Huoneen modaalisen äänikentän vaikutus tilojen välillä todennettavaan puuvälipohjan askelääneneristävyyteen

Abstract

Puuvälipohjilla on todettu olevan ongelmia askelääneneristävyydessä alle 100 Hz taajuuksilla. Pitkäkestoinen altistuminen askeläänille voi aiheuttaa asukkaille terveydellisiä ongelmia. Puurakentamista on pyritty lisäämään Suomessa viime vuosina hallituksen toimesta, minkä vuoksi puuvälipohjien askelääneneristävyys on merkittävässä asemassa rakennesuunnittelussa.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten huoneen modaalinen äänikenttä vaikuttaa puuvälipohjan todennettavaan askelääneneristävyyteen. Kirjallisuuden mukaan yksi merkittävä tekijä rakenteen askelääneneristävyydessä on vastaanottotilan koko ja muoto.

Analyyttisiä laskentamenetelmiä puuvälipohjien askelääneneristävyydelle on hyvin vähän, ja ne voidaan ratkaista vain erityistapauksissa. Yleisimpiä oletuksia askelääneneristävyyden analyyttisissä yhtälöissä ovat oletus diffuusista äänikentästä ja täysin jäykistä ja heijastavista seinistä.

Vastaanottotilan koon, huoneen reunaehtojen ja vastaanottotilan näytteistyksen vaikutusta puuvälipohjan todennettavaan askelääneneristävyyteen tutkittiin elementtimenetelmään perustuvalla simuloinnilla. Välipohjarakenteen ja huoneen ilmatilan kytkeytymistä sekä huoneen ominaistaajuuksia tarkasteltiin sekä analyyttisesti että simuloimalla. Kytkeytymistä kuvaava simulointimalli sekä ominaistaajuuksien laskentatapa validoitiin analyyttisiin yhtälöihin vertaamalla.

Välipohjan ja huoneen kytkeytymistä kuvaavissa analyyttisissä yhtälöissä huoneen ja tarkasteltavan rakenteen ominaistaajuudet täytyy tietää tai laskea analyyttisesti. Huoneen ominaistaajuuksien laskentaan käytettävä analyyttinen yhtälö antaa hyvän arvion ominaistaajuuksista. Tutkimuksen perusteella huoneen alimmat ominaistaajuudet voivat poiketa analyyttisen yhtälön tuloksesta jopa 5 Hz, mikä johtuu huoneen reunaehdoista.

Huoneen reunaehdolla ja ilmatilan näytteistyksellä on merkittävä vaikutus saatuun laskentatulokseen. Kevytrakenteisissa huoneissa korostuu eri moodit jäykkä- ja betonipintaisiin huoneisiin verrattuna. Mittausstandardien mukaiselta mittausalueelta saatavat laskentatulokset olivat selvästi pienempiä muihin näytteistystapoihin verrattuna. Mittauspisteistä saatava tulos vastaa koko huoneen askeläänitason tulosta alle 100 Hz taajuuksilla, mutta yliarvioi huoneen äänenpainetasokenttää 100 Hz yläpuolella.

Askelääneneristävyyden simulointien perusteella huoneen aksiaalimoodit ovat merkittäviä puuvälipohjan pienten taajuuksien askelääneneristävyydessä. Erityisesti pystysuuntaiset moodit f001 ja f002 heikentävät puuvälipohjien askelääneneristävyyttä kaikilla mallinnetuilla huoneilla. Tämän vuoksi vastaanottotilan mallintaminen voi olla hyödyllistä Schroederin taajuuden alapuolella.

Timber partition floors have problems in their impact sound insulation (ISI) at low frequencies under 100 Hz. Long-term exposure to impact sounds may lead to health problems for the inhabitants. The Finnish Government has sought to increase construction from timber in recent years, which causes ISI to play an important role in the structural design process of timber floors.

The aim of this study was to investigate how the modal sound field of a receiving room affects the verifiable ISI of a timber joist floor. According to literature, one significant factor of the ISI of a structure is the size and shape of the receiving room.

There are very few analytical calculation methods for ISI of timber floors, and their solutions are only valid for specific cases. The most common assumptions in analytical equations are about the diffusivity of the sound field and completely rigid room boundaries.

The influence of the size of the receiving room, the boundary conditions and the sampling of the sound field to the ISI of a timber joist floor was studied using the finite element method (FEM). The coupling of the floor assembly and sound field of the receiving room as well as the natural frequencies of the receiving room were studied both analytically and utilizing FEM. The FEM models for the coupling of the structure and sound field as well as the search methods for the eigenfrequencies of the room were validated by comparing the results to the analytical results.

Analytical equations for coupling of the floor assembly and room sound field assume the knowledge of or require the calculation of the eigenfrequencies of the receiving room. The analytical equation for the room modes gives a reasonable estimation. The lowest room modes may vary as much as 5 Hz from the analytical calculation.

The effect of the boundary conditions and sampling of the room sound field are significant to the calculation results. Rooms with lightweight boundaries emphasize different room modes compared to rigid and heavyweight boundaries. The results from the measurement area defined in measurement standards gives lower calculation results compared to other sampling methods. The results from the measurement positions corresponds to the results obtained from the whole receiving room at frequencies under 100 Hz. Above 100 Hz the measurement positions overestimate the overall sound pressure level in the receiving room.

According to the ISI simulations, the axial modes of the room are significant in the low-frequency ISI of a timber joist floor. Vertical modes f001 and f002 especially lower the ISI of timber floor assemblies in all simulated rooms. Therefore, the simulation of the receiving room can be useful below the Schroeder frequency.