5.61M

Category:

physics

Архитектурная_акустика

1.

АРХИТЕКТУРНАЯ ФИЗИКА
(акустика основные понятия и
определения)
Составил – асс. проф. Н.Е.Камзина
1

Основные понятия
Со всех сторон человека окружают
звуки, помогают ему адаптироваться к
окружающим условиям. Но звуки
бывают разными. Одни могут быть
приятными (полезные) - речь, музыка,
шум природы, другие даже вызывают
неприятные ощущения (вредные)
производственный и транспортный
шум, звуки большой мощности.

3.

Основные понятия
Аку́ стика (от греч. ἀκούω (аку́ о) —
слышу) — наука о звуке, изучающая физическую
природу звука и проблемы, связанные с его
возникновением, распространением, восприятием и
воздействием. Акустика исследует упругие
колебания и волны от самых низких (условно от 0
Гц) до высоких частот.

4.

Распространение звука
Передача звука происходит:
- по воздуху (воздушный шум)
- в конструкциях (структурный шум)
Строительная акустика изучает проблему
передачи звука в зданиях и конструкциях,
защиту зданий и территории от шума.

5.

Методы
Строительно-акустические методы:
• применение конструкций и устройств,
обеспечивающих эффективное снижение уровня шума.
Архитектурно-планировочные методы:
• рациональные объёмно-планировочные решения
• оптимальная планировка микрорайонов, жилых
районов, территорий промышленных предприятий
• удаление источников шума от защищаемых объектов

6.

7.

Акустика помещений
Акустика помещений - изучает закономерности
распространения звука в пространстве с целью
обеспечения в них условий хорошей слышимости
речи и музыки.
Для хорошей акустики помещений важно
обеспечить:
Время реверберации
Возможности звукопоглощения поверхностей и
конструкций
Равномерное распространение и распределение
звука
Улучшение восприятия человеком полезных
звуков.
Снижение воздействия на человека вредных звуков

8.

Благоприятные акустические условия создаются для:
жилых офисных, конференц-залов, концертных залов,
спортивных залов, залов многоцелевого назначения,
производственных помещений

9.

Определение звука
Звук – это колебательное движение в любой
упругой материальной среде, вызванное каким-либо
источником.
Звуковая волна – процесс распространения
колебательного
движения в среде.
Звуковое поле – область пространства, в которой
наблюдаются звуковые волны

10.

Перемещение звуковой волны
Волновой фронт - геометрическое место
точек, до которых доходят колебания к моменту
времени t.
-это поверхность отделяющая область возмущения
от области покоя и все точки которой находятся в
одной фазе
колебаний

11.

Распространение волн в упругих
средах

12.

Распространение волн в упругих
средах

13.

Распространение волн в упругих
средах
Поперечная волна
по

14.

Гармонические колебания – колебания при
которых изменения физических величин
происходят по закону косинуса и синуса

15.

Особенности распространения звуковых
волн в зависимости от температуры
воздуха Скорость звука зависит от
свойств среды

16.

Скорость звука в газах при 00С
и жидкостях при 200С

17.

Твердые тела

18.

В теплом воздухе скорость звука больше,
чем в холодном, что приводит к
изменению направления распространения
звука

19.

Свойства звука
Прямолинейное распространение
Отражение
Преломление
Поглощение
Интерференция
Дифракция

20.

Отражение звука
Вогнутая поверхность между
источником звука и отражающим
препятствием способствует
возникновению эха
Выпуклая поверхность эха не дает

21.

Время запаздывания
отражений

22.

Отражение звука

23.

Частные случаи интерференции
Важным частным случаем интерференции является
наложение двух плоских волн одинаковой частоты,
одинаковой амплитуды, распространяющихся одна на
встречу другой При этом образуется так называемая
стоячая волна. Наиболее часто так взаимодействуют
падающая и отраженная волна. Точки пространства, в
которых получаются максимальная амплитуда,
называются пучностями. Точки, где амплитуда
минимальная – узлами
Расстояние между соседними узлами (пучностями)
равны половине длины волны
Стоячие волны

24.

Реверберация
Реверберация – процесс продолжения звучания после
окончания звукового импульса или колебания
благодаря многократным отражениям звуковых волн от
разных поверхностей
Наблюдается в закрытых помещениях, пещерах,
стадионах, городских площадях
• Воспринимается слитно, если промежутки между
отраженными сигналами менее 100мс
• При увеличении промежутков свыше 100 мс
воспринимается эхо
• Проявляется в более сочном гулком объемном
звучании, более приятном, чем исходный «сухой» звук

25.

Реверберация

26.

Звуковой резонанс
У струнных инструментов для
усиления громкости звука
используют резонаторы
Когда струны начинают
вибрировать, воздух внутри
резонатора начинает
начинает колебаться в
резонанс с ними

27.

Для усиления звука проектируется
объем внутренних помещений, в
которых планируется петь или
играть музыку

28.

Голосники, резонаторы

29.

Шёпот в нём хорошо распространяется
вдоль стен, но не слышен в остальной
части помещения (круглой формы)

30.

Приемник звуковых волн
Естественный – ухо
Чувствительность его зависит от
частоты звуковой волны: чем меньше
частота волны, тем меньше
чувствительность уха.
Исключительная избирательность :
дирижер улавливает звуки отдельных
инструментов.
Искусственный – микрофон.
Он преобразует механические звуковые
колебания в электрические

31.

Ухо – приемник звука

32.

Звук – это воспринимаемые
человеческими органами слуха
механические волны, которые вызывают
звуковые ощущения.
Источником звука могут быть любые
тела, которые совершают колебания со
звуковой частотой (от 16 до 2000 Гц).

33.

Источники инфразвука
Естественные
• Землетрясения
• Бури
• Цунами
Техногенные
• Станки, механизмы
• Транспорт
• Взрывы
• Ветряные электростанции

34.

Инфразвук

35.

Ультразвук
Ультразвук – звуковые колебания с
частотами от 20 кГц до 1 ГГц,
обладающие более короткими длинами
волн, которые легче фокусировать и
получать более узкое направление
излучения
Распространяется на значительные
расстояния в твердых телах и
жидкостях
Переносит значительно большую
энергию, чем звуковая волна

36.

Защита от ультразвука
Изготовление оборудования,
излучающего ультразвук, в
звукоизолирующем исполнении
Устройство экранов (сталь,
дюралюминий, оргстекло)
Размещение ультразвуковых установок в
специальных помещениях
Применение индивидуальных защитных
средств

37.

Гиперзвук
Гиперзвук – упругие волны с частотами
109 – 1013 Гц. По природе не отличается
от инфразвука. Это сверхвысокие
частоты (СВЧ)
Тепловые колебания атомов вещества –
естественный гиперзвук, искусственный
генерируют с помощью специальных
излучателей
Распространяется в кристаллах, в
воздухе не распространяется вследствие
сильного поглощения

38.

Шум
Шум – беспорядочные колебания разной
физической природы, отличающиеся
сложностью временной и спектральной
структуры

39.

Диапазон слышимых звуков

40.

Ущерб здоровью. Методы борьбы
Глухота
Психические расстройства, раздражение
Бессонница
Головокружение
Повышение артериального давления
Уменьшения шума источника (точность
изготовления узлов, замена стальных шестерен
пластмассовыми
Звукопоглощение
Звукоизоляция
Установка глушителей шума
Рациональное размещение зон интенсивного шума
Зеленые насаждения (уменьшают шум)
Индивидуальные средства защиты

41.

Физические характеристики звука
Субъективные:
Высота
Громкость
Тембр

42.

Высота звука
Высота определяется частотой звука- чем больше
частота, тем выше звук.
Колебаниям большой частоты соответствуют
высокие звуки; колебаниям небольшой частоты
низкие звуки
У шмеля 220 взмахов в сек – полет
сопровождается низким звуком (жужжанием)
- комара 600 взмахов в сек – полет
сопровождается высоким писком

43.

Громкость звука
Громкость зависит от амплитуды колебаний в волне- чем больше
амплитуда, тем выше громкость.
За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема
Белла, изобретателя телефона).
Громкость звука 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога
слышимости.
На практике громкость измеряют в дицебелах (дБ)
1 дБ=0,1 Б
10 дБ – шепот;
20 – 30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор обычной громкости;
160 дБ – двигатель реактивного самолета;
180 дБ – разрыв барабанной перепонки

44.

Тембр звука
Тембр определяется формой звуковых колебаний.
Ветви камертона совершают гармонические колебания.
Таким колебаниям присуща только одна определенная
частота. Это простой вид колебания.
Звук камертона является чистым тоном.
Звуки от других источников (музыкальные инструменты,
голос и др.) представляют совокупность гармонических
колебаний разных частот (совокупность чистых тонов).
Составляющая наименьшей частоты – основной тон;
остальные составляющие называют обертонами (высота
тона больше, чем у основного).
Набор этих составляющих придает окраску звучанию тембр

45.

Тембр звука
Благодаря, прежде всего, различиям в
тембре мы среди множества звуков узнаем
голоса различных инструментов. Ноту ля,
взятую на рояле, легко отличить от той
же ноты, сыгранной на рожке

46.

Физические характеристики звука
Объективные:
Спектр звука
Звуковое давление
Интенсивность звука

47.

Спектр звука
Спектр звука— совокупность простых
гармонических волн, на которые можно
разложить звуковую волну. Выражает его
частотный (спектральный) состав и
получается в результате анализа звука.
Представляют обычно на координатной
плоскости, где по оси абсцисс отложена
частота, а по оси ординат – амплитуда
или интенсивность звука

48.

Спектр звука
Периодические колебания при разложении в ряд
представляются как сумма гармоник с различной
амплитудой.
Такие гармоники образуют дискретный или линейчатый
спектр.
Непериодические колебания сложной формы
представляются в виде суммы всех гармонических
составляющих, образующих сплошной спектр
Обычно звуковые сигналы имеют смешанный спектр, где
на фоне сплошного спектра выделяются отдельные
тональные составляющие.

49.

Спектр звука
Спектр с одинаковой интенсивностью звука по всем
частотам называется белым спектром.
В области слышимых частот примером белого шума
является шум водопада.
Полоса частот характеризуется граничными
частотами (нижней и верхней), шириной полосы
∆f = f2/f1 и среднегеометрической частотой fср:
где f1– нижняя граница частоты, Гц; f2– верхняя граница
частоты, Гц.
Если отношение f2/f1 =2, то ширина полосы называется
октавой.
Если отношение,
то ширина такой
полосы называется треть октавой (1/3 октавы).

50.

Спектр звука
Принятый в акустике ряд октавных полос,
представлен

51.

Звуковое давление
Звуковое давление - это давление, возникающее в среде при
прохождении звуковых волн, p – разность между
мгновенным значением полного давления и средним
давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии
звукового поля.
Для расчета принимают эффективное значение:
Звуковое давление в данной окружающей среде зависит от
акустических свойств данной среды
Диапазон звуковых давлений широк, поэтому используют
УРОВНИ звукового давления, которыми собственно и
оперируем мы в акустических расчетах.

52.

Человеческое ухо воспринимает волны, в
которых звуковое давление изменяется в десять
миллионов раз
Порог слышимости соответствует значению
. Это соответствует уровню 0 дБ.
«Если бы порог слышимости был порядка 10-6Па, мы
слышали бы броуновское движение. Природа защитила
нас от непрерывных звуковых перегрузок, вызываемых
«толкотней» молекул воздуха с пылинками. Вот когда
бы мы всем миром боролись за чистоту воздуха».
Т.В. Романова
Болевой порог соответствует значению
Это соответствует уровню 120 дБ.

53.

Броуновское движение
Беспорядочное движение микроскопических видимых
взвешенных частиц твёрдого вещества в жидкости
или газе, вызываемое тепловым движением частиц
жидкости или газа. Было открыто в 1827 году
Робертом Броуном. Броуновское движение никогда не
прекращается. Оно связано с тепловым движением,
но не следует смешивать эти понятия. Броуновское
движение является следствием и свидетельством
существования теплового движения.

54.

Звуковая мощность
Мощность звука, P – количество звуковой энергии,
излучаемой источником звука в единицу времени.
Характеризует источник шума или звука.
Мощность звука - количество звуковой энергии,
проходящей в 1 с через площадь S, окружающую
источник звука.
[P] = Вт
Источник звука излучает энергию независимо от
окружающей среды, так же как электрический камин
излучает теплоту.
Мощность источника звука в реальной жизни находится
в очень широких пределах - от 10-12 до нескольких
миллионов Ватт, поэтому используются
логарифмические шкалы - УРОВНИ звуковой мощности

55.

Интенсивность звука
Интенсивность звука, I, – количество звуковой энергии,
распространяющейся в звуковом поле в единицу времени
через единицу площади перпендикулярной к направлению
распространения звука.
Интенсивность звука связана с мощностью:
Р – звуковая мощность; S – площадь фронта волны
Интенсивность звука при распространении сферической
волны без поглощения:
Интенсивность звука выраженная через давление:
p*c - акустическое сопротивление среды (импеданс -комплексное
сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала.
Понятие и термин ввёл физик и математик О. Хевисайд в 1886 году.), кг/(м2с)

56.

Плотность звукового поля
Плотность звукового поля Е - это звуковая энергия,
содержащаяся в единице объема среды.
Е – величина скалярная, т.е. характеризует поле в случае
неопределенного направления звуковых волн.

57.

Интенсивность звука
Интенсивность звука снижается по мере увеличения расстояния
от источника звука.
Если звуковая волна на своем пути не встречает преград, то звук из
источника распространяется во всех направлениях. Сила звука
остается постоянной, но площадь воздействия увеличивается,
именно поэтому в отдельно взятой точке интенсивность звука
снижается.

58.

Закон Вебера - Фехнера
Для всех органов чувств человека ощущение
пропорционально логарифму раздражителя,
выраженному в единицах порога ощущения.
Ухо человека реагирует не на абсолютное, а на
относительное изменение интенсивности или
звукового давления. Разница уровней в 1дБ
соответствует минимальной величине,
различимой слухом, при этом интенсивность
звука меняется в 1.26 раза, или на 26%. Если же
разница уровней составляет 3 дБ, то
интенсивность звука изменяется уже в 2 раза.

59.

Уровень громкости звука
Если сравнить между собой громкость двух чистых тонов
одинаковой частоты, то чем больше амплитуда звукового давления,
тем более громким будет звук.
Однако человеческое ухо имеет разную чувствительность к звукам
разной частоты, то есть на разных частотах одинаковую
громкость могут иметь звуки разной интенсивности.
Область наилучшей слышимости лежит в интервале от 1000 до
5000 Гц. На низких и высоких частотах чувствительность
слухового аппарата снижается.
Громкость звука оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого
тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого
тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого (сравнением на слух),
как и измеряемый звук, называется уровнем громкости данного звука
(в фонах). На практике для оценки громкости звука различных
частот используют «кривые равной громкости» геометрическое
место точек равногромких тонов различных частот. На частоте
тона 200 Гц необходим уровень звука в 60 дБ, чтобы он
воспринимался как равногромкий тону 1000Гц с уровнем звукового
давления 50дБ. (50 фонов)

60.

Уровень громкости звука
На частоте тона 200 Гц необходим уровень
звука в 60 дБ, чтобы он воспринимался как
равногромкий тону 1000Гц с уровнем звукового
давления 50дБ. (50 фонов)

61.

Уровень громкости звука
Изменение уровня громкости в два раза не означает, что
субъективное ощущение громкости звука изменится во столько же
раз. Для оценки субъективного восприятия громкости звука введена
шкала сонов.
Громкость звука в сонах:
где L – уровень громкости в фонах.
Из формулы видно, что громкость в 1 сон
имеет звук с уровнем громкости L = 40 фон.
Изменение уровня громкости на 10 фон
соответствует изменению
громкости звука в два раза.
Рис. Шкала сонов