PODRCZNIK FIZYKI BUDOWLI
mgr inż. Elżbieta Nowicka*
Podstawowe pojęcia i określenia
w akustyce budowlanej
dzwięk i jego parametry
Rodzaje fal dzwiękowych
W numerze wrześniowym miesięcznika Materiały
Budowlane (nr 9/07) w ramach Podręcznika Fizyki Budowli
Falą dzwiękową (akustyczną) nazywamy rozprzestrzeniają-
rozpoczęliśmy nowy cykl Akustyka w budownictwie .
ce się zaburzenie w ośrodku sprężystym bez zmiany średnie-
W inauguracyjnym artykule dr hab. inż. Barbary Szudrowicz
go położenia drgających cząstek. W ośrodku sprężystym,
Zakres zagadnień objętych nowym cyklem Akustyka w którym rozchodzi się fala, można wydzielić takie obszary,
w budownictwie omówiono rodzaje akustyki technicznej, w których drgania są zgodne w fazie i które są w danej chwili
zródła hałasu oraz osiem działów, które będą prezentowa- jednakowo odległe od zródła. Wyznaczają one czoło fali.
ne w kolejnych wydaniach miesięcznika Materiały Budow- W zależności od kształtu czoła wyróżnia się fale:
" kuliste czoło fali leży na powierzchni kuli współśrodko-
lane . W tym artykule omówimy zjawisko fizyczne, jakim
wej; w środku znajduje się punktowe zródło dzwięku;
jest dzwięk oraz parametry niezbędne do omówienia
" cylindryczne czoło fali leży na powierzchni cylindra
zagadnień technicznych związanych z ochroną przed
współosiowego; w osi znajduje się liniowe zródło dzwięku;
hałasem i drganiami w budynkach i ich otoczeniu.
" płaskie czoło leży na płaszczyznie prostopadłej do kie-
runku rozchodzenia się dzwięku; zródłem fali płaskiej jest
drgająca tłokowo powierzchnia.
Dzwięk i jego zródła
W praktyce, w dostatecznie dużej odległości od zródła
Dzwięk jest wrażeniem słuchowym powstałym na sku- dzwięku, wycinek kuli lub cylindra można traktować jako
tek pobudzenia narządu słuchu przez falę dzwiękową wycinek płaszczyzny i w związku z tym falę kulistą lub cylin-
(akustyczną). Fala akustyczna to drgania cząstek roz- dryczną jako falę płaską.
przestrzeniające się w powietrzu lub innym ośrodku W zależności od ośrodka rozprzestrzeniania się fali
sprężystym. Powoduje przemieszczanie zagęszczonych dzwiękowej wyróżnia się fale:
i rozrzedzonych obszarów ośrodka, w którym się rozprzes- powietrzne rozprzestrzeniające się w powietrzu lub
trzenia (rysunek 1). Fale akustyczne mogą być wytwarzane w innym gazie;
przez drgania mechaniczne lub turbulencję. W pierwszym materiałowe rozprzestrzeniające się wośrodku stałym
przypadku ruch cząsteczek ośrodka wywołany jest przez lub ciekłym. Fale materiałowe mogą stać się zródłem fal po-
znajdujący się w nim lub oddziałujący na niego dowolny ele- wietrznych i odwrotnie. Z takimi przypadkami bardzo często
ment drgający, w drugim drgania ośrodka spowodowane są mamy do czynienia w działaniach w zakresie ochrony prze-
zaburzeniami przepływającego strumienia gazu lub cieczy, ciwdzwiękowej w budynkach.
tworzeniem się wirów (ruch turbulencyjny). yródłem dzwię- W akustyce budowlanej wyróżnia się dodatkowo pojęcie
ku mogą być struny głosowe człowieka, instrumenty mu- dzwięki uderzeniowe. Powstają one pod wpływem ude-
zyczne, praca maszyn, różnego rodzaju instalacje i urzą- rzenia w strop podczas chodzenia, przesuwania mebli,
dzenia, przetworniki elektryczne (głośniki), środki transpor- toczenia przedmiotów i rozprzestrzeniają się w budynku
tu i komunikacji. w postaci dzwięków materiałowych, a następnie wypro-
mieniowane są do pomieszczenia i odbierane przez czło-
wieka jako dzwięki powietrzne. Definicja ta nie obejmuje
dzwięków materiałowych powstających np. w wyniku ude-
rzenia w przegrodę ścienną.
W zależności od kierunku drgań cząsteczek w stosun-
ku do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej wyróż-
niamy fale:
" podłużne kierunek drgań cząsteczek jest zgodny z kie-
runkiem rozprzestrzeniania się fali dzwiękowej;
" poprzeczne kierunek drgań cząsteczek jest prosto-
padły do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej.
Rys. 1. Propagacja fali akustycznej. Fala akustyczna powoduje
Wośrodku gazowym mogą rozprzestrzeniać się wyłącznie
przemieszczanie się zagęszczonych i rozrzedzonych obszarów
fale podłużne, w cieczach fale podłużne, a na ich powierzch-
środowiska
ni fale powierzchniowe, zbliżone do fal poprzecznych.
Wośrodku stałym mogą rozprzestrzeniać się fale podłużne,
poprzeczne oraz inne szczególne rodzaje fal, np. giętne,
* Instytut Techniki Budowlanej ścinające.
10 2007 (nr 422)
66
PODRCZNIK FIZYKI BUDOWLI
Prędkość rozchodzenia się fali dzwiękowej zależy od
Charakterystyka fali dzwiękowej
ośrodka i rodzaju fali. W powietrzu (fale podłużne) nie-
Falę dzwiękową charakteryzuje: częstotliwość, długość znacznie zmienia się wraz ze zmianą temperatury, ciśnienia
i prędkość rozchodzenia się. Wielkości te są związane zależ- atmosferycznego lub innych czynników, jak: wilgotność,
nością: mgła, zadymienie. W obliczeniach akustycznych przyjmuje
się prędkość dzwięku w powietrzu c0 = 340 345 m/s.
c
= = Tc [m] Prędkość rozchodzenia się dzwięku w ciałach stałych
f
zależy od rodzaju fali akustycznej, rodzaju materiału, tzn.
gdzie: jego gęstości objętościowej i modułu sprężystości, a w przy-
długość fali dzwiękowej [m]; padku ośrodków skończonych także od ich kształtu (np. pręt,
c prędkość dzwięku [m/s]; płyta). W przypadku fal giętnych zależy także od częstotli-
f częstotliwość dzwięku [Hz]; wości dzwięku powodującego powstawanie fali w płycie.
T okres drgań [s]. Wzory określające prędkość rozchodzenia się dzwięku
Na rysunku 2 przedstawiono zależność między długością w ośrodku stałym podane są w literaturze specjalistycznej.
fali a jej częstotliwością. Prędkość rozchodzenia się dzwięku (fal podłużnych) w cia-
łach stałych jest znacznie większa niż w powietrzu, np. w alu-
minium cl E" 4700 m/s, szkle cl E" 5200 m/s, betonie zwykłym
gęstości ok. 2300 kg/m3 cl E" 4000 m/s, ceramice zwykłej gęs-
tości ok.1800 kg/m3 cl E" 3600 m/s, ołowiu cl E" 1300 m/s.
Falę akustyczną charakteryzuje także wartość ciśnienia
akustycznego, które zmienia się w funkcji czasu (rysunek 4).
W związku z tym operuje się pojęciem wartości szczytowej
ciśnienia (PEAK) oraz wartości skutecznej (RMS), które
wyraża zależność:
Rys. 2. Zależność między długością fali a jej częstotliwością
1
ARMS = APEAK H" 0,707APEAK
2
Częstotliwość fali dzwiękowej f to liczba okresów drgań
wciągu sekundy. Od niej zależy wysokość tonu. Im większa
jest częstotliwość dzwięku, tym większa jego wysokość.
Długość fali dzwiękowej to odległość, jaką przebywa
fala akustyczna w czasie jednego okresu drgań. Od jej dłu-
gości zależy charakter wielu zjawisk akustycznych, np. ugię-
cie fali. Ze względu na częstotliwość i długość fali akus-
tycznej dzwięki występujące w przyrodzie dzieli się na
(rysunek 3):
" infradzwięki o częstotliwości 1 20 Hz i długości fali
w powietrzu > 17 m;
" dzwięki słyszalne o częstotliwości 20 20 000 Hz
i długości fali w powietrzu 1,7 cm d" d" 17 m;
" ultradzwięki o częstotliwości większej od 20000 Hz
Rys. 4. Graficzny obraz fali akustycznej zmiana ciśnienia akus-
i długości < 1,7 cm.
tycznego w funkcji czasu. Zależność między wartościami: szczy-
Uwaga: graniczne częstotliwości określające podział na
towÄ… PEAK a skutecznÄ… RMS
infradzwięki, dzwięki słyszalne i ultradzwięki są umowne;
niektórzy przyjmują wartości tych częstotliwości nieco róż- Ciśnienie dzwięku w powietrzu, tzw. ciśnienie akustycz-
niące się od podanych (zakres częstotliwości słyszalnych ne p, to różnica między chwilową wartością ciśnienia powsta-
przez konkretnego osobnika może się różnić od podanego). łego w danym punkcie pola pod działaniem fal akustycznych
a wartością ciśnienia statycznego (atmosferycznego). Ciśnie-
nie akustyczne wyraża się w paskalach (Pa). Ciśnienie akus-
tyczne dzwięków słyszalnych zawiera się w przedziale
0,00002 100 000 Pa i w związku z tym, ze względów prak-
tycznych i psychoakustycznych, uznano za bardziej odpowied-
nie stosowanie poziomów ciśnienia akustycznego w dB.
Poziom ciśnienia akustycznego Lp jest to względna mia-
ra ciśnienia akustycznego wyrażona wzorem:
p2
Lp = 10log [dB]
2
p0
gdzie:
p ciśnienie akustyczne [Pa];
Rys. 3. Zakresy częstotliwości infra- i ultradzwięków oraz zakre-
su słyszalnego p0 ciśnienie akustyczne odniesienia, p0 = 2 x 10-5 Pa.
10 2007 (nr 422)
67
PODRCZNIK FIZYKI BUDOWLI
Przyjęte ciśnienie odniesienia odpowiada progowi słyszal- Do rozkładu fal złożonych na proste fale sinusoidalne słu-
ności ucha ludzkiego dla dzwięków o częstotliwości 1000 Hz. żą filtry akustyczne lub elektroniczne. Falę sinusoidalną
Zależność między ciśnieniem dzwięku a poziomem ciśnienia o najniższej częstotliwości nazywamy składową podstawo-
dzwięku przedstawiono na rysunku 5. wą, falę o częstotliwości dwa razy większej drugą harmo-
niczną, a falę o częstotliwości trzy razy większej trzecią
harmonicznÄ… itd.
Moc akustyczna i sumowanie poziomów
ciśnienia akustycznego
yródłem energii akustycznej jest każde ciało drgające
znajdujące się w ośrodku sprężystym. Ilość energii, jaką
zródło dzwięku wysyła w jednostce czasu, nazywamy
mocą akustyczną zródła P i wyrażamy w watach.
W związku z tym, że rozpiętość mocy zródeł spotykanych
w praktyce jest bardzo duża (moc akustyczna szeptu wyno-
si 10-9 W, natomiast samolotu odrzutowego 107 W), w obli-
Rys. 5. Zależność między ciśnieniem dzwięku p a poziomem ciś-
czeniach stosuje się pojęcie poziomu mocy akustycznej
nienia dzwiÄ™ku Lp (na podstawie materiałów firmy Brüel-Kjaer)
LW wyrażonej wzorem:
P
LW = 10log [dB]
Widmo dzwięku
P0
Fale dzwiękowe przenoszące mowę, muzykę i wszelkiego gdzie:
rodzaju inne sygnały akustyczne różnią się od prostych fal P moc akustyczna zródła [W];
sinusoidalnych, są to bowiem dzwięki złożone. Niezależnie P0 moc akustyczna odniesienia, W0 = 10 12 [W].
jednak od stopnia skomplikowania można je rozłożyć na W przypadku, gdy do danego punktu obserwacji docierają
składowe sinusoidalne. Dzwięk występujący w praktyce dzwięki z różnych zródeł, ciśnienie akustyczne w tym punkcie
przedstawia się w postaci widma dzwięku (zamiast fali sinu- jest sumą ciśnień akustycznych pochodzących od tych
soidalnej), zmieniając w odniesieniu do danego momentu zródeł. Poziom sumarycznego ciśnienia akustycznego można
czasowego skalę wykresu z czasowej na częstotliwościową przedstawić w postaci:
2
(rysunek 6). Składowe częstotliwościowe dzwięku najczęś-
p1 + p2 +...+pn
()
ciej przedstawia siÄ™ w skali logarytmicznej dla pasm okta-
Lp = 10log [dB]
2
p0
wowych, tzn. pasm, w których górna częstotliwość jest
2-krotnie większa od dolnej lub dla pasm tercjowych, czyli gdzie:
1/3-oktawowych (rysunek 7). Zakres częstotliwości słyszal- p1, p2 & , pn ciśnienie akustyczne wielu zródeł dzwięku [Pa];
nych obejmuje następujące środkowe częstotliwości pasm p0 ciśnienie akustyczne odniesienia, p0 = 2 x 10-5 [Pa].
oktawowych: 31,5; 63; 125; 250; 250; 500; 1000; 2000; Wzór ten można przedstawić w postaci:
4000; 8000; 16000 Hz.
p1 p2 pn
Lp = 10log(100,1L + 100,1L + ... + 100,1L ) [dB]
gdzie:
Lp1, Lp2, & , Lpn poziomy ciśnienia akustycznego wielu
zródeł dzwięku [dB].
Przykładowo, jeżeli w danym punkcie obserwacji znane są
poziomy ciśnienia akustycznego pochodzącego od dwóch
identycznych zródeł dzwięku (Lp1 = Lp2 = 50 dB), to sumarycz-
ny poziom ciśnienia akustycznego wyniesie:
Rys. 6. Przykład zmiany skali z czasowej na częstotliwościową dla Lp = Lp1 + 3 dB = 53 dB
prostej fali sinusoidalnej oraz dzwięku złożonego
W przypadku, gdy do danego punktu obserwacji dzwięk
dociera z kilku zródeł i poziomy ciśnienia akustycznego
poszczególnych zródeł są takie same, to:
Lp = Lp1 + 10logN
gdzie:
Lp1 poziom ciśnienia akustycznego, przy czym
Lp1 = Lp2 = & = LpN [dB];
N ilość identycznych zródeł dzwięku.
Rys. 7. Pasma oktawowe oraz tercjowe
10 2007 (nr 422)
68
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Słowniczek budowlany podstawowe pojęcia z zakresu prawa budowlanego KPB 140 listopad 20091 podstawowe pojecia zwiazane z ekologia469 W02 SKiTI wprowadzenie podstawowe pojeciaMateriały do terminologii więźb dachowych podstawowe pojęcia, cz 101 podstawowe pojeciaPosługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu obróbki plastycznejMES JCh MM WW OKnO w01 podstawowe pojeciaTECHNOLOGIA BETONU Podstawowe pojęcia3 Podstawowe pojęcia z teorii informacji02 Podstawowe pojęcia metrologiiABu WSG PLog W1 PODSTAWOWE POJĘCIA I ZALEŻNOŚCIpodstawowe pojecia klimatycznePodstawowe pojecia i wzory w cieplownictwie4 Interpretacja modelu i jego parametrówwięcej podobnych podstron