Akustiske sorte huller som støjfælder i trækonstruktioner

Forskning er i øjeblikket ved at blive afsluttet hos Empa i en verdensnyhed inden for lydisolering af træbygninger. Ved hjælp af en fysisk teori fra 1990'erne og digitaliseringens værktøjer har et forskerhold udviklet nye gulvelementer lavet af massive træpaneler, der har såkaldte akustiske sorte huller. Ideen kom fra Stefan Schoenwald, leder af Empas Building Acoustics-laboratorium i Dübendorf. Han har stødt på teorien om akustiske sorte huller adskillige gange på konferencer og i videnskabelige publikationer, siden den blev udgivet første gang i 1987. Ifølge den russiske videnskabsmand M.A. Mironov fra Andreyev Acoustics Institute i Moskva kan en parabolsk fordybning i et materiale absorbere vibrationer som f.eks. lyde og tillade dem at give genlyd – med andre ord, sluge dem. Akustiske sorte huller er allerede blevet brugt i biler og fly, hvor deres lydreducerende effekt faktisk er blevet bekræftet.

Det er dog ikke let at fremstille dem med meget tynde, hårde materialer. Hverken i træbyggeri eller i bygningsakustik har der nogensinde været eksperimenter med Mironovs fordybninger. Det ændres nu af laboratoriechef Stefan Schoenwald sammen med sin kollega Sven Vallely. De to forskere ønsker at bruge nye krydslaminerede træpanelelementer til at forbedre trinlydsisoleringen i trækonstruktioner.

Ligesom der er lydbølger i luften, er der lydbølger i materialer, såkaldte strukturbårne lydbølger. "Når du rammer et gulv, er det som at kaste en sten i en dam:Lydbølger forplanter sig i alle retninger i materialet," forklarer Schoenwald. Når en linseformet fordybning fræses ud af materialet i henhold til en specifik matematisk funktion, bevæger lydbølgerne sig ind i dette område. I processen bliver amplituderne ved med at forstærke, mens svingningernes bølgelængder falder. "Hvis du kunne gøre pladerne uendeligt tynde i området af disse fordybninger, så ville lydbølgerne faktisk løbe døde af sig selv i disse 'sorte huller', så der ville ikke komme noget ud af linsen," sagde Schoenwald. Det var imidlertid tvivlsomt, om den lyddæmpende effekt også ville opstå med en begrænset dybde af fordybningen - fordi "uendeligt tynde materialetykkelser", som matematisk teori ville kræve, ikke er gennemførlige i praksis.

Den nyeste computerteknologi gør det muligt

Ideen til at eksperimentere med akustiske sorte huller i trækonstruktioner kom til Stefan Schoenwald, mens han arbejdede. Han bad sin kollega Vallely om at simulere og beregne den lydreducerende effekt på computeren. For at få statiske bekymringer af vejen, blev Andrea Frangi, en trækonstruktionsekspert ved ETH Zürich, bedt om sin vurdering. Ikke alene var hans feedback lovende, men det var computermodelleringen af ​​lydreduktion også. Så Schoenwald bestilte en prototype og et normalt kontrolpanel lavet af samme materiale fra træbyggefirmaet Strüby AG i Seewen. Ved hjælp af en CNC-maskine fræsede trækonstruktionsspecialisten Alex Bellmont der den linseformede hulning ud af et krydslamineret træpanel med dimensionsnøjagtighed. "En ordre som denne er ikke særlig svær, men den er så meget desto mere spændende for den," siger maskinmesteren, "jeg har aldrig lavet noget, som dengang blev undersøgt."

De to plader - en med, en uden akustiske sorte huller - blev udsat for en vibrationsanalyse hos Empa. Ved denne måling føres lyd ind i testlegemet som en vibration over hele det relevante lydspektrum. En laser måler vibrationen af ​​testpanelerne i et gittermønster på flere punkter. De målte værdier kan så bruges til at beregne, hvordan vibrationen bevæger sig gennem pladen – og om de udfræsede buler faktisk "fanger" lyden og får den til at spredes i form af varme.

Bedre isoleringsydelse med mindre vægt

For ti år siden ville sådan en række eksperimenter ikke have været gennemførlig. Selv modellering af vibration af et lille båndbreddeområde var en afhandling med hensyn til beregningsmæssig indsats. I dag beregner Schoenwald og Vallely hele det akustiske spektrum på en eftermiddag og gør vibrationerne umiddelbart synlige som en visualisering. Målet med forsøget er at undersøge, om de simulerede resultater svarer til de målte værdier. Når alt kommer til alt, hvis computermodellen svarer til virkeligheden, kan alle mulige parametre ændres på computeren næsten gratis, uden at der skal laves en ny testplade hver gang. På den måde kan lydreduktionen beregnes for træelementer over hele verden uden tidskrævende eksperimenter. Det betyder, at lydreduktion kan optimeres til træelementer i alle mulige størrelser og geometrier uden tidskrævende eksperimenter.

Resultat af testene:De målte værdier stemmer meget godt overens med modelberegningen. Stefan Schoenwald er meget tilfreds med en afvigelse på kun omkring 5 procent. Denne afvigelse kan forklares med produktionen af ​​pladerne og træets naturlige variation, tilføjer Vallely. De næste tests med testpanelerne fremstillet i Seewen følger nu:"Vi arbejder i øjeblikket på trinnlydsmålingerne, som vi udfører i overensstemmelse med internationale standardspecifikationer. Næste skridt er at bekræfte brandbeskyttelsen og de strukturelle egenskaber, " forklarer Schoenwald. Disse yderligere tests har til formål at sikre, at de krydslaminerede træplader ikke kun isolerer lyd i det mindste på standardmarkedsniveau, men også opnår alle de nødvendige certificeringer til brug i byggeriet.

Sådan fungerer det

Stefan Schoenwald beskriver, hvordan bestyrelserne fungerer sådan. "Når jeg isolerer trinlyd, skal jeg huske på tre egenskaber på samme tid:komponentens masse på den ene side, dens stivhed og dæmpning på den anden side. Stivhed og dæmpning modsiger hinanden - en blød komponent kan dæmpes godt, en stiv komponent mindre godt." Schoenwald giver et eksempel:"Klassiske massive trælofter er både lette og stive - så to ugunstige egenskaber er kombineret her." En mulig udvej er at øge komponentens masse. I moderne træhuse installerer arkitekter derfor tykke lag grus til vægtning. På den måde er der mindre sandsynlighed for, at trælofterne vibrerer, hvis en voksen går hen over dem, eller et barn hopper rundt i hjemmet.

Schoenwald og Vallely har en anden tilgang. "Vi gør trælofterne ekstra bløde visse steder, så de kan vibrere ekstra kraftigt der. På disse punkter dæmper vi specifikt vibrationen med en lille mængde sand eller grus," forklarer Stefan Schoenwald. Det samme materiale, nemlig grus, tjener her et helt andet formål:"I vores tilfælde er gruset der ikke til vægtning. I stedet formodes det at det bevæger sig og konverterer vibrationer til varme gennem sin indre friktion."

Resultatet:Et træloft med akustiske sorte huller er meget lettere end et konventionelt loft og dæmper alligevel stødlyden meget bedre. Den strukturelt fordelagtige stivhed af hele loftkonstruktionen bibeholdes. + Udforsk yderligere

En skrue, der kan halvere niveauet af opfattet lyd