Архитектурно-строительная+акустика_24.03.14

11

По временным характеристикам выделяют:

-постоянный шум, уровень звукового давления которого за рассматриваемый промежуток времени изменяется не более чем на 5 дБ;

-непостоянный шум, уровень звукового давления которого за рассматриваемый промежуток времени изменяется более чем на 5 дБ.

Непостоянный шум подразделяют на:

-колеблющийся во времени шум, уровень звукового давления которого непрерывно изменяется во времени (на 5 дБ и более);

-прерывистый шум, уровень звукового давления которого ступенчато изменяется (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень звукового давления остается постоянным, составляет не менее 1 с;

-импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с.

1.3. Физиологические характеристики звука

Ухо человека обладает способностью слышать звуки в весьма большом диапазоне значений звукового давления, а также различать их по частотам. Однако уровни звукового давления не учитывают чувствительности слуха к звукам различной частоты и не дают о правильного представления о громкости звука – физиологической (субъективной) характеристике звука. Ухо обладает наибольшей чувствительностью на средних и высоких частотах, наименьшей – на низких частотах, что видно из кривых равной громкости (рис. 1.6).

L, дБ

20

0 фон

0

Рис. 1.6. Кривые равной громкости

12

Уровень громкости звука выражается в фонах. На частоте 1000 Гц уровень громкости в фонах численно равен уровню звукового давления в децибелах. Каждая из кривых равной громкости представляет собой геометрическое место точек равногромких тонов различных частот.

Шкала уровней громкости (в фонах) не является натуральной, т.е., например, изменение уровня громкости в два раза не означает, что субъективное ощущение громкости звука изменится во столько же раз. Для оценки субъективного восприятия громкости введена шкала сонов.

Громкость (s) в сонах определяют по формуле

где LГ – уровень громкости, фон.

Графически зависимость между уровнями громкости (в фонах) и громкостью (в сонах) представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Зависимость между уровнями громкости (в фонах) и громкостью (в сонах)

Изменение уровня громкости на 10 фон соответствует изменению громкости звука в два раза. Например, требуется сравнить по громкости два звука с уровнями громкости 60 и 80 фон. Из рис. 1.7 находим, что уровню громкости 60 фон соответствует громкость, равная 4 сонам, а уровню громкости 80 фон – 16 сонам. Следовательно, второй звук ощущается слухом как в четыре раза (16/4) более громкий.

1.4. Принципы измерения и нормирования шума

Для измерения уровней звукового давления используют приборы, которые называются шумомерами. Измеряемый звук посредством микрофона преобразуется в электрические колебания и затем усиливается. Стрелочный или цифровой прибор позволяет определить уровни звукового давления при включении ряда характеристик: «линейной», «А», «В», «С» и «D».

При измерении шума с помощью характеристики «А» шумомера в спектре шума уменьшаются составляющие на низких и средних частотах (до 1000 Гц), что примерно соответствует характеру восприятия шума человеком на различных частотах (см. кривые равной громкости на рис. 1.6). Таким образом, характеристика коррекции «А» является частотной характеристикой чувствительности шумомера, которая представляет собой как бы сглаженные и перевернутые кривые равной громкости (рис. 1.8). Определяемый уровень при этом называется уровнем звука и характеризуется одним числом в дБА.

13

20

0

-10

-20

«А»

- 30

Рис. 1.8. Частотные характеристики чувствительности шумомера

Измерение уровня звука в дБА примерно соответствует измерению громкости звука, воспринимаемого человеческим слухом, поэтому эта характеристика очень широко применяется в практике борьбы с шумом.

Уровни звукового давления определяют с помощью линейной («лин») характеристики шумомера, которая не вносит коррективы в измеряемые величины, т.к. показания прибора в этом случае зависят лишь от величины воспринимаемого звукового давления (рис. 1.8). Для получения спектров шума (уровней звукового давления в каждой октавной или третьоктавной полосе частот) используют анализаторы шума, представляющие собой электрические фильтры, работающие совместно с шумомером.

Среднегеометрические частоты октавных и третьоктавных полос строго стандартизированы:

-для октавных полос – 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц

(при нормировании шума);

-для третьоктавных полос – 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 и 3150 Гц (при расчете и измерении звукоизоляции строительных конструкций).

Нормирование шума производится в соответствии с требованиями [2]. Шум считается допустимым, если измеренные уровни звукового давления во всех октавных полосах нормируемого диапазона частот (31,5 ÷ 8000 Гц) не превышают нормативных значений.

Применяют и другой метод, основанный на интегральной оценке всего частотного диапазона. В этом случае нормируется уровень звука в дБА, т.е. по шкале «А» шумомера.

14

Таблица 1.2

Допустимые уровни звукового давления и уровни звука для некоторых видов помещений по [2]

Для оценки непостоянного шума (т.е. изменяющегося во времени более чем на 5 дБ или дБА, например, транспортного) используют эквивалентные уровни звукового давления во всех октавных полосах нормируемого диапазона частот (Lэкв, дБ), эквивалентные уровни звука (LАэкв в дБА), а также максимальные уровни звука (LАмакс в дБА). Для их измерения применяются специальные интегрирующие шумомеры.

В качестве примера в табл. 1.2 представлены предельно допустимые уровни звукового давления и уровни звука для некоторых видов помещений.

16

Отношение энергии отраженного звука Еотр к энергии Епад представляет собой коэффициент отражения β:

Из выражений (2.1) и (2.3) следует, что α + β = 1.

Коэффициент звукопоглощения зависит от материала конструкции, частоты звуковых волн (а значит и длины волны) и угла их падения на ограждение. Все строительные материалы и конструкции в той или иной степени поглощают звук. При падении звуковых волн на поверхность материала воздух в его порах начинает колебаться. Из-за большого трения, обусловленного вязкостью воздуха и малым сечением пор, происходит потеря звуковой энергии, превращающейся в тепловую. Следовательно, звукопоглощение обусловлено трансформацией механической энергии (т.е. звуковой энергии колебаний частиц среды) в тепловую.

Обычные строительные материалы имеют невысокие значения коэффициента звукопоглощения α. Например, для бетона на частоте 500 Гц значение α составляет 0,01 (т.е. только 1% звуковой энергии поглощается, а остальные 99% отражаются в помещение. При этом прохождение звука через конструкцию не учитывают, т.к. коэффициент прохождения звука τ для стандартной железобетонной стены жилого здания составляет порядка 0,00001). Специальные звукопоглощающие материалы (звукопоглотители) имеют коэффициенты звукопоглощения в десятки раз больше (от 10 до 100 раз).

2.1.2. Основные методы расчета параметров звукового поля

Существующие методы расчета параметров звукового поля основаны на

волновой, геометрической и статистической акустике.

1. Теория волновой акустики рассматривает два режима колебаний воздушного объема помещения: один – как собственные затухающие, второй – как вынужденные под действием какого-либо источника. Воздушный объем помещения представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами, обладающую некоторым спектром собственных частот. Определение спектра собственных частот колебаний просто решается лишь для помещений, имеющих форму параллелепипеда (в декартовых координатах x, y, z), с жесткими ограждающими поверхностями:

17

где пx, пy, пz – целочисленные параметры (0, 1, 2, 3, …, п); lx, ly, lz – размеры помещения.

Каждой тройке значений целочисленных параметров пx, пy и пz соответствует определенная частота колебаний воздушного объема помещения.

Расчет звукового давления в помещении на каждой частоте сводится к решению волнового уравнения для трехмерного пространства. На средних и высоких частотах (т.е. при больших значениях чисел пx, пy и пz) спектр собственных частот колебаний объема помещения достаточно плотный, поэтому расчет звукового давления этим методом весьма громоздок и требует применения мощных ЭВМ, а также специальных расчетных программ.

2. В геометрической акустике при рассмотрении отражения звуковых волн от поверхностей помещения используют понятия фронта звуковой волны и звукового луча (линии, перпендикулярной фронту волны во всех его точках), которые указывают направление распространения звуковой волны.

Допустимость применения геометрической акустики зависит от длины звуковой волны, размеров отражающей поверхности и ее расположения по от-

ношению к источнику звука. Отражение можно считать направленным, если наименьший размер отражающей поверхности не менее чем в 1,5 раза превы-

шает длину волны. При невыполнении этого условия звуковые волны рассеиваются, и построение отраженных звуковых лучей теряет смысл. Для криволинейных поверхностей наименьший радиус кривизны должен быть не менее чем в два раза больше длины волны.

Законы построения картины отражений звука то поверхностей аналогичны законам геометрической оптики (рис. 2.2).

R

Рис. 2.2. Отражение звуковых лучей от поверхностей:

а – плоской; б – криволинейной; И – источник звука; R – радиус кривизны; 1 – прямой звуковой луч; 2 – отраженный звуковой луч

3. При незначительном звукопоглощении через каждую точку в объеме помещения, помимо прямых волн, одновременно проходит большое количество отраженных звуковых волн, распространяющихся по всевозможным направлениям. Статистическая теория акустики основана на предположении, что в

18

помещении под действием источника звука возникает диффузное звуковое поле, характеризуемое тем, что во всех точках звукового поля усредненные во времени уровень звукового давления и поток звуковой энергии, проходящей по любому направлению, постоянны.

Для учета звукопоглощения принимается величина среднего коэффици-

ента звукопоглощения

где Sобщ – суммарная площадь поверхностей помещения; Аобщ – суммарное звукопоглощение в помещении.

Суммарное звукопоглощение Аобщ определяется как сумма произведений коэффициентов звукопоглощения отдельных поверхностей на их площади. Кроме того, учитывается звукопоглощение (А) отдельными объектами (людьми, предметами обстановки и т.п.):

Произведение α S представляет собой звукопоглощение данной поверх-

ности. Величина А = α S называется эквивалентной площадью звукопоглощения

этой поверхности.

Рассмотрим помещение с расположенным внутри некоторым источником звука. Звуковые волны, многократно отражаясь от поверхностей помещения и от находящихся в нем предметов, приходят к слушателю. После прекращения звучания источника в помещении звук исчезает не мгновенно: сначала исчезает прямая энергия звукового сигнала, затем энергия последующих отражений. Так как при каждом отражении часть звуковой энергии теряется, происходит спад уровня звукового давления в помещении (рис. 2.3).

Процесс постепенного затухания звука после прекращения действия источника звука называется реверберацией. Время, в течение которого происходит затухание звука, называется временем реверберации. В качестве эталона принято время затухания плотности звуковой энергии в 106 раз, что соответствует уменьшению уровня звукового давления на 60 дБ. Это время называется

временем стандартной реверберации (Т) и измеряется в секундах. Обычно в расчетах этот термин заменяется термином «время реверберации».

Полученное Сэбином эмпирически выражение для определения времени реверберации имеет вид:

где V – объем помещения, м3; Аобщ – суммарное звукопоглощение в помещении, м2.

Использование формулы Сэбина дает достаточно точные результаты только в случаях, когда средний коэффициент звукопоглощения в помещении αср, определяемый по формуле (2.6), не превышает 0,2.

19

В общем случае расчет времени реверберации в помещении производится по формуле Эйринга:

где φ(αср) – функция среднего коэффициента звукопоглощения, определяемая по выражению φ(αср) = – ln(1–αср).

Рис. 2.3. Динамика изменения уровня звукового давления в помещении:

1 – момент включения источника звука; 2 – момент выключения источника; А – зона нарастания звука; Б – зона установившегося режима; В – зона затухания звука (процесс реверберации); Т – время стандартной реверберации

Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы. Волновая теория акустики позволяет с помощью точных математических решений получить параметры звукового поля внутри помещения. Но сложность математического аппарата ограничивает ее применение в основном лишь научными расчетами.

Геометрическая акустика дает не только наглядное представление о влиянии размеров и формы помещения на характер распространения звука, но и позволяет оценить равномерность распределения звукопоглотителей и т.п. В то же время она имеет ограничения по использованию в небольших помещениях и при анализе характера распространения звука на низких частотах.

Статистическая акустика позволяет достаточно точно решать практические задачи для помещений с относительно небольшим звукопоглощением, поэтому она получила наибольшее распространение.

20

2.2.Время реверберации помещения

2.2.1.Требования к объему помещений различного назначения

Существует ряд помещений, к которым предъявляются наиболее жесткие требования к качеству их акустического режима: зрительные залы драматических, музыкальных и оперных театров; залы кинотеатров; культовые сооружения (церкви, храмы); лекционные помещения и конференц-залы; звукозаписывающие студии и их аппаратные; различные концертные залы и помещения дискотек. Одним из основных критериев, определяющих акустические качества этих помещений, является время реверберации. Оно, как показывают выражения (2.8) и (2.9), зависит не только от звукопоглощающих характеристик отделочных материалов, но и от объема помещений.

Чем больше размеры помещения, тем меньше будет число отражений звуковых волн от поверхностей помещения, и процесс затухания звука будет происходить медленнее, а время реверберации будет больше. Особенно велико время реверберации в помещениях излишне большого объема с ограждающими поверхностями, имеющими невысокие коэффициенты звукопоглощения. В этом случае помещения будут гулкими, что влечет за собой введение в отделку помещений дополнительных звукопоглощающих материалов, имеющих, как правило, высокую стоимость.

С уменьшением объема помещений увеличивается число отражений звуковых волн от поверхностей и, если они будут иметь высокие коэффициенты звукопоглощения, затухание звука будет происходить быстро. Таким образом, время реверберации будет слишком мало, и помещение станет «глухим». Акустику таких помещений исправить практически невозможно без электроусилительной аппаратуры с функцией искусственной реверберации.

Удельный воздушный объем в помещениях различного назначения на одно зрительское место должен быть (м3/чел) [2]:

-в залах драматических театров и конференц-залах …………........4 ÷ 5 м3;

-в концертных залах современной эстрадной музыки,

вкиноконцертных залах и залах кинотеатров ………….……….....……..4 ÷ 6 м3;

-в многоцелевых залах ……….………………………….…………..4 ÷ 6 м3;

-в залах театров оперы и балета, в концертных залах

камерной музыки …………………………………………………………...6 ÷ 8 м3;

-в концертных залах симфонической музыки …………………....8 ÷ 10 м3;

-в залах для хоровых и органных концертов ……….………….. 10 ÷ 12 м3;

Такой воздушный объем позволяет проектировщику обойтись традиционными отделочными материалами и только для коррекции времени реверберации использовать материалы с большим звукопоглощением.