Meluntorjunta L ELEC-E5640 Absorptiomateriaalit 7.9.2015 Valtteri Hongisto

Esitys aiheesta: "Meluntorjunta L ELEC-E5640 Absorptiomateriaalit 7.9.2015 Valtteri Hongisto"— Esityksen transkriptio:

1 Meluntorjunta L ELEC-E5640 Absorptiomateriaalit 7.9.2015 Valtteri Hongisto valtteri.hongisto@aalto.fi

2 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet.2 Absorptio Absorptiosuhde Vaimennus heijastuksessa:

3 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet.3 Absorptio vs. eristys Absorptiosuhde Vaimennus D=L Ii -L Ir [dB] Ilmaääneneristys R [dB]

4 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet.4 Absorptio- ja läpäisysuhteiden vertailu

5 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.5 Absorptiosuhteen mittaus, normaali tulokulma Impedanssiputkimenetelmä ISO 10534-2 normaali tulokulma pieni näyte nopeahko mittaus vaativa menetelmä tuotekehitys ja tutkimuskäyttöön soveltuva menetelmä 80-6300 Hz antaa alempia arvoja kuin kaiuntahuonemenetelmä tarkka, jos näyteasennus on asianmukainen laskentamallit tarkkoja

6 Absorptiosuhteen riippuvuus tulokulmasta Yuzawa (1975) lasivilla Normaalitulokulmalla 0  absorptioarvot pienempiä kuin 60 asteen kulmalla. Pyyhkäisykulmalla (90  ) absorptio on nolla (kokonaisheijastus). Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.6

7 7 Aaltoluku ja impedanssi Huokoisten materiaalien akustinen karakterisointi –kompleksinen etenemisvakio  a [1/m] ja –kompleksinen karakteristinen impedanssi Z a [Pa  s/m]: Ilmassa häviöt katsotaan lähes mitättömiksi, jolloin –Z a =   c 0 =Z 0 –  a =jk 0

8 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.8 Etenemisvakio Ilmassa positiivisen x-akselin suuntaan oletetaan yleensä, että ääniaalto on vaimenematon ja häviötön. Tällöin etenemisvakio on puhtaasti imaginäärinen  =j  ''=jk 0 =j  /c 0 : Sen sijaan absorbenteilla on voimakkaita häviöitä ja käytettävä: Etenemisvakio voidaan määrittää mittaamalla paksussa väliainekappaleessa etäisyyden funktiona –reaaliosa  ': äänenpainetason vaimenema –imaginaariosa  '': vaiheen muutos –yksikkö [1/m] häviötermi värähtelevä termi

9 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.9 Spesifinen virtausresistiivisyys Virtausresistanssi R [Pa  s/m 3 ] –ilmanpaine-ero  p näytteen yli [Pa] –näytteen läpi virtaavan ilman tilavuusvirtausnopeus q v [m 3 /s]. spesifinen virtausresistanssi R s [Pa  s/m] spesifinen virtausresistiivisyys r, [Pa  s/m 2, Rayl/m] on spesifinen virtausresistanssi metrin paksua ja neliömetrin levyistä näytettä kohti

10 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.10 Huokoisuus porosity h määritellään materiaalin sisältämän ilman tilavuuden V' ja materiaalin kokonaistilavuuden V suhteena: Jos huokoiset arvonaisia, absorptiosuhde kasvaa huokoisuuden kasvaessa. Huokoisuus vaikuttaa hiukkasnopeuteen u materiaalissa ja sitä kautta impedanssiin s=rakennetekijä Erilaisia rakennetekijöitä (a) täysin verkkomainen vaahtomuovi, (b) osittain verkkomainen vaahtomuovi, (c) lasikuitumatto, (d) mineraalivilla 96 kg/m 3.

11 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.11 Delany & Bazleyn empiirinen työ 1968 Mittasivat satojen huokoisten materiaalien virtausresistiivisyyden, impedanssin sekä etenemisvakion. Määrittivät empiirisen suhteen näiden välille.

12 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.12 Huokoisten materiaalien karakteristiset ominaisuudet materiaalin karakteristinen impedanssi Z a ja etenemisvakio  a voidaan laskea, kun spesifinen virtausresistiivisyys r tunnetaan m on pitkittäisaallon pituus aineessa [m] ja  on vaihekulma.

13 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.13 Karakteristinen impedanssi ja pintaimpedanssi Karakteristinen impedanssi Z a [Pa  s/m] kertoo paineen ja hiukkasnopeuden suhteen materiaalissa etenevälle tasoaallolle: Pintaimpedanssi Z kertoo materiaalin rajapintaan osuvan äänen kokeman impedanssin. Arvo ei riipu vain materiaalin ominaisuuksista vaan myös rajapinnan takana olevista asioista. Z a riippuu pitkälti äänen nopeudesta materiaalin sisällä; mitä suurempi äänen nopeus, sitä suurempi impedanssi –hyvin absorboivat materiaalit: pieni nopeus ja impedanssi Eristävät huonosti ääntä –hyvin ääntä eristävät materiaalit: suuri nopeus ja impedanssi Absorboivat huonosti ääntä

14 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.14 Heijastuminen kahden materiaalin rajapinnassa Kohtisuora tulokulma Oletetaan kaksi väliainetta, joilla on ääretön paksuus. Absorptiosuhteen määritelmä Aalto-opin perusteella saadaan impedansseista Normalisoitua impedanssia käyttämällä saadaan Sievennetty muoto (Z=Z'+jZ'')

15 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.15 Huokoisen levyn absorption mallintaminen a)paksu huokoinen levy, ilmaa ympärillä b)ohut huokoinen levy heijastavaa taustaa vasten c)ohut levy, ilmaväli ja heijastava tausta Z a karakteristinen impedanssi Z 1 pintaimpedanssi

16 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.16 a) Paksu huokoinen levy Levy katsotaan paksuksi, jos ainepaksuus on yli kolmasosan äänen aallonpituudesta sen sisällä: Tällöin ääni on vaimentunu materiaalin läpäistyään niin paljon, ettei sen takapinnalta syntyvällä heijastuksella ole enää merkitystä etupinnalla. Absorptiosuhde tällöin missä Z 1 =Z a1 Mechelin mallilla. Pintaimpedanssi on tässä tapauksessa sama kuin karakteristinen impedanssi, koska takana olevat materiaalikerrokset eivät vaikuta etupintaan.

17 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.17

18 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.18 b) ohut huokoinen levy heijastavaa taustaa vasten Jäykästä taustasta tapahtuva heijastus vaikuttaa absorptiolevyn pintaimpedanssiin Z 1. Pintaimpedanssi Z 1 [N  s/m 3 ] riippuu materiaalin karakteristisesta impedanssista Z a1 ja levyn paksuudesta d [m] seuraavasti: Absorptiosuhde

19 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.19  Absorptiolla maksimi, kun hiukkasnopeus on suuri.  Täydellinen absorptio vain jos materiaalia sijaitsee hiukkasnopeuden maksimissa, eli d on luokkaa /4 tai yli. Heijastavalle taustapinnalle sijoitetun huokoisen levyn optimipaksuus

20 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.20 Lasivillan paksuuden vaikutus: heijastava tausta Oliva ym, 2010 00 density 18 kg/m 3 Heijastava tausta

21 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.21 c) ohut huokoinen levy, ilmaväli ja heijastava tausta Ilmakerroksen (paksuus t) pintaimpedanssi huokoisen levyn takapinnalla: heijastussuhde absorptiokerroksen takapinnasta impedanssi huokoisen materiaalin (paksuus d) etupinnalla: Absorptiosuhde:

22 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.22 Alaslaskun vaikutus kivivillan absorptiosuhteeseen d=50 mm,  =18 kg/m 3, r=9600 Pa·s/m 2 Oliva et al. (2010) 00

23 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.23 Levyresonaattorit tiivis rei'ittämätön levy, jonka takana kaviteetti, joka on tyhjä tai täytetty absorptiomateriaalilla resonanssiabsorptio pienillä taajuuksilla levynä voi olla –rakennuslevy tai metalli –muovikalvo –tiivis maalipinta Mitä löysempi levy, sen paremmin resonoi ja absorboi pienillä taajuuksilla. levyn impedanssi takana olevan ilmakerroksen impedanssi etupinnan impedanssi absorptiosuhde resonanssitaajuus ja maksimiabsorptio

24 Levyresonaattori verrattuna villaan Oliva ym. 2010 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.24

25 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.25 Höyrynsulkumuovin (=levyresonaattori) paikan vaikutus Oliva et al. 2010 00

26 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.26

27 Yksittäinen Helmholtz-resonaattori Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.27 Yksittäinen Helmholtz-resonaattorin maksimiabsorptio saavutetaan resonanssitaajuudella (Tanttari 2011) –S n kaulan poikkipinta-ala [m 2 ], esim.  (d n /2) 2 –l n,eq on kaulan ekvivalentti pituus [m] = fyysinen pituus + 0.82 kertaa kaulan halkaisija (l n + 0.82 d n ) –V c on ontelon tilavuus [m 3 ] Resonaattoreita käytetään harvemmin huoneakustiikassa mutta sitä käytetään mm. kanavaäänenvaimentimissa vaimentamassa ääneksiä, joita koneet aiheuttavat.

28 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.28 Paksut reikälevyt Helmholz-resonaattorien hila Käytännössä huokoinen kerros (huopa) aina reikien takana, mikä määrää absorptiosuhteen Levypaksuus 9-20 mm –kipsi, puu, yms.

29 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.29 Tuote-esimerkkejä reikälevy (takana huopa+villa) reikäkipsilevy (takana huopa+ilmaväli reikätiili (takana villa) reikäpelti (takana huopa+villa)

30 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.30 Ilmavälin paksuuden vaikutus reikäkipsilevyillä 50 mm100 mm 400 mm 200 mm Resonanssitaajuus pienenee ilmavälin kasvaessa Oliva ym. 2010 00

31 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.31 Takakerroksen paksuuden vaikutus, paksut reikälevyt - takana ilma Rei'itetyn 13 mm kipsilevyn absorptiosuhteen riippuvuus ilmavälin paksuudesta, kun ilmaväli on tyhjä. Mittaustulokset saatu normaalilla tulokulmalla. Kipsilevyn takapintaan oli liimattu huopa (r=1183 Pas/m). (Lähde: Oliva et al. 2010)

32 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.32 Takakerroksen paksuuden vaikutus, paksut reikälevyt - takana villa Rei'itetyn 13 mm kipsilevyn absorptiosuhteen riippuvuus ilmavälin paksuudesta, kun ilmaväli on täytetty mineraalivillalla (  =18 kg/m3, r=9600 Pa·s/m2). Mittaustulokset saatu normaalilla tulokulmalla. Kipsilevyn takapintaan oli liimattu huopa (Rs=1183 Pas/m). (Lähde: Oliva et al. 2010)

33 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.33 Ohuet reikälevyt Levypaksuus alle 1 mm. Käyttäytyvät kuten paksut reikälevyt mutta valmistetaan useimmiten niin suurella reikäprosentilla, ettei heikennä taustalla olevan materiaalin absorptiokykyä Ohuita reikälevyjä käytetään parantamaan ulkonäköä, kulutuskestävyyttä ym. ominaisuuksia. Rei'itysprosentin ollessa yli 25 % ei reikälevy yleensä vaikuta absorptioon lainkaan Pienellä rei'itysprosentilla resonanssiominaisuudet tulevat esiin. Reikäkoolla ei paljon merkitystä ellei ole alle 1 mm

34 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.34 Rei'itysprosentin vaikutus, ohuet reikälevyt takana villa 00 Reikäpellin (paksuus 0.9 mm) rei'itysprosentin vaikutus sen takana olevan olevan jäykkää taustaa vasten asennetun mineraalivillan (d=50 mm,  =18 kg/m3, r=Pa·s/m2) absorptiosuhteeseen. (Lähde: Oliva et al. 2010)

35 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.35 Rei'itysprosentin vaikutus, ohuet reikälevyt takana ilma 00 Reikäpellin (paksuus 0.9 mm) rei'itysprosentin vaikutus kun reikäpellin takana on 50 mm ilmakerros. Normaalin tulokulman absorptiosuhde (Lähde: Oliva et al. 2010).

36 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.36 Mikroperforoidut levyt reikäkoko pienenee alle 1 mm kokoiseksi, jolloin reiän viskositeetti aiheuttaa kitkahäviöitä kuten huokoisissa materiaaleissa Mikrorei'itys mahdollistaa mm. läpinäkyvän absorbentin teon. www.microsorber.com

37 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.37 Monikerrosrakenteen mallintaminen KetjutusyhtälöAbsorptiosuhde Oliva & Hongisto 2012 Applied Acoust

38 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.38 Monikerrosrakenteen mallintaminen Kerrosten karakterististen ominaisuuksien määritys 1 Huokoinen materiaali impedanssi määritetään luvun 5.6.1 mukaan 2 Ilmakerros Karakteristinen impedanssi: –Z a =Z 0 =  0 c 0 =443 [kg/m 2 s]. Etenemisvakio: –  a =jk 0 [1/m]. 3 Rei'itetty tai rei'ittämätön levy paksuus d [m], reikähalkaisija a [m] Karakteristinen impedanssi Rei'ittämätön levy: levy määrää –Resistanssi R=0 Rayl –m' on levyn pintamassa [kg/m 2 ] Rei'itetty levy: reikien ilmamassa ja vastus määräävät: ν 0 =16.7·10-6 Ns/m2 Oliva & Hongisto 2012 Applied Acoust

39 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.39 Mineraalivillan mallinnustulos Oliva D, Häggblom H, Hongisto V, Monikerroksisten absorptiorakenteiden mallintaminen, Akustiikkapäivät 2009. 50 mm villa, 76 kg/m3 28000 rayl/m. 50 mm villa, 18 kg/m3, 9600 rayl/m + 150 mm ilmaväli

40 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.40 Reikälevyjen mallinnustulos Oliva D, Häggblom H, Hongisto V, Monikerroksisten absorptiorakenteiden mallintaminen, Akustiikkapäivät 2009. 0.9 mm rei'itetty pelti, reikähalkaisija 1.3 mm, rei'itysprosentti 1.3 % + 50 mm villa, 18 kg/m3, 9600 rayl/m3. 13 mm rei'itetty kipsi 12x12 mm, 19 %, huopa 91000 rayl/m + 200 mm ilmaväli.

41 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.41 Tilastollisen absorptiosuhteen mallintaminen Määritetään kulmariippuvasta absorptiosuhteesta  (  ): Huomattavasti monimutkaisempaa Mallit epätarkempia, koska mikään testilaboratorio ei anna "oikeaa mittaustulosta" Mitatun absorptiosuhteen arvo riippuu –mittaushuoneesta: tulokulmien jakaumat huomattavan erilaisia jopa kaiuntahuoneiden välillä (kaiunta, näytteen paikka, koko, muoto, diffuusius) –asennustavasta: reunat häiritsevät mittausta sitä enemmän mitä paksumpi näyte on

42 Sironta- kerroin Pinnat eivät heijasta kaikkea ääntä spekulaaristi Snellin lain mukaan Mitä pienempi kappale ja mitä epätasaisempi pinta sitä diffuusimpi heijastuskulma Sirontakerrointa tarvitaan huonetilojen akustisessa mallinnuksessa (säteenseuranta) Diffusorit hajottavat äänikenttää ilman, että absorboivat ääntä Diffuusiopintoja tarvitaan esitystiloissa Kuvat: Oliva 2006 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.42

43 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.43 Absorptiosuhteen mittaus, tilastollinen tulokulma Kaiuntahuonemenetelmä ISO 354 "virallinen" huoneakustiikka-tuotteiden testimenetelmä huomioi kaikki tulokulmat  huonetilavuus 150-250 m 3 kaiunnan oltava pitkä huonekosteus > 60 % näytekoko 10-12 m 2 arvot korkeampia kuin putkimenetelmällä mitatut arvot voiva olla yli 1 laskentamallit epätarkkoja

44 Absorptiosuhteen mittaus, tilastollinen tulokulma Kaiuntahuonemenetelmä ISO 354 Mittausepävarmuus Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.44 23 testilaboratorion Round Robin testi A: 15 mm kova huopa B: 50 mm pehmeä villa C: reikäkipsi Andersson, Forum Acusticum 2011

45 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.45 Absorptioluokitus EN 11654 Tilastollisesta absorptiosuhteesta (ISO 354) määritetään käytännön absorptiosuhde  p pyöristämällä 0.05 tarkkuuteen Verrattaessa käyrään, ei- toivottujen poikkeamien summa on korkeintaan 0,10 Tilastollinen absorptiosuhde

46 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Absorptio.46 Tilastollinen absorptiosuhde  st