Раздел 5. Акустика.

5.1. Упругие волны. Звуковая среда в городах и зданиях.

Человек со всех сторон окружён звуками. Звук вызывает радость, страх, беспокойство, раздражение и злобу. При этом звук – средство общения между людьми, средство получения информации. Музыка – сложный комплекс звуков – вызывает самые разнообразные ощущения. Специфическая форма звука – шум в последние годы стал бедствием человечества (затрудняет восприятие речи и музыки, вызывает раздражение, разные болезни – вплоть до глухоты). Таким образом, возникли перед человечеством задачи: создать условия наилучшего восприятия речи и музыки; повсеместно подавлять шум.

Прежде, чем приступать к решению этих задач, необходимо: получить представление о физических и физиологических характеристиках звука и шума, источниках их возникновения, законах распространения, архитектурно - планировочных и конструктивных способах решения упомянутых задач, а также ознакомиться с нормативными документами, связанными с этими проблемами.

В любом населённом пункте или здании всегда находится один или несколько источников звука. Эти звуки, распространяясь в среде, создают звуковое поле. Разные составляющие этого поля по - разному действуют на человека: одни несут информацию и создают общение между людьми; другие оказывают психо - эмоциональное действие; третьи несут вредное действие на организм.

Чтобы во всём разобраться, начнём с основных понятий.

5.2. Основные понятия акустики.

С точки зрения физики: звук – процесс распространения колебаний (механических) в материальной (упругой) среде – среде, обладающей упругостью и инерционностью. Этот процесс и называется звуковой волной.

Звуковая волна возникает в среде, если в ней находится колеблющееся тело, упругое взаимодействие частиц среды с запаздыванием во времени приводит в колебательное движение соседние частицы среды (колебания всех частиц среды происходят относительно их положения равновесия). Необходимо различать два процесса – колебания частиц относительно положения равновесия и процесс распространения колебаний в среде; скорости этих процессов различаются и довольно существенно.

Поверхность, объединяющая точки среды, до которых одновременно дошёл процесс колебаний, называют волновым фронтом. Звук распространяется по направлению – перпендикулярному волновому фронту. Звуковые волны можно классифицировать по разным признакам:

1. По форме фронта волны: плоские, сферические, цилиндрические.

2. По характеру колебаний частиц среды: продольные, поперечные, поверхностные, изгибные. Наиболее простые – продольные и поперечные.

3. По характеру изменения амплитуды колебаний частиц среды. Может рассматриваться изменение во времени, а может рассматриваться изменение амплитуды в пространстве (разных точках среды).

4. По частоте колебаний источника, вызывающего распространение волн: инфразвуки, собственно звуки и ультразвуки (инфразвуки имеют частоту колебаний до 20 Гц; звуки – от 20 Гц до 20 КГц – воспринимаются ухом человека; ультразвуки–с частотой выше 20 КГц).

Наука, занимающаяся звуками, – акустика.

Звуковое поле обычно может быть представлено как поле плоской волны, если линейные размеры источника велики по сравнению с длиной излучаемой им волны или, если рассматриваемая зона звукового поля находится на достаточно большом расстоянии от источника по сравнению с длиной волны.

Сплошные среды, в которых распространяются звуковые волны, называют системами с распределёнными параметрами. В них сжатия и разрежения распространяются с определенной скоростью. Сам процесс распространения механических колебаний и называют звуком.

Упругие свойства газообразных и жидких сред характеризуются одной упругой постоянной – коэффициентом сжимаемости. В этих средах могут возникать волны сжатия и разрежения – продольные волны (колебания частиц совпадают с направлением распространения колебаний – направлением распространения волны).

Однородные изотропные твёрдые среды характеризуются двумя упругими постоянными – модулем упругости и модулем сдвига, в них возникают продольные и поперечные волны (колебания происходят в направлении перпендикулярном направлению распространения волн). При прохождении звука по стержням и пластинам возникают колебания изгиба (такие колебания переносят основную долю энергии в ограждающих конструкциях зданий).

Любое нарушение стационарного состояния сплошной среды сопровождается возникновением распространяющихся волн разного типа.

Область пространства, в которой наблюдается волна – независимо от их типа – называют звуковым полем. Волна обычно характеризуется звуковым давлением «р» - разностью между мгновенным значением полного давления и средним давлением, наблюдаемым в среде при отсутствии волны (измеряется в Н/м²). При сжатии оно положительно, при разрежении – отрицательно.

Инерционность частиц среды требует времени, чтобы звук из одной точки достиг другой. Скорость распространения звука зависит от характера среды и вида волн (например, звук в воздухе при 20⁰С имеет скорость 340 м/с, а в воде – 1500 м/с).

Используется понятие длины звуковой волны «λ», под которым понимают расстояние между двумя ближайшими точками звукового поля, в которых фаза колебаний частиц среды одинакова (или расстояние, на которое распространится волна за время одного полного колебания – период колебаний «Т»). Длина волны измеряется в м. В изотропных средах длина волны λ, частота колебаний частиц среды f и скорость волны c связаны соотношением λ=c/f.

При распространении звуковых волн распространяется звуковая энергия. Любой источник звука может характеризоваться звуковой мощностью Р – количеством звуковой энергии, излучаемой за единицу времени (измеряется в Вт = Дж/с). Звуковая мощность – основной параметр источника звука или шума.

Для характеристики звукового поля используется плотность звуковой энергии D = p²/ρc² (здесь р – звуковое давление; ρ – плотность среды; с –скорость звука в среде).

При распространении волны необходимо использовать понятие интенсивности звуковой энергии I – энергия, переносимая через единицу площади перпендикулярной потоку за единицу времени. При прохождении волны в одном направлении I = p²/ρc. Произведение ρс носит название акустического сопротивления или импеданса (размерность кг.м^-2.с^-1). Численные значения звукового давления, интенсивности звука и звуковой мощности источника могут изменяться в очень широких пределах (звуковое давление изменяется от 2.10⁴ до 2.10^-5 Н/м², т.е. в 10⁹ раз).

Пользоваться таким разбросом величин очень неудобно, поэтому для акустических величин принято применение относительных логарифмических единиц – децибел (такое решение позволило резко сократить диапазон значений измеряемых величин). Каждому делению такой шкалы соответствует изменение соответствующей величины в определенное число раз.

Уровень интенсивности звука L_I определяется по формуле

L_I = 10 lg (I/I₀ )

По международному соглашению принято I₀ = 10^-12 Вт/м² (соответствует едва слышимому звуку в частотной области наибольшей чувствительности уха).

Уровень интенсивности звука можно выразить через звуковое давление

L_I = 10 lg(I/I₀) = 10 lg(p²/p₀²) = 20 lg(p/p₀) = L

L – называют уровнем звукового давления (для его расчёта принято р₀, которому соответствует I = 2.10^-12 Вт/м² , а само р₀ = 2.10^-5 Н/м² ).

Так как логарифмические единицы являются относительными, то они – безразмерные.

Примеры уровней звукового давления:

болевой порог – 134 дБ;

пневматический молот – 124 дБ;

громкий сигнал автомобиля на расстоянии 1 м – 114 дБ;

шум внутри поезда метро – 94 дБ;

внутри автобуса – 85 дБ;

на углу пересечения улиц со средним движением – 74 дБ;

разговорная речь – 65 дБ;

в административном помещении – 54 дБ;

жилая комната – 44 дБ;

библиотека – 30 дБ;

спальня в ночное время – 25 дБ;

студия радиовещания – 15 дБ;

порог слышимости – 0.

Сложный колебательный процесс можно разложить на простейшие составляющие – гармонические колебания соответствующих частот (так называемый ряд Фурье). Этот процесс называют частотным анализом; распределение энергии по частотному диапазону называют частотным спектром. Его обычно представляют в виде распределения уровней по полосам частот. Средней частотой полосы принимают среднегеометрическую, определяемую по формуле f_ср = (f₁f₂)^1/2 (f₁ – нижняя граничная частота полосы, f₂ – верхняя). Полосу частот, для которых f₂/f₁ = 2, называют октавой; октавные полосы имеют среднегеометрические частоты 65; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.