Ekvivalentní hladina akustického tlaku vnitřních prostorů v praxi

Úvod

Obr. 1 Ukázka rozdělení polí přímých a odražených vln

Akustické mikroklima je významnou složkou utvářející vnitřní prostředí budov. Působení hluku na posluchače se stává stále důležitějším problémem, jenž je nutné řešit. Velký důraz musí být kladen na vnitřní mikroklima nejen v obytných prostorech, ale také v pracovním prostředí, kde akustika vnitřního prostoru velmi výrazně ovlivňuje kvalitu a efektivitu prováděných úkonů. I když se zdravotní následky působení nepřiměřené expozice neprojevují okamžitě, na rozdíl od projevů kolísání teploty, které náš organizmus zaznamenává téměř okamžitě, dlouhodobé působení hluku (tj. hluk označován jako jakýkoliv zvuk nepříjemný či škodlivý pro posluchače) poškozuje zdraví jedince nejen fyzicky, ale i psychicky. Řešení problémů akustického mikroklimatu má v dnešní době mnoho způsobů, a to jak aktivních, tak pasivních a stává se stále důležitější složkou při hledání optimálního řešení a vyvážení všech složek interního mikroklimatu.

Případová studie

Obr. 2 Dispozice řešené místnosti

Praktickou ukázku problémů v praxi spojených s měřením akustického tlaku ukazuje následující případová studie. Tato představuje současný typický problém vyskytující se u mnoha staveb, a to, že těsně před předáním stavby uživateli jsou prováděna závěrečná měření, mezi nimi i měření akustického tlaku ve vnitřních prostorách, a následné zjištění nevyhovujícího stavu.

Co teď?

Odpověď je prostá, je nutné příčiny vzniklého problému odstranit a to bez ohledu na to, kdo je onen viník. Případová studie řeší jedenu z možných variant problému. Ve studii řešené dispoziční a technické umístění systému VZT prostoru laboratoře podle projektové dokumentace VZT, je uvedeno na obr. 2.

Řešeným objektem je výzkumné zařízení o čtyřech podzemních podlažích. Měření a výpočty byly zpracovány pro místnost, jež se nachází v 3. podzemním podlaží a je užívána jako laboratoř. Její umístění je v severní časti dispozice u strojovny VZT a u východní fasády objektu.

Obr. 3 Vybavení místnosti

Přesnější představu o místnosti získáme z obr. 3 – vybavení místnosti, které má významný vliv na výslednou hladinu akustického tlaku.

Z obrázku je patrné, že místnost je vybavena akusticky tvrdými materiály (keramické obklady, sádrokartonová konstrukce kufru, laboratorní nábytek ze dřeva a skla).

Celé 3. podzemní podlaží je obsluhováno vzduchotechnickou (VZT) jednotkou umístěnou ve strojovně na tomto podlaží. Místnost je větraná pomocí 2 ks přívodních dvouřadých obdélníkových vyústek a 2 ks odvodních jednořadých obdélníkových vyústek a je větrána rovnotlakým větráním, přívod/odvod vzduchu 550/550 m³/h.

Po realizaci stavby byla v rámci zkoušek před uvedením do provozu provedena mimo jiné orientační měření hladiny akustického tlaku ve vybraných prostorech. Mezi těmito prostory se nalézala i řešená místnost laboratoře. Výsledky z orientačních měření jsou přiloženy na obr. č. 4 a 5. Je patrné, že změřená hladina akustického tlaku silně překračuje hodnotu přípustnou dle NV, jak je definována dle § 3 odst. 2. Ten uvádí, že hygienický limit ustáleného a proměnného hluku na pracovišti, na němž je vykonávána práce náročná na pozornost a soustředění a dále práce pro pracoviště určené pro tvůrčí práci vyjádřený ekvivalentní hladinou akustického tlaku A L_aeq,8h se rovná 50 dB. Součtová ekvivalentní hladiny akustického tlaku v pobytové zóně osob byla změřena při zapnutém přívodu i odvodu VZT na L_p = 61,4 dB(A).

Obr. 4 Průběh ekvivalentní hladiny akustického tlaku v 1/3 oktávovém spektru – měření 2

Obr. 5 Průběh ekvivalentní hladiny akustického tlaku v 1/3 oktávovém spektru – měření 5

Obr. 6 Ukázka použitého zvukoměru

Přiložená měření jsou součástí sady měření provedených na tomto zařízení vzduchotechniky. Ostatní měření z této sady se týkají jiných prostorů, proto jsou pro naše účely nevýznamná. Na obr. 5 si můžeme všimnout, že v oktávovém pásmu 25 Hz lze identifikovat hluk s výraznými tónovými složkami. Měření bylo provedeno zvukoměrem v sestavě:

• Zvukoměr firmy Brüer & Kjaer typ 2250 (jeho ukázka je uvedena na obr. č. 6), ruční analyzátor s citlivostí 50 mV/Pa (odpovídající 26 dB re1V/Pa) +/− 1,5 dB, software zvukoměru BZ 7222, váhový filtr A, měřící rozsah 16,7 dB až 140 dB
• Kalibrátor, Sound Level Calibrator firmy Brüel & Kjaer Type 4231
• Všesměrový kryt firmy Brüel & Kjaer UA 1650

Vzhledem ke skutečnosti, že provedené měření bylo pouze orientačního charakteru a naměřená hodnota nebyla uvažována s nejistotami pozadí měření atd., byl proveden kontrolní výpočet ekvivalentní hladiny akustického tlaku dle realizační projektové dokumentace.

Na přívodním kanálu jsou osazeny 2 ks buňkového tlumiče hluku délky 1 metr a na straně odvodu jsou osazeny 2 ks v provedení 1 a 0,5 metru.

Další hodnotou, jež je nutné stanovit pro výpočet ekvivalentní hladiny akustického tlaku je akusticky pohltivá plocha místnosti spolu se středním součinitelem akustické pohltivosti α. Na obr. 3 vidíme, že laboratoř je řešena jako akusticky tvrdý prostor, nábytek je z nerezu a skla, na stěně jsou osazeny keramické obklady a povrch stěn je omítnut. Tyto skutečnosti nám naznačují, že prostor je spíše akustický reflektor a je možné jej charakterizovat středním činitelem zvukové pohltivosti α = 0,03. Přesná hodnota tohoto činitele je závislá na frekvenčním pásmu a pro praktické použití je neefektivní ji stanovovat pro každý prvek místnosti zvlášť.

Součinitel zvukové pohltivosti vyjadřuje schopnost materiálu pohlcovat dopadající akustické vlnění. Nabývá hodnot 0–1. Sklo nebo beton nabývají hodnoty cca 0,05 a jsou to špatné pohlcovače zvuku. Druhý extrém, absolutní pohltivost zvuku, má např. otevřené okno.

Směrový činitel, který charakterizuje umístění zdroje hluku lze charakterizovat hodnotou Q = 4, protože vyústky jsou umístěny v sádrokartonovém kufru a charakter šíření zvukových vln je „čtvrtprostoru“ (Hodnota směrového činitele Q = 2 vyjadřuje například umístění zdroje zvuku v podhledu, kdy se zvukové vlny šíří v poloprostoru). Tato hodnota výrazně ovlivňuje výslednou hladinu akustického tlaku v místě posluchače.

Akustické parametry VZT jednotky a distribučních elementů

Z tabulky č. 1 lze vyčíst akustické parametry dané vzduchotechnické jednotky. Pro účely hodnocení akustických parametrů ve vnitřním prostoru je nutné znát hodnoty z řádku ZUL – Přívod a ABL – Odvod.

Ekvivalentní hladina akustického výkonu pro přívod čerstvého vzduchu je definována hodnotou ekvivalentního akustického výkonu L_w = 80 dB po úpravě váhovým filtrem A. Pro odvodní ventilátor platí hodnota L_w = 79 dB(A).

Ačkoliv je strojovna řešené VZT jednotky dispozičně situována v sousedství obsluhovaných místností, mají svislé nosné konstrukce dostatečnou neprůzvučnost. Zvuk šířený z jednotky do okolí tedy nezhoršuje akustické mikroklima řešené laboratoře. Jednotka distribuuje do vzduchotechnické sítě 6500 m³/h čerstvého vzduchu a z obsluhovaného prostoru odsává 6350 m³/h. Důležitým prvkem, který hraje klíčovou roli v původní projektové dokumentaci, je typ a osazení koncových elementů.

Obr. 7 Akustické parametry koncových elementů

Jak můžeme vidět z přiložených grafů výrobce distribučních elementů (obr. 7), hladina ekvivalentního akustického výkonu při otevření vyústky na 25 % je L_wA Diagr = 59 dB(A) a opravný součinitel ΔL = −6 dB.

Výsledná hodnota ekvivalentní hladiny akustického výkonu jednoho koncového elementu pak činí 53 dB(A).

Z již uvedené hodnoty akustického výkonu koncového elementu, odhadu středního činitele akustické pohltivosti a požadavku na parametr ekvivalentní hladiny akustického tlaku je zřejmé, že při daném návrhu nemůže být, požadovaných 50 dB(A) dodrženo.

Vezmeme-li do úvahy, že vzduchovodem proudí 6500 m³/h a je nutné v řešené místnosti jedním distribučním elementem přivést 275 m³/h, pak jednoduchým poměrem zjišťujeme, že otevření vyústky musí být 5–10 % a pro tuto hodnotu výrobce akustické parametry neudává.

Je nutné pro následující výpočet ekvivalentní hladiny akustického tlaku v laboratoři určit novou hladinu akustického výkonu koncových elementů. Uvažovaným řešením je zanedbání opravné hodnoty ΔL, tedy hladina akustického výkonu koncového elementu L_w = 59 dB(A). Pro uvedené hodnoty je proveden analytický výpočet výsledné ekvivalentní hladiny akustického tlaku v místě posluchače. Tyto výpočty jsou zpracovány pro varianty přívodní a odvodní větve, jejich vlivu spolupůsobení ve stavu před a po opatřeních. Výsledky všech uvažovaných případů jsou uvedeny v tabulce č. 2.

Výpočtem odpovídající metodice na obr. 1 byla stanovená hodnota ekvivalentní hladiny akustického tlaku na L_p = 63 dB(A). Tato se liší od hodnoty naměřené L_p = 61,4 dB(A) podle obr. 4. Odchylka naměřené hodnoty od vypočtené je způsobena špatným odhadem akustického výkonu koncových elementů, případně skutečností, že nebyl proveden výpočet skutečné akustické pohltivosti prostoru.

Z výsledku měření ověřených kontrolním výpočtem je zřejmé, že musí dojít k nápravě akustických poměrů v řešené místnosti. Tato opatření musí být provedena co nejefektivněji, ale spolu s tím tak, aby ekonomické náklady těchto opatření byly co nejnižší.

Návrh účinného opatření

Obr. 8 Nové napojení koncových distribučních prvků v řešené místnosti laboratoře

Na základě výše zmíněných údajů lze charakterizovat jako hlavní příčinu nevyhovujících akustických poměrů v prostoru zvolený druh koncových elementů a jejich napojení na rozvody vzduchu. Z výsledků z tab. č. 2 můžeme vypozorovat, že hladina akustického výkonu s tlumiči hluku nabývá hodnot L_w = 42 dB(A) pro větev přívodu vzduchu a L_w = 49 dB(A) pro větev odvodu vzduchu. Tyto hodnoty jako takové by po přepočtu na hladinu akustického tlaku způsobovaly zvuk jen o málo větší než předepsaných 50 dB(A). Ale jak můžeme vidět, z vyústek za tlumiči hluku se stávají zdroje akustického výkonu, a tudíž vložený útlum ve formě tlumičů hluku nemá žádný efekt na konečnou hladinu akustického tlaku v místě posluchače.

Po konzultaci s generálním dodavatelem stavby a investorem bylo zvoleno následující řešení. Stávající vzduchotechnické vyústky budou vyjmuty z konstrukce vzduchovodů. Na spodní straně přívodní i odvodní trasy potrubí bude umístěn „box“ s připraveným napojením obdélníkových vyústek přes regulační klapku a pružnou, zvukově izolovanou hadici v délce nejméně 1 metr.

Na obr. 8 je ukázka nového napojení sloužící ke snížení hladiny akustického tlaku v místě posluchače.

Tímto zapojením je eliminován nadměrný hluk vznikající prouděním vzduchu přes vyústku a její regulaci. Spolu s tím je vložen další útlum ve formě pružných zvukově-izolačních hadic, který slouží k eliminaci hluku, jenž by mohl vznikat při nastavení požadovaného průtoku vzduchu regulační klapkou. Při použití této úpravy můžeme uvažovat jiné grafy charakterizující akustický výkon vyústky jako takové, nikoliv vyústky osazené regulací od výrobce (obr. 9). Z obou grafů lze vyčíst, že hladina akustického výkonu takto osazených vyústek nepřesahuje hodnotu 20 dB. Tato hodnota se dá přirovnat k hlučnosti lidského šepotu.

Obr. 9 Odečtení hladiny akustického výkonu dvouřadé přívodní vyústky bez regulace (vlevo) a hladiny akustického výkonu jednořadé odvodní vyústky (vpravo)

Z výsledků uvedených v tab. č. 2 je vidět, že navrhovaná úprava splňuje přesně limitní hodnotu hladiny akustického tlaku v místě posluchače. Pro tento výpočet nebyl uvažován vložený útlum pružnou hadicí a to z důvodu, že není známa její přesná délka. Takto napojené koncové elementy mohou pouze zlepšit akustické mikroklima řešeného prostoru.

Po technických úpravách bylo provedeno další kontrolní měření ekvivalentní hladiny akustického tlaku s výsledkem L_p = 45 dB(A). Průběh této ekvivalentní hladiny akustického tlaku při měření je uveden na obr. 10.

Obr. 10 Průběh ekvivalentní hladiny po úpravách (vlevo), napojení vyústek přes tlumící ohebné hadice (vpravo)

Navržené opatření vedlo při zachování požadovaných průtoků vzduchu ke snížení měřené ekvivalentní hladiny akustického tlaku v řešené místnosti pod mez udávanou nařízením vlády. Na návrh tohoto opatření současně s provedením realizace bylo potřeba cca týden práce, včetně jednání s investorem a generálním dodavatelem stavby.

Závěr

Z předložené případové studie opírající se o reálně řešené problémy na stavbě je zřejmé, že pro splnění základních parametrů (v našem případě akustických) systémů VZT při realizaci je nutné kvalitní a důkladné zpracování projektové dokumentace. Bohužel v současné době, kdy je upřednostňována ve všech fázích přípravy stavby pouze nejnižší cena prací, je uvedených opomenutí čím dál více. Většinou se nejedná se o neznalost projektanta, ale o čas, který za dané peníze může uvedené problematice věnovat. Situace je pak taková, že vynaložené náklady na úpravu a uvedení díla do funkčního a provozuschopného stavu mnohonásobně převyšují hodnotu ušetřenou na projektu samotném.

Článek vznikl za podpory specifického výzkumu FAST 2012.

Literatura

• [1] SZÉKYOVÁ, M., FERSTL, K. a NOVÝ, R. Větrání a klimatizace. 1. české vyd. Bratislava: JAGA, 2006. 359 s. ISBN 80-8076-037-3.
• [2] JELÍNEK, O. Akustické mikroklima nevýrobních objektů. Brno, 2013. 135 s., 3 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov. Vedoucí práce doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D.
• [3] Nařízení vlády 272/2011 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací