Momenteel wordt bij Empa onderzoek gedaan naar een wereldprimeur in de geluidsisolatie van houten gebouwen. Met behulp van een natuurkundige theorie uit de jaren negentig en de tools van digitalisering heeft een onderzoeksteam nieuwe vloerelementen ontwikkeld die zijn gemaakt van massief houten panelen met zogenaamde akoestische zwarte gaten. Het idee kwam van Stefan Schoenwald, hoofd van Empa's Building Acoustics-laboratorium in Dübendorf. Sinds de eerste publicatie in 1987 is hij de theorie van akoestische zwarte gaten meerdere keren tegengekomen op conferenties en in wetenschappelijke publicaties. Volgens de Russische wetenschapper M.A. Mironov van het Andreyev Acoustics Institute in Moskou kan een parabolische uitsparing in een materiaal trillingen absorberen zoals geluid en laat ze resoneren - met andere woorden, slik ze door. Akoestische zwarte gaten zijn al gebruikt in auto's en vliegtuigen, waar hun geluidsreducerende werking inderdaad is bevestigd.

Het is echter niet eenvoudig om ze te vervaardigen met zeer dunne, harde materialen. Noch in de houtbouw, noch in de bouwakoestiek hebben experimenten met de uitsparingen van Mironov ooit plaatsgevonden. Daar wordt nu verandering in gebracht door labmanager Stefan Schoenwald samen met zijn collega Sven Vallely. De twee onderzoekers willen nieuwe kruislings gelamineerde houten paneelelementen gebruiken om de contactgeluidsisolatie in houtconstructies te verbeteren.

Net zoals er geluidsgolven in de lucht zijn, zijn er geluidsgolven in materialen, zogenaamde structuurgebonden geluidsgolven. "Als je een vloer raakt, is het alsof je een steen in een vijver gooit:geluidsgolven verspreiden zich in alle richtingen in het materiaal", legt Schoenwald uit. Wanneer volgens een bepaalde wiskundige functie een lenticulaire depressie uit het materiaal wordt gefreesd, komen de geluidsgolven dit gebied binnen. Daarbij worden de amplitudes steeds groter, terwijl de golflengten van de oscillaties afnemen. "Als je de platen in het gebied van deze depressies oneindig dun zou kunnen maken, dan zouden de geluidsgolven vanzelf dood gaan in deze 'zwarte gaten', zodat er niets uit de lens zou komen," zei Schoenwald. Het was echter de vraag of het geluidsreducerende effect ook zou optreden bij een beperkte diepte van de uitsparing - omdat "oneindig dunne materiaaldiktes", zoals de wiskundige theorie zou vereisen, in de praktijk niet haalbaar zijn.

De nieuwste computertechnologie maakt het mogelijk

Het idee om te experimenteren met akoestische zwarte gaten in houten constructies kwam bij Stefan Schoenwald op terwijl hij aan het werk was. Hij vroeg zijn collega Vallely om het geluiddempende effect op de computer te simuleren en te berekenen. Om statische problemen uit de weg te ruimen, werd Andrea Frangi, een houtconstructie-expert bij ETH Zürich, om zijn beoordeling gevraagd. Niet alleen zijn feedback was veelbelovend, maar ook de computermodellering van geluidsreductie. Dus liet Schoenwald een prototype en een normaal bedieningspaneel van hetzelfde materiaal maken bij het houtconstructiebedrijf Strüby AG in Seewen. Met behulp van een CNC-machine heeft houtbouwspecialist Alex Bellmont daar de lenticulaire holte gefreesd uit een kruislings gelamineerd houten paneel met maatnauwkeurigheid. "Zo'n opdracht is niet heel moeilijk, maar des te spannender", zegt de machinist, "Ik heb nog nooit iets gemaakt dat toen onderzocht werd."

De twee platen - een met en een zonder akoestische zwarte gaten - werden bij Empa aan een trillingsanalyse onderworpen. Bij deze meting wordt geluid als trilling over het gehele relevante geluidsspectrum in het testlichaam geleid. Een laser meet de trilling van de testpanelen in een rasterpatroon op meerdere punten. De gemeten waarden kunnen vervolgens worden gebruikt om te berekenen hoe de trilling door de plaat beweegt - en of de uitgefreesde deuken het geluid daadwerkelijk "vangen" en ervoor zorgen dat het in de vorm van warmte verdwijnt.

Betere isolatieprestaties met minder gewicht

Tien jaar geleden zou zo'n reeks experimenten niet haalbaar zijn geweest. Zelfs het modelleren van de trillingen van een klein bandbreedtebereik was een proefschrift in termen van rekeninspanning. Vandaag de dag berekenen Schoenwald en Vallely in één middag het hele akoestische spectrum en maken de trillingen direct zichtbaar als visualisatie. Het doel van het experiment is om te onderzoeken of de gesimuleerde resultaten overeenkomen met de gemeten waarden. Immers, als het computermodel overeenkomt met de werkelijkheid, kunnen alle mogelijke parameters vrijwel gratis op de computer worden gewijzigd, zonder dat er telkens een nieuwe testplaat hoeft te worden gemaakt. Op deze manier kan de geluidsreductie voor houten elementen over de hele wereld worden berekend zonder tijdrovende experimenten. Dit betekent dat geluidsreductie kan worden geoptimaliseerd voor houten elementen van alle mogelijke afmetingen en geometrieën zonder tijdrovende experimenten.

Resultaat van de testen:De gemeten waarden komen zeer goed overeen met de modelberekening. Stefan Schoenwald is zeer tevreden met een afwijking van slechts zo'n 5 procent. Deze afwijking is te verklaren door de productie van de planken en de natuurlijke variatie van het hout, vult Vallely aan. Nu volgen de volgende tests met de in Seewen vervaardigde testpanelen:"We werken momenteel aan de contactgeluidmetingen, die we uitvoeren volgens internationale standaardspecificaties. De volgende stap is het bevestigen van de brandbeveiliging en structurele eigenschappen, ", legt Schoenwald uit. Deze verdere tests zijn bedoeld om ervoor te zorgen dat de kruislings gelamineerde houten platen niet alleen geluid isoleren op ten minste het standaard marktniveau, maar ook alle benodigde certificeringen verkrijgen voor gebruik in de bouw.

Hoe het werkt

Stefan Schoenwald beschrijft hoe de borden zo werken. "Bij het isoleren van contactgeluid moet ik tegelijkertijd drie eigenschappen in gedachten houden:de massa van het onderdeel enerzijds, de stijfheid en demping anderzijds. Stijfheid en demping spreken elkaar tegen - een zacht onderdeel kan worden gedempt nou ja, een stijf onderdeel minder goed." Schoenwald geeft een voorbeeld:"Klassieke massief houten plafonds zijn zowel licht als stijf - dus hier worden twee ongunstige eigenschappen gecombineerd." Een mogelijke uitweg is om de massa van het onderdeel te vergroten. In moderne houten huizen leggen architecten daarom dikke lagen grind aan ter verzwaring. Op die manier is het minder waarschijnlijk dat de houten plafonds trillen als een volwassene eroverheen loopt of een kind door het huis stuitert.

Schoenwald en Vallely pakken het anders aan. “We maken de houten plafonds op bepaalde plekken extra zacht zodat ze daar extra sterk kunnen trillen. Op deze punten dempen we de trilling specifiek met een kleine hoeveelheid zand of grind”, legt Stefan Schoenwald uit. Hetzelfde materiaal, namelijk grind, heeft hier een heel ander doel:"In ons geval is het grind er niet om te wegen. In plaats daarvan wordt verondersteld dat het beweegt en trillingen omzet in warmte door zijn interne wrijving."

Het resultaat:een houten plafond met akoestische zwarte gaten is veel lichter dan een conventioneel plafond en dempt toch het contactgeluid veel beter. De constructief voordelige stijfheid van de gehele plafondconstructie blijft behouden. + Verder verkennen

Een schroef die het waargenomen geluid kan halveren