Akustik som vetenskap
God ljudmiljö är en väsentlig del av människors livskvalitet. Tillämpad akustik har som målsättning att bidra till en god ljudmiljö i vår vardag, dvs i bostaden, utomhus eller på arbetsplatsen. Sedan början av sekelskiftet har bullerbekämpning utvecklats till ett självständigt vetenskapsområde.Arbeten av vetenskapsmän som Newton, Hooke, Helmholtz och Lord Rayleigh är nära knutna till den tidiga utvecklingen av akustiken. Industrialiseringen kring sekelskiftet utlöste en efterfrågan på tekniska lösningar för att reducera buller och därigenom drevs akustikforskningen framåt. Under en mycket produktiv fas mellan 1920 och 1940 studerade man ljudutbredning utomhus, ljudisolering och ljudabsorption. I Amerika och Europa etablerades nya vetenskapliga tidskrifter för att publicera det som kom att bli grundläggande akustiska artiklar.
Efter andra världskriget riktades intresset mot nya områden såsom strömningsljud, stomljud i strukturer, beräkningsmetoder för ljudutstrålning och statistisk energianalys. Från början av 70 talet förändrade datorernas intåg också akustikvärlden. Signalanalys, signalbehandling och utveckling av aktiv bullerbekämpning är barn av denna revolution.
Bullerbekämpning idag
När man vill reducera buller görs det med fördel vid källan. Ofta är den bästa tekniska och ekonomiska lösningen att undvika att ljud uppstår. I många fall är ljud en biprodukt av nödvändiga tekniska funktioner, tex rulljud från tåghjul, där bara en mycket liten del av den effekt som krävs för att driva fram tåget utstrålas som ljud. Att reducera dessa biprodukter är svårt och kräver en djup förståelse av mekanismerna bakom ljudgenereringen, som dock oftast saknas. Man är därför tvungen att välja sekundära åtgärder dvs minska ljud under utbredningen från källan till mottagaren. Idag är de flesta sekundära åtgärder väl förstådda. Vi vet hur en bullerskärm, en lätt väggkonstruktion, en ljuddämpare, eller en vibrationsisolering fungerar. Vi kan förutsäga deras inverkan på utbredningen av ljud och vibrationer. Därigenom kan vi med rätt planering och design tillse att det finns mindre buller i vår vardag.
Teknikutvecklingen och nya trender kräver dock i många fall nya lösningar för sekundära åtgärder. Lättare bilar eller höghastighetståg leder till en kontinuerlig utveckling av mer sofistikerade metoder för bullerbekämpningen. Det krävs en hög kunskapsnivå om akustiken, speciellt för dem som är engagerade i tidigare faser av produktionsutvecklingen, för att nå verkligt goda lösningar.
Det är en gammal idé att utsläcka buller med buller. Under de senaste 20 åren har bullerbekämpningen med aktiva metoder varit ett centralt område inom bullerforskningen. Att i flygplan skapa tysta områden vid öronen hos passagerare med hjälp av högtalare inbyggda i stolarna, är en av flera tillämpningar. Man bör dock inte förvänta sig att det är en lösning på alla våra bullerproblem i framtiden.
Exempel trafikbuller
Vägtrafik är den huvudsakliga orsaken till buller i våra städer. Enligt den Europeiska Kommissionens “Green paper on future noise policy” är 22% av befolkningen i Europa utsatt för utomhusnivåer över 65dB(A) och mer än 45% över 55dB(A). Det handlar därmed totalt om ca 250 miljoner människor i Europa som har en bullernivå över 55dB(A) framför fönstret. 55dB(A) är kanske en godtagbar miljö men inte en god ljudmiljö.
De senaste 20 åren har bulleremissioner från person- och lastbilar minskat avsevärt. Detta avser dock enbart bullret från motor, avgassytem, etc, men inte från däck. Trots dessa reduktioner, visar mätningar av trafikbuller från enskilda fordon idag att situationen inte har förbättrats nämnvärt. Detta beror bland annat på att de bullerreduktioner man har åstadkommit hos fordon är maskerade av däck/vägbanebullret. Däck är idag inte tystare än för 20 år sedan, även om vissa begränsade förbättringar har erhållits genom utvecklingen av tysta vägbeläggningar.
Huvudmekanismer för däck/vägbanebullret är svängningar i däckstommen och så kallad “air pumping”. Vibrationer i däckstommen exciteras av ojämnheter hos vägytan, av profilmönster och inhomogeniteter i däckens uppbyggnad. Däck och vägbana tillsammans bildar ett horn som förstärker ljudutstrålningen från området i närheten av kontaktzonen där svängningsamplituderna är högst.
Förutom svängningar i däckstommen sker också en lokal deformation av däckets yttre gummiskikt. Små ojämnheter på vägytan deformerar slitbanans gummi. Under rullning pressas luften mellan däck och vägbana ut på ena sidan medan det sugs in på andra sidan av kontaktytan (se bild). Accelerationen av luften leder till alstring av ljud.
Även om vi kan beskriva ljudalstringsmekanismer kvalitativt, är det fortfarande svårt att kvantitativt förutsäga inverkan av olika parametrar såsom gummistyvhet, däckens geometri, profilutformningen och vägytans struktur. Olika parametrar påverkar de olika alstringsmekanismerna på olika sätt. En mjukare gummiblandning i slitbanan leder till mindre vibrationer av däckstommen men kan samtidigt öka bidraget av “air pumping”. Förutsättningen för att nå en reducering av däck/vägbanebuller är en djup förståelse av rullprocessen och ljudalstringen.
Vad gör vi i framtiden
Att göra framsteg inom bullerforskningen har alltid varit besvärligt. Spektakulära resultat kan inte förväntas eftersom buller är en biprodukt av oftast mycket komplicerade tekniska processer. Uppgiften att bidra till en god ljudmiljö för alla människor i samhället består. Detta kräver många små steg av förändringar, detaljkunskap och mycket arbete.
En huvuduppgift för framtiden är att förstå genereringen av ljud vid olika tekniska processer. Varför skapas ljud vid rullkontakt, när man sågar, mal eller river? Processerna handlar mycket om dynamisk kontakt mellan ytor och är i många fall relativt outforskade områden. Dessa spännande – och lönsamma – uppgifter kräver dock tvärvetenskapligt samarbete mellan akustik och andra vetenskapsområden till exempel materialfysik, kontaktmekanik, strömningsfysik, hållfasthetslära.
Samtidigt öppnar utvecklingen av snabbare datorer möjligheten att studera komplexa problem, till exempel ljudutbredning i turbulent medium eller utbredning av stomljud i strukturer, med hjälp av numeriska beräkningsmetoder (till exempel finita element metoden). Även om tillgången till dessa verktyg kommer att öka så krävs fortfarande en mycket bra förståelse för de fysikaliska förloppen bakom problemen. Att förmedla denna förståelse för akustik till studenter är också en viktig uppgift inom bullerbekämpningen i framtiden.
(Texten publicerades 1998 i skriften Ny kunskap.)