AKUSTYKA. Fizyka Budowli. Akustyka techniczna WYKŁAD Z PRZEDMIOTU: a) akustyki urbanistycznej. b) akustyki wnętrz

Transkrypt

1 AKUSTYKA WYKŁAD Z PRZEDMIOTU: Fizyka Budowli Akustyka techniczna Kształtowaniem właściwych warunków akustycznych w miejscu pobytu ludzi zajmuje się dyscyplina naukowa zwana akustyką techniczną. W budownictwie dziedzina ta zawężona jest do trzech działów: a) akustyki urbanistycznej b) akustyki wnętrz c) akustyki budowlanej (obejmującej również akustykę instalacyjną) 1

2 Akustyka urbanistyczna W ramach akustyki urbanistycznej rozpatruje się zagadnienia związane z: rozprzestrzenianiem się dźwięku w przestrzeni otwartej i częściowo zabudowanej metodami kształtowania klimatu akustycznego przestrzeni urbanistycznych zabezpieczeniami akustyczno-urbanistycznymi Przykłady urbanistycznych sposobów zabezpieczenia obiektów mieszkaniowych przed hałasem drogowym 2

3 Przykłady urbanistycznych sposobów zabezpieczenia obiektów mieszkaniowych przed hałasem drogowym Przykład nieprawidłowego ekranowania hałasu komunikacyjnego Wykorzystanie budynku nie wymagającego ochrony do ekranowania hałasu komunikacyjnego rozwiązanie nieprawidłowe Z przedstawionego schematu wynika, że ekranowanie budynku wysokiego przez budynek niski jest mało efektywne szczególnie w przypadku, gdy budynek niski znajduje się w niewielkiej odległości od budynku wysokiego. 3

4 Przykład prawidłowego ekranowania hałasu komunikacyjnego Celem zwiększenia efektywności ekranowania budynku wysokiego przez budynek niski, niezbędne jest znaczne oddalenie budynku wysokiego od budynku-ekranu lub zastosowanie wysuniętego dachu nadwieszonego nad budynkiem ekranem i skierowanego w stronę źródła dźwięku. Wykorzystanie budynku nie wymagającego ochrony do ekranowania hałasu komunikacyjnego rozwiązanie prawidłowe Akustyka wnętrz W ramach akustyki wnętrz podejmuje się problemy dotyczące: rozprzestrzeniania się dźwięku w pomieszczeniach oraz kształtowania właściwości akustycznych tych pomieszczeń stosownie do potrzeb wynikających z ich przeznaczenia, a związanych z rodzajem projekcji akustycznej, do jakiej ma być dostosowane określone wnętrze (np. do odbioru mowy, określonego rodzaju muzyki itp.) 4

5 Przykład poprawnego rozwiązania akustycznego sali amfiteatralnej Przykład poprawnego rozwiązania akustycznego sali amfiteatralnej W celu uzyskania dobrego nagłośnienia nie wystarczy samo skierowanie odbitej wiązki fal dźwiękowych w określonym kierunku. Należy dodatkowo zastosować zarówno nachylenie widowni z przewyżką kolejnych rzędów powyżej 12 cm (dotarcie fali bezpośredniej do każdego słuchacza) oraz odpowiednio ukształtować sufit przez zastosowanie sztywnych i twardych płaszczyzn odpowiednio kierujących dźwięk. 5

6 Przykład niepoprawnego rozwiązania akustycznego sali amfiteatralnej Akustyka budowlana W ramach akustyki budowlanej określa się: źródła hałasu występujące w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, właściwości akustyczne wyrobów i ustrojów budowlanych, zjawiska rozprzestrzeniania się hałasu w obiektach i z obiektów budowlanych, metody ochrony przeciwdźwiękowej i przeciwdrganiowej pomieszczeń w budynkach, zabezpieczenia akustyczne obiektów budowlanych, z których hałas emitowany jest do środowiska (np. hale przemysłowe, obiekty komunikacyjne, obiekty komunalne itp.) 6

7 Źródła hałasów w budynku Źródła hałasów występujących w budynku można podzielić, ze względu na ich usytuowanie, na następujące rodzaje: 1) źródła usytuowane na zewnątrz budynku: - arterie komunikacyjne - porty lotnicze - zakłady przemysłowe, usługowe i wytwórcze - obiekty komunalne, np. parkingi, zajezdnie, dyskoteki itp. 2) źródła usytuowane w budynku, poza rozpatrywanym pomieszczeniem mieszkalnym: - instalacje stanowiące wyposażenie techniczne budynku - usługi wbudowane, np. kawiarnie, restauracje, dyskoteki - urządzenia elektro-akustyczne w mieszkaniach Źródła hałasów w budynku c.d. Obiekty budowlane zlokalizowane w sąsiedztwie arterii komunikacyjnych o dużym natężeniu ruchu, jak również w pobliżu dużych zakładów przemysłowych, są narażone zarówno na oddziaływanie hałasu przenikającego przez powietrze do budynku, jak i na drgania mechaniczne przenikające przez grunt i fundament do konstrukcji budynku. Schemat rozprzestrzeniania się dźwięków powietrznych (3) i materiałowych (4) 7

8 Źródła hałasów w budynku c.d. Z przedstawionego schematu wynika, że procesy wibroakustyczne (hałasy i drgania) generowane przez źródła zewnętrzne mogą przenosić się do pomieszczeń w budynku dwoma drogami: - drogą bezpośrednią przez powietrze, np. przez kanały wentylacyjne, otwarte lub nieszczelne okna, jak również przez przegrody w wyniku ich małej izolacyjności akustycznej - drogą pośrednią za pośrednictwem drgań gruntu oraz konstrukcji budynku Do tego dochodzi hałas generowany przez źródła wewnętrzne, który może przenikać do poszczególnych pomieszczeń w budynku, zarówno w postaci dźwięków powietrznych jak i materiałowych. Dźwięk jako zjawisko falowe Dźwięk jest zjawiskiem falowym wywołanym drganiami cząsteczek dowolnego ośrodka sprężystego (ciała stałego, gazu, cieczy). Istnieją dwa zasadnicze sposoby wytwarzania fal akustycznych: przez drgania mechaniczne, przez turbulencje. W pierwszym przypadku ruch cząsteczek ośrodka jest wywołany przez znajdujący się w nim lub oddziałujący na niego dowolny element drgający. W drugim przypadku drgania ośrodka są spowodowane zaburzeniami przepływającego strumienia gazu lub cieczy, tworzeniem się wirów (ruch turbulencyjny). 8

9 Rodzaje fal dźwiękowych W zależności od rodzaju ośrodka, w jakim rozprzestrzeniają się fale dźwiękowe (akustyczne) dzieli się je na: powietrzne rozchodzące się w powietrzu lub innym gazie oraz materiałowe rozchodzące się w ośrodku stałym lub ciekłym. Fale materiałowe mogą stać się źródłem fal powietrznych i odwrotnie. W akustyce budowlanej rozróżnia się dodatkowo pojęcie dźwięki uderzeniowe. Powstają one pod wpływem uderzenia w strop podczas chodzenia, przesuwania mebli, toczenia przedmiotów. Rozprzestrzeniają się one w budynku w postaci dźwięków materiałowych, a następnie powietrznych. Rodzaje fal dźwiękowych W zależności od kierunku drgań cząsteczek w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej rozróżnia się: - fale podłużne (kierunek drgań cząsteczek jest zgodny z kierunkiem rozprzestrzeniania się fali dźwiękowej), - fale poprzeczne (kierunek drgań cząsteczek jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej). W ośrodku gazowym mogą rozprzestrzeniać się wyłącznie fale podłużne. W cieczach mogą rozchodzić się fale podłużne, a na powierzchni fale powierzchniowe, zbliżone do fal poprzecznych. W ośrodku stałym mogą się rozprzestrzeniać zarówno fale podłużne, jak i poprzeczne oraz inne szczególne rodzaje fal, jak np. fale giętne, ścinające itp. 9

10 Dźwięki słyszalne ogólna charakterystyka Pojedynczą sinusoidalną falę dźwiękową nazywa się tonem. Częstotliwość fali jest związana z wysokością dźwięku. Amplituda fali związana jest z natężeniem dźwięku. Dźwięki występujące w przyrodzie są dźwiękami złożonymi, czyli superpozycją pojedynczych fal dźwiękowych. Cechy charakterystyczne dźwięku Wielkości charakterystyczne fali dźwiękowej Wielkościami charakterystycznymi fali dźwiękowej są: częstotliwość, długość fali, prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej. Wielkości te są związane zależnością: λ długość fali dźwiękowej [m] c prędkość dźwięku [m/s] f częstotliwość dźwięku [Hz] T okres drgań [s] Przy czym: λ = c f 1 T = f = T c 10

11 Częstotliwość Częstotliwość fali dźwiękowej f jest to liczba okresów drgań T w ciągu 1 sekundy. Liczbowo równa odwrotności okresu drgań. Określana w hercach [Hz] (1Hz = 1 s -1 ) Częstotliwość 1 Hz dotyczy zjawiska okresowego, którego okres jest równy 1 s. Przedział między dowolną częstotliwością, a częstotliwością dwukrotnie większą nazywa się oktawą. Od częstotliwości zależy wysokość tonu im większa jest częstotliwość dźwięku, tym większa jest jego wysokość. Częstotliwość c.d. Pasma częstotliwości słyszalnych dla człowieka i różnych zwierząt Rodzaj Dolna częstotliwość Górna częstotliwość organizmu graniczna [Hz] graniczna [khz] nietoperz kot pies delfin człowiek Z przytoczonych danych wynika, że zwierzęta mają na ogół większe szerokości pasm słyszalnych w porównaniu do człowieka 11

12 Długość fali Długość fali dźwiękowej λ jest to odległość x, jaką przebywa fala akustyczna w czasie jednego okresu drgań T. λ x Dźwięki występujące w przyrodzie z uwagi na częstotliwość i związaną z tym długość fali akustycznej dzieli się na: infradźwięki, niesłyszalne przez człowieka o częstotliwości f < 16 Hz i długości fali w powietrzu λ > 21 m, dźwięki słyszalne o częstotliwości od 16 Hz do 20 khz i długości fali w powietrzu 1,7 cm λ 21 m, ultradźwięki, niesłyszalne dla człowieka, o częstotliwości powyżej 20 khz oraz λ < 1,7 cm. Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej jest zależna od ośrodka i rodzaju fali. Dźwięki mogą być przenoszone przez wszystkie ośrodki sprężyste, we wszystkich stanach skupienia. Zasadniczy wpływ na prędkość rozchodzenie się fali dźwiękowej ma oporność akustyczna ośrodka. Zależy ona przede wszystkim od jego sprężystości i gęstości. Im bardziej gęsty i bardziej sprężysty jest ośrodek, tym większa w nim jest prędkość fali akustycznej. 12

13 Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej c.d. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu (fale podłużne) zmienia się wraz ze zmianą temperatury, ciśnienia atmosferycznego i innych czynników, takich jak wilgotność, mgła, zadymienie. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu wynosi ok. 340 m/s. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie 1450 m/s. Prędkość rozchodzenia się dźwięku (fal podłużnych) w ciałach stałych jest znacznie większa, np.: w ceramice zwykłej o gęstości ok kg/m 3 wynosi 3600 m/s, w betonie zwykłym o gęstości ok kg/m 3 wynosi 4000 m/s, w aluminium 4700 m/s, w szkle 5200 m/s. Energia, moc akustyczna, natężenie i ciśnienie dźwięku Każde ciało drgające znajdujące się w ośrodku sprężystym jest źródłem energii akustycznej. Ilość energii akustycznej przepływającej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni nazywa się natężeniem dźwięku i wyraża się w [W/m 2 ]. Ilość energii, jaką wysyła źródło dźwięku w jednostce czasu, nazywa się mocą akustyczną źródła P i wyraża się w watach [W]. Ponieważ rozpiętość mocy źródeł spotykanych w praktyce jest bardzo duża (moc akustyczna szeptu wynosi 10-9 W, natomiast samolotu odrzutowego 10 7 W) w technicznych obliczeniach stosuje się pojęcie poziomu mocy akustycznej L W (w niektórych źródłach literaturowych poziom mocy akustycznej źródła oznacza się symbolem L P ). Poziom mocy akustycznej wyraża się wzorem: P - moc akustyczna źródła [W], L W = 10 lg Po - moc akustyczna odniesienia; P 0 = [W]. P P 0 [ db] 13

14 Energia, moc akustyczna, natężenie i ciśnienie dźwięku c.d. Moc akustyczna źródła przypadająca na jednostkę (1 m 2 ) powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej określa natężenie dźwięku wytwarzanego przez to źródło. Natężenie to wyraża się wzorem: I = P S [W / m S - wyrażone w m 2 pole powierzchni promieniowania dźwięku w określonej odległości od źródła; np. w przypadku promieniowania źródła punktowego zawieszonego w przestrzeni powierzchnia S równa jest powierzchni kuli o promieniu r określającym odległość tej powierzchni od źródła. Odpowiednio do poprzednio stosowanej zasady w praktyce operuje się poziomem natężenia dźwięku L I wg wzoru: I - wg wzoru j.w., I 0 - natężenie dźwięku odniesienia; I 0 = W/m 2. L I = 10lg I I 0 2 ] [db] Energia, moc akustyczna, natężenie i ciśnienie dźwięku c.d. W akustyce budowlanej przy pomiarach wykorzystuje się najczęściej pojęcie ciśnienia akustycznego i poziomu ciśnienia akustycznego, ponieważ są to wielkości stosunkowo łatwo mierzalne. Ciśnienie akustyczne p w powietrzu jest to różnica między chwilową wartością ciśnienia powstałego w danym punkcie pola pod działaniem fal akustycznych a wartością ciśnienia statycznego (atmosferycznego). Ciśnienie akustyczne wyraża się w paskalach [Pa]. Poziom ciśnienia akustycznego L p jest to względna miara ciśnienia akustycznego wyrażona wzorem: 2 p Lp = 10lg [db] 2 p0 p - ciśnienie akustyczne, Pa, p 0 - ciśnienie akustyczne odniesienia; p 0 = Pa. Poziom ciśnienia akustycznego określa się często także symbolem L bez indeksu. 14

15 Odbiór dźwięków przez człowieka Narząd słuchu człowieka spełnia rolę układu, który wykrywa kierunek, z którego dobiegają dźwięki, a także ich głośność, wysokość i barwę. Organ ten odbiera dźwięki, których częstotliwość zawarta jest w przedziale od 16 Hz do 20 khz, a amplituda ciśnienia akustycznego mieści się w przedziale od 2 x 10-5 Pa do 10 Pa. Należy podkreślić, że ucho ludzkie, odbierające pojedyncze tony o różnej częstotliwości i tym samym ciśnieniu akustycznym, słyszy je niejednakowo głośno. Dźwięki z zakresu częstotliwości niskich i wysokich, aby wywołać takie samo wrażenie słuchowe, jak dźwięki z zakresu częstotliwości średnich, powinny się charakteryzować znacznie większymi wartościami ciśnień akustycznych. Czułości ucha jest największa w zakresie częstotliwości od 800 do 4000 Hz. Tony niższe i wyższe od tego zakresu są odczuwane jako mniej głośne. Subiektywnie odczuwana głośność dźwięku jest zatem trudna do zmierzenia. Dlatego najwygodniejszą formą wyrażenia charakterystyki zmysłu słuchu człowieka jest określenie słyszalnych natężeń dźwięku w funkcji częstotliwości. Odbiór dźwięków przez człowieka c.d. Charakterystyka zmysłu słuchu człowieka zakres słyszalności dźwięków 15

16 Odbiór dźwięków przez człowieka c.d. Cały, znany nam, świat dźwięków słyszalnych jest zawarty między: progiem słyszalności (tj. 0 db) a progiem bólu (130 db). Warunki o poziomie natężenia dźwięku 0 db są bardzo rzadko spotykane i trudno osiągalne. Można je spotkać jedynie w pomieszczeniach dźwiękoszczelnych oraz w przestrzeni międzyplanetarnej tam, gdzie panuje próżnia. Poziom bliski 130 db, powyżej którego odczuwa się już tylko ból, można spotkać znacznie częściej. Towarzyszy on na przykład startom samolotów odrzutowych, a także pracy młotów pneumatycznych i innych urządzeń przemysłowych. Intensywność dźwięków spotykanych na co dzień mieści się w granicach między 20 a 60 db. Przykładowe wartości poziomów natężenia dźwięku 16

17 Skutki zdrowotne Z powodu bliskości przebiegu nerwów słuchowych i nerwów odchodzących do tworu siatkowatego i podwzgórza, możliwy jest wpływ dźwięków zarówno na całą sferę świadomości, jak i na układ wegetatywny, tj. na narządy wewnętrzne i układ krwionośny, zwłaszcza wówczas, gdy dźwięki są intensywne. W ten sposób hałas może zakłócać sen, wywoływać zdenerwowanie, utrudniać rozumienie mowy czy koncentrację. Może również powodować różne inne nieprzyjemne objawy, np. wzrost ciśnienia krwi, przyspieszenie tętna lub wzmożenie napięcia mięśni. Skutki zdrowotne Reakcje organizmu człowieka na hałas są bardzo subiektywne i zależą od sytuacji. Przy poziomach dźwięku poniżej 70 db określamy go jako denerwujący lub uciążliwy. Ma on wówczas niekorzystny wpływ na nasz organizm, powodując zmęczenie układu nerwowego lub utrudnienie wypoczynku, jednak jest to zwykle efekt przejściowy. Przy poziomach dźwięku powyżej 70 db hałas staje się szkodliwy dla człowieka, a powyżej 90 db nawet niebezpieczny, gdyż powoduje liczne zaburzenia układu krążenia i układu pokarmowego. Poziomy powyżej 130 db mogą nawet stanowić zagrożenie dla życia, gdyż powodują drgania niektórych narządów wewnętrznych, prowadząc do zniszczeń ich struktury. Jednym z najczęstszych skutków oddziaływania dźwięków o wysokim poziomie ciśnienia akustycznego jest trwałe uszkodzenie słuchu. Zdarza się ono często przy długotrwałym lub często powtarzanym narażeniu błony bębenkowej na takie dźwięki (nawet wtedy, gdy odbierający je człowiek nie nazwałby ich hałasem). Przykładem może być słuchanie muzyki przez słuchawki, zwłaszcza wkładane do uszu. 17