Строительная акустика

 

                             Строительная акустика

 

  

Введение. ………………………………………………………………………3 

Глава 1. Колебания и звук…………………………………………………….4

      1.1Звуковые волны……………………………………………………………4

      1.2Колебательные системы………………………………………………….11

Глава 2. Распространение звука  в помещениях…………………………...14

      2.1 Отражение и поглощение звука  в помещениях……………………….14

      2.2 Звукопоглощающие  материалы и конструкции………………………19

 Заключение. …..……………………………………………………………..23

      Список литературы…………………………………………………………..25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               Введение.

Строительная акустика — научная  дисциплина, занимающаяся вопросами  защиты жилых и иных помещений, территорий и зданий от шума и решающая эти  вопросы архитектурно-планировочными и строительными (конструктивными) методами.

Строительная акустика изучает:

• Вопросы защиты помещений, зданий и территорий населённых мест от шума архитектурно-планеровочными и строительно-акустическими методами;
• Вопросы исследований и разработки акустических материалов.

 

Выбранная тема для исследования очень  актуальна, поскольку современная  городская среда, к сожалению, часто  не дружественна к человеку, с точки  зрения повышенных уровней шума и  вибрации. Такие раздражающие факторы отрицательно сказываются на психоэмоциональном состоянии человека, а в долгосрочной перспективе оказывают негативное воздействие на его здоровье.

Проектирование вновь строящихся,а  также капитальный ремонт и реконструкция  существующих зданий должны выполняться с учётом условий создания благоприятной акустической среды для человека. Требования к акустическому комфорту начинаются с Генплана и заканчиваются на таких, казалось бы, мелочах, как дверные пороги или количество контуров уплотнения оконных коробок. Для тишины в доме важно всё: толщина стен и перегородок, их материал, наличие «плавающих полов» в перекрытиях, правильно смонтированные инженерное оборудование и трубопроводы, расположение вентканалов, шахт и т.д.

 Основные тенденции современных  исследований в области Строительной акустики – изыскание наиболее эффективных шумоглушащих и звукоизолирующих конструкций и устройств, совершенствование методов их расчёта, разработка облегчённых ограждающих конструкций с повышенной звукоизоляционной способностью и новых градостроительных принципов, способствующих защите жилой застройки от транспортного шума.

Проблемы строительной акустики приобрели  в современном строительстве  большое значение: мероприятия по борьбе с шумом обеспечивают улучшение  санитарно-гигиенических условий жизни населения, способствуют повышению производительности труда, эксплуатационных качеств и комфорта зданий.

Цель работы: исследование научной  дисциплины с теоретической стороны, рассматривая физические  процессы в жилых помещениях.

Глава 1.Колебания и звук.

1.1 Звуковые волны.

Звуковыми (или акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16—20000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с n < 16 Гц (инфразвуковые) и n > 20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.

Звуковые волны в газах и  жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям  сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Интенсивностью звука (или силой звука) называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

I=W/(St)                                                                                        (1.1)

Единица интенсивности звука в СИ — ватт на метр в квадрате (Вт/м²).

Чувствительность человеческого  уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой  минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существуют наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивности звука, которые способны вызвать звуковое восприятие..

Если  интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей волновой процесс, то субъективной характеристикой  звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Согласно физиологическому закону Вебера — Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:

L=lg(I/ I₀ )                                                                                              (1.2)

где — интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для  всех звуков равной 10^–12 Вт/м². Величина L называется уровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими, — децибелами (дБ).

Физиологической характеристикой  звука является уровень громкости, который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует »90 фон, а шепот на расстоянии 1м — »20 фон.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим  набором частот, т. е. звук обладает акустическим спектром, который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутствуют колебания отделенных друг от друга определенных частот).

Звук характеризуется помимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т. е. их голоса имеют различный тембр.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).

Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле

                                                                       (1.3)

где R — молярная газовая постоянная, М — молярная масса, g=С_р/С_V — отношение молярных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме, Т — термодинамическая температура. Из формулы (158.1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при T=273 К скорость звука в воздухе (M=29×10^–3 кг/моль) v=331 м/с, в водороде   (M=2×10^–3 кг/моль) v=1260 м/с. Выражение (158.1) соответствует опытным данным.

При распространении  звука в атмосфере необходимо учитывать целый ряд факторов: скорость и направление ветра, влажность воздуха, молекулярную структуру газовой среды, явления преломления и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е. уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую).

Для акустики помещений большое значение имеет  реверберация звука — процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Если помещения пустые, то происходит медленное затухание звука и создается «гулкость» помещения. Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглощающих материалов), то они воспринимаются приглушенными. Время реверберации — это время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллион раз, а его уровень — на 60 дБ. Помещение обладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5—1,5 с.

Звуковые явления.

При распространении звуковой волны  происходит затухание звука, связанное с различными необратимыми процессами. Часть энергии, которая переносится звуковыми волнами, поглощается средой.

Величина, равная отношению поглощённой  звуковой энергии к звуковой энергии, поступающей в среду, называется коэффициентом поглощения. Коэффициент поглощения зависит от внутреннего трения (вязкости) поглощающей среды и от её теплопроводности. Он так же зависит от скорости распространения звука в этой среде, от плотности среды и частоты звуковой волны.

Звуковая волна, распространяясь в некоторой среде, когда-нибудь доходит до границы этой среды, за которой начинается другая среда, состоящая из других частиц, в которой и скорость звука другая. На такой границе происходит явление отражения звуковой волны. При этом сгущение частиц превращается в разрежение, а разрежение - в сгущение.

Происходит это потому, что колебания, принесённые волной к границе, передаются частицами второй среды и они  сами становятся источником новой звуковой волны. Эта вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна.

На границе двух сред происходит частичное поглощение и прохождение  звука в другую среду. Доля отражённой энергии звуковой волны зависит  в основном от соотношения плотностей этих сред и состояния поверхности раздела. Отражение звука, распространяющегося в воздухе, от твёрдого тела или жидкой поверхности происходит практически полностью.

Свойства звука.

Ощущение звука вызывается звуковыми  волнами, достигающими органа слуха - уха. Важнейшая часть этого органа - барабанная перепонка. Пришедшая к ней звуковая волна вызывает вынужденные колебания барабанной перепонки с частотой колебаний в волне. Они воспринимаются мозгом как звук.

Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано).

Об одних звуках говорят, что  они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко  различает. Звук, создаваемый большим  барабаном, это звук низкого тона, свист - звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука.

Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертона, тем ниже звук, который он испускает при ударе по нему.

Если взять несколько камертонов разного размера, то не представит труда  расположить их на слух в порядке  возрастания высоты звука. Тем самым  они окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий.

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью звука и амплитудой колебаний не простая.

Самый слабый ещё слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1 секунду энергию, равную примерно 10^-16 Дж, а самый громкий звук (звук реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах от него) - около 10^-4 Дж. Следовательно, по мощности самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит самый слабый.

Интенсивности звука при слуховом восприятии соответствует ощущение громкости звука. При определенной минимальной интенсивности человеческое ухо не воспринимает звука. Эта минимальная интенсивность называется порогом слышимости. Порог слышимости имеет различные значения для различных частот. При больших интенсивностях ухо испытывает болевое ощущение. Наибольшая интенсивность при болевом восприятии звука называется порогом болевого ощущения.

Уровень интенсивности звука определяется в децибелах (дБ). Например, громкость  звука, шороха листьев оценивается  в 10 дБ, шёпота - 20 дБ, уличного шума - 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли.