Zdravé řešení akustiky interiéru pomocí zelených prvků
Příspěvek se zabývá jednou z možností řešení problematiky akustiky vnitřního prostředí. Velmi často se lze ve starších budovách setkat se špatnou akustikou interiéru. Existuje mnoho variant řešení tohoto problému, jednu z těchto možností představují i zelené prvky zabudované do interiéru, které mají mimo jiné také pozitivní vliv na psychickou pohodu a zdraví lidí, pobývajících v daném interiéru. V rámci výzkumných prací probíhajících ve spolupráci Fakult stavebních, Vysokého učení technického v Brně a Technické univerzity ve Vídni a společnosti Němec s.r.o. byla provedena realizace zelené stěny a zelených obrazů do učebny, kde se přednášející a studenti potýkali se špatnou akustikou interiéru. Článek popisuje účinnost těchto zelených prvků aplikovaných v přednáškové místnosti z hlediska akustiky vnitřního prostředí.
Úvod
Velmi častým nešvarem, nejen u starších budov, je špatná akustika interiéru. Každý z nás se zajisté někdy setkal s tímto jevem, který významně ovlivňuje naše zdraví. Hlavními prostorovými parametry, které ovlivňují kvalitu přenosu zvukového signálu v uzavřeném prostoru, jsou doba dozvuku, akustická absorpce související se srozumitelností řeči, dále pak hladina akustického tlaku a prostorový útlum. Akustické požadavky v rámci prostorové akustiky jsou definovány v několika normativních předpisech (např. ČSN 73 0525, ČSN 73 0527, ČSN 730532, ČSN EN ISO 3382) a v Nařízení vlády 272/2011 [1–6]. Bohužel i přes tyto normativními požadavky je nutné hledat často vhodné řešení pro daný problém. Naskýtá se mnoho východisek, například speciální akustické příčky, panely, stěny, stropy, omítky či doplňky v podobě závěsů, speciálních látek atd. Další moderní a především zdravé řešení je využití zelených rostlin v podobě zelených stěn a obrazů, které mimo vylepšení akustických problémů interiéru dokáží významně zlepšit také mikroklimatické podmínky v interiéru, což přináší velkou výhodu z pohledu zdravých podmínek prostředí interiéru.
V rámci projektu TAČR TJ01000203 ve spolupráci Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně a společnosti Němec s.r.o. byla provedena realizace zelené stěny a zelených obrazů za účelem zlepšení akustických a mikroklimatických podmínek vybrané problematické učebny, kde probíhají v rámci semestru přednášky, cvičení a dále pak další vzdělávací akce pro veřejnost. Cílem bylo zlepšit pracovní a studijní podmínky prostředí interiéru a tím pozitivně ovlivnit také zdraví osob, které v této učebně pobývaly, ať již jako vyučující či studenti a široká veřejnost. Tento příspěvek bude prezentovat především výsledky z oblasti akustiky uzavřeného vnitřního prostředí.
Zvuk v uzavřeném prostoru
Šíření zvuku v uzavřeném prostoru
Šíření zvuku v uzavřeném prostoru je dáno stavem šířící se akustické energie, geometrií daného prostoru a dále stavem zvukového pole. Již při návrhu vnitřního prostoru za daným účelem je nutné respektovat zákonitosti prostorové akustiky a normativní předpisy. Problémy prostorové akustiky se řeší ve třech specifických akustických odvětvích, kterými jsou:
- Vlnová akustika, zabývající se vztahem vlnové teorie šíření zvuku v uzavřeném prostoru, kde se často využívá níže uvedená rovnice (1) pro formulaci prostorových rezonančních frekvencí fn:
(1)
kde je
- fn
- rezonanční frekvence uzavřeného prostoru [Hz],
- nx , ny , nz
- libovolná přirozená čísla (1, 2, 3,…),
- lx , ly , lz
- charakteristické rozměry uzavřeného prostoru.
- Statistická akustika, která je charakteristická dobou dozvuku, jež je závislá na pohltivosti a objemu uzavřeného prostoru.
- Geometrická akustika, věnující se řešení šíření zvukových paprsků v uzavřeném prostoru [7].
Pohltivost uzavřeného prostoru
Při každém dopadu zvukové vlny na konstrukci dochází mimo odraz také k proniknutí určité části zvukové energie do stěny. Tato část energie je předaná konstrukci a intenzita zvukové vlny se o tuto energii snižuje.
Pokud mají všechny stěny uzavřeného prostoru na celkové ploše S [m2] pro danou frekvenci stejný činitel zvukové pohltivosti α [–], je možné určit pohltivost uzavřeného prostoru A [m2] dle vztahu (2):
(2)
V případě povrchů s různými činiteli zvukové pohltivosti pro danou frekvenci se pohltivost tohoto uzavřeného prostoru stanoví jako suma pohltivostí všech jednotlivých ploch vnitřního prostoru.
Pohltivost uzavřeného prostoru je možné určit z doby dozvuku T [s] podle Sabinova vztahu (3):
(3)
kde je
- V
- objem uzavřeného prostoru [m3]
Pro povrchy místnosti je možné určit obecnou hodnotu středního činitele zvukové pohltivosti αs [–] dle rovnice (4):
(4)
kde je
- A
- pohltivost uzavřeného prostoru [m2]
- S
- suma všech ploch v daném prostoru pro daný materiál [m2] [7].
Doba dozvuku
Zvuková pohltivost významně ovlivňuje akustické vlastnosti prostoru. Značný vliv má zejména na časový průběh změn v hustotě zvukové energie při ozvučení prostoru. Tento problém řeší teoreticky vlnová prostorová akustika, která umožňuje stanovit rozložení zvukové energie v prostoru v závislosti na čase a poloze uvažovaného bodu. Metody vlnové prostorové akustiky jsou velmi komplikované a často jsou nahrazovány metodami statistickými, které problém hustoty energie řeší z hlediska počtu pravděpodobností a úvah, založených na stanovení průměrných parametrů. Statistická teorie prostorové akustiky předpokládá, že:
- hustota zvukové energie je v každém bodě prostoru stejná a její velikost je dána součtem středních hodnot energie, připadajících na uvažovaný bod v důsledku odrazů zvuku od stěn;
- v dopadu zvukové energie do uvažovaného bodu jsou zastoupeny všechny úhly se stejnou pravděpodobností. Takto vzniklé pole je pak stejnorodé a difúzní.
Při ozvučení uzavřeného prostoru o objemu V [m3], ploše S [m2] a jejich středním činiteli zvukové pohltivosti αs [–], bude změna hustoty energie E v závislosti na čase t probíhat dle následujícího vztahu (5):
(5)
kde je
- W0
- akustický výkon zdroje zvuku [W‧m−2]
- Wa
- výkon zvukové energie pohlcené stěnami prostoru [W‧m−2]
- V
- objem místnosti [m3]
Na základě statistické teorie je hodnota Wa dána výrazem (6):
(6)
kde je
- c
- rychlost zvuku [m‧s−1]
- α
- činitel zvukové pohltivosti [–]
- S
- plocha stěn [m2]
- A
- pohltivost uzavřeného prostoru [m2]
V okamžiku zapojení zvukového zdroje je pohlcena složka Wa = 0, tedy přiváděný výkon přispívá celý k vzrůstu hustoty energie. Tato doba od t0 do t1 se nazývá názvuk. Jakmile se dosáhne rovnováhy mezi přiváděnou a pohlcenou energií – W0 = Wa , bude dE/dt roven 0, potom se bude jednat o ustálený stav. Hustota energie E0 bude v tomto okamžiku dle (7):
(7)
Pokud poklesne intenzita zvukového zdroje na nulu, W0 = 0, bude hustota zvukové energie vyjádřena dle vztahu (8):
(8)
Hustota zvukové energie se bude účinkem pohltivosti stěn αsnižovat až na nulovou hodnotu. Tato fáze, probíhající v době t2 až t3, se nazývá dozvuk.
Obr. 1 Závislost optimální doby dozvuku T0 při frekvenci 1000 Hz v závislosti na objemu místnosti v obsazeném stavu dle ČSN 73 0525
Obr. 2 Závislost optimální doby dozvuku T0 při frekvenci 1000 Hz v závislosti na objemu místnosti v obsazeném stavu s výjimkou u (5) dle ČSN 73 0527
Vzhledem k vysokému významu dozvuku pro akustickou kvalitu uzavřeného prostoru (akustičnost), byl dozvuk kvalitativně charakterizován dobou dozvuku T [s]. Doba dozvuku T je definována jako doba, za níž klesne intenzita zvuku na jednu miliontinu své původní hodnoty. Při praktickém měření (dle ČSN EN ISO 3382) je doba dozvuku T definovaná jako doba v sekundách, která je potřebná k poklesu hladiny akustického tlaku o 60 dB [7]. Určuje se z lineárně proloženého dozvukového poklesu v úseku mezi hladinami 5 dB až 35 dB pod jeho počáteční hladinou. Hodnotu T lze vyhodnotit na základě menšího dynamického rozsahu než 60 dB a extrapolovat ji na dobu poklesu o 60 dB. Tudíž, je-li T odvozena z časů, v nichž křivka poklesu dosahuje 5 dB a 25 dB pod počáteční hladinou, označuje se T20. Jsou-li použity hodnoty od 5 dB do 35 dB pod počáteční hladinou, označují se T30 [4].
Optimální doba dozvuku T0 [s] je definována jako doporučená hodnota T, která je základním kritériem kvality poslechu v obsazeném uzavřeném prostoru pro některý z daných typů přirozeného signálu nebo pro jejich obvyklé kombinace. Za obsazený stav uzavřeného prostoru se považuje obsazení 80 % až 100 % celkového počtu poslechových míst. Přirozeným signálem se rozumí řeč, zpěv, komorní, symfonická a varhanní hudba apod. Optimální doba dozvuku je závislá na objemu uzavřeného prostoru a na frekvenci [1]. Na následujících obrázcích níže jsou uvedeny závislosti optimální doby dozvuku na objemu místnosti dle jednotlivých typů přirozených signálů a dle typu prostoru.
Obr. 3 Zelená stěna a zkušební aparatura pro stanovení mikroklimatu
Realizace zelené stěny a zelených obrazů
Na základě dlouhodobých akustických problémů a nevhodných mikroklimatických podmínek byla pro studium vlivu zelených prvků na akustické podmínky prostředí interiéru zvolena učebna v 2. NP na Fakultě stavební v budově D s rozměry 9,90 m × 7,95 m × 3,75 m, ve které proběhla realizace vertikální zelené stěny a 4 zelených obrazů.
Vertikální zelená stěna je tvořena systémem plastových květináčů se zavlažovacími kanálky, namontovaných na dřevotřískové desce, která byla ukotvena do stěny učebny. Celý polymerní systém pro zelené stěny/fasády je na bázi recyklovaných plastových oken, což je přínosné z ekologického hlediska. Na tuto zelenou vertikální stěnu o rozměrech 4 m × 2,5 m byly použity následující rostliny: Scandens, Chamadorea, Anthurium pink, Aglaonema cutlass, Maranta tricolor, Calathea lancifolia, Calathea zebrina, Monstera deliciosa, Nephrolepis exaltata Green Lady. Jako substrát byla použita klasická zemina vhodná pro tyto výše uvedené rostliny. Systém zavlažování byl prováděn ručně a potřebná závlaha pro všechny rostliny byla udržována pomocí kanálkového systému. Celá stěna byla během dne (od 8:00 do 18:00) nasvícena pomocí LED lamp, poskytujících rostlinám dostatečné světelné podmínky. Na obrázku 3 je vyobrazena zelená stěna s měřicí aparaturou pro zjištění mikroklimatických podmínek.
Následně byly do učebny nainstalovány další 4 zelené prvky v podobě zelených obrazů, obr. 4 až 7. Jednalo se o tři zelené obrazy o rozměrech 85 cm × 85 cm s odlišnými druhy substrátů a s využitím různých druhů rostlin, čtvrtý obraz o rozměrech 94 cm × 64 cm byl tvořen z mechů. První obraz, viz obrázek 4, obsahoval substrát Seramis, jílový granulát charakteristický jeho vysokou nasákavostí. Na tomto obraze byly nainstalovány následující druhy rostlin: Asplenium nidus, Chamadorea, Anthurium red, Aglaonema maria, Calathea lancifolia, Aglaonema silver, Aglaonema jubilee compacta, Aglaonema anymanee, Croton, Ananas, Chlorophythum, Maranta tricolor, Calathea zebrina, Calathea makoyana, Ficus benjamin, Calathea rose. Druhý obraz, viz obrázek 5, obsahoval jako substrát kombinaci Seramisu a Zeoponicu v poměru 1:1. Zeoponic představuje substrát na bázi zeolitu. Tento druhý obraz sestával z následujících rostlin: Asplenium nidus, Chamadorea, Anthurium red, Aglaonema maria, Calathea lancifolia, Aglaonema silver, Aglaonema cuttles, Aglaonema jubilee compacta, Aglaonema white lance, Spathiphilum, Croton, Imperial red, Maranta tricolor, Calathea zebrina, Ficus benjamin. Pro třetí zelený obraz, viz obrázek 6, byla použita jako substrát zemina. Na tomto obraze byly aplikovány následující rostliny: Asplenium nidus, Asplenium osaka, Anthurium pink, Aglaonema butterfly, Aglaonema cutlass, Spathiphylum, Croton, Ananas, Calathea sanders, Calathea pinstride, Calathea white star. Čtvrtý obraz, viz obrázek 7, byl vytvořen z mechů: Royal Pole Moss, Flat moss, Reindeer Moss, Forest Moss, Spanish Moss, Mountain Moss. Obrázek 8 prezentuje pohled vyučujícího na levou a střední část posluchárny se zelenými prvky.
Obr. 4 Zelený obraz A (Seramis)
Obr. 5 Zelený obraz B (Seramis + Zeoponic)
Obr. 6 Zelený obraz C (Zemina)
Obr. 7 Zelený obraz D – mechový
Obr. 8 Učebna se zelenou stěnou a 3 zelenými obrazy
Experimentální měření
Obr. 9 Zkušební aparatura pro stanovení doby dozvuku (zvukový analyzátor Brüel Kjaer, Investigator TM typ 2260)
Úvodem bylo provedeno akustické měření učebny bez zelených prvků, konkrétně se jednalo o stanovení doby dozvuku dle ČSN ISO 3382 [4, 5] metodou integrované impulsové odezvy (výstřel ze startovací pistole) v neobsazeném stavu. Měřicí aparatura, pro stanovení doby dozvuku, je vyobrazena na obrázku 9.
Doba dozvuku představuje velmi důležitou charakteristiku akustičnosti uzavřeného prostoru. Je definována, jak již bylo uvedeno výše, jako doba v sekundách, za kterou poklesne hladina akustického tlaku v místnosti o 60 dB. V případě, že doba dozvuku je příliš krátká, vyznívá zvukový projev úsečně a tvrdě. V případě, že je doba dozvuku příliš dlouhá, zvukový projev doznívá dlouho. To byl právě případ sledované učebny, kde studenti velmi špatně rozuměli přednášejícím a pro vyučující bylo velmi náročné v této učebně přednášet. Z tohoto důvodu bylo tedy snahou, aby měl každý uzavřený prostor optimální dobu dozvuku vzhledem ke svému objemu a účelu místnosti.
Akustické měření v neobsazeném stavu bylo zopakováno ještě 2×, pro učebnu s instalovanou zelenou stěnou o ploše 10 m2 a dále pak pro učebnu se zelenou stěnou a 4 dalšími zelenými prvky (zelené obrazy), celkem o ploše 12,77 m2. Vyhodnocení akustických vlastností je uvedeno v následující tabulce 1. Průměrné hodnoty doby dozvuku byly výpočtově určeny z 10 měření, v tabulce 1 jsou uvedeny pouze minimální (Min) a maximální (Max) zjištěné hodnoty měření doby dozvuku.
| Učebna bez zelených prvků | Učebna se zelenou stěnou | Učebna se zelenou stěnou a zelenými obrazy | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f | Min | Max | Průměrná hodnota doby dozvuku T | Min | Max | Průměrná hodnota doby dozvuku T | Min | Max | Průměrná hodnota doby dozvuku T |
| 100 | 2,69 | 4,60 | 3,55 | 2,52 | 3,46 | 3,03 | 2,54 | 3,15 | 2,84 |
| 125 | 3,10 | 4,94 | 3,46 | 2,82 | 3,22 | 3,03 | 2,28 | 2,74 | 2,53 |
| 160 | 3,04 | 4,40 | 3,40 | 2,42 | 3,06 | 2,76 | 2,39 | 2,67 | 2,54 |
| 200 | 2,83 | 3,87 | 3,18 | 2,38 | 2,77 | 2,54 | 1,96 | 2,53 | 2,24 |
| 250 | 2,30 | 4,21 | 2,98 | 1,77 | 2,62 | 2,16 | 1,81 | 2,08 | 1,99 |
| 315 | 2,30 | 3,87 | 2,86 | 1,84 | 2,11 | 2,02 | 1,74 | 1,91 | 1,83 |
| 400 | 2,37 | 3,18 | 2,61 | 1,81 | 2,14 | 1,93 | 1,56 | 1,79 | 1,67 |
| 500 | 2,10 | 2,65 | 2,40 | 1,65 | 1,85 | 1,79 | 1,40 | 1,68 | 1,50 |
| 630 | 1,96 | 2,29 | 2,13 | 1,51 | 1,77 | 1,66 | 1,38 | 1,51 | 1,44 |
| 800 | 2,07 | 2,27 | 2,17 | 1,57 | 1,82 | 1,69 | 1,44 | 1,57 | 1,50 |
| 1000 | 1,90 | 2,02 | 1,95 | 1,47 | 1,74 | 1,56 | 1,38 | 1,50 | 1,44 |
| 1250 | 1,86 | 2,02 | 1,96 | 1,48 | 1,69 | 1,59 | 1,38 | 1,50 | 1,43 |
| 1600 | 2,04 | 2,27 | 2,12 | 1,51 | 1,72 | 1,64 | 1,46 | 1,54 | 1,49 |
| 2000 | 1,99 | 2,14 | 2,05 | 1,56 | 1,71 | 1,63 | 1,46 | 1,60 | 1,50 |
| 2500 | 1,83 | 2,02 | 1,92 | 1,58 | 1,72 | 1,65 | 1,48 | 1,68 | 1,54 |
| 3150 | 1,70 | 1,84 | 1,80 | 1,58 | 1,70 | 1,65 | 1,48 | 1,73 | 1,53 |
| 4000 | 1,52 | 1,67 | 1,59 | 1,41 | 1,60 | 1,50 | 1,42 | 1,68 | 1,46 |
| 5000 | 1,22 | 1,32 | 1,28 | 1,29 | 1,36 | 1,32 | 1,26 | 1,45 | 1,31 |
Na základě provedených akustických měření v neobsazeném stavu bylo zjištěno, že zelená stěna i zelené prvky ve sledované učebně snížily významně dobu dozvuku. Porovnání procentuálních změn doby dozvuku v závislosti na frekvenci, před a po realizaci zelené stěny a zelených prvků v přednáškové místnosti, je uvedeno v následující tabulce 2. Na základě uvedených dat je možné sledovat, že u měřených frekvencí došlo ke snížení doby dozvuku, nejvíce v oblasti frekvence 500 Hz, o 37,5 %. Pouze u nejvyšší měřené frekvence 5000 Hz došlo k mírnému navýšení hodnoty doby dozvuku.
| f [Hz] | Procentuální změny | f [Hz] | Procentuální změny |
|---|---|---|---|
| 100 | −20,00 | 800 | −30,88 |
| 125 | −26,88 | 1000 | −26,15 |
| 160 | −25,29 | 1250 | −27,04 |
| 200 | −29,56 | 1600 | −29,72 |
| 250 | −33,22 | 2000 | −26,83 |
| 315 | −36,01 | 2500 | −19,79 |
| 400 | −36,02 | 3150 | −15,00 |
| 500 | −37,50 | 4000 | −8,18 |
| 630 | −32,39 | 5000 | +2,34 |
Závěr
Obr. 10 Doby dozvuku T v učebně
Na základě vyhodnocení akustických měření, stanovení doby dozvuku dle ČSN ISO 3382 metodou integrované impulsové odezvy, je možné konstatovat, že zelená stěna a zelené obrazy měly významný, pozitivní vliv na zlepšení prostorové akustiky interiéru. Porovnání doby dozvuků u učebny bez zelených prvků, poté se zelenou stěnou a na závěr se všemi zelenými prvky v neobsazeném stavu je prezentováno na obrázku 10. Zde je možné sledovat významný pokles doby dozvuku, především v oblasti 125 až 2000 Hz. Doba dozvuku učebny bez zelených prvků (T = 2,40 s) a učebny se zelenými prvky (T = 1,44 s) pro kmitočet 500 Hz se liší o 37,50 %, pro kmitočet 1000 Hz byla stanovena hodnota doby dozvuku u učebny se zelenými prvky rovna 1,43 s, což byla hodnota o 26,15 % nižší než u původní učebny bez zelených prvků. Toto zhodnocení na základě experimentálního měření potvrzují také výsledky ankety prováděné u studentů a vyučujících. Před realizací zelené stěny a zelených obrazů v přednáškové místnosti byla nevhodně řešena prostorová akustika, což bylo hlasově velmi náročné nejen pro přednášející, ale také pro studenty, což má ve výsledku negativní vliv na zdraví i psychickou pohodu. Po realizaci měření a výsledků ankety je prokázáno zlepšení prostorové akustiky, která by měla napomoci snadnějšímu přednesu a odnímání výkladu.
Dle ČSN 73 0527 byla určena také hodnota optimální doby dozvuku T0 v obsazeném stavu učebny. Tato hodnota byla rovna 0,66 s. V případě naměřených dat v učebně při neobsazeném stavu lze tedy očekávat, že při stavu obsazenosti (80 % a více) dojde ke snížení doby dozvuku. Je nutné dodat, že tyto zelené prvky však nemají pouze pozitivní vliv na akustiku interiéru, ale významně ovlivňují mikroklima interiéru a působí kladně na duševní zdraví lidí.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory projektu TAČR Zéta TJ01000203, projektu MŠMT 8J19AT014 a projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Seznam literatury
- ČSN 73 0525 Akustika – Projektování v oboru prostorové akustiky – Všeobecné zásady, ČNI, 1998.
- ČSN 73 0527 Akustika – Projektování v oboru prostorové akustiky – Prostory pro kulturní účely – Prostory ve školách – Prostory pro veřejné účely, ČNI, 2005.
- ČSN 730532 Akustika – Ochrana proti hluku v budovách a posuzování akustických vlastností stavebních výrobků – Požadavky, ČNI, 2010.
- ČSN EN ISO 3382-1 Akustika – Měření parametrů prostorové akustiky – Část 1: Prostory pro přednes hudby a řeči, ČNI, 2009.
- ČSN EN ISO 3382-2 Akustika – Měření parametrů prostorové akustiky – Část 2: Doba dozvuku v běžných prostorech, ČNI, 2009.
- Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. Nařízení vlády o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací.
- S. Šťastník; J. Zach. Stavební akustika a zvukoizolační materiály. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, CERM. 2002.
The paper deals with one of the possibilities of solving the problems of indoor acoustics. Very often interior acoustics have poor interior acoustics. There are many options for solving this problem, one of these options is the green elements built into the interior, which, among other things, have a positive impact on the psychological well-being of people living in the interior. As part of the research work in collaboration with the Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology and the Technical University of Vienna and the company Němec s.r.o. a green wall and green paintings were made into the classroom where the lecturers and students faced poor interior acoustics. The paper describes the effectiveness of these green elements applied in the lecture room in terms of indoor acoustics.