Міністерство освіти і науки України

Харківська державна академія дизайну і мистецтв

Методичні рекомендації до вивчення розділу «Акустика інтер’єрів громадських споруд» дисципліна «Будівельна фізика»

для студентів 3 курсу денного та заочного відділень

спеціалізації “Інтер’єр і обладнання”

напрям підготовки “Дизайн”

.

2. Харків 2010 Методичні рекомендації до вивчення розділу «Акустика інтер’єрів громадських споруд» дисципліна «Будівельна фізика» для студентів 3 курсу

денного і заочного відділень спеціалізації “Інтер’єр і обладнання” напрям підготовки “Дизайн”. - Харків: ХДАДМ, 2010. - 27 с. (укр. мовою)

Упорядник: Іванова Н.В.

Рецензент: Калюжний В.В., к.т.н., доцент кафедри архітектурних

конструкцій ХДТУБА

Розглянуто і схвалено на засіданні кафедри “Інтер’єр та обладнання” ХДАДМ

Протокол № № 38 від 17 березня 2010 р.

Розглянуто і схвалено на засіданні науково-методичної ради ХДАДМ

Протокол № 6 від 14.04.2010 р.

Дані методичні рекомендації розроблені для студентів 3 курсу спеціальності «Дизайн», спеціалізації «Інтер’єр і обладнання» на основі

робочої програми дисципліни «Будівельна фізика».

Методична розробка спрямована на підвищення якості методології та методики викладання дисципліни «Будівельна фізика» розділу «Акустика

інтер’єрів громадських споруд» на 3 курсі навчання в V семестрі.

Підготовка фахівців в царині інтер’єра передбачає зокрема оволодіння функціональною складовою проектування інтер’єрів. Однією з основних вимог до проектування крупних об’єктів - залів для глядачів різного призначення - є забезпечення гарної чутності для всіх глядацьких місць в залі. Рішенням даної проблеми займається архітектурна акустика. Таким чином, з проблемами акустики стикається кожен художник-проектант, який проектує інтер’єри багатьох громадських будівель. Теоретичні знання із галузі акустики студенти отримують з дисципліни «Будівельна фізика». Для оволодіння теоретичними знаннями з акустики і для практичного застосування цих знань в проектуванні інтер’єрів громадських споруд на старших курсах навчання і служать дані методичні рекомендації.

І. ФІЗИЧНА ПРИРОДА ЗВУКУ. Прикладна акустика.

Звук є відчуття, що викликається впливом середовища, що коливається, на людське вухо. У розширеному значенні цей термін використовується для позначення самих коливань. Можна сказати, що звук - це енергія коливань, яка завдяки пружним деформаціям повітря передається від джерела звуку вуху людини. Акустика - це наука про звук, а найпростіша акустична система складається з джерела звукових коливань, середовища, що їх передає, та приймача – реципієнта.

Прикладна акустика спрямована зазвичай на рішення двох основних проблем.

Задачі, які пов’язані з першою проблемою, мають на меті створити умови для повноцінного сприйняття звуку слухачами; збереження, а іноді й посилення звуку є необхідною умовою для цього. Звук в таких випадках є

носієм корисної інформації – сигналом.

Завдання, що відносяться до другої проблеми, ставлять метою ослаблення або придушення звуків, які заважають слуховому сприйняттю,

нормальній роботі та відпочинку людини. Такі звуки називають шумами.

Відповідно до диференціації звуків на сигнали і шуми зручно розділити курс прикладної акустики в галузі архітектури і будівництва на наступні дві взаємопов’язані частини, що розрізняються кінцевими цілями і технічними

прийомами рішень:

• архітектурна акустика, що має на меті забезпечити оптимальні умови сприйняття мови, співу, музики в приміщеннях і на

відкритому повітрі;

• будівельна акустика, основним завданням якої є розробка архітектурно-конструктивних заходів по придушенню або

послабленню шуму.

1. Основні поняття, величини і одиниці, прийняті в прикладній акустиці.

Звукові коливання передаються в газоподібному або рідкому середовищі шляхом розповсюдження поздовжніх хвиль, тобто стиснень і розтягувань молекул, що чергуються, в радіальному напрямку від джерела звуку. Графічним поданням хвиль розрідження-стиснення може служити синусоїда, що описує хвильові процеси. У твердих тілах механізм передачі звуку більш складний - він може включати поширення поперечних хвиль.

Зазвичай середовищем, що передає звукові коливання вуху людини, є повітря. Область розповсюдження звукових хвиль називається звуковим полем.

Хвильовий рух можна описати за допомогою довжини хвилі λ , м;

ƒ - частоти, Гц (1 Гц дорівнює одному коливання в 1 сек.); U - швидкості

розповсюдження, м /сек. Ці величини пов'язані наступною залежністю

U = ƒ λ

Для повітряного середовища приміщень звичайно швидкість звуку вважають рівною 340 м /с, хоча це значення дійсно для повітря лише при температурі 14°С і нормальному атмосферному тиску (101,3 кПа). Середнє людське вухо здатне сприймати звуки частоти від 16 до 20000 Гц. Інтервал між двома звуками, частоти яких відносяться як 2:1, називається октавою. Октава поділяється на 12 рівних логарифмічних інтервалів, званих півтонами, частоти яких ставляться один до одного як 1,0595:1. Ноті "до" першої октави на фортепіано відповідає частота 256 Гц.

Всі звуки можуть бути поділені на прості і складні. Коливання, що відбуваються з рівними періодами і мають одну частоту, називаються простими звуками або чистими тонами і, крім лабораторних умов, зустрічаються рідко. Всі інші звуки розглядаються як складні. Вони в свою чергу можуть бути розділені на періодичні і неперіодичні. Періодичні звуки містять лише частоти, кратні основній частоті, які називають її гармоніками. Неперіодичні звуки мають безладну природу, і гармоніки не є їх характерною ознакою. Нерегулярні звукові коливання зазвичай називаються шумом. Білий шум - це звук, що містить всі чутні частоти.

Всякий періодичний звук, яким би він не був складним, може бути розкладений на прості синусоїдальні коливання.

Чистий тон частотою 1000 Гц прийнято вважати еталонним. 

У прикладної акустиці всі інші звуки прийнято порівнювати з еталонним.

Кількісними заходами звуку, що поширюється в передавальному середовищі, можуть служити його інтенсивність або сила звуку İ і звуковий тиск P.

Силою або інтенсивністю звуку İ називається кількість звукової енергії, що проходить через одиницю поверхні за одиницю часу. Вимірюється сила звуку в ватах на квадратний метр. Звуковим тиском P називають силу, що впливає на одиницю площі, вимірюють його в паскалях.

Оскільки в межах повного циклу звуковий тиск змінюється від нуля до позитивного максимуму, а потім знову до нуля і далі до негативного максимуму, під цим терміном звичайно розуміють середньоквадратичний тиск протягом повного циклу.

Існуючі прилади дозволяють виміряти звуковий тиск за його впливом на мікрофон. Інтенсивність звуку визначають по звуковому тиску

розрахунковим шляхом

İ = P² / ρU ,

де ρ - щільність середовища, кг/м³; U - швидкість поширення звуку.

Для акустичних розрахунків в інтер’єрі можуть бути застосовані

наступні значення цих величин:

ρ = 1,18 кг/м³; U + 340 м/сек.

2. Слухове сприйняття.

Психологічний вплив звукових подразників вивчає один з розділів психофізики - психоакустика. Повітряні звуки досягають барабанної перетинки через зовнішній слуховий прохід і повідомляють їй коливання.

Ці коливання потім передаються через систему слухових кісточок (молоточок, ковадло і стремено) внутрішній перетинці овального отвору, через яку вони досягають внутрішнього вуха (равлика). У завитку знаходяться приблизно 25000 волосових закінчень слухового нерва, що вибірково реагують на різні частоти і генерують нервові імпульси, які потім передаються в мозок.

Інтерпретація цих імпульсів відноситься до функцій мозку, проте первинний відбір відбувається у внутрішньому вусі. Таким чином, вухо являє собою не тільки досить ефективний мікрофон, а й аналізатор. Більшість функцій слухового сприйняття більш високого рівня включає розпізнання звуків за їх характеристиками, фільтрацію (відбір зовнішньої інформації) та інтерпретацію, основою якої є пам’ять, тобто попередній досвід. Бінауральне сприйняття дозволяє досить точно визначати напрям звуку, а зменшення інтенсивності звуку, яке сприймається, може дозволити оцінити відстань до джерела звуку. Слухове сприйняття дозволяє вибірково підходити до сприйняття інформації, яка звучить одночасно. Частота визначає висоту сприйманого звуку. З точки зору психофізики частота являє собою континуум подразника, а висота – відповідний континуум реакції, який завжди вуже континуума подразника.

Діапазон інтенсивностей звуків, які сприймаються вухом людини, дуже широкий. Найбільш гучний звук, що вухо сприймає поблизу больового порога, у кілька мільярдів разів інтенсивніше, ніж самий слабкий звук у

порога чутності.

3. Рівень звукового тиску. Рівень сили звуку.

Встановлено, що чутливість вуха пропорційна не абсолютній величині подразника (інтенсивності звуку або звукового тиску), а відношенню фактичної інтенсивності (або звукового тиску) до значення інтенсивності İ₀ або тиску P₀, який відповідає порогу чутності. Відповідно до закону Фехнера ця залежність є логарифмічної

R = c log S ,

де R - реакція; S - подразник; c - постійна.

В якості значення порога чутності вибрані стандартні величини, дійсні для еталонного звуку частотою 1000 Гц, İ₀ = 10 ^-12 Вт/м²_, P₀ = 20 мкПа.

У прикладної акустиці прийнято оцінювати силу та інтенсивність звуку і звуковий тиск у відносних логарифмічних одиницях белах і децибелах. Якщо значення сили звуку більше іншого в 10 разів то прийнято вважати, що вона за рівнем більше на 1 бел. Децибел дорівнює 0,1 бела. Іншими словами, децибел визначається як десята частина десяткового логарифма відносини

двох інтенсивностей або двадцята частина відносини двох тисків P.

4. Рівень гучності. Гучність.

Вухо людини має різну чутливість до звуків різної частоти. Суб’єктивна якість відчуття сили звуку називають гучністю. Гучність залежить від сили звуку, частоти і тривалості впливу.

Для кількісної оцінки гучності застосовується метод суб’єктивного порівняння вимірюваного звуку з еталонним звуком (з частотою 1000 Гц). Змінюючи рівень сили еталонного звуку, можна домогтися, щоб еталонний і вимірюється звуки сприймалися б рівногучними. Вимірювана цим способом величина L називається рівнем гучності, її одиницею служить фон Ф. Число фонів, що оцінює рівень гучності будь-якого звуку, однаково з числом децибел, що вимірює рівень звукового тиску рівногучного еталонного тону.

На основі багатьох вимірювань рівнів гучності чистих тонів різних частот в залежності від рівнів звукового тиску Д. Робінсоном і Р. Дадсоном були побудовані криві рівної гучності (ізофони) (рис. 1). Якщо для конкретного чистого тону наведені значення рівня звукового тиску в децибелах і частоти в герцах, то за допомогою даного графіка можна визначити його гучність у фонах.

Характер кривих рівної гучності говорить про наступне:

• чутливість вуха зі збільшенням частоти підвищується;

• рівень звукового тиску і рівень гучності практично чисельно рівні в області частот від 500 до 2000 Гц.

Рис. 1.  Криві рівної гучності

Кожне збільшення рівня гучності на 10 фон у цій шкалі сприймається як подвоєння гучності. Для зручності передачі величини відчуття гучності розроблена шкала гучності з одиницею виміру, що іменується сон.

Подвоєння значення в сонах відповідає посиленню відчуття гучності вдвічі. Гучність визначається за формулою

. Гучністю, що дорівнює 1 сону, має звук з рівнем гучності - 40 фон.

Гучність змінюється в два рази при збільшенні її рівня на 10 фон.

На рис. 2 наводяться школи гучності і рівня гучності.

Рис. 2.  Шкали рівня гучності і гучності звуку