Nytt ljudlabb i Jämtland

Bra vibrationer. Tomas Wiklund, konstruktör hos Hallströms till vänster tillsammans med David Sandlund, akustiker hos WSP.

I Nälden, 3 mil väster om Östersund, har man nått en milstolpe då man lägger sista handen vid första delen av ett ljudlabb. Bakom investeringen i tremiljonersklassen står Hallströms Verkstäder med syftet att bättre och snabbare kunna mäta prestandan hos sina ventilationsprodukter och optimera utvecklingsarbetet.

Det finns redan ett antal kvalificerade och ackrediterade ljudlabb i Sverige som bland annat kan mäta insatsdämpning hos ljuddämpare. Det nya ljudlabbet i Nälden i Jämtland ska främst an-vändas internt och har därför ingen ackreditering (en slags certifiering för eller bemyndigande att utföra en viss uppgift) i dagsläget. Meningen är inte heller att konkurrera med befintliga aktörer. Med det egna labbet skall ut-vecklingsingenjörerna själva kunna göra kontrollerade mätningar, vilket kommer ge kritisk kunskap vid utvecklingen av produkterna.

WSP Akustik i Östersund fick förtroendet att konstruera och projektera uppbyggnaden i nära samarbete med John Jonsson, konstruktionsansvarig hos Hallströms. John motiverar investeringen med att ”Vi behövde ett verktyg för att lära oss mer om akustik och utvecklingen av våra ljuddämpare och med ljudlabbet kan vi optimera konstruktionen av våra produkter.” Planen är att bygga ut labbet för att även inkludera mätning med luftflöde men dit har projektet inte nått ännu.

Mätprincip
Som för det flesta områden inom byggteknik finns standardiserade normer även för att mäta och utvärdera prestandan hos ljuddämpare och övrig ventilationsutrustning. Inom rådande standarder finns dessutom flera metoder för att mäta ljuddämpning eller så kallad insatsdämpning hos en ljuddämpare.
Principen för att mäta insatsdämpning, som är den tekniska termen för prestandan hos en ljuddämpare, är en differentialmätning där man kan beskriva utvärderingen som en jämförelse mellan ljudeffekten från en ljudkälla i ett helt odämpat, slätt rörsystem och med ljuddämparen monterad i rörsystemet.
Inom Europa tillämpas metodiken som beskrivs i den branschanpassade standarden EN-ISO 7235:2009 Acoustics – Laboratory measurement procedures for ducted silencers and air-terminal units — Insertion loss, flow noise and total pressure loss.

Figur 1: Principskiss över anläggning för mätning av insatsdämpning utan luftflöde, urklipp ur Europastandarden SS-EN ISO 7235:2009.

I figur 1 illustreras principiell labbuppställning för att mäta prestandan hos kanalljuddämpare. Det behövs ett kanalsystem (2, 5) och en ljudkälla (1), objektet som skall mätas (4a) samt en substitutionskanal, ett slätt rör med samma tvärsnittsarea (4b). Mätningarna kan utföras i kanalen (8) eller i efterklangsrum (7), se förklaring nedan. Övriga detaljer i figuren är mjuka rör-övergångar (3 och 6), samt mikrofoner (9). Mikrofoner (11) och ekofritt avslut (10) används vid mätning i kanalsystemet.

Figur 2: Principskiss över anläggning för akustisk mätning med luftflöde, urklipp ur Europastandarden SS-EN ISO 7235:2009.

För att mäta exempelvis strömningsljud över ett ventilationsdon behövs förenklat ett kontrollerat luftflöde som inte genererar för mycket egenljud. Genom att cirkulera luft från ena änden av systemet till den andra kan man simulera genererat ljud vid specifika driftsfall och samtidigt mäta tryckfallet över ventilationsdetaljen som provas. Befintlig anläggning är förberedd för detta och planen är att snart fullfölja projektering och utbyggnad. I figur 2 illustreras en sådan tillämpning.

Efterklangsrum
Mätningarna kan väljas att utföras i rörsystemet eller som i det aktuella fallet i ett efterklangsrum. Ett efterklangsrum används i flera andra mätningar inom akustik och är som namnet antyder ett rum med hårda ytor, konstruerat för en mycket lång efterklangstid i för-hållande till sin volym. Ljudet studsar fram och tillbaka mellan de hårda rumsytorna och avtar endast långsamt i styrka. För att åstadkomma detta måste materialvalet och massan hos konstruktionen väljas för minsta möjliga ljud-absorption och tillräcklig luftljudsisolering mot störningar utifrån, för mätningarnas skull. Ett representativt exempel på ett hur ljudet upplevs kan höras i första hälften i videon i denna länk:

som jämför skillnaden mellan ett efterklangsrum och ett ekofritt rum, som är den raka motsatsen,  ifrån ett ljudlabb på Edinburghs Universitet. I Skottland återfinns även rekordet på längsta registrerade efterklangstid i ett gammalt bergrum som tidigare använts för att lagra olja:

Rummet har en lång efterklangstid vilket skapar en speciell upplevelse, exempelvis är det svårt att föra ett begripligt samtal i rummet och i vissa frekvenser ligger ljudet kvar i rummet i flera sekunder, likt ljudförhållandena i en kyrka. Det främsta skälet till att mätningarna valts att utföras i ett efterklangsrum är användarvänligheten och enkelheten i arbetet. Trots att det är dyrt att uppföra räknar man med att det skall betala sig i förkortad arbetstid per mätning. Rummet är varje snickares mardröm; ett femkantigt utrymme med lutande pulpettak. Som tur är behövs inget invändigt listverk eller möblering.

Figur 3: Schematisk uppbyggnad av efterklangsrummet och vibrationsisoleringens placering. Till vänster om det rektangulära dörrhålet syns rörsystemets anslutnings-öppning, cirkulärt hål i bakkant av rummet för anslutning av retur-ledning vid mätning med luftflöde.

Syftet med den oregelbundna formen är att skapa ett diffust ljudfält vilket närmast kan beskrivas som en så jämn ljudbild som möjligt. Idealt ska ljudnivån vara densamma i varje punkt, vilket innebär att man snabbare och enklare kan få ett bra mått på ljudnivån. Utan parallella ytor minimeras risken för stående ljudvågor och det ljud som faller in mot väggarna reflekteras kaosartat inom utrymmet. Förutom kravet på diffust ljudfält återfinns ett flertal geometrirelaterade krav för att kunna utföra mätningarna korrekt. Därför projekterades rummet med hjälp av 3D-verktyget Inventor (se modellen i figur 3) vilket underlättade uppskattningen av volymer, spatial mikrofonplacering, massaberäkningar, viktfördelning med mera.
Störningar ifrån yttre ljudkällor måste hållas tillräckligt små. Den så kallade bakgrundsnivån bör vara 10 dB under mätområdet, för vid denna differens är bidraget från bakgrundsljud försumbar i mätresultatet. Då mätlabbet inrättats på en plats där man kan räkna med passage ifrån tung trafik på gatan utanför och diverse ljudkällor från aktiviteter på fastigheten var relevanta delar av systemet tvungna att isoleras ifrån ljud och vibrationer.
Av rumsakustiska skäl och för att minimera störningar utifrån projekterades därför en dubbelväggskonstruktion av prefabricerade betongväggar och takdelar mot insidan, med ett mellanrum fyllt med mineralull och ett yttre skal byggt av cementbaserade skivor. Golvet är ett samverkansbjälklag där sista laget gjöts efter montaget av de olika betongdelarna.
Hela det inre rummet står också vibrationsisolerat ifrån omgivningen på polyuretangummibaserade plattor mot ett cirka 400 mm tjockt betongfundament vilket ger en teoretisk egenfrekvens under 10 Hz som är tillräckligt långt ifrån och tillräckligt isolerat vid det lägsta intressanta frekvensbandet som skall mätas i labbet. Verifiering genom ljudmätning har påvisat att det sammansatta systemet erbjuder en luftljudsisolering på R’_w = 68 dB och att passager från tung trafik på den när-belägna transportvägen i industriområdet inte påverkar mätresultatet märkbart.

Kanalsystem och ljudkälla
Kanalsystemets syfte är att leda ljudet från ljudkällan, genom testobjektet (ljuddämparen) till efterrummet. För att detta skall vara möjligt för alla kanaldimensioner krävs ett helt bibliotek av kanalövergångar och kanaldelar och ett användarvänligt system, vilket utarbetades i nära samråd med kunden. Som ljudkälla används en högtalare med två huvudsakliga egenskaper, hög känslighet och bred frekvensåtergivning.
Kanalsystemet är den del av systemet som är känsligast för störningar utifrån. Ljudreduktionen, särskilt vid låga frekvenser, är sämre än efterklangsrummets på grund av att rörkonstruktionen saknar erforderlig massa. Det är opraktiskt att bygga upp rördelarna med den massa som krävs, dessutom krävs då samma åtgärd runt den ljuddämpare som testas för tillfället vilket kan påverka mätningarna. Samtidigt är det svårare att räkna på ljudreduktionen hos cirkulära rör, därför verifierades anläggningen med mätning och först då kunde man konstatera att kanalkonstruktionen var riktigt utförd.
En stor högtalare i änden av kanalsystemet fungerar som ljudkälla. Den genererar vitt brus, med så lika ljudnivå som möjligt vid alla frekvensband, och med tillräckligt hög ljudstyrka. För den som inte har hört vitt brus (eller bandbegränsat vitt brus) kan det beskrivas som en signal som kännetecknas av att det innehåller alla frekvenser med samma sannolikhet och genomsnittliga energi.
Den maximala uppmätbara dämpningen D_imax beror dels på vilken ljudstyrka man kan generera i anläggningen och dels hur mycket ljud som fortplantar sig som vibrationer i kanalstrukturen. För att inte störningar och signalbrus ska påverka mätning behöver man vara säker på att det man mäter inte påverkas av bakgrundsnivån. De uppmätta signalerna behöver därför vara med en viss marginal (minst 6 dB men helst 10 dB) mot den så kallade bakgrundsnivån, vid 10 dB differens mellan bakgrundsnivå och uppmätt nivå är störningen försumbar.

Mätning och utvärdering
Mätningen sker med hjälp av ett flerkanaligt mätsystem, vilket kan utföra mätningar ifrån flera mikrofoner simultant, vilket är till en stor fördel ur användarsynpunkt eftersom mätningen då kan utföras under 30 sekunder med minimal risk för ljudstörningar. Om en mätning blir störd går det dessutom snabbt att mäta om. Visserligen tillkommer tid för riggning, men det är stor skillnad mot en föregående testrigg som användes på Hallströms då man mätte i kanalsystemet, vilket var känsligare för störningar och som utfördes av ljudkonsult. En rutinerad mättekniker bedöms kunna utföra ett 20-tal mätningar inklusive utvärderingar per dag när Hallströms gör mätningar i produktutvecklingssammanhang. Om man kan utföra många mätningar under kort tid kan man tillåta sig att testa många olika alternativ och vara mer kreativ än om man noga måste planera alla försök.
Mätning och utvärdering av mätresultatet är relativt enkelt när väl förutsättningarna för en kontrollerad miljö är uppfyllda. Det som mäts är framförallt insatsdämpning D_i och det är ljudeffektsreduktionen för ett testobjekt (exempelvis en ljuddämpare) när denna ersätter ett slätt rör eller mot-svarande kanal med lika tvärsnittsarea och ges av ekvationen;

där L_WI är ljudeffektnivån i det aktuella tersbandet strålandes från kanalsystemet ut i efterklangsrummet, med ljuddämparen monterad och där L_WII är ljudeffektnivån med ersättningskanalen monterad.

Anm. I de flesta fall av mätning av ljuddämpare så monteras denna i kanalsystemet och då påverkas inte efterklangsrummets rumsakustik mellan mätning av ersättningskanal och ljuddämpare och ljudeffektsnivå kan då substitueras mot ljudtrycksnivå;

Ljudeffektnivån mäts i ofta i tersband (tredjedels oktavband) från 50 – 10 kHz, industristandarden för att beskriva en bredbandig ljuddämpares prestanda presenteras i de 8 oktavbanden 63 – 8 kHz. Att utföra mätningen i tersband ger en finare upplösning och bättre förståelse för hur ljuddämparen fungerar. Sammanvägningen av tersbanden till oktavbanden görs med hjälp av ekvationen

där D_1/1 är ljuddämpningen, i decibel, för oktavbandet i fråga; D_1/3,1 till D_1/3,3 är ljuddämpningen, i decibel, för de tre tersbanden som utgör oktavbandet i fråga.

Förbättra och optimera prestandan
Tomas Wiklund är konstruktör hos Hallströms och kommer vara den som är ansvarig för det dagliga användandet av ljudlabbet. Med mätningar i egen regi tror han att man också kommer kunna experimentera med nya lösningar, våga tänka utanför de befintliga ramarna och inte begränsa sig till att jobba inom nuvarande produktionsteknik.
Tomas och hans kollegor kommer också kunna konstruera och designa produkter tills dess att de är tillräckligt nöjda för en deklarationsmätning hos ackrediterat ljudlabb, där detta krävs. Med tanke på att en sådan mätning är kostsam så är det en stor fördel att först kunna iterera fram en bra produkt på hemmaplan. En annan fördel är att man snabbt kan ta fram och mäta upp dämpare som specialbyggts för enstaka projekt med speciella förutsättningar och där standardkomponenter inte kan användas.
Med konventionella ljuddämpare är det i regel lättare att dämpa ljud i hög- och mellanfrekvensbanden medan det är svårt att dämpa ljud i de lägsta frekvensbanden som utgör oktavbanden 63 och 125 Hz. Förmågan att dämpa ljud i de lägsta frekvenserna kan sägas vara det som differentierar bra och dåliga ljuddämpare men olyckligtvis är detta även det svåraste att mäta med hög noggrannhet.
Storleken på efterklangsrummet begränsar vid vilken frekvens ljuddiffusionen i rummet är tillräcklig. Under en viss rumsvolym kan man ej mäta tillräckligt jämnt i hela rummet under en viss frekvens för att det skall vara godtagbart enligt standarden. I detta fall går det däremot utmärkt att mäta i kanalsystemet om man har behovet att mäta med högsta noggrannhet.
Generellt är den teoretiska precisionen för mätningar i efterklangsrum mellan 1 – 3 dB beroende på frekvensband. Dessutom finns förhållandevis stor spridning mellan individuella ljuddämpare där skillnader i exempelvis mineralullsdensitet och tillverkning påverkar prestandan. Det är därför viktigt att kontinuerligt mäta och kontrollera prestandan.
Det är väl värt att syna på vilka grunder hantverkare deklarerar prestandan hos en ljuddämpare innan projektering. En ljuddämpare som inte presterar i labbmätningar kommer i regel vara ännu sämre i fält och med undermålig ljuddämpning skjuter man problem med installationsbuller och överhörning mellan utrymmen framför sig. I värsta fall upptäcks detta först vid en akustisk kontrollmätning i samband med slut-besiktning och kostnaden för åtgärder överstiger då sannolikt skillnaden vid inköp.

Artikelförfattare
David Sandlund, WSP Akustik

Artikeln är publicerad i Bygg & teknik nr 3/19