Основы акустики. Основные положения акустики

1. Основы акустики

2. Темы лекции

Основные положения акустики
Звук и звуковое поле
Восприятие звука человеком
Основные физические величины, характеризующие звуковое поле
Особенности восприятия звука человеком
Измерение уровня звукового давления
2

3. Цели занятия

Цели занятия:
• Изучить основы акустики
• Познакомиться с физическими явлениями, характеризующими звук
и звуковое поле.
• Рассмотреть особенности восприятия звука человеком
• Познакомиться и процессом измерения уровня звукового давления
3

4. Литература

• 1. Архитектурная физика
под редакцией Оболенского
2. Ковригин
Архитектурно-строительная физика
4

5. Основные положения акустики

В основе акустики лежит
учение
о
колебаниях
и
волнах.
Простейший вид колебаний –
гармонические, происходящие
по закону sin или cos
Основные характеристики –
амплитуда, частота, период
Пример
колебательного
движения
5

6. Основные положения акустики

Уравнение незатухающих колебаний
k
a x 0
m
k
0
m
ma kx
ma kx 0
a 0 x 0
2
d x
0 x 0
2
dt
6

7. Основные положения акустики

Решение уравнения
A - амплитуда колебаний;
t – время; - фаза колебаний,
X A sin( 0t )
0 2 n 2 / T
• 0- угловая частота колебаний,
x- смещение от положения равновесия;
n - частота колебаний, T - период колебаний;
- начальная фаза колебаний
Скорость и ускорение
dx
d 2x
v , м / с a 2 , м / с2
dt
dt
7
v A 0 cos( 0t )
a A 02 sin( 0t )

8. Основные величины

T
2 n
A
X
• - круговая частота
• Период колебаний
• n- частота
• Амплитуда
• Смещение от положения
равновесия
• Скорость
колебательного
движения
8

9. Основные положения акустики

Затухающие колебания
ma kx v
ma kx v 0
k
a v x 0
m
m
a 2 v 0 x 0
2m
- коэффициент
затухания
9

10. Основные положения акустики

Вынужденные колебания
Для поддержания колебательного процесса необходимо восполнять
энергию системы.
Внешняя сила, которая действует на систему изменяется по закону
F F0 cos( t )
частота вынуждающей силы
Уравнение вынужденных колебаний
a 2 v 0 x f cos t
F0
f
m
10

11. Основные положения акустики

Резонанс
A
f
2 2
4
2 2
2
0
11

12. Звук и звуковое поле

Процесс распространения колебаний в упругой среде – волновой
процесс.
Область, где распространяется волна – звуковое поле.
ЗВ могут быть продольные и поперечные. Продольные – в воздухе,
поперечные в твердых телах.
Скорость звука в воздухе приближенно можно определить как:
U 330 0.6t
U 340 м / с
где t- температура воздуха, оС.
Длина звуковой волны определяется как:
изменяется в диапазоне от 17 м до 0.017 м.
12
U
n

13. Звук и звуковое поле

Поперечная волна
Продольная волна
(Bruel. Measurements in building acoustics)
При распространении звуковой волны переносится энергия.
Частички среды совершают колебательное движение со скоростью
2
v 10 м / с
13

14. Звук и звуковое поле

Звуковое давление – разность
между давлением в любой
точке
и
атмосферным.
Измеряется в Па.
Звуковое
измеряется
значениях
Среднеквадратическое
значение амплитуды (СКЗ)
равно квадратному корню из
среднего квадрата амплитуды
колебания.
Для
синусоидальной волны СКЗ в
1,41 раза меньше пикового
значения.
в
Pзв Pi Pатм
давление
эффективных
14

15. Звук и звуковое поле

Звуковую волну можно рассматривать как волну давления
P Po cos t
(Bruel. Measurements in building acoustics)
15

16. Звук и звуковое поле

В свободном пространстве от
точечного источника
распространяется
сферическая волна
Мощность источника, W –
энергия, излучаемая в
единицу времени, Вт.
Интенсивность волны, I –
энергия, переносимая волной
в единицу времени, Вт/м2.
Интенсивность волны убывает
обратно пропорционально r.
Фактор направленности
излучения энергии, F
2
W
P
I Pзв v
S
U
I
F
I cp
16

17. Звук, звуковые волны

Акустическое сопротивление среды или импеданс
P
U
v
где U- фазовая скорость волны, - плотность воздуха
Отношение звукового давления (ЗД) к колебательной скорости частиц
среды v
Для воздуха импеданс равен 410 кг/ м2 с.
На открытом пространстве
распространяется бегущая волна.
x
y ( x, t ) A cos (t )
U
y ( x, t ) A cos( t kx )
17

18. Звук, звуковые волны

Античный театр в Эпидавре (Epidaurus), Греция. Построенный в IV
веке до н.э.
Полукруглая чаша античного театра
представляет собой идеальный
звуковой фильтр.
Если исполнитель стоит в середине
сцены, то каждое его слово могут
явственно расслышать все 15 тыс.
зрителей.
Ребристые каменные скамьи театра акустические фильтры, подавляя
низкочастотные звуки, и усиливая
голоса исполнителей, которые
отличаются относительно высокой
частотой. Граница между
подавляемыми низкочастотными
звуками и усиливаемыми
высокочастотными примерно 500 Гц.
18

19. Звук, звуковые волны

Сложение звуковых волн
Результат
сложения
волн,
распространяющихся в одном
направлении, зависит от частоты
колебаний и разности фаз.
Биения- результат сложение волн
разных частот, когда две частоты
мало различаются.
Биения – это изменения
амплитуды звука, происходящие с
частотой, равной разности
исходных частот.
19

20. Звук, звуковые волны

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН
Стоячая волна не переносит
энергию
Стоячие волны образуются в
результате наложения двух
волн одинаковой амплитуды,
фазы и частоты, распространяющихся в противоположных
направлениях.
Амплитуда в пучностях
стоячей волны равна
удвоенной амплитуде каждой
из волн. Поскольку
интенсивность волны
пропорциональна квадрату ее
амплитуды, то интенсивность
в пучностях в 4 раза больше
интенсивности каждой из
волн.
Закон сохранения энергии НЕ
НАРУШАЕТСЯ, поскольку в
узлах интенсивность равна
нулю
x
2 A cos(2 ) cos t
20
2 x
Ac 2 A cos

21. Звук и звуковое поле

Форма волнового фронта по
другую сторону экрана
зависит от соотношение
между длиной волны и
диаметром отверстия D. Если
эти величины примерно
одинаковы или длина волны
больше D, то волновой фронт
будет сферическим.
Если длина волны меньше D,
то выходящая волна будет
распространяться преимущественно в прямом
направлении.
Если длина волны намного
меньше D, то вся ее энергия
будет распространяться по
прямой.
Если на пути звука
оказывается препятствие,
размеры которого намного
больше длины волны, то звук
отражается, а за
препятствием формируется
21
зона акустической тени.
• Дифракция волн - отгибание
волнами препятствия.
Степень отклонения от
прямолинейного направления
зависит от соотно-шения
между длиной волны и
размером препятствия или
отверстия.

22. Звук и звуковое поле

Рефракция звука - искривление
звуковых лучей в неоднородной
среде (атмосфере, океане)
Если скорость звука во второй среде
меньше, чем в первой, то угол
преломления будет меньше угла
падения,
Если скорость во второй среде
больше, то угол преломления будет
больше угла падения sin
U
1
sin 2
1
U2
С увеличением высоты температура
воздуха понижается, уменьшается
скорость звука.
Звуковые лучи всегда отклоняются в
направлении уменьшения скорости
звука.
22

23. Восприятие звука человеком

К физическим характеристикам звука относят: частоту и
интенсивность;
к физиологическим – высоту звука, тембр, громкость.
Звуки большой частоты воспринимаются как высокие и наоборот.
Высота - субъективная характеристика, зависящая от частоты
основного тона.
Тембр звука определяется спектральным составом.
Громкость - субъективная оценка звука, которая характеризует
уровень слухового ощущения.
Ухо человека воспринимает широкий диапазон частот
от 20 до 20 000 Гц
Ухо чувствительно к изменению частоты звука.
Порог слышимость – давление I0 = 2 10-12 Вт/м2, P = 2 10-5 Па,
Болевой порог
I 102 Вт / м2 , P 2 102 Па
23

24. Частотные зоны

Восприятие звука человеком
Частотные зоны
(Bruel. Measurements in building acoustics)
24

25. Восприятие звука человеком

Звуки разной частоты с
одинаковыми уровнями
звукового давления
человеческим ухом
воспринимаются, как звуки с
разной громкостью. Каждой
кривой соответствует
определенный субъективный
уровень громкости,
измеряемый в фонах.
При частоте 1000 Гц уровень
звукового давления в
децибелах равен уровню
громкости в фонах.
Кривые равной громкости
(Bruel. Measurements in building acoustics)
25

26. Основные физические величины, характеризующие звуковое поле

В акустике используют шкалу уровней.
Психофизический
закон
Вебера-Фехнера:
реакция
человека
пропорциональна логарифму воздействия.
Уровень звукового давления (УЗД):
Уровень интенсивности звука:
P
Lp 20log , дБ
P0
I
LI 10log , дБ
Io
W
LW 10log , дБ
Wo
Уровень звуковой мощности :
Изменение уровня звукового давления (УЗД) от порога слышимости
до болевого порога составляет 140 дБ
26

27. Основные физические величины, характеризующие звуковое поле

Единица измерения уровня
звукового давления , 1Б.
Используют единицу
измерения в 10 раз
меньшую - 1 дБ (децибел).
Ухо человека воспринимает
разность значений УЗД –
1 дБ.
(Интернет ресурс)
27

28. Основные физические величины, характеризующие звуковое поле

СЛОЖЕНИЕ УРОВНЕЙ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ
Уровень
звукового
давления,
создаваемый
источниками звука вычисляется по формуле:
n
Lр 10lg 10
несколькими
Li
10
i 1
Для n одинаковых источников:
Lр L 10lg n
Для сложения уровней
номограммы.
звукового
28
давления
используют
также

29. Таблица сложения уровней ЗД

Для
сложения
уровней
звукового
давления используют также номограммы
или табличные значения
Li, дБ
0
1
2
3
4
5
6
7
, дБ
3
2.5
2
1.8
1.5
1.2
1
0.8
29

30. Основные физические величины, характеризующие звуковое поле

Звук, состоящий из колебаний
одной частоты – называют
тоном (синусоидальная
волна), спектр линейчатый
Самая низкая частота
называется основной. Более
высокие частоты- обертоны.
От частоты и соотношения
амплитуд обертонов зависит
тембр звука. Обертоны,
частоты которых кратны
основной частоте, называются
высшими гармониками.
Музыкальные звуки гармонические обертоны.
Звук, состоящий из
нескольких частот – сложный
(шум) – сплошной спектр
30

31.

Основные физические величины,
характеризующие звуковое поле
1 / 3 Octav e, RM S, Filter Z
User title...
Сложный звук
характеризуется спектром,
т.е. распределением
энергии по частотам.
Для построения спектров
используют октавные и 1/3
октавные полосы частот.
ОКТАВА – полоса частот
f2
2
f1
31.5
Block begin
25.0
RMS
44.70 dB
51.83 dB
-
Для спектра в
полосах частот
1/3
октавных
f 2 / f1 2
среднегеометрическую
частота полосы
f
Main cursor
3
f1 f 2
31

32.

Приложение 1
Среднегеометрические частоты третьоктавных полос частот.
Среднегеометрическая частота
Границы
третьоктавной полосы, Гц
третьоктавной полосы, Гц
50
45 – 56
Область частот,
необходимых для
63
57 – 70
построений
80
71 – 88
100
89 – 111
125
112 – 140
160
141 – 176
200
177 – 222
250
223 – 280
315
281 – 353
400
354 – 445
Нормируемый диапазон
500
446 – 561
частот
630
562 – 707
800
708 – 890
1000
891 – 1122
1250
1123 – 1414
1600
1415 – 1782
2000
1783 – 2244
2500
2245 – 2828
3150
2829 – 3563
32

33. Классификация шума

33

34. Измерение уровня звукового давления

Стандартные величины, измеряемые в акустической
практике:
• уровень звукового давления Lp, дБ, в октавных или
третьоктавных полосах частот;
• корректированный по шкале А уровень звука LA, дБА,
адаптированный к восприятию уха человека.
• Для непостоянных шумов измеряются эквивалентные
уровни Lpэк или LAэк.
• Для измерения эквивалентного уровня шума при
усреднении
за
длительный
период
времени
применяются интегрирующие шумомеры.
34

35. Измерение уровня звукового давления

Для измерения используют приборы – анализаторы спектров
или
шумомеры, которые имеют блоки частотной коррекции
со шкалами
А, В, С, D и временных характеристик c
переключателями F (fast) - быстро, S (slow) - медленно, I (pik)
- импульс.
Шкалу F применяют при измерениях постоянных шумов, S колеблющихся и прерывистых, I - импульсных.
Блок-схема регистрирующих приборов состоит:
1-датчика (микрофона), 2- усилителя, 3- частотных фильтров
(анализатора частоты), 4- регистрирующего прибора,
показывающего уровень измеряемой величины в дБ.
35

36. Измерение уровня звукового давления непостоянного шума

Эквивалентный уровень непостоянного шума - уровень звука
постоянного,
широкополосного,
не
импульсного
шума,
оказывающего такое же воздействие на человека, как и
непостоянный шум.
Эквивалентный уровень звука принят в качестве нормируемой
характеристики непостоянных шумов в РФ.
Эквивалентный уровень звука устанавливают в результате
измерений и определяют по формуле:
t
1
LАэкв 10lg 100.1Lt dt
T 0
36

37. Измерение уровня звукового давления

В зависимости от вида частотных
характеристик фильтров
анализаторы подразделяются на
октавные, третьеоктавные и
узкополосные.
Частотная характеристика
фильтра, характеризуется
зависимостью коэффициента
передачи сигнала со входа
фильтра U вх на его выход U вых
от частоты сигнала f.
Полосовой октавный фильтр
характеризуется полосой
пропускания B = f2 - f1, т.е.
областью частот между двумя
частотами f1 и f2, на которых
частотная характеристика К( f )
имеет значение (затухание) не
более 3 дБ .
37
K ( f ) U вых / U вх

38. Виды шумов . СП 51 13330-2011 Защита от шума

• Транспортный шум
Шум внутри здания
разделяют на
воздушный, ударный и
структурный шум
Скорость распространения звука в различных материалах
Материал
Скорость звука
Сталь
5000 м/сек
Бетон
3000 м/сек
Твердая древесина
1500 м/сек
Вода
1000 м/сек
Воздух
38
330 м/сек

39. Измерение уровня звукового давления

Стандартные величины, измеряемые в акустической
практике:
• уровень звукового давления Lp, дБ, в октавных или
третьоктавных полосах частот ;
• корректированный по шкале А уровень звука LA, дБА,
адаптированный к восприятию уха человека.
• Для непостоянных шумов измеряются эквивалентные
уровни Lpэк или LAэк.
• Для измерения эквивалентного уровня шума при
усреднении
за
длительный
период
времени
применяются интегрирующие шумомеры.
39

40. Измерение уровня звукового давления

41. Нормирование шума СП 51.13330.2011 Защита от шума. Актуализированная редакция СНиП 23-03-2003 (с Изменением N 1)

Нормирование шума СП 51.13330.2011 Защита от
шума. Актуализированная редакция СНиП 23-032003 (с Изменением N 1)
Нормирование шума – предельный спектр
Для постоянного шума нормируется уровень звукового
давления (УЗД) в октавных полосах частот, дБ.
Для непостоянного шума нормируется эквивалентный по
энергии уровень звукового давления (УЗД) в октавных
полосах частот, дБА.
Допустимые уровни шума устанавливаются для различных
помещений и территорий и приводятся в нормативных
документах.
41

42. Нормы допустимого шума

• 6.1 Нормируемыми параметрами постоянного шума в
расчетных точках являются уровни звукового
давления , дБ, в октавных полосах частот со
среднегеометрическими частотами 31,5, 63, 125, 250,
500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
• Для
ориентировочных
расчетов
допускается
использование уровней звука , дБА.
Постоянный
проникающий
шум
считают
удовлетворяющим нормам, если уровни звукового
давления
L, дБ, в октавных полосах со
среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500,
1000, 2000, 4000 и 8000 Гц и уровни звука L, дБА, не
превышают предельно допустимых уровней звука,
указанных в таблице 1. СП 51
42

43. Нормируемыми параметрами непостоянного (прерывистого, колеблющегося во времени) шума

• 6.2 являются эквивалентные уровни звукового
давления, дБ, в октавных полосах частот со
среднегеометрическими частотами 31,5, 63, 125, 250,
500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц и максимальные
уровни
звука,
дБ
и
эквивалентные-,
дБА.
Допускается использовать эквивалентные уровни
звука , дБА, и максимальные уровни звука , дБА.
• Шум считают в пределах нормы, когда он как по
эквивалентному, так и по максимальному уровню не
превышает установленные нормативные значения.
43

44.

Жилые комнаты квартир
СП 51.13330.2011 Защита от шума.
Назначен Время
ие
суток, ч
помещени
й или
территори
й
Уровни звукового давления (эквивалентные уровни звукового давления), дБ, в октавных
полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц
31,5
Уровень
Максизвука LA (э мальный
квивауровень
лентный звука ,
уровень
дБА
звука ),
дБА
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
жил 7- 79
ые 23.
63
52
45
39
35
32
30
28
40
55
23- 72
7
55
44
35
29
25
22
20
18
30
45
Эквивалентный (по энергии) уровень звука, дБА:
Уровень звука постоянного шума, который имеет то же
самое среднеквадратическое звуковое давление, что и
исследуемый непостоянный шум в течение
определенного интервала времени.
44

45. Вибрации

Вибрации – низкочастотные колебания.
Вибрации относится к факторам, обладающим высокой биологической
активностью.
• Возникают и передаются по конструкциям при работе инженерного
оборудования ( насосов, вентиляторов).
• Вибрации классифицируются:
• по способу передачи вибрации на человеческий организм:
общая;
локальная
• по характеру спектра:
- узкополосные вибрации;
- широкополосные вибрации
• по частотному составу
- низкочастотные вибрации – с преобладанием максимальных уровней в
октавных полосах частот 1- 4 Гц для общих вибраций, 8 -16 Гц для
локальных вибраций;
- среднечастотные вибрации – с преобладанием максимальных уровней в
октавных полосах частот 8-16 Гц для общих вибраций, 31.5- 63 Гц для
локальных вибраций;
- высокочастотные вибрации – с преобладанием максимальных уровней в
октавных полосах частот 31.5 -63 Гц .
45

46. Вибрации

• Между ответными реакциями организма и уровнем
воздействующей вибрации нет линейной зависимости.
• При повышении частот колебаний более 0,7 Гц
возможны резонансные колебания в органах
человека.
• Область резонанса для головы в положении сидя при
вертикальных вибрациях располагается в зоне между
20 – 30 Гц, при горизонтальных – 1,5 – 2 Гц.
• Расстройство зрительных восприятий проявляется в
частотном диапазоне между 60 и 90 Гц.
• При действии на организм общей вибрации страдает в
первую очередь нервная систем.
• При
измерениях
вибраций
определяют
вибросмещение виброскорость и виброускорение.
• Для
измерения
вибраций
используется
логарифмическая шкала, уровни вибраций.
46

47. Нормирование низкочастотных колебаний (вибраций)

Допустимые
уровни
вибрации,
создаваемые
эксплуатируемыми
в
жилых
зданиях
инженерным
оборудованием, стиральными машинами в дневное время
суток не должны превышать значений, приведенных в
таблице.
Допустимые уровни вибраций.
Среднегеометрические
частоты октавных
полос, Гц
Допустимые значения, дБ
виброскорость
виброускорение
2
79
25
4
73
25
8
67
25
16
67
31
31,5
67
37
63
67
43
Корректированный
уровень, дБ
72
30
47

48. Вибрации

48

49. Заключение

• Уровень звукового давления воздушного и ударного
шума в жилых и производственных помещениях не
должен превышать нормативных значений.
• Повышенный уровень шума влияет на здоровье
людей.
• При проектировании зданий необходимо корректно
рассчитывать
звукоизоляцию ограждающих конструкций, особенно
перегородок между квартирами в многоэтажных
домах.
• В жилых зданиях нельзя допускать распространения
вибраций по конструкциям. Следует предусматривать
специальные виброоснования для инженерного
оборудования.
49

50. Заключение

• Человек на протяжении всей жизни находится в
звуковом поле.
• Музыкальные
звуки
доставляют
человеку
положительные эмоции, шум, наоборот, мешает и
оказывает неблагоприятное воздействие.
• Знание
физических
явлений
и
процессов,
характеризующих звук и звуковое поле, необходимо,
например, для анализа экологической ситуаций
оценки шумового загрязнения, также
решения
вопросов строительной и архитектурной акустики.
50

51. Copyright

Внимание. Данный дидактический материал предназначен для личного использования
студентом и защищен законом об авторских правах. Согласно данному закону
частичное или полное воспроизведение данного материала в иных целях строго
запрещено.
Copyright©UNIMARCONI
51