Laivamelu MELU JA RUNKOÄÄNET Peruskäsitteitä melusta Dieselmoottorin runkoääniheräte ja joustava asennus Ilmaäänet ja niiden vaimentaminen Laivojen melutasot ja niiden alentaminen

Melu Ääni on ilmanpaineen vaihtelua, jonka ihmisen korva aistii. Melu on ääntä, joka voimakkuuden, sävyn, keston tai muun syyn takia koetaan häiritsevänä. Subjektiivista! Nimitys ilmaääni (air born sound) korostaa äänen etenemistä ilmassa pitkittäisenä aaltoliikkeenä. Pitkittäinen aalto esiintyy muissakin väliaineissa, esim. vedessä. Runkoääni (structure born sound) on äänitaajuista värähtelyä, joka etenee rakenteissa varsinkin poikittais-aaltona. Se säteilee tapauksesta riippuen ilmaääntä.

Melu Yleensä äänet sisältävät monia taajuuksia ja aika-akselilla esitettynä näyttää kaoottiselta. Kuitenkin korva erottaa yliäänet ja tunnistaa lähteen: soittimen, koneen, puhujan.

Ilmanpaineen mitattua vaihtelua ajan funktiona

Taajuus Painevaihtelun taajuus kuullaan äänen korkeutena. Tässä käytetään logaritmista asteikkoa. Oktaavia ylempi ääni merkitsee taajuuden kaksinkertaistumista. Perusäänen intervalleista oktaavi ‘soi kauniisti’. Kauniisti soivat myös terssi ja kvintti. Soittimille on ominaista, että perusäänen ohella soi muita värähtelevän kielen ominaistaajuuksia ja kaikupohjan korostamia intervalleja. Häly ja muu häiritsevä ääni sisältävät ‘rumia’ intervalleja. Useimmat sisältävät satoja taajuuksia. Puhdas taajuus syntyy yleensä keinotekoisesti, esim. sähköinen piippaus. Taajuusanalyysi näyttää koordinaatistossa yhtä kaoottiselta kuin histogrammi.

I1 = 20 Log10 (I/Io) ; jossa Io 0 dB on 10-12 W/m2 Äänenvoimakkuus Myös paineen amplitudi (äänenvoimakkuus) esitetään logaritmisella SPL- (Sound Pressure Level) asteikolla, L1 = 20 Log10 (p/po) ; jossa po 0 dB on 20 Pa Painetason kaksinkertaistuminen vastaa 3 dB lisäystä, 10-kertaistuminen 10 dB lisäystä. Äänen intensiteetti esitetään myös logaritmisella (Sound Intensity Level) asteikolla. I1 = 20 Log10 (I/Io) ; jossa Io 0 dB on 10-12 W/m2

Io = 10-12 W/m2 po = 2 10-5 Pa uo = 2 10-9 m/s Standardit Äänen intensiteetin referenssitaso Io = 10-12 W/m2 Äänenpaineen referenssitaso po = 2 10-5 Pa Värähtelynopeuden referenssitaso uo = 2 10-9 m/s

Soivan kielen ominaistaajuus Pelkkä kieli ilman aksiaalista jännitystä. EI sekä m/l ovat vakiot. Kokonaispituus L ω1 = π2 √ (EI/mL4) ω2 = 4 π2 √ (EI/mL4) ω3 = 9 π2 √ (EI/mL4)

Natural frequencies of a vibrating spring Pure spring without axial tension. EI and m/l are constant. Length L. ω1 = π2 √ (EI/mL4) ω2 = 4 π2 √ (EI/mL4) ω3 = 9 π2 √ (EI/mL4)

Ilmaäänet Välitön kuulovaurio uhkaa Suihkumoottori 5m päästä 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Ilmaäänet Välitön kuulovaurio uhkaa Suihkumoottori 5m päästä ‘Safe labour’ raja 8 h / päivä Lp dB re 20 Pa Henkilöauto 120 km/h nopeudella Hiljainen huone-tila yöaikaan Kuulo-kynnys 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Ilmaääni ‘nolla’-taso Lp dB re 20 Pa 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Ilmaääni ‘nolla’-taso Lp dB re 20 Pa Painotuskäyrä dB(A) weighting curve =‘A-filter’ Kuulo-kynnys 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Ilmaääni Lp dB re 20 Pa Painotuskäyrä dB(A) weighting curve =‘A-filter’ Naisen puheääni Miehen puheääni Kuulo-kynnys 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Ilmaääni Noise rating NR standardikäyrät: lukema 5dB alempi kuin dB(A) 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Ilmaääni Noise rating NR standardikäyrät: lukema 5dB alempi kuin dB(A) Lp dB re 20 Pa NR 50 dB(A) painotus = ‘A-suodatin’ Kuulo-kynnys 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Tyypillinen melun taajuusspektri Lopputulos riippuu analyysikaistan leveydestä. Tutkimuksissa käytetään oktaavin lisäksi 1/3-oktaavia, 1 Hz ja sitäkin kapeampaa kaistaleveyttä. Lp dB re 20 Pa 120 110 100 90 80 70 60 50 Jopa tällaisesta ääninäytteestä ihmiskorva voi tunnistaa laitteen tai puhujan. 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Tyypillinen melun taajuusspektri Standardisoitu taajuussuodatin näkee vain oman oktaavikaistansa äänet ja laskee geometrisellä yhteenlaskulla oktaavikohtaisen dB-lukeman. Lp dB re 20 Pa 120 110 100 90 80 70 60 50 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Melun peruskäsitteitä 1 ETÄISYYDEN VAIKUTUS VAPAASSA KENTÄSSÄ (free field) Melunlähde ei ole pistemäinen, siksi on etäisyyden vaikutus pienempi äänilähteen lähellä 1m 2m 4m 8m dB 100 94 88 82 Lähellä seinämää kaiku (echo) kohottaa äänitasoa. Jälkikaiunta (reverberation) riippuu seinämän ja koko tilan pintojen absorptiosta. Free field = vapaakenttä Lähialue Kaiku-alue

Melun peruskäsitteitä 2 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 YHTEENLASKU 100dB 103dB 2 4 6 8 Erotus dB

Melun peruskäsitteitä 3 6 5 4 3 2 1 TAUSTAMELUN EROTUS 100dB 93dB 99dB 2 4 6 8 Erotus dB

dB(A) – lukema saadaan summana dB(Lin) –lukema on laskusäännön mukaan yksittäisten oktaavikaistojen lukemien summa. dB(A)-lukemaa varten ne painotetaan A-suodattimen mukaan Lp dB re 20 Pa 120 110 100 90 80 70 60 50 summaksi tulee 111 dB(Lin) ja 109 dB(A) dB(A) painotus-käyrä ‘kuulee herkimmin’ turboahtimen 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Laivamelu Useita melunlähteitä. Päämoottorit ja potkuri hallitsevat. Konehuoneen melutaso 95 … 105 dB(A). A60 eristää hyvin ilmaääntä: laipion takana 45 … 60 dB alempi taso  no problem. Runkoääni vaatii huomiota: Teräksellä huono vaimennus 100 … 400 Hz taajuuksilla. Siksi keskinopeat moottorit asennetaan joustavasti. Hidaskäyntiset eivät sitä tarvitse. Yleinen meluntorjuntasuunnitelma tehdään ennen kuin päätetään vaimennusratkaisut. Dieselmoottorien lisäksi moni muu äänilähde vaikuttaa melutasoon. Järkevä yleisjärjestely = suunnitelman ensimmäinen kohta

Dieselmoottorin ilmaääni Mitattuna 1 m etäisyydellä moottorista täydellä teholla Lp dB re 20 Pa 120 110 100 90 80 70 60 50 1000 rpm moottori W46 RTA76 dB(A) painotus-käyrä ‘kuulee herkimmin’ turboahtimen 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Muiden laitteiden ilmaääniä Mitattuna 1 m etäisyydellä nimellisteholla Lp dB re 20 Pa 120 110 100 90 80 70 60 50 Apudiesel-moottori Isotehoinen keskipakois-puhallinen Mäntä-kompressori Hydrauli-pumppu-yksikkö 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Runkoääni on siis rakenteen värähtelyä kuulotaajuudella Runkoäänitaso Runkoääni on siis rakenteen värähtelyä kuulotaajuudella Nopeustaso mitattu moottorin rungosta nimelliteholla ja -nopeudella LV dB re 5 10-8 m/s (jos re 2 10-9 m/s, lisää 31 dB lukemiin) 110 100 90 80 70 60 50 ZA40S WV46 RTA76 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Tärinän eristäminen  = Alustaan välittynyt voima suhteessa herätevoimaan 10 1.0 0.1 0.01 0.001 0.0001 R = 50 R = 100 R = moottorin massa / joustavan elementin massa R = 250 1.0 2.0 10 20 100 200 Taajuussuhde

Perinteinen dieselmoottorin joustava asennus Käyttäen moottorin pituista välialustaa! C.O.G. of engine and raft Centre of support reactions Crankshaft CL Engine bolted to raft Intermediate raft Sandwich rubber element engine Steel chocks or cast resin chock Reamed bolts to the foundation Girder beam

Uudentyyppiset joustavat asennustavat Kallistettuun kumiin saadaan edullinen leikkausmuodonmuutos. Kumielementit ovat lujat. Rajoitin on tarpeen vain putkien suojaksi. Voidaan käyttää myös teräsjousta tai vaakasuoraa. Kuvan bolted-on elementeissä yhdistyy joustoelin ja rajoitin. Diesel-moottorin runko Sandwich-kumielementit vulkanoitu teräs-kappaleisiin Perustus

Joustavat asennustavat Kumin viruminen (laskeuma, ‘creep’) ajan mukana pitää ottaa huomioon kytkimen linjauksessa ja putkistoissakin. Creep, mm Esim. 15mm laskeuma 2 päivässä Aika, logaritminen asteikko

Joustavasti asennetun moottorin liikkeet Voimanottokytkin, pakoputki ja kaikki putkiliitokset mitoitettava näiden mukaan Turboahdin värähtelee + 0.3 mm käynnin aikana. Jopa + 15 mm käynnistyksessä ja pysäytyksessä Vauhtipyörä värähte-lee + 0.1 mm käynnin aikana. Jopa + 5 mm käynnistyksessä ja pysäytyksessä

Joustava asennus Pure rolling Pure transversal Combined 1 Combined 2 Yawing Joustavasti ripustetulla jäykällä kappaleella (moottori) on 6 ominaismuotoa ja 6 -taajuutta. Niitä voidaan muutella (kumi-) elementtien jäykkyydellä, sijoituksella ja kallistuskulmalla. Puhtaiden muotojen sijasta ne ovat käytännössä yhdistettyjä! Axial Pitching Transversal Vertical Rolling Pure rolling Pure transversal Combined 1 Combined 2

Joustava asennus 100 150 200 250 300 350 rpm Moottorin käyntinopeus Moottorin heräte ei normaalikäyttönopeuksilla saisi osua ominaistaajuuksille. Normaalisti kertalukujen 0.5, 1, 2 heräte on kuitenkin merkityksetön. Rolling saavuttaa suuret liikkeet moottorin startissa ja pysäytyksessä. Elementtien kulma muuttaa ominaistaajuuksia (90 ast. = vaakasuorat palat) Kallistuskulma ast. 35 40 45 50 Axial Transversal Vertical Yawing Pitching Rolling Kertaluvun 0.5 heräte Kertaluvun 1 heräte 100 150 200 250 300 350 rpm Moottorin käyntinopeus

Joustavan asennuksen hyöty Tyypillinen hyöty 25dB Runkoäänitaso mitattuna koneen rungossa ja perustassa LV dB re 5 10-8 m/s 110 100 90 80 70 60 50 40 Joustavasti asennettu moottori Jäykästi asennettu moottori Laivan puolella joustavasti asen- netun moottorin tapauksessa 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Ilmaäänitaso 1000 rpm moottori W46 RTA76 Mitattuna 1 m etäisyydellä Lp dB re 20 Pa 120 110 100 90 80 70 60 50 1000 rpm moottori W46 RTA76 RTA76 Pakoputkesta 15m päässä 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Ilmaäänitaso matkustajalaivan hyteissä Lp dB re 20 Pa 100 90 80 70 60 50 40 30 Huono hytti 62 dB(A), NR 60 Hyvä hytti 48 dB(A), NR 45 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Oktaavikaistan keskitaajuus Hz

Melun eristäminen TIIVIS KOTELOINTI Väliseinän laatu 6 mm teräs - “ -, 50 mm mineraalivilla 1+1 mm, - “ - välissä kaksoispaneli ilmaraolla Nämä tulokset edellyttävät ilmatiivistä rakennetta! Ulkopuolella Lp 50 dB 45 dB 75 dB 58 dB Sisällä Lp 100 dB

Epätiivis kotelointi Kun tuuletuksen tms. takia vaaditaan aukkoja, tarvitaan labyrintti, jonka villalla (ja reikälevyllä) vuoratut pinnat tappavat ulospyrkivän äänen. Sisällä Lp 100 dB Ulkona Lp 75 dB, ilman labyrinttiä 95 dB Yksinkertainen äänimuuri on varsin tehoton, sen ympäri kiertävät erityisesti matalataajuiset äänet.

Ilmaääneneristysindeksi Ia määritetään mittamaalla 1/3-oktaavikaistoin lähde- ja vastaanottotilojen ilmaäänitasojen erotus. Korjaus kaikuvuuden ja väliseinän pinta-alan mukaan. Tulosta verrataan referenssikäyrään, niin että ’negatiivisten poikkeamien summa ei ylitä raja-arvoa eikä suurin yksittäinen ylitä rajaa. Rerefenssikäyrän muoto on kehitetty käytännön tarpeisiin. Lähdehuone Lp dB Vastaanotto-huone Lp dB alue 31,5 ... 3200 Hz

Runkoäänen eristäminen Laivan teräsrungossa 250 Hz taajuudella 4 dB/kansi 92 dB 0.7 dB / kaariväli Matala 100 Hz ääni ‘kuolee’ 50 % hitaammin, korkea 1000 Hz ääni taas 100 % nopeammin kuin esimerkin 250 Hz ääni 96 100

Melutaso ulkolaidan hyteissä dB(A) Itämeren autolautassa Jäykästi asennetut päämoottorit. Nykyinen standardi (2000+) tuottaa alempia melutasoja ravintoloissa ja pahimmissa hyteissä 65 60 55 60 65 65 60 55 50 45 dB Sisälaivan suunnassa seuraava hytti on 2 … 5 dB hiljaisempi.

Melutaso matkustajalautan alemmilla kansilla Jäykästi asennetut päämoottorit. Nykystandardi tuo alempia tasoja ravintoloissa ja pahimmissa hyteissä dB(A) Pumppu-huone Varasto (terässeinät) Hyttiosasto (huono taso) 90 95 105 90 80 62 85 95 65 85 57 Peräsinkone-huone Kone-valvomo Työpaja Osaston keskellä oleva hytti (huono standardi)

Melutaso matkustajahyttikannella (ravintoloiden alla) Jäykästi asennetut päämoottorit. Nyky-standardilla alemmat tasot ravintoloissa ja pahimmissa hyteissä dB(A) 50 48 67 65 67 64 55 65 63 65 57 52 48 46 50 Hallitsee potkurienmelu Hallitsee pää-moottorien melu Hallitsee ilmastointimelu