7.2. Основы строительной и архитектурной акустики

Одним из важных факторов, оказывающих существенное влияние на эксплуатационные качества зданий, является учет при их проектировании и строительстве акустических требований. К ним относятся, во-первых, надлежащая звукоизоляция помещений для снижения уровня проникающего в них шума, оказывающего неблагоприятное воздействие на организм человека, и, во-вторых, обеспечение в помещениях массового пользования, предназначенных для слушания речи и музыки, таких условий передачи звука, которые создавали бы наилучшую слышимость. Вопросы звукоизоляции изучает строительная акустика, вопросы обеспечения хорошей слышимости – архитектурная акустика. Звук представляет собой волнообразное колебательное движение, распространяющееся в упругой среде (газообразной, жидкой или твердой). Колебания источника звука возбуждают в упругой среде звуковые волны, создавая последовательно повторяющиеся сгущения и разрежения частиц этой среды. Звук оценивается величинами частоты колебаний, длины волны, интенсивности или силы звука. Частота колебаний в секунду измеряется в герцах (Гц). Частоты колебаний от 20 до 20 000 Гц вызывают у человека звуковые ощущения. Колебания с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, более 20000 Гц – ультразвуком. Длина волны λ измеряется отношением скорости звука С к частоте колебаний f (рис. 102)

Рис. 102. Длина волны λ

А – амплитуда; t – время (лат. tempora)

Чем ниже частота, тем больше длина волны.

Если принять среднюю скорость звука в воздухе 343 м/с, то можно получить зависимую от частоты длину волны.

При столкновении звуковых воздушных волн с ограждающей конструкцией в ее материале возникают колебания с продольными и поперечными (перпендикулярными направлению распространения звуковой волны) волнами. В очень тонких конструкциях (толщиной менее λ/6) звуковые колебания возбуждают изгибные волны, особенно резко сказывающиеся на звукоизоляции конструкции (рис. 103). Звуковые волны распространяются в особо тонких и легких конструкциях с различной скоростью. При низких частотах скорость распространения изгибных волн мала и вызванные ими колебания пластинки имеют слабые излучения звуковой энергии. По мере повышения частот эта скорость возрастает, а при определенной, так называемой граничной частоте возникает эффект волнового совпадения – совпадения длины изгибной волны с длиной проекции звуковой волны λ, падающей на ограждение. Волновое совпадение сопровождается резким увеличением интенсивности изгибных колебаний и звукопередачи через ограждение.

Рис. 103. Передача звуковой энергии через конструкцию:

1 – падающая энергия; 2 – отраженная; 3, 5 – энергия, излучаемая колеблющейся конструкцией в смежные помещения; 4 – энергия структурного шума; 6 – энергия, трансформирующаяся в тепловую; 7 – энергия, прошедшая через поры и неплотности; 8 – суммарная энергия, прошедшая через конструкцию

Одной из основных физических характеристик звука является сила, или интенсивность, звука І, которой называется количество звуковой энергии, переносимой звуковой волной в 1 сек через площадку в 1 см2 (или 1 м2) , перпендикулярную направлению движения волны. Силу звука І измеряют в ваттах на 1 см2 (или 1 м2). Ухо человека может воспринимать звук лишь в том случае, если его сила не меньше определенной величины, называемой порогом слышимости (рис. 104), (табл. 12).

Верхний предел силы звука, который воспринимается как болевое ощущение, называют болевым порогом. Отношение силы звука на пороге слышимости к силе звука на болевом пороге достигает величины 1014.

Нервное слуховое восприятие человека пропорционально не силе звука, а ее логарифму (десятичному). Поэтому в акустике для измерения силы звука пользуются логарифмическим масштабом. Если при определении величины силы звука принять за единицу сравнения силы звука на пороге слышимости, то мы получим так называемый уровень силы звука, который выражают логарифмом отношения силы данного звука к силе звука на пороге слышимости.

В современных зданиях снижение массы ограждений, увеличение жесткости сопряжений в стыках, уменьшение их числа и применение материалов с малым коэффициентом внутреннего трения приводят к тому, что структурный шум может распространяться на большие расстояния от источника, создавая дискомфортные условия даже в отдаленных от источника помещениях.

Необходимо также отметить, что воздушный шум легко распространяется через различные каналы, воздуховоды, щели и неплотности.

Для повышения звукоизолирующей способности стен, перегородок и перекрытий без увеличения их массы целесообразно применять раздельные конструкции со сплошной воздушной прослойкой без жесткой связи между элементами ограждения.

Звукоизоляционные свойства ограждения при наличии сплошной воздушной прослойки повышаются в связи с тем, что воздух упруго воспринимает колебания одной стенки и передает их второй стенке ослабленными.

С увеличением толщины воздушной прослойки звукоизоляция также увеличивается, однако из-за необходимости ограничивать общую толщину ограждения воздушный промежуток обычно делают не более 60 мм.

Для звуковой изоляции междуэтажных перекрытий применяют упругие прокладки, которые гасят звуковые колебания, возникающие при ударах.

Архитектурная акустика. Звук, возникший в помещении, частью поглощается, а частью отражается ограждающими конструкциями, оборудованием, зрителями. Уровнями процессов отражения и поглощения звука определяются акустические свойства помещения. Для хорошей акустики необходимо обеспечить по возможности равномерное распределение звука в объеме помещения и особенно в зоне зрителей. Процесс затухания отраженных звуков должен идти так, чтобы не искажался прямой звук от источника, а усиливался при восприятии слушающими.

Одним из важнейших показателей акустических свойств помещений является реверберация. Реверберацией называют наличие остаточного звучания в помещении после прекращения основного звука вследствие многократных отражений звуковых волн от поверхностей стен, потолка и др.

Продолжительность реверберации, или время затухания отраженного звука до порога слышимости, зависит как от акустических свойств помещения, так и от мощности источника звука. Для акустического расчета и проектирования требуется характеристика, которая зависит только от акустических свойств помещения. Такой характеристикой является скорость затухания отраженного звука, или стандартная реверберация. Под стандартной реверберацией Тст понимают то время, за которое плотность звуковой энергии отраженного звука уменьшается в 1 млн. раз или уровень звукового давления снижается на 60 дБ.

При продолжительной реверберации помещение становится гулким, при весьма короткой – глухим. Время реверберации зависит от объема и общего звукопоглощения помещения и объектов, находящихся в нем, а также от частоты звука. Опытным путем установлен оптимум стандартной реверберации Топт – такая длительность ее, при которой создаются наилучшие условия слышимости в данном помещении.

Для обеспечения требуемой акустики в помещении используют материалы, хорошо поглощающие звук. Поглощение звука характеризуется коэффициентом звукопоглощения α, выражающим отношение звуковой энергии, поглощённой поверхностью ограждения, к звуковой энергии, падающей на него. За единицу поглощения звука принят Сэбин, характеризующий полное поглощение звука поверхностью, отнесенное к единице площади.

Коэффициент звукопоглощения материала изменяется в зависимости от частоты звуков и направления звуковой волны относительно поверхности. В большинстве случаев звуки низкой частоты поглощаются материалом хуже, чем высоких частот.

Реверберация увеличивается с увеличением объема помещения и уменьшением величины общего поглощения помещения. Время реверберации Тст должно быть равно оптимальному Топт. Так как коэффициенты звукопоглощения обычных строительных материалов (штукатурка, кирпич, бетон, дерево) сравнительно невелики, то время стандартной реверберации зрительных залов, как правило, превышает время оптимальной реверберации. В связи с этим для уменьшения гулкости часть ограждений зала облицовывают звукопоглощающими материалами и устанавливают резонаторы.

При акустическом проектировании зрительных залов реверберацию определяют для частот в 125, 500 и 2000 Гц. Расчет акустики зала рекомендуется вести с учетом заполнения его зрителями на 70 %.

Для хорошего восприятия звука в помещении требуется диффузное, т. е. равномерное распределение звуковой энергии путем регулирования отражения звука.