Protihlukové stěny a pohlcované decibely
V červenci 2013 byla vydána zásadní revize zkušební normy ČSN EN 1793-1, která se týká charakteristik zvukové pohltivosti zařízení pro snížení hluku silničního provozu. Tato zkušební norma souvisí s harmonizovanou normou ČSN EN 14388 Zařízení pro snížení hluku silničního provozu, která pokrývá všechny výrobky používané pro snížení hluku silničního provozu, vyrobené z jakýchkoliv materiálů, stanovuje funkční požadavky a metody pro hodnocení zařízení pro snížení hluku silničního provozu. Článek dokazuje, že zavedení nové kategorie A5 je zcela zbytečné, poslouží pro marketing, ale z technického pohledu je nesmyslem.
Úvod
Již v červenci 2013 byla vydána zásadní revize zkušební normy ČSN EN 1793-1, která se týká charakteristik zvukové pohltivosti zařízení pro snížení hluku silničního provozu. Tato zkušební norma souvisí s harmonizovanou normou ČSN EN 14388 Zařízení pro snížení hluku silničního provozu, která pokrývá všechny výrobky používané pro snížení hluku silničního provozu, vyrobené z jakýchkoliv materiálů, stanovuje funkční požadavky a metody pro hodnocení zařízení pro snížení hluku silničního provozu.
Změny v měření hodnocení zvukové pohltivosti
V předchozí verzi ČSN EN 1793-1:1997 byla základní zkušební metoda odvozena z EN 20354:1985. Nově je základní zkušební metoda odvozena z EN ISO 354:2003. V porovnání s předchozí verzí základní zkušební metody prošla stávající metoda podstatnou změnou, která zahrnuje korekční metody vlivu teploty a vlhkosti vzduchu na snížení hladiny zvuku během testu. Tato úprava nebyla v předchozí verzi zkušební metody použita, proto se výsledky stávající metody mohou výrazně lišit od výsledků metody předešlé. Zvláště při testování vzorků s vyšším koeficientem pohltivosti mohou tyto změny nabývat hodnoty 1 dB až 2 dB pro jednočíselné hodnocení DLα a to jak v kladném, tak i záporném smyslu. Nejvíce jsou pozorovatelné účinky této korekce ve vyšších frekvencích. Nedoporučuje se nadále používat výsledky získané pomocí zkušebních metod, uvedených v předešlé verzi této evropské normy (září 1997), aby bylo zabráněno případné záměně výsledků předcházející a stávající metody. Nově je uváděno, že zkušební metodou se mohou testovat protihlukové clony použité pro jiné účely, např. podél železničních tratí, ačkoliv pro tyto účely byla ve stejný okamžik uvedena v platnost ČSN EN 16272-3-1 Železniční aplikace – Kolej – Protihlukové zábrany a souvisící zařízení proti šíření zvuku vzduchem – Zkušební metoda pro zjištění akustického výkonu – Část 1: Inherentní charakteristiky – Pohlcování zvuku v laboratoři za podmínky difusního zvukového pole. Normy jsou prakticky shodné, železniční aplikace neuvádějí kategorizaci DLα. Tato skutečnost ukazuje slabinu evropské i národní normalizace, kde jsou jednotlivé pracovní skupiny resp. normalizační komise zahleděny pouze do svých oborů a nechtěně mohou nezávisle vzniknout dvě normy na jeden zkušební postup. Zařízení pro snižování hluku z provozu železnic tak mohou být zkoušena podle dvou zkušebních postupů, přitom jeden kategorizaci jednočíselné hodnoty DLα nabízí a druhý nikoliv.
Zkušební metoda uvedená v EN ISO 354, na níž normy odvolávají, platí pouze pro rovinné absorbéry, s vyloučením zařízení, která se chovají jako rezonátory s malým tlumením. Některá zařízení uváděná na trh se od těchto požadavků mohou odchylovat a v těchto případech je třeba výsledky interpretovat velmi pečlivě.
Hlavním výsledkem zkoušky, který se objektivně vztahuje k měřené konstrukci – zařízení pro snížení hluku, je jednočíselná veličina zvukové pohltivosti zařízení DLα v dB, zaokrouhlená na celé číslo. Jednočíselná veličina pro hodnocení zvukové pohltivosti DLα v dB je dána vztahem (1):
kde jsou
- αSi
- činitele zvukové pohltivosti v třetinooktávových pásmech v rozsahu od 100 Hz do 5 kHz určené měřením podle ČSN EN ISO 354;
- Li
- normalizované spektrum hluku silničního provozu [dB] nebo jiné normalizované spektrum (železnice, průmysl aj.) vážené funkcí A
Normalizované spektrum hluku silničního provozu se používá k výpočtu jednočíselných veličin zvukové pohltivosti a vzduchové neprůzvučnosti zařízení snižujících hluk silničního provozu v blízkosti pozemních komunikací; toto spektrum je definováno hladinami akustického tlaku z „typické silniční dopravy“ váženými funkcí filtru zvukoměru A (lidské ucho) v třetinooktávových pásmech kmitočtového rozsahu 100 Hz až 5 kHz. Největší váhu mají kmitočty okolo 1000 Hz, kde je lidský sluch nejcitlivější. Obdobným způsobem je definováno normalizované spektrum hluku železničního provozu a mohu být definována i další spektra, záleží na konkrétní aplikaci.
Revidovaná ČSN EN 1793-1 přináší v roce 2013 novinku – kategorii A5 s DLα > 15 dB.
| Kategorie | ČSN EN 1793-1:1997 DLα [dB] | ČSN EN 1793-1:2013 DLα [dB] |
|---|---|---|
| A0 | neurčeno | neurčeno |
| A1 | < 4 | < 4 |
| A2 | 4 až 7 | 4 až 7 |
| A3 | 8 až 11 | 8 až 11 |
| A4 | > 11 | 12 až 15 |
| A5 | nedefinováno | > 15 |
Jednočíselná hodnota DLα je logaritmicky závislá, proto dochází při hodnotách čitatele blízkých jmenovateli k výraznému nárůstu DLα, který však již vůbec nesouvisí s růstem zvukové pohltivosti výrobku. Výsledky přes 15 dB nemají významné fyzikální opodstatnění a není mezi nimi již praktického rozdílu!
Graf č.1 Závislost jednočíselné veličiny zvukové pohltivosti zařízení na činiteli pohltivosti
Norma ČSN EN 1793-1 uvádí, že v některých případech může poměr součtových členů ve výrazu pro DLα překročit hodnotu 1, což je pro výpočet DLα nepřípustné, jelikož nelze logaritmovat záporné číslo. Proto je maximální hodnota tohoto poměru omezena na 0,99. V praxi se dostáváme do situace, kde DLα prudce roste v závislosti na činiteli zvukové pohltivosti bez objektivní fyzikální příčiny, když se poměrem ze spod limitně blíží hodnotě 0,99, viz graf č. 1. Nově se také zpřísňuje kategorie A4 z minimálních 11 dB na 12 dB.
Poznatky z porovnávacích zkoušek činitele zvukové pohltivosti
Pro účely zpracování výsledků měření se používají termíny a definice podle ČSN ISO 5725-1. K popisu přesnosti měření používá ISO 5725 dvou termínů – „správnost“ a „shodnost“. Správnost se týká těsnosti shody mezi aritmetickým průměrem z velkého počtu výsledků zkoušek a pravou nebo přijatou referenční hodnotou. Shodnost se týká těsnosti shody mezi jednotlivými výsledky zkoušek. Potřeba shodnosti vyplývá ze skutečnosti, že zkoušky, o nichž se předpokládá, že byly provedeny na stejném zařízení pro snižování hluku za stejných podmínek, neposkytují obecně stejné výsledky. Příčinou jsou náhodné chyby, které jsou nedílnou součástí každého měřicího postupu. K variabilitě výsledků může přispívat mnoho faktorů, z nichž za hlavní lze považovat:
- operátora,
- použité zařízení,
- kalibraci zařízení,
- okolní podmínky,
- čas, který proběhne mezi zkouškami.
Obecný termín pro variabilitu mezi opakovanými měřeními je shodnost. Pro popis variability metod měření se z praktických důvodů vymezily dvoje podmínky shodnosti nazývané podmínky opakovatelnosti a podmínky reprodukovatelnosti. Za podmínek opakovatelnosti se výše uvedené faktory a) až e) považují za konstantní a tudíž nepřispívají k variabilitě, zatímco za podmínek reprodukovatelnosti se uvedené faktory mění a tím přispívají k variabilitě výsledků zkoušek. Opakovatelnost a reprodukovatelnost jsou tudíž extrémní případy shodnosti. Opakovatelnost popisuje nejmenší a reprodukovatelnost největší variabilitu výsledků. Shodnost se obvykle vyjadřuje pomocí směrodatných odchylek a odvozených ukazatelů.
Pokud vycházíme ze závěrů [1], tak laboratoře s vyhovujícími výsledky splňují požadavek na směrodatnou odchylku reprodukovatelnosti 20 % (v oktávě 125 Hz) a 10 % (v oktávách 250 Hz až 4000 Hz).
Případová studie ukazuje, jak moc mohou být zavádějící výsledky při měření a hodnocení DLα v oblasti 12 až 20 dB. Při použití šesti fiktivních souborů měření, jež jsou téměř identické (krok změny činitele zvukové pohltivosti 0,01 v celém rozsahu měření) je patrné, že kategorii A5 zvukové pohltivosti zařízení nelze spolehlivě určit z důvodu nedostatečné reprodukovatelnosti měření činitele zvukové pohltivosti resp. změny doby dozvuku.
| fi [Hz] | αSi [dB] | Li [dB] | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| číslo měření | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 100 | 0,29 | 0,30 | 0,31 | 0,32 | 0,33 | 0,34 | −20 |
| 125 | 0,34 | 0,35 | 0,36 | 0,37 | 0,38 | 0,39 | −20 |
| 160 | 0,44 | 0,45 | 0,46 | 0,47 | 0,48 | 0,49 | −18 |
| 200 | 0,47 | 0,48 | 0,49 | 0,50 | 0,51 | 0,52 | −16 |
| 250 | 0,47 | 0,48 | 0,49 | 0,50 | 0,51 | 0,52 | −15 |
| 315 | 0,63 | 0,64 | 0,65 | 0,66 | 0,67 | 0,68 | −14 |
| 400 | 0,76 | 0,77 | 0,78 | 0,79 | 0,80 | 0,81 | −13 |
| 500 | 0,88 | 0,89 | 0,90 | 0,91 | 0,92 | 0,93 | −12 |
| 630 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,95 | 0,96 | 0,97 | −11 |
| 800 | 1,00 | 1,01 | 1,02 | 1,03 | 1,04 | 1,05 | −9 |
| 1000 | 1,04 | 1,05 | 1,06 | 1,07 | 1,08 | 1,09 | −8 |
| 1250 | 1,06 | 1,07 | 1,08 | 1,09 | 1,10 | 1,11 | −9 |
| 1600 | 1,05 | 1,06 | 1,07 | 1,08 | 1,09 | 1,10 | −10 |
| 2000 | 1,06 | 1,07 | 1,08 | 1,09 | 1,10 | 1,11 | −11 |
| 2500 | 1,06 | 1,07 | 1,08 | 1,09 | 1,10 | 1,11 | −13 |
| 3150 | 1,08 | 1,09 | 1,10 | 1,11 | 1,12 | 1,13 | −15 |
| 4000 | 1,10 | 1,11 | 1,12 | 1,13 | 1,14 | 1,15 | −16 |
| 5000 | 1,12 | 1,13 | 1,14 | 1,15 | 1,16 | 1,17 | −18 |
| DLα [dB] | 12 | 13 | 14 | 15 | 17 | 20 | – |
| αw | 0,90 | 0,90 | 0,90 | 0,90 | 0,90 | 0,90 | – |
Zajímavé alternativní vyhodnocení nabízí vážený činitel zvukové pohltivosti αw, určený podle ČSN EN ISO 11654 Akustika – Absorbéry zvuku používané v budovách – Hodnocení zvukové pohltivosti. Jednočíselné hodnocení zvukové pohltivosti αw stanovené touto mezinárodní normou může být použito k formulaci požadavků a k popisu akustických vlastností výrobků pohlcujících zvuk určených pro obvyklé použití v běžných kancelářích, chodbách, učebnách, nemocnicích, atd. Vyhodnotíme-li tímto způsobem uvedených šest souborů činitele zvukové pohltivosti, viz tab. 2, tak výsledkem bude ve všech případech αw = 0,90. Jednočíselná veličina αw je v zásadě použitelná pro všechny stavební materiály, jejichž činitel zvukové pohltivosti byl určen podle ISO 354. Často je však nevhodná pro hodnocení jednotlivých předmětů, jako např. křesel, tlumičů, atd., rovněž není použitelná pro protihlukové clony u silnic a železnic, zde se uplatňuje DLα.
Závěr
Prokázaná nestabilita veličiny DLα v oblasti vyhodnocení 12 až 20 dB poskytuje jasný důkaz, že zavedení nové kategorie A5 je zcela zbytečné, poslouží pro marketing, ale z technického pohledu zůstává nesmyslem.
Literatura
- Meller, M: Vyhodnocení zkoušení způsobilosti (PT) – porovnávací zkoušky činitele zvukové pohltivosti v dozvukové místnosti podle ČSN EN ISO 354 a ČSN EN ISO 11654, Praha, 2012
- Beranek, L.: Noise Reduction, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1960
- Čechura, J.: Stavební fyzika – akustika stavebních konstrukcí, Vydavatelství ČVUT, Praha, 1999
- Jaksch, I.: Základy akustiky a hlukové diagnostiky, Vydavatelství TUL, Liberec, 2010
Autor se ve svém článku věnuje revizi zkušební normy ČSN EN 1793-1 na měření a hodnocení zvukové pohltivosti zařízení pro snižování hluku silničního provozu. V úvodní části textu stručně popisuje základní rysy hodnoticího systému, založeného na použití jednočíselné veličiny zvukové pohltivosti DLα. Tato veličina může sloužit pro kategorizaci zařízení do šesti tříd (A0 až A5), přičemž nejlepší třídě A5 odpovídají hodnoty DLα vyšší než 15 dB. Autor s využitím případové studie poukazuje na to, že pro hodnoty činitele pohltivosti blížící se k 0,99 roste hodnota jednočíselné veličiny DLα nezvykle strmě. Konstatuje, že tato prokázaná nestabilita dokazuje nesmyslnost zavedení nové (nejvyšší) kategorie. Nedostatky normového postupu diskutované v článku jsou z pohledu recenzenta ještě zvýrazněny tím, že v normě není jednočíselná veličina DLα jasně definovaná. Není zřejmé, o jaký „rozdíl vážených hladin (akustického tlaku A)“ se jedná. Jako nejpravděpodobnější se jeví rozdíl hladin dopadající a odražené zvukové vlny. Pro tento případ lze však odvodit vztah v jiném tvaru, než uvádí norma, přičemž závislost hodnot DLα na činiteli pohltivosti podle takového vztahu je výrazně stabilnější (a očekávanější). Diskutabilní je rovněž samotná kategorizace zařízení pro snižování hluku silničního provozu podle jeho pohltivosti (v hodnotách desítek decibelů), zejména vezmeme-li v úvahu, že zvuková pohltivost zařízení má vliv na zvuk odražený od takového zařízení, nikoliv ovšem na zvuk přicházející do posuzovaného místa přímo od zdroje (který bývá dominantní). Další výzkum v této oblasti lze proto směřovat i tímto směrem.
The European qualification system for traffic noise reducing devices is based on a framework of ten standards. This framework is based on a product standard EN 14388 which specifies performance requirements in terms of measurable characteristics and associated test methods. Each characteristic is rated according to a system of “classes”; for this purpose, a normalized road traffic noise spectrum has been defined (EN 1793-3). Sound absorption must be tested in laboratory using methods which can be regarded as tuned versions of the ISO 354 and EN 1793. Laboratory measurements of sound absorption is following the principles of the EN 1793 “tuned” versions. The result is a single number ratings following a normalized road traffic noise spectrum, this single number rating DLcan be very problematic in case of evaluation of high sound absorbing traffic noise reducing devices.