TEKNİK MAKALE 69. Sayı (Kasım-Aralık 2007)

Thilo Bein, Torsten Doll, Lothar Kurze Fraunhofer Yapısal Dayanım ve Sistem Güvenliği Enstitüsü (Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability)
Cepheler, belirli bir estetik değere sahip olmanın yanı sıra iç mekanları yağmur, rüzgar, sıcaklık veya güneş ışınımı gibi çevresel etmenlere karşı koruma ve yüklere karşı dayanıklı olma gibi çeşitli işlevleri yerine getirmelidirler. Ancak cephelerde, çevresel ortamdan kaynaklanan gürültüye karşı korunum çoğu zaman dikkate alınmamaktadır. Özellikle havaalanı, demiryolları ve karayolları yakınında; otel, hastane veya konferans merkezi gibi büyük binaların inşasında, odalarda düşük ses imisyonları önem kazanmıştır. Çoğu durumda, geleneksel pasif yöntemlerle ortam gürültüsünden korunum zor olmaktadır. Eğer cepheler uygun bir biçimde tasarlanırsa, bu cepheler çevreleyen ses alanlarına karşı bir engel oluşturabilir ve iç mekanlarda gürültü seviyelerini azaltabilirler.

Ses imisyonunun azaltılmasında kullanılan geleneksel pasif yöntemlere örnek, çift cam ve ses yalıtım malzemeleridir. Özellikle düşük frekans alanında (1000 Hz altında) geleneksel pasif yöntemler, cephe konstrüksiyonunun ağırlığında ve hacminde artışa neden olur ve bu nedenle çoğu zaman cephe konstrüksiyonu uygulanamaz. Ek olarak, cephe konstrüksiyonun bina taşıyıcı sistem bileşenlerine tespit edildiği bağlantı elemanları yoluyla bina içine iletilen konstrüksiyon kaynaklı ses, sorunlara neden olabilir. TU Darmstad - Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF işbirliğinde yürütülen "Aktif Cepheler" projesinde cephelerin gürültüyü zayıflatma özelliğini, uyarlanabilir konstrüksiyon sistemlerine dayalı aktif yöntem ile geliştirmek için çalışmalar yürütülmüştür.  

Uyarlanabilir konstrüksiyon sistemleri yeni bir sistemdir; akıllı malzeme sistemleri ile geleneksel konstrüksiyonları birleştirerek, bunlara ek işlevler entegre etmek üzerine kurulmuştur. Böylece geleneksel konstrüksiyonlar yük taşıma ve form tanımlama gibi klasik işlevlerinin yanı sıra akıllı malzeme sistemleri ile algılayan ve harekete geçen işlevler kazanır.  Uygun kontrol sistemleri ile birlikte, uyarlanabilir konstrüksiyon sistemleri kendilerini çevreleyen şartlara en uygun biçimde adapte olurlar. Akıllı malzeme sistemleri, algılayan ve harekete geçebilen özelliklere sahip, güç dönüştürücü cihazlarının üretildiği malzemeler gibi hafif malzemelerden üretilir (Şekil 1).

Bu yaklaşımın zayıf titreşimli tasarım, modern konstrüksiyonların kolay uygulanması, yüksek strüktürel dayanım gibi çeşitli faydaları vardır. Bu durum çevresel gürültüden kaynaklı gerilmelerin ve işletme maliyetlerinin azalmasına neden olur. Uyarlanabilir konstrüksiyon sistemlerinde algılayıcı ile tetikleyici bileşenler ve kontrol sistemi bulunur. Bunlar strüktürel karakteristikleri geliştirir, iletim yolları ve/veya sistemin hassas bölgelerindeki engelleri azaltır. Akıllı binalar için, günümüz mühendislik bilimlerindeki çeşitli alanlar Şekil 2’de verildiği gibi bir araya gelmelidir.

"Aktif Cepheler" projesinde amaç, aktif strüktürel akustik kontrol prensiplerini uygulayarak pasif sistemlere eşit veya bunlardan daha iyi gürültü azaltma özelliği olan bir hafif cephe konstrüksiyonu tasarlamaktı. Pizo seramik tetikleyici ve algılayıcılar, cephenin düzlemsel elemanları üzerine önceden belirlenen yerlere yerleştirildiler. Aktif sistem, uygun kontrol sistemi ile birlikte, ses alanlarına karşı hemen harekete geçebiliyordu.  Aktif strüktürel akustik kontrol prensibi, iki adet ters işaretli ses dalgasının üst üste bindirerek birbirlerini yok etmesine dayanmaktadır. Cephe elemanlarındaki titreşimleri kontrol altına alarak gürültüyü kaynağında kontrol altına almaktır. Uygun kontrol stratejileri ile ilgili olarak, özellikle strüktürel titreşim alanında, değişken strüktürel yükler ve değişken ses kaynakları nedeniyle işletme şartları çoğunlukla durağan değildir. Geçmişte, bu tür zamana bağlı değişken sistemlerde, uyarlanabilir filtrelerin kullanımı fayda sağlamıştır. Uyarlanabilir filtreler, katsayılarını zaman içinde değiştirebilme ve bunları bir uyarlanabilir algoritma ile otomatik olarak uyarlama yeteneğine sahiptir. Bu nedenle, Aktif Cepheler projesinde LMS algoritmasının bir türevi olan filtrelenmiş XLMS algoritması kullanılmıştır.  

Cephe ve pencerelerde bir uyarlanabilir kavram geliştirmek için bir konstrüksiyonun strüktürel özelliklerinin bilinmesi esastır.  Özellikle aktif strüktürel akustik kontrol için, düşük doğal frekansların ve bunlara karşılık gelen strüktürel durumların belirlenmesi çok önemlidir.  Bu bilgi, sonlu elemanlı tasarım, aktif cephenin modellenmesi ve uygun kontrol stratejisinin geliştirilmesi için gereklidir. Bu nedenle, Schüco Int. KG’da (Bielefeld, Almanya) yer alan cephe deney aletinde, tipik tasarımlı bir cephe numunesinde, strüktürel testler ve akustik ölçümler yürütülmüştür. (Şekil 3) Cephe numunelerinin boyutları 2.8 m X 3.0 m’dir ve cephe konstrüksiyonu sıkça kullanılan standart elemanlardan (üç adet çift cam, altı adet alüminyum panel) oluşmuştur.

Schüco’daki ölçümlerin sonuçları, bir küçük ölçekli referans cephe modelinin konstrüksiyonunda kullanıldı. Bu numune, deney ve tanıtım amaçları için tasarlandı.  Boyutları 1710-mm X 1260 mm’dir ve bu boyutlar, numunenin TU Darmstad’daki odaya entegre edilebilmesini ve sonuçların referans cephenin boyutlarına dönüştürülebilmesini mümkün kılacak şekilde seçildi (Şekil 4).

Yanda gösterildiği gibi, her çift cam için dört adet pizo seramik tetikleyici ve dört adet pizo seramik algılayıcı kullanıldı. Deney sonuçları frekansa bağlı olarak 15 dB’lik bir azalma gösterdi. Şekil 4 bir sıra mikrofon arkasındaki referans cephe modelini göstermektedir. Ayrıca, cephenin 630 mm arkasında yer alan mikrofon sırasına denk gelen düzlemdeki ses basıncının dağılımı da görülebilmektedir. Gürültü 287 Hz frekanstaki bir shaker ile oluşturulmuştur.  Bu deney düzeneğinde, akustik güç 10 dB kadar azaltılmıştır. Geniş bantlı ses kaynaklarında ortalama 3 dB’lik bir azalma elde edildi. Değişken ses sinyali uygulandığında en fazla azaltma 1.7 dB’di (Tablo 1).

Laboratuvarda yürütülen deney, aktif sistemlerin cephe ve pencerelerdeki ses azaltımındaki yüksek potansiyelini ortaya koymuştur. Bununla beraber ticari bir ürün olarak pazara sunulması için tüm kavramın biraz daha geliştirilmesi gereklidir. Aktif sistemin geniş bantlı gürültü sinyaline karşı kısıtlı davranışının başlıca sebebi, laboratuvardaki DSP sisteminin hesaplama gücüdür. Daha güçlü bir DSP sistemi ve hızlı kontrol algoritmalar temin edildiği durumda, Tablo 1’de verilen tahmin değerlere göre performans artacaktır. Günümüzde, algılayıcı ve tetikleyicileri cam elemanların görünür bölgelerine yerleştirmek için gerekli saydam pizo seramik malzeme bulunmamaktadır. Laboratuvar deney düzeneğinde, algılayıcı ve tetikleyici elemanlar, ses azaltımı için çok uygun bir yer olmayan kenarlara yerleştirilmişti.  Saydam seramikler ve bunların çift camlara nasıl gömüleceğine dair çalışmalar "Gürültü Azaltımı için Akıllı Malzemeler" adlı projede geliştirilmektedir. Ek olarak, pencereler ve cepheler, aktif sistemler konusunda uzman olmayan kişilerce, şantiyede bir araya getirilmektedir.  Sonuç olarak, gerekli kontrol elektronik sistemler, yıpratıcı çevre koşullarına karşı dayanıklı olmalıdır.