Numerisk beregning av lavfrekvent lydtransmisjon gjennom vegger.: Sammenlikning av måledata og beregninger.

Abstract

Lavfrekvent lyd fra kampfly, militære øvelser og sprengninger brer seg effektivt over store avstander og kan oppfattes langt unna kilden. I tillegg til innendørs støy genererer slike lydkilder skrangle- og knirkelyder (eng. rattling ) og vibrasjoner i gulv, vegger og tak. Det innvendige lavfrekvente lydtrykket fra luftlydstransmisjon er den dominerende drivkraften for gulvvibrasjoner i typiske norske trehus. Dermed vil tiltak som øker den lavfrekvente lydisolasjonen gi reduserte gulvvibrasjoner i tillegg til en reduksjon i lavfrekvent innendørs lydnivå.En litteraturundersøkelse viser at det analytiske teorigrunnlaget for dobbeltveggers lavfrekvente lydisolasjon og tidligere arbeider på dette området er begrenset. Det er funnet svært få publikasjoner som tar for seg dobbeltveggers lydisolasjon ved hjelp av elementmetodeberegninger og de få som gjør det har ikke sett på det stivhetsstyrte området ved svært lavfrekvenser.I denne oppgaven er åtte vegger laboratoriemålt, med fem ulike veggkonstruksjoner og tre forskjellige vinduer montert i samme veggkonstruksjon. Den lavfrekvente lydtransmisjonen er forsøkt redusert ved å øke veggstivheten med påfôrede tynnplateprofiler med et åpent tverrsnitt, montert både stående og liggende. Det er også montert liggende akustikkprofiler for å redusere koblingsstivheten mellom veggsidene. Måledata for liknende vegger fra en tidligere måleserie er også benyttet.Målingene viser at laboratoriets rommoder har stor påvirkning på veggens lydtransmisjon, men at også veggenes egenfrekvenser er styrende for lydisolasjonen i det stivhetsstyrte frekvensområdet. Sammenfallende rommoder og egenfrekvenser antyder at effekten er større når disse kobler.Som en basisvegg er det benyttet et 48x148 mm bindingsverk i tre med utvendig kledning av 9 mm gips og innvendig kledning av 15 mm liggende trepanel med not og fjær. Lydisolasjonens forløp stemmer bra med hva som skisseres i litteraturen. Isolasjonen avtar med økende frekvens i området under og rundt veggens egenfrekvenser, mens den øker i frekvensene over dette. I 1/3-oktaver er det også et tydelig dykk som passer med typisk forløp rundt veggens hulromsresonans. I smalbånd er ikke denne synlig ved en enkeltfrekvens, men det kan se ut til at effekten er smurt over flere frekvenser. Det er også mulig at rommodene overstyrer hulromsresonansen.Basisveggens innfestingsstivhet er økt ved å endre veggens innfesting i laboratoriet fra én til to skruer c/c 60 cm. Dette endrer ikke veggens egenfrekvenser og gir en bedring på omtrent 2 dB i lydisolasjonen for nesten alle 1/3-oktavbåndene over 100 Hz. Liggende akustikk- og tynnplateprofiler gir samme lydisolasjon i frekvensene opp til 50 Hz-båndet, mens tynnplateprofilene faktisk resulterer i bedre isolasjon i frekvensene over dette. Med de liggende akustikk- og tynnplateprofilene svekkes den stivhetsstyrte lydisolasjonen, mens den er uendret når profilene monteres stående. Målingene viser at både lydtransmisjonen og vibrasjonsoverføringen i koblingen mellom veggsidene reduseres betraktelig i frekvensene over 70 Hz med akustikk- og tynnplateprofiler montert. Det åpne tverrsnittet er en mulig årsak til hvorfor isolasjonen ved de laveste frekvensene ikke økes med tynnplateprofilene montert og lukkede tverrsnitt foreslås som et mulig bedre tiltak for å øke isolasjonen i dette frekvensområdet.Målingene viser at vinduene påvirker lydisolasjonen i alle frekvensene over 16 Hz-båndet og at en vinduskonstruksjon bestående av to vinduer med separate karmer har mye høyere lydreduksjon enn enkle vinduer. Effekten av vinduene er størst ved høye frekvenser.Tre vegger er modellert i elementmetodeprogrammet COMSOL Multiphysics og toveiskoblingen mellom luft og struktur er inkludert med pakken Acoustic-Soild Interaction. Veggens faktiske oppbygging er modellert, i motsetning til det meste av tidligere arbeider hvor veggkonstruksjonene forenkles som fritt opplagte isotrope eller ortotrope plater. I denne rapporten er beregningene gjort for 10-100 Hz og er sammenliknet med målinger også i stivhetsstyrt område, noe som ikke er funnet i andre publikasjoner. Mens de fleste tidligere publikasjoner kun ser på lydtrykket tar dette arbeidet også for seg veggvibrasjonene. Den faktiske høytaleren er ikke forsøkt modellert og en plan bølgeavstråler med avstrålt lydtrykk på 1 Pa ved kildeflaten i alle frekvenser er brukt som lydkilde. På grunn av forskjellen mellom lydkilden i beregning og måling er lydtrykk og vibrasjoner angitt relativt til lydtrykket i senderrommets hjørnemikrofon og en grunnleggende antakelse er at både akustikken og strukturmekanikken er lineær. Treverket er angitt som isotropt og tynnplateprofilene som massive tverrsnitt med ekvivalent stivhet og masse. Veggens innfesting i laboratoriet og koblingen mellom de ulike konstruksjonsdelene er modellert som flatefjærer med frekvensuavhengig hysteresedempning og fjærstivhet.Med disse forenklingene er det oppnådd bra samsvar mellom beregninger og målinger for både lydtrykk og veggvibrasjoner i frekvensdomenet og det viser seg at veggens innfesting i laboratoriet er bedre representert med fjær og demper enn med fritt opplegg. Frekvensavhengig dempning, anisotropt treverk og modellering av tynnplateprofilenes faktiske geometri med for eksempel plateelementer trekkes frem som mulige tiltak for å forbedre modellens samsvar ytterligere.Kledningen av liggende trepanel med not og fjær er modellert på tre ulike måter; som en isotrop plate, med frie kanter mellom panelbordene og med panelbordene koblet sammen med fritt opplegg. Best samsvar er oppnådd når panelet tilnærmes som én hel plate.Mobilitetsmålinger med punkteksitasjon for en stender i bindingsverket uten kledningen montert viser at disse oppfører seg tilnærmet som fritt opplagt. Stenderne er derfor fritt opplagte i beregningsmodellen.Sammenlikning mellom målinger og beregninger viser at modellen kan brukes til å estimere effekten av lydisolasjonstiltak. På grunn av ekstremalavvik særlig ved dykk stemmer resultatene bedre i smalbånd enn i 1/3-oktaver.Beregninger med analytiske formler viser at også disse gir et forholdsvis godt overordnet samsvar. Avviket er noe stort i stivhetsstyrt område, men her er målingene i stor grad påvirket av rommodene. Det tas ikke hensyn til rommodene i de analytiske formlene, slik den numeriske modellen gjør.