7754
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
П.А. Гребнев
СТРОИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА ЧАСТЬ I
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКУСТИКА
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Строительная физика»
для обучающихся по направлению подготовки 27.03.01 «Стандартизация и метрология», направленность (профиль) «Стандартизация и сертификация»
Нижний Новгород
2022
2
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
П.А. Гребнев
СТРОИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА ЧАСТЬ I
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКУСТИКА
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Строительная физика»
для обучающихся по направлению подготовки 27.03.01 «Стандартизация и метрология», направленность (профиль) «Стандартизация и сертификация»
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
3
УДК
Гребнев П.А.. Строительная физика. Часть I. Архитектурно-строительная акустика: учебно-методическое пособие / П.А. Гребнев; Нижегородский государственный архитек- турно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 30с. – Текст : электронный.
В пособии представлен материал для подготовки к лекционным и практическим занятиям по разделу «Акустика» дисциплины «Строительная физика». Рассмотрена методика расчета и нормирования звукоизоляции ограждающих конструкций зданий. Приведены варианты задания для самостоятельной работы и пример ее решения.
Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Строительная физика», по направлению подготовки 27.03.01 «Стандартизация и метрология», направленность (профиль) «Стандартизация и сертификация»
©П.А. Гребнев, 2022
©ННГАСУ, 2022
4
|
Содержание |
|
1. |
Архитектурно-строительная акустика. Введение |
5 |
2. |
Основные положения |
5 |
3. |
Основные физические величины |
7 |
4. |
Физиологические характеристики звука |
9 |
5. |
Принципы измерения и нормирования шума |
10 |
6. |
Распространение звука в замкнутом помещении |
12 |
|
6.1. Отражение и поглощение звука |
12 |
|
|
|
|
6.2. Основные методы расчета параметров звукового поля |
14 |
7. |
Распространение шума в зданиях |
16 |
8. Звукоизоляция ограждающих конструкций |
18 |
|
|
8.1 Общие сведения о звукоизоляции |
18 |
|
8.2 Нормирование звукоизоляции ограждающих конструкций зданий |
19 |
|
8.3. Методика определения индекса изоляции воздушного шума |
|
внутренними ограждающими конструкциями зданий |
19 |
|
|
Варианты заданий |
28 |
5
1. Архитектурно-строительная акустика. Введение
Архитектурно-строительная акустика подразделяется на два основных подраздела: архитектурная акустика и строительная акустика.
Основная задача архитектурной акустики – исследование условий, определяющих слышимость речи и музыки в помещениях, и разработка архи- тектурно-планировочных и конструктивных решений, обеспечивающих оптимальные условия слухового восприятия.
Строительная акустика изучает вопросы звукоизоляции ограждающих конструкций, а также снижения шума в зданиях.
2. Основные положения
Звук – это колебательное движение в материальной среде, обладающей упругостью и инерционностью (в воздухе, воде, твердых телах), частицы которой выведены из состояния равновесия каким-либо источником.
Одной из основных характеристик колебательного (волнового) движения является длина волны (λ) – расстояние между двумя точками волны, пребывающими в одной фазе колебаний. Другая важная характеристика – амплитуда колебаний волны (а), т.е. расстояние, на которое колеблющаяся частица отклоняется от положения равновесия.
φ
О
а
а·sin φ
λ
t
Рисунок 1- Основные характеристики колебательного движения
Колеблющееся тело (струна музыкального инструмента, голосовые связки человека и др.) излучает упругие волны, характеризующиеся последовательными сгущениями и разрежениями воздуха. Т.е. звуковой волной называется процесс распространения колебательного движения в упругой среде.
Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. В отличие от электромагнитных колебаний в процессе распространения звуковых волн в воздухе и жидкостях смещения частиц среды происходят в направлении распространения волны. Такие волны называются
продольными (см. рисунок 2).
6
Поперечные звуковые волны возникают при распространении колебаний в твердых телах. При поперечных волнах частицы среды смещаются перпендикулярно направлению распространения звуковой волны (рисунок 2, б).
а) |
|
направление смещения частиц среды |
|
|
х |
|
|
λ |
б) |
y |
направление смещения частиц |
|
|
х
λ
λ
Рисунок 2 Типы волн (х – направление распространения волны):
а– продольная волна (в воздухе и в жидких телах);
б– поперечная волна (в твердых телах)
Втвердых телах возможны различные комбинации продольных и поперечных волн. Так, в относительно тонких конструкциях, когда их толщина меньше 1/6 длины волны, возникают изгибные волны.
Процесс передачи колебаний в упругой среде назван волновым процессом. Направление распространения волны называется звуковым лучом.
Фронт волны – это поверхность, проходящую через частицы среды, совершающие колебания в одной и той же фазе. Различают три типа звуковых волн, отличающихся друг от друга формой фронта:
- плоские, имеющие фронт в виде плоскости, перпендикулярной к направлению распространения (рисунок 3, а);
- сферические, имеющие фронт в виде сферы (рисунок 3, б); - цилиндрические, имеющие фронт в виде боковой поверхности цилиндра.
Звуковые волны распространяются в газообразной среде с определенной скоростью, зависящей от температуры среды. Для воздуха выражение скорости звука принимает вид:
|
|
|
|
с 20 Т , |
(1) |
||
где Т – абсолютная температура, К (при температуре 0 С абсолютная температура Т = 273 К).
7
Пользуясь этой формулой, можно определить, что при температуре 0 С скорость звука равна 330 м/с, а при температуре 20 С (293 К) – 342 м/с.
На рисунке 3 приводится схема распространения плоской и сферической
звуковых волн. |
|
а |
б |
Рисунок 3 - Сгущения и разрежения в звуковых волнах:
а– плоской; б – сферической
3.Основные физические величины
Подобно всякому волновому движению, звуковые волны характеризуются частотой колебаний. Частота колебаний связана (f) со скоростью звука и длиной волны следующим выражением:
f |
c |
, |
(2) |
|
|
||||
|
|
|
где λ – длина волны, м; с – скорость звука, м/с.
За единицу частоты принят герц (Гц), равный одному колебанию в секун-
ду (1/с).
Частота звуковых волн, воспринимаемых ухом человека, лежит в пределах от 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц). Это соответствует длинам волн в воздухе соответственно от 17 м до 1,7 см. Звуковые колебания с частотой меньшей
20 Гц называют инфразвуком, больше 20 000 Гц – ультразвуком.
Разность между атмосферным давлением при отсутствии звукового воздействия и давлением в каждой точке звукового поля называется звуковым давлением (p). Фазе сжатия соответствует положительное значение звукового давления, фазе разрежения – отрицательное. Единица измерения – паскаль (1 Па = 1 Н/м2).
Звуковое давление в каждой точке изменяется по времени, принимая положительные или отрицательные значения. Поэтому оно, как и многие другие акустические величины, измеряется не в амплитудных, а в эффективных его значениях. В расчеты вводится осредненное во времени среднеквадратичное звуковое давление рср:
8
рср |
|
рмакс |
|
. |
(3) |
||
|
|
|
|||||
2 |
|||||||
|
|
|
|
||||
Величина звукового давления слышимого человеком звука изменяется в очень больших пределах – в 107 раз. Учитывая трудности, связанные с использованием абсолютных значений звукового давления, эту величину принято оценивать в относительных логарифмических уровнях звукового давления, измеряемых в децибелах (дБ). Уровень звукового давления, выраженный в логарифмической шкале, находится по формуле
|
pср2 |
рср |
|
|
|||
L 10 lg |
|
|
20 lg |
|
|
, |
(4) |
p |
2 |
р |
|
||||
|
0ср |
0ср |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
где рср – среднеквадратичное значение звукового давление, Па; р0ср – среднеквадратичное значение звукового давления, соответствующее
порогу слышимости и принятое за начало отсчета, р0ср = 2×10-5 Па.
Излучаемая источником звуковая энергия распределяется по частотам, поэтому при решении акустических задач проектировщику необходимо знать частотную характеристику звука (спектр), показывающую распределение уровней звукового давления по частотам.
В отличие от чистого тона, у которого колебания звукового давления являются гармоническими (синусоидальными), шумом называют случайные колебания звуков различной интенсивности и частоты. Поэтому для сложных звуков (или шума), состоящих из многих звуков разных частот, измеряются уровни звукового давления на отдельных частотах или, чаще всего, суммарные уровни звукового давления в определенных полосах измерения. Для этого частотный диапазон делится на некоторое число полос (интервалов).
Каждая полоса характеризуется граничными частотами (f1 – нижней, f2 – верхней), а также шириной f = f2 – f1 и среднегеометрической частотой интер-
вала fср 
f1 f 2 , характеризующей полосу в целом.
Полоса, у которой отношение f2/f1 = 2, называется октавой; если отноше-
ние частот f2/f1 = 3
2 = 1,26, то этот частотный интервал называется третьок-
тавой.
По положению максимума спектра слышимые звуки и шумы делятся на три частотных диапазона:
-низкочастотные (f < 300 Гц);
-среднечастотные (300 < f < 800 Гц);
-высокочастотные (f > 800 Гц).
Кроме частотной характеристики различают временные характеристики звука или шума (рисунок 5). По временным характеристикам выделяют:
- постоянный шум, уровень звукового давления которого за рассматриваемый промежуток времени изменяется не более чем на 5 дБ;
9
-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.
L, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
б |
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 11 t, с |
|
|
|
> 1 с |
|
|
< 1 с |
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4 - Временные характеристики звука (шума): |
||||||||
а – постоянный; б – колеблющийся во времени; в – прерывистый; г – импульсный |
||||||||||
4. 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 (рисунок 5).
10
Уровень громкости звука выражается в фонах. На частоте 1000 Гц уровень громкости в фонах численно равен уровню звукового давления в децибелах.
L, дБ
140
120
100
80
60
40
20
0
120 фон
100 фон
80 фон
60 фон
40 фон
20 фон
0 фон
31,5 63 |
125 250 |
500 1000 2000 4000 8000 16000 |
f, Гц |
Рисунок 5 - Кривые равной громкости
5. 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. рисунок 6). Таким образом, характеристика коррекции «А» является частотной характеристикой чувствительности шумомера, которая представляет собой как бы сглаженные и перевернутые кривые равной громкости. Определяемый уровень при этом называется уровнем звука и характеризуется одним числом в дБА.