ilustracnyAkustické vlastnosti materiálov zohrávajú v dnešnej dobe čoraz väčšiu rolu. Práve to je príčina prečo sa takmer každý deň objavuje a vyvíja množstvo nových akusticky vhodných materiálov s rôznymi zvukovo izolačnými vlastnosťami.

Pre vývoj takýchto materiálov sa často používajú recyklované komponenty z automobilov po dobe ich životnosti. Tieto materiály sa používajú pre pasívnu reguláciu zvuku pri navrhovaní interiérov automobilov, tovární, dielní, obytných budov, protihlukových bariér atď., aby sa zabránilo nežiadúcemu hluku. Zisťovanie akustických vlastností je preto nesmierne dôležité.[1][2][7]
Výskumy v tejto oblasti sa snažia kontrolovať a minimalizovať zvuky, ktoré sa vyskytujú v strojoch, automobiloch, domoch a na iných miestach. Existuje veľké množstvo štúdií a výskumných pokusov, ktoré sa pokúšajú vyvíjať, objavovať nové materiály, ktoré môžu byť použité v rôznych akustických projektoch. Pre analýzu týchto materiálov je absorpcia zvuku jedným z najdôležitejších fyzikálnych javov.[3]
Tento článok pojednáva o analýze akustických vlastností, a to koeficientu zvukovej pohltivosti α a Indexu útlmu R, u vybraných materiálov pomocou impedančnej trubice. Bolo vybraných niekoľko materiálov, ktoré boli z hľadiska analyzovaných akustických vlastností hodnotené v rôznych hrúbkach ako samostatné jednovrstvové materiály, ale aj ako sendvičové dvojvrstvové a trojvrstvové materiály.

Impedančná trubica
Impedančná trubica má v porovnaní s inými metódami merania výhodu vďaka jej kompaktnosti, nízkej cene a rýchlemu výsledku. V porovnaní s dozvukovou komorou si impedančná trubica vyžaduje rozmerovo výrazne menšie vzorky testovaného materiálu. Na jednej strane impedančnej trubice je umiestnený reproduktor generujúci zvuk a na konci druhom je umiestnený odnímateľný držiak vzorky s pevným zakončením. Medzi reproduktorom a vzorkou sú umiestnené mikrofóny. Podľa počtu mikrofónov použitých pri meraní existujú dvoj, troj alebo štvor mikrofónové metódy (obr. 1).[1][2][4]

Obr 1 Schéma impedančnej trubice
Obr. 1: Schéma impedančnej trubice a) metóda prenosu dvoch mikrofónov, b) metóda prenosu so štyrmi mikrofónmi

Popis metódy merania
Koeficient zvukovej pohltivosti (α) je bezrozmerné číslo pohybujúce sa v intervale <0,1>. Čím je hodnota koeficientu bližšia k číslu 1 tým lepšiu zvukovú pohltivosť materiál vykazuje. Na meranie činiteľa zvukovej pohltivosti vybraných materiálov použitá impedančná trubica v konfigurácii s dvoma mikrofónmi.[5]
Na jednom konci trubice je umiestnená skúmaná vzorka a na druhom konci je umiestnený reproduktor, ktorý je napájaný generátorom signálu. Signál je následne zosilnený v zosilňovači. Na trubici sú umiestnené dva mikrofóny rovnakého druhu určené na meranie akustických tlakov. Ďalšími súčasťami meracej techniky je MC3242 4-kanálový analyzátor na zber dát, zosilňovač meracieho výkonu PA50 od spoločnosti BSWA TECH a počítač vybavený softvérom VA-Lab4 na vyhodnocovanie informácií a ovládanie trubice (obr. 2).

Obr 2 Schéma zapojenia meracej aparatúry pre meranie koeficientu zvukovej pohltivosti α
Obr. 2: Schéma zapojenia meracej aparatúry pre meranie koeficientu zvukovej pohltivosti α

Index útlmu R je hodnota udávaná v decibeloch (dB) na základe pomeru vlny dopadajúceho zvuku na prednú stranu zvukovo pohltivého materiálu ku zvukovým vlnám prenášaným späť. Index útlmu reprezentuje tlmiace vlastnosti materiálu z čoho vyplýva, že čím je hodnota indexu útlmu väčšia, tým je zvuk utlmenejší a tlmiace vlastnosti materiálu sú lepšie. Na meranie indexu útlmu sa tradične používajú buď dve dozvukové miestnosti so vzorkou materiálu v otvore medzi miestnosťami alebo metóda pomocou impedančnej trubice.[6]
Na meranie indexu útlmu skúmaných materiálov bola použitá impedančná trubica v konfigurácii so štyrmi mikrofónmi. Na jednom konci trubice je umiestnený reproduktor, ktorý je napájaný generátorom signálu a signál je následne zosilnený v zosilňovači a na druhom konci trubice nie je v tomto prípade pripojený držiak vzorky ako pri meraní zvukovej pohltivosti, ale je pripojená predlžovacia trubica. Vzorka je umiestnená uprostred.
Ďalšími súčasťami meracej techniky je MC3242 4-kanálový analyzátor na zber dát, zosilňovač meracieho výkonu PA50 od spoločnosti BSWA TECH a počítač vybavený softvérom VA-Lab4 na vyhodnocovanie informácií a ovládanie trubice (obr. 3).

Obr 3 Schéma zapojenia meracej aparatúry pre meranie indexu útlmu
Obr. 3: Schéma zapojenia meracej aparatúry pre meranie indexu útlmu

V tab.1 je znázornený príklad použitých materiálov pri meraní.

Tab 1 Použité materiály
Tab. 1: Použité materiály

Spracovanie výsledkov merania, porovnanie a vyhodnotenie
Z výsledkov (obr. 4) vyplýva, že pri koeficiente zvukovej pohltivosti α najhoršie hodnoty vo všeobecnosti skúmané materiály dosahujú pri nízkych frekvenciách približne v rozmedzí od 100 Hz do 350 Hz. Tie najlepšie hodnoty sa pohybujú v širšom frekvenčnom spektre od 630 Hz až do 6 300 Hz. Najlepšie hodnoty dosahujú materiály pri hrúbkach: Ekomolitan 30 mm, Recyklovaná guma 20 mm, Nobasil 30 mm a 40 mm. Z toho vyplýva, že hrúbka nehrá výraznú úlohu vo zvukovej pohltivosti, a že zvyšovanie koeficientu zvukovej pohltivosti nie je priamo úmerne zvyšujúcej sa hrúbke materiálu.

Obr 4 Hodnoty koeficientu zvukovej pohltivosti α pre jednovrstvové materiály
Obr. 4: Hodnoty koeficientu zvukovej pohltivosti α pre jednovrstvové materiály

Rovnako ako pri jednovrstvových materiáloch tak aj pri dvojvrstvových sa ukázalo, že najhoršie hodnoty zvukovej pohltivosti dosahujú skúmané materiály pri nižších frekvenciách a to od 100 Hz do 125 Hz. Najlepšie hodnoty, ale dosahujú prevažne v strednom frekvenčnom pásme od 315 Hz do 800 Hz.
Z výsledkov taktiež vidno, že na hodnoty koeficientu zvukovej pohltivosti má vplyv nielen zloženie sendvičového materiálu teda to, z akých materiálov je zložený, ale aj usporiadanie týchto materiálov vzhľadom na smer šírenia zvuku.
Je to možné vidieť napríklad u sendvičového materiálu v zložení Recyklovaná guma + Nobasil (obr. 5). V takomto usporiadaní v prípade ak je Recyklovaná guma prvou vrstvou oproti smeru šírenia zvuku bola najvyššia dosiahnutá hodnota koeficientu zvukovej pohltivosti 0,75 pri frekvencii 630 Hz. Pri obrátenom usporiadaní týchto materiálov Nobasil + Recyklovaná guma bola najvyššia dosiahnutá hodnota 0,86 pri frekvencii 6 300 Hz.

Obr 6 Hodnoty indexu útlmu pre jednovrstvové materiály
Obr. 5: Hodnoty koeficientu zvukovej pohltivosti α pre sendvičový materiál Recyklovaná guma + Nobasil

Rovnako ako u koeficientu zvukovej pohltivosti α (-) a j u výsledkov Indexu útlmu (dB) vidno, že skúmané materiály dosahujú svoje najlepšie hodnoty pri vysokých frekvenciách zvuku a to 5 000 – 6 300 Hz.
Z výsledkov vyplýva, že naproti koeficientu zvukovej pohltivosti u indexu útlmu hrá hrúbka materiálu významnú úlohu. Väčšina materiálov totiž dosiahla najlepšie hodnoty pri najväčšej hrúbke vzorky teda 60 mm.
V grafoch (obr. 6) je vidieť rast hodnôt, ktorý je priamo úmerný rastúcej hrúbke vzorky materiálu.

Obr 6 Hodnoty indexu útlmu pre jednovrstvové materiály
Obr. 6: Hodnoty indexu útlmu pre jednovrstvové materiály

V grafoch (obr. 7) je tiež vidieť, že na rozdiel od zvukovej pohltivosti pri indexe útlmu usporiadanie materiálov vo vrstvách nehrá v podstate žiadnu významnú rolu.
U dvojice Recyklovaná guma + Nobasil je možné na grafe vidieť mierne rozdiely vo frekvenčnom pásme približne od 2 000 Hz do 5 000 Hz. U ostatných dvojíc, ale nie je vidno žiaden rozdiel v hodnotách v závislosti od usporiadania materiálov. Taktiež je možné vidieť že dvojvrstvový materiál Recyklovaná guma + Ekomolitan dosahuje vo svojich dvoch variantoch usporiadania hodnoty indexu útlmu 17,98 a 17,56 dB pri frekvencii zvuku 6 300 Hz a spoločnej hrúbke 40 mm. Avšak pri rovnakej hrúbke a frekvencii dosahujú tieto materiály ako jednovrstvové hodnoty 17,49 dB pre Recyklovanú gumu a dokonca vyššiu hodnotu ako u dvojvrstvového materiálu pre Ekomolitan a to 18,71dB.

Obr 7 Hodnoty indexu útlmu pre sendvičové materiály
Obr. 7: Hodnoty indexu útlmu pre sendvičové materiály

Dá sa teda usúdiť, že z hľadiska prenosového útlmu nehrá usporiadanie materiálov pri dvojvrstvových sendvičových materiáloch žiadnu väčšiu rolu.
Trojvrstvové sendvičové materiály všeobecne vykazujú lepšie vlastnosti z hľadiska TL než dvojvrstvové materiály. To, ale podľa predošlých výsledkov môžeme pripísať viac zvyšujúcej sa hrúbke materiálu, než jeho zložením a tým, že má tri vrstvy.

Záver
Podľa nameraných výsledkov možno pre koeficient zvukovej pohltivosti α konštatovať, že hrúbka analyzovaných materiálov nemala na hodnotu koeficientu žiaden väčší vplyv. Vytváranie sendvičových materiálov, ale hodnotu koeficientu a vlastnosti materiálov v rôznych frekvenčných pásmach výrazne ovplyvňovalo. Pri sendvičových materiáloch tiež hralo úlohu usporiadanie materiálov vzhľadom na smer šírenia hluku.
Pri indexe útlmu r na rozdiel od koeficientu zvukovej pohltivosti α mala hrúbka materiálu výrazný vplyv. Z tabuliek a grafov bol viditeľný rast hodnoty indexu útlmu, ktorý bol priamo úmerný rastúcej hrúbke materiálu. Taktiež vytváranie sendvičových materiálov nevykazovalo z hľadiska indexu útlmu žiadne výraznejšie výhody. Vo viacerých prípadoch dokonca pri porovnaní sendvičových a jednovrstvových materiálov rovnakej hrúbky vykazovali jednovrstvové materiály vyššie hodnoty prenosového útlmu ako sendvičové.

text/foto Kristián Pástor, Miroslav Badida, Alžbeta Nováková, Miroslava Badidová

Použitá literatúra
[1] NIRESH, J. et al: Review of acoustic characteristics of materials using impedance tube. In: ARPN Journal of Engineering and AppliedSciences. Vol. 10, No. 8 (2015), s. 3319-3326. ISSN 1819-6608. [cit. 2021-9-7]. Dostupné na internete <http://www.arpnjournals.com/jeas/research_papers/rp_2015/jeas_0515_1928.pdf>
[2] ARUNKUMAR, B.– JEYANTHI, S.: Design and analysis of impedance tube for sound absorption measurement. In: ARPN Journal of Engineering and AppliedSciences. Vol. 12, No. 5 (2017), s. 1400-1405. ISSN 1819-6608. [cit. 2021-9-7]. Dostupné na internete: <http://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2017/jeas_0317_5774.pdf>
[3] ROSELY, C.V.M.-SILVA, R.H.A.-LINHARES, T.M.-ROCHA, C.M.: Theimpedance tube construction and acousticabsorption study appliedmaterialsinsidevehicles. In: 41st International Congress and Exposition on Noise ControlEngineering 2012. Vol.2, No.1 (2012), s. 872-888.
ISBN: 978-1-62748-560-9.
[4] LABAŠOVÁ, E.– ĎURIŠ, R.: Measurement of the acoustic absorption coefficient by impedance tube. In: ResearchPapersFaculty of Materials Science and Technology Slovak University of Technology. Vol. 27, No. 45 (2019), s. 94-101. ISSN 1338-0532. [cit. 2021-9-7].
[5] Měření zvukové pohltivosti materiálů: Laboratorní cvičení z Environmentální fyziky Fakulta technologická, UTB ve Zlíně, s. 8. [cit. 2021-9-7]. Dostupné na internete: http://ufmi.ft.utb.cz/texty/env_fyzika/EF_lab_02.pdf
[6] BADIDA M. – LUMNITZER,E. – BARTKO,L.: Možnosti znižovania dopravného hluku. Elfa, s. r. o, Košice, 2011. ISBN 978-80-8086-181-0
[7] BADIDA a kol.: Progresívne technológie zhodnocovania odpadov v automobilovom priemysle. Spektrum STU Bratislava, 2021, 267s.,
ISBN 978-80-553-3867-5


Príspevok vznikol na základe riešenia projektu MŠVVaŠ SR KEGA č. 009 TUKE-4/2021 (50 %) a projektu MŠVVaŠ SR UNIVNET č. 021/0004/20 (50 %).