Строительная акустика. Звуковые волны. Спектры. Звуковое давление. Интенсивность звука

1. Строительная акустика

Преподаватель
Соколов Александр
Николаевич

2. moodle.spbgasu.ru

2
moodle.spbgasu.ru
Кафедры
Строительной
физики и
химии
Соколов.
Строительная
физика.

3. 1 Лекция - тезисы

3
1 Лекция - тезисы
Основные понятия
Звуковые волны
Спектры
Звуковое давление
Интенсивность звука

4.

4
Литература
1. Архитектурная физика / Под ред Н.В.
Оболенского. – М.: Стройиздат, 1997. – 448 с. [с.
287 - Архитектурная акустика]
2. Ковригин С.Д. Архитектурно-строительная
акустика. – М.: Высш. шк., 1980. – 184 с.

5. Нормативные документы

5
Нормативные документы
• СНИП 23-03-2003
«Защита от шума»
• СП 23-103-2003
«Проектирование звукоизоляции
ограждающих конструкций жилых и
общественных зданий»

6. Архитектурно-строительная акустика

6
Архитектурно-строительная акустика
• Основной задачей архитектурной акустики
является исследование условий,
определяющих слышимость звука и музыки в
помещениях, и разработка архитектурных
планировочных и конструктивных решений,
обеспечивающих оптимальные условия
слухового восприятия.
• А так же, подавление шума (обеспечение
звукоизоляции и шумозащиты)

7. Свободные (собственные) колебания

7
Свободные (собственные) колебания
Совершаются за счёт первоначально
сообщённой энергии при последующем
отсутствии внешних воздействий на систему,
совершающую колебания

8. Гармонические колебания

8
Гармонические колебания
x A sin( 0t 0 )
x A cos( 0 t 0 )
A xmax - амплитуда колебания
0
0
- собственная частота колебаний
- начальная фаза

9. Гармонические колебания

9
Гармонические колебания

10. Затухающие колебания

10
Затухающие колебания
Колебания, амплитуда которых с течением
времени уменьшается из-за потерь энергии
реальной колебательной системой
2
d x
dx
2
2
x
0
0
2
dt
dt

11. Затухающие колебания

11
Затухающие колебания

12. Вынужденные колебания

12
Вынужденные колебания
F F0 cos t
d x
dx
2
2
x
f
cos
t
0
0
2
dt
dt
2
x A cos( t )
A
f0
( 0 ) 4
2
arctg
2 2
2
2
0
2
2
0 - собственная частота
- амплитуда
2
- фаза
- частота вынуждающей силы

13. Вынужденные колебания

13
Вынужденные колебания

14. Резонанс

14
Резонанс
Явление резкого возрастания амплитуды
вынужденных колебаний при приближении
частоты вынуждающей силы к собственной
частоте колебательной системы.
Резонансная частота
рез 0 2
2
2

15. Резонансные кривые

15
Резонансные кривые

16. Основные понятия. Звуковые волны.

16
Основные понятия. Звуковые волны.
Звук – это колебательное движение в любой
материальной, то есть обладающей
упругостью и инерционностью среде,
вызванное каким-либо источником.
Звуковой волной называют процесс
распространения колебательного движения в
среде.

17.

17

18. Колебания частиц упругой среды

18
Колебания частиц упругой среды

19.

19
Фронтом звуковой волны называют
поверхность, проходящую через частицы
среды, совершающие колебания в одной и
той же фазе. Направление распространения
звука в каждой точке фронта является
нормалью к его поверхности.

20.

20

21. Гармоническая волна или синусоидальная волна

21
Гармоническая волна или
синусоидальная волна
Упругая волна называется гармонической,
если соответствующие ей колебания частиц
среды являются гармоническими.

22.

22

23. Длина волны

23
Длина волны
- Расстояние, измеренное вдоль направления
распространения волны, между ближайшими
частицами, колеблющимися в одинаковой
фазе (разность фаз их колебаний равна 2 π)
- Расстояние, за которое распространяется
волна за время равное периоду колебаний
V T
V

24. Волновая поверхность (фронт волны)

24
Волновая поверхность (фронт волны)
- Геометрическое место точек, в которых фаза
колебаний имеет одно и то же значение
Направление распространения волны в
каждой точке волновой поверхности
является нормалью к ней

25. Волна называется

25
Волна называется
• Плоской, если её волновые поверхности
представляют совокупность плоскостей,
параллельных друг другу
• Сферической (шаровой), если её волновые
поверхности имеют вид концентрических
сфер
• Цилиндрической, если её волновые
поверхности имеют вид боковых
поверхностей цилиндра

26.

26

27. Уравнение бегущей волны

27
Уравнение бегущей волны
Источник:
(0, t ) A cos t
точка, расположенная на расстоянии x от
источника колебаний в момент времени t:
x
( x, t ) A cos (t )
V
x
t
V
- время, необходимое для
прохождения волной расстояния x

28. Уравнение бегущей волны

28
Уравнение бегущей волны
• Плоская волна
x
( x, t ) A cos (t )
V
• Сферическая волна
A0
r
(r, t ) cos (t )
r
V

29. Волновое уравнение

29
Волновое уравнение
(в общем случае в однородной изотропной среде)
1
2
2
2
2
2
x
y
z
V t
2
2
2
2
для плоской волны
1
2
2
2
x
V t
2
2

30. Звуковые волны (звук)

30
Звуковые волны (звук)
- упругие волны, т.е. механические
возмущения, распространяющиеся в упругой
среде, вызывающие у человека звуковые
ощущения

31. Частотные диапазоны

31
Частотные диапазоны
Звук
Инфразвук
Ультразвук
Сотрясение (вибрация)
Звук
Диапазон слышимости
Около 16 Гц
10 Октав
Около 16000 Гц
Строительная акустика
100 Гц
5 Октав
Около 3200 Гц

32. Волна характеризуется

32
Волна характеризуется
• Амплитудой
• Частотой
• Формой

33. Амплитуда

33
Амплитуда

34. Частота

34
Частота

35. Форма волны

35
Форма волны
• Синусоидальная звуковая волна – чистый
тон
• Несинусоидальная звуковая волна

36. Сложение трёх синусоидальных колебаний одинаковой частоты и фазы

36
Сложение трёх синусоидальных
колебаний одинаковой частоты и
фазы

37. Сложение двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты, но противоположных по фазе

37
Сложение двух синусоидальных
колебаний одинаковой частоты, но
противоположных по фазе

38. Сложение трёх синусоидальных колебаний одинаковой частоты и амплитуды, но несовпадающих по фазе

38
Сложение трёх синусоидальных
колебаний одинаковой частоты и
амплитуды, но несовпадающих по фазе

39. Сложение двух синусоидальных колебаний с близкими частотами (биения)

39
Сложение двух синусоидальных
колебаний с близкими частотами
(биения)

40. Сложение трёх синусоидальных колебаний с кратными частотами (1:2:3) (на примере скрипичного тона)

40
Сложение трёх синусоидальных колебаний с
кратными частотами (1:2:3)
(на примере скрипичного тона)

41. Форма волны

41
Форма волны
Тон: Звуковые колебания
синусоидальной формы.
Звучание: Наложение многих
тонов.
Шум: Нерегулярные колебания
без закономерной зависимости.
Громкий резкий короткий
звук: Кратковременный, очень
сильный быстро кончающийся
звуковой сигнал.

42. Восприятие звука в зависимости от свойств волны

42
Восприятие звука в зависимости от
свойств волны
• Частота – определяет высоту тона
• Амплитуда – определяет громкость
• Форма волны – определяет окраску
звучания

43.

43

44. Частотный спектр (или частотная характеристика)

44
Частотный спектр
(или частотная характеристика)
- Распределение (зависимость) какой-либо
физической величины (звуковой энергии,
амплитуды, колебаний и т.п.) от частоты

45. Типы спектров

45
Типы спектров
• Линейчатый (дискретный) спектр – а
• Сплошной спектр – б
• Смешанный спектр – в

46. Типы спектров

46
Типы спектров
• Линейчатый дискретный спектр
периодические колебания сложной
формы
(представляются суммой синусоидальных колебаний с
различной амплитудой)
• Сплошной спектр
непериодические колебания сложной формы
(представляются в виде бесконечно большого числа
синусоидальных составляющих)
• Смешанный спектр
наложение линейчатого и сплошного спектров

47. Белый шум

47
Белый шум
- равномерное распределение энергии в
звуковом диапазоне частот

48.

48

49. Октава

49
Октава
- полоса частот (от f1 до f2), в которой верхняя
частота в два раза больше нижней
Третьоктавная полоса
f2 3
2 1,26
f1
За среднюю частоту полосы принимают
среднегеометрическую частоту
f ср
f1 f 2

50. Частоты в октавных интервалах

50
Частоты в октавных интервалах

51. Музыкальные интервалы

51
Музыкальные интервалы
Октава
Квинта
Кварта
Большая терция
Малая терция
Большая секста
Малая секста
Большая секунда
Малый полутон
2:1
3:2
4:3
6:4
6:5
5:3
8:5
9:8
25:24

52. Музыкальные интервалы

52
Музыкальные интервалы

53.

53
Принятый ряд октавных полос частот
Граничные частоты полосы, Гц
45-90
90-180 180355
355710
Средняя частота, Гц
63
125
250
500
Граничные частоты полосы, Гц
7101400
14002800
28005600
560012000
Средняя частота, Гц
1000
2000
4000
8000

54.

54
Среднегеометрическая Границы 1/3 –
частота 1/3 – октавной октавной полосы
полосы
50
45-56
63
57-70
80
71-88
100
89-111
125
112-140
160
141-176
200
177-222
250
223-280
315
281-353
400
354-445
500
446-561
630
562-707
800
708-890
1000
891-1122

55. Продольная волна

55
Продольная волна
направление колебаний частиц среды
совпадает с направлением распространения
волны
Продольные волны связаны с объёмной
деформацией.
Могут образовываться и распространяться в
любой среде.

56. Поперечная волна

56
Поперечная волна
частицы среды колеблются, оставаясь в
плоскостях, перпендикулярных направлению
распространению волны
Поперечные волны связаны с деформациями
сдвига.
Могут образовываться и распространяться
только в твёрдых телах

57. Упругие свойства среды характеризуются одной или двумя упругими постоянными

57
Упругие свойства среды
характеризуются одной или двумя
упругими постоянными
• K – модуль объёмной упругости
• G – модуль сдвига

58. Скорость распространения

58
Скорость распространения
• Продольной волны в однородной
газообразной среде или жидкости
K
v
• Поперечной волны в неограниченной
изотропной твёрдой среде
G
v
• Продольной волны в тонком стержне
E
v
• В пластине
E
v
(1 2 )

59.

59
Материал
Модуль упругости
Eдинам , МН/м2
Плотность
ρ, кг/м3
Скорость звука
C, м/с
Сталь
208∙103
7800
5164
Стекло
52∙103
2500
4560
Дерево
7∙103 … 15∙103
600
3416…5000
Песок
0.02∙103 … 0.2∙103
2000
100…317
Бетон
48∙103
2400
4472
Лёгкий бетон
4∙103
1000
2000
Стеновой кирпич
1∙103 … 5∙103
600…2000
1290…1580
Силикатный
камень
3∙103 … 8∙103
600…1200
2236…2580
3∙103
900
1826
Гипсокартонные
листы

60. Скорость распространения звуковой волны в газе

60
Скорость распространения звуковой
волны в газе
m
pV RT
m p
V RT
K p
K
p
RT
v
1,4 8,31 (273 20)
v
342,85 м/с
0,029
v 330 0,6t
v 330 0,6 20 342 м/с