Měření akustické pohltivosti - impedanční trubice

Metoda měření akustické pohltivosti pomocí impedanční trubice dokáže určit, jak dobře nebo naopak špatně libovolný materiál pohlcuje zvuk. Měření stojí na velmi jednoduchém principu a řeší potřebu přesného určení pohltivosti, které bylo až do objevení impedanční trubice velmi zdlouhavé a nákladné. V tomto článku se podíváme, jak teoreticky funguje, jak se v praxi používá a v čem nám může pomoci.

Jak dopadá zvuk?

Na začátku stojí na první pohled jednoduchá otázka. Kolik přicházejícího zvuku dokáže pohltit třeba karton od vajíček? Odborněji bychom se ptali asi takto: Jakou část dopadajícího akustického výkonu dokáže materiál pohltit? Zvuk je mechanické vlnění. Rozechvívá molekuly látky, jíž prochází. Ve volném prostoru je chování zvuku jednoduché a snadno předvídatelné. Jednoduše se šíří všemi směry. Zajímavější je, jak se zvukové vlnění chová na rozhraní dvou různých prostředí, například mezi plynem – vzduchem – a pevnou látkou.

V té chvíli se část zvuku odrazí a část pohltí. Energie dopadajícího akustického vlnění je kinetická. Molekuly kmitají, tedy se hýbou. Míra odrazu od nějaké plochy závisí na tom, kolik kinetické energie zvuku se přemění na tepelnou energii a kolik zůstane v kinetické formě a dále rozkmitá materiál, na nějž dopadne. Vezměme si příklad tenké hladké dřevěné příčky. Tento jednolitý pevný materiál nepohltí prakticky žádný zvuk. Naopak, sám se rozkmitá a stane se velkou membránou, která dopadající zvuk odrazí zpět. To je, jako když tlesknete v prázdné vystěhované místnosti. Jasně slyšíte ozvěnu svého tlesknutí i několikrát za sebou.

Když ale takovou příčku polepíte třeba polystyrenem, situace se úplně změní. Odlišný materiál odrazům téměř úplně zabrání, protože zvukové vlnění pohltí a sám se při tom ohřeje. Přeměna kinetické na tepelnou energii probíhá samozřejmě jen v malých výkonech, zvuk dopadovou plochu nijak významně neohřeje.

Podívejte se na měření akustické pěny v impedanční trubici

Impedanční trubice v praxi

Schopnost materiálu pohltit zvuk se měřila různými způsoby. Většinou však nákladně a komplikovaně. Nejčastější metodou byla dozvuková místnost. Zkoumaným materiálem se musela vystlat nejlépe celá místnost, do níž se pak pustil zkušební zvuk, a čekalo se, jak dlouho bude doznívat. Z toho se vypočítala střední hodnota akustické pohltivosti. To mělo několik nevýhod. Instalace trvala dlouho, bylo potřeba hodně zkušebního materiálu a měření přeci jen nebylo zcela přesné, zvlášť pokud zkušební místnost nebyla kompletně obložena. Tato měření se však samozřejmě stále provádějí, jelikož má impedanční trubice svá velikostní omezení – a některý materiál se do ní jednoduše nevleze :)

Měření akustické pohltivosti impedanční trubicí tyto praktické problémy vyřešilo. Materiál se dá proměřit i na velmi malém vzorku a s vysokou přesností. Impedanční trubice je v podstatě obyčejná kovová trubice, na jejímž jednom konci je reproduktor, na druhém zkoumaný materiál a vprostřed pak zasunuté mikrofony, které jakoby naslouchají z boku trubice.

Reproduktor ozvučí trubici tónem o žádané frekvenci nebo frekvencích a mikrofony pak měří rozdíly mezi zdrojovým a odraženým signálem. Výsledkem měření je pak tzv. komplexní koeficient odrazivosti, jenž je výpočtem normalizován na koeficient akustické pohltivosti značený řeckým písmenem alfa. Tento koeficient nabývá hodnot od nuly do jedné, čím vyšší, tím více signálu je pohlceno.

Vlastnosti pohltivých materiálů

Jaké materiály jsou tedy pro pohlcování zvuku nejlepší? Obecně jsou to akustické pěny, například polyuretanové. Zvuková pohltivost u nich roste s měrnou hustotou, tedy hmotností na jednotku objemu. Jak jsme napsali výše, zvuk se mění na tepelnou energii a o čím více materiálu se „otře“, tím více mu předá energie. Akustické polyuretanové pěny mají vnitřní strukturu tvořenou miliony mikroskopických vláken, které tvoří systém oddělených vzduchových kapsiček. Pohltivost závisí i na jejich orientace vzhledem k příchozímu zvuku. Ukazuje se, že nejlepší konfigurace je kolmé postavení, kdy zvukové vlnění naráží na vlákna z boku.

Akustické vlnění tak naráží na co nejvíce hmoty a nemůže snadno prostoupit skrze prostory mezi vlákny. Další důležitou vlastností materiálu, která ovlivňuje akustickou pohltivost, je povrchová struktura, tedy vnější tvar. Tady platí, že čím členitější, tím lepší. Prostorová členitost zvětšuje povrch materiálu a tedy i plochu, na níž zvuk dopadá a kde se může pohltit. Dokonce se může stát, že vhodný tvar, například výstupky ve tvaru sinusoidy, dokážou zvýšit koeficient akustické pohltivosti až nad číslo jedna.