÄÄNENERISTÄVYYDEN MITTAUS 1 JOHDANTO. Heikki Isomoisio 1, Jukka Tanttari 1, Esa Nousiainen 2, Ville Veijanen 2

RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN

TESTAUSSSELOSTE Nro VTT-S Uponor Tacker eristelevyn dynaamisen jäykkyyden määrittäminen

12129 Mixed Penetration Seal BARRA Flame DMA/DMK palokatkojen ja palotiivisteiden akustinen arvio

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

JOUSTAVARANKAISEN LEVYRAKENNESEINÄN ÄÄNENLÄPÄISY. Petra Virjonen, Valtteri Hongisto

Palkkivälipohjan äänitekniikka

Termex Zero -seinärakenteen ilmaääneneristävyyden määrittäminen

KOTELON ÄÄNENERISTYKSEN VIBROAKUSTINEN MALLINNUS ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ

Melulukukäyrä NR=45 db

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

ELASTINEN EPOKSI RATKAISU RUNKOÄÄNIONGELMIIN. Lasse Kinnari, Tomi Lindroos ja Kari Saarinen. Noisetek Oy.

Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla

MIV Ilmanvaihdon modernit parannus- ja kunnostusratkaisut

ERITTÄIN JOUSTAVAA MUKAVUUTTA AKUSTOINTIIN

PUURAKENTEET RAKENTEIDEN MITOITUS. Lattioiden värähtelysuunnittelu euronormin EC5 mukaan

Hirsiseinien ilmaääneneristysluvut

AKUSTISEN ABSORPTIOSUHTEEN MÄÄRITYS LABORATORIOSSA

Ilmaääneneristävyyden määrittäminen

Absorptiosuhteen riippuvuus materiaaliparametreista

ö ø Ilmaääneneristävyys [db] 60 6 mm Taajuus [Hz]

HUOKOISTEN MATERIAALIEN ABSORPTIOSUHTEEN LASKEMINEN VIRTAUSVASTUKSEN PERUSTEELLA

ÄÄNITEKNINEN SUUNNITTELUOHJE.

Läpivientien vaikutuksen testaaminen ja arvio niiden vaikutuksesta betoni- ja kaksoisrunkoisten kipsilevyseinien ääneneristävyyteen

TESTAUSSELOSTUS Nro VTT-S Ilmaääneneristävyyden määrittäminen Lasiseinä liukuovella, Fasad 30

TUULIVOIMALAMELU MITTAUS JA MALLINNUS VELI-MATTI YLI-KÄTKÄ

RAPORTTI ISOVERIN ERISTEIDEN RADIOTAAJUISTEN SIGNAALIEN VAIMENNUKSISTA

Totte Virtanen, Hannu Pelkonen.

FE-SEA HYBRIDIMENETELMÄ. Jukka Tanttari. VTT PL 1300, Tampere 1 JOHDANTO

TYÖKONEOHJAAMOIDEN MONIKERROSLASIEN VIBROAKUSTIIKKAA

ÄÄNTÄ VAHVISTAVAT OLOSUHDETEKIJÄT. Erkki Björk. Kuopion yliopisto PL 1627, Kuopion 1 JOHDANTO

TESTAUSSELOSTE Nro VTT-S Äänenabsorptiosuhteen määrittäminen ja luokittelu Lumir Spray levyille

TESTAUSSELOSTUS Nro VTT-S Ilmaääneneristävyyden määrittäminen Yksilasinen siirtolasiseinä, SCM L-35-ACUSTO

Puisten kävelysiltojen värähtelymittaukset

Tomi Huttunen Kuava Oy Kuopio

Akustiikka ja toiminta

TUTKIMUSSELOSTUS Nro VTT-S Silencio & Silencio Thermo pintalattiat Askelääneneristävyyden parannusvaikutus

TESTAUSSELOSTE Nro VTT-S Ilmaääneneristävyyden määrittäminen HSL Alu db-liukuovi Rw 37dB

Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

Mitä tulisi huomioida ääntä vaimentavia kalusteita valittaessa?

W32 TYYPPISEN DIESELMOOTTORIN LUUKKUJEN MELUNTORJUNTA

ÄÄNENVAIMENTIMIEN MALLINNUSPOHJAINEN MONITAVOITTEINEN MUODONOPTIMOINTI 1 JOHDANTO. Tuomas Airaksinen 1, Erkki Heikkola 2

ABSORPTIOSUHTEEN RIIPPUVUUS MATERIAALIPARAMETREISTA. David Oliva, Henna Häggblom, Jukka Keränen, Petra Virjonen, Valtteri Hongisto

Rak Building physical design 2 - Acoustical design Autumn 2015 Exercise 2. Solutions.

Pilkku merkitsee, että kysymyksessä on rakennusmittaus (in situ) R W (db) vaaka/pysty. L n,w (db) Rakennus

Kuva 1. Ikkunalle saatu tulos viidessä testilaboratoriossa painemenetelmällä mitattuna.

EMC Suojan epäjatkuvuudet

TESTAUSSELOSTE Nro VTT-S Ilmaääneneristävyyden määrittäminen Tuloilmaikkunaventtiili Air-Termico

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

ASKELÄÄNITASOKOEMITTAUKSET

KERROSRAKENTEISTEN ABSORBENTTIEN ABSORPTIOSUHTEEN LASKENTAMENETELMÄ

4G LTE-verkkojen sisätilakuuluvuusvertailu 1H2014

TESTAUSSELOSTE Nro VTT-S Äänenabsorptiosuhteen määrittäminen ja luokittelu Cleaneo Lumir ja Lumir Board levyille

Lattianpintarakenteen askeläänen parannusluvun määrittäminen 15 mm KP-Floors kerrosrakenteinen lattialauta

Tuulivoimaloiden (infra)ääni

Ilmalämpöpumpun Toshiba RAS-10SKVP-ND + RAS-10SAVP-ND toimintakoe matalissa ulkoilman lämpötiloissa ja sulatusjaksot sisältävä lämpökerroin

Ilmalämpöpumpun Panasonic CS-E9JKEW-3 + CU-E9JKE-3 toimintakoe matalissa ulkoilman lämpötiloissa ja sulatusjaksot sisältävä lämpökerroin

TESTAUSSELOSTE Nro. VTT-S

Kuva 1: Helmholtzin käyttämä HR [2] sekä HR:n arkkityyppi Tatti.

LATTIAT - VÄRÄHTELYMITOITUS - Tero Lahtela

Tietoliikennesignaalit & spektri

KONSERTTISALIEN AKUSTIIKAN TAAJUUSVASTE AJAN FUNKTIONA 1 JOHDANTO 2 SALIMITTAUKSET

RAKENNUSAKUSTIIKKA - ILMAÄÄNENERISTÄVYYS

Akustointiratkaisujen vaikutus taajuusvasteeseen

ASKELÄÄNITASOKOEMITTAUS

SUODATTAVAT RAKENTEET JA AKUSTISET METAMATERIAALIT 1 JOHDANTO. Jukka Tanttari ja Heikki Parviainen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

DIESELMOOTTORIN MELUN HALLITSEMINEN KONEAKUSTIIKAN OSAA- MISTA HYÖDYNTÄEN

SUORITUSTASOILMOITUS No. 32/MW/ALA

ASKELÄÄNITASOKOEMITTAUKSET Karitma Oy, Hydro Smart Compactline vinyylilankku

TESTAUSSELOSTE Nro VTT-S Pintalattian askel- ja ilmaääneneristävyyden parannusvaikutuksen määrittäminen Fescon db-lattia

Joose Takala, Jussi Rauhala, Jesse Lietzén ja Mikko Kylliäinen. Tiivistelmä

E-Power. Vibroakustisesti ympäristötehokkaan voimalaitoksen tuoteprosessi. Tommi Rintamäki General Manager Power Plant Technology Wärtsilä Finland Oy

Hakkeen kosteuden on-line -mittaus

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

Gyproc XR. Ääneneristysranka Tekniset tiedot ja asennusohjeet

Sisältö. Kerto-Ripa -välipohjaelementti kuivaan rakentamiseen. Metsä Wood -kattoelementti Kerto-Ripa -kattoelementti Liimapuu GL30 Tekninen aineisto

TESTAUSSELOSTUS Nro VTT-S Lasirakenteisen siirtoseinän ilmaääneneristävyyden määrittäminen

Kuviotyypit Gyptone alakatot Quattro 22 laatat

UUSI AKUSTINEN VAAHTORAINATTU LUONNONKUITUMATERIAALI

SUORITUSTASOILMOITUS No. 1/MW/ALA

Ilmalämpöpumpun Sharp AY-XP9FR + AE-X9FR toimintakoe matalissa ulkoilman lämpötiloissa ja sulatusjaksot sisältävä lämpökerroin

AVOTOIMISTON AKUSTISEN SUUNNITTELUN MALLI. Valtteri Hongisto, Jukka Keränen, Petra Larm

Ecophon Solo Circle seinällä

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 2 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

LAUSUNTO Nro VTT-S Lausunto välipohjarakenteen askelääneneristävyydestä L nt,w + CI

Tulevaisuuden energiateknologiat - kehitysnäkymiä ja visioita vuoteen ClimBus-ohjelman päätösseminaari kesäkuuta 2009 Satu Helynen, VTT

PAKOPUTKEN PÄÄN MUODON VAIKUTUS ÄÄNENSÄTEILYYN

ULKOILMATAPAHTUMIEN MELUKYSYMYKSIÄ MALLINNUS, MITTAUKSET JA ARVIOINTI.

Taulukossa 1 on vertailtu 7 yleisintä kirjallisuudessa esiintyvää mallia. Ne on jaettu kolmeen ryhmään, empiirisiin (E), semiempiirisiin (S) ja teoree

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN MALLINTAMINEN ELEMENTTIME- NETELMÄLLÄ

Langattoman verkon spektrianalyysi

TESTAUSSELOSTE Nro VTT-S Lattianpintarakenteen askeläänen parannusluvun määrittäminen

Siporex-väliseinät. Väliseinälaatta Väliseinäelementti Väliseinäharkko

SWEPT SINE MITTAUSTEKNIIKKA (NOR121 ANALYSAATTORILLA)

6.8 Erityisfunktioiden sovelluksia

Lattianpintarakenteen askeläänen parannusluvun määrittäminen. Uponor Tacker lattiaeriste + kuitutasoitelaatta + lattianpäällyste

Transkriptio:

Rakenteiden Mekaniikka Vol. 41, Nro 1, 2008, s. 44 50 Jaksollisen sandwich-rakenteen vibroakustiikasta Jukka Tanttari, Esa Nousiainen, Samu Aalto ja Tomi Lindroos Tiivistelmä. Kevyiden sandwich-levyjen ääneneristävyys on huono. Tutkimme jaksollisten pehmeiden ydinmateriaaliraitojen käyttämistä ääneneristävyyden parantamisessa. Raita- ja ruututyyppisillä ydinrakenteilla saavutettiin jopa yli 10 db suurempi TL. Raidoitustekniikka avaa mahdollisuuksia mielenkiintoisten dynaamisten ilmiöiden hyödyntämiseen. Näitä ovat aaltokentän hajottaminen ja suuntaaminen, säteilytehokkuusmuutokset sekä keskitetty dynaaminen käyttäytyminen pienillä taajuuksilla. Avainsanat: vibroakustiikka, ääneneristävyys, kevytrakenne, sandwich, raidoitustekniikka Johdanto Viime Akustiikkapäivillä esittelimme kevyiden ja jäykkien ja toisaalta paksujen sandwich-rakenteiden vibroakustiikkaan liittyviä ilmiöitä ja niiden mallinnusta. Totesimme, että huolellisella suunnittelulla useimmat ongelmat pystytään välttämään, ja yhdistämään rakenteellisesti lujaan ja valmistusteknisesti edulliseen sandwichrakenteeseen riittävän hyvä akustinen toimivuus. Keveiden ja jäykkien, muovikomposiiteista valmistettavien sandwich-rakenteiden käyttö lisääntyy, erityisesti kuljetusvälineteollisuudessa. Edelleen pätee se, että keveyden, taivutusjäykkyyden ja hyvän ääneneristävyyden yhdistäminen samaan rakenteeseen on tietyllä tavalla ristiriitainen tavoite. Tässä tarkastelemme jaksollisen rakenteen hyödyntämistä rakenteessa etenevän aaltoliikkeen ohjailuun, muodonmuutoksen kohdistamiseen valittuihin kohtiin ja rakenteen vaimennuksen lisäämiseen. Esittelemme erilaisia jaksollisia rakenteita, näiden mittaustuloksia ja tarkastelemme ilmiöitä mallinnuksen keinoin. Tässä tarkasteltava jaksollinen rakenne on ohut, kevyt ja taivutusjäykkä sandwichlevy, kts. Akustiikkapäivät 2005 [1, 2], jonka ydin koostuu jaksottelevasta jäykästä ja löysästä vaahtomuovista, jotka muodostavat raitoja. Sandwich-levyn pintalevyt ovat lasikuitulaminaattia. Aiempi työ Jaksollisuuden hyödyntäminen rakenteen akustisten ominaisuuksien muokkaukseen esiintyy kirjallisuudessa jo vuonna 1959 Kurtzen ja Wattersin klassisessa artikkelissa [3]. 44

Perusajatus on mahdollistaa leikkausmuodonmuutos valituissa kohdissa rakennetta ja tällä tavoin rajoittaa taivutusaallon etenemistä. Kuva 1. Jaksollisen rakenteen kuvaus Kurtzen ja Wattersin artikkelissa [3] Kurtzen ja Wattersin työssä jaksollisuuden muodostavat onkalot rakenteessa käsitellään tyhjänä ilmavälinä. Onkaloilla ei ole tiettyjä mekaanisia ominaisuuksia. Sandwich-levyn ytimen raitamainen jaksollisuus esiintyy Mazzarellan ja kumpp. artikkelissa vuonna 2002 [4]. Työssä tarkastellaan aukseettisen (negatiivisen Poissonin luvun eli venytettäessä leviävän) ydinmateriaalin muodostamien raitojen hyödyntämistä komposiiteista tehdyn sandwich-levyn värähtelyn hallintaan ja runkoäänen etenemisen ohjailuun. Työssä ei käsitellä rakenteen akustisia ominaisuuksia, kuten ääneneristävyyttä tai äänen säteilyn tehokkuutta. Kuva 2. Mazzarellan tutkima aukseettisen (Core B) ja tavallisen hunajakenno/vaahtomuoviytimen (Core A) jaksottama sandwich-levy [4] Mazzarella ja kumppanit pystyivät osoittamaan, että aukseettisen ja tavallisen hunajakenno- tai vaahtomuoviydinmateriaalin jaksollisuudella kyetään luomaan rakenteeseen varjoalueita, mihin värähtelyenergia ei etene tehokkaasti. Ainakaan käytettäessä pistemäistä voimaherätettä. VTT osallistuu EU:n 6. puiteohjelman integroituun tutkimusprojektiin InMAR (Intelligent Materials for Active Reduction) vuosina 2003 2008. Jo päättyneessä työpaketissa Novel Passive Material Systems selvitettiin uusien materiaalien ja valmistustapojen mahdollisuuksia rakenteiden akustisten ominaisuuksien parantamiseksi. 45

Akustiikkapäivien 2005 jälkeen olemme tutkineet aluksi palkkimaisten näytteiden vibroakustiikkaa hyödyntämällä aiemmissa kuvattuja mittausmenetelmiä [1]. Kuva 3. Jaksollisia palkkinäytteitä, ylhäältä alas: 1).pehmeän ydinmateriaalin ja elastisen epoksin muodostama jaksollinen ydinrakenne, 2) Kurtzen ja Watttersin hengessä tehty jäykän ydinmateriaalin ja ilmavälin muodostama jaksollinen ydinrakenne, 3) jäykän ydinmateriaalin ja elastisen epoksin muodostama jaksollinen ydinrakenne, 4), jäykän ja löysän vaahtomuovin muodostama jaksollinen ydinrakenne. Palkkinäytteiden moodianalyysin avulla tehdyn taivutusaallon ja leikkausaallon etenemisnopeuden määrityksen ja häviöluvun arvioinnin perusteella selvästi potentiaalisimmaksi osoittautui kuvassa 3 alimpana oleva jäykän ja löysän ydinmateriaalin jaksottama sandwich-levy. Tästä materiaaliyhdistelmästä rakennettiin kaksi n. neliömetrin näytelevyä. Eri ydinmateriaalien muodostaman löysä vaahto-jäykkä vaahto -jakson pituus ei vastoin ennakko-odotuksia vaikuttanut merkittävästi palkin vibroakustisiin ominaisuuksiin. Jaksojen pituudeksi valittiin tällä perusteella käytännön toteutuksen kannalta hyvä 50 mm löysä 250 mm jäykkä vaahto. Tutkitut näytteet Kaksi rakennettua jaksollista koelevyä esitetään kuvassa 4. Levyjen koko on 1120 mm x 1120 mm ja paksuus 23 mm. Ensimmäinen näyte on yhteen suuntaan jaksollinen raitapaneeli. Raitapaneelin ytimen jaksollisuus muodostuu 50 mm leveiden löysän vaahtomuovin ja 250 mm leveiden jäykän vaahtomuovin kaistoista. Toinen näyte, ruutupaneeli, on kahteen suuntaan jaksollinen. Materiaalin jako on sama kuin raitapaneelissa: löysän vaahtomuoviraidan leveys on 50 mm ja raitojen erottaman jäykän ydinmateriaalin ruudun koko on 250 mm x 250 mm. Kummankin levyn paino on n. 9,1 kg ja pintamassa 7,2 kg/m 2. 46

Kuva 4. Tutkitut jaksolliset paneelit: vasemmalla kirjoittajista Aalto raitapaneelin kanssa, oikealla ruutupaneeli asennettuna kaiuntahuoneen mittausaukkoon ääneneristävyyden mittausta varten. Taulukko 1. Tutkittujen levyjen materiaaliominaisuudet. Koko 1120 mm x 1120 mm Pintalaminaatti 2 x 1,5 mm lasikuitu Ytimen paksuus 20 mm Laminaattien pinta-alamassa 5,6 kg/m 2 Ytimen pinta-alamassa 1,6 kg/m 2 Paneelin pinta-alamassa 7,2 kg/m 2 Pintalaminaatin materiaali 6-kerroksinen lasikuitumatto, tyhjiöinjisoitu epoksi Ytimen materiaali Jäykkä: Airex Löysä: Kaimann 47

Kuva 5. Levyn rakenne: jäykän ja löysän ydinmateriaalin kummankin puolen sitoo jatkuva lasikuitupintalaminaatti. Mittausmenetelmät Ääneneristävyyden mittaus Paneelien ääneneristävyys mitattiin tavallista kaiuntahuone-intensiteettimenetelmää käyttäen. Kaiuntahuonemenetelmän lähetyshuoneena oli VTT:n suuri kaiuntahuone Tampereella. Läpäissyt intensiteetti mitattiin ns. koneakustiikkalaboratorion puolella intensiteettimenetelmällä. Intensiteetti mitattiin 1/12-oktaavikaistoittain ja prosessoitiin myöhemmin 1/3-oktaavikaistamuotoon, tai suoraan 1/3-oktaavikaistoilla ja 6,25 Hz FFT-kaistanleveydellä. Mittaus tehtiin tavallisella 100 Hz...10000 Hz taajuuskaistalla. Laserskannaus Paneelien pinnan värähtelynopeus mitattiin skannaavalla laservibrometrilla. Mittauksen tarkoitus oli visualisoida värähtelykäyttäytymisen ilmiöitä ja havainnollistaa raitojen ja alipaneelien eri vaiheista liikettä. Paneelit kiinnitettiin VTT:n suuren kaiuntahuoneen mittausaukkoon ja herätettiin akustisella kohinalla. Skannaus tehtiin ruudukkokuviolla, pisteiden lukumäärän ollessa 740. Tulokset Päätuloksina esitetään ääneneristävyyden mittaustulokset ja havainnollistuksena laserskannauksella saatu kuva pinnan värähtelystä raitapaneelin ominaistaajuudella. Vertailupaneeli on Akustiikkapäivillä 2005 esitelty referenssipaneeli mikä kuvaa tyypillistä, kevyttä ja jäykkää komposiittisandwichlevyä [1, 2]. Referenssipaneelissa on jäykkä Airex -ydin. 48

40 35 Mass Law Striped panel Reference panel 40 35 Mass Law Chessboard Reference panel Transmission loss [db] 30 25 20 15 Transmission loss [db] 30 25 20 15 10 10 5 100 1000 10000 Frequency [Hz] 5 100 1000 10000 Frequency [Hz] Kuva 6. Raitapaneelin (vasemmalla) ja ruutupaneelin (oikealla) vertailu referenssipaneeliin ja massalakiin. Nähdään jaksollisuudella saavutettava selkeä parannus ääneneristävyydessä. 40 35 Mass Law Chessboard Striped panel 30 Transmission loss [db] 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 Frequency [Hz] Kuva 7. Paneelien välinen vertailu (vasemmalla) ja raitapaneelin värähtelynopeus 179 Hz taajuudella, kun herätteenä on akustinen kohina. Raidan (kts. kuva 5) sijainti hahmoteltu katkoviivalla. 49

Johtopäätökset Jaksollisuutta käyttäen pystytään parantamaan akustisesti huonon sandwich-levyn ääneneristävyyttä jopa yli 10 db laajalla taajuuskaistalla. Raita- ja ruutukuvion välillä ei havaita suurta eroa. Raitapaneelin eristävyys on hyvin jatkuvaa, selvä ominaismuoto havaitaan 80 Hz 100 Hz alueella. Ruutupaneelin eristävyys on raitapaneelia heikompi n. 1 khz lähellä. Tämän tarkkaa syytä ei vielä pystytä sanomaan. Ruutupaneelin alin ominaistaajuus on raitapaneelia alempi, ollen n. 65 Hz. Jaksollisten rakenteiden käyttö tuo sandwich-levyjen akustiikkaan paljon uusia, mielenkiintoisia ilmiöitä ja mahdollisuuksia; esimerkiksi värähtelyenergian ohjailu rakenteessa haluttuun suuntaan tai aktiivisten järjestelmien optimaalialustan räätälöinti. Tämä luo tarpeen kehittää ja soveltaa edistyksellisiä mallinnusmenetelmiä levyjen vibroakustiikan ennakointiin ja optimointiin. Varsinaisessa esitelmässämme esitämme näkymiä jaksollisuuden ja muuttuvien materiaaliominaisuuksien tuomiin ilmiöihin ja mahdollisuuksiin. Lähteet 1. Nousiainen E & Tanttari J, Kriittisen taajuuden ja dilataatioresonanssin vaikutus sandwich-levyn ääneneristävyyteen, Akustiikkapäivät 2005 Kuopio, Akustinen Seura ry, Espoo 2005 2. Tanttari J & Nousiainen E, Sandwich-levyrakenteen SEA-mallinnuksesta, Akustiikkapäivät 2005 Kuopio, Akustinen Seura ry, Espoo 2005 3. Kurtze U & Watters G, New wall design for high transmission loss or high damping, J Acoust Soc Am, 31(6):739 748, June 1959 4. Mazzarella L et al, Passive control of vibration and wave propagation in sandwich plates with periodic auxetic core, FEMCI Workshop 2002, May 23, 2002. NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD. Jukka Tanttari, Samu Aalto ja Tomi Lindroos VTT PL 1300 / Tekniikankatu 1 33101 TAMPERE jukka.tanttari@vtt.fi Esa Nousiainen Wärtsilä Finland Oy Power Plants PL 252 / Tarhaajantie 2 65101 VAASA 50