Акустика вивчає поширення звуку в приміщеннях. Вона поділяється на архітектурну, завдання якої полягають у створенні сприятливих умов найбільш повноцінного сприйняття звуків в театральних та інших приміщеннях, і будівельну, яка вирішує питання обмеження поширення небажаних звуків, які називаються шумами. Шум викликає у людей роздратування, ускладнює сприйняття мови і музики, а в деяких випадках є причиною глухоти.
Таким чином, перед проектувальниками стоять дві протилежні завдання: перша - створення умов для найкращого сприйняття мови і музики і друга - всемірне придушення шуму. Для успішного вирішення цих завдань необхідно мати уявлення про фізичних і фізіологічних характеристиках звуку і шуму, закономірності їх поширення на територіях і в приміщеннях, характеристиках джерел шуму, архітектурно-планувальних та конструктивних способах підсилення і придушення звуку і шуму, а також про наявні за цими питаннях нормативних документах.
Звук як фізичне явище являє собою хвилеподібний коливальний рух, яке поширюється в матеріальної пружною (газоподібної, рідкої або твердої) середовищі.
Джерелом звуку є якесь вібруючий тіло типу струни, камертона і т.п. Коливання джерела звуку викликають в пружною середовищі коливання її часток, які поширюються хвилеподібно з певною швидкістю у вигляді звукових хвиль. При цьому самі частинки середовища не переміщаються разом із звуковою хвилею, а тільки коливаються, поперемінно зміщуючись і повертаючись в початкове рівноважний стан, як це показано на рис. 4.1.
Мал. 4.1. Коливання частинок пружного середовища
При поширенні звукової хвилі розрізняють два абсолютно різних явища:
рух частинок середовища в хвилі і переміщення самої хвилі в середовищі. При цьому коливальні швидкості частинок середовища в кілька тисяч разів менше швидкості звуку.
Область середовища, в якій поширюються звукові хвилі, називається звуковим полем.
У процесі поширення звукових хвиль в повітрі і в рідинах зміщення частинок середовища відбувається в напрямку поширення хвилі, такі хвилі називаються поздовжніми.
При поширенні коливань в твердих тілах виникають поперечні хвилі, коли частинки середовища зміщуються перпендикулярно напрямку поширення звукової хвилі. У твердих тілах можливі коливання поздовжніх і поперечних хвиль. В тонких конструкціях при товщині менш 1/6 довжини хвилі, виникають ізгібние хвилі.
Звукові хвилі подібно кожному хвильовому руху характеризуються довжиною хвилі, частотою коливань і швидкістю їх поширення.
Відстань, на яке поширюється звукова хвиля за час одного повного коливання або одного періоду коливання, називається довжиною хвилі. Довжина звукової хвилі l залежить від частоти і швидкості звуку і може бути визначена за формулою
де - швидкість поширення звуку, м / с;
Залежність довжин хвиль від частоти представлена на рис. 4.2.
Мал. 4.2. Залежність довжини звукових хвиль і частоти звуку
при поширенні їх в повітрі
Під частотою мається на увазі число коливань частинок середовища в секунду. Одиницею вимірювання частоти є герц (Гц), якій висловлює одне коливання в секунду.
У практиці спектр сприймаються людиною звуків охоплює 8 октав. У зв'язку з тим, що людський слух вловлює збільшення частоти не менше ніж в 1.26 рази, тому кожна октава розділена на три 1/3-октавні смуги, де співвідношення частот одно цієї величини.
Розрізняють три види спектрів частот: низькочастотний - в межах частот до 300 Гц, среднечастотний - в області частот від 300 до 800Гц і високочастотний - вище 800Гц.
Звукові хвилі поширюються з певною швидкістю, яка залежить від пружного середовища. Швидше за все звук поширюється в твердих тілах, трохи повільніше - в рідинах і повільніше всіх-в повітрі. Так, швидкість звуку в повітрі становить 340 м / с, у воді - 1450 м / с, в бетоні - 4000 м / с і в стали - 5100 м / с.
Джерела звуку характеризуються звуковий потужністю і інтенсивністю звуку.
Звуковий потужністю Р називають загальна кількість звукової енергії, випромінюваної джерелом звуку в одиницю часу. Одиницею вимірювання потужності звуку є ват (Вт). Звукова потужність є звуковим параметром, що характеризує джерело звуку або шуму.
Під інтенсивністю звуку. Вт / м. розуміють звукову потужність поширюється в одиницю часу через одиницю площі звукового поля S, м 2:
При коливанні джерела звуку в повітряному середовищі з'являється тиск, який називають звуковим тиском. Звуковий тиск представляє собою різницю між миттєвим повним тиском в момент проходження звуку в середовищі і середнім значенням звукового тиску в середовищі при відсутності звукового поля від джерела звуку. За одиницю виміру звукового тиску прийнятий ньютон на квадратний метр (Н / м).
Між інтенсивністю звуку і звуковим тиском існує зв'язок, що визначається за формулою
де - щільність середовища, кг / м;
- швидкість звуку в середовищі, м / с.
Вухо людини може відчувати звук тільки в тому випадку, коли його сила не менше певної величини, званої порогом чутності. Верхня межа, який сприймається як болюче відчуття, носить назву больового порогу. Характеристики звуку в порогових межах наведені в табл. 4.1.
Користуватися абсолютними значеннями таких сильно відрізняються один від одного звуковими величинами вкрай незручно, тому в технічній акустиці прийнято оцінювати інтенсивність звуку, звукового тиску і звукову потужність не в абсолютних, а у відносних логарифмічних одиницях - децибелах (дБ), і називати їх рівнями інтенсивності звуку, звукового тиску і звукової потужності.
Для отримання рівня характеристики звуку необхідно прологаріфміровать відношення абсолютного значення інтенсивності звуку, звукового тиску або звукової потужності до їх значень на порозі чутності, умовно прийняті за одиницю порівняння.
Значення характеристик звуку на порозі чутності і на больовому порозі
Таким чином, рівень інтенсивності звуку. рівень звукового тиску і рівень звукової потужності можна визначити з наступних виразів:
= 10lg () = 20lg (); (4.5)
де,. - відповідно інтенсивність звуку, звукового тиску і звукової потужності в даний момент часу;
, . - відповідно інтенсивність звуку, звукового тиску і звукової потужності на порозі чутності.
При акустичних розрахунках частот зустрічається необхідність скласти рівні звукового тиску двох або більше джерел звуку або знайти середні рівні звукового тиску. Таке складання рівнів може бути здійснено за допомогою номограми, представленої на рис. 4.3.
Мал. 4.3. Номограма для логарифмічного підсумовування рівнів
(- добавка до більш високого рівня)
Рівні шуму різних джерел підсумовуються послідовно. по різниці
рівнів шуму і двох джерел за допомогою номограми визначається величина в децибелах, яка додається до більшого рівня. в результаті чого виходить сумарний рівень шуму двох джерел. Вважаючи, що отриманий рівень шуму є рівнем шуму деякого еквівалентного джерела, його підсумовують з рівнем шуму третього джерела. Обчислюють рівень шуму еквівалентного джерела, еквівалентного першим трьом, і так далі до тих пір, поки не буде встановлено загальний рівень шуму всіх джерел.
Рівні звуку, виражені в децибелах (дБ), відображають об'єктивну характеристику звуку. Однак при одному і тому ж рівні звукового тиску, але різної частоти, звуки викликають у людини відчуття різної гучності. З урахуванням цієї властивості людського слуху введено поняття рівня гучності звуку, за одиницю виміру якого прийнято фон, який представляє собою рівень гучності стандартного тону з частотою 1000 Гц і рівня звукового тиску 1 дБ.
Між рівнем гучності і рівнем звукового тиску існує певна залежність зображається у вигляді кривих рівної гучності (рис. 4.4), які показують порівняльну гучність звуку будь-якої частоти з равногромкім звуком частотою 1000 Гц.
Мал. 4.4. Криві рівної гучності для чистих тонів:
На рис. 4.4 видно, що для частоти 1000 Гц рівень гучності і рівень звукового тиску збігаються. Чим нижче частота, тим вище відмінність між величиною рівня гучності і рівня звукового тиску. Звідси випливає, що енергія низької частоти сприймається краще, ніж високою і навпаки. Чим вище рівень звукового тиску, тим менше здатність чути залежить від частоти звуку.
Слід зазначити, що шкала рівнів гучності не є натуральною шкалою, так як зміна рівня гучності в 2 рази не означає, що суб'єктивне сприйняття гучності звуку змінюється в стільки ж разів. У більшій частині чутного діапазону в цьому випадку спостерігається підвищення рівня звукового тиску приблизно на 10 дБ.
Для оцінки суб'єктивного сприйняття гучності звуку введена шкала сонов, чисельні значення яких визначаються за формулою
де - рівень гучності фону.
Гучністю, яка дорівнює в 1 сону, володіє звук з рівнем гучності, рівним 40 фонам. Формула (4.7) показує, що при збільшенні рівня гучності на 10 фонів гучність в сонах змінюється в 2 рази.
Між рівнями гучності (в фонах) і значеннями гучності (в сонах) існує залежність, показана на рис. 4.5, яка прийнята в якості міжнародного стандарту.
Рис.4.5. Залежність значень гучності (в сонах) і рівнями гучності (в фонах)
З фізіологічної точки зору звукові хвилі ділять на корисні звуки і шуми, що викликають подразнюючу дію на організм. Граничний рівень шуму, тривалий вплив якого не призводить до передчасного пошкодження органів слуху, дорівнює 80-90 дБ. Якщо ж рівень звукового тиску перевищує 90 дБ, то такий звуковий вплив поступово призводить до часткової або навіть повної глухоти. Впливаючи на центральну нервову систему, шуми послаблюють увагу робітників і сприяють збільшенню травматизму. Рівень звукового тиску величиною 134 дБ відноситься до больового порогу.