Moderní trendy v semi-aktivním potlačování přenosu hluku skrz okenní tabuli pomocí piezoelektrických aktuátorů

Technický rozvoj, který zažívá naše společnost, s sebou nese celou řadu negativních vlivů na zdraví člověka. Jedním z nich je nadměrný hluk, který závažně působí na fyzické i psychické zdraví populace. Člověk dnešní doby je vystaven působení hluku z mnoha zdrojů, jako je například silniční, železniční a letecká doprava a samozřejmě průmysl. Obytné, ale i kancelářské budovy ve městech jsou tak značně zatíženy těmito vlivy. Odstranění všech zmíněných zdrojů hluku je v dnešní době nemyslitelné, a proto je třeba alespoň zamezit jeho šíření do místností, kde lidé bydlí a pracují. Významný prvek, skrz který se hluk do místností přenáší, jsou skleněná okna. Se zvětšujícím se podílem prosklených částí budov se snižuje celková zvuková neprůzvučnost budovy. Okna jsou ve své podstatě tenké skleněné desky upevněné na svých krajích ve více či méně tuhém rámu. Skleněná deska tedy představuje rozhraní dvou vzduchových prostředí, na nichž se část dopadající zvukové vlny odrazí a jimiž část této vlny projde. Cílem všech metod zvyšujících zvukově izolační schopnosti stavebních prvků je, aby amplituda prošlé zvukové vlny byla co nejmenší. Odraz zvukové vlny od skleněné desky zpět do okolního prostředí způsobí, že se skleněná deska rozechvěje a tyto vzniklé vibrace se tak stávají zdrojem zvuku pro prostředí za sklem, tedy prostředí místnosti (obr. 1). Proto jsou okenní tabule běžných budov slabým článkem přenosu hluku do místnosti,  právě díky své nízké ohybové tuhosti. Běžnou součástí průmyslových staveb i dopravních prostředků se staly pasivní prvky pohlcující či odrážející zvuk. Intenzita hluku ve městech se ale stále navyšuje, proto použití pasivních odhlučňovacích materiálů začíná být nedostatečným řešením. V oblasti nízkých frekvencí (pod 1 kHz) se navíc snižuje jejich zvukově izolační schopnost [1]. Je tedy třeba přistoupit k využití nových moderních metod potlačování hluku spojených s kontrolou jeho šíření. Důležitým požadavkem pro tyto metody je jejich efektivita v celém slyšitelném frekvenčním spektru, zejména ve frekvenční oblasti mezi 2 a 5 kHz, kde je lidský sluch nejvíce náchylný k poškození [2]. Výše zmíněné skutečnosti se staly motivací práce, která je prezentována v tomto článku a ve které studujeme možnosti zvýšení zvukových izolačních schopností skleněné okenní desky pomocí změny její geometrie s využitím piezoelektrických aktuátorů. Práce je založena na simulaci přenosu zvuku skrz skleněnou desku pomocí metody konečných prvků (MKP). Základní výsledky modelu jsou ověřeny experimentálními měřeními.

MĚŘENÍ ZVUKOVĚ IZOLAČNÍ SCHOPNOSTI SKLENĚNÉ DESKY
Měřitelnou fyzikální veličinou, která popisuje problém šíření zvuku skrze skleněnou tabuli, je akustická přenosová ztráta (Transmission Loss – TL). Tato veličina popisuje schopnost skleněné desky redukovat zvuk přenesený z venkovního prostředí. Je zřejmé, že snahou je co nejvíce zvýšit hodnotu TL. Akustická přenosová ztráta je definována jako poměr akustických tlaků vlny dopadající na skleněnou desku p_i a vlny skrze sklo přenesené p_t. Obvykle je vyjadřována v logaritmickém měřítku (decibelech). V situaci přenosu zvuku z jednoho prostředí do druhého skrz rozhraní, které v tomto případě tvoří skleněná deska, platí vztah využívající specifickou akustickou impedanci tohoto rozhraní Z_w [3]:

TL=20 log₁₀ |1+Z_w /(2Z_a)| ,

kde Z_a = ρ₀c je specifická akustická impedance ve vzduchu, c je rychlost zvuku ve vzduchu a ρ₀ je hustota vzduchu. Specifická akustická impedance okenní tabule je funkce frekvence zvukové vlny a je dána jako

Z_w= [(p_i+p_r) - p_t] / v,

kde v je normálová rychlost vibrací skleněné desky.

Pro kvalitativní zhodnocení zvukově izolační schopnosti skleněné desky bylo využito měření specifické akustické impedance pomocí jednoduché experimentální aparatury zobrazené na obr. 2. Skleněná deska o tloušťce 4 mm byla upevněna v dřevěném rámu o vnitřních rozměrech 42 cm × 30 cm, který byl upevněn v akustickém boxu s reproduktorem. Rozdíl akustických tlaků působících po obou stranách skleněné desky je měřen dvěma mikrofony. Amplituda rychlosti v ve středu okna je měřena laserovým vibrometrem.

Celý článek ve formátu PDF naleznete ZDE.

Autoři

• Ing. Nováková Kateřina
• Doc. Ing. Mokrý Pavel Ph.D.
• Ing. Václavík Jan
• Ing. Lédl Vít Ph.D.