Groen Bouwen

De reflectie-index van groene gevels

met grondgebonden groen

Auteur:

Dr. Ir. A. Dijckmans Afdeling Akoestiek, Gevels en Schrijnwerk

Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf WTCB

2020

1 Beschrijving van de gevels De geluidabsorptie van twee groene gevels, gelegen te Bonheiden, werd opgemeten op 2 juli 2019.

• De eerste gevel is een puntgevel bestaande uit een traditioneel metselwerk, dewelke volledig bedekt is met gewone klimop (hedera helix). De gemiddelde dikte van de klimop bedraagt 50 cm ter hoogte van de akoestische meting (figuur 2).

• De tweede gevel, bestaande uit een traditioneel metselwerk, is volledig bedekt met gewone klimop (hedera helix), waarvan de gemiddelde dikte 75 cm bedraagt ter hoogte van de akoestische meting (figuur 3).

De klimop werd tijdens de metingen licht gesnoeid om een zo verticaal mogelijk referentievlak te creëren. Als referentie werd de geluidabsorptie opgemeten van een naakte gevel, opgebouwd uit traditioneel metselwerk (figuur 1).

Fig 1: Referentiegevel

Fig 2: Gevel 1 met klimop – gemiddelde dikte 50 cm

Fig 3: Gevel 2 met klimop – gemiddelde dikte 75 cm

2 Meting van de reflectie-index (RI) – EN 1793-5

2.1 Meetprincipe

De geluidreflectie-index RI van de gevels werd opgemeten volgens de Europese norm EN 1793-5 voor geluidschermen. De meting van RI steunt op de meting van impulsresponsies vóór de gevel. Een geluidbron wordt vóór de gevel geplaatst en zendt geluidgolven naar de gevel. Een 3x3 microfoonrooster wordt tussen de luidspreker en het scherm geplaatst. Via gevorderde signaalverwerkingstechnieken wordt de energie van de invallende en gereflecteerde golven bepaald. De verhouding van de gereflecteerde op de invallende energie geeft de frequentie-afhankelijke reflectie-index RI. Om de prestaties ten aanzien van verkeerslawaai te beoordelen, wordt de ééngetalswaarde DLRI berekend via een frequentieweging van het RI-spectrum op basis van het genormaliseerd verkeerslawaaispectrum uit EN 1793-3.

2.2 Bron- en microfoonposities

De meetmicrofoons worden geplaatst in een verticaal vlak vóór de gevel op een meetrooster van 3 x 3 punten met gelijke horizontale en verticale tussenafstanden van 40 cm. Volgens de norm EN 1793-5 dient het meetrooster op 25 cm vóór het referentievlak (i.e. het vlak dat de meest vooruitstekende punten van de gevel verbindt) geplaatst te worden. Omdat het referentievlak zeer moeilijk exact bepaald kan worden bij groene gevels (zelfs na bijsnoeien), werden de afstanden opgemeten ten opzichte van de gevel. Bij de referentiemuur werden extra metingen uitgevoerd met eenzelfde microfoonafstand tot de gevel als bij de twee andere gevels.

• Gevel 1 (gemiddelde dikte klimop 50 cm): afstand gevel – microfoonnet 75 cm

• Gevel 2 (gemiddelde dikte klimop 75 cm): afstand gevel – microfoonnet 100 cm

• Referentiegevel: afstand gevel – microfoonnet 25 cm, 75 cm en 100 cm Het centrum van de luidspreker wordt geplaatst op 1.25 m vóór en op dezelfde hoogte als de centrale microfoon. De norm EN 1793-5 vraagt een minimum schermhoogte- en breedte van 4 m om een geldige meting te kunnen uitvoeren in het frequentiegebied 200 – 5000 Hz. De referentiegevel en gevel 1 hebben een breedte en hoogte van meer dan 6 m, zodat ruimschoots aan deze voorwaarde is voldaan. Gevel 2 heeft een hoogte van ongeveer 4.40 m en een breedte van meer dan 6 m. De centrale microfoon werd telkens in het midden van de gevel geplaatst op een hoogte van 2.40 m voor de referentiegevel, een hoogte van 2.50 m voor gevel 1 en een hoogte van 2.31 m voor gevel 2.

2.3 Vrije veldmeting

Om het invallend geluidveld te kunnen scheiden van het gereflecteerde geluidveld, werd een vrije veldmeting uitgevoerd volgens EN 1793-5. Hierbij wordt dezelfde relatieve geometrie tussen luidspreker en meetmicrofoons aangehouden (figuur 4).

Fig 4: Vrije veldmeting (bronhoogte 2.42 m)

2.4 Aanpassingen aan EN 1793-5

De norm EN 1793-5 is ontwikkeld voor geluidschermen waarbij een duidelijk referentievlak kan bepaald worden. Een belangrijke veronderstelling in de meetmethode is dat het geluid uitgezonden door de luidspreker gereflecteerd wordt ter hoogte van het referentievlak. Bij de groene gevels is er echter geen eenduidig referentievlak: een deel van het geluid zal gereflecteerd worden door de bladeren van de klimop, maar een overgroot deel van het geluid gaat door de klimop en wordt gereflecteerd door de muur. Bijgevolg dienen de opgemeten signalen anders verwerkt te worden dan vooropgesteld in de norm EN 1793-5 om een fysisch realistisch meetresultaat te bekomen. Annex A geeft een gedetailleerd overzicht van de aanpassingen aan de signaalverwerking en een uitgebreide analyse op basis van de referentiemetingen op de naakte gevelmuur.

2.5 Meetresultaten

Figuur 5 toont de reflectie-indices voor de groene gevels, gebruik makend van de aangepaste signaalverwerking beschreven in Annex A. Tabel 1 geeft de overeenkomende waarden en bijhorende ééngetalswaarden DLRI. Hierbij worden telkens twee DLRI-waarden gegeven. De eerste betreft een berekening op basis van de berekende RI-waarden. De signaalverwerking leidt echter tot artefacten, i.e. fysisch onmogelijke RI-waarden groter dan 1. Een tweede DLRI-waarde werd daarom berekend met RI-waarden maximaal gelijk aan 1. De fysisch

onrealistisch hoge absorptiewaarden bij lage frequenties worden veroorzaakt door de signaalverwerking, zoals de validatie in Annex A aantoont. Deze worden echter niet meegenomen in de berekening van DLRI. De laagst betrouwbare frequentieband voor gevel 1 is 250 Hz, voor gevel 2 is dit 315 Hz. De groene gevels met grondgebonden groen hebben een beperkte geluidabsorptie met een globale DLRI-waarde van ongeveer 1 dB en een absorptiemaximum rond 1600 Hz. De metingen tonen ook dat de dikte van de klimop-begroeiing weinig tot geen invloed heeft. Eerdere studies hebben reeds aangetoond dat de absorptie van groene gevels voornamelijk wordt gerealiseerd door het (poreuze) substraat en de invloed van de begroeiing secundair is.

Fig 5: Reflectie-index RI van de groene gevels

RI [-] Gevel 1 (klimop 50 cm)

Gevel 2 (klimop 75 cm)

50 Hz 0.75 0.75 0.09 0.09

63 Hz 0.61 0.61 0.09 0.09

80 Hz 0.51 0.51 0.09 0.09

100 Hz 0.45 0.45 0.10 0.10

125 Hz 0.44 0.44 0.13 0.13

160 Hz 0.54 0.54 0.22 0.22

200 Hz 0.84 0.84 0.47 0.47

250 Hz 1.23 1.00 0.90 0.90

315 Hz 0.82 0.82 0.74 0.74

400 Hz 0.86 0.86 0.99 0.99

500 Hz 0.89 0.89 1.10 1.00

630 Hz 0.91 0.91 0.59 0.59

800 Hz 0.81 0.81 0.88 0.88

1000 Hz 0.68 0.68 0.61 0.61

1250 Hz 0.69 0.69 0.61 0.61

1600 Hz 0.39 0.39 0.43 0.43

2000 Hz 0.61 0.61 0.73 0.73

2500 Hz 0.96 0.96 1.05 1.00

3150 Hz 1.42 1.00 1.37 1.00

4000 Hz 1.57 1.00 1.87 1.00

5000 Hz 1.29 1.00 1.29 1.00

DLRI [dB] 0.99 1.21 1.03 1.31

Noot 1: enkel de waarden met groene achtergrond worden meegenomen in de berekening van DLRI.

Tab. 1: Reflectie-index RI en ééngetalswaarde DLRI van de groene gevels

Annex A Adrienne venster gereflecteerde component

De opgemeten geluidsignalen bevatten niet enkel reflecties van de gevel, maar ook secundaire, ongewenste reflecties van de grond, de bron, de top van de gevel en de zijkanten van de gevel. Om deze weg te filteren uit het signaal, wordt er een Adrienne tijdsvenster toegepast op de signalen. Voor schermen met minimumafmetingen groter dan 4 m, schrijft de norm EN 1793-5 een maximale totale lengte van het Adrienne venster voor van 6 ms voor de frequentiebanden 200 Hz – 5000 Hz (De analyse in de tertsbanden 100 Hz, 125 Hz en 160 Hz gebeurt met een tijdsvenster van 7.9 ms voor de zes bovenste microfoons). In het geval van een eenduidig referentievlak, zoals bij de naakte gevelmuur, wordt de aankomststijd van de gereflecteerde impuls en secundaire reflecties goed voorspeld (figuur A.1). Het genormaliseerde tijdsvenster laat toe om de gereflecteerde component te extraheren en secundaire reflecties weg te filteren. Voor de groene-gevelmetingen is deze keuze van het tijdsvenster niet geschikt, omdat een deel van de gereflecteerde energie (i.e. het deel dat gereflecteerd wordt door de achterliggende muur) niet wordt meegenomen (figuur A.2). De normatieve tijdsvensters zijn m.a.w. te kort.

Fig A.1: Referentiegevel: impulsresponsie en standaard Adrienne tijdsvenster voor de gereflecteerde component (microfoon 5)

Fig A.2: Gevel 2 (klimop 75 cm): Impulsresponsie en standaard Adrienne tijdsvenster voor de gereflecteerde component (microfoon 5).

Om zowel de vroege reflecties van de klimop als de latere reflecties van de achterliggende muur mee te nemen bij de bepaling van de gereflecteerde energie, werden de tijdsvensters voor de groene-gevelmetingen als volgt gekozen (figuur A.3).

- De tijdsvensters worden gestart op basis van de theoretisch berekende speculaire reflecties die optreden ter hoogte van het bladerdek (i.e. het referentievlak ligt op 25 cm van de microfoons).

- De tijdsvensters worden zo groot mogelijk gekozen. De maximale lengte werd voor elke microfoon bepaald op basis van de theoretische aankomsttijden van de ongewenste, secundaire reflecties. Voor gevel 2 wordt de maximale lengte van het tijdsvenster voor microfoon 5 bepaald door de secundaire reflectie van de bron (figuur A.3).

Fig A.3: Gevel 2 (klimop 75 cm): Impulsresponsies en aangepaste Adrienne tijdsvensters voor de gereflecteerde component (microfoon 5) Adrienne window directe component

Net zoals voor de gereflecteerde component, legt de norm EN 1793-5 vaste lengtes op voor de tijdsvensters (6.0 ms / 7.9 ms). Indien de lengte van het Adrienne venster voor de gereflecteerde component wordt aangepast, dient de lengte van het Adrienne venster voor de directe component ook aangepast te worden om een eerlijke vergelijking van de hoeveelheid gereflecteerde en invallende energie te kunnen maken. Voor de analyse van de groene-gevelmetingen, werd de lengte van het tijdsvenster voor de directe component gelijk genomen aan de lengte van het tijdsvenster voor de gereflecteerde component (figuur A.4).

Fig A.4: Gevel 1 (klimop 50 cm): Impulsresponsies van vrije veldmeting (blauw) en gevelmeting (rood) met aangepaste Adrienne tijdsvensters voor de directe en gereflecteerde component

Geometrische correctie

Bij de signaalverwerking dient rekening gehouden te worden met de geometrische divergentie van het geluidsignaal. Voor een puntbron neemt de energie in het geluidsignaal kwadratisch af met de afgelegde afstand (sferische geluiduitbreiding). De correctiefactor Cgeo,k, zoals gedefinieerd in EN 1793-5, wordt dan ook voor elke microfoon k berekend als:

𝐶geo,𝑘 = (𝑑r,k𝑑i,k

)

2

Met 𝑑i,k de afstand vanaf de luidspreker tot microfoon k (i.e. de afstand die de invallende

golf heeft afgelegd) 𝑑r,k de afstand vanaf de luidspreker tot het de gevel en terug tot microfoon k (i.e.

de afstand die de gereflecteerde golf heeft afgelegd) In de norm EN 1793-5 uit 2016 wordt de afstand van het gereflecteerde signaal 𝑑r,k ingeschat

op basis van het speculaire reflectiepad in de veronderstelling dat de reflectie optreedt in het referentievlak (i.e. het meest vooruitstekende vlak van de gevel). Deze aanname is correct bij een eenduidig referentievlak zoals de naakte gevelmuur. Voor de groene gevels is het zeer moeilijk om het exacte pad voor elk gereflecteerd signaal theoretisch te bepalen, omdat een deel wordt gereflecteerd door de bladeren en een deel door de achterliggende muur. De impulsrespons voor de groene gevel toont dit ook aan: het gereflecteerde signaal is veel meer uitgespreid over de tijd (figuur A.2) in vergelijking met de referentiegevel (figuur A.1). Er kan voor de groene gevels ook geen duidelijke piek in het gereflecteerde signaal gedetecteerd worden waaruit een theoretische afstand 𝑑r,k zou kunnen afgeleid worden.

Indien de standaardprocedure uit EN 1793-5:2016 wordt toegepast, wordt de afstand 𝑑r,k

onderschat. Het grootste deel van de energie zal immers niet gereflecteerd worden ter hoogte van de klimopbladeren en dus een langere afstand afleggen. Bijgevolg wordt de correctiefactor 𝐶geo,𝑘 sterk onderschat (met een factor >3, Tabel A.1), en ook de reflectie-index RI onderschat

(m.a.w. de geluidabsorptie overschat).

(formule 1)

Microfoon k 𝑑i,k [m]

dM = 25 cm dM = 100 cm 𝑑r,k [m] 𝐶geo,𝑘 [-] 𝑑r,k [m] 𝐶geo,𝑘 [-]

1 1.37 1.84 1.80 3.30 5.78 2 1.31 1.80 1.87 3.27 6.22 3 1.37 1.84 1.80 3.30 5.78 4 1.31 1.80 1.87 3.27 6.22 5 1.25 1.75 1.96 3.25 6.76 6 1.31 1.80 1.87 3.27 6.22 7 1.37 1.84 1.80 3.30 5.78 8 1.31 1.80 1.87 3.27 6.22 9 1.37 1.84 1.80 3.30 5.78

Tab. A.1: Afstanden speculaire reflecties en bijhorende geometrische correctiefactoren

Voor de analyse van de groene-gevelmetingen werd de geometrische divergentie daarom ingerekend op basis van de aankomststijden van het signaal, overeenstemmend met de procedure uit de oude technische specificatie CEN/TS 1793-5 uit 2003.

(formule 2)

In formule (2) wordt de geometrische divergentie gecompenseerd door de tijd t in teller en noemer. Hoe langer de afgelegde weg van de luidspreker naar een specifiek reflecterend vlak en terug, hoe groter de tijdsvertraging. De amplitude van de gereflecteerde geluidsgolven neem omgekeerd evenredig af met de afgelegde weg, en dus ook de tijdsvertraging. In plaats van eenzelfde geometrische correctie 𝐶geo,𝑘 toe te passen op de verschillende reflecties, houdt

formule (2) rekening met de tijdsvertraging/afgelegde weg van elk gereflecteerd signaal en dus met de specifieke geometrische divergentie van elk gereflecteerd signaal. Opmerking: bij de signaalverwerking van de groene gevels werd formule (2) toegepast, aangevuld met de correctiefactoren Cdir,k en Cgain,k.

Validatie

De aangepaste signaalverwerking werd gevalideerd m.b.v. de referentiemetingen op de naakte gevel. Theoretisch wordt voor de referentiegevel een reflectie-index gelijk aan 1 verwacht (i.e. geen geluidabsorptie). Vooreerst werden de drie metingen (met afstand microfoon – gevel dM = 25 cm, 75 cm en 100 cm) geanalyseerd m.b.v. de genormaliseerde procedure uit EN 1793-5 met standaard tijdsvensters en de geometrische correctiefactor 𝐶geo,𝑘. Voor de referentiegevel met eenduidig

referentievlak geeft de genormaliseerde procedure geldige resultaten, ook voor de niet-gestandaardiseerde microfoonafstanden van 75 cm en 100 cm (figuur A.5). De geometrische correctiefactor geeft immers een goede inschatting van de geometrische divergentie. De afwijkingen bij hoge frequenties vallen binnen de nauwkeurigheid van de metingen.

Fig A.5: Geluidabsorptie (1 – RI) van de referentiegevel bepaald volgens de procedure uit EN 1793-5 (dM = 25 cm) en twee alternatieve muur-microfoon afstanden. De nieuw voorgestelde procedure met aanpassingen volgens 2.4 geeft zeer gelijkaardige resultaten voor de referentiegevel, en dit voor de drie afstanden dM (figuur A.6). Enkel bij lage frequenties geeft het gebruik van de alternatieve geometrische correctie volgens formule (2) onrealistische afwijkingen. Hoe groter de afstand dM, hoe groter de afwijking. Deze resultaten worden echter niet gebruikt in de bepaling van de ééngetalswaarde DLRI. De laagst betrouwbare frequentieband, die bepaald wordt op basis van de lengte van de gebruikte tijdsvensters, is respectievelijk 200 Hz, 250 Hz en 315 Hz voor de afstanden dM = 25 cm, 75 cm en 100 cm. Bijgevolg is de afwijking in DLRI beperkt (tabel A.2). Voor de groene-gevelmetingen, dient bij de bepaling van de laagst betrouwbare frequentieband rekening gehouden te worden met de laatst mogelijke reflecties, i.e. de reflecties komende van de muur. Voor gevel 1 (klimopdikte 50 cm, afstand muur – microfoons 75 cm) zal de laagst betrouwbare frequentieband bijgevolg 250 Hz zijn, voor gevel 2 (klimopdikte 75 cm, afstand muur – microfoons 100 cm) is dit 315 Hz.

dM EN 1793-5 Aangepaste procedure

25 cm DLRI (200–5000 Hz) = 0.03 dB DLRI (200–5000 Hz) = -0.01 dB

75 cm DLRI (250–5000 Hz) = 0.05 dB DLRI (250–5000 Hz) = 0.17 dB

100 cm DLRI (315–5000 Hz)= -0.20 dB DLRI (315 – 5000 Hz) = -0.03 dB

Tab. A.2: Referentiegevel: DLRI voor genormaliseerde en aangepaste procedure

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

50

63

80

10

0

12

5

16

0

20

0

25

0

31

5

40

0

50

0

63

0

80

0

10

00

12

50

16

00

20

00

25

00

31

50

40

00

50

00

1 -

RI [

-]

dM = 25 cm

dM = 75 cm

dM = 100 cm

Fig A.6: Referentiegevel: vergelijking voor genormaliseerde en aangepaste procedure

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

15

0

80

12

5

20

0

31

5

50

0

80

0

12

50

20

00

31

50

50

00

1 -

RI [

-]

Frequentieband [Hz]

dM = 25 cm

EN 1793-5 aangepaste procedure

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

50

80

12

5

20

0

31

5

50

0

80

0

12

50

20

00

31

50

50

00

Frequentieband [Hz]

dM = 75 cm

EN 1793-5 aangepaste procedure

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

50

80

12

5

20

0

31

5

50

0

80

0

12

50

20

00

31

50

50

00

Frequentieband [Hz]

dM = 100 cm

EN 1793-5 aangepaste procedure