mechanizmy pohlcovania zvuku -...

Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Mechanizmy pohlcovania zvuku

Premena zvukovej energie na inú (tepelnú, mechanickú):

Premena kinetickej energie na tepelnú trením molekúl vzduchu v pórovitej látke

Relaxačné premeny – lokálna periodická zmena tlaku vzduchu vyvolá zahriatie vzduchu a následný prestup tepla do pohltivého materiálu

Nepružnou deformáciou

pohltivého materiálu – energia spotrebovaná na deformáciu predstavuje úbytok zvukovej energie.

Reálny pohltivý materiál – kombinácia týchto mechanizmov

Množstvo premenenej energie úmerné amplitúde akustickej rýchlosti – frekvenčná závislosť


Klasifikácia materiálov z hľadiska pohltivosti: málo (< 0.25) – stredne (<0.6) – vysoko (> 0,6)

Orientačné vlastnosti základných typov absorbérov

Fyzikálne vlastnosti pórovitých pohltivých materiálov:

Poréznosť Y – pomer objemov pórov VP k celkovému objemu materiálu VT: Y= VP / VT

Požadovaná poréznosť je Y > 0,6. Dobrý materiál 0,8 – 0,9.

Merná akustická impedancia ZM / pomer ak. tlaku p a ak. rýchlosti:

v

pXRZ MMM

[Pa.s.m-1]

v

M

A

A

M

R

R

R

R25,05,0

1

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2b/Typic_absorption.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2b/Typic_absorption.jpg


RM – merný akustický odpor

XM – merná akustická reaktancia

Úplná pohltivosť ak hodnota RM je rovná vlnovému odporu vzduchu ( . c = Ra 416 Pa.s.m-1 )

Odpor proti prúdeniu vzduchu: [Pa.s.m-3]

Kde: p je rozdiel tlakov pred/za materiálom

u.S – objemová rýchlosť prúdiaceho vzduchu kolmo na plochu S.

Veľkosť Rp závisí na štruktúre materiálu, poréznosti.

Činiteľ štruktúry – definuje štruktúru látky, vždy > 1.

Typ termodynamických procesov v materiále n – definuje ako dochádza k okamžitej výmene tepla pri pohlcovaní:

Pomalé zmeny tlaku (nízke ak. frekvencie) – izotermický dej, teplo sa odovzdáva. n= 1

Rýchle zmeny tlaku – teplo sa nestihne odovzdať – adiabatický dej. n= 1,4

Úzka oblasť stredných frekvencií – polytropicky. 1,4 > n > 1

Materiál: čadičová vata, minerálna vata, molitan, heraklit.

Su

pRp

.


Meranie pohltivosti materiálu: Kundtova impedančná trubica:

Dvojica tlakových mikrofónov, vyhodnocuje sa rozdiel tlakov s použitím prenosových funkcií prostredia a materiálu

Predpokladá sa šírenie postupnou rovinnou vlnou

Akustický tlmiaci obklad na pevnej stene

Pevná stena – uzol akustickej rýchlosti (nulová rýchlosť)

Prvá kmitňa vo vzdialenosti /4

Frekvenčne závislá pohltivosť, maximum pre: c – rýchlosť šírenia zvuku

d – hrúbka obkladu

(d = 10 cm, f 850 Hz)

d

cf

4max

d

cf s

10

max.10 f

ch


Príklad: Absorbčná platňa Eurofoam SOOO

Typ /125 Hz /250 Hz /500 Hz /1000 Hz /2000 Hz /4000 Hz

S000-030 0,036 0,091 0,19 0,52 0,88 0,94

S000-150 0,53 0,81 0,90 0,96 0,97 0,99

Nevhodné pre nízke frekvencie Musí byť použitá dostatočná hrúbka obkladu Jednoduchá montáž


Selektívne potlačenie frekvenčného pásma

Umiestenie tenkého pohltivého materiálu do vzdialenosti a = /4

Pohlcovaná základná frekvencia a nepárne násobky /4

Pohlcovanie zvukovej energie

rezonanciou Dopad akustických vĺn na mechanický rezonátor vynucuje kmitanie rezonátora. Pri zhode frekvencie rezonátora a budiacej energie „odsávanie“ energie a vybudenie kmitov rezonátora. Kmitajúca membrána Analógia závažia na pružine – poddajnosť pružiny poddajnosť vzduchovej vrstvy

Hrúbka membrány 0

Malá ohybová tuhosť, piestový pohyb membrány s malým rozkmitom

- merná hmotnosť vzduchu (1,21 kg.m-3)

S – plocha membrány [m2] m – hmotnosť membrány [kg]

d – hrúbka vzduchovej medzery [m]

pre vzduch:

dm

Scf

.

.

2

dm

Sf

.60


( S = 1 m2, m = 1 kg, d = 10 cm, f = 190 Hz napr. novodur 1450 kg.m3) Potlačenie nízkych frekvencií vyžaduje veľkú hmotnosť membrány Vyplnenie časti vzduchovej vrstvy pohltivým materiálom – zníženie kvality – rozšírenie potláčaného frekvenčného pásma – nesmie brániť kmitaniu membrány Kmitajúca doska (rozmery a x b, hrúbka dosky h [m]) Tuhosť dosky podstatne vyššia ako poddajnosť vzduchovej vrstvy Kmitanie v 2D priestore – okrem základného módu 0,0 aj vyššie módy (0,1; 1,0; 1,1…)


2

32242

,112

..

.

..

.2

1

hE

b

q

a

p

m

S

dm

cSf qp

E- Youngov modul pružnosti použitého materiálu m – hmotnosť dosky

p, q = 0, 1, 2... módy kmitania

- merná hmotnosť vzduchu (1,21 kg.m-3)

- Poissonovo číslo materiálu (pomer deformácie v priečnom/pozdĺžnom smere, korok = 0,

betón = 0,2 guma = 0,5 ...)


Výkonovo dominantný mód je 0,0. Pri zjednodušení stačí použiť vzťah pre membránu. Príklad: Sádrokartón hrúbka 12,5 mm, 12 kg.m-2, okno 3 mm

Typ /125 Hz /250 Hz /500 Hz /1000 Hz /2000 Hz /4000 Hz

Rigips 0,29 0,1 0,05 0,04 0,07 0,09

Okno 0,35 0,25 0,18 0,12 0,07 0,04


Helmholtzov rezonátor

Najstarší typ akustického absorbéra (Grécko, vázy,.....) Sériový rezonančný obvod tvorený akustickou poddajnosťou (dutina s objemom V má poddajnosť C) a akustickou zotrvačnosťou (hrdlo s plochou S a dĺžkou L, hmotnosť vzduchu m) Piestový pohyb vzduchu s objemom S.L korigovaný o spolukmitanie molekúl pred/za hrdlom, efektívna kmitajúca dĺžka stĺpca:

SLLef 8,0

Nízke tlmenie rezonátora, Ra 0, rezonančná frekvencia:

Vplyvom ak. odporu Ra sa zníži kvalita a rezonančná frekvencia:

2

.2.

1

.2

1

a

a

aa

rM

R

CMf

Kde je akustická hmota kmitajúceho vzduchu

2.c

VCa

akustická poddajnosť dutiny

S

L

S

mM

ef

a

.2

VL

Sc

Vm

Scf

ef

r.2.2

.


c

fRa

2. akustický odpor.

Nezatlmený rezonátor – vysoká kvalita, ale astabilita, dokmitávanie

Kvalita závisí na pomere Ma / Ca a R

Tlmením sa znižuje kvalita a absorber je širokopásmovejší

3

0 .2

S

LV

R

MQ

efa

Najčastejšie riešenie – perforovaný panel

baStot .

n

Shh r

ef 8,0

ef

rhd

cf

.2

tot

r

S

S

n

nr SS


Na frekvenciách mimo pohlcujúcu oblasť odraz – záleží na povrchovej úprave absorbéra

Hodnota > 0,15 – prestáva rezonančný efekt v prospech plošného absorbéra

Kombinované systémy - radenie absorbérov za sebou do kaskády

Praktické príklady absorbérov na princípe „Helmholtz“

Kazetové podhľady OBIFON

Odsadenie od steny d = 50 mm, 50 mm výplň

Typ Otvor [mm]

[%] /125

Hz

250 Hz 500 Hz 1 kHz 2 kHz 4 kHz

D2-16R 2 1.2 0.75 0.75 0.35 0.1 0.1 -

D2-16D 2 2.5 0.70 1,0 0.70 0.25 0.1 -

D4-32D 4 2.4 0.65 0.80 0.60 0.1 0.05 -

D6-32D 6 5.5 0.6 0.95 0.85 0.6 0.3 -

D8-32D 8 9.8 0.55 0.9 1 0.75 0.50 -


Rigiton RL15-30

Priemer otvorov: 15 mm

Vzdialenosť otvorov: 30 mm

Percentuálny podiel otvorov: = 19,6%


Závislosť na veľkosti vzduchovej medzery a tlmenia

medzera Tlmenie /125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz

50 mm –- 0,15 0,23 0,62 0,87 0,53 0,27

200 mm –- 0,45 0,69 0,90 0,53 0,48 0,33

200 mm 50 mm 0,60 1,0 1,0 0,85 0,71 0,50


Rigiton 8 -15-20

Priemery otvorov 8 mm, 15 mm, 20 mm – nepravidelné dierovanie

Percentuálny podiel otvorov: = 6%


50 mm –- 0,15 0,40 0,68 0,55 0,23 0,06

200 mm –- 0,45 0,75 0,64 0,40 0,22 0,12

200 mm 50 mm 0,60 0,73 0,67 0,52 0,30 0,18

Rigiton Line 4

Štrbinové výrezy 6/9 x 95 mm

Percentuálny podiel otvorov: = 18 %



45 mm –- 0,18 0,30 0,65 0,80 0,55 0,40

45 mm 50 mm 0,38 0,65 0,90 0,85 0,65 0,60

100 mm 75 mm 0,70 0,95 0,85 0,70 0,60 0,55

185 mm – 0,50 0,60 0,62 0,60 0,60 0,60


Akustické telesá:

Priestorové geometrické útvary zavesené individuálne alebo v skupinách v miestach zdrojov hluku

Kocka/ihlan/kváder vyplnený pohltivým materiálom: veľká plocha vzhľadom k rozmerom

Vysoký činiteľ pohltivosti už od nízkych frekvencií

Zvyšovanie absorbčného efektu kombináciou telies – vďaka ohybu vĺn môže byť absorbčný činiteľ tesne pod/nad hodnotu 1

Typ 40x40x40 60x60x60

Sabine/125 Hz 0,31 0,97

/250 Hz 0,88 1,96

/500 Hz 1,22 2,56

/1000 Hz 1,22 2,56

/2000 Hz 1,17 2,36

/4000 Hz 1,06 2,34


Jednotky pohltivosti v ktorých udávajú výrobcovia absorbčné parametre

Činiteľ pohltivosti (0....1)

Činiteľ pohltivej plochy Sabin (štvorcové stopy, 0,093 m2)

Činiteľ pohltivej plochy Sabin (štvorcové metre).

Noise Reduction Coefficient, NRC: merajú sa absobčné koeficienty vo štyroch pásmach šírky 1/3 oktávy so stredovými frekvenciami 250, 500, 1000 a 2000 Hz. Aritmetický priemer týchto hodnôt zaokrúhlených na n x 0,05 sa udáva ako NRC (ASTM 423 90a).

Vážený absobčný koeficient , Alpha w: Merané hodnoty absobčných koeficientov vo štyroch pásmach šírky 1/3 oktávy so stredovými frekvenciami 250, 500, 1000, 2000 a 4000 Hz sa konvertujú do oktávových pásiem a vynesú do grafu. Hodnoty sa porovnávajú s referenčnou krivkou a vyjadrujú sa v násobkoch n x 0,05 (EN ISO 11654).


Úprava (znižovanie) doby dozvuku v uzatvorenej miestnosti

TSS

VT

.

164,0

.

.164,0

absnewabs

newSSS

VT

..

.164,0

ST

V

TTV

S

new

new

abs

.

.164,0

11..164,0

mechanizmy pohlcovania zvuku -...

Documents