0727_Shihov_FizikaSredy_UchebPos_2021
.pdf
Глава 4
Архитектурная акустика и звукоизоляция помещений
Акустика изучает распространение звука в помещениях. Она подразделяется на архитектурную, задачи которой заключаются в создании благоприятных условий наиболее полноценного восприятия звуков в театральных
ииных помещениях, и строительную, которая решает вопросы ограничения распространения нежелательных
звуков, называемых шумами. Шум вызывает у людей раздражение, затрудняет восприятие речи и музыки, а в некоторых случаях является причиной глухоты.
Таким образом, перед проектировщиками стоят две противоположные задачи: первая - создание условий для наилучшего восприятия речи и музыки
ивторая - всемерное подавление шума. Для успешного решения этих задач необходимо иметь представление о физических и физиологических характеристиках звука и шума, закономерностях их распространения на территориях и в помещениях, характеристиках источников шума, архитектурно-пла- нировочных и конструктивных способах усиления и подавления звука и шума, а также об имеющихся по этим вопросах нормативных документах.
4.1. Общие понятия о звуке и его свойствах
Звук как физическое явление представляет собой волнообразное колебательное движение, которое распространяется в материальной упругой (газообразной, жидкой или твердой) среде.
Источником звука является какое-либо вибрирующее тело типа струны, камертона и т.п. Колебания источника звука вызывают в упругой среде колебания ее частиц, которые распространяются волнообразно с определенной скоростью в виде звуковых волн. При этом сами частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной, а только колеблются, попеременно смещаясь и возвращаясь в первоначальное равновесное положение, как это показано на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Колебания частиц упругой среды
131
При распространении звуковой волны различают два совершенно разных явления: движение частиц среды в волне и перемещение самой волны в среде. При этом колебательные скорости частиц среды в несколько тысяч раз меньше скорости звука.
Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.
В процессе распространения звуковых волн в воздухе и в жидкостях смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, такие волны называются продольными.
При распространении колебаний в твердых телах возникают поперечные волны, когда частицы среды смещаются перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. В твердых телах возможны колебания продольных и поперечных волн. В тонких конструкциях при толщине менее 1/6 длины волны, возникают изгибные волны.
Звуковые волны подобно всякому волновому движению характеризуются длиной волны, частотой колебаний и скоростью их распространения.
Расстояние, на которое распространяется звуковая волна за время одного полного колебания или одного периода колебания, называется длиной волны. Длина звуковой волны ( ) зависитот частоты и скорости звука и может быть определена по формуле (4.1):
=
с f
,
(4.1)
где |
с - скорость распространения звука, м/с; + |
f - частота звука, Гц.
Под частотой подразумевается число колебаний частиц среды в секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц), которой выражает одно колебание в секунду.
Органы слуха человека способны воспринимать звук в пределах от 16 до 20000 Гц и оценивать не абсолютное значение изменения частоты, а относительное. Так, увеличение частоты вдвое вызывает ощущения повышения тона на величину, называемой октавой. Октавная полоса частот – это зона, в которой верхняя граница частот в два раза больше нижней.
В практике спектр воспринимаемых человеком звуков охватывает 8 октав. В связи с тем, что человеческий слух улавливает увеличение частоты не менее чем в 1.26 раза, поэтому каждая октава разделена на три 1/3-октав- ные полосы, где соотношения частот равно этой величине.
Различают три вида спектров частот:
- низкочастотный в границах частот до 300 Гц;
132
-среднечастотный в области частот от 300 до 800 Гц;
-высокочастотный - выше 800Гц.
Звуковые волны распространяются с определенной скоростью, которая зависит от упругой среды. Быстрее всего звук распространяется в твердых телах, несколько медленнее- в жидкостях и медленнее всех- в воздухе. Так, скорость звука в воздухе составляет 340 м/с, в воде - 1450 м/с, в бетоне
- 4000 м/с и в стали - 5100 м/с.
Источники звука характеризуются звуковой мощностью и интенсивностью звука.
Звуковой мощностью (Р) называют общее количество звуковой энергии, излучаемой источником звука в единицу времени. Единицей измерения звуковой мощности является ватт (Вт). Звуковая мощность является звуковым параметром, характеризующим источник звука или шума.
Под интенсивностью звука ( I ), Вт/м |
2 |
, понимают звуковую мощность |
|
распространяющуюся в единицу времени через единицу площади звукового поля (S), м2:
I
= РS ,
(4.2.)
При колебании источника звука в воздушной среде появляется давление, которое называют звуковым давлением. Звуковое давление представляет собой разность между мгновенным полным давлением в момент прохождения звука в среде и средним значением звукового давления в среде при отсутствии звукового поля от источника звука. За единицу измерения звуко-
вого давления принят ньютон на квадратный метр (Н/ м |
2 |
). |
|||||
|
|||||||
Между интенсивностью звука и звуковым давлением существует |
|||||||
связь, определяемая по формуле (4.3): |
|
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I = |
с |
, |
|
(4.3.) |
||
|
|
|
|
|
|
||
где |
- плотность среды, кг/м |
3 |
; |
|
|
||
|
|
|
|||||
c - скорость звука в среде, м/с. |
|
|
|
|
|
||
Ухо человека может ощущать звук только в том случае, когда его сила не меньше определенной величины, называемой порогом слышимости. Верхний предел, который воспринимается как болевое ощущение, носит название болевого порога. Характеристики звука в пороговых пределах приведены в табл. 4.1.
Пользоваться абсолютными значениями таких сильно отличающихся друг от друга звуковыми величинами крайне неудобно, поэтому в технической акустике принято оценивать интенсивность звука, звукового давления
133
и звуковую мощность не в абсолютных, а в относительных логарифмических единицах - децибелах (дБ), и называть их уровнями интенсивности звука, звукового давления и звуковой мощности.
Таблица 4.1 Значения характеристик звука на пороге слышимости и на болевом пороге
Наименование |
Единица |
Значение характеристик звука |
|
||||
характеристики |
измерения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
порог слышимости |
болевой порог |
|||
Частота |
Гц |
|
16 |
|
16000 |
||
Звуковое давление |
Н/ м |
2 |
2 ·10 |
5 |
2 ·10 |
4 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|||||
Звуковая интенсивность |
Вт/м |
2 |
10 |
12 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
Звуковая мощность |
Вт |
|
|
10 |
12 |
|
1
Для получения уровня характеристики звука необходимо прологарифмировать отношение абсолютного значения интенсивности звука, звукового давления или звуковой мощности к их значениям на пороге слышимости,
условно принятые за единицу сравнения. |
|
|
|
|
Таким образом, уровень интенсивности звука ( |
L |
I ),уровень звукового |
||
|
||||
давления ( Lp ) и уровень звуковой мощности ( |
L |
P ) можно определить из сле- |
||
|
||||
дующих выражений:
L |
p |
|
L |
P |
|
L |
I =10lg( |
|||
|
||||
= 10lg( |
|
|||
|
||||
|
|
|
||
=10lg( |
P |
|||
P |
||||
|
|
|||
|
|
|
0 |
|
I |
); |
|
I |
||
0 |
||
|
||
2 |
|
|
2 |
)= 20lg( |
|
|
||
0 |
|
).
|
|
|
0 |
|
);
(4.4)
(4.5)
(4.6)
где I , p , P - соответственно интенсивность звука, звукового давления и звуковой мощности в рассматриваемый момент времени;
I |
0 |
, p |
0 |
, P |
- соответственно интенсивность звука, звукового давления и |
|
|
0 |
|
звуковой мощности на пороге слышимости.
Уровни звука, выраженные в децибелах (дБ), отражают объективную характеристику звука. Однако при одном и том же уровне звукового давления, но разной частоты, звуки вызывают у человека ощущение разной громкости. С учетом этого свойства человеческого слуха введено понятия уровня громкости звука, за единицу измерения которого принят фон, представляющий собой уровень громкости стандартного тона с частотой 1000 Гц и уровня звукового давления 1 дБ.
134
Между уровнем громкости и уровнем звукового давления существует определенная зависимость, изображаемая в виде кривых равной громкости (рис. 4.2), которые показывают сравнительную громкость звука любой частоты с равногромким звуком частотой 1000 Гц.
На рис. 4.2 видно, что для частоты 1000 Гц уровень громкости и уровень звукового давления совпадают. Чем ниже частота, тем выше различие между величиной уровня громкости и уровня звукового давления. Отсюда следует, что энергия низкой частоты воспринимается лучше, чем высокой и наоборот. Чем выше уровень звукового давления, тем меньше чувствительность слуха зависит от частоты звука.
Рис. 4.2. Кривые равной громкости для чистых тонов: 1-порог слышимости
Следует отметить, что шкала уровней громкости не является натуральной шкалой, так как изменение уровня громкости в 2 раза не означает, что субъективное восприятие громкости звука изменяется во столько же раз. В большей части слышимого диапазона в этом случае наблюдается повышение уровня звукового давления примерно на 10 дБ.
С физиологической точки зрения звуковые волны делят на полезные звуки и шумы, вызывающие раздражающее действие на организм. Предельный уровень шума, длительное воздействие которого не приводит к преждевременному повреждению органов слуха, равен 80-90 дБ. Если же уровень звукового давления превышает 90 дБ, то такое звуковое воздействие посте-
135
пенно приводит к частичной или даже полной глухоте. Воздействуя на центральную нервную систему, шумы ослабляют внимание рабочих и способствуют увеличению травматизма. Уровень звукового давления величиной 134 дБ относится к болевому порогу.
4.2. Источники шума и их шумовые характеристики
Основными источниками шума в зданиях различного назначения является технологическое и инженерное оборудование.
По отношению к ограждающим конструкциям источники шума подразделяются на внешние и внутренние, находящиеся внутри зданий.
Основными источниками внешнего шума являются транспортные потоки на улицах и дорогах, железнодорожный, водный и воздушный транспорт, промышленные и энергетические предприятия и их отдельные установки, а также внутриквартальные источники шума (трансформаторная подстанция, центральные тепловые пункты, спортивные и игровые площадки и др.)
Источниками внутреннего шума в зданиях различного назначения являются технологическое и инженерное оборудование (лифты, вентиляторы, насосы, громкий разговор, игры намузыкальных инструментах, работа станков и оборудования и др.)
Источники шума можно условно разделить на две группы:
-отдельные;
-комплексные, состоящие из ряда отдельных источников.
Котдельным или точечным источникам шума относятся лифты, вентиляторы, насосы, электротрансформаторы, единичные транспортные средства, установки промышленных или энергетических предприятий и др.
Ккомплексным источникам шума относятся уличные транспортные потоки, железнодорожные составы, промышленные предприятия с многочисленными источниками шума, спортивные площадки и др.
По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные, уровень шума которых изменяется во времени не более чем на 5 дБА
инепостоянные, уровень звука которых изменяется во времени более чем на 5 дБА.
Кпостоянным шумам можно отнести шум постоянно работающих насосных или вентиляционных установок.
Непостоянные шумы в свою очередь подразделяются на колеблющиеся во времени, уровень звука которых, непрерывно изменяется; прерывистые, уровень звука которых растет до уровня фонового шума за несколько раз за время наблюдения и импульсные, состоящие из одного или нескольких следующих друг за другом ударов длительностью менее 1 сек.
136
К колеблющемуся во времени шуму относится, например, шум транспортного движения.
Прерывистые шумы – это шумы от работы лебедки лифтовой установки или шумы непостоянно работающих установок промышленных предприятий или мастерских.
Шумовыми характеристиками источников внешнего шума являются: - для транспортных потоков на улицах и дорогах – эквивалентный уровень звука (LАэкв), дБА, на расстоянии 7,5 м от оси первой линии движения
(для трамваевна расстоянии 7,5 м от оси ближнего пути) до наружного ограждения здания;
-для потоков железнодорожных поездов – эквивалентный уровень звука (LАэкв), дБА, и максимальный уровень звука (LАмакс), дБА, на расстоянии 25 м от оси ближнего к расчетной точке пути;
-для водного транспорта – эквивалентный уровень звука (LАэкв), дБА,
имаксимальный уровень звука (LАмакс), дБА, на расстоянии 25 м от борта судна;
-для воздушного транспорта - эквивалентный уровень звука (LАэкв), дБА, и максимальный уровень звука (LАмакс), дБА, в расчетной точке;
-для промышленных зон, промышленных и энергетических предпри-
ятий с максимальным линейным размером в плане более 300 м- эквивалентный уровень звука (LwАэкв.гр), дБА, и максимальный уровень звука, (LwАмакс.гр), дБА, на границе территории предприятия и селитебной территории в направлении расчетной точки;
- для внутриквартальных источников шума – эквивалентный уровень звука (LwАэкв), дБА, и максимальный уровень звука (LАмакс), дБА, на фиксированном расстоянии от источника.
4.3. Нормы допустимого шума и звукоизоляция ограждающих конструкций зданий
Нормируемыми параметрами постоянного шума в расчетных точках являются уровни звукового давления ( Lр ), дБ, в октавных полосах частот со
среднегеометрическими частотами от 31,5 до 8000 Гц. Для ориентировочных расчетов допускается использование уровней звука (LА), дБА.
Нормируемыми параметрами непостоянного (прерывистого, колеблющего во времени) шума являются эквивалентные уровни звукового давления ( Lрэкв ), дБ, в октавных полосах частот со среднегеометрическими часто-
тами от 31,5 до 8000 Гц и максимальные (LАмакс), дБ и эквивалентные (LАэкв), дБА уровни звука.
137
Допустимые уровни звука (LА), дБА, а также эквивалентные, (LАэкв), и максимальные (LАмакс), дБА, уровни звука на рабочих местах в производственных и вспомогательных зданиях, на площадках промышленных предприятий, а также в помещениях жилых и общественных зданий и на территориях жилой застройки приведены в табл. 1 свода правил СП 51. 13330.2011 «Защита от шума».
Шум считают в пределах нормы, если он как по эквивалентному, так и по максимальному уровню звука не превышает установленных нормативных значений.
Для оценки непостоянных шумов используют общий уровень звукового давления, измеряемый шумомером на частотной коррекции (А), характеризующей приближенно частотную характеристику восприятия шума человеческим ухом. Относительная частотная характеристика коррекции А (шкала А) показывает, на сколько децибел на каждой частоте чувствительность уха человека отличается от его чувствительности на частоте 100 Гц.
В жилых и общественных зданиях, где шумовой режим устанавливается в зависимости от функционального назначения помещения, звукоизоляционные качества, в основном, зависят от ограждающих конструкций, на которые воздействуют воздушные и ударные шумы.
За общее время воздействия шума принимают:
-для производственных и служебных помещений – продолжительность 8-часовой рабочей смены;
-в жилых и других помещениях, а также на территориях нормы установлены отдельно для ночи и дня, - продолжительность ночи с 23.00 до 7.00
ч и дня с 7.00 до 23.00 ч.
Уровни звукового давления определяются в расчетных точках. Для производственных и вспомогательных помещений точки выбирают на рабочих местах или в зонах постоянного пребывания людей на высоте 1,5 м от пола.
Требуемое снижение уровней шума в расчетных точках определяют на стадии рабочего проекта в октавных полосах нормируемого диапазона частот.
Изоляцией от воздушного шума называется ослабление звуковой энергии при передаче ее через ограждение. Ее определяют в виде разностей октавных или 1/3-октавных уровней звукового давления до и после прохождения звуковой энергии через ограждение с учетом звукопоглощения в изолируемом помещении.
Изоляцией от ударного шума называется способность междуэтажных перекрытий снижать шум в помещении под перекрытием, при воздействии
138
на них ударов при хождении, передвижении мебели и т.п. Изоляцию от ударного шума выражают в виде октавных уровней звукового давления в помещении под междуэтажным перекрытием.
Нормируемыми параметрами звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, а так же вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий являются индекс изоляции воздушного шума ограждающей конструкции (Rw), дБ, и индекс приведенного уровня ударного шума под перекрытием ( Lnw ), дБ, численные значения которых приведены в табл. 2 свода правил СП 51.13330.2011. Численная величина индекса звукоизоляции воздушного шума (Rw), дБ, должна быть больше, чем (Rwтреб), дБ, т.е. (Rw≥ Rwтреб), дБ, а для ударного шума индекс приведенного уровня ударного шма, ( Lnw ), дБ – меньше требуемой величины
(Lnwтреб), дБ, т.е. (
Lnw
≤
Lnwтреб), дБ.
Фрагмент нормируемых параметров звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий приведен в приложении 25.
Нормативные индексы приведенного уровня ударного шума при передаче звука через перекрытия снизу вверх между магазинами, административными помещениями, офисами и расположенными над ними квартирами приведены в приложении 26.
4.4. Распространение шума в зданиях
Шумы, распространяющиеся в зданиях, подразделяются на воздушные и ударные (корпусные).
При воздушной передаче шума источник звука приводит в колебательное движение частицы воздуха, которые сообщают периодические колебания стене или перекрытию, заставляя частицы материала ограждений колебаться, что в свою очередь приводит частицы воздуха в соседнем помещении в колебательное движение. Это создает воздушный шум в сосед-
нем помещении (рис. 4.3, а). |
|
а) |
б) |
Рис. 4.3. Виды передачи шума: а - воздушного; б - ударного
139
При механическом (ударном) воздействии на перекрытие последнее приводится в колебательное движение (изгибные колебания) и передает колебательное движение частицам воздуха над перекрытием и под ним. Кроме того, колебания передаются лежащим сверху и снизу частям стен и воспринимаются в виде воздушного шума в соседних помещениях (рис.4.3, б).
Воздушный шум, достигая стен, перегородок и перекрытий, может преобразоваться в корпусный (т.е. распространяющийся в твердых телах) и затем снова в воздушный. Этот процесс всегда происходит при значительной потере звуковой энергии, что способствует ограничению зон распространения шума.
Ударный шум распространяется по перекрытиям и стенам на значительно большие расстояния, чем воздушный, но и он тоже постепенно затухает. Интенсивность затухания ударного шума зависит от степени однородности материала, его модуля упругости и от количества участков сопряжения элементов конструкции друг с другом.
Пути передачи шума в изолированное помещение (рис. 4.4) могут быть прямыми (1 и 2) и косвенными, т.е. обходными (3 и 4). Такая передача объясняется тем, что колебания, вызванные воздушным или ударным шумом, распространяются по конструкциям всего здания.
Рис. 4.4. Распространение шума в зданиях
В железобетоне и металлах интенсивность затухания ударного шума невелика, так как эти материалы однородны, в то же время в кирпичной кладке затихание ударного шума протекает быстрее вследствие значительной неоднородности конструкции (кирпич и раствор в швах).
4.5. Звукоизоляция помещений от воздушного и ударного шума
Звукоизоляция помещений от воздушного и ударного шума осуществляется с помощью ограждающих конструкций, которые характеризуются свойством ослаблять уровень звукового давления шума при его воздействии
140