> Техника, страница 83 > Строительная акустика

Строительная акустика

Строительная акустика. Отдел прикладной акустики (смотрите), рассматривающий вопросы излучения, распространения и восприятия звука в закрытых помещениях и в структурных элементах зданий. С. а. ставит своей практической задачей: 1) получение наилучших условий излучения и приема звука в помещениях; 2) получение наилучшей изоляции помещений от проникновения в них звуков и сотрясений. Определения и термины см. Спр. ТЭ, т. X, стр. 388.

Акустика помещений. В закрытом помещении к слушателю доходят волны не только непо-*дП средственно от источника звука, но и отраженные от стен, потолка и η ₀ пола, причем все поверхности

Фигура 1.

отражают звук ча—i стично; известная доля его поглощается. Так как отраженные волны совершают от источника до слушателя больший путь, чем волны, идущие непосредственно, то отраженная волна запаздывает; поэтому начала и концы любых звуков (например двух слогов) в отраженной и прямой волне несколько сдвинуты во времени. Кроме того в момент одновременного звучания отраженная и прямая волна интерферируют: получаются усиленные или, наоборот, ослабленные колебания. Далее, отраженная от одной стены волна, доходя до противоположной стены, отражается вновь, и после этого второго отражения (еще несколько ослабленная вследствие поглощения) вновь доходит до слушателя, интерферируя с имеющимися около него первою и второю волнами, поскольку она с ними перекрывается во времени; такой процесс продолжается и далее: наступают третье, четвертое и т. д.

сти, практически до тех пор, пока ослабление волны вследствие отражений не дойдет до предела восприятия звука ухом. Вследствие этих последовательных отражений и запаздываний

; звук, доходящий до слушателя, значительно ис-i кажен. Определение допустимой меры этого ие-j кажения есть первая задача акустики помеще-¹ ний, причем а) допустимая мера искажений оказывается различной в зависимости от условий слушания (например музыки или речи) и от размеров помещения; б) полное устра

нение искажения оказывается нежелательным, и существует некоторая оптимальная мера искажения. Условия восприятия звука в по-мещении характеризуются: 1) запаздыванием " ^ и расплыванием

_ ^ звука вследствие

Фигура о. ^Х последовательных отражений (реверберация) и 2) неравномерностью распределения силы звука в помещении интерференций.

Реверберация. В точке А (фигура 1) н комнате находится источник звука, в точке В—слушатель; в известный момент времени источник начинает звучать. В услышит звук. спустя время — (с—скорость звука), нотрео-

! ное на прохождение расстояния АВ; затем кроме этого звука до него начнут доходить I несколько ослабленные поглощением звуковые ; волны, отраженные от стен MN и PQ. Волны эти дойдут согласно законам отражения, как если бы они исходили от фиктивного источника звука АН или АП¹, нахо-I дящегося за сте-! ною на“том же рас-

стоянии, на кото-! ром на самом деле находится источник звука перед стеною. Истинный путь звуковой волны (звуковой луч) показан на фигуре 1 ломаной линией АОВ. Далее; к слушателю придет звук от фиктивного источника AI, от Atv, затем наступят двойные отражения и т. д. (например ARSB), то есть если отвлечься от того обстоятельства, что звуковые волны в В не просто складываются, но интерферируют, то есть возможно не только усиление их, но и ослабление, то картина нарастания звука в В изобразится, как на фигуре 2. Время прихода звука от соответственного фиктивного источника отмечено буквами Α,Αΐ, ., а величи-I ны приходящих сил звука—буквами Е, £Д,.

I Нанесены только первые отражения: ради простоты чертежа не приняты во внимание отражения от пола и потолка, двойные, тройные и т. д. Мы видим нечто вроде лестницы, причем ступеньки ее имеют разную длину вследствие разных длин путей звуковых волн и уменьшающуюся со временем высоту вследствие постепенного удаления фиктивных источников от слушателя и поглощения при отражении. Если обозначить через а коэф. поглоще-I ния, то есть отношение поглощенной стеною энер-

гии к энергии звуковой волны, падающей на стену, то количество отраженной энергии есть под· У^пад. ^а^пад. ^п"д. ^погл. ПОСЛе одного отражения, B_mrdt(l — a)² после двух,

Е_пад.(1-аГ (1>

после m поглощений. Т. о. все происходит так, как если бы фиктивный источник, соответствующий волне с m отражениями, был в отношении (1 — а)^т слабее истинного. По этой причине среднее нарастание звука в помещении будет с течением времени замедляться; на фигуре 2 оно показано линией ОР. Рано или поздно установится стационарное состояние, характеризуемое асимптотой РР. *Если теперь источник звука (а с ним и все фиктивные источники) замолкнет, то начнется постепенное спадание звука (фигура 3). Вследствие большой скорости звука длины ступенек весьма быстро проходятся во времени, а потому не воспринимаются слушателем. Поэтому практич. значение имеет только сглаженная (пунктир на фигуре 2 и 3) кривая. На самом деле она вследствие интерференции имеет не совсем правильный вид.

На фигуре 4 изображена кривая затухания звука в одном помещений, полученная на опыте Мейером. Подъемы на этой кривой обусловлены интерференцией. Если в момент времени А (фигура 4) погасает одна из отраженных волн, вследствие интерференции уменьшавшая действие других волн, то с устранением ее образуется подъем энергии. Сделав допущения: 1) что звуковые волны в помещении располагаются настолько беспорядочн.о, что расчеты м. б. произведены по отношению к средним величинам статистич. методами; 2) что, если коэф. поглощения для различных поглощающих объектов различен,^-расчет вследствие беспорядочности явления можно вести по отношению к среднему коэфициенту поглощения а_п. Он определяется ф-лой

__ ^α1^1+^α2^2 -4-. 4- ^anS}l~l· Ql +СС2 4". 4__

. ^w 4- S3 ··· 4" Sn

_ ^^аг^г Есе ^г)

IS* ’ ^W

где S_t—площадь участка стены (пола, потол ка), имеющего коэф. поглощения а_г·, и щ — поглощение отдельных объектов (людей, стульев). Величина Σα^· + 2а_г* называется общим поглощением помещения. Расчеты приводят к ф-лам:

E_t=E₀( 1-е~^М) (3)

для нарастания энергии во времени при источнике звука, включенном в момент t=О,

E_t=Е„в ^М‘ (4)

для убывания звука при выключении источника в момент t=0. Коэф. к имеет по Эйрингу значение С¹]

_ъ fiS In (1 — а)

--у- >

где 8 == —полная поверхность помещения в м², V—его объём в ж³, β—нек-рый коэф., зависящий от формы помещения, от расположения источника звука и местонахождения слушателя и размещения абсорбирующих материалов. Для помещений Обычного типа,

где с — скорость звука. Если средний коэф. абсорбции—как в обычных помещениях—мал, то, разлагая логарифм в ряд и ограничиваясь первым членом, находим

= (5)

По почину В. Сэбина вычисляют время Т₉. в течение которого сила звука в помещении после выключения источника падает в миллион раз. Из ф-лы (4) имеем:

~=10^-в=e~^kt ·,

^0

6 _ 13,78 _ 0,161V lg ей h ^— aS

0,161V

ZaSi

(6)

T названо Сэбином временем реверберации и часто называется просто реверберацией («стандартной реверберацией» по Лившицу); оно характеризует скорость спадания и нарастания звука в помещении; само явление постепенного затухания звука в помещении часто неправильно называется резонансом; в настоящее время это явление обозначают термином реверберация. Ф-ла Сэбина (6) дает возможность заранее подсчитать время реверберации по известным: объёму V, коэфициентам абсорбции a_fи поверхностям $_г·. Опыт и теория показывают, что (6) годится для помещений обычного типа, пока коэ-фициенты абсорбции невелики и время реверберации не менее 0,5 ск. Для расчета помещений с меньшей реверберацией—«глухие» помещения — приходится брать к из формулы (5). В обычных помещениях время реверберации колеблется от 1 до 5—8 ск. Опыт показывает, что существует оптимальная реверберация для данного помещения, данного характера источника звука (речь, музыка и прочие) и при данном расположении слушателей и источника звука, несколько различная в зависимости от различия в этих условиях. При слишком «глухих» помещениях (реверберация менее 0,5—0,8 ск.) музыка и речь звучат «сухо», «мертво»; при слишком большой реверберации (3—5 ск.) помещение гудит, речь и музыка становятся неразборчивы вследствие наложения конца одного звука (слога, ноты) на начало другого. Это иллюстрируется фигура 5, в верхней части которой изображены три звука, каждый энергии Е_г, испускаемые источником звука в течение времени ί, один за другим; в нижней части рисунка изображен ход энергии во времени в том месте, где находится слушатель. Как видим, отдельные звуки перекрываются тем более, чем длиннее время реверберации. В. Кнуд-сен [²] в Америке установил оптимальную реверберацию для речи, определяя процент понятых слушателем слогов (т. н. а р т и к у л я-ц и ю); Ватсон [³] в Америке и Лившиц [⁴]

в Москве сделали то же для музыки. Оптимальная реверберация при разных объёмах по Кнуд-сену дана на фигуре 6. Данные о реверберации различных зал, назначенных для разного рода исполнения, см. Спр. ТЭ, т. X, стр. 39Э.

Для определения времени реверберации служат реверберометры. В состав прибора входят: 1) источник звука, 2) собственно реверберометр — прибор для регистрации или времени, в течение которого сила звука в помещении падает до известного предела, или записи кривой ослабления силы звука с течением времени, или наконец прибор для калиброванной компенсации ослабления звуковой энергии с течением времени. Сообразно с этим реверберометры разделяют на: хронографические, осцил-лографические, компенсационные. В реверберометрах хронографич. типа отмечается время момента выключения источника звука и момента ослабления силы, или громкости, звука до определенного предела. Простейший метод— наблюдение с секундомером, разделенным на 0,01 ск. [·]. Производятся два опыта: в одном измеряется время спадения звука с энергии Е_г до предела слышимости, во втором—то же. но для другой энергии Е₂₉ в известное число а раз большей. Согласно ф-лам (4) и (5) имеем:

Е_я=Е_хе~^М

Е_п=Еф~^Ы

где Е_л—энергия на пороге слышимости. Исключая Е_П9 находим к=lna(t₂ — £ι), а отсюда по (6) и Т. В другйх хронографич. реверберометрах [⁶] вместо предела слышимости используется тот или иной тип реле, автоматически отмечающего момент спадения силы электрич. тока до известного предела; приемником звука служит микрофон с усилителем, причем ал# плит} да звука пропорциональна силе тока. В осциллографии. реверберометрах записывается при помощи электрич. осциллографа спадение силы тока в приемном микрофоне. Такой реверберометр состоит из микрофона (обычно конденсаторного), усилителя, выпрямителя тока и осциллографа с фотографии, регистрацией. Результат регистрации приведен на фигуре 4. В компенсационных осциллографах [⁷] спадение выпрямленного тока приемного микрофона наблюдается параллельно со спадением тока разряда конденсатора через сопротивление, подобранное таким образом, чтобы оба процесса совпадали. Стоящий в мостике между ними гальванометр остается тогда неподвижным вследствие взаимной компенсации обоих токов; по размерам емкости и сопротивления вычисляется затухание электрич. контура, то есть равная ему константа к. Источником звука при опытах со всеми этими реверберометрами служит обычно громкоговоритель (ранее употреблялись органные трубы), питаемый генератором звукового тока, Вследствие необходимости устранить интерференции, которые весьма запутывают явление, давая весьма неправильные кривые реверберации, употребляют ток, частота которого периодически меняется со скоростью 10—20 раз в ск. на несколько десятков Hz, например 5124:25 Hz («воющий тон»), а кроме того иногда вращают громкоговоритель или приемный микрофон. Ранее определение реверберации производилось только для 512 Hz. Теперь ее изучают для возможно большего интервала частот, от 100 до 5 000—10 000 Hz [⁸]. При обычном способе заглушения помещений (занавески, мягкая мебель, публика) реверберация в низких частотах больше, чем в высоких, что в особенности нежелательно для музыкального исполнения. Если реверберация помещения не соответствует оптимальной, то помещение можно исправить, создав желательную реверберацию, добавляя или удаляя поглощающий звук материал. Зная коэф. погло щения af и выбрав подходящую площадь материала Si, можно по формуле (2) подобрать нужное для оптимальной реверберации полное поглощение. КоэфициеНДы поглощения различных материалов и объектов см. Спр« ТЭ, т. X, стр. 394—397.

Интерференция и направленно звука. Хотя реверберация и определяет в главных чертах акустические свойства помещения, однако не вполне. Особенно, в помещениях с большой реверберацией и большого объёма нередко обнаруживаются многообразные вредные явления интерференции и неравномерного распределения слышимости по помещению. Как пример такого помещения приведем актовый зал Фрей-бургстсого университета, весьма под-ло с-d робно исследованный. Гори-

Озонтальный и вертикальный разрезы его приведены на фигуре 7. Как видно по горизонтальному разрезу, звук, исходящий из О, приблизительно фокусируется в (У Фигура 7. ^гДе слышен даже легкий то пот, тогда как ближе к О передача значительно хуже. В том же зале наблюдаются многократные отражения, благодаря чему наблюдатель слышит несколько последовательных эхо. Явление подобного рода действует очень вредно на отчетливость восприятия речи и музыки. Для их исследования помещают в одной из точек зала громкоговоритель рупорного типа, обладающий болынор направленностью» звука (главная часть звуковой энергии идет но направлению оси рупора), и наблюдают места. наилучшей слышимости или непосредственно ухом или микрофоном. Другой способ использует запись на осциллографе звука, принимаемого микрофоном, причем громкоговоритель, дает прерывистый звук или даже заменен звуковым импульсом (выстрел из маленького а). Один из снимков подобного рода изображен на фигуре 8. Вверху изображены отрывоч-

Фигура 8.

ные звучания громкоговорителя в О, внизу прием микрофона в О; ось абсцисс изображает время. Как видим, звук повторяется у микрофона, два раза с почти одинаковой силой, третий рая слабее. На фигуре 8 изображено действие трех последовательных звучаний. Особенно заметны подобные явления в -больших соборах, где -время реверберации чрезвычайно велико. Это же явление чрезвычайно портит акустику Московского планетария. Для борьбы с ним определяют вышеописанным способом места стен, откуда образуются отражения, и или покрывают эти стены поглощающими звук материалами или завешивают занавесками. Подобного рода работы выполнялись в СССР С. Я. Лившицем (Государственный цирк в Москве).

При проектировании новых зданий можно изучать их акустич. свойства в смысле интерференций и вредной фокусировки звука, пользуясь моделями. Для опытов употребляют большую неглубокую ванну с водой или ртутью, в которой помещается согнутая по контурам изучаемого разреза здания жестяная бездонная коробка; в одном месте поверхности жидкости, где в здании предполагается оратор, производят толчок и следят за распространением, отражениями и фокусировкой волны. Этот и аналогичные способы известны уже давно и оказываются весьма полезными при проектировании концертных зал и аналогичных помещений. Улучшить передачу речи и музыки в гулких помещениях удается также, если помещать сзади источника звука отражающий экран. Особенно совершенный экран подобного рода был недавно построен Фоккером для Гаарлемского собора [⁹]. Надо помнить, что для звуковых волн законы столь хорошо известного оптич. отражения верны только в том случае, если размер экрана не мал по сравнению с длиной отражаемых им звуковых волн; явление отражения звука искажается диф-фракцией тем более сильно, чем больше длина звуковой волны.

Звукоизоляция помещений. В связи с прогрессивно усиливающимися городскими шумами вопросы звукоизоляции получили большее значение [¹⁰]. К этому еще прибавляется необходимость изоляции помещения от сотрясений, так как последние также велики в современном городе. Были исследованы размеры тех амплитуд сотрясений, ощущение которых еле воспринимается, а также тех, которые уже вызывают неприятное ощущение.

В нижеследующей таблице приведены примеры различных амплитуд:

Число колебаний в ск.

Амплитуда еле ощущаемых сотрясений, миллиметров.

Амплитуда болезненного сотрясения, миллиметров.

Числа эти у разных исследователей расходятся, но порядок их передается этой таблицей достаточно верно.

Звук проникает в помещение следующими путями: 1) через окна, двери, отверстия вентиляторов и щели (даже через весьма небольшие щели проходят _% весьма значительные количества звуковой энергии); 2) через колебания стен, пола и потолка как упругих пластинок. Прежде полагали, что звук проходит и через норы стен, но исследования последнего времени показали, что количествами звуковой энергии, проникающей подобным способом, можно пренебречь, исключая случаев занавесок и тому подобное. Звукоизолирующая способность (звукоизоляция) перегородки (стены, занавески и т. д.) определяется отношением падающего на перегородку потока звуковой энергии W_x к потоку энергии W₂, проходящему через перегородку при отсутствии отражения. Для получения звукоизоляции <у это отношение выражается в логарифмич. единицах при основании 10 и множится на 10, то есть составляется выражение:

<г=^1о1§!с

при отношении энергий, равном 100, сг — *20, что выражает: звукоизолирующая способ ность стены составляет 20 децибел. В этих единицах измерения звукоизолирующая способность однородных стен по работе Э. Мейе-

5	10	‘25
0,03	0,02	0,01
0 5	0,25	0,1

Фигура 9.

pa [^Х1] изображена на фигуре 9 в зависимости or логарифма веса w 1 м² стены (для стен из любого материала). Между lg w и а имеется пропорциональность; по этим данным можно оценить звукоизоляцию любой стены; полезно помнить, что при звукоизоляции в 60 децибел звук обычной речи падает до порога слышимости; звукоизоляция в 80 децибел делает неслышной музыку средней громкости.

Т. о.изоляция однослойной стены определяется только ее весом на 1м²; для двойных стен [¹²] с воздушной прослойкой в 4,5 сантиметров и 9 сантиметров и (нижняя кривая) простой стены результаты измерений даны на фигуре 10 в зависимости от а частоты колебаний:

70 ----ΓΎ— как видно, звуко изоляция двойной стены много выше, чем одиночной; увеличение воздушного зазора за пределы 5 сантиметров приносит не много пользы. Заполнение между -стенного промежут-

512 1024 2048 4096кг/^ ка КаКОЙ-НИбуДЬ :Щ~

сыпкой даже ухуд-^фиг* ¹⁰· шает изоляцию и особенно вредна засыпка щебнем. Данные о звукоизоляции различных стен см. Спр, ТЭ, т. X. стр. 391—394. Из других имеющих значение способов проникновения звука отметим распространение его по системе отопительных и во-

Исспед матери а.

/кИст звука

Фигура i 1.

допроводных труб.

Средство против этого —разделение системы на части вставкой полуметровых свинцовых труб. Для борьбы с проникновением звука через вентиляционные и иные воздушные ходы, последние покрываются звукопоглощающими материалами или снабжаются резкими расширениями и сужениями, являющимися местами отражения звука.

Для получения в помещении нужной реверберации возникает необходимость покрытия

Исследуекмсггериал СТвН ЗВукОПОГЛОШЦ-

ющимц материалами. Также изменяет реверберацию и простое внесение г» помещение звукопоглощающих материалов, наличие мягкой мебели, публики, особенно одетой в тецлые одежды и тому подобное. Как пример влияния мягкой мебели приводим таблицу Сэбина [^б] для изменения ре-верберации одной аудитории от внесения разного количества одинаковых мягких подушек. Чисто внесен. подушек. О 17 44 83 145 189 242

Реверберация. 5,61 4,91 4,21 3,49 2,85 2,36 2.22

Для того чтобы рассчитать по формуле (2) средний коэф. поглощения, необходимо знать значения а_1# а₂, а₃ для различных материалов. Методы определения их следующие. 1) М е т о ;г

Фиг. реверберации [⁴,⁵]. В помещение с боль-•оюй известной реверберацией (реверберационная камера) вносят и укладывают, например на пол, определенное количество м² исследуемого материала, вновь определяют реверберацию и по ф-лам (6) определяют коэф. поглощения. 2) Изучаемый материал помещают в конце широкой (30—70 см) длинной трубы (фигура 11) [V³], ►стоящим перед ее отверстием .источником звука возбуждают в ней стоячие волны и, перемещая микрофон (или иной звукоприемник) по длине трубы, находят отношение максимальной и минимальной амплитуд колебания в пучностях и узлах. Отсюда можно подсчитать коэф. звукопоглощения. 3) Помещают в фокусе па-· раболич. зеркала А источник звука (фигура 12)

так, чтобы на изучаемый материал падала плоская звуковая, волна, отражаемая им к приемнику, стоящему в фокусе В другого зеркала. По сравнению показаний приемника для абсолютно отражающего (например метал л ич. плита) и изучаемого материалов определяют коэф-т звукопоглощения[³]. Из подобных опытов определено, что коэф. звукопоглощения открытого окна практически равен 1, то есть окно совершенно не отражает падающей на него звуковой энергии. Различные обычные стены (кирпичная и оштукатуренная деревянная стена) имеют коэф. звукопоглощения 0,06—0,02, то есть являются почти совершенно отражающими. Ниже даются коэф-ты звукопоглощения для различных других поверхностей и объектов [^б].

Пробка на полу толщ. 2,5 см. 0Д6

Линолеум на полу.. о, 12

Тяжелый ковер.. 0,29

Занавес0,23

Волосяная подушка .. о,21

Публика (в среднем на 1 чел.). о,41

Мужчина (отдельно).. 0,48

Женщина » .. 0,54

Подрооные таблицы коэф-тов поглощения см. Спр. ТЭ, т. X, стр. 394—397. Для подушки и людей приведенные числа указывают, при каком коэф-те поглощения 1 м² фиктивного

материала дает то“же поглощение, что и каждый из этих предметов. Поглощение зависит от частоты поглощаемого звука, обычно увеличиваясь к высоким частотам. Для характеристики приведем фигура 13 [⁵], показывающую коэф. поглощения в зависимости от частоты для различного числа слоев войлока.

Лит.: *) Е у г i n g, «Journal of the Acoustical Society of America», 1930, v. 1, p. 21; ²) Knudsen, ibid“, 1931, y. 2, p. 434; з) WatsonT., Acoustics of Buildings, N.Y.,1923;*) Лифшиц С., Акустика зданий, Μ.—Л., 1931; ⁵) Sabine W., Collected Papers on Acoustics, Cambridge, Massachusetts, 1922; 6) Strutt, «Elek-trische Nachrichten-Technik», B., 1932, B. 9, p. 202; Meyer E., «Ztschr. f. tecbn. Phys.», Lpz., 1929, B. 10, p. 309; ⁷) Wente W. u. Bedell E., «Journal of the Acoustical Society of America», 1930, v. 1, p. 22; β) Hopper F., ibid., 1932, v. 3, p. 415; 9) Fokker A., «Arch, du Musee Teyler», Haarlem, 1930, t. 7, p. 73: ‘0) P ж e в к и н С., Методы изучения шумов, М.—M, 1933: и) Meyer E., «Z. d. YDI», 1931, B. 75, p. 563; ¹²) Sabine W., «Journal of the Acoustical Society of America», 1930, у. 1, p. 101; ¹³) Taylor, «The Physical Review», 1895, v. 2, p. 270; Лифшиц C.,

Курс архитектурной акустики, 2 изд., Μ., 1927; D a w i s A. a. Kay C., The Acoustics of Buildings, L., 1927; Echhardt a. Chrisler, «Bureau of Standards, Scientific Papers», Wsh., 1926, 526; Wente E. a. Bedell E., «The Bell System Technical Journal», 1926, v. 7, p. 1. H. Андреев.