Часть IV. Акустика в дизайне
Основные понятия и определения
Со всех сторон человека окружают звуки. Слыша звук, человек может испытывать самые различные эмоции: радость, страх, беспокойство. Звук составляет основу речи, т.е. он является средством общения между людьми. Музыка представляет собой сложный комплекс звуков, вызывающий самые разнообразные ощущения. И, наконец, существует такая специфическая форма звука, как шум, который в последние десятилетия стал бедствием человечества. Шум вызывает раздражение, затрудняет восприятие речи и музыки, а в некоторых случаях является причиной глухоты и различных болезней. Таким образом, перед проектировщиками стоят две противоположные задачи: первая — создание условий для наилучшего восприятия речи и музыки и вторая — всемерное подавление шума.
Акустика в дизайне носит прикладной характер и подразделяется на архитектурную, задачи которой заключаются в создании благоприятных условий полноценного восприятия звуков, являющихся полезной информацией, и строительную, целью которой является подавление, ослабление и ограничение распространения нежелательных звуков, которые принято называть шумами.
Ведущая роль в решении этих задач принадлежит архитекторам и дизайнерам, которые должны иметь представление о физических и физиологических характеристиках звука и шума, закономерностях их распространения на территориях и в помещениях, характеристиках источников шума, архитектурно-планировочных и конструктивных способах усиления и подавления звука и шума, а также об имеющихся по этим вопросам нормативных документах.
Архитектурная акустика включает в себя естественное звучание и развивающееся озвучение и звукоусиление.
С физической точки зрения, звук — это колебательное движение в любой материальной, т.е. обладающей упругостью и инерционностью, среде.
Звуковой волнойназывают процесс распространения колебательного движения в среде. Звуковые волны возникают в том случае, когда в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды (газообразной, жидкой или твердой) приходят в колебательное движение вследствие воздействия на них какой-либо возмущающей силы. При этом энергия передается от источника с помощью звуковых волн, а частицы упругой среды совершают только колебательные движения по отношению к положению равновесия.
При распространении звуковой волны следует различать два совершенно разных явления: движение частиц среды в волне и перемещение самой волны в среде. Обычно колебательные скорости частиц среды в несколько тысяч раз меньше скорости звука.
Фронтом звуковой волныназывают поверхность, проходящую через частицы среды, совершающие колебания в одной и той же фазе. Направление распространения звука в каждой точке фронта является нормалью к его поверхности. Различают три типа звуковых волн, отличающихся друг от друга формой фронта: плоские, имеющие фронт в виде плоскости, нормальной к направлению распространения, шаровые с фронтом в виде сферы и цилиндрические, форма фронта которых имеет вид боковой поверхности цилиндра.
Возбудителями звука могут быть не только механические колебательные системы с сосредоточенными параметрами, но также вихревые очаги и трущиеся поверхности. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, называют воздушным звуком, а колебания звуковых частот, распространяющиеся в достаточно протяженных твердых телах, — структурным. Основным акустическим понятием является звуковой поток, мощность которого измеряется в единицах энергии.
Любой источник звука может характеризоваться звуковой мощностью— Р — количеством звуковой энергии в ваттах, излучаемой в единицу времени. Звуковая мощность является основным параметром, характеризующим источник звука или шума.
В качестве основного параметра звукового поля используется звуковая энергия, содержащаяся в единице объема среды. Она называется плотностью звуковой энергии D и связана с звуковым давлением р формулой:
D = P 2/ f > c2, (17)
где f — плотность среды;
с— скорость звука в среде.
Плотность звуковой энергии — величина скалярная. Она характеризует энергию звукового поля в случае неопределенного направления звуковых волн (например, в помещениях).
Значения звукового давления, интенсивности звука и звуковой мощности источников шума могут изменяться в широких пределах, например, от 2104 до 210 н/м для звукового давления, т.е. в 109 раз.
Звук и слух. Человек воспринимает звук чаще всего посредством органа слуха. Органы слуха, т.е. ухо и следующие за ним органы обработки сигнала на пути к мозгу, позволяют человеку воспринимать звуковой процесс в обширной области изменений звукового давления и частоты и различать его по силе, высоте тона и окраске, а также узнавать направление его прихода. Чувствительность этого органа превосходит во многих отношениях свойства лучшей электроакустической аппаратуры.
Порог слышимости, например, лежит так низко, что дальнейшее незначительное его снижение привело бы к восприятию шумов, сопровождающих пищеварение, тепловое движение молекул, а также шумов в системе кровообращения.
Ухо человека состоит из трех основных частей: наружного уха, среднего и внутреннего (рис. 21). Наружное ухо согласовывает импеданс (сопротивление) барабанных перепонок с импедансом воздуха; согласование очень хорошее при частоте колебаний 800Гц, оставаясь достаточно хорошим и при частотах выше 800Гц. И только при частотах ниже 400Гц согласование несколько хуже.
Система кривых равной громкости, принятая в качестве стандартной в международном масштабе, приведены на рис. 21.
СЛУХОВЫЕ КОСТОЧКИ ПОЛУОКРУЖНОЙ КАНАЛ
Рис. 21. Устройство уха человека
Рис. 22. Кривые равной громкости для чистых тонов
Шкала уровней звукового давления в децибелах отложена по оси ординат. Эта шкала введена на основании фундаментального психофизического закона Вебера-Фехнера, который утверждает, что изменение чувствительности при изменении возбуждения обратно пропорционально значению абсолютного возбуждения, имевшему место до начала изменения. Кроме того, эта шкала удобна при большом динамическом диапазоне звуков, воспринимаемых человеком (1:1000000).
Следует отметить, что если интенсивность звука увеличить так, что слушателю он покажется в 2 раза громче, то повышение уровня звукового давления не будет соответствовать удвоению. В большей части слышимого диапазона в этом случае наблюдается повышение уровня звукового давления примерно на 10дБ. На рис. 23 для наглядности показана частотная область восприятия звука ухом человека.
Рис. 23. Области слухового восприятия
Большинство шумов содержит звуки почти всех частот слухового диапазона, но они имеют разное распределение уровней звукового давления по частотам, а также характеризуется изменением их во времени. По характеру спектра шумы подразделяются на широкополосные и тональные. По распределению уровней по частотам шумы могут быть разбиты на низкочастотные — шумы с максимальными уровнями звукового давления в области частот ниже 300Гц, среднечастотные — шумы с максимальными уровнями звукового давления в области частот 300-800Гц и высокочастотные — шумы с максимумом звукового давления в области частот выше 800Гц.
По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные, уровень звука которых изменяется во времени не более чем на 5дБА, и непостоянные, уровень звука которых изменяется во времени более чем на 5дБА. К постоянным шумам можно отнести шум постоянно работающих насосных или вентиляционных установок, а также шум постоянно работающего оборудования промышленных предприятий (воздуходувки, компрессорные установки, различные испытательные стенды).
Непостоянные шумы, в свою очередь, можно подразделить на следующие: колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется; прерывистые, уровень звука которых резко падает до уровня фонового шума несколько раз за время наблюдения, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1с и более; импульсные, состоящие из одного или нескольких следующих друг за другом ударов длительностью менее 1с. К непостоянному, колеблющемуся во времени относится шум транспортного движения.
Прерывистые шумы — это шумы от работы лебедки лифтовой установки, периодически включающихся агрегатов холодильных установок, шумы некоторых непостоянно работающих установок промышленных предприятий или мастерских.
К импульсным шумам относятся шум ударов пневматического молотка, кузнечно-прессового оборудования, поэтажного лифтового переключателя, хлопанье дверьми и др.
Методы оценки шума зависят, в первую очередь, от его характера. Постоянный шум оценивается по уровням звукового давления в децибелах (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000Гц. Этот метод оценки постоянного шума является основным.
Распространение шума в зданиях. Рассмотрим основные пути распространения шума в зданиях (рис. 24). Большинство источников шума создают воздушный шум, который, падая на ограждающие помещения конструкции, вызывает их колебания. Последние являются источником шума в соседних помещениях. При ударах по междуэтажному перекрытию (ходьба, танцы и т.д.) передача энергии происходит также за счет колебаний конструкций; такой шум называют ударным.
Рис. 24. Распределение шума в здании
Пути передачи шума в изолируемое помещение могут быть прямыми (1 и 2) и косвенными, т.е. обходными (3, 4). Такая передача возможна потому, что колебания, вызванные воздушным или ударным шумом, распространяются по конструкциям всего здания. Вибрирующие (колеблющиеся) конструкции излучают шум в помещения, расположенные даже на значительном расстоянии от источника; такой шум называется структурным. Структурный шум излучают конструкции, жестко связанные с каким-либо вибрирующим механизмом, например, вентилятором, насосом, лифтовой лебедкой (4').
В современных зданиях снижение массы ограждений, увеличение жесткости сопряжения в стыках, уменьшение их числа и применение материалов с малым коэффициентом внутреннего трения приводит 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.
Источники шума и их характеристики.Защита от шума может осуществляться как в источнике возникновения шума, так и по пути его распространения. Для успешного принятия тех или иных мер необходимо знать шумовые характеристики источников.
Источники внешнего шума могут быть условно разбиты на две большие группы: отдельные источники и комплексные источники, состоящие из ряда отдельных источников.
К отдельным источникам шума относятся единичные транспортные средства, электрические трансформаторы, заборные или вытяжные отверстия систем вентиляции, установки промышленных или энергетических предприятий и др.
К комплексным источникам шума относятся транспортные потоки на улицах или дорогах, потоки поездов на железной дороге, промышленные предприятия по шумовому фактору.
Источники шума в жилых и общественных зданиях.Шумы, возникающие в жилых и общественных зданиях, могут быть подразделены на бытовые, связанные с жизнедеятельностью людей, и механические, связанные с работой инженерного и санитарно-технического оборудования (лифты, вентиляторы, насосы и т.д.).
Бытовые шумы создаются проживающими или находящимися в доме людьми. Громкий разговор, пение, игра на музыкальных инструментах, крики и плач детей и особенно работа телевизоров, радиоприемников, проигрывателей и магнитофонов являются причиной образования так называемого воздушного шума. При ходьбе, танцах и передвижениях мебели в ограждениях дома возникают звуковые колебания, которые передаются на конструкции перекрытий, стены и перегородки и распространяются по зданию на большое расстояние в виде структурного шума. Это происходит из-за очень малого затухания звуковой энергии в тех материалах, из которых обычно возводятся конструкции зданий.
Вентиляторы, насосы, лебедки лифтов и другое механическое оборудование зданий являются источниками как воздушного, так и структурного шума, возникающего в зданиях. Так, вентиляционные установки создают сильный воздушный шум, который, если не приняты соответствующие меры, распространяется вместе с потоком воздуха по вентиляционным каналам и через вентиляционные решетки проникает в комнаты. Помимо этого вентиляторы, как и другое механическое оборудование, вследствие вибрации вызывают весьма интенсивные звуковые колебания в перекрытиях и стенах зданий. Эти колебания в виде структурного шума легко распространяются по конструкциям здания и излучаются в помещения, даже далеко расположенные от источников шума.
Особенно сильный шум может возникнуть в помещении, над которым установлены вентиляционные установки. Часто вентиляционные установки и насосы располагаются в подвальных помещениях. Это оборудование, если оно установлено без принятия соответствующих звукоизоляционных мер, вызывает в фундаментах колебания звуковой частоты, которые передаются стенам здания и распространяются по ним, создавая шум в квартирах.
Данные об эквивалентных уровнях звука различных бытовых шумов приведены в табл. 36, из которой видно, что уровни звукового давления различных источников шумов достигают весьма высоких значений.
Таблица 36
Эквивалентные уровни звука бытовых шумов
| Источник звука | Уровни звука, ДБЛ | Примечание |
| Радиомузыка | ||
| Радиоречь | — | |
| Разговоры людей | — | |
| Пылесосы | — | |
| Стиральные машины | — | |
| Холодильники | — | |
| Игра на пианино | — | |
| Электрополотеры | — | |
| Электробритвы | — | |
| Детский плач | — | |
| Слив воды из крана | 44-50 | Шум, проникающий в комнату |
| Наполнение ванны | 36-58 | То же |
| Наполнение бачка водой в туалете | 36-67 | — |
| Удар крышки клапана мусоропровода | 42-58 | Шум, проникающий в квартиру |
| Проход кабины лифта | 34-36 | В смежных квартирах |
| Удар дверей лифта | 44-52 | То же |
В зависимости от вида шума принимают различные меры по его снижению при распространении.
К основным методам, используемым при ограничении распространения шума, относятся: соответствующая внешняя и внутренняя планировка, устройство надлежащей звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, звукопоглощение звуковой энергии вдоль путей ее распространения, надлежащий выбор оборудования, виброизоляция колебаний технического оборудования от сопрягающихся с ним ограждений или коммуникаций.
Рассмотрим подробнее средства, с помощью которых можно реализовать перечисленные методы шумоглушения.
Рационально решать планировку здания таким образом, чтобы все помещения, связанные с возникновением того или иного шума, были сосредоточены в одном месте и удалены от рабочих и жилых помещений. Так, в жилых и общественных зданиях котельные, машинные отделения лифтов, лифтовые шахты и мусоропроводы, насосные, помещения с вентиляторами, столовые, буфеты и т.д. не должны примыкать к жилым и рабочим помещениям. Кухни, ванные и санузлы рекомендуется объединять в отдельные блоки, граничащие со стенами лестничных клеток или с такими же блоками соседних квартир.
Жилые комнаты многоэтажных жилых домов, общежитий и гостиниц, рабочие комнаты административных зданий, палаты больниц и санаториев, классы и аудитории учебных заведений должны быть отделены от лестничных клеток вспомогательными помещениями (кухнями, ванными, коридорами и т.п.). Гимнастические залы, мастерские и другие шумные помещения в учебных заведениях не должны располагаться в непосредственной близости от классов, аудиторий и лабораторий.
Основным средством для защиты помещений жилых и общественных зданий от шума является надлежащая звукоизоляция ограждающих конструкций, которая должна обеспечивать соблюдение нормативных требований по звукоизоляции.
Во многих помещениях общественных зданий целесообразно устройство звукопоглощающих облицовок, например, в протяженных помещениях типа коридоров в школах, больницах, гостиницах, что предотвращает распространение шума вдоль них. Для снижения шума в машинописных бюро, счетных станциях, вычислительных центрах, административных помещениях, ресторанах, залах ожидания железнодорожных вокзалов и аэровокзалов, магазинах, столовых и т.д. необходимо предусматривать звукопоглощающие покрытия стен и потолков.