Архитектурная акустика. Основные понятия и определения МСП

1.

ТЕМА ЛЕКЦИИ:
АРХИТЕКТУРНАЯ АКУСТИКА.
ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МСП

2.

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.

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.

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.

Архитектурная акустика
Акустика залов
Звукоизоляция помещений
Шумозащита

7.

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
колебанийз
М
С

11. Распространение волн в упругих средах

Продольная волна
Поперечная
МСП

12. Волновое движение такого рода называется гармоническими или синусоидальными колебаниями

x (t ) A sin( t )
Период,
T – время
течение,
которого
совершается
Длина
Амплитуда
волны,
– расстояние
λ –в
расстояние
на которое
на которое
колеблющаяся
Частота
, f -колебание,
число
колебаний
секунду,
1/с c[Гц
] ]
одно
полное
]1за ввремя,
распространится
частица
отклоняется
колебание
от [с
положения
равновесия.
равное
Т, [м
с f
f
T
f
ω – круговая частота, рад/с; φ – фазовый угол, рад; t – текущее время, с

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

Скорость распространения звука в воздухе
С = 332 + 0,6t
T
с 331,45
273
Скорость звука в
воздухе, м/с
где Т, t — температура окружающей среды, К, °С соответственно
.
В газах скорость звука растет с
ростом температуры и
Зависимость скорости звука в воздухе от
температуры
давления.
В жидкостях при росте
360
температуры наоборот
350
снижается
340
(исключением является вода, в
330
которой скорость звука
320
310
достигает максимума при 74°С
300
и начинает снижаться только
290
при увеличении данной
-60
-40
-20
0
20
40
температуры).
Температура, град С
60

14. Скорость звука в газах при 0оС и жидкостях при 20оС

Газ или жидкость
Воздух
Водород
Кислород
Углекислый газ
Вода
Ртуть
Спирт
Трансформаторное
масло
МСП
Скорость звука, м/с
331,5
1265
316
261
1480
1460
1440
1390

15. В твердых телах скорость звука определяется модулем упругости вещества и его плотностью, при этом в продольном и поперечном

направлении в неограниченных изотропных твердых телах она
различается.
Вид твердого тела
Скорость продольной
волны, м/с
Скорость поперечной
волны, м/с
Плавленный кварц
5970
3762
Бетон
4200-5300
-
Плексиглаз
2675
1110
Стекло
3760-4800
2380-2560
Полистирол
2350
1120
Сталь
5740
3092
Мрамор
3810
-
Алюминий
6400
3130
Дуб
4100
-
Сосна
3600
-

16.

.
Рефракция-изменение направления движения волны

17. Свойства звука:

Прямолинейное
распространение,
отражение,
преломление,
поглощение,
интерференция,
дифракция

18. Отражение звука

Вогнутая поверхность
между источником
звука и отражающим
препятствием
способствует
возникновению эха
Выпуклая
поверхность эха не
дает
Опыт с часами и вогнутой
поверхностью

19. Время запаздывания отражений

20.

21.

22. 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

23. Звуковой резонанс

Резкое возрастание
амплитуды колебаний, в
результате совпадения
собственной частоты с
частотой вынужденной
силы- называется
резонансом
Тело, отзывающееся на
звук - резонатор
Два камертона с одинаковой
частотой установлены на
ящиках-резонаторах.

24.

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

25. Голосники, резонаторы

26.

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

27. Приемник звуковых волн:

28. Ухо-приемник звука

29.

30. Источники инфразвука

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

31. Инфразвук

Действия инфразвука
Борьба с инфразвуком

32.

33. 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

34. 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

35. 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

36. Шум

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

37. 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

38. Физические характеристики звука

Субъективные:
• Высота
• Громкость
• Тембр

39. 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)
-У комара 600 взмахов в сек – полет сопровождается
высоким писком

40. 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

41. 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

42. Физические характеристики звука

Объективные:
• Спектр звука
• Звуковое давление
• Интенсивность звука

43. 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

44.

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.

45. 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.
, то ширина такой полосы называется третьЕсли отношение
октавой (1/3 октавы).
Принятый в акустике ряд
октавных полос, представлен

46.

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:
pэф pm 2
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.

47. Человеческое ухо воспринимает волны, в которых звуковое давление изменяется в десять миллионов раз!

o Порог слышимости соответствует значению
р0 =2·10-5 Па. Это соответствует уровню 0 дБ.
«Если бы порог слышимости был порядка 10-6
Па, 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
o Болевой порог соответствует значению
р0 =2·102 Па. Это соответствует уровню 120 дБ.

48.

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

49.

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:
2
I
с
pэф
c
[I] = Вт/м2
Р
I
S
Р
I
2
4 r
pмакс
pэф
2
- акустическое сопротивление среды (импеданс), кг/(м2с)

50.

Плотность звукового поля, Е - это звуковая
энергия, содержащаяся в единице объема
среды.
I
pэф
2
c
;
I Ес;
Е
pэф
I
Е ;
c
2
c
2
[Дж/м3]
Е – величина скалярная, т.е. характеризует поле
в случае неопределенного направления звуковых волн.

51.

Интенсивность звука снижается по мере
увеличения расстояния от источника звука.
Р
I
2
4 r
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.

52. 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.

53.

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)

54.

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:
S 2
L 40
10
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

55. Интенсивность звука, воспринимаемая человеком

Порог слышимости: I=10-12 Вт/м2
Болевой порог: I=102 Вт/м2
Отличие на 14 порядков!

56.

Пороговая величина звукового давления p0
соответствует пороговой величине интенсивности
звука I0 и мощности P0
p0 = 2·10-5 Па
I0= 10-12 Вт/м2 P0=10-12 Вт
соответствуют порогу слышимости на частоте 1000 Гц
При пороговых величинах уровень интенсивности
звука и уровень звукового давления равны 0
Уровень звуковой мощности равен:
LP 10 lg( P / P0 )
Болевой порог: p = 2·102 Па I= 102 Вт/м2 L = 140 дБ

57.

Уровень интенсивности звука:
LI 10 lg( I / I 0 )
Так как
p2
I
c
10
8
lg(I/I0 )
где L1 – уровень интенсивности
в децибелах (дБ);
I –интенсивность звука Вт/м2;
I 0–интенсивность звука (порог
слышимости 10-12 Вт/м2 ;на
частоте 1000 Гц
12
6
4
2
0
1
100
10000
1000000
100000000 1000000000
0
Интенсивность звука, ед.порога слышимости, I 0
2
2
L
10
lg(
I
/
I
)
10
lg(
p
/
p
)
I
0
0
то
20 lg( p / p0 ) L
Уровень интенсивности звука, выраженный через
звуковое давление (уровень звукового давления)
L 20 lg( p / p0 )
Болевой порог 140 дБ

58. Сложение уровней интенсивности звука

Уровни шума являются логарифмическими величинами и их нельзя
непосредственно складывать. Для этого применяют правило
суммирования уровней:
- больший из суммируемых уровней
- добавка к большему уровню, определяемая по
таблице в зависимости от разности уровней
L1 – L2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
12
δL, дБ
3
2,7
2,2
1,0
1,4
1,2
0,9
0,8
0,7
0,3
Для n одинаковых уровней L1
L 10 lg I 10 lg I1 n 10 lg I1 10 lg n L1 10 lg n
Если один из суммируемых уровней меньше на 10 дБ он не учитывается!

59.

Задача
Определить суммарный уровень звукового давления для
трех источников, если уровни звуковых давлений равны
L=65 дБ, 70 дБ, 60 дБ
1. L1=70 дБ, L2=65 дБ, L3=60 дБ
2. Разность между наибольшими уровнями:
L1 - L2 = 70 – 65 = 5 дБ
3. Находим добавку δL: 1,2
4. Находим суммарный уровень звука для L1 и L2:L1+2 = 70 + 1,2 = 71,2 дБ
5. Разность между L1+2 – L3 = 71,2 – 60 = 11,2 дБ
6. Находим добавку δL: 0,3
7. Находим суммарный уровень звука для L1+2+3 = 71,2 + 0,3 = 71,5 дБ