ERGONÓMIA 5.2
A hallhatóságot javító és a zajokat csökkentő, új teremakusztikai elemek Tárgyszavak: akusztika; zajcsillapítás; teremakusztika; utánzengési idő; beszédérthetőség; mikroperforált lemez; hangelnyelés.
Az építészet mai irányelvei nem kedveznek az egyre több panaszt és lassú, de helyrehozhatatlan halláskárosodást okozó, az idegrendszert terhelő környezeti zajok csillapításának. Töretlen a falakon, a mennyezeteken és a padlókon egyre több üveget, betont, terméskövet alkalmazó építészeti irányzat, és a belsőépítészetben is egyre kevesebb szálas szerkezetű vagy porózus anyagot alkalmaznak, pl. szőnyegek, függönyök, kárpitozott bútorok, hangcsillapító textíliák vagy vakolatok alakjában, amelyek valamennyire hozzájárulhatnának a zajok csillapításához. Elterjedtek a könnyen tisztítható és kevéssé szennyeződő sima, zárt felületek, és így a helyiségek akusztikájával foglalkozó szakemberek nehezen vagy alig találnak olyan felületeket, amelyeken a hagyományos akusztikai anyagok elhelyezését javasolhatnák. Ugyanakkor elsősorban a kommunikatív célokat szolgáló helyiségekben nő a zajok csillapítása és az akusztikai szempontból kellemes kialakítás iránti igény.
Teremakusztika és ergonómia A racionalizálási törekvések következtében a rendkívül zajos üzemcsarnokokban dolgozók száma egyre csökken, ugyanakkor nő a nagyobb szellemi és kommunikatív tevékenységeket igénylő munkahelyek száma. A hivatalnokok, ügyintézők, vezető beosztású személyek termelékenységét a zaj még nagyobb mértékben befolyásolja, mint az üzemi dolgozókét. Az irodagépek, klímaberendezések, mások telefonbeszélgetései a zajszint 80 dB(A)-nál kisebb értékeinél maradandó halláskárosodást ugyan nem okoznak, az 1. ábrán látható skála szerint azonban már 70 dB(A) felett vegetatív károsodások következnek be.
30
50
70
90
110
anyagfáradás
fizikai roncsolódások, fájdalomküszöb
nagyothallás, lassan kialakuló halláskárosodások
zajpótlék, vegetatív zavarok
termelékenység, termelés csökkenése
alvászavar, ingerküszöb
észlelés határa, hallásküszöb 0
130 dB(A)
1. ábra Zaj hatásai az emberre Irodákban, tárgyalóhelyiségekben az 50 és 70 dB(A) közötti zajszint egyértelműen csökkenti a teljesítményt. Ezért az előírások „túlnyomó részben szellemi tevékenységek” esetén 55 dB(A) határérték, „szokásos irodai tevékenység” esetén 45 és 55 dB(A) közötti, „különös koncentrációt igénylő tevékenység” esetén 35 és 45 dB (A) közötti értékek betartását követelik meg. A zaj csökkentése az irodagépek, klímaberendezések, nyomtatók, fénymásoló gépek saját zajának csökkentése mellett a zajforrások tokozásával, árnyékolásával, valamint a helyiségben a mennyezetig érő elválasztó falakkal, továbbá a falak, a menynyezet teremakusztikai csillapítóeszközökkel való felszerelésével lehetséges. Ez utóbbi megoldás előnyös tulajdonságai közé tartozik az, hogy a helyiségben keletkező és a kívülről behatoló zajokat is csillapítja, kellemes akusztikus környezetet teremt, ami a közvetlen és a telefonbeszélgetés érthetőségét javítja, sőt a tiszta, transzparens akusztika nem provokál hangos beszédet, hanem visszafogottabb beszédre ösztönöz.
A csak közepes és nagyobb frekvenciákon hatásos, porózus vagy szálas szerkezetű akusztikai anyagok sem töltik be feladatukat kielégítő módon, a helyiségben gyakran „tompa” hangzást keltenek. Az akusztikai szempontból „kellemesen” ható helyiségek kialakításához a kisebb frekvenciákat is széles sávban csillapítani kell. E követelmény elhanyagolása különösen iskolai osztálytermekben, irodákban, konferenciahelyiségekben zavaró. Ezen a gondon nem segítenek a szokásos, hangelnyelő álmennyezetek, gipszkarton falburkolatok sem, mert ezek 250 Hz-nél kisebb frekvenciákon nem hatásosak.
Kis frekvenciák problémája kis helyiségekben A hagyományos épületakusztikai követelmények a 125 Hz-től néhány kilohertzig terjedő tartományra koncentrálnak. A minden irányban kb. 10 méternél nagyobb méretű helyiségben a geometriai akusztika törvényei érvényesek; stacionárius gerjesztés esetén homogén („diffúz”) hangtér alakul ki, amely a helyiség falain a használatos hangabszorberekkel csillapítható. Kis frekvenciákon a kisebb helyiségek azonban bizonyos frekvenciákon üregrezonátorhoz hasonlóan viselkednek. A hangtér visszaverő falak között, állóhullámokhoz hasonló módon határozottan inhomogén, 20 és akár 40 dB közötti szintkülönbségek lépnek fel. Ez a jelenség a hangot keltő és a hangot vevő helyzetétől függően a hangkép jelentős torzulását okozhatja. A beszéd érthetősége szempontjából legfontosabb a kb. 500 és 4000 Hz közötti frekvenciatartomány. Ehhez csatlakozik az érthetőség szempontjából kevésbé fontos, kb. 63 Hz-ig tartó alaphangtartomány, amely azonban jelentős mértékben gerjesztheti a helyiség sajátfrekvenciáit. A beszéd érthetőségét természetesen jelentősen rontja az „értékes” frekvenciatartományba eső zavaró zaj, azonban mivel kisebb frekvenciájú hangok részben elfedik a magasabb hangokat, így az 500 Hznél akár lényegesen kisebb frekvenciájú zavaró hangok is nagymértékben ronthatják a beszédérthetőséget, és fárasztóvá teszik a több személy közötti beszélgetést. Általánosan elfogadott nézet az, hogy elsősorban az élő, de még inkább az elektroakusztikusan erősített beszéd céljait szolgáló helyiségek (előadótermek, irodák, iskolai osztálytermek) utánzengési ideje lehetőleg kicsi legyen. Eddig is az volt az elfogadott szabály, hogy kisebb frekvenciákon az utánzengési idő ne legyen több mint 20%-kal nagyobb az 500 vagy 1000 Hertzen mért értéknél. Ugyanakkor viszont meggyökeresedett
az a felfogás is, hogy mivel a beszéd 250, vagy esetleg 125 Hertznél kisebb frekvenciái nem tartalmaznak hasznos információkat, így ezzel a tartománnyal nem is kell foglalkozni. Kevéssé ismert viszont az a tény, hogy a helyiség nem artikulált, kisfrekvenciás „dübörgése” csökkenti a beszédérthetőséget. Az új, DIN 18041:2003-04 jelű szabvány viszont egészen 63 Hz-ig követeli meg az utánzengés hathatós csillapítását. E követelményt a szakértők csak vonakodva fogadják el, nyilván abból kiindulva, hogy a helyiségben közelítőleg statisztikailag egyenletesen elosztott hangenergiából eredő Anévl = 0,163
V Tnévl
(1)
„ekvivalens abszorbeáló felület” előreláthatólag megvalósíthatatlanul nagy értékeket vesz majd fel. Nagy frekvenciákon és nagy V [m3] térfogat esetén a levegő két visszaverődés közötti (m [m-1]) távolságon bekövetkező abszorpciója javítja a helyzetet, Anévl = Σ αiSi + Σ A j + 4mV [m2] i
j
(2)
Közepes frekvenciákon a helyiségben levő bútorok és személyek Aj abszorpciós felülete gyakran már elégséges vagy (zene közvetítéséhez) túl nagy csillapítást okoz. Amennyiben az abszorpciót növelni kell, általában lehet néhány Si felületet találni, amelyeken nagy és közepes frekvenciákon nagy αi abszorpciós fokú anyagot lehet elhelyezni. Azonban kis vagy közepes méretű helyiségekre végzett becslés szerint, ha a teljes, szükséges abszorpciót egyetlen, állandó α abszorpciójú Sα felülettel kell megvalósítani, akkor ez (a megvalósítható α értékétől függően) a helyiség teljes felületének nagy hányadát veszi igénybe: Sα A 0,163 V = névl = Sössz αSössz α TnévlSössz
(3)
A 2–4. ábrák ezt az arányt szemléltetik az új DIN 18041 követelményeinek megfelelően, paraméterként az α értékét választva, V1/3 , illetve kocka alakú helyiség élhosszúságának függvényében. Az 5. ábra azt mutatja, hogy ezt a durva becslést közelítésként téglatest alakú helyiségekre is alkalmazni lehet.
abszorberfelület hányada, %
100
80
α=1 a = 1 ,0 60
α=0,8 0,8 0,6 α=0,6 0,4 α=0,4
40
0,2 α=0,2 20
0 4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
helyiség nagysága, m
2. ábra A szükséges abszorberfelület Sα/Sössz hányada, zenei előadásokra szolgáló helyiségekben, a helyiség V1/3 nagyságának függvényében, az új DIN 18041 alapján
abszorberfelület hányada, %
100
80 a = 1 ,0 α=1 0,8 α=0,8
60
0,6 α=0,6 0,4 α=0,4
40
α=0,2 0,2 20
0 4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
helyiség nagysága, m
3. ábra A szükséges abszorberfelület Sα/Sössz hányada, beszédre szolgáló helyiségekben, a helyiség V1/3 nagyságának függvényében, az új DIN 18041 alapján
abszorberfelület hányada, %
100
80 a = 1 ,0 α=1 60
α=0,8 0,8 0,6 α=0,6 0,4 α=0,4
40
α=0,2 0,2 20
0 4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
helyiség nagysága, m
4. ábra A szükséges abszorberfelület Sα/Sössz hányada, intenzív kommunikációt igénylő munka- és szabadidő-tevékenységekre szolgáló helyiségekben, a helyiség V1/3 nagyságának függvényében, az új DIN 18041 alapján
abszorberfelület hányada, %
100 kocka: a = b = c téglatest: 1,5b = 2,5 c
80
60
40
20
0 4
6
8
10
12
14
16
18
20
helyiség nagysága, m
5. ábra A helyiség alakjának hatása a szükséges abszorberfelületre, beszédre szolgáló helyiségekben, α = 0,8 értékkel, a helyiség V1/3 nagyságának függvényében, az új DIN 18041 alapján
Az 5. ábra szerint, átlagos igények (előadás szövegének jó érthetősége) esetén kb. 200 m3 térfogatú helyiségekben Sössz kb. 20% nagyságú, α = 0,4 esetén Sössz /2, α = 0,8 esetén Sössz /4 nagyságú abszorbeáló felületre lenne szükség. Általánosan ismert tény, hogy kielégítően nagy abszorpció sem a nyers falazott építményben, sem a manapság szokásos belsőépítészeti megoldásokkal nem érhető el. Ezért egészen 63 Hzig terjedő, nagy abszorpciójú elemeket kell kifejleszteni, amelyek felületigénye a belsőépítészek és a helyiséget használók számára is elfogadható. Mivel azonban ilyen célra a mennyezet teljes felülete (tehát Sα/Sössz ≅ 0,17) csak ritkán használható, ezért az akusztikus szakember számára a következő feladat merül fel: 1. A mindenkori feladathoz illeszkedő, kis frekvenciákon is megfelelő, maximális abszorpciójú abszorbeáló elemeknek kell rendelkezésre állni. 2. Meglehetősen pontosan tudni kell, hogy mekkora legyen a helyiséget határoló felületek összesített abszorpciója, különös tekintettel azokra a felületrészekre, amelyeken járulékos hangabszorbeáló elemeket kell elhelyezni. 3. Különösen a kisebb frekvenciák kezelése során tudni kell számítani és másokat meggyőzni arról, hogy az akusztikai elemek hatásossága nemcsak a szerkezetüktől, hanem a helyiségen belüli elhelyezésüktől is függ. Különösen a 3. pont teszi indokolttá azt, hogy az akusztikai szakértő már az építmény tervezésének nagyon korai szakaszában, az építésszel és más társtervezőkkel egyeztetve, kötelező érvénnyel biztosítsa magának a teremakusztikai elemek felszereléséhez a lehetséges felületeket, mert egyébként a rossz tervezés éppen a mennyezet tartományában okozhat komoly konfliktust az épület többi, egyre változatosabb műszaki berendezéseinek szerelésével. Helyiségek kellemes akusztikájának (a beszéd érthetőségének, a zene tisztaságának) megvalósítása a jelenlegi építészeti és hasznosítási körülmények között egyáltalán nem egyszerű feladat. Amennyiben azonban akusztikai szakember – a korlátozott költségek és határidők ellenére – lehetőséget kap a teremakusztika tervezésére és megvalósítására, akkor optimálisan használja a rendelkezésére bocsátott felületeket és lehetőségeket, a tervezés során eredményesen foglalkozzon a teljes releváns frekvenciatartománnyal. Amit a 125 vagy 250 Hz alatti tartományban elmulaszt, azt – a gyakran hangoztatott nézetek ellenére – ké-
sőbb aligha lehet a nagyobb frekvenciák tartományában, bármilyen nagy teremakusztikai ráfordítással jóvátenni.
Egy általános probléma megoldása Mivel különösen a zavaró sajátfrekvenciák esetében világosan definiált térbeli problémáról van szó, kézenfekvő a megszüntetése a klasszikus teremakusztika tételeiből levezetett geometriai megoldásokkal. Párhuzamos falakat némileg ferdére állítva megszüntethetők az ismert „lebegő visszhangok”. Azonban ezek a nagyobb frekvenciákon valóban eredményes eljárások a szükségszerűen vékony fal- és mennyezetburkolatokkal együtt kis frekvenciákon gyakorlatilag hatástalanok. A kisebb helyiségek akusztikájának javítása megoldható különleges diffúzorok elhelyezésével. Ezek azonban csak akkor lehetnének hatásosak, ha méreteik a hullámhossz nagyságrendjébe esnének, ami viszont a helyiség költséges, lényeges térfogatrészeinek elvesztésével járna. A helyiség geometriájának célszerű megválasztására akkor van lehetőség, ha az akusztikai szakértőt már az épület tervezési szakaszában, az alaprajzok kialakításába is bevonják. Az akusztikus módusok gerjesztése különösen részben vagy teljesen konkáv (gömb-, hengervagy elliptikus) felületekkel határolt helyiségekben észlelhető. Célszerűek az olyan téglatest alakú helyiségek, amelyek oldalainak arányait nem egész számok határozzák meg, mert ebben az esetben a helyiség sajátfrekvenciái egyenletesen oszlanak el. Ha ez a megoldás valamilyen ok miatt nem lehetséges, kedvezőtlen geometriai viszonyok esetében következetesen ragaszkodni kell megfelelő abszorbeáló elemek alkalmazásához. Az építésfizikai Fraunhofer Intézet helyiségakusztikai csoportjában az ALFA (Alternativ Faserfreier Absorber = szálas anyag nélküli, alternatív abszorber) típusnevű abszorber kis frekvenciákon hatásos, kis helyigényű változatát fejlesztették ki. Ez az újszerű eszköz csillapítja a helyiség átviteli függvényének rezonanciák által okozott maximumait, a rezonanciák közötti tartományokat pedig kiemeli, és így ezzel 50 Hz felett meglehetősen egyenletes átviteli függvény valósítható meg, nagy térfogatú kazettás álmennyezetek, élabszorberek vagy basszuscsapdák nélkül. A kifejlesztett mikroperforált felületi eszközök fémből, fából vagy műanyagból készült vékony lemezek, amelyeken sok, célszerűen 1 mmnél kisebb átmérőjű furat van, amelyek a beeső hangenergia 80%-nál
nagyobb hányadát tudják elnyelni. Egy 10 × 7 × 3 m3 méretű, akusztikailag kemény falú és padlózatú, kevés bútort tartalmazó helyiségben a mennyezet alatt 40 cm-rel 0,5 mm vastag mikroperforált lemezt felfüggesztve az utánzengési idő (a helyiségben tartózkodó személyek nélkül) 125 Hz-nél nagyobb frekvenciákon már a megkövetelt tűréstartományon belül van Az általában fehérre festett mennyezetelemek – hangabszorpciója (125 Hz felett) jó, – fényvisszaverő képessége 99%-nál nagyobb, – könnyen szerelhetők (nem tartalmaznak a szerelést akadályozó csillapító anyagot), – szárazon vagy nedvesen könnyen tisztíthatók. Jól beváltak az ablakok és homlokzatok előtt elhelyezett, akrilüveg anyagú, mikroperforált lemezek is. Mivel a 0,5–0,8 mm átmérőjű furatokban pulzál a levegő, így ezekben por nem rakódik le. Alig 0,2 mm vastag, még finomabban mikroperforált (átlátszó, színes vagy nyomtatott) műanyag fóliákkal, pl. nagy abszorpciójú, mozgatható ablakredőnyök vagy nagy irodahelyiségek elválasztó falainak bevonatai készíthetők, amelyek a közepes és nagyobb frekvenciákat csillapítják. Csupán a mikroperforált lemezek alkalmazásával a 125 Hz alatti tartományban a helyiség utánzengési ideje nem csökkenthető a DIN 18041 által megkövetelt szint alá. Amennyiben a helyiségek teljes mennyezetének fedése nem lehetséges, és a kis sajátfrekvenciákat is hatásosan csillapítani kell, akkor a kombinált lemezes akusztikai modulok alkalmazhatók. Ezek általában 1,5 × 1,0 m2 méretűek. Az 50 és 500 Hz közötti tartományban csillapító VPR (Verbundplatten-Resonator = kombinált lemezes rezonátor) elemek sík előlapja 1–2,5 mm vastag acéllemez, amely pontszerűen szilárdan kapcsolódik a nagy csillapítású, porózus vagy szálas szerkezetű hátsó lemezhez, azonban teljes felületén felfekszik arra. Amennyiben nagyobb frekvenciákon is szükséges abszorpció, akkor az acéllemez két csillapító tulajdonságú lemez közé helyezhető. Ezzel a BKA (Breitband-Kompaktabsorber) és a VPR elemmel minden tárgyaló-, előadó- stb. helyiség számára lényeges frekvenciatartományt egyetlen elemmel át lehet fogni. Modulos szerkezete optimális akusztikai környezet kialakítását teszi lehetővé olyan helyiségekben is, amelyekben belsőépítészeti, energetikai vagy tapintási okok miatt a mennyezeten, a falakon és a padlón nincs mód felületszerűen szálas vagy porózus szerkezetű „akusztikai” anyagok alkalmazására.
Példák az újszerű akusztikai elemek eredményes alkalmazására Egy népfőiskola védett műemléknek minősített előadótermében a 63 Hz-en mért 5 s utánzengési időt 1,5 s-re sikerült csökkenteni, és 80 Hz felett állandó 1 s értékre beállítani. Demonstrációs céllal az építésfizikai Fraunhofer Intézet öt irodáját és tárgyalóhelyiségét a kis és a közepes frekvenciákat különböző mértékben csillapító, a falakon és a mennyezeten elhelyezett VPRmodulokkal szerelték fel. Eddig minden látogató felfigyelt e helyiségekben a beszéd érthetőségére. Néhány érdeklődő megjegyezte ugyan, hogy ezt a problémát más módszerekkel is meg lehetne oldani, – azonban kétséges eredménnyel és gyakran költséges utómunkálatokkal. Korszerű irodarendszerekben és nyitott ügyfélfogadó helyiségekben a jövőben is szükség lesz bizalmas megbeszélésekre, koncentrációra és a feszültség oldására alkalmas, zárt területekre. A környezettel való kapcsolat érdekében ezeket a fülkéket gyakran üveglapokkal határolják. Az ebből eredő utánzengést ugyancsak csökkenteni lehet az újszerű, szálas anyagok nélküli abszerbeáló elemekkel, amelyekkel az utánzengési időt széles sávban messze 0,5 s-nél kisebb értékre lehet csökkenteni. Igen nagy méretű, magas helyiségek akusztikai viszonyai is optimálhatók, akár a műemlékvédelmi követelményeket is betartva. Egy 2400 m3-es üzemcsarnok közel 8 s-os utánzengési idejét a 63–1000 Hz tartományban a nagyon kellemes 1,3 s értékre sikerült csökkenteni anélkül, hogy a szükséges elemek feltűnővé váltak volna. A Fraunhofer Intézet innovációs centrumában nemcsak a jövő irodájának elektronikus és szervezési eszközeit mutatják be, hanem VPR modulokkal, mikroperforált elemekkel a konferenciaterem akusztikáját is optimálták. Egy több célra használatos teremben keretekre feszített fóliákkal gondoskodtak az egyes részterületek akusztikai elhatárolásáról. Telefonos ügyfélszolgálati irodában először a teljes helyiségben kell a DIN 18041:2003-4 szerint lényeges frekvenciatartományban a csillapítást a fentebb leírtak alapján megvalósítani. A különféle emberi és technikai zajforrások által gerjesztett sajátrezonanciák lehetőségének megszűntetése után lehet az egyes munkahelyek közötti zajszigetelést és zajárnyékolást megvalósítani például függőlegesen elhelyezett, keretbe foglalt, két, egymástól kb. 30 mm távolságban levő, mikroperforált polikarbonát fóliából készült zajszigetelő elemekkel, ugyancsak átlátszó anyagú, a mennyezethez kapcsolódó elemekkel kombinálva. A szemmagasságban levő, kis méretű ernyők a zajcsillapítás szempontjából
nem hatásosak; kritikus esetekben viszont zárt üvegkabinokat lehet használni, amelyek ajtaját zárva 20–30 dB hangcsillapítás érhető el. Összeállította: Pálinkás János Fuchs, H. V.; Zha, X.: Raum-Akustik: Neue Bauteile für besseres Hören und weniger Lärm. = Gesundheits Ingenieur, 124. k. 2. sz. 2003. p. 45–55. Lazarus, H.; Parthey, W.; Kurtz, P.: Schalltechnische Anforderungen an Call-Center und die entsprechenden Arbeitsplätze und Arbeitsräume. = Zeitschrift für Lärmbekämpfung, 49. k. 4. sz. 2002. p. 140–143. Fuchs, H. V.; Zha, X.: Bessere Kommunikation durch „transparente” Raumakustik. = Gesundheits Ingenieur, 120. k. 4. sz. 1999. p. 159–168.
