Épületakusztika Horváth Tamás építész, egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem, Győr Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék 1
Épületakusztika Akusztika: A hang, és általában a rezgések tudománya. Görögből: akuein hallani. Igen széles tudományterületet ölel fel, néhány szokásos szakterületi elnevezés: épületakusztika, teremakusztika, városépítési akusztika, numerikus akusztika, fizikai akusztika, zenei akusztika, pszichológiai akusztika, elektroakusztika, nemlineáris akusztika, áramlástani akusztika, gépészeti akusztikai stb. Épületakusztika: Építészeti-, épületszerkezeti megoldásokkal akadályozni az épületen belül keletkező zaj terjedését más helyiségekbe vagy kisugárzását a környezetbe, illetve a külső környezeti zaj behatolását az épületbe. 2 Csott Róbert: Épületakusztika (Épületfizika II.) Debrecen 2010.
Az akusztikai tervezés céljai Az épületek rendeltetésszerű használatának egyik feltétele OTÉK IV. fejezet Az építmények létesítési előírásai Általános előírások 50. (3) Az építménynek meg kell felelnie a rendeltetési célja szerint e) a zaj és rezgés elleni védelem, alapvető követelményeinek, és a tervezési programban részletezett elvárásoknak. Akusztikai terhelés Emberi tevékenységek hangjai Gépek működésének hangjai Közlekedés zaja Épületgépészeti rendszerek zaja Technológia zaja Különböző szintű funkcionális igényszintek Lakóépület, irodaépület, iskolaépület, ipari épület stb. Akusztikai tervezés céljai, hogy a külső és a belső forrásból származó hangjelenségek erőssége egy bizonyos, még elfogadható mérték alatt maradjon teremakusztika: előadó-, színház- és hangversenytermek tervezése 3 http://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=99700253.kor
Az akusztikai tervezés céljai Zajforrások: Közúti közlekedés zaja Vasúti közlekedés zaja Légi közlekedés zaja Gépészeti berendezések (külső és saját) Belső funkciók zajai (üzletközpont, mozi, parkolóház, iroda, szálloda stb.) 4 Dr. habil. Reis Frigyes: Épületakusztika építészeknek, előadás
Akusztikai feladatok megoldása Cél: A rendeltetésszerű épület-, helyiségés környezethasználat akusztikai feltételeinek létrehozása. Ehhez: Azonosítani kell a zajforrásokat és zaj ellen védendő területeket. Számszerűsíteni kell a környezet akusztikai minőségét. Számszerűsíteni kell az épületszerkezetek akusztikai tulajdonságait. Meg kell határozni, hogy mi a megfelelő. Tervezési módszereket kell bevezetni. Biztosan jó megoldásokat kell kidolgozni. 5 Reis Frigyes: Az épületakusztika alapjai Épületek akusztikai tervezésének gyakorlata. TERC Kiadó, Bp. 2003.
Akusztikai döntések az építészeti tervezésben Tudatosan vagy ösztönösen, de az építész dönt: Az épület környezetbe illesztésekor meghatározzuk, hogy a homlokzati szerkezeteket milyen mértékű és jellegű zajterhelés fogja érni. Az alaprajz kidolgozásával az épületen belüli zajforrások és a zajtól védendő területek helyét. A szerkezetválasztás során meghatározzuk az épületszerkezetek hangszigetelési paramétereit. 6
Akusztikai döntések az építészeti tervezésben 7 Beépítési variációk, Richard Strauss Straße, München Eckard Mommertz, Müller-BBM: Akustik und Schallschutz. Detail Edition, 2008.
Hangok Hang: A rugalmas közegnek az akusztika tárgyába tartozó mechanikai rezgése, illetve hulláma, amelyet a részecske és a hangtér adatai jellemeznek. Értelmezhetjük, mint fizikai, élettani és információs jelenséget. Hallható hang: Olyan hang, amelynek frekvenciája 20 Hz és 16000 Hz közötti, intenzitása pedig 10-12 W/m 2 és 1 W/m 2 közötti. Zaj: Fizikailag a hanggal azonos fogalom, de fiziológiailag különbözik tőle: minden olyan hangot zajnak hívunk, ami szubjektíve zavaró, hallgatása kellemetlen kényszer és/vagy káros hatású. Tisztahang (harmonikus hang): Szinuszosan változó hallható hang. Színképe egyetlen vonal. Zenei hang: Harmonikus felhangokból álló, periodikusan változó hang. 8 Csott Róbert: Épületakusztika (Épületfizika II.) Debrecen 2010.
Rezgés, harmonikus rezgés Rezgés: Valamilyen fizikai mennyiség változása egy nyugalmi helyzet körül Az akusztikai jelenségek a rezgések térben és időben lezajló terjedésével összefüggő folyamatok. Harmonikus rezgés: A fizikai mennyiség időbeli változása állandó gyakorisággal történik Szinuszos függvénnyel írható le y t = y sin ft2π Hely és időfüggvény: t: az idő, mint független változó T: a rezgés periódusideje f: a frekvencia [Hz], a periódusidő reciproka (f=1/t) y max : a rezgés amplitúdója y eff : a rezgés un. effektív értéke 9
Oktávsáv, tercsáv Mérések: frekvenciasávok alkalmazásával, melyek: oktávsáv / tercsáv a teljes frekvencia tartományt lefedik, állandó relatív sávszélességűek, a frekvenciasávok felső és alsó határának hányadosa állandó szabványosított középfrekvenciájúak. 50, 63, 80; 100, 125, 160; 200, 250, 315; 400, 500, 630; 800, 1000, 1250; 50, 63, 80; 100, 125, 160; 200, 250, 315; 400, 500, 630; 800, 1000, 1250; Logaritmus alapú skálán szemléltetve: f a : sáv alsó határa f f : sáv felső határa f b : sávszélesség f oi : oktávsáv középfrekvenciája f ti : tercsáv középfrekvenciái 10
Zenei hangok Fafúvósok Rézfúvósok Ütősök Húrosok Vonósok Énekhangok pikoló furulya oboa klarinét basszusklarinét fagott kürt trombita tuba üstdob xilofon hárfa zongora hegedű brácsa cselló nagybőgő szoprán alt tenor basszus 11 Eckard Mommertz, Müller-BBM: Akustik und Schallschutz. Detail Edition, 2008.
Hang és épület Léghang (Folyadékhang) Testhang Léghang sugárzás zajforrásból Hangsugárzás, testhang gerjesztés után Hangsugárzás léghang gerjesztés után Hangsugárzás erő impulzus gerjesztés után Testhang terjedés szerkezetben 12 Dr. habil. Reis Frigyes: Épületakusztika építészeknek, előadás
Hangnyomás, -teljesítmény, -intenzitás A levegőben terjedő hang a levegő részecskéit megmozgatja, közöttük sűrűsödéseket és ritkulásokat hoz létre. Hangnyomás: a normál légnyomás [10 5 Pa] hang hatására történő változásának mértéke [2*10-5 -2*10 2 Pa] Hangteljesítmény: mivel a hang mozgásra készteti a levegő részecskéit, azokon munkát végeznek, ennek időegységre vetített része a hangteljesítmény W[W] Hangintenzitás: egységnyi felületen áthaladó hangteljesítmény I=W/A[W/m 2 ] 13
Hullámterjedés 14 The First Book of Sound: A Basic Guide to the Science of Acoustics by David C. Knight, Franklin Watts, Inc. New York (1960). p. 80 https://www.youtube.com/watch?v=gknjvzinsey
Hullámterjedés Hangforrás a levegőben megváltoztatja A részecskék sebességét A levegő nyomását A hullám Egyenes vonalban terjed Longitudinális hullámformában A levegő részecskéinek mozgása párhuzamos a hullámterjedés irányával A hullám terjedése során A hang frekvenciája nem változik A jel erőssége viszont csökken A hang terjedéséhez időre van szükség A hang terjedési sebessége függ a közegtől Levegőben: c=344 m/s Hullámhossz: λ=ct=c/f [m] 15 http://www.physicsclassroom.com/class/sound/u11l1c.cfm
Hullámellenállás Síkhullámú terjedés esetén: z 0 = p eff v eff = ρ 0 c p eff : hangnyomás effektív értéke [Pa] v eff : a rezgés sebesség effektív értéke [m/s] ρ: a közeg sűrűsége [kg/m 3 ] c: a hang terjedési sebessége a közegben [m/s] z 0 : (karakterisztikus) hullámellenállás [Pas/m; Ns/m 3 ] anyag-, közegjellemző Hangintenzitás: I[W/m 2 ] I = W A I = p eff v eff I = p 2 eff z 0 16
Teljesítmény-, intenzitás- és nyomásszint Mivel a hangokkal kapcsolatos fizikai mérőszámok jelentős (15) nagyságrendi különbségeket vehetnek fel, célszerű az értékeket logaritmikus szintekben kifejezni. Hangteljesítményszint L W = 10 log W W 0 db W 0 = 10 12 W Hangintenzitásszint L I = 10 log I I 0 db I 0 = 10 12 W m 2 Hangnyomásszint L p = 10 log p 2 eff p2 0 p 0 = 2 10 5 Pa db 17
Az emberi hallás Longitudinális hullám a hallójáratban A hang rezgésbe hozza a dobhártyát A rezgéseket a hallócsontok (kalapács, üllő és kengyel) továbbítják A kengyel rezgésbe hozza a csigában lévő folyadékot A csigában lévő idegvégződések érzékelik a rezgés tulajdonságait Idegpályákon ingerek indulnak meg az agy felé Az agy feldolgozza és értelmezi az ingereket 18 http://www.answersingenesis.org/assets/images/articles/am/v2/n4/figure-3.jpg
Az emberi hallás Összetett folyamat szubjektív tényezőkkel Fizikai folyamatok: levegőben, szilárd testben, folyadékban terjedő rezgés Biológiai folyamatok: több szintű idegrendszeri feldolgozás Egyénenként változó érzékelés: hangosság, zavaró hatás Sajátosságok Az impulzusos zajok és a tisztahangú zajösszetevők fokozott zavaró hatást keltenek Az emberi hallás érzékenysége frekvenciafüggő 19 P. Nagy József: A hangszigetelés elmélete és gyakorlata
Az emberi hallás A hallás jellegzetes területei és határai a) Egészséges fiatalok hallásküszöb görbéje tiszta hangokra b) Hangként érzékelhető felső határ (120 phon hangosságszintű görbe) c) A hangszeres zene területe d) A beszédhangok területe e) Elviselhetetlen érzet, vagy fájdalmat okozó hangok területe 20 P.Nagy József: A hangszigetelés elmélete és gyakorlata
A hallás frekvenciafüggő érzékenysége Tiszta hanggal, szabad térben meghatározott érzékenységi görbesor (kísérletek alapján) Azonos hangosságú görbesereg Azonos hangnyomásszintű, de eltérő frekvenciájú hangokat eltérő hangosnak érzékelünk Hangosság 1000 Hz frekvencián mért hangnyomásszint L p,1000hz [db] = L N [Phon] Hallásküszöb 5 Phon Fájdalomküszöb 120 Phon Robnson-Dadson görbe, 1956. ISO 226 szabvány, 1987, 2003. 21 P. Nagy József: A hangszigetelés elmélete és gyakorlata Dr. habil. Reis Frigyes: Épületakusztika építészeknek, előadás
A hangnyomásszint Szükség van egy súlyozott hangnyomásszint meghatározására Mivel az azonos hangnyomásszintű [db] de különböző frekvenciájú [Hz] hangokat különböző hangosságúnak [Phon] érzékeljük Az azonos hangosságú [Phon], de különböző frekvenciájú [Hz], tehát hangnyomásszintű [db] hangok hangnyomásait úgy módosítjuk, hogy az 1000 Hz frekvenciához tartozó hangnyomásszintet vesszük alapnak, a többi értéknél pedig az azonos hangossági szinthez tartozó hangnyomás-szint értékekből kivonjuk az adott hangnyomásszintek és az 1000 Hz-hez tartozó hangnyomásszint előjeles különbségét. Súlyozó szűrő alkalmazásával. Vagyis minden frekvenciához kiszámítjuk azt a hangnyomásszintet, amit olyan hangosnak hallunk, mintha az 1000 Hz frekvenciájú lenne. [közelítő magyarázat] Az A hangnyomásszint A teljes frekvencia tartományra vonatkozó hangnyomásszintek összegzése L A [dba] 22
A hangnyomásszint 40 phonos isophongörbe és az A súlyozószűrő csillapítása F [Hz] A i [db] 31,5-39,4 63-26,2 125-16,1 250-8,6 500-3,2 1000 0 2000 +1,2 4000 +1,0 8000-1,1 16000-6,6 23 Dr. habil. Reis Frigyes: Épületakusztika építészeknek, előadás Reis Frigyes: Az épületakusztika alapjai Épületek akusztikai tervezésének gyakorlata. TERC Kiadó, Bp. 2003.
Egyenértékű A hangnyomásszint Az egyenértékű A hangnyomásszint szemléltetése Az ábra vízszintes tengelyén az idő, függőleges tengelyén az A hangnyomásszint látható. A folytonos görbe időfüggvény minőségileg közlekedési zaj lámpával szabályozott kereszteződés közelében, amelyből 5 s tartalmú szakaszokra bontottak, amely szakaszokon belül a tényleges A hangnyomásszintet állandónak tekintettek. Az egyenértékű A hangnyomásszintet részben a teljes mintára, részben annak az akadálytalan járműforgalmat mutató szakaszára határozták meg. A vastag pontvonalak a két egyenértékű A hangnyomásszintértéket grafikusan is mutatják. 24 Reis Frigyes: Az épületakusztika alapjai Épületek akusztikai tervezésének gyakorlata. TERC Kiadó, Bp. 2003.
Hangszigetelési problémák épületekben 25 http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/2011_0001_529_03_mernoki_faszerkezetek_i/images/kep155.jpg
Léghang-, lépéshang terhelés, hangszigetelés Léghang terhelés A levegőben longitudinális hullámként szállított hangteljesítmény Jellemző hely terhelés Homlokzati szerkezetek külső, elsősorban közlekedési zaj Belső határoló szerkezetek helyiséghasználattal összefüggő zajok Lépéshang terhelés A szerkezetekre ható közvetlen erőhatások keltette belső rezgések Jellemző hely terhelés Födémszerkezetek, lépcsők, burkolataikkal épületen belüli közlekedés járkálás, anyagmozgatás Hangszigetelés A szerkezetek azon tulajdonsága, miszerint az egyik oldalukon felvett hangteljesítménynek csak egy részét sugározzák ki a másik oldalon A terhelés formájától függően minősíthető 26
Hangszigetelési képesség vizsgálata Hangforrás működik zárt térben (helyiségben) Léghang terhelés Lépéshang terhelés Széles sávú hang sugárzása Kopogógéppel keltett zaj Helyiség falát vizsgáljuk Helyiség födémét vizsgáljuk 27 Eckard Mommertz, Müller-BBM: Akustik und Schallschutz. Detail Edition, 2008.
Hangszigetelési képesség vizsgálata A védett helyiség felé többféle hangterjedési út is kialakul Közvetlenül a falon át Közvetlenül a födémen át Kerülő úton a födémen át Kerülő úton a falon át Léghanggátlási szám: Korrigált lépéshangnyomásszint: R = 10 log W be1 W s1 + W si db L n = L 1 + 10 log A A 0 db 28
Hangszigetelési képesség vizsgálata Ha csak a felületszerkezet hanggátlására vagyunk kíváncsiak akkor azt dilatálni kell a csatlakozó szerkezetektől 29
Hangszigetelési képesség vizsgálata A védett helyiség felé csak a vizsgált szerkezeten át terjed a hang Léghanggátlási szám: Korrigált lépéshangnyomásszint: R = 10 log W be1 W s1 db L n = L 1 + 10 log A A 0 db A 0 korrekciós tényező a védett helyiség felületei által elnyelt hangteljesítmény miatt. 10 m 2, ha a helyiség lakószoba méretű, 25 m 2, ha a helyiség ennél nagyobb 30 Reis F, Várfalvi J, Zöld A: Az épületfizika alapjai építészmérnök hallgatók számára. Műegyetemi Kiadó, Bp, 2007.
Hangszigetelési képesség vizsgálata R = 10 log W be1 W s1 db A léghanggátlási szám jellemzői Relatív mennyiség Jobb minőséget, nagyobb számérték jelez Helyszíni körülmények között a szerkezet hanggátlása mindig kisebb Frekvenciafüggő érték! L n = L 1 + 10 log A A 0 db A korrigált lépéshangnyomás-szint jellemzői Abszolút mennyiség Jobb minőséget, kisebb számérték jelez Helyszíni körülmények között a szerkezet hangnyomásszintje mindig nagyobb Frekvenciafüggő érték! 31
Hangszigetelési képesség vizsgálata A teljes frekvencia spektrumra vonatkozó hangszigetelési jellemző szükséges Súlyozott léghanggátlási szám R w : min Szerkezettípusra jellemző minősítő értékek (a szerkezetek így rangsorolhatók). Tervezési kiinduló értékek. Súlyozott lépéshangnyomásszint Segítségükkel szerkezetekre vonatkozó követelményértékek adhatók meg. A súlyozás vonatkoztatási görbe segítségével történik, ami figyelembe veszi a zajterhelés frekvenciális eloszlását, az emberi hallás érzékenységét, az épületszerkezetekkel elérhető reális hanggátlás lehetőségeit. L nw : max 32
Hangszigetelési képesség vizsgálata A súlyozott léghanggátlási szám értelmezése I: vonatkoztatási görbe II: eltolt helyzetű vonatkoztatási görbe III: mérési eredmény A súlyozott lépéshangnyomás-szint értelmezése R w és L nw : a súlyozott értékek, az eltolt helyzetű vonatkoztatási görbék értéke 500 Hz-en 33
Hangszigetelési képesség vizsgálata Falburkolatok Előtétfalak Kiegészítő szerkezetek vizsgálata Padlószerkezetek Álmennyezetek A súlyozott léghanggátlási szám A súlyozott lépéshangnyomás-szint változása így: változása így: R w = R w2 R w1 db L nw = L nw1 L nw2 db 34
Hangszigetelési képesség vizsgálata 35 P. Nagy József: A hangszigetelés elmélete és gyakorlata
Hangszigetelési képesség vizsgálata 36 P. Nagy József: A hangszigetelés elmélete és gyakorlata
Hangszigetelési képesség vizsgálata 37 P. Nagy József: A hangszigetelés elmélete és gyakorlata
Épületszerkezetek akusztikai jellemzői Szerkezet Falak Födémek Ablakok R léghanggátlá si szám L n szabványos lépéshangnyomásszint α hangelnyelési tényező ΔR léghanggátlásiszám javulás ΔL n szabványos lépéshangnyomásszint csökkenés Ajtók Álmennyezet Falburkolat Padló 38