Intelligent ljudisolering:Beräkningar av vibration av träpaneler med "svarta hål." Kredit:Empa
Forskning pågår för närvarande på Empa om en världsnyhet i ljudisolering av träbyggnader. Med hjälp av en fysikalisk teori från 1990-talet och digitaliseringens verktyg har en forskargrupp tagit fram nya golvelement av massiva träpaneler som har så kallade akustiska svarta hål. Idén kom från Stefan Schoenwald, chef för Empas Building Acoustics-laboratorium i Dübendorf. Han har stött på teorin om akustiska svarta hål flera gånger på konferenser och i vetenskapliga publikationer sedan den först publicerades 1987. Enligt den ryske vetenskapsmannen M.A. Mironov från Andreyev Acoustics Institute i Moskva kan en parabolisk fördjupning i ett material absorbera vibrationer som t.ex. ljud och låt dem få resonans – med andra ord, svälja dem. Akustiska svarta hål har redan använts i bilar och flygplan, där deras ljudreducerande effekt verkligen har bekräftats.
Men att tillverka dem med mycket tunna, hårda material är inte lätt. Varken inom träkonstruktion eller inom byggnadsakustik har experiment med Mironovs urtag någonsin ägt rum. Detta ändras nu av labbchef Stefan Schoenwald tillsammans med sin kollega Sven Vallely. De två forskarna vill använda nya korslaminerade träpanelelement för att förbättra stegljudsisoleringen i träkonstruktioner.
Precis som det finns ljudvågor i luften finns det ljudvågor i material, så kallade strukturburna ljudvågor. "När du träffar ett golv är det som att kasta en sten i en damm:Ljudvågor utbreder sig i alla riktningar i materialet", förklarar Schoenwald. När en linsformig fördjupning fräss ut ur materialet enligt en specifik matematisk funktion, vandrar ljudvågorna in i detta område. Under processen fortsätter amplituderna att förstärkas, medan svängningarnas våglängder minskar. "Om du kunde göra plattorna oändligt tunna i området för dessa fördjupningar, då skulle ljudvågorna faktiskt gå döda av sig själva i dessa "svarta hål", så ingenting skulle komma ut ur linsen," sa Schoenwald. Det var dock tveksamt om den ljuddämpande effekten också skulle uppstå med ett begränsat djup av urtaget – eftersom "oändligt tunna materialtjocklekar", som matematisk teori skulle kräva, inte är genomförbara i praktiken.
Den senaste datortekniken gör det möjligt
Idén att experimentera med akustiska svarta hål i träkonstruktioner fick Stefan Schoenwald medan han arbetade. Han bad sin kollega Vallely att simulera och beräkna den ljuddämpande effekten på datorn. För att få bort statiska farhågor ombads Andrea Frangi, en träbyggnadsexpert vid ETH Zürich, att göra sin bedömning. Inte bara var hans feedback lovande, utan även datormodelleringen av ljudreducering. Så Schoenwald beställde en prototyp och en normal kontrollpanel av samma material från träbyggarföretaget Strüby AG i Seewen. Med hjälp av en CNC-maskin fräste träkonstruktionsspecialisten Alex Bellmont där den linsformade ihåligheten ur en korslaminerad träpanel med dimensionsnoggrannhet. "En sådan här beställning är inte särskilt svår, men den är desto mer spännande för den", säger maskinisten, "Jag har aldrig gjort något som sedan undersöktes."
De två plattorna – en med, en utan akustiska svarta hål – utsattes för en vibrationsanalys på Empa. Vid denna mätning leds ljud in i testkroppen som en vibration över hela det relevanta ljudspektrumet. En laser mäter vibrationerna från testpanelerna i ett rutmönster på flera punkter. De uppmätta värdena kan sedan användas för att beräkna hur vibrationen rör sig genom plattan – och om de utfrästa bucklorna faktiskt "fångar" ljudet och får det att skingras i form av värme.
Bättre isoleringsprestanda med mindre vikt
För tio år sedan hade en sådan serie experiment inte varit genomförbar. Till och med modellering av vibrationer för ett litet bandbreddsområde var en avhandling när det gäller beräkningsansträngning. Idag beräknar Schoenwald och Vallely hela akustiska spektrumet på en eftermiddag och gör vibrationerna omedelbart synliga som en visualisering. Målet med experimentet är att undersöka om de simulerade resultaten motsvarar de uppmätta värdena. När allt kommer omkring, om datormodellen stämmer överens med verkligheten, kan alla möjliga parametrar ändras på datorn nästan kostnadsfritt, utan att man behöver göra en ny provskylt varje gång. På så sätt kan ljudreduktionen beräknas för träelement över hela världen utan tidskrävande experiment. Detta innebär att ljudreduktion kan optimeras för träelement av alla möjliga storlekar och geometrier utan tidskrävande experiment.
Resultat av testerna:De uppmätta värdena stämmer mycket väl överens med modellberäkningen. Stefan Schoenwald är mycket nöjd med en avvikelse på endast cirka 5 procent. Denna avvikelse kan förklaras av produktionen av skivorna och träets naturliga variation, tillägger Vallely. Nästa test med testpanelerna tillverkade i Seewen följer nu:"Vi arbetar för närvarande med stegljudsmätningarna, som vi genomför enligt internationella standardspecifikationer. Nästa steg är att bekräfta brandskyddet och strukturella egenskaper, " förklarar Schoenwald. Dessa ytterligare tester är avsedda att säkerställa att de korslaminerade träskivorna inte bara isolerar ljud åtminstone på standardmarknadsnivå, utan också erhåller alla nödvändiga certifieringar för användning i konstruktion.
Så fungerar det
Stefan Schoenwald beskriver hur styrelserna fungerar så här. "När jag isolerar stegljud måste jag ha tre egenskaper i åtanke samtidigt:komponentens massa å ena sidan, dess styvhet och dämpning å andra sidan. Styvhet och dämpning motsäger varandra - en mjuk komponent kan dämpas ja, en styv komponent mindre bra." Schoenwald ger ett exempel:"Klassiska massiva trätak är både lätta och styva - så två ogynnsamma egenskaper kombineras här." En möjlig utväg är att öka komponentens massa. I moderna trähus installerar därför arkitekter tjocka lager av grus för viktning. På så sätt är det mindre sannolikt att trätaken vibrerar om en vuxen går över dem eller ett barn studsar runt i hemmet.
Schoenwald och Vallely har ett annat förhållningssätt. "Vi gör trätaken extra mjuka på vissa ställen så att de kan vibrera extra kraftigt där. Vid dessa punkter dämpar vi specifikt vibrationerna med en liten mängd sand eller grus", förklarar Stefan Schoenwald. Samma material, nämligen grus, fyller här ett helt annat syfte:"I vårt fall är gruset inte där för viktning. Istället är det tänkt att det ska röra sig och omvandla vibrationer till värme genom sin inre friktion."
Resultatet:Ett trätak med akustiska svarta hål är mycket lättare än ett vanligt tak och dämpar ändå stötljudet mycket bättre. Den strukturellt fördelaktiga styvheten hos hela takkonstruktionen bibehålls. + Utforska vidare
