Vindgnauð í handriðum

Hljóð sem myndast þegar vindur blæs yfir hús, tré, brýr o.s.frv. má skipta upp í tvo flokka: breiðbandshljóð eða suð (e. broadband noise), þ.e. þegar hljóðorka verður á mörgum tíðniböndum, og tón (e. tonal noise), hljóðorku á afmörkuðu tíðnibili. Breiðbandshljóð fellur undir umhverfishljóð og fólk tekur almennt ekki mikið eftir því, t.d. þegar vindur blæs gegnum lauf trjáa. Tónn sker sig hins vegar úr, líkist háu flauti eða blístri, og veldur almennt meira ónæði en breiðbandshljóð.

Hljóð berst með hljóðbylgjum eða sveiflum sem hafa ákveðna tíðni (Hz) og styrk (dB). Tíðnin segir til um hversu oft hljóðbylgjan sveiflast á sekúndu. Við lága tíðni heyrist djúpur tónn og við háa tíðni heyrist skærari tónn. Fólk heyrir hljóð á tíðnibilinu 20-20.000 Hz en næmust erum við þó fyrir hljóði á tíðnibilinu 2.000-5.000 Hz. Styrkur hljóðbylgjunnar stjórnar því hversu hátt hljóð við heyrum.

Hljóðmyndun vegna vinds sem streymir yfir hindranir er þekkt fyrirbæri og hefur verið rannsakað í fjölbreyttu samhengi. Í þessum texta er sjónum beint að hljóðmyndunum í kringum handrið, en þó aðeins þeim sem mynda tón. Leitast verður við að útskýra hvernig tónn verður til, við hvaða aðstæður og hvaða þættir hafa helst áhrif á myndun hans. Þetta verður skoðað í samhengi við þrjár tegundir handriða: flatstálsrimla sem eru algengir í nýbyggingum, sívalingsrimla og gataplötur.

Tónmyndunum í rimlahandriðum er hægt að skipta upp í tvo flokka. Tónn getur myndast þegar vindur blæs þvert á rimla og þeir byrjað að titra eða þegar flæðið yfir rimlana kemur af stað hringrás (e. feedback loop) hringiða sem myndast við fremri brún þeirra og losna við aftari brún. Seinni myndunin á einungis stað í flatstálsrimlum.

Tónmyndun vegna titrings

Þegar vindur streymir þvert á rimla getur myndast reglubundið sveiflukennt flæði við aftari brún þversniðsins, þar sem jákvæðar og neikvæðar hringiður myndast til skiptis, eins og sjá má á myndum 5 og 6. Sveiflan í flæðinu hefur ákveðna tíðni f_vs (e. vortex shedding frequency) sem er háð m.a. vindhraða, iðustreymi (e. turbulence) og eiginleikum þversniðsins (lögun, yfirborði og skerpu kanta).

Rimlar, eins og allir hlutir, hafa ákveðna eigintíðni f_n (e. natural frequency) sem er háð lögun þeirra, lengd og efnisvali [4]. Eigintíðnin segir til um við hvaða tíðni hlutum er eiginlegt að sveiflast eða titra við. Ef tíðni sveiflunnar aftan við rimlana er sú sama, eða svipuð, og eigintíðni þeirra (f_vs ≈ f_n), byrja rimlarnir að sveiflast hornrétt á vindátt [5]. Sveiflurnar draga orku úr vindinum og styrkur þeirra eykst. Þegar tíðnin er innan þess tíðnibils sem mannseyrað skynjar og styrkurinn í sveiflunni er nægjanlegur, getum við heyrt tón.

Þekkt dæmi um þessa tónmyndun er frá Golden Gate-brúnni í San Francisco [6]. Árið 2020 var handriðinu skipt út fyrir annað með mjórri rimlum. Eftir það fór brúin að gefa frá sér hljóð við ákveðnar vindaðstæður. Rannsóknir sýndu fram á að um tvær tegundir af tónmyndunum var að ræða, þ.á.m. þessa, og mótvægisaðgerðir unnar með tilliti til þess. Sjá nánar að neðan.

Tónmyndun vegna hringrásar hringiða

Tónmyndanir stafa ekki alltaf af hreyfingu hluta heldur geta þær einnig átt sér stað vegna reglubundinna sveiflna í lofti umhverfis hluti. Til að tónn geti myndast þarf þó að myndast ákveðin hringrás hringiða. Hringrásin getur haldið tóninum gangandi þó að smávægilegar breytingar í vindi eigi sér stað. Þekktustu myndanirnar eru tvær og hægt að flokka þær eftir því hvernig vindur blæs:

1. Þegar vindur blæs þvert á rimla getur reglubundið sveiflukennt flæði myndast aftan við flatstál eins og nefnt er að ofan. Ef fleiri rimlar eru hlið við hlið og bilið á milli þeirra af ákveðinni stærð geta hringiðurnar aftan við rimlana byrjað að vinna saman [7]. Annað hvert flatstál myndar þá jákvæða hringiðu samtímis sem hin flatstálin mynda neikvæða hringiðu eins og sést á mynd 7. Þessi samverkun eykur styrk sveiflanna og þ.a.l. tónsins sem við heyrum. Þegar hringiður losna frá aftari brún flatstáls verða þrýstingsbreytingar í flæðinu. Breytingarnar hafa áhrif á loftflæðið við fremri hluta flatstálsins og ný hringiða myndast. Nýja hringiðan blæs síðan fram af aftari brún og heldur hringrásinni áfram.
2. Þegar vindur blæs frá horni, sérstaklega úr 25°±5° átt, geta straumskil (e. flow separation) átt sér stað aftan við efri brún flatstála [8]. Við það myndast svokallað skerlag (e. shear layer) í loftbilinu á milli tveggja flatstála sem skilur að hraðara flæði frá hægara. Sjá skýringarmynd 8 að neðan. Í skerlaginu eykst iðan í flæðinu og hringiður geta myndast. Ef stærð loftbilsins er þannig að hringiður lenda við neðri brún annars flatstáls getur myndast tónn. Við áreksturinn eiga sér stað þrýstingsbreytingar í flæðinu sem koma af stað hringiðumyndun framar í skerlaginu, sem svo lenda á neðri brún flatstáls og hringrásin heldur áfram.

Rannsakendum hefur tekist að draga fram reynsluformúlur sem tengja saman breidd flatstála D og lengd bilsins W á milli þeirra við þá tíðni sem kallast f_res (e. resonance frequency) og veldur tónmyndunum í lofti umhverfis handrið. Til að tónmyndun 1 eigi sér stað þarf f_res = f_vs. Fyrir algengar stærðir á flatstáli krefst þessi tónmyndun hærri vindhraða en almennt má búast við. Samt sem áður er vert að huga að því við hönnun handriðs.

Tónmyndun 2 er einnig háð vindhraða og á sér yfirleitt stað við lægri vindhraða en tónmyndun 1. Til dæmis var vindhraði einungis 6-7 m/s þegar blístur frá brúm við hraðbrautina Eastlink í Melbourn heyrðist [8] og við sjúkrahús í Christchurch, Nýja-Sjálandi, var vindhraðinn 10.7-13.6 m/s þegar tónn heyrðist frá handriðum [9].

Í Laugarneshverfi hafa íbúar tekið eftir því að tónn heyrist þegar vindur blæs úr norðri. Ef litið er á legu bygginga miðað við vindátt má sjá að vindurinn er að koma frá horni að handriðum í þeim aðstæðum, sjá mynd 9.

Út frá hljóðupptöku sem tekin var á staðnum fæst tíðnirófið á mynd 10. Þar má sjá áberandi topp við 1825 Hz tíðni. Út frá reynsluformúlu sem tekur mið af stærð bilsins milli flatsálsrimla fæst tíðnin f_res = 1829 Hz. Því má leiða að því líkum að tónmyndun 2 sé orsökin. Fyrir þessa tíðni reiknast sérfræðingum EFLU að vindhraðinn þurfi að vera 12 - 16 m/s til að tónn sé líklegur til að heyrast.

Úr grein DV frá 4. júní 2025 segir: „Þetta var stanslaust í tvo sólarhringa á meðan það var sem hvassast,“ segir íbúi í hverfinu sem DV ræddi við um málið. „Þetta kemur í norðanátt og er ofboðslega hátt en heyrist á mjög þröngu svæði.“ [10]. Þegar vindgögn fyrir þetta tímabil eru skoðuð sést að vindur frá norðri er um og yfir 12 m/s frá hádegi þann 2. júní fram að hádegi þann 4. júní. Sjá á myndum 11 og 12. Gögnin passa því við upplifun íbúa og útreikninga á tónmyndun.

Tónmyndanir frá rimlahandriðum, hvort sem um flatstáls- eða sívalingsrimla er að ræða, eru háðar vindhraða og vindátt, stærð og lögun rimla, bilinu á milli þeirra og efnisvali. Til að draga úr líkum á því að tónn myndist er hægt að huga að eftirfarandi punktum í hönnunarferlinu:

• Reikna út þær þrjár tíðnir sem nefndar hafa verið f_vs, f_n og f_res.
• Bera saman tíðnirnar og sjá hvort þær falli saman eða séu í nálægð við hver aðra.
• Skoða tíðnirnar í sambandi við það tíðnibil sem við mannfólkið erum næmust fyrir.
• Reikna út við hvaða vindhraða f_res og f_vs tíðnirnar eru líklegar til að mynda tón.
• Skoða veðuraðstæður, þ.e. vindhraða og vindátt, á þeim stað sem handrið verður sett upp.

Ef hugað er að þessu við hönnun handriða er hægt að fyrirbyggja vandamál eins og draugahljóð í íbúðabyggð og koma í veg fyrir dýrar, tímafrekar eða misfagrar mótvægisaðgerðir seinna meir.

Til að draga úr styrk og/eða myndun tóns í Golden Gate-brúnni var lögun á brúnum allra flatstála á brúnni breytt með því að bæta við kantlistum. Sama aðferð var notuð í Melboure og í Christchurch. Með því helst hönnun næstum óbreytt en breyttar brúnir trufla flæðið og draga því úr líkum á tón. Einnig væri hægt að loka alveg fyrir flæðið á milli rimla en við það breytist hönnun á handriði. Fara þarf varlega í að loka fyrir allt flæði á t.d. brúm þar sem vindálag gæti aukist.

Hér má sjá dæmi um mótvægisaðgerðir vegna tónmyndanna í handriðum á Íslandi:

Önnur tegund handriða sem á það til að mynda tón við ákveðnar vindaðstæður eru gataplötuhandrið. Á svipaðan hátt og hér að ofan má flokka þekktustu tónmyndirnar eftir því hvernig vindur streymir að handriðinu.

1. Ef flæði er hornrétt á gataplötu getur tónn myndast þegar vindur streymir í gegnum götin [11]. Vindaflæðið verður fyrir áhrifum lofts sem lendir á milli gata og leitar svo í átt að þeim. Við efri brún gata verða straumskil, þ.e. aðskilnaður milli flæðis og veggja gatsins. Meginflæði vinds er í gegnum miðju gatsins og hringiður myndast við innri veggi. Flæðið leitar aftur út á við og lendir á neðri brún gatsins og við það myndast tónn, sjá skýringarmynd 16. Þessi tónmyndun á sér einungis stað ef hlutfall milli þvermáls gata og þykktar plötu (D/t) er á ákveðnu bili. Ef hlutfallið er minna nær flæðið ekki aftur út að veggjum og ef hlutfallið er stærra er flæðið komið í meira jafnvægi og orðið samsíða gatinu áður en það fer út um neðri brún þess.
2. Ef vindur blæs frá horni að gataplötu er hætta á tónmyndun þegar vindátt er á milli 5° og 30° frá yfirborði plötunnar [12]. Styrkur tóna virðist þó vera mestur við 15°. Tónn heyrist þegar vindur blæs yfir efri brún gatanna, iðan eykst í flæðinu og við neðri brún myndast reglubundið sveiflukennt flæði þar sem jákvæðar og neikvæðar hringiður myndast til skiptis sem hafa sömu tíðni og hljóðið sem heyrist. Á mynd 17 má sjá hringiðu flæðisins (e. vorticity field). Út frá rannsóknum hefur verið hægt að setja fram reynslujöfnu þar sem mögulegt er að reikna tíðni tónsins sem myndast við þessar aðstæður. Sú jafna tengir tíðnina við m.a. vindhraða, þykkt á plötu og þvermál gatna.

Til að draga úr líkum á þessum tónmyndunum eru ýmsar leiðir mögulegar. Rannsóknir hafa sýnt að hægt er að hafa áhrif á tónmyndun eða styrk tóns með því að breyta stærð gata, bili á milli þeirra, þykkt á plötu, mynstri gata á plötu og skerpu brúna [13].

Hljóðmyndun vegna vinds er flókið fyrirbæri og getur stafað af ýmsum ástæðum. Hér var farið yfir helstu og/eða þekktustu dæmi tónmyndana í handriðum. Með rannsóknum hefur tekist að setja fram jöfnur þar sem ólíkar tíðnir eru reiknaðar og geta nýst við hönnun. Niðurstöðurnar má nota til að hagræða ýmsum stærðum í handriðum eða breyta efnisvali og draga þannig úr líkum á tónmyndun.

Sérfræðingar EFLU hafa komið að ýmsum verkefnum varðandi tónmyndanir, bæði á hönnunarstigi og við mótvægisaðgerðir, og hafa til þess ýmis verkfæri. Þekking á þessum vandamálum er sífellt að aukast og fylgist fyrirtækið með framþróun í rannsóknum.

Ef þú, lesandi, hefur áhuga á þessu viðfangsefni eða spurningar, þá er starfsfólk EFLU ávallt reiðubúið að veita frekari upplýsingar eða aðstoð.