„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Marzena Borowska
Określanie właściwości akustycznych różnych pomieszczeń
313[06].O1.04
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
mgr inż. Marcin Makowski
mgr inż. Paweł Pirosz
Opracowanie redakcyjne:
mgr Marzena Borowska
Konsultacja:
mgr inż. Joanna Stępień
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 313[06].O1.04
Określanie właściwości akustycznych różnych pomieszczeń, zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu asystent operatora dźwięku.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie
3
2. Wymagania wstępne
4
3. Cele kształcenia
5
4. Materiał nauczania
6
4.1. Fale, drgania i dźwięki
6
4.1.1. Materiał nauczania
6
4.1.2. Pytania sprawdzające
16
4.1.3. Ćwiczenia
17
4.1.4. Sprawdzian postępów
18
4.2. Mechanizm słyszenia
19
4.2.1. Materiał nauczania
19
4.2.2. Pytania sprawdzające
23
4.2.3. Ćwiczenia
24
4.2.4. Sprawdzian postępów
25
4.3. Zjawiska akustyczne
26
4.3.1. Materiał nauczania
26
4.3.2. Pytania sprawdzające
31
4.3.3. Ćwiczenia
31
4.3.4. Sprawdzian postępów
32
4.4. Właściwości akustyczne materiałów
33
4.4.1. Materiał nauczania
33
4.4.2. Pytania sprawdzające
41
4.4.3. Ćwiczenia
41
4.4.4. Sprawdzian postępów
43
4.5. Projektowanie pomieszczeń o określonych wymaganiach akustycznych
44
4.5.1. Materiał nauczania
44
4.5.2. Pytania sprawdzające
53
4.5.3. Ćwiczenia
53
4.5.4. Sprawdzian postępów
55
5. Sprawdzian osiągnięć
56
6. Literatura
61
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1.
WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w rozwijaniu umiejętności określania właściwości
akustycznych różnych pomieszczeń.
W poradniku zamieszczono:
–
wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
–
cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
–
materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
–
zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści,
–
ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
–
sprawdzian postępów,
–
sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Pozytywny wynik testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,
–
literaturę.
Schemat układu jednostek modułowych
313[06].O1.03
Rozpoznawanie
trendów muzycznych
313[06].O1.05
Rozpoznawanie instrumentów
muzycznych
313[06].O1
Podstawy zawodu
313[06].O1.04
Określanie właściwości
akustycznych różnych
pomieszczeń
313[06].O1.07
Stosowanie urządzeń
elektrycznych i sprzętu
dźwiękowego
313[06].O1.02
Analizowanie rynku mediów
w Polsce i na świecie
313[06].O1.01
Stosowanie przepisów bezpieczeństwa
i higieny pracy, ochrony
przeciwpożarowej oraz ochrony
środowiska
313[06].O1.06
Doskonalenie dykcji
i fonetyki
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
2.
WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
przestrzegać zasad bezpieczeństwa i higieny pracy,
−
posługiwać się wartościami nut,
−
wykonywać działania matematyczne, typu dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie,
rozwiązywanie równań, logarytmy, pierwiastki,
−
przeliczać miary czasu, długości i ciężkości,
−
rozróżnić podstawowe jednostki w układzie SI,
−
posługiwać się podstawową terminologią stosowaną w muzyce i akustyce,
−
zidentyfikować podstawowe prawa i zasady akustyki mające wpływ na powstawanie
zjawisk akustycznych,
−
stosować zasady etyki zawodowej,
−
korzystać z komputera w stopniu podstawowym,
−
organizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
−
korzystać z różnych źródeł informacji.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
3.
CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
scharakteryzować zasady powstawania, źródła oraz cechy fal, drgań i dźwięków,
−
określić wielkości charakteryzujące fale, drgania i dźwięki,
−
zdefiniować pojęcia: szumy, hałasy,
−
określić wpływ środowiska na przebieg fal dźwiękowych,
−
wyjaśnić budowę i działanie ludzkiego ucha,
−
zdefiniować pojęcia: słuch relatywny i absolutny, obszar słyszalności, alikwoty i tony
kombinacyjne, konsonanse i dysonanse,
−
posłużyć się pojęciami dotyczącymi akustyki wnętrz,
−
rozróżnić rodzaje pomieszczeń pod względem właściwości akustycznych,
−
scharakteryzować zjawiska fizyczne występujące w akustyce wnętrz,
−
określić podstawowe właściwości akustyczne pomieszczeń,
−
sklasyfikować materiały pod względem właściwości akustycznych i izolacyjnych,
−
określić izolacyjne, pochłaniające, odbijające i rozpraszające właściwości materiałów,
−
wyjaśnić zasady projektowania pomieszczeń o określonych wymaganiach akustycznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
4.
MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1.
Fale, drgania, dźwięki
4.1.1.
Materiał nauczania
Fala akustyczna [6] to podłużna fala zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka sprężystego, która
może rozchodzić się w ciałach stałych, ciekłych i gazowych. Fale dźwiękowe obejmują
pasmo częstotliwości od 16 do 20kHz (słyszalne dla człowieka). Fale o częstotliwościach
drgań niższych niż 16Hz są to infradźwięki, zaś fale o częstotliwości drgań wyższych niż
20000Hz nazywane są ultradźwiękami. Zarówno infra-, jak i ultradźwięki są dla człowieka
niesłyszalne.
Źródłami fal dźwiękowych mogą być pobudzone do drgań ciała stałe, np. struny gitary,
ludzkie struny głosowe, bęben lub membrana głośnika; drgające ciecze, np. fale morskie;
drgające słupy powietrza, np. w piszczałkach organów lub instrumentach dętych. Fale
dźwiękowe nie rozchodzą się w próżni.
Rys. 1. Mechanizm rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu [6]
Drgania membrany [6] zamykającej długą rurę powodują na przemian zagęszczanie
i rozrzedzanie warstw zawartego w niej powietrza, nadając jego cząsteczkom ruch
oscylacyjny do przodu i do tyłu.
Wpływ środowiska na przebieg fal dźwiękowych
Prędkość dźwięku w danym ośrodku zależy od różnych czynników np. od naprężeń
i gęstości w przypadku ciał stałych, od temperatury w przypadku gazów i cieczy. W stałych
warunkach prędkości dźwięku w różnych ośrodkach są w miarę stabilne i określone.
Prędkości dźwięku dla kilku ośrodków w warunkach normalnych (temperatura 20°C,
ciśnienie normalne 101325 Pa) wynoszą: stal – 5100 m/s, beton – 3800 m/s, woda – 1490
m/s, powietrze – 343 m/s. Z przedstawionych danych wynika, że fale dźwięku znacznie
szybciej rozchodzą się w środowisku takim jak wodza i ciała stałe niż w powietrzu.
Prędkość dźwięku w powietrzu (a także ogólnie w gazach) wyraźnie zależy od jego
temperatury. Im większa jest temperatura powietrza, tym szybciej poruszają się jego
cząsteczki i tym większa jest prędkość dźwięku.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
W typowych warunkach, jakie występują na co dzień w atmosferze ziemskiej, zmiana
temperatury powietrza o 10ºC spowoduje zmianę prędkości dźwięku o ok. 5 m/s.
Prędkość dźwięku [2] w ciałach stałych zależy w znacznym stopniu od naprężeń. Naciągając
silniej strunę można uzyskać zwiększenie prędkości rozchodzenia się dźwięku,
a w konsekwencji podwyższenie tonu jej drgań swobodnych. Drobne elementy struny będą
poruszały się w kierunku poprzecznym, czyli prostopadle do kierunku przemieszczania się fal
wzdłuż struny. W przypadku dźwięków rozchodzących się w ośrodku gazowym,
np. w powietrzu, cząstki powietrza poruszają się w kierunku przemieszczania się dźwięku.
Tego typu fale nazywają się falami podłużnymi.
Prędkość harmonicznych fal dźwiękowych można powiązać z długością fali dźwiękowej, oraz
jej częstotliwością f, lub okresem T.
v = λ f
v – prędkość fali (dokładniej tzw. prędkość fazowa) dźwiękowej w danym ośrodku (jednostka
w układzie SI – m/s)
T – okres fali (jednostka w układzie SI: sekunda – s)
λ – długość fali dźwiękowej (jednostka w układzie SI: metr – m)
W przypadku, gdy źródło fal porusza się z prędkością przekraczającą prędkość
rozchodzenia się fali dźwiękowej, powstaje tzw. fala uderzeniowa. Stosunek prędkości
przekraczającej prędkość dźwięku do prędkości dźwięku to tzw. liczba Macha; która wyraża,
ile razy prędkość ciała (np. samolotu) jest większa od prędkości fali dźwiękowej w powietrzu.
Dla celów orientacyjnych przyjęto, że prędkość dźwięku w środowisku normalnym wynosi
około 1220km/h (1Mach). Im większa jest intensywność wibracji tym wyższa jest amplituda
szczytowa, a co za tym idzie głośniejszy jest dźwięk. Jedna fala oznacza jedno pełne drganie
określane mianem cyklu.
Amplituda
Amplituda [2] to wysokość fal. Wielkość amplitudy fali ma bezpośredni wpływ na
głośność, na wrażenie głośności, jakie odbiera ucho. Czułość ludzkiego słuchu zmienia się
w miarę zwiększania lub zmniejszania częstotliwości dźwięku. Dźwięki od 2kHz do 4kHz, są
odbierane najsilniej przez ludzkie ucho.
Częstotliwość
Wartości częstotliwości [2] określa jednostka zwana Hertzem. Jeden Hertz stanowi jeden
pełen cykl w ruchu falowym, czyli od jednego szczytu do następnego szczytu fali.
Charakterystyczną cechą drgań jest ich okres. Ilość takich drgań (okresów) zachodzących
w ciągu sekundy określana jest w okresach na sekundę i dlatego jedno drgnięcie (okres)
w ciągu jednej sekundy określane jest jako 1Hz (Hertz). Przykładowo – 1000 drgań w ciągu
1 sekundy to 1000Hz, a ilość drgań w ciągu jednej sekundy oznacza częstotliwość (wysokość)
danego dźwięku.
Dźwięki
Dźwięk [1, 2] jest to zaburzenie falowe ośrodka sprężystego. Owo zaburzenie wywołuje
drgania słyszalne przez człowieka o normalnym słuchu. Dźwiękiem odbieranym przez
ludzkie ucho jest zjawisko drgania cząstek powietrza w zakresie częstotliwości od 16Hz do
20kHz. Dźwięki mogą być pożądane (głos, muzyka) i niepożądane (hałas, szumy). Dźwięk
może być przedstawiony, jako zaburzenie będące funkcją czasu i może mieć ono różny
kształt.
W praktyce muzycznej zakres dźwięków dzieli się na oktawy. Oktawa jest to odległość
pomiędzy dwoma dźwiękami, z których jeden ma 2 razy wyższą częstotliwość drgań od
drugiego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
Subiektywne cechy dźwięku
−
wysokość – zależy od częstotliwości drgań źródła; dźwięki o wyższej częstotliwości
słyszalne są jako wyższe,
−
barwa (brzmienie) – cecha charakterystyczna danego źródła dźwięku, pozwalająca
określić, co wydaje dźwięk,
−
głośność (siła brzmienia) – wrażenie słuchowe uzależnione również od częstotliwości
dźwięku; głośność jest wyrażana w fonach.
Obiektywne wielkości charakteryzujące dźwięk
−
prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej – zależy od właściwości fizycznych ośrodka,
długość fali dźwiękowej – w powietrzu jej długość wynosi od 1,7cm do 2m,
−
ciśnienie akustyczne – dodatkowe ciśnienie ponad ciśnienie równowagi ośrodka
wywołane rozchodzeniem się fali dźwiękowej L = 20lg(P/P
0
),
−
częstotliwość – liczba okresów drgań przypadająca na 1s,
−
natężenie – stosunek energii przechodzącej w jednostce czasu, czyli mocy akustycznej do
pola powierzchni ustawionej prostopadle do kierunku rozchodzenia się dźwięku.
Cechy określające dźwięk
−
ton – dźwięk wytwarzany przez źródło drgające ruchem harmonicznym,
−
echo – fala dźwiękowa odbita od przeszkody,
−
dudnienie – zjawisko okresowej zmiany amplitudy w wyniku nakładania się fal o mało
różniących się częstotliwościach,
−
rezonans – polega na pobudzaniu do drgań drugiego ciała o tej samej częstotliwości
drgań własnych.
Do określania wartości subiektywnych poziomu dźwięku w decybelach (dB), a także do
określania poziomu hałasu służy miernik poziomu dźwięku, który składa się z mikrofonu,
zwykle pojemnościowego, przedwzmacniacza mikrofonowego, analizatora częstotliwości
(filtry tercjowe i oktawowe), wzmacniacza pomiarowego, detektora wartości skutecznej
RMS, wskaźnika wyników, zaopatrzony jest w krzywe korekcyjne, np. pamięć, wskaźnik
przesterowań, moduł analizy, zapis i odczyt danych, itp.
Rys. 2. Miernik poziomu dźwięku firmy Brüel & Kjær [10]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
Rys. 3. Podział dźwięków w zależności od częstotliwości [3]
Wysokość dźwięku
Ucho ludzkie [3] posiada wrażliwość, która umożliwia rozróżnienie wysokości dźwięku.
Fizyczną miarą wysokości dźwięku jest częstotliwość fali dźwiękowej – im dźwięk jest
wyższy, tym wyższa jest jego częstotliwość.
Rys. 4. Wysokość dźwięku [3]
Pomiarów wysokości dźwięku [6] dokonuje się przy pomocy analizatora dźwięków,
który składa się z mikrofonu i lampy oscyloskopowej. Przyrząd ten przekształca odbieraną
falę dźwiękową w wykres drgań. Dźwięki o jednakowej wysokości wydawane przez różne
źródła wywołują odmienne wrażenia słuchowe. Różnice te spowodowane są
charakterystycznym dla danego źródła dźwięku nakładaniem się na podstawowe drgania
harmoniczne drgań harmonicznych o większych częstotliwościach, czyli barwą dźwięku.
Dźwięki o jednakowej wysokości, lecz różnej barwie różnią się kształtem krzywej drgań.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
Rys. 5. Krzywa drgań dźwięków o jednakowej wysokości, ale złożonej barwie [6]
Dźwięki [6] wytwarzane przez źródła drgające ruchem harmonicznym, których wykres
drgań ma kształt sinusoidy, nazywają się tonami. Miarą intensywności dźwięku jest jego
natężenie. Natężenie dźwięku to stosunek energii docierającej w jednostce czasu do danej
powierzchni, czyli mocy, do pola tej powierzchni Natężenie dźwięku wyraża się mocą
akustyczną przypadającą na jednostkę powierzchni 1m
2
, prostopadłą do kierunku
rozchodzenia się fali dźwiękowej. Oblicza się je według wzoru:
S
A
P
I
=
[W/m
2
]
I – natężenie fali [W/m
2
],
P
A
– moc akustyczna [W],
S – pole powierzchni (powierzchnia czynna) [m
2
].
Badania wykazały, iż natężenie dźwięku o stałej częstotliwości jest proporcjonalne do
kwadratu amplitudy, dlatego dźwięki słabe różnią się od silnych przede wszystkim mniejszą
amplitudą fali [6].
Rys. 6. Amplituda fali dźwięku silnego i słabego [6]
Miarą czułości ucha ludzkiego [3] jest próg słyszalności, czyli najmniejsze, wyczuwalne
natężenie dźwięku. Największa czułość odpowiada drganiom o częstotliwości od 2000Hz do
4000Hz (2 – 4kHz).
Dźwięki o bardzo dużym natężeniu wywołują w uchu wrażenie ucisku, a nawet bólu,
przy czym maksymalne natężenie dźwięku, po przekroczeniu którego powstają te wrażenia,
nosi nazwę progu bólu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
Czułość ucha ludzkiego zmienia się w zależności od natężenia słyszanych dźwięków
i z tego względu, dla lepszej oceny odbieranych subiektywnych wrażeń słuchowych
wprowadzono w akustyce pojęcie głośności. Miarą głośności Λ jest logarytm dziesiętnych
stosunku natężenia I badanego dźwięku do natężenia dźwięku, odpowiadającego progowi
słyszalności. Jednostką głośności jest bel. Ucho ludzkie ma ograniczoną czułość i dlatego też
wprowadzono pojęcie poziomu natężenia dźwięku wyrażanego następującą zależnością:
0
I
I
L
=
I – natężenie dźwięku [W/m
2
],
I
0
– natężenie odniesienia [W/m
2
].
W praktyce do obliczania natężenia dźwięku stosuje się jednak inną zależność,
uwzględniającą rzeczywiste charakterystyki wrażenia słuchowego:
0
lg
I
I
L
=
[dB]
I
0
=10
-12
[W/m
2
], przy f = 1000Hz
Zastosowanie logarytmu dziesiętnego odpowiada w większym stopniu wrażeniom
słuchowym odczuwanym przez człowieka. Jednostką podstawową poziomu natężenia
dźwięku jest bel [B], ale w praktyce stosowana jest dziesięć razy mniejsza jednostka zwana
decybelem [dB].
poziom mocy akustycznej :
0
lg
10
P
P
L
=
[dB]
poziom ciśnienia akustycznego:
0
lg
20
p
p
L
=
[db]
poziom prędkości akustycznej:
0
lg
20
V
A
V
L
=
[dB]
Prędkość fali dźwiękowej określa zależność:
o
q
k
s
p
c
⋅
=
[m/s]
s
p – ciśnienie statyczne [Pa],
k – współczynnik cieplny,
o
q – średnia gęstość ośrodka [kg/m
3
].
Częstotliwość drgań określa ilość okresów przypadających na jedną sekundę i wyraża się
zależnością:
T
f
1
=
[Hz]
T – okres drgań [s].
Długość fali dźwiękowej określa następująca zależność:
f
c
=
λ
[m]
c – prędkość dźwięku [m/s],
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
f
– częstotliwość drgań [Hz].
Prędkość akustyczna jest to drganie cząsteczki ośrodka w polu fali dźwiękowej i zależy
od wartości tonu (jest o tyle większa, o ile jest wyższy i głośniejszy ton). W przypadku
przebiegu okresowego, sinusoidalnego można ją wyznaczyć według wzoru:
t
A
V
t
A
V
ω
cos
max
)
(
⋅
=
[m/s]
A
V – prędkość akustyczna,
max
A
V
– prędkość akustyczna maksymalna.
Moc akustyczna źródła dźwięku jest iloczynem natężenia dźwięku przez powierzchnię,
przez którą przepływa fala dźwiękowa. Zależność taką zapisuje się według wzoru:
S
I
A
P
⋅
=
[W]
I – natężenie dźwięku [W/m
2
],
S – powierzchnia [m
2
].
Ciśnienie akustyczne [5] (Rys. 7) jest to różnica pomiędzy ciśnieniem istniejącym
w ośrodku, w danej chwili, a ciśnieniem atmosferycznym. Ciśnienie akustyczne wywołane
jest drganiami fali akustycznej. Wartość ciśnienia akustycznego zależy od odległości źródła
dźwięku i jest ono tym większe, im jest do niego bliżej. Wyznacza się je z wzoru:
A
c
A
V
A
p
R
⋅
⋅
=
[Pa]
V
A
– prędkość akustyczna [m/s],
c – prędkość dźwięku [m/s],
R
A
– rezystywność akustyczna ośrodka [Pa*s/m].
Rys. 7. Oznaczenie ciśnienia fali dźwiękowej [5]
Na rysunku zwiększone ciśnienie zaznaczone jest dłuższymi odcinkami, normalne –
średnimi, a zmniejszone — krótszymi (wystawionymi w odpowiednich punktach) i gdy
końce odcinków połączy się, to otrzymana linia krzywa przypomina pofalowaną
powierzchnię morza. Przy wykresach fal dźwiękowych można używać nazw takich jak:
wypukłości – grzbiety fal i wklęsłości – doliny fal. Punkty A i B oznaczają grzbiety, a punkty
a, b – doliny fali dźwiękowej. Cienka linia oznacza ,,poziom spokoju”, gdyż przedstawia on
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
taki stan, przy którym panuje cisza: ciśnienie powietrza ma wciąż normalną wartość, nie
zwiększa się, ani nie zmniejsza.
Źródła fal dźwiękowych
Źródłem dźwięku [6] może być ciało wykonujące drgania, np. struna, pręt. Ucho ludzkie
odbiera wrażenia dźwięku słyszalnego, kiedy częstotliwość drgań źródła zawiera się
w przedziale od 16Hz do 20000Hz.
Drgania strun
Rys. 8. Drgania strun [6]
Napięta struna [6] zamocowana na obydwu końcach jest pobudzona do drgań i na skutek
odbicia się od drugiego zamocowanego końca powstanie fala stojąca, której węzły
odpowiadają punktom zamocowania struny. Drgania struny wytwarzają w otaczającym ją
powietrzu falę dźwiękową o określonej długości, równej podwojonej długości struny, a tym
samym o określonej częstotliwości, zwanej częstotliwością podstawową. Drgająca struna
może też wytworzyć fale stojące o innych częstotliwościach, ale ich węzły muszą znajdować
się w punktach zamocowania struny. Pobudzona do drgań struna drga nie tylko
z częstotliwością podstawową, ale też z wieloma wyższymi częstotliwościami składowymi
o różnych amplitudach. Drgania te nakładając się tworzą dźwięk o charakterystycznej barwie,
zależnej od liczby i amplitud fal o częstotliwościach składowych.
Drgania pręta
1)
zamocowanego w jednym końcu
Rys. 9. Drgania pręta zamocowanego w jednym końcu [6]
Jeżeli pręt [6] zamocowany w jednym końcu zostanie pobudzony, wówczas spowoduje to
powstanie fali stojącej. W punkcie zamocowania pręta powstaje węzeł fali, a na jego końcu
strzałka, czyli długość pręta odpowiada jednej czwartej części długości fali. W pręcie tym
mogą być też wzbudzone fale stojące o mniejszej długości, ale długość pręta musi
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
odpowiadać ściśle nieparzystej liczbie ćwiartek fali. Przykładem źródła dźwięku w postaci
pręta jest kamerton używany do strojenia instrumentów muzycznych.
2)
zamocowanego w środku
Rys. 10. Drgania pręta zamocowanego w środku [6]
Pręt zamocowany w środku, to jakby dwa pręty zamocowane na jednym końcu. Drgania
takiego pręta składają się z tonu podstawowego i wyższych harmonicznych. Na
zamocowanym końcu każdego z drgań składowych jest węzeł, a na wolnym końcu strzałka.
Drgania słupa powietrza
1)
zamkniętego dwustronnie
Rys. 11. Drgania słupa powietrza zamkniętego dwustronnie [6]
Słupy powietrza, które są np. w rurach czy w pudłach również można pobudzić do drgań.
Drgania te są złożone, podobne do drgań strun czy prętów. W słupie zamkniętym dwustronnie
na końcach słupa występują węzły fali stojącej. Ucho odbiera częstotliwość tonu
podstawowego, zaś wyższe harmoniczne wpływają na barwę dźwięku.
2)
zamkniętego jednostronnie
Rys. 12. Drgania słupa powietrza zamkniętego jednostronnie [6]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
Na zamkniętym końcu słupa jest węzeł, a na jego końcu otwartym strzałka fali stojącej.
Przykładem wykorzystania drgań słupów powietrza jako źródła dźwięku są piszczałki.
Źródłami dźwięku są również cienkie płyty o różnych kształtach zwane membranami.
W membranie pobudzonej do drgań, na skutek nakładania się fali pierwotnej i fali odbitej od
jej obrzeży powstają fale stojące, lecz węzłami są linie, wzdłuż których membrana jest
zamocowana. Oprócz drgań o częstotliwości podstawowej mogą wystąpić w membranie
drgania o wielu innych częstotliwościach nie będących całkowitymi wielokrotnościami
częstotliwości
podstawowej.
Membrany
mogą
odtwarzać
drgania
o
różnych
częstotliwościach, dlatego stanowią one podstawowy element głośników, mikrofonów,
słuchawek i innych przyrządów akustycznych.
Szumy i hałasy
Szum [1, 2] to zjawisko akustyczne nie wykazujące stałego okresu drgań, Szum jest
zatem dźwiękiem, którego widmo akustyczne jest ciągłe, czyli. występują w nim wszystkie
częstotliwości składowe. Jeżeli wszystkie częstotliwości składowe maja te same amplitudy,
wówczas jest to szum biały. Cechuje go rozprzestrzenia na cały zakres słyszalnych wysokości
i równomierny (względnie w przybliżeniu równomierny) rozkład energii w całym tym
zakresie. Szum biały zwany jest też szumem Gaussowskim (od nazwiska matematyka C. F.
Gaussa).
Inne rodzaje szumów, tzw. szumy ograniczone (barwne), nie zostały dotychczas
sklasyfikowane. Określenia takie jak szmer, szelest, świst. szczęk, warkot, zgrzyt itp., są
określeniami potocznymi, nie przyporządkowanymi określonym zjawiskom akustycznym.
Niektóre szumy mogą uzyskać odrębne określenia dzięki analogii do brzmienia
szczelinowych spółgłosek. Poprzez taką analogię, biały szum można by nazwać szumem „F”.
Z kolei szum o równomiernie rozłożonej energii ograniczony do niskich częstości można
porównać ze spółgłoską „Cli”. W średnich częstościach znajdą się kolejno szumy typu „Sz”
i „S”, a w górnych częściach szum typu „S”. Wysokość tych szumów może być określona
jedynie w przybliżeniu (szum niski, średni, wysoki). Wyraźnie rozpoznawalna wysokość
pojawia się natomiast w szumach:
−
kiedy dla określonej częstości szum wykazuje wyraźne maksimum narzucające szumowi
swą wysokość (np. dźwięk kotłów),
−
kiedy dla określonej częstości szum zostaje ostro „obcięty” od strony dolnej lub górnej,
przez co graniczna wysokość staje się również rozpoznawalna
Szum zawiera nieskończoną ilość tonów składowych i do obliczenia jego poziomu
natężenia używa się aparatury elektronowej, która określa wartość poziomu natężenia szumu.
Ponadto w akustyce wyróżnia się dwa rodzaje szumów – ważone oraz nie ważone. Szum
nie ważony jest zmierzony w jego naturalnej postaci, stosując wartości bezwzględne. Pomiaru
takiego szumu dokonuje się w pełnym paśmie. Szum ważony jest zmierzony za pomocą tzw.
filtra psofomerycznego, który symuluje charakterystykę częstotliwościową słuchu. Dla
poziomu szumów miarą jest parametr oznaczony jako S/N , co oznacza Signal to Noise Ratio
(SNR), czyli odstęp szumów od sygnału i mierzony jest w decybelach.
Hałasem jest każde zjawisko dźwiękowe, które w określonych okolicznościach jest
niepożądane, przeszkadzające lub szkodliwe dla zdrowia, utrudniające lub uniemożliwiające
pracę czy odpoczynek Jego uciążliwość określana jest jako ogólna reakcja człowieka,
wyrażająca postawę niezadowolenia i sprzeciwu wobec warunków akustycznych bądź
związanych z nimi implikacjami zdrowotnymi i innymi.
Zakres natężenia dźwięku określony jest przez próg słyszalności (0 dB) i próg bólu
(130 dB) W zakresie tym można wyróżnić kilka obszarów słyszalności i tak:
−
0 – 30 dB – obszar ciszy,
−
30 – 60 dB – obszar średni (przeciętny),
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
−
60 – 90 dB – obszar obciążeń,
−
90 – 130 dB – obszar uszkodzeń.
Przykładowe poziomy odpowiadające danym dźwiękom to, np.
−
10 dB – szept,
−
45 dB – przeciętna rozmowa,
−
60 dB – dźwięk odkurzacza,
−
90 dB – dźwięk budzika,
−
110 dB – hałas panujący na ruchliwej ulicy w godzinach szczytu,
−
120 dB – poziom natężenia dźwięku w dyskotece,
−
130 dB – granica bólu.
Subiektywna ocena hałasu
Czynnikiem, który w sposób istotny wpływa na relacje między warunkami akustycznymi
a człowiekiem jest tzw. subiektywna wrażliwość na hałas. Dotyczy ona zarówno
fizjologicznych predyspozycji odbioru dźwięku, reakcji emocjonalnych jak i subiektywnych
odczuć. Odczuwanie dźwięku jako hałasu zależy więc zarówno od cech indywidualnych
każdego człowieka, jak też od cech fizycznych dźwięku. Ocena hałasu zależy od wieku,
wrażliwości, stanu zdrowia, odporności psychicznej i chwilowego nastroju człowieka.
Subiektywne odczuwanie hałasu przejawia się między innymi tym, że hałas wytwarzany
przez daną osobę może nie być dla niej dokuczliwy, natomiast dla osoby postronnej może być
męczący lub wręcz nieznośny. Dokuczliwość hałasu dodatkowo potęguje się wtedy, gdy
wystąpi on niespodziewanie lub nie można określić kierunku, z którego pochodzi.
Podstawowymi cechami fizycznymi dźwięku wpływającymi na jego odczuwanie są: poziom,
częstość występowania, czas trwania oraz charakterystyka widmowa.
Tabela 1. Skala subiektywnej uciążliwości hałasu komunikacyjnego [8]
uciążliwość
L
Aeq
[dB]
mała
< 52
średnia
52 – 62
duża
63 – 70
bardzo duża
> 70
4.1.2.
Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Co to jest fala akustyczna?
2.
Jakie są źródła fal dźwiękowych?
3.
Czym jest dźwięk?
4.
Czym jest ton?
5.
Co to jest hałas?
6.
Co to jest amplituda?
7.
Czym jest szum?
8.
Jakie są rodzaje szumów?
9.
Jakie są charakterystyczne wartości określające ton?
10.
Jakie wielkości obiektywne charakteryzują falę dźwiękową?
11.
Co to jest poziom natężenia dźwięku?
12.
W jakich jednostkach jest mierzony poziom natężenia dźwięku?
13.
Jakie właściwości charakteryzują dźwięki muzyczne?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
4.1.3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj charakterystyki dźwięków.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.1.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
wysłuchać nagrania różnych dźwięków,
4)
scharakteryzować wysłuchane dźwięki pod względem ich właściwości,
5)
przedstawić efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
nagrania różnych dźwięków,
−
magnetofon lub odtwarzacz płyt CD,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 2
Określ poziomy szumów i hałasów.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.1.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
przeczytać ze zrozumieniem tekst o rodzajach szumów i hałasów,
4)
zredagować notatkę na podstawie informacji zawartych w tekście,
5)
wysłuchać szumów i hałasów, np. w ruchu ulicznym,
6)
dokonać pomiaru poziomu szumów i hałasów przy pomocy sonometru,
7)
przedstawić wynik w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
materiały informacyjne o szumach i hałasach,
−
sonometr,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Dokonaj analizy poziomów natężenia dźwięków.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.1.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
wysłuchać nagrania różnorodnych dźwięków,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
4)
dokonać analizy poziomów natężenia poszczególnych dźwięków,
5)
przedstawić efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
nagrania dźwięków,
−
magnetofon lub odtwarzacz płyt CD,
−
przybory do pisania,
−
miernik poziomu dźwięku,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 4
Dokonaj pomiaru podstawowych parametrów akustycznych fali dźwiękowej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.1.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
dokonać pomiaru prędkości fali akustycznej,
4)
dokonać pomiaru natężenia dźwięku,
5)
przedstawić wyniki pomiarów w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
czasomierz,
−
miernik natężenia dźwięku,
−
trenażer,
−
generator mocy pracujący w zakresie częstotliwości akustycznych, głośnik dużej mocy,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
scharakteryzować dźwięk pod względem jego właściwości?
2)
zdefiniować szumy i hałasy?
3)
scharakteryzować podstawowe parametry akustyczne?
4)
dokonać obliczeń i pomiarów podstawowych parametrów w akustyce?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
4.2.
Mechanizm słyszenia
4.2.1.
Materiał nauczania
Budowa i działanie ucha ludzkiego
Ucho ludzkie zbudowane jest z trzech, podstawowych części: ucha zewnętrznego, ucha
środkowego i ucha wewnętrznego.
3 4
5
6
1
2
9
8
7
Ucho
zewnetrzne
Ucho
ś
rodkowe
Ucho
wewnetrzne
Rys. 13. Budowa ucha ludzkiego [4]
Ucho zewnętrzne składa się z małżowiny, przewodu słuchowego zewnętrznego i błony
bębenkowej. Jego funkcją jest wychwytywanie i naprowadzanie fal dźwiękowych,
przewodzenie i skupianie fal dźwiękowych, przenoszenie drgań na kosteczki słuchowe.
Ucho środkowe złożone jest z trąbki słuchowej, kosteczek słuchowych (młoteczek,
kowadełko, strzemiączko), błony okienka owalnego. Błona bębenkowa połączona jest
z młoteczkiem, dzięki czemu drgania błony są przenoszone do ucha środkowego. W uchu
środkowym znajdują się dwa mięśnie: jeden napinający błonę bębenkową i drugi
strzemiączkowy. Mięśnie te regulują skuteczność przenoszenia drgań do ucha wewnętrznego.
Dla hałasu ustalonego mięśnie te tłumią dźwięki o wysokim poziomie, a wzmacniają o niskim
poziomie; czas reakcji mięśni wynosi 0,35 sekundy. Ucho środkowe przenosi drgania do
płynu ucha wewnętrznego oraz wyrównuje ciśnienia przez połączenie z gardłem (trąbka
Eustachiusza).
Ucho wewnętrzne złożone jest z przedsionka, ślimaka, kanałów półkolistych, nerwu
słuchowego. Jego funkcje to reagowanie na doprowadzone bodźce akustyczne i na zmiany
położenia w przestrzeni oraz przekazywanie podrażnień nerwami do mózgu.
Dźwięk, który pada na błonę bębenkową, powoduje jej drgania, one zaś dalej poprzez
trzy kosteczki przenoszone są do ślimaka. Ślimak jest połączony z końcówkami nerwowymi,
które w postaci impulsów elektrycznych przenoszą informację zawartą w sygnale
dźwiękowym do mózgu. W mózgu natomiast następuje interpretacja bodźca dźwiękowego
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
oraz przypisanie mu odpowiedniej reakcji lub odczucia. Zmiana czułości ucha w zależności
od poziomu natężenia dźwięku to adaptacja.
Obszar słyszalności
Obszar słyszalności [5] to zbiór wszystkich dźwięków słyszalnych. Ograniczony jest
ze względu na słyszalne poziomy natężenia dźwięku dolnym progiem słuchu, czyli progiem
słyszalności i górnym progiem słuchu, czyli progiem bólu (progiem słyszenia bolesnego). Ze
względu na zakres słyszalnych częstotliwości ograniczony jest najmniejszą (ok. 15Hz)
i największą (ok. 18000Hz) częstotliwością słyszalną. Próg słyszalności określa najmniejszą
wartość natężenia dźwięku konieczną do jego usłyszenia; dla 1000 Hz wynosi ona
10
–12
W/m
2
, co jest równe poziomowi natężenia 0 dB; odpowiada to poziomowi głośności
0 fonów. Próg bólu wyznaczony jest przez najmniejszą wartość natężenia dźwięku, przy
której powstaje wrażenie bólu – dla 1000Hz wynosi ona ok. 1W/m
2
, co równa się poziomowi
natężenia dźwięku 120dB. Próg bólu zaś odpowiada poziomowi głośności 130dB.
Podstawową funkcją narządu słuchu człowieka jest odbiór wrażeń dźwiękowych,
wywołanych rozchodzącą się w otoczeniu falą akustyczną, nazywaną hałasem. Narząd słuchu
człowieka jest przystosowany do odbioru fal o poziomie ciśnień od 20 x 10
-6
Pa do 10 Pa,
i częstotliwości z zakresu 20Hz do 18000Hz. Przedziały te wyznaczają obszar słyszalności ucha.
Rys. 14. Zakres słyszalności ucha [5]
Dolna ciągła krzywa na rysunku oznacza tzw. próg słyszalności ucha, czyli minimalne
natężenie dźwięku, przy którym dany ton jest już słyszany. Górna krzywa przedstawia tzw.
próg bólu, czyli minimalne natężenie dźwięku, przy którym występuje uczucie bólu w uszach.
Odbiór dźwięków z szerokiego przedziału ciśnień, obejmującego sześć rzędów, możliwy jest
dzięki temu, że wrażenie subiektywne natężenia rośnie wolniej niż natężenie fizyczne.
Związek między fizycznym natężeniem dźwięku a wrażeniem subiektywnym przedstawia
prawo Webera – Fechnera:
)
lg(
~
I
L
gdzie:
L– subiektywny poziom wrażenia dźwięku,
I – fizyczne natężenie dźwięku.
W pomiarach akustycznych należy używać miary logarytmicznej i mierzyć poziom
hałasu w jednostkach nazywanych decybelami [dB].
Czułość ucha ludzkiego na wrażenie słuchowe zależy w dużej mierze od częstotliwości
dźwięku i jest największa dla dźwięków o częstotliwościach w przedziale od 800Hz do
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
4000Hz. Krzywe oznaczone na rysunku nr 15 są krzywymi jednakowej słyszalności, co
znaczy, że na przykład dźwięk o częstotliwości 1000Hz i poziomie ciśnienia 50dB jest dla
ucha tak głośny jak dźwięk o częstotliwości 100Hz i poziomie ciśnienia około 65dB. Aby
porównać dźwięki o różnych częstotliwościach, wprowadzono pojęcie poziomu głośności.
Jednostką poziomu głośności jest fon. Poziom głośności wynosi n fonów, jeśli jest on dla
przeciętnego słuchacza jednakowo głośny, jak ton odniesienia o częstotliwości 1000Hz
i poziomie ciśnienia akustycznego n dB. Tonem jest dźwięk o najprostszym przebiegu drgań
akustycznych w kształcie sinusoidy, zawierający jedną częstotliwość. Każdy ton
charakteryzuje: amplituda i częstotliwość drgań.
Rys. 15. Krzywe słyszalności ucha [5]
Słuch relatywny a słuch absolutny
Słuch, zmysł słuchu to zdolność odbioru przez człowieka i zwierzęta fal dźwiękowych.
Słuch muzyczny to wrodzona zdolność określania bezwzględnej wysokości dźwięku
(słuch absolutny) lub wyuczona umiejętność rozpoznawania interwałów (słuch relatywny).
Słuch relatywny posiada większość ludzi i słuch ten pozwala odróżnić dźwięki wysokie
od niskich, a przy wyćwiczeniu człowiek potrafi odróżnić odległości między dźwiękami
zwane w muzyce interwałami.
Słuch absolutny posiada ok. 8% ludzi i występuje częściej u mężczyzn aniżeli u kobiet.
Słuch ten jest wrodzony lub można urodzić się już z jego zadatkami i w miarę ćwiczenia je
rozwinąć. Słuch absolutny nie decyduje o tym, że ktoś jest doskonałym muzykiem. Człowiek
posiadający słuch absolutny jest w stanie podać bezwzględną wysokość dźwięku bez
konieczności porównywania z wysokością już znaną.
Alikwoty
Alikwoty [1] są to tony składowe danego dźwięku o uporządkowanych częstotliwościach.
Każdy dźwięk zbudowany jest z 16 alikwotów. Rysunek nr 16 pokazuje szereg alikwotów
dźwięku D (oktawa wielka). Alikwot z numerem 1 nazywany jest tonem podstawowym.
Rys. 16. Alikwoty dźwięku D oktawy wielkiej [10]
]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
Każde z tych alikwotów są wykonywane równocześnie w czasie z częstotliwościami
coraz to większymi. Taki szereg częstotliwości nosi nazwę szeregu harmonicznego.
W szeregu harmonicznym występują zależności pomiędzy poszczególnymi alikwotami, czyli:
−
kwarta (4:3): 3, 4; 6, 8; 12, 16;
−
kwinta (3:2): 2, 3; 4, 6; 8, 12;
−
oktawa (2:1): 1, 2, 4, 8, 16.
Alikwoty po przemnożeniu przez liczbę dwa, tworzą następne, zawsze takie same interwały:
−
kwarta: (3,4)*2=(6,8), (6,8)*2=(12,16);
−
kwinta: (2,3)*2=(4,6), (4,6)*2=(8,12);
−
oktawa: (1,2)*2=(4,8), (4,8)*2=(8,16).
Oznaczenia stosunków alikwotów można zobaczyć na niektórych rejestrach organowych.
Jeśli występuje oznaczenie „Quinte 2 2/3'” tzn. że oprócz tonu podstawowego zabrzmi
jeszcze dźwięk o kwintę wyżej od niego – jeśli uderzymy w dźwięk c
1
to zabrzmi także
alikwot 3 czyli w tym przypadku dźwięk g
1
.
Na instrumentach klawiszowych można wykonać proste doświadczenie z szeregiem
alikwotów, które polega na tym, że podnosząc tłumik uderzamy w dźwięk D, a później
bezgłośnie naciskamy klawisz dźwięku d. Okazuje się, że po zamilknięciu dźwięku D struna
dźwięczy. Mogło to nastąpić wtedy gdy w dźwięku D był zawarty alikwot d. Podobne
doświadczenie z naciśnięciem dźwięku f nie da podobnego wyniku, ponieważ w dźwięku D
nie ma takiego alikwotu.
Tony kombinacyjne
Ton kombinacyjny [1] jest to ton o częstotliwości równej sumie (ton kombinacyjny
sumacyjny) lub różnicy (ton kombinacyjny różnicowy) częstotliwości dwóch tonów
brzmiących równocześnie, który się pojawia przy zniekształceniu w przekazywaniu tych
tonów. Tony kombinacyjne. mogą się pojawić przy odbiorze zniekształconego dźwięku
z głośnika, mogą również powstawać w ludzkim uchu wskutek zniekształceń w drganiu
kosteczek słuchowych. Tony kombinacyjne różnicowe pełnia istotną rolę przy przekazywaniu
muzyki przez głośniki o niezbyt wysokiej jakości, które nie są w stanie odtworzyć tonów
podstawowych najniższych dźwięków, a przenoszą jedynie ich harmoniczne. Tony
różnicowe powstające pomiędzy harmonicznymi regenerują w ludzkim uchu ton
podstawowy, nie istniejący w rzeczywistości w dźwięku promieniowanym z głośnika.
Konsonanse i dysonanse
Konsonans [1] (łac. consonus – harmonijny, zgodny, razem brzmiący), to zgodne
współbrzmienie dwóch lub więcej dźwięków (konsonans harmoniczny), albo następstwa
dźwięków (konsonans melodyczny). Odpowiednio mówimy o interwale lub akordzie
konsonującym.
Dysonans [1] (łac. dissonus – nieharmonijny, niezgodny, odmienny), to niezgodne
współbrzmienie dwóch lub więcej dźwięków (dysonans. harmoniczny), albo następstwa
dźwięków (dysonans melodyczny). Odpowiednio mówimy o interwale lub akordzie
dysonującym. Przeciwieństwem dysonansu jest konsonans, tj. zgodne współbrzmienie dwóch
lub więcej dźwięków.
Przeciwstawienie konsonansu i dysonansu jest podstawą harmonii [1], w której pierwszy
reprezentuje czynnik uspokojenia, stabilizacji, drugi zaś – zakłócenia, napięcia, dążności do
dalszego ruchu i rozwiązania. Owa charakterystyka nie jest jednak w pełni zadowalająca,
ponieważ zależy od subiektywnego odczucia, zmieniającego się wraz z epoką, środowiskiem,
przygotowaniem muzycznym słuchacza itp. Współcześnie w wielu przypadkach odbiera się
jako „zgodne” współbrzmienia, które przed laty uznawane były za ostre dysonanse. Toteż
mimo wielu prób nie stworzono do dziś w pełni przekonującej definicji konsonansu
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
i dysonansu, choć powstało wiele klasyfikacji, zaliczających poszczególne interwały do
jednej z tych klas. Według teorii Pitagorasa interwały miały być tym bardziej konsonujące, im
mniejsze liczby wyrażały odpowiadający im stosunek częstotliwości, tzn. im prostszy był
ułamek określający drgającą część struny. Najdoskonalszym konsonansem była zatem pryma
(1:1), dalej oktawa (1:2), kwinta (2:3), itd. Teoria ta nie tłumaczy jednak faktu, iż znikoma
modyfikacja interwału konsonującego (zbyt mała, by mogła być uchwycona uchem)
powoduje znaczne komplikacje w proporcjach liczbowych; np. kwinta temperowana, której
ucho ludzkie nie odróżnia od kwinty pitagorejskiej, wyraża się stosunkiem 293:439Hz .
Z tego względu Helmholtz (1863) za miarę konsonansowości lub dysonansowości
współbrzmienia przyjął liczbę dudnień między harmonicznymi obu dźwięków składowych.
Według jego hipotezy, konsonansowość jest odwrotnie proporcjonalna do liczby dudnień. Na
tej podstawie Helmholtz wyróżnił:
−
konsonanse absolutne – dudnienia nie występują (pryma, oktawa);
−
konsonanse doskonałe – dudnienia są niesłyszalne (kwinta, kwarta);
−
konsonanse średnie – dudnienia są słabo słyszalne (seksta wielka, tercja wielka);
−
konsonanse niedoskonałe – dudnienia są silne, ale nie dominujące (tercja mała, seksta
mała);
−
dysonanse – dudnienia mają znaczenie dominujące (pozostałe interwały w obrębie
oktawy).
Z tego względu, że nasilenie dudnień zmienia się wraz z rejestrem, to i stopień
konsonansowości lub dysonansowości tego samego interwału jest różny w różnych rejestrach;
np. tercja c-e wykazuje 33 dudnienia, natomiast tercja c
1
-e
1
– 66 dudnień. Stanowi to główny
mankament hipotezy Helmholtza, gdyż nie wyjaśnił on istoty konsonansu i dysonansu
melodycznego, w których dźwięki występują kolejno, czyli nie wywołują dudnień. W teorii
pokrewieństwa dźwięków, Helmholtz zdefiniował konsonans jako współbrzmienie dwóch
dźwięków, których harmoniczne (z wyłączeniem 7, 9 itd.) zawierają jeden lub dwa tony
wspólne. W grupie konsonansów znalazły się: oktawa, kwinta, kwarta (2 tony wspólne),
tercje i seksty (1 ton wspólny); pozostałe interwały są dysonansami, ponieważ nie zawierają
wspólnych tonów harmonicznych. Helmholtz sformułował też inną znaną definicję
konsonansu i dysonansu: „każdy interwał zawarty w trójdźwięku durowym lub molowym
(wliczając również przewroty) jest konsonansem.; pozostałe interwały są dysonansami”.
Z kolei Garbuzow częściowo nawiązał do teorii pokrewieństwa dźwięków Helmholtza,
rozpatrując wspólne tony harmoniczne, których liczba i oddalenie od dźwięków
współbrzmienia decyduje o stopniu konsonansowości. Analogicznie badał odległości cało-
i półtonowe między tonami składowymi dwóch dźwięków, decydujące o stopniu
dysonansowości.
4.2.2.
Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Jak zbudowane jest ucho ludzkie?
2.
Na czym polega mechanizm słyszenia człowieka?
3.
Jakie są różnice między słuchem relatywnym a słuchem absolutnym?
4.
Czym są alikwoty?
5.
Czym jest ton kombinacyjny?
6.
Co to jest konsonans?
7.
Co to jest dysonans?
8.
Co to jest obszar słyszalności?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
4.2.3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wyjaśnij zasady działania ucha ludzkiego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.2.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć plansze lub foliogramy ukazujące budowę ucha ludzkiego,
4)
wskazać i nazwać poszczególne elementy ucha ludzkiego na jego modelu,
5)
omówić budowę anatomiczną ucha ludzkiego,
6)
wyjaśnić zasady działania ucha ludzkiego.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
model ludzkiego ucha,
−
plansze lub foliogramy ukazujące budowę ucha ludzkiego,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 2
Opisz mechanizm słyszenia człowieka.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.2.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
przeczytać ze zrozumieniem tekst o mechanizmie słyszenia człowieka,
4)
zredagować notatki,
5)
scharakteryzować poszczególne elementy ucha ludzkiego pod względem ich funkcji,
6)
opisać mechanizm słyszenia człowieka,
7)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
materiały informacyjne,
−
model ludzkiego ucha,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Spośród dźwięków rozróżnij tony podstawowe i kombinacyjne, konsonanse i dysonanse.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.2.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
wysłuchać nagrania różnorodnych dźwięków – tonów podstawowych i kombinacyjnych,
dysonansów i konsonansów,
4)
rozróżnić tony, interwały i nazwać je.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
nagrania dźwięków,
−
magnetofon lub odtwarzacz płyt CD,
−
literatura z rozdziału 6.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wyjaśnić budowę ucha ludzkiego?
2)
wyjaśnić mechanizm działania ucha ludzkiego?
3)
rozróżnić ton podstawowy i kombinacyjny?
4)
odróżnić harmonię od dysharmonii dźwięków?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
4.3.
Zjawiska akustyczne
4.3.1.
Materiał nauczania
Wszystkie fale wykazują następujące własności [2]:
–
prostoliniowe rozchodzenie się fali w ośrodkach jednorodnych,
–
odbicie – na granicy ośrodków fale zmieniają kierunek bez zmiany ośrodka,
–
załamanie – na granicy ośrodków fala przechodząc do ośrodka, w którym porusza się
z inną prędkością, zmienia kierunek swego biegu.
Rozchodzące fale nakładają się na siebie w wyniku czego powstają zjawiska:
–
dyfrakcji,
–
interferencji,
–
dudnienia.
Fale o różnych długościach mogą różnie rozchodzić się w ośrodkach. Zjawiska tym
wywołane nazywane są dyspersją fali i wywołują, np. rozszczepienie – załamanie fal, zależne
od ich długości oraz powoduje rozkład fali na fale składowe, np. na pryzmacie.
Interferencja
Interferencja [2] to nakładanie się fal, przy czym wychylenie się fali wypadkowej jest
algebraiczną sumą wychyleń fal składowych (tzw. zasada super pozycji). Jeżeli fazy fal są
zgodne, wówczas mogą się one wzmacniać. Jeśli zaś fazy fal są przeciwne, to wtedy fale
wygaszają się. Maksymalne wzmocnienie (tzw. maksimum interferencyjne) dwóch fal
spójnych jest obserwowane w punktach, w których różnica dróg, (czyli innymi słowy –
różnica odległości punku od obu źródeł nakładających się fal) równa jest całkowitej
wielokrotności długości fali.
r
1
– r
2
= n
λ
Maksymalne wygaszenie dwóch fal jest obserwowane w punktach, w których różnica dróg
jest równa nieparzystej wielokrotności połówki długości fali
r
1
– r
2
= (2n + 1) λ / 2
gdzie:
r
1
, r
2
– odległości punku od źródła pierwszego i drugiego,
λ – długość fali,
n – liczba całkowita.
Dyfrakcja [2] jest to zjawisko polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się fali na
krawędziach przeszkód. Jeśli wiązka fal przejdzie przez wąską szczelinę, albo też ominie
bardzo mały obiekt, wówczas zajdzie zjawisko ugięcia się fali. Zgodnie z zasadą Huygensa
wszystkie punkty niedaleko krawędzi przeszkody stają się nowymi źródłami fali.
Uwzględniając zjawisko nakładania się fal, można zaobserwować, iż za przeszkodą utworzy
się obraz wzmocnienia oraz osłabienia rozchodzących się fal.
Odbijanie i pochłanianie fal dźwiękowych
Fala dźwiękowa [6] napotykając na swej drodze przeszkodę częściowo odbija się od niej,
a częściowo przenika do drugiego ośrodka. Odbita fala dźwiękowa wraca do ucha
obserwatora, powodując powtórzenie wrażenia słuchowego, zwanego echem. Niekiedy fale
dźwiękowe odbijają się od kilku przeszkód, leżących w różnej odległości od obserwatora,
który słyszy wówczas kilkakrotne echo. Jeżeli przeszkody znajdują się w niezbyt dużej od
niego odległości, to fala odbita interferuje z falą pierwotną i powodując przedłużenie czasu
trwania odbieranych wrażeń słuchowych, zmniejsza ich wyrazistość. Zjawisko to występuje
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
przede wszystkim w pomieszczeniach zamkniętych i jest zależne od ich wielkości i kształtu
oraz od zdolności odbijającej znajdujących się w nich przedmiotów.
Rys. 17 . Odbicie fali dźwiękowej [6]
W wyniku nakładania się dwóch fal dźwiękowych o zbliżonych, lecz niejednakowych
częstotliwościach występuje charakterystyczne zjawisko zwane dudnieniem, które polega na
okresowym osłabianiu i wzmacnianiu natężenia dźwięków. Przyczyną tego zjawiska jest
okresowy wzrost i spadek amplitudy fali wypadkowej, spowodowany nakładaniem się
wychyleń interferujących fal.
Rys. 18. Dudnienie fali dźwiękowej [6]
Częstotliwość dudnień, czyli częstotliwość występowania kolejnych wzmocnień i osłabień
natężenia dźwięku, jest równa różnicy częstotliwości nakładających się fal.
2
1
V
V
D
V
−
=
gdzie:
D
V
– częstotliwość dudnień.
Fale stojące
Fala odbita i bezpośrednia biegną po tej samej drodze tworząc falę stojącą. Taka fala
sprawia, że w rogach pomieszczenia oraz miejscach ich styczności z podłogą i sufitem
kumuluje się ciśnienie dźwięku. Na skutek takiej kumulacji dźwięki basowe sprawiają
wrażenie dudniących, a inne szybko zanikają. Jednym ze sposobów na uniknięcie tego
zjawiska jest zastosowanie w pomieszczeniu nierównoległych, względem siebie powierzchni
ścian.
Echo
Echo akustyczne [1] to zjawisko pojawienia się w miejscu odbioru zarówno dźwięku
dochodzącego bezpośrednio ze źródła, jak i dźwięku odbitego jedno- lub wielokrotnie (echo
wielokrotne) od przeszkody (przeszkód). Mianem echa określa się też często sam dźwięk
odbity. Echo staje się słyszalne przy opóźnieniu dźwięku odbitego w stosunku do dźwięku
bezpośredniego o co najmniej ok. 1/20s. Oznacza to taką odległość najbliższej przeszkody,
przy której różnica dróg dźwięku bezpośredniego i dźwięku ulegającego odbiciu jest większa
od ok. 17m. Słyszalne echo jest z reguły zjawiskiem niepożądanym, zwłaszcza w salach
koncertowych i audytoriach. Szkodliwe wrażenie echa może powstać również w instalacji
nagłośnieniowej (dźwięk z oddalonego głośnika) lub w wyniku przekopiowania się silnych
dźwięków zapisanych na taśmie magnetycznej z jednego zwoju taśmy na drugi.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
Flutter echo
Flutter echo, tzw. echo trzepocące to wrażenie dźwiękowe [2] będące szczególnym
rodzajem echa akustycznego. Zjawisko to występuje w pomieszczeniach, w których
przeciwległe ściany, lub strop i sufit są do siebie równoległe, a ich powierzchnie w dużym
stopniu odbijają falę akustyczną. Wygenerowanie w takim pomieszczeniu krótkiego impulsu,
powoduje wielokrotne, naprzemienne odbicie fali od każdej z przegród, postrzegane przez
obserwatora podobnie jak dźwięk trzepoczących ptasich skrzydeł. Tak jak w przypadku echa
akustycznego (pojedynczego), warunkiem słyszalności echa trzepoczącego jest odstęp czasu
pomiędzy końcem jednej a początkiem kolejnej fali odbitej, który powinien przekraczać
50m/s. Drugi warunek określa ile odbić usłyszy obserwator zanim flutter echo przestanie być
słyszalne. Powstawanie flutter echa w pomieszczeniach jest zjawiskiem bardzo
niepożądanym. Wielokrotne odbicia zaburzają zrozumiałość mowy, tworząc nieprzyjemny
klimat akustyczny. Istnieją dwie metody zapobiegania temu zjawisku. Pierwsza polega na
eliminowaniu równoległych powierzchni poprzez pochylanie jednej z nich, np. sufitu, które
pozwala nadać taki bieg promieniom fal odbitych, aby zapewniły równomierne
rozprowadzenie dźwięków w pomieszczeniu. Druga metoda zapobiegająca powstawaniu
trzepocącego echa polega na silnym wytłumieniu jednej, lub obu powierzchni.
Pogłos
Pogłos (rewerberacja) [1] to zjawisko stopniowego zanikania dźwięku w pomieszczeniu
po zamilknięciu źródła dźwięku. Występuje wskutek wielokrotnych odbić fal dźwiękowych
od wewnętrznych powierzchni pomieszczenia. Powoduje przedłużenie czasu trwania
dźwięku. Czas, po którym natężenie zanikającego dźwięku zmaleje milion razy (spadek
poziomu natężenia dźwięku o 60dB) nazywa się czasem pogłosu; jest on tym dłuższy,
im większa jest objętość pomieszczenia i im mniej pochłaniają dźwięk wewnętrzne
powierzchnie. Wymaganą wielkość czasu pogłosu dla różnych częstotliwości uzyskuje się
przez stosowanie odpowiednich materiałów dźwiękochłonnych. Pogłos powoduje wzrost
poziomu głośności w pomieszczeniu oraz wzbogaca brzmienie dźwięku, ponieważ fale
dźwiękowe pochodzące bezpośrednio ze źródła dźwięku nakładają się z falami dźwiękowymi
odbitymi. Zjawiska te są korzystne pod warunkiem, że czas pogłosu jest optymalny dla
charakteru produkcji dźwiękowej (inny np. dla muzyki renesansu, inny dla muzyki jazzowej,
recytacji, itd.). Optymalny czas pogłosu jest tym mniejszy, im ważniejsze są w produkcji
dźwiękowej jej szczegóły; uzależniony jest również od wielkości sali. Czas pogłosu większy
od optymalnego powoduje zbytnie zacieranie wyrazistości dźwięku, zaś mniejszy
od optymalnego daje suche brzmienie i wymaga od wykonawców większego wysiłku dla
zapewnienia właściwej głośności. Pogłos pełni zasadniczą rolę w kształtowaniu wrażenia
perspektywy dźwiękowej.
Rezonans akustyczny
Fale dźwiękowe [2] jakie rozchodzą się w ośrodku, trafiają na powierzchnię jakiegoś
ciała, wywierają na nim zagęszczenia oraz rozrzedzenia cząstek ośrodka, powodują okresowo
zmienne ciśnienie oraz wprawiają je w ruch drgający. W momencie kiedy częstotliwość fali
jest taka sama jak częstotliwości drgań własnych ciała, natężenie drgań wzbudzonych na
skutek interferencji bardzo wzrośnie. Zjawisko to nazywa się rezonansem akustycznym.
Aby uzyskać rezonans akustyczny wystarczy położyć obok siebie dwa identyczne
kamertony i przez uderzenie wprawić jeden z nich w ruch drgający. Po pewnym czasie,
dotykając go ręką, drganie zostanie w nim stłumione, ale będzie wyraźnie słyszalny dźwięk
drugiego kamertonu, który został wzbudzony przez rezonans. Do analiz dźwięku
wykorzystuje się rezonator. Przyrząd ten jest kulką z dwoma otworami mającą cechę silnego
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
rezonansowego wzmacniacza natężenia drgań o pewnej częstotliwości, uzależnionej od
średnicy kulki oraz kształtu otworu.
Zjawisko Dopplera
Kiedy osoba obserwująca [2] przemieszcza się w stronę spoczywającego źródła dźwięku,
usłyszy dźwięk wyższy (o większej częstotliwości) aniżeli wówczas, kiedy jest on
nieruchomy. Kiedy osoba obserwująca oddala się od nie poruszającego się źródła usłyszy
dźwięk niższy niż wtedy, gdy jest ono nieruchome. Takie same wyniki uzyskuje się wówczas,
kiedy źródło jest w ruchu, w kierunku do albo od nieruchomej osoby obserwującej. Ton
gwizdka lokomotywy jest wyższy podczas jej zbliżania się do osoby obserwującej aniżeli
wówczas, kiedy lokomotywa przejeżdża obok niego oraz się oddala. Zjawisko Dopplera
pojawia się dla wszelkich rodzajów fal.
Akustyka pomieszczeń zamkniętych i plenerowych
Fale dźwiękowe [2] istnieją w określonej przestrzeni tzw. polu akustycznym. Jeżeli fale
te rozchodzą się w pomieszczeniu zamkniętym, wówczas ich pole dźwiękowe jest
ograniczone, jeśli zaś są w pomieszczeniu plenerowym, wtedy ich przestrzeń jest
nieograniczona.
Akustyka pomieszczeń zamkniętych
W pomieszczeniach zamkniętych [2] fale dźwiękowe wytworzone przez źródło są
wielokrotnie odbijane od powierzchni ograniczających daną konstrukcję. Fale te tworzą pole
akustyczne, które jest wypadkową wszystkich odbić i interferencji.
Istotnym parametrem akustyki pomieszczeń zamkniętych jest współczynnik odbicia
wyrażający się następującą zależnością:
pad
I
odb
I
=
β
gdzie:
I
odb
– natężenie dźwięku fali odbitej,
I
pad
– natężenie dźwięku fali padającej
Współczynnik odbicia zawiera się w przedziale (0 – 1) i przyjmuje on wartość 0 dla
materiałów całkowicie pochłaniających falę oraz 1 dla całkowicie odbijających falę.
Jeśli fala źródłowa pada prostopadle na powierzchnię odbijającą, wtedy powstaje fala
stojąca.
Zdolność materiałów do pochłaniania dźwięku to chłonność akustyczna powierzchni,
którą określa wzór:
S
A
⋅
=
α
[m
2
, Sabin]
gdzie:
α
– współczynnik pochłaniania materiału,
S – powierzchnia materiału pochłaniającego.
W pomieszczeniach zamkniętych należy tez zbadać czas pogłosu, czyli czas trwania
dźwięku od momentu wyłączenia jego źródła do spadku o 60dB. Czas pogłosu określa wzór
Sabina:
A
V
T
⋅
=
163
,
0
[s]
gdzie:
V – objętość pomieszczenia [m
3
],
A – całkowita chłonność akustyczna pomieszczenia [m
2
].
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
Pomieszczenia zamknięte, pod względem akustycznym, można podzielić na dwie grupy:
–
pomieszczenia mieszkalne, produkcyjne, biurowe, usługowe,
–
wnętrza o przeznaczeniu kulturalnym, szkoleniowym, rozrywkowym, wnętrza do
odsłuchu bezpośredniego, wnętrza do nagrań oraz do odtwarzania muzyki i mowy.
W pomieszczeniach mieszkalnych chłonność akustyczna jest duża, a czas pogłosu mały.
W salach koncertowych, teatralnych istotny jest kształt estrady i sufitu nad nią. Powinien być
tak zaprojektowany, by dźwięki rozchodziły się w kierunku widowni. W salach kinowych
czas pogłosu nie może być duży, ponieważ trzeba zapewnić dobrą percepcję informacji
dźwiękowej w każdym miejscu pomieszczenia. W studiach radiowych trzeba spełnić
zwłaszcza wymagania techniki mikrofonowej, zaś w studiach telewizyjnych akustyka
pomieszczeń zależy od przeznaczenia danego pomieszczenia.
W pomieszczeniach zamkniętych powinno być odpowiednie pole akustyczne dźwięku
bezpośredniego i rozproszonego oraz ustalić prawidłowy czas pogłosu. W pomieszczeniach
zamkniętych nie powinno być fal skupionych, echa oraz wyraźnych fal stojących. Aby
uzyskać dobrą akustykę pomieszczeń, stosuje się tzw. adaptacje akustyczne, które właściwie
formują rozkład ciśnienia akustycznego i używa się w tym celu, między innymi płyt
dźwiękochłonnych, dywanów, obić drzwi, płyt aluminiowych.
Akustyka pomieszczeń plenerowych
W akustyce pomieszczeń plenerowych [2] istotnym czynnikiem jest poziom natężenia
szumów. Poziom natężenia dźwięku użytecznego powinien być wyższy o co najmniej 10 –
30dB niż poziom średniego hałasu, zaś poziom natężenia dźwięku mowy powinien wynosić
około 80dB. W tego rodzaju pomieszczeniach trzeba
wyznaczyć moc akustyczną
przypadającą na powierzchnię nagłaśnianą, a także dobrać głośniki i je odpowiednio
rozmieścić. Na pracę urządzeń audio mają duży wpływ
czynniki zewnętrzne, do których
należy występujące niekiedy zjawisko pogłosu, które można wyeliminować stosując filtry
ograniczające poziom niskich częstotliwości. Ponadto stosuje się zestawy głośnikowe
o odpowiedniej konstrukcji, równomiernie rozmieszczonych na danej powierzchni.
Za pomocą tych rozwiązań można osiągnąć równomierną głośność w pomieszczeniu.
Do symulacji warunków akustycznych występujących w pomieszczeniach i przestrzeniach
otwartych wykorzystuje się programy komputerowe, które uwzględniają wiele parametrów,
takich jak: cechy absorpcyjne materiałów, typ i rodzaj nagłośnienia, obecność słuchaczy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
4.3.2.
Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Co to jest interferencja fal?
2.
Czym jest zjawisko dyfrakcji fal?
3.
Jak powstaje fala stojąca?
4.
Jakie są różnice między echem akustycznym a flutter echo?
5.
Na czym polega zjawisko pogłosu?
6.
Na czym polega zjawisko nakładania się dźwiękowych?
7.
Na czym polega zjawisko odbijania się fal dźwiękowych?
8.
Jakie są parametry akustyczne w pomieszczeniach zamkniętych?
9.
Które parametry akustyczne powinny być uwzględnione w akustyce pomieszczeń
plenerowych?
10.
Jakie czynniki mają wpływ na akustykę pomieszczeń zamkniętych?
11.
Jakie czynniki mają wpływ na akustykę pomieszczeń plenerowych?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Scharakteryzuj zjawiska akustyczne zachodzące w pomieszczeniach zamkniętych
plenerowych.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.3.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć film o zjawiskach akustycznych,
4)
zredagować notatki,
5)
scharakteryzować zjawiska akustyczne,
6)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
film o zjawiskach akustycznych,
−
odtwarzacz DVD z monitorem,
−
przezrocza i foliogramy,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 2
Oblicz czas pogłosu różnych pomieszczeń zamkniętych o następujących parametrach:
Rodzaj pomieszczenia
Kubatura pomieszczenia
Całkowita chłonność akustyczna
świetlica
90m³
65m²
pokój
80m³
55m²
sala teatralna
1310m³
1180m²
sala kinowa
1585m³
1440m²
sala gimnastyczna
2110m³
1880m²
sala koncertowa
3520m³
3178m²
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.3.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
wypisać dane i szukane,
4)
dobrać odpowiednie wzory,
5)
oszacować szukaną wielkość,
6)
wykonać obliczenie,
7)
przedstawić wynik obliczenia w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
kalkulator,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Przeprowadź badania akustyczne pomieszczenia zamkniętego – Twojej sali lekcyjnej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.3.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć materiały instruktażowe i poglądowe,
4)
wyciągnąć wnioski i zapisać je w formie notatki,
5)
przeprowadzić badanie przy użyciu urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń
i układów osłuchowych,
6)
zaprezentować wynik badania w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
zestaw urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń i układów odsłuchowych,
−
materiały instruktażowe i poglądowe,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
scharakteryzować zjawiska akustyczne występujące
w pomieszczeniach zamkniętych?
2)
scharakteryzować zjawiska akustyczne występujące
w pomieszczeniach plenerowych?
3)
dokonać obliczeń czasu pogłosu w pomieszczeniach zamkniętych?
4)
przeprowadzić badania akustyczne?
5)
posłużyć się urządzeniami do pomiaru akustyki pomieszczeń
i układów odsłuchowych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
4.4.
Właściwości akustyczne
materiałów
4.4.1.
Materiał nauczania
Właściwości akustyczne [2] to zespół cech fizycznych, od których zależy pochłanianie,
tłumienie, przenikanie energii fali dźwiękowej przez materiał, bądź ustrój. Parametry fizyczne
zastosowanego materiału mogą wywierać dominujący wpływ na jego właściwości
akustyczne, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego ustroju. Główne cechy fizyczne
decydujące o właściwościach akustycznych materiału budowlanego to: ciężar objętościowy,
sprężystość, sztywność dynamiczna warstwy materiału, porowatość, oporność przepływu
powietrza, tłumienie wewnętrzne w materiale. Uwzględniając przydatność do izolacji
akustycznej pomieszczeń i tłumienia dźwięków uderzeniowych rozróżnia się:
−
podstawowe materiały do budowy przegród i ustrojów izolacyjnych, czyli takie
materiały, bądź wyroby, z których tylko może być wykonana przegroda (ustrój)
o dobrych właściwościach akustycznych (np. beton, cegła),
−
pomocnicze materiały do budowy przegród i ustrojów izolacyjnych, to takie materiały,
bądź wyroby, które pojedynczo nie nadają się do wykonania przegród (ustrojów)
o dobrych właściwościach akustycznych i zadanie to mogą spełniać dopiero w połączeniu
z innymi materiałami, bądź wyrobami (np. akustyczny styropian podłogowy).
Pochłanianie dźwięków – dźwiękochłonność
Dźwiękochłonność [8] jest to miara określająca jak dobrze konstrukcja budowlana
(system) pochłanie dźwięk, hałas wytwarzany w tym samym pomieszczeniu zapobiegając
jego odbiciom. Wartość ta wyrażona jest w % i zawiera się w przedziale 0 – 100%. Wskaźnik
pochłaniania dźwięku α
w
, wyrażony jest jedną cyfrą, wskazuje on pochłanianie fal
dźwiękowych padających na powierzchnię i zdefiniowany przez normę EN ISO 11654.
W metodzie tej z wartości zmierzonych zgodnie z normą ISO20354 dla częstotliwości
tercjowych oblicza się dla pasma szerokości oktawy 250, 500, 1000, 2000 i 4000Hz
praktyczny współczynnik pochłaniania dźwięku α
p
, jako średnią arytmetyczną z pasm
tercjowych i zapisuje w postaci wykresu. Na wykres zostaje następnie naniesiona krzywa
wzorcowa, która jest stopniowo przybliżana do krzywej wynikającej z pomiarów. Gdy suma
odchyleń krzywej rzeczywistej od wzorcowej będzie mniejsza lub równa 0,1 – to na osi
pionowej odczytuje się wartość α
w
dla częstotliwości 500Hz i podaje ją z dokładnością do
0,05. Wartość ta zawiera się w przedziale od 0,00 do 1,00.
Materiały budowlane na podstawie wyznaczonego wskaźnika pochłaniania dźwięku
dzielą się na kilka zasadniczych klas pod względem pochłaniania dźwięku:
Tabela 2. Klasa pochłaniania dźwięków materiałów budowlanych według PN EN ISO 11654 – 1999 [8]
Klasa pochłaniania dźwięku
α
w
A
0,90; 0,95; 1,00
B
0,80; 0,85
C
0,60; 0,65; 0,70; 0,75
D
0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50; 0,55
E
0,25; 0,20; 0,15
Nie klasyfikowane
0,10; 0,05; 0.00
Wyrób jest dźwiękochłonny, jeżeli jego wskaźnik pochłaniania jest większy lub równy 0,15.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
Materiały dźwiękochłonne
Materiałami dźwiękochłonnymi [8] są te, których używa się do wypełnienia ustrojów
dźwiękochłonnych lub wkładki w zabezpieczeniach antyhałasowych, ale nie mogą być
umieszczone samodzielnie na ścianach czy sufitach jako okładziny bez dodatkowej obróbki.
Materiały dźwiękochłonne to: maty, filce i płyty z wełny skalnej, maty i płyty z włókna
szklanego, elastyczne pianki poliuretanowe, płyty z białego szkła piankowego, włókniny
tekstylne.
Wyroby dźwiękochłonne
Wyrobami dźwiękochłonnymi [8] są materiały, które mają wykończoną powierzchnię,
taka postać i strukturę, która umożliwia ich bezpośrednie wykorzystanie, bez dodatkowych
konstrukcji w podłogach, ścianach czy sufitach pomieszczeń. Wyroby dźwiękochłonne to:
płyty z wełny mineralnej (skalnej lub szklanej), które mogą mieć dekoracyjną fakturę
zewnętrzną, płyty drewnopochodne (np. wiórowe, pilśniowe miękkie), płyty lub
wyprofilowane wykładziny wykonane z elastycznych pianek poliuretanowych, dywany,
wykładziny podłogowe, filc, natryskiwane porowate tynki.
Zarówno materiały jak i wyroby dźwiękochłonne charakteryzują się porowatą strukturą,
małymi wartościami współczynników w zakresie częstotliwości niskich i rosnących wraz ze
wzrostem częstotliwości,. Wartość współczynników pochłaniania dźwięku przez te materiały
jest zależna od oporności przepływu powietrza warstwy materiału dźwiękochłonnego,
grubości tejże warstwy oraz od zewnętrznej warstwy ochronnej czy dekoratorskiej. Energia
akustyczna łatwiej i silniej przenika do wnętrza materiału o małej oporności przepływu.
Materiały o dużej grubości cechuje wysoka chłonność akustyczna.
Ustroje dźwiękochłonne
Ustroje dźwiękochłonne [2, 8] to konstrukcje wykonane z kilku materiałów, wyposażone
w elementy potrzebne do montażu i wykonane tak, aby pochłaniały dźwięki w określonym
paśmie częstotliwości. Rozróżnia się dwa rodzaje ustrojów dźwiękochłonnych ze względu na
ich kształt:
−
ustroje płaskie – konstrukcje naścienne, podstropowe montowane do szkieletu nośnego
i wykonane z płyty czołowej,
−
ustroje przestrzenne – to wiszące swobodnie w różnych konfiguracjach, np. pod sufitem,
pojedyncze elementy przestrzenne.
O właściwościach dźwiękochłonnych ustrojów decyduje rodzaj i grubość wkładki
dźwiękochłonnej, głębokość ustroju, jego wymiary i rozmieszczenie. Istotny jest też materiał,
z którego jest wykonana płyta czołowa i dzielą się one na:
−
ustroje wykonane z gipsu,
−
ustroje z blach perforowanych,
−
ustroje z drewna i materiałów drewnopochodnych,
−
ustroje z płyt, których materiał stanowi wełna mineralna.
Oto kilka z ustrojów dźwiękochłonnych:
Sufity podwieszane [7, 8] oprócz funkcji dźwiękochłonnych pomieszczeń mogą spełniać
również inne zadania (dekoracyjne, ognioodporne, maskujące elementy instalacji
elektrycznych, wentylacyjnych, grzewczych, obniżające wysokość pomieszczeń oraz
klimatyzacyjne). Sufity podwieszone stosuje się w przypadkach konieczności zwiększenia
izolacyjności stropu od dźwięków powietrznych (najczęściej wtedy, gdy taka potrzeba
występuje tylko w przypadku nielicznej liczby stropów). Najkorzystniejsze parametry
akustyczne uzyskuje się stosując podwieszone sufity z płyt gipsowo – kartonowych
zamocowanych do konstrukcji wykonanej z kształtowników zimnogiętych z wypełnieniem
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
wełną mineralną lub szklaną. Mogą być również stosowane układy warstwowe z płyt z wełny
mineralnej (z wyłączeniem wełny mineralnej typu lamela) pokrytych tynkiem. Nie należy
stosować izolacyjnych sufitów z płyt styropianowych pokrytych tynkiem lub płytą gipsowo –
kartonową, ponieważ takie rozwiązanie pogarsza izolacyjność akustyczną stropu. Istnieją
sufity podwieszane charakteryzujące się równocześnie właściwościami dźwiękoizolacyjnymi
i dźwiękochłonnymi.
Pochłaniacze (absorbery)
Najłatwiej pochłanianiu ulegają tony wysokie, najtrudniej zaś niskie [7]. Do pochłaniania
najniższych tonów trzeba użyć bardzo grubej warstwy materiału pochłaniającego, albo
specjalnych pułapek basowych. W ustrojach akustycznych stosuje się w zasadzie dwa
materiały pochłaniające: wełnę mineralną w różnych odmianach oraz gąbkę poliuretanową
z otwartymi porami. Wełna mineralna jest oprawiana w różnej wielkości ramki i pokrywana
przepuszczającym dźwięk płótnem. Powierzchnia może być płaska, lub wypukła,
co dodatkowo rozprasza falę dźwiękową. Cechą akustyczną wełny mineralnej jest
pochłanianie dźwięku, dlatego aby zbudować przegrodę dźwiękoizolacyjną, należy połączyć
wełnę z płytami gipsowymi, panelami, płytą OSB, boazerią lub blachą. Z tego względu
parametry
akustyczne
podaje
się
dla
konkretnych
układów
konstrukcyjnych.
W sporadycznych przypadkach wełna mineralna może być stosowana bez żadnej osłony, ale
wtedy musi być pokryta specjalnym welonem, bo bez niego szybko ulegała zabrudzeniu.
Rozwiązaniem uniwersalnym, które może być stosowane na ścianach i sufitach zarówno
w pomieszczeniach przemysłowych jak i reprezentacyjnych, są okładziny z płyt gipsowo –
kartonowych, które są elementami pochłaniającymi energię dźwięku. Wyroby z wełny
mineralnej są stosowane zarówno do izolacji akustycznej, jak i do wytłumiania pomieszczeń
i korekcji pogłosu. W ustrojach dźwiękochłonnych, takich jak sufity podwieszane czy ścianki
działowe, płyty z wełny mineralnej spełniają rolę materiału pochłaniającego dźwięk
i wypełniającego przestrzeń między płytami osłonowymi lub płytami osłonowymi
i konstrukcją budynku.
Gąbka poliuretanowa natomiast jest wycinana w różnej wielkości panele o urozmaiconej
powierzchni, jak np. piramidki, fale, uskoki. Urozmaicona powierzchnia tych materiałów
dodatkowo rozprasza dźwięk.
Rys. 19. Ćwierćwalce tłumiące [7]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
Rys. 20. Abflector, który pochłania i rozprasza dźwięk w narożach pomieszczeń [7]
Tłumienie niskich tonów
Fala dźwiękowa [7] poniżej 300Hz pochłaniana jest w niewielkim stopniu przez elementy
wyposażenia pomieszczenia. Do jej pochłonięcia trzeba użyć absorberów o specjalnej
konstrukcji, tzw. „pułapek basowych”, tzw. „bass – trap”, wśród których najbardziej
popularne to:
1.
Rezonatory Helmholtza – mają różną konstrukcję, działają na zasadzie rezonansu
Helmholtza, w którym, przy określonej częstotliwości zależnej od pojemności komory
rezonansowej i wielkości rury bassrefleksowej, dźwięk jest mocno tłumiony. Rezonator
ma najczęściej konstrukcję i wygląd skrzyni subwoofera (tyle, że bez głośnika) z jednym
lub wieloma otworami bassrefleksu, dostrojonymi do częstotliwości która ma być
tłumiona. Umieszcza się go w narożach pokoju za słuchaczem, tam gdzie występują
strzałki (wzmocnienia) fal stojących niskiej częstotliwości i jest to jedyna konstrukcja
umożliwiająca dokładne zwalczanie bardzo niskich, określonej częstotliwości dźwięków.
2.
Absorbery płytowe – ich budowa przypomina dość płaską skrzynię o określonej
pojemności, w której jedna ściana jest membraną. W zależności od ciężaru i powierzchni
tej membrany, pojemności skrzyni i rodzaju wypełnienia można tłumić rożne
częstotliwości. W odróżnieniu od rezonatorów Helmholtza działają stosunkowo
szerokopasmowo i nie dają się dostroić do określonej częstotliwości. Umieszcza się je na
ścianie za głośnikami lub za słuchaczem.
3.
Absorbery „przepływowe” to rodzaj skrzyni lub rury otwartej na obu końcach. Otwory
są zaślepione rożnej grubości tworzywem (gąbką) o otwartych porach. Wnętrze skrzyni
jest wypełnione materiałem tłumiącym. Działanie jest stosunkowo szerokopasmowe i nie
dają się dostroić do określonej częstotliwości. Umieszcza się je w narożach
pomieszczenia za słuchaczem.
Materiały rozpraszające
Rozpraszanie [2, 7] ma na celu zmniejszenie lub likwidację odbić fali dźwiękowej od
dużych powierzchni. Bez właściwego rozpraszania, do słuchacza będą docierały bardzo
wyraźne, indywidualne odbicia, czasem powodujące nawet powstawanie echa. Elementy
rozpraszające umieszcza się na bocznych ścianach, a nawet suficie, w miejscu powstawania
pierwszych odbić, a także za kolumnami (lub za słuchaczem, w zależności od możliwości
zagospodarowania pomieszczenia), czasami w narożach pokoju. Najbardziej chyba znanym
rozpraszaczem są z gąbki o urozmaiconej powierzchni (piramidki, uskoki), a także o kształcie
półwalca, który doskonale przerywa ciągłość fali dźwiękowej. Buduje się je także oparte na
konstrukcji z drewna, wypełnionej odpowiednim materiałem tłumiącym i pokrytym płótnem,
a zewnętrzny kształt (powierzchnia) odbija i rozprasza falę. Wytłumienie pomieszczenia
powoduje znaczny spadek poziomu szumu tła, dzięki czemu warunki odsłuchu znacznie się
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
poprawią. Znacznie lepsza będzie też rozdzielczość, każda nuta zabrzmi tak długo jak
powinna, dzięki czemu dźwięk stanie się bardziej przejrzysty.
Rys. 21. Półwalec rozpraszająco – tłumiący [7]
Rys. 22. „Skyline” – element rozpraszający w postaci słupków o różnej wysokości [7]
Materiały izolacyjne
Izolacja akustyczna (dźwiękoizolacyjność) [2] to miara określająca jak dobrze
konstrukcja budowlana (system) chroni, izoluje pomieszczenie od hałasu dochodzącego
z innych pomieszczeń lub z otoczenia. Wartość wyrażona jest w dB.
Aby powstrzymać dźwięk przed swobodnym przedostawaniem się z i do pomieszczenia
potrzebna jest masa. Im cięższa bariera, tym lepiej stłumi dźwięk. Izolacja ma na celu
zniwelowanie efektu przedostawania się dźwięku poza ściany pomieszczeń. Efektywność
pochłaniania (tłumienia) dźwięku określana jest mianem wskaźnika redukcji dźwięku,
mierzonego w decybelach (dB). Izolacja akustyczna jest mniej efektywna dla niskich
częstotliwości, dlatego efektywność pochłaniania dźwięku mierzy się najczęściej dla różnych
przedziałów częstotliwości. Ważnym zjawiskiem podczas projektowania izolacji jest tzw.
prawo masy, według którego w przypadku podwojenia masy ściany, transmisja dźwięku
przez nią obniży się o połowę. Akustyczne anomalie są powodowane przez fale dźwiękowe
odbijające się między dwoma płaszczyznami (np. równoległymi, gładkimi ścianami).
Zjawisko to może zostać zlikwidowane przez postawienie przegród akustycznych na drodze
fal dźwiękowy. Mogą to być ustroje rozpraszające, ekrany akustyczne, podwieszane ścianki,
lub meble. Okna łatwo wprowadzane są w drgania. Najlepszym rozwiązaniem jest
zamontowanie pikowanej osłony z włókna szklanego lub winylowej bariery na okno (6 mm
grubości, przepuszcza naturalne światło i daje wskaźnik STC na poziomie 26 dB). Podobnie
jest z drzwiami, gdyż one również stanowią słaby punkt akustyczny pomieszczenia
Technologia sufitów [7, 8, 9] łamanych i giętych pozwala na tworzenie różnych
kształtów powierzchni odbijających dźwięk. To konkretny przykład zastosowania płyt
gipsowo – kartonowych w ochronie akustycznej. Powierzchnie ukształtowane pod różnymi
kątami pozwalają na tworzenie płaszczyzn rozpraszających dźwięk w pomieszczeniu, przez
co powstaje odpowiednie dyfuzyjne pole akustyczne. Dla dużych sal, gdzie znaczenia ma
akustyka oralna, sufity można tak kształtować, aby odpowiednio kierowały falę dźwiękową
przez co następuje dogłośnienie tylne części sali. Łatwe eliminowanie płaskich powierzchni
z zastosowaniem płyt gipsowych pozwala na usuniecie niepożądanych efektów akustycznych,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
np. echo trzepoczące. Do budowy przestrzennych sufitów służy zarówno płyta gipsowa
zwykła jak i specjalna płyta perforowana.
Stosowanie płyt perforowanych w takich konstrukcja pozwala połączyć materiał
o podwyższonym współczynniku pochłaniania dźwięku z przestrzennym elementem
rozpraszającym. Płyty gipsowo – kartonowe można dowolnie kształtować nacinając je
i mocząc w wodzie a następnie pozostawiając na dobę do wyschnięcia żądanej formie.
Produkowane są również specjalne płyty gipsowo – kartonowe z elastycznym rdzeniem
i powierzchnią pokrytą włókniną, które mogą być dowolnie kształtowane bez dodatkowych
zabiegów (np. nawilżania).
Materiały odbijające dźwięk
Materiałami odbijającymi są te, które są twarde, im twardszy materiał, tym lepiej odbija
dźwięk. Do takich materiałów między innymi należą: drewno, granit, cegła, szkło, żelbet,
blacha, twarde i o mocno zbitej fakturze płyty pilśniowe. Czas pogłosu powinien być
dostosowany do funkcji i przeznaczenia pomieszczenia. Inny czas pogłosu będzie w sali
koncertowej, a inny w pomieszczeniu biurowym. Materiały pochłaniające dźwięk zmniejszają
czas pogłosu (zmniejszają echo), materiały odbijające dźwięk zwiększają czas pogłosu. Czas
pogłosu w pomieszczeniu nie może być ani zbyt długi, ani za krótki. Jeśli jest zbyt długi,
sylaby „zlewają” się ze sobą i stają się niewyraźne. Jeśli pogłos jest zbyt krótki, wówczas
przestrzeń wydaje się być „martwa”
Odbijające powierzchnie – ściany, sufity, meble, płyty ze szkła wtórnego, z granitu,
drewna powodują kontynuację propagacji dźwięku, powodując wzrostu hałasu pogłosowego.
Powierzchnie pochłaniające „łapią” energię dźwięku, ograniczając dalsze rozchodzenie się
hałasu. Powierzchnie nie pochłaniające stają się kolejnym źródłem podnoszącym poziom
dźwięku o ok. 3dB. Pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku wynosi: 0 dla materiałów
odbijających i 1,5 dla silnie dźwiękochłonnych ustrojów przestrzennych. Ważne jest, aby
zachować równowagę pomiędzy odbiciem, rozpraszaniem i tłumieniem, wówczas dźwięk
będzie brzmiał naturalnie, bez podbarwień.
Zagadnienia związane z obróbką dźwięku
Subiektywne i obiektywne kryteria percepcji dźwięku to:
−
równowaga dźwięku,
−
wyrazistość i rozdzielczość,
−
dyfuzyjność,
−
przestrzenność i pogłosowość dźwięku,
−
pełnia dźwięku i atmosfera akustyczna.
Atmosfera akustyczna [2] jest to subiektywne odczuwanie wrażenia współobecności
w pomieszczeniu, w którym trwa koncert lub nagranie. Słuchacz zatraca poczucie
przebywania przed głośnikami systemu audio i zostaje wirtualnie przeniesiony na koncert.
Dyfuzyjność określa równomierność rozproszenia energii akustycznej w pomieszczeniu.
Jeżeli wnętrze oznacza się dużą dyfuzyjnością, wówczas energia akustyczna jest
równomiernie rozproszona w całym pomieszczeniu.
Równowaga głośności jest to subiektywnie odczuwana proporcja pomiędzy głośnością
poszczególnych instrumentów, a także stosunek najgłośniejszych dźwięków do średnich
i najcichszych [2].
Przestrzenność to wrażenie przestrzenności dźwięku generowanego w pomieszczeniu.
Dźwięk przestrzenny [2] to elektroniczna symulacja dźwięku, która poprzez
zastosowanie opóźnień czasowych sygnałów, naśladujących odbicia fal dźwiękowych, daje
efekt przestrzenny. Wrażenie przestrzenności to odczucie, że dźwięk w pomieszczeniu
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
zamkniętym dochodzi z różnych kierunków, otacza słuchacza. Jest ono największe, dla
niskich częstotliwości, a maleje wraz z ich wzrostem.
Pogłosowość, aktywność [2] (liveness) – pomieszczenie jest akustycznie aktywne
wówczas, gdy jego objętość jest dostatecznie duża w stosunku do liczby osób znajdujących
się wewnątrz oraz gdy jego ściany odbijają dźwięk w dostatecznym stopniu. Aktywność
akustyczna sali nadaje właściwe brzmienie wykonywanej w niej muzyce i jest uzależniona
między innymi od czasu pogłosu dla średnich i wysokich częstotliwości (powyżej 500Hz).
Studio, sala koncertowa może być żywa i aktywna nawet wówczas, gdy jest uboga
w brzmienie basów.
Pełnia brzmienia, ciepło brzmienia muzyki w sali jest uzależnione od pogłosu na niskich
częstotliwościach, zależy ono od pełni brzmienia basów. Aby muzyka w sali brzmiała
„ciepło” konieczne jest występowanie dłuższego czasu pogłosu na niskich niż na średnich
częstotliwościach. W małych pomieszczeniach zdarza się niekiedy, że specyficznego
rozmieszczenia rezonansów w niskim zakresie częstotliwości poszczególne niskie dźwięki
muzyczne są wzmacniane przez pomieszczenie w różny sposób, czasami dość znacznie.
Mówi się wówczas o „beczkowatym” brzmieniu. W takich przypadkach, w pomieszczeniach
tych stosuje się tłumienie selektywne basów.
Przejrzystość dźwięku – C80 – to stosunek wczesnej energii dźwiękowej, docierającej
w czasie 80ms do późnej, czyli po czasie 80ms: Przejrzystość, to również właściwość
dźwięku pozwalająca słuchaczowi rozróżniać podstawowe składowe informacyjne i jest ona
zależna od tego, w jakim stopniu dźwięk jest wolny od wszelkiego rodzaju zniekształceń.
Wartości tego parametru są podawane w decybelach i przeważnie zawierają się wg
Beranek’a w granicach od -10 do 20dB. W przypadku, gdy C80 = 0dB, dźwięk pogłosowy
i wczesny są sobie równe. Pomiar przejrzystości odbywa się na rejestracji sygnału
pomiarowego w różnych częściach sali, a następnie na stworzeniu stosunku sumy energii
dźwiękowej bezpośredniej oraz pochodzącej od wszystkich odbić docierającej w czasie 80ms
do energii, która dociera po tym czasie. Górną granicą jest przeważnie 1-2s. Parametr ten jest
bezpośrednio związany z czasem pogłosu i określa zrozumiałość muzyki. W tzw. „suchych”
pomieszczeniach, czyli tam gdzie brak pogłosu, muzyka będzie bardzo czysta i C80 będzie
miał duże wartości, ale to z kolei pogarsza wrażenie przestrzenności. Natomiast, gdy RT jest
wysoki, automatycznie przejrzystość muzyki maleje i staje się ona nieczysta.
Wyrazistość – D50 to stosunek wczesnej energii dźwiękowej, docierającej w czasie 50ms
do całkowitej. Parametr ten charakteryzuje możliwość rozróżniania występujących po sobie
dźwięków. Im większa część energii jest skumulowana w czasie do 50ms od momentu
wyłączenia źródła, (w praktyce nadania sygnału dźwiękowego), tym rozróżnienie kolejno
dochodzących dźwięków jest łatwiejsze. Duża wyrazistość sali łączy się jednak z utratą pełni
brzmienia i płynności przebiegu muzycznego. Taka wyrazistość jest korzystna dla muzyki
współczesnej i form polifonicznych, nie jest jednak pożądana w przypadku muzyki
romantycznej. Dla muzyków „suche” akustycznie sale, o przesadnej nieraz wyrazistości, są
nieprzyjemne, ponieważ najdrobniejsze niedokładności gry są łatwo zauważalne [33].
W salach koncertowych wyrazistość odnosi się do stopnia rozróżnialności poszczególnych
kwestii w muzyce, dlatego wartość tego parametru powinna przekraczać 65% [33].
Urządzenia służące do wzmacniania i przetwarzania dźwięku
W skład podstawowego toru fonicznego [1, 9] wchodzą następujące elementy: źródło
dźwięku, (np. magnetofon, odtwarzacz, mikrofon), wzmacniacz, zespoły głośników.
Mikrofon to urządzenie, które przetwarza fale dźwiękowe na impulsy elektryczne. Fale
dźwiękowe, które dochodzą do membrany powodują jej drgania. Drgania membrany
powodują jednocześnie drgania cewki, która znajduje się między biegunami magnesu.
W cewce wzbudza się prąd elektryczny.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
40
Głośniki – od ich jakości zależy jakość dźwięku. W głośniku dynamicznym
obsługującym system stereofoniczny następuje podział pasma akustycznego na dwie części
(lub więcej) – wysokotonową i średnio-niskotonową. Każde pasmo obsługiwane jest przez
oddzielny głośnik, o konstrukcji dostosowanej do przenoszonego pasma.
Do przetworzenia całego słyszalnego pasma potrzebne jest użycie przynajmniej dwóch
głośników: średnio – niskotonowego i wysokotonowego. W zaawansowanych i większych
systemach nagłośnieniowych, głośniki tego samego typu, odpowiedzialne za generację
dźwięku w danym pod – paśmie, grupuje się w ramach jednej obudowy – w kolumnie
głośnikowej. Kilka kolumn grupuje się w tzw. macierze, matryce, tablice. Oprócz głównego
systemu – nagłośnienia centralnego, gdzie wielkie kolumny umieszczane są w portalu sceny,
stosuje się też systemy polegające na umieszczaniu wokół widowni kilkudziesięciu małych
głośników, które umożliwiają uzyskanie efektu „biegnącego” czyli dźwięku otaczającego
widza. Efekt kwadrofoniczny powstaje w oparciu o cztery głośniki – dwa z przodu i dwa
z tyłu słuchacza. Przykładowo w kinach stosuje się systemy nagłośnieniowe oparte o standard
Dolby Digital czy DTS.
Zwrotnica elektryczna to układ filtrów, który dzieli sygnał biegnący od wzmacniacza
pomiędzy poszczególne głośniki. Zwrotnica służy do łączenia dwóch głośników tak, by
przejście pomiędzy głośnikami było płynne, niezauważalne, bez nierówności charakterystyki.
Ponadto zadaniem zwrotnicy jest wytłumienie rezonansów, które występują w każdym
głośniku.
Konsoleta służy do przetwarzania dźwięku. Stosowanie w konsoletach dźwiękowych
(stołach mikserskich) wysokiej klasy układów analogowych oraz przetwarzania cyfrowego
z 40 – bitowymi magistralami danych oraz 32 – bitowe magistrale sygnałowe zapewnia
wysoką jakość przetwarzanego sygnału. Sygnały foniczne, sygnały sterujące oraz impulsy
synchronizujące są przesyłane pomiędzy poszczególnymi modułami pojedynczymi łączami
światłowodowymi. Zawodowi realizatorzy dźwięku pracują zwykle na kilku konsoletach
dźwiękowych. Przykładowo w teatrze, główna konsoleta umieszczona na tyłach widowni,
tworzy całościowy obraz dźwiękowy spektaklu z dźwięków wydobywających się
z mniejszych konsolet umieszczanych w kieszeniach scenicznych czy orkiestronie.
Wzmacniacz mocy służy do wzmocnienia napięcia i prądu, czyli mocy, aby można było
wysterować kolumny głośnikowe. Wzmacniacze mocy mają wbudowaną ochronę przed
krótkim spięciem, infradźwiękami, przegrzaniem, falami radiowymi, stałą składową na
wyjściu, a nawet bezpieczniki transformatorowe w przypadku, gdy kabel zasilający zostanie
wpięty do niewłaściwego gniazdka.
Subwoofer to zestaw głośnikowy służący do odtwarzania najniższych częstotliwości
akustycznych. Subwoofery ustawia się w różnych konfiguracjach: osobno – dla uzupełnienia
zwykłych zestawów głośnikowych, w celu poszerzenia odtwarzanego zakresu pasma
i dynamiki, jako element tradycyjnego zestawu do dwukanałowego stereo z głośnikami
satelitarnymi, jako osobny moduł będący częścią wielodrożnej kolumny głośnikowej.
Krosownica jest to duży układ kilkudziesięciu, a nawet kilkuset gniazd (wejść/wyjść),
połączonych ze sobą i umieszczonych w jednej obudowie. Krosownica służy do zmiany
konfiguracji połączeń licznych urządzeń peryferyjnych, można szybko i bezbłędnie
przekierować sygnał w konkretne miejsce w zależności od potrzeb.
Crossover (zwrotnica częstotliwościowa) służy do podziału pasma pomiędzy
poszczególne drogi zestawu nagłośnieniowego, np. wydziela w układzie trójdrożnym tony
niskie, średnie i wysokie. Za pomocą crossoveru można ustawić częstotliwości podziału oraz
głośności poszczególnych torów. W takich zwrotnicach istnieje też możliwość zmiany
polaryzacji sygnału na poszczególnych drogach lub płynnej kompensacji czasowej, co
wpływa na lepsze zgranie fazowe głośników.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
41
Korektor graficzny (equalizer) – służy do zmiany wartości natężenia dźwięku dla
poszczególnych częstotliwości. Można w ten sposób uzyskać głośniejsze lub cichsze tony
wysokie, średnie lub niskie. Korektor graficzny koryguje barwę dźwięku. W zestawach
wieżowych włącza się go w szereg pomiędzy źródłem sygnału (np. tunerem)
a wzmacniaczem. Korektor składa się z suwaków od 5 do 10 częstotliwości korekcyjnych na
kanał oraz wzmocnienia, ma też możliwość wyłączenia korekcji. Najczęściej stosuje się tzw.
korektor tercjowy, czyli 31 punktów korekcji na kanał. Taki korektor precyzyjnie modeluje
brzmienie, zaś szerokość poszczególnych pasm pozwala na naturalne brzmienie bez
zniekształceń nieliniowych.
Miksery (kompaktowe i uniwersalne) posiadające wejścia mikrofonowe / liniowe – od
5 do 24 i wejścia stereofoniczne. Wysoką jakość dźwięku zapewniają ultra niskoszumowe
przedwzmacniacze mikrofonowe. Filtry dolnozaporowe zainstalowane w kanałach
monofonicznych eliminują niepożądane przydźwięki, takie jak hałas sceniczny, podmuchy
wiatru oraz niskoczęstotliwościowe rezonanse sal nagraniowych. Wielopasmowy korektor
zainstalowany w każdym torze pozwala na pełną kontrolę nad miksem.
4.4.2.
Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Jakie są właściwości akustyczne materiałów?
2.
Co to jest dźwiękochłonność?
3.
Jakie są materiały i wyroby dźwiękochłonne?
4.
Czym się charakteryzują materiały i wyroby dźwiękochłonne?
5.
Jakie znasz pochłaniacze dźwięku?
6.
Czym się charakteryzują pochłaniacze dźwięku?
7.
Czym charakteryzują się materiały i wyroby rozpraszające?
8.
Jakie są właściwości materiałów i wyrobów izolacyjnych?
9.
Jakie są właściwości materiałów i wyrobów odbijających dźwięk?
10.
Czy potrafisz wyjaśnić terminy związane z obróbką dźwięku?
11.
Jaka jest różnica między przejrzystością a wyrazistością dźwięku?
12.
Jakie są urządzenia służące do wzmacniania i przetwarzania dźwięku?
13.
Czym charakteryzują się urządzenia do wzmacniania i do przetwarzania dźwięku?
4.4.3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj opisu właściwości akustycznych materiałów i wyrobów izolacyjnych,
pochłaniających, odbijających i rozpraszających dźwięk.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.4.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć film lub plansze o właściwościach akustycznych materiałów i wyrobów,
4)
obejrzeć próbki materiałów o różnych właściwościach pochłaniania i przewodzenia
dźwięków,
5)
wyciągnąć wnioski i zapisać je w formie notatki,
6)
przetestować właściwości akustyczne materiałów i wyrobów,
7)
opisać właściwości akustyczne materiałów i wyrobów,
8)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
42
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
próbki materiałów o różnych właściwościach pochłaniania i przewodzenia dźwięków,
−
zestaw urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń i układów odsłuchowych,
−
film lub plansze o właściwościach akustycznych materiałów i wyrobów,
−
magnetowid VHS z telewizorem lub odtwarzacz DVD z monitorem,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 2
Wykonaj projekt adaptacji akustycznej Twojego pokoju uwzględniając jego właściwości
akustyczne.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.4.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
opracować listę urządzeń audio do nagłośnienia,
4)
przeprowadzić badania akustyczne pomieszczenia,
5)
dobrać i użyć odpowiednich materiałów o właściwościach pochłaniania i przewodzenia
dźwięków,
6)
wyciągnąć i zanotować wnioski,
7)
wykonać projekt,
8)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
komputer z dostępem do Internetu,
−
zestaw urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń i układów odsłuchowych,
−
materiały o różnych właściwościach pochłaniania i przewodzenia dźwięków,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Dobierz urządzenia nagłośniające do sali gimnastycznej uwzględniając właściwości
akustyczne pomieszczenia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.4.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
opracować listę urządzeń audio do nagłośnienia,
4)
przeprowadzić badania akustyczne pomieszczenia,
5)
dobrać urządzenia wchodzące w skład systemu nagłośnienia,
6)
wyciągnąć i zanotować wnioski,
7)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
43
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
zestaw urządzeń do wzmacniania lub pochłaniania dźwięków,
−
zestaw urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń i układów odsłuchowych,
−
schemat połączeniowy instalacji nagłośnieniowej,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
4.4.4.
Sprawdzian postępów:
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
opisać właściwości akustyczne materiałów?
2)
przeprowadzić testy właściwości akustycznych materiałów?
3)
posłużyć się urządzeniami do pomiaru akustyki pomieszczeń
i układów odsłuchowych?
4)
przeprowadzić badania akustyczne pomieszczenia?
5)
wykonać projekt nagłośnienia?
6)
dobrać urządzenia służące wzmacnianiu lub przetwarzaniu dźwięku?
7)
wyjaśnić terminy związane z obróbką dźwięku?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
44
4.5.
Projektowanie pomieszczeń o określonych wymaganiach
akustycznych
4.5.1.
Materiał nauczania
Zasady projektowania akustycznego
Przed przystąpieniem do projektowania wnętrza [12] należy się zastanowić nad
warunkami akustycznymi przestrzeni. Jeżeli warunki przestrzenne wskazują na możliwość
wystąpienia niekorzystnych zjawisk dźwiękowych, warto wykonać audyt akustyczny, który
podpowie właściwe rozwiązania. Adaptacja akustyczna polega na wprowadzeniu do
pomieszczenia odpowiedniej ilości materiału dźwiękochłonnego, tłumiącego lub poprzez
odpowiednie formy rozpraszającego dźwięk. Te dwa rozwiązania powinny być stosowane
jednocześnie. Systemy adaptacji akustycznej łączą dwie własności fizyczne – pochłanianie
i rozpraszanie fali dźwiękowej. W zależności od rodzaju i funkcji, jakie ma spełniać
projektowane pomieszczenie należy przestrzegać wielu norm, dotyczących ochrony przed
hałasem, izolacyjności czy dźwiękochłonności.
Budynki i pomieszczenia specjalne, przeznaczone profesjonalnie do słuchania
emitowanych dźwięków – opery, filharmonie, sale koncertowe, sale teatralne, kina i audytoria
muszą być tak wykonane, aby natężenie dźwięku miało możliwie równomierny rozkład
w całym pomieszczeniu. Dźwięk powinien być wyrazisty, bez echa i rezonansu, z właściwym
pogłosem, czyli pozornym wydłużeniem dźwięku, pożądanym zwłaszcza przy słuchaniu
muzyki oraz śpiewu. Uwzględnić należy tu wiele czynników, takich jak wielkość widowni,
wpływ kształtu sceny, wpływ tzw. fosy orkiestrowej (pomieszczenia znajdującego się między
sceną, a widownią, poniżej sceny), wpływ balkonów, itp. Szczególnie ważne jest uzyskanie
równomiernego natężenia dźwięku we wszystkich miejscach widowni. Aby to uzyskać,
należy unikać wykonywania we wnętrzach powierzchni wklęsłych, prowadzących dźwięki do
jednego punktu. Trzeba też unikać głębokich wnęk pod balkonami, do których dźwięki mogą
w ogóle nie dochodzić. Ponadto ściany nie powinny być projektowane jako powierzchnie do
siebie równoległe, ponieważ może to powodować powstanie echa pojedynczego lub
wielokrotnego. Sufit powinien zapewnić równomierne odbicie fal dźwiękowych na całą
powierzchnię podłogi widowni, zatem nie powinien pochłaniać dźwięków.
Sale koncertowe, przeznaczone do słuchania muzyki symfonicznej, powinno się
projektować na około 1500 osób, zaś sale przeznaczone do słuchania muzyki kameralnej na
około 400 osób. Zapewni to dobrą słyszalność ze wszystkich miejsc widowni. W sali
operowej musi być zaprojektowana fosa dla orkiestry, przy czym górny jej otwór powinien
zajmować około 2/3 podłogi fosy. Dźwięki ze sceny powinny być kierowane jedynie na
widownię, natomiast te ściany, które mogłyby odbijać fale w kierunku sceny, powinny być
okryte materiałami dźwiękochłonnymi.
Podczas rozprzestrzeniania się dźwięku w pomieszczeniu może nastąpić:
−
dużo odbić promieni dźwiękowych od powierzchni, co pogarsza jakość dźwięku,
−
utrata przestrzenności w pomieszczeniu przez zastosowanie zbyt wiele ustrojów
pochłaniających dźwięk, co można łatwo zauważyć słuchając np. koncertów,
−
zmniejszenie naturalności nagrania przez nieodpowiednie ustawienie urządzeń
głośnikowych, a także miejsca odsłuchu. Nie można wtedy w pełni odebrać walorów,
jakie oferuje dźwięk stereo lub dźwięk przestrzenny.
Odbicia promieni dźwiękowych wyznacza się na zasadzie lustrzanego odbicia: kąt
padania = kątowi odbicia. Można to rozrysować do wstępnego ustalenia położenia ustrojów
pochłaniających i rozpraszających dźwięk. Start promienia rozpoczyna się z urządzenia
głośnikowego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
45
Tworząc projekt akustyki pomieszczenia wykorzystuje się właściwości akustyczne
materiałów podanych przez producenta, najczęściej współczynnik pochłaniania dźwięku (dla
różnych częstotliwości). Znając ten parametr, można kształtować czas pogłosu za pomocą
obliczeń lub symulacji dla danych częstotliwości w pomieszczeniu. Dzięki temu można
wcześniej wybrać lub zmieniać materiały i ich powierzchnie, które mają zostać wprowadzone
do rzeczywistego pomieszczenia. Unika się w ten sposób problemów związanych np.
z pochłanianiem pewnych zakresów częstotliwości. Dzieje się tak często, gdy nieświadomie,
chcąc zwiększyć chłonność pomieszczenia, aby obniżyć pogłos, tworzą się skuteczne ustroje
pochłaniające pewien zakres częstotliwości. Takim ustrojem może być np. korek + płyta +
wełna na ścianie. W kształtowaniu akustyki pomieszczeń, wiele czynników ma znaczenie,
w tym rodzaj materiału, odległość od ściany, perforacja, ukształtowanie.
Ciśnienie akustyczne w pomieszczeniu
Poziom ciśnienia akustycznego dźwięku [11] w pewnej odległości od źródła
znajdującego się w pomieszczeniu zależy od:
−
mocy akustycznej źródła dźwięku,
−
częstotliwości (widma) dźwięku,
−
charakterystyki kierunkowości promieniowania źródła dźwięku,
−
pochłaniania i przesunięć fazowych fal dźwiękowych powstających w wyniku odbicia od
powierzchni ograniczających pomieszczenie,
−
rozproszenia dźwięku na nieregularnych powierzchniach,
−
kształtu pomieszczenia i obecności przedmiotów w pomieszczeniu,
−
ugięcia fal (uzależnionego od wymiarów liniowych przeszkody i długości fali
akustycznej),
−
pochłaniania dźwięku w powietrzu.
Rysunek 23 ilustruje podstawowe czynniki i zjawiska związane z propagacją fali
akustycznej, które wpływają na pole akustyczne w pomieszczeniu.
Rys. 23. Wybrane czynniki decydujące o wypadkowym poziomie ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu [11]
Umieszczenie punktowego źródła dźwięku na płaskiej powierzchni odbijającej [11], przy
krawędzi długich ścian lub w narożniku pomieszczenia sprawia, że cała energia emitowana
przez źródło dźwięku zostaje wypromieniowana w ograniczonym kącie bryłowym. Przypadki
takie ilustruje rysunek 24, gdzie W jest kątem bryłowym w radianach. Współczynnik
kierunkowości promieniowania wynikający z konfiguracji geometrycznej otoczenia źródła
można obliczyć ze wzoru Q = 4 p/ W i wykazać że współczynnik Q wpływa na poziom
ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu jedynie w niewielkiej odległości od źródła dźwięku.
Gdy współczynnik Q przyjmuje duże wartości wynikające z kierunkowych właściwości
samego źródła dźwięku (kolumna głośnikowa), wówczas dominujący udział fali
bezpośredniej w wypadkowym poziomie dźwięku może obejmować stosunkowo duży obszar
w pomieszczeniu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
46
Dla konfiguracji geometrycznych pokazanych na rysunku 24 wartości współczynnika
kierunkowości Q i odpowiadającego jemu wzrostowi poziomu ciśnienia akustycznego w tej
samej odległości od źródła dźwięku są następujące:
−
pole swobodne (dźwięk bezpośredni): Q = 1 wzrost 0dB,
−
źródło na dużej płaszczyźnie (brak oddziaływań pozostałych ścian): Q = 2 wzrost 3dB,
−
źródło przy krawędzi 2 ścian (brak wpływu pozostałych ścian): Q = 4: wzrost 6dB,
−
źródło w miejscu połączenia 3 ścian: Q = 8: wzrost 9dB.
Rys. 24. Kąt bryłowy promieniowania źródła punktowego zależny od konfiguracji geometrycznej otoczenia,
w którym znajduje się źródło dźwięku [11]
Pokazane na rysunku 23 zjawisko ugięcia fali występuje, gdy liniowe wymiary
przeszkody są dużo mniejsze i porównywalne z długością fali akustycznej. Ugięcie fali
powoduje, że za przeszkodą znajdującą się w pomieszczeniu nie powstaje cień akustyczny.
Dla średnich i wysokich częstotliwości, fale nie ulegają ugięciu i za przeszkodą powstaje cień
akustyczny. Jest to efekt niepożądany, bo wpływa na nierównomierność nadźwiękowienia
sali. Aby tego uniknąć, należy sprawdzić jak długość fali dźwiękowej zależy od
częstotliwości oraz porównać wymiar liniowy przeszkody znajdującej się w pomieszczeniu z
długością fali dźwiękowej. Gdy fala dźwiękowa pada na powierzchnię pochłaniającą, część
jej energii zostaje zamieniona na ciepło wewnątrz zwykle włóknistej lub porowatej struktury
materiału pochłaniającego. Natężenie fali odbitej od takiej powierzchni będzie więc
zmniejszone o wartość energii pochłoniętej. Podczas odbicia fali dźwiękowej od powierzchni
pochłaniającej następuje też zmiana jej fazy, która zależna jest od częstotliwości dźwięku.
Często powierzchnie ścian w pomieszczeniu cechują się określoną nierównomiernością.
Fala dźwiękowa padając na taką powierzchnię odbija się jednocześnie w wielu kierunkach,
przez co ulega rozproszeniu. W wyniku tego natężenie fali odbitej biegnącej wzdłuż linii
odbicia zwierciadlanego, będzie zmniejszone o sumę wartości energii związanych z falami
odbitymi w innych kierunkach. Jednym ze sposobów wpływania na właściwości akustyczne
sal jest umiejętne rozproszenie dźwięku poprzez wykorzystanie specjalnych elementów
o różnych rodzajach nierównomierności. Podobnie jak w przypadku zjawiska ugięcia fali
akustycznej na przeszkodzie, wymiary geometryczne związane z nieregularnością
powierzchni decydują o skuteczność danego rozwiązania dla określonej długości fali
akustycznej lub pasma częstotliwości.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
47
Teoria geometryczna
Geometryczna akustyka wnętrz [11] zakłada, że fale dźwiękowe zachowują się
identycznie jak promienie świetlne. Rozchodzą się po liniach prostych, kąt odbicia fali od
płaszczyzny jest równy kątowi padania. Za przeszkodą powstaje cień akustyczny, ponieważ
fale (promienie) nie ulegają ugięciu na krawędzi przeszkody. Promienie akustyczne padając
na zakrzywione powierzchnie mogą ulegać skupieniu bądź rozproszeniu. Promień dźwiękowy
emitowany przez źródło dźwięku docierający do punktu obserwacji drogą najszybszą (zwykle
jest to droga najkrótsza) odpowiada fali bezpośredniej, co ilustruje rysunek 25. Fala ta dociera
do obserwatora nie ulegając odbiciu od żadnej ze ścian. Wyjątek stanowi tu sytuacja, gdy
źródło i punkt obserwacji wzajemnie się „nie widzą”. W dalszej kolejności do punktu
obserwacji docierają fale stanowiące, tzw. wczesne odbicia o dużym natężeniu i możliwe do
odseparowania na osi czasu.
Rys. 25. Echogram ilustrujący zależności amplitudowo-czasowe pomiędzy falą bezpośrednią, wczesnymi
odbiciami i pogłosem [11]
Na podstawie echogramu można wykreślić proces narastania i zaniku dźwięku
w pomieszczeniu sumując lub odejmując amplitudy fali bezpośredniej i fal odbitych. Rysunek
26 pokazuje sposób konstruowania krzywych narastania i zaniku dźwięku dla fali
bezpośredniej i dwóch fal odbitych.
Rys. 26. Narastanie i zanik dźwięku skonstruowany metodą graficzną: 1 – fala bezpośrednia, 2 – pierwsza fala
odbita, 3 – druga fala odbita [11]
Natężenie fali w pomieszczeniu maleje wraz z przebytą od źródła dźwięku drogą, a także
na skutek pochłonięcia części jej energii przez elementy, od których się odbiła. Po pewnym
czasie liczba pojawiających się w danym punkcie obserwacji promieni akustycznych staje się
bardzo duża, a odstępy czasu pomiędzy kolejnymi falami bardzo małe. Nie można wówczas
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
48
odróżnić poszczególnych fal, które łącznie wywołują wrażenie pogłosu. W wyniku przebycia
długiej drogi i pochłonięcia podczas wielokrotnych odbić, energia fali (promienia) jest już tak
mała, że praktycznie nic nie wnosi do energii wypadkowej fal, które już dotarły do danego
punktu. Zakłada się, że promień akustyczny w pewnej chwili kończy swój bieg a zawarta
w nim energia zostaje w danym miejscu wypromieniowana wszechkierunkowo.
Na bazie geometrycznej akustyki wnętrz opracowana została większość programów
komputerowych służących do obliczeń właściwości akustycznych sal. Programy te nie tylko
pozwalają na optymalizację kształtu pomieszczenia, lecz również na odpowiednie
rozmieszczenie elementów pochłaniających dźwięk i obliczenie charakterystyk pogłosowych.
W geometrycznej akustyce wnętrz ważne jest to, w jakim punkcie będzie zlokalizowane
źródło dźwięku i odbiornik. Pomija się natomiast zależności fazowe pomiędzy falami
spotykającymi się w danym punkcie pomieszczenia.
Analiza właściwości pomieszczeń na gruncie teorii geometrycznej daje wiele informacji
dotyczących np. miejsc koncentracji energii, niekorzystnych energetycznie i z punktu
widzenia zależności czasowych odbić (echa) i cienia akustycznego. Prawidłowe
wnioskowanie może mieć jednak dla tej teorii miejsce głównie dla fal, których długości są
dużo mniejsze od najmniejszego liniowego wymiaru pomieszczenia. Teoria ta sprawdza się
najlepiej dla dużych pomieszczeń i wyższych częstotliwości pasma akustycznego. Wiele sal
zaprojektowanych głównie w oparciu o rozważania geometryczne posiada dobre i bardzo
dobre właściwości akustyczne.
Teoria falowa
Teoria falowa [11] traktuje pomieszczenie jako złożony przestrzenny układ
wielorezonansowy (modalny) cechujący się teoretycznie nieskończoną liczbą częstotliwości
drgań własnych. Rozważając pomieszczenie jako przestrzeń ograniczoną dwoma
równoległymi nieskończenie dużymi powierzchniami, znajdującymi się w określonej od
siebie odległości, (rys.27) można zauważyć, że dla fal akustycznych rozchodzących się
prostopadle do płaszczyzny, występuje dla pewnych ich długości określony, stabilny rozkład
pola akustycznego. Fale biegnące w kierunku równoległym do płaszczyzn nie są istotne,
ponieważ nie mogą one ulec odbiciu. Ten stabilny rozkład pola akustycznego to fale stojące,
których charakterystyczną cechą jest występowanie w określonych miejscach maksimów
(strzałek) i minimów (węzłów) natężenia dźwięku. W tej teorii falowej stosowanie pojęcia
częstotliwości rezonansowej pomieszczenia w zasadzie nie jest właściwe. Częstotliwość
rezonansowa zwykle jest związana z osiągnięciem maksymalnych możliwych wartości
określonego parametru, gdy częstotliwość sygnału testowego odpowiada częstotliwości
rezonansowej. W pomieszczeniu występują natomiast mody drgań, którym przypisuje się
określone wartości częstotliwości, a poziom ciśnienia akustycznego może dla danego modu
przyjmować różne wartości w zależności od miejsca w sali: maksymalne (strzałka),
minimalne (węzeł) lub pośrednie. Dodanie kolejnej, drugiej i trzeciej pary ścian tworzących
prostopadłościan spowoduje bardziej złożony rozkład pola akustycznego szczególnie wtedy,
gdy odległości pomiędzy kolejnymi parami ścian będą zróżnicowane. Teoria falowa, dla
pomieszczeń prostopadłościennych o ścianach idealnie odbijających, zawiera formułę
pozwalającą na obliczenie częstotliwości modów drgań, gdy znane są wymiary pomieszczenia
D – długość, S – szerokość i W – wysokość:
2
2
2
2
)
,
,
(
+
+
=
W
k
S
j
D
i
c
k
j
i
f
gdzie:
c – prędkość dźwięku,
indeksy i, j, k – mogą przyjmować dowolne wartości całkowite od 0 do nieskończoności.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
49
Z teorii falowej wynika między innymi to, że w narożnikach pomieszczeń wartości
poziomu ciśnienia akustycznego są największe, czyli umieszczenie głośnika w narożniku
zapewni najlepsze wzbudzenie wszystkich modów drgań pomieszczenia i jeżeli nieduże
pomieszczenie powoduje wyraźne uwypuklenie bardzo niskich częstotliwości, to
najwłaściwszym miejscem na umieszczenie odpowiedniego ustroju akustycznego
ograniczającego ten efekt są właśnie narożniki. Wyeliminowanie niskoczęstotliwościowych
rezonansów w pomieszczeniu nie jest zadaniem łatwym i wymaga zastosowania specjalnych
elementów rezonansowych selektywnie tłumiących fale o określonych częstotliwościach.
Rys. 27. Fale stojące powstające pomiędzy dwoma równoległymi, nieskończenie dużymi ścianami [11]
Dla fal osiowych, niezależnie od przypisanej danemu modowi częstotliwości drgań, przy
ścianach występuje strzałka ciśnienia akustycznego i oznacza, że umieszczenie w tym miejscu
elementu pochłaniającego będzie w równym stopniu wpływać na wytłumienie dźwięku
w szerokim paśmie częstotliwości. Jeżeli jednak dźwięk o określonej częstotliwości, będzie
selektywnie tłumiony, wówczas materiał tłumiący należy umieścić w odległości
odpowiadającej strzałce poziomu ciśnienia akustycznego. Dla modu o n=2 (rys.27) oznacza
to, że element pochłaniający powinien być umieszczony na środku pomieszczenia, czego
z oczywistych względów nikt nie zaakceptuje. Rozwiązania takie realnie można stosować
w zakresie wyższych częstotliwości akustycznych, umieszczając materiał pochłaniający
w odległości odpowiadającej lokalizacji pierwszej, licząc od ściany, strzałki poziomu
ciśnienia akustycznego. Należy przy tym pamiętać że sam materiał, z którego wykonany jest
element pochłaniający posiada specyficzną charakterystykę współczynnika pochłaniania
w zależności od częstotliwości dźwięku, którą również należy uwzględniać.
Dla danych wymiarów ścian, gdy przechodzimy do zakresu coraz wyższych
częstotliwości akustycznych liczba modów drgań pomieszczenia odniesiona do stałego
przedziału częstotliwości rośnie. Dla niewielkich pomieszczeń i zakresu niskich
częstotliwości odstępy pomiędzy wartościami częstotliwości kolejnych modów drgań
własnych pomieszczenia stają się coraz większe. Duże odstępy pomiędzy modami są
niekorzystne, gdyż powodują selektywne wzmacnianie bądź tłumienie określonych
składowych widma dźwięku. Prowadzi to do nienaturalnego brzmienia mowy, gdy
wspomniane modyfikacje dźwięku dotyczą np. podstawowych częstotliwości tonu
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
50
krtaniowego. Problem ten w dużych salach nie występuje, ponieważ gęstość rozmieszczenia
na skali częstotliwości modów drgań własnych również w zakresie niskich częstotliwości
akustycznych jest dla tych sal wystarczająco duża.
Analizując odstępy pomiędzy obliczonymi wartościami częstotliwości odpowiadającymi
kolejnym modom drgań własnych pomieszczeń można znaleźć optymalne proporcje
geometryczne wymiarów pomieszczenia zapewniające równomierny rozkład modów na skali
częstotliwości. Analizy takie przeprowadził Bolt podając krzywą zwaną od jego nazwiska
krzywą Bolta, pozwalającą na właściwy wybór proporcji geometrycznych: długość,
szerokość, wysokość (D:S:W) pomieszczenia.
W realnych warunkach ściany pomieszczenia są wykonane z materiałów częściowo lub
całkowicie pochłaniających energię dźwiękową. Wówczas w równaniach opisujących pole
akustyczne w pomieszczeniu należy uwzględnić stosowne warunki brzegowe. Dla fali
dźwiękowej padającej prostopadle na płaszczyznę pochłaniającą dźwięk, część rzeczywista
impedancji akustycznej jest dużo większa od części urojonej. W tej sytuacji konfiguracja fal
stojących w pomieszczeniu w niewielkim stopniu się zmienia. Zmniejszeniu ulegają wartości
poziomu ciśnienia dla strzałek, a podwyższeniu dla węzłów. W granicy, dla materiału idealnie
pochłaniającego otrzymamy więc stały poziom ciśnienia akustycznego.
Teoria falowa jest przydatna przy projektowaniu pomieszczeń o niewielkich wymiarach.
W pomieszczeniach takich trudno mówić o rozproszonym polu dźwiękowym, a ich cechą
charakterystyczną jest występowanie nieregularności pola akustycznego. Studia nagrań,
pomieszczenia mieszkalne i pomieszczenia, w których mogą wystąpić źródła emitujące
dźwięk o strukturze tonalnej w zakresie niskich częstotliwości powinny być projektowane
również na bazie teorii falowej.
Teoria statyczna
Prowadzone przez Sabina badania [11] doprowadziły do formuły podającej zależność
czasu pogłosu od wielkości (objętości) pomieszczenia i zdolności pochłaniania dźwięku przez
jego ściany. Dokładna analiza zjawisk zachodzących w pomieszczeniu w stanach
nieustalonych dźwięku prowadzi do wniosku, że reakcja pomieszczenia na zmianę poziomu
ciśnienia akustycznego nie jest natychmiastowa i cechuje się określoną bezwładnością.
Zgodnie z teorią statystyczną w pomieszczeniu, w polu rozproszonym, zanik energii dźwięku
odbywa się według następującej zależności:
−
°
=
−
=
t
V
cA
E
t
V
cA
cA
W
t
E
4
exp
4
exp
4
)
(
gdzie:
c – prędkość dźwięku,
V – objętość pomieszczenia,
E
0
– wartość energii dźwięku w stanie ustalonym.
Efekt dźwięku przestrzennego
Efekt dźwięku przestrzennego otrzymuje się poprzez stosowanie zestawu odpowiednio
dużych, wysokosprawnych układów głośników tworzących kolumny głośnikowe. Dobór
kolumn głośnikowych powinien być uzależniony od wielkości pomieszczenia tak, aby
uzyskać odpowiedni, oczekiwany efekt przestrzenny. Głośniki i głowa słuchacza powinny
tworzyć trójkąt równoboczny lub równoramienny. W trójkącie tym odległość głośników od
słuchacza powinna być o około 10% większa niż odległość pomiędzy głośnikami. Głośniki
wysokotonowe powinny się znaleźć na wysokości uszu słuchacza, ustawione na specjalnych
podstawkach, o regulowanej wysokości. Tę wysokość dopasowuje się do znajdującego się
w pomieszczeniu fotela.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
51
Projektowanie akustyczne pomieszczenia z kinem domowym
Elementy adaptacji akustycznej [12] powinny znajdować się przede wszystkim na ścianie
za widzem, na suficie, jeżeli znajduje się on na znacznej wysokości, w narożnikach
pomieszczenia, na dłuższym jego boku, a także przed widzem, na ścianie stanowiącej tło dla
odbiornika wizyjnego. Ściany i stropy pomieszczenia powinny być wyposażone w okładziny
posiadające wysoką izolacyjność akustyczną, zabezpieczając przed przenoszeniem się
dźwięku do innych części domu. Adaptacja akustyczna eliminuje odbicia, tworząc pole
akustyczne. Pozwala też znakomicie słyszeć przestrzenność dźwięku. Pokrycia akustyczne
skutecznie eliminują negatywne czynniki, jakie posiada każda zamknięta przestrzeń. Dobrze
jest, gdy ściany pomieszczenia, w którym znajduje się kino domowe są matowe, pomalowane
w kolorze ciemnym, tak, aby światło emitowane przez projektor wizyjny nie odbijało się.
Pokrycia dźwiękochłonne na tych ścianach oraz na suficie dają pewność dobrego efektu
odsłuchowego.
Komfort oglądania filmów czy słuchania muzyki przy użyciu kina domowego uzyskuje
się dzięki odpowiedniemu skorelowaniu urządzenia projekcyjnego z położeniem widza,
uwzględniając jego wygodę. Na jakość oglądanego obrazu wpływa odległość widza od
ekranu. Odległość ta jest uzależniona od typu urządzenia wyświetlającego. Dla urządzeń
określanych mianem kina domowego, widz powinien znajdować się w odległości nie
mniejszej niż dwie długości podstawy ekranu, gdyż gwarantuje to dobry odbiór obrazu, nawet
panoramicznego. Niezbędnym elementem wyposażenia kina są również odpowiednie fotele –
wygodne, z niskim oparciem oraz koniecznie bez zagłówków, które przeszkadzają i zakłócają
odbiór przestrzeni dźwiękowej. Dobrym elementem dopełniającym przestrzeń jest dywan lub
wykładzina, gdyż zapobiegają odbijaniu się dźwięku od podłogi.
Techniki projektowania akustyki w pomieszczeniach biurowych
Na klimat akustyczny w biurze [13] duży wpływ ma ilość powierzchni przypadającej na
pracownika. W przestrzeni biurowej można zastosować kilka technik pozwalających na
uzyskanie odpowiedniego komfortu akustycznego. Podchodząc kompleksowo do rozwiązania
problemów z akustyką, można wykorzystać zagospodarowanie przestrzeni, ograniczając
nakłady na dodatkową ochronę przed hałasem.
Izolowanie jest najskuteczniejszą techniką zmniejszenia obciążenia hałasem. Dotyczy
izolowania głośniejszych stanowisk, takich jak centrum telefoniczne oraz izolowania
w kategoriach pojedynczego źródła hałasu na stanowisku. Izolowanie związane jest również
parametrami technicznymi przegrody budowlanej. Ściany o odpowiednio wysokiej
izolacyjności akustycznej pozwalają skutecznie wydzielić pomieszczenia z silnymi źródłami
(serwerownie, pomieszczenia z drukarkami). Dobór przegrody powinien odbywać się na
podstawie oceny rzeczywistego lub szacowanego obciążenia hałasem.
Ekranowanie to technika opierająca się na tworzeniu naturalnych ekranów dla obszarów
wymagających wyższego komfortu akustycznego. Z wykorzystaniem szaf archiwizujących
i korytarza komunikacyjnego, można ekranować obszar rozmów z klientem od działu
przygotowania inwestycji. Ekranowanie to również wykonywanie stanowiskowych ekranów
przeciwdźwiękowych separujących pojedyncze stanowiska. O skuteczności tej techniki
decyduje analiza układu źródło – ekran – odbiorca. Ekranowanie jest skuteczne tylko
w pomieszczeniach, gdzie jest wyeliminowany hałas pogłosowy.
Aby zapewnić komfort akustyczny w przestrzeni, należy ograniczyć rozprzestrzenianie
się dźwięku odbitego od ścian, sufitu, mebli. Odbijające powierzchnie powodują kontynuację
propagacji dźwięku, powodując wzrostu hałasu pogłosowego. Powierzchnie pochłaniające
wychwytują energię dźwięku, ograniczając dalsze rozchodzenie się hałasu. Powierzchnie,
które nie maja właściwości pochłaniających, stają się kolejnym źródłem podnoszącym
poziom dźwięku o około 3dB. Parametrem określającym zdolność do pochłaniania dźwięku
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
52
i eliminacji hałasu pogłosowego jest pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku. Jego
wartość wynosi 0 dla materiałów odbijających, 1,5 dla silnie dźwiękochłonnych ustrojów
przestrzennych.
Oprócz właściwości dźwiękochłonnych, ścianki działowe, ekrany i sufity powinny
blokować propagację dźwięku. Technika blokowania jest związana z tworzeniem
przestrzennych form sufitu w połączeniu z ekranami stanowiskowymi i odpowiednim
ustawieniem biurek. Blokowanie ogranicza propagację bezpośrednią dźwięku. Duże
znaczenie w tworzeniu elementów blokujących ma orientacja pracownika na stanowisku
pracy. Głowa pracownika, jako źródło hałasu, generuje dźwięk kierunkowo, zatem
zastosowanie odpowiedniej orientacji dla stanowisk podnosi skuteczność blokowania.
Kamuflażem określa się elektroniczny system maskowania dźwiękiem dźwięków. Szum
generowany przez głośniki maskuje zbyteczne dźwięki docierające do stanowiska pracy.
System emituje stały poziom hałasu, przy którym rozmowa prowadzona przy sąsiednim stole
jest niezrozumiała. Maskowanie powinno zapewnić odpowiednią prywatność rozmowy, ale
też nie przeszkadzać w normalnej komunikacji. Generowany szum musi być akceptowalny
i nienatarczywy. W typowym biurze otwartym poziom dźwięku emitowany przez system
maskowania powinien wynosić około 42 – 50dB. Układ głośników oraz rodzaj generowanego
dźwięku należy dobierać indywidualnie do każdego biura według jego specyfiki pracy.
Rys. 28. Połączenie technik ograniczenia propagacji dźwięku między stanowiskami w biurze otwartym:
ekranowanie – ekran stanowiskowy, blokowanie – sufit przestrzenny, pochłanianie – sufit z materiału
w A klasie pochłaniania dźwięku [13]
Adaptacje akustyczne pomieszczenia dziennego
Nie jest łatwo poprawić akustykę pokoju dziennego [12], w przeciwieństwie do
pomieszczeń odsłuchowych, ponieważ są ograniczenia w stosowaniu ustrojów akustycznych.
Istnieje jednak możliwość podwieszenia sufitu, co gwarantuje pozytywne efekty oraz
pokrycie betonowych ścian np. płytami kartonowo – gipsowymi. Jeżeli jest możliwość, to
można umieścić na ścianach bocznych ustroje rozpraszające lub pochłaniające. Obszar za
słuchaczem powinny zajmować rozpraszacze (dla pomieszczeń mniejszych – do 20m²) lub
pochłaniacze (dla większych). Podobnie jak w przypadku ścian bocznych jest to
warunkowane preferencjami słuchacza. Dobrej jakości ustroje rozpraszające za urządzeniami
głośnikowymi poprawiają głębię sceny. Nie należy umieszczać kolumn głośnikowych czy
subwoofer’a w rogach pomieszczenia, gdyż są to miejsca, gdzie pobudzana jest maksymalna
liczba częstotliwości własnych pomieszczenia. Należy również wyeliminować miejsca, które
skupiają energię dźwiękową – sprawdzić odbicia promieni. Zagrożeniem są wnęki
i wklęsłości. Jeżeli nie ma możliwości zawieszenia ustrojów na ścianach, trzeba zastanowić
się nad ruchomymi konstrukcjami. Stoją one na podstawkach i w każdym momencie można je
przenieść lub schować, tym samym kształtować samemu akustykę. Wszystkie zmiany trzeba
wprowadzać stopniowo, aby nie faworyzować żadnych częstotliwości, a w znacznym stopniu
wpłynąć na akustykę, na rozchodzenie, rozpraszanie czy pochłanianie promieni
dźwiękowych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
53
4.5.2.
Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1.
Jakie są zasady projektowania akustycznego?
2.
Jakie właściwości należy uwzględnić projektując budynki i pomieszczenia specjalne
przeznaczone profesjonalnie do słuchania (opery, filharmonie, sale koncertowe)?
3.
Od czego zależy poziom ciśnienia akustycznego dźwięku w pewnej odległości od źródła
znajdującego się w pomieszczeniu?
4.
Kiedy występuje zjawisko ugięcia fali w pomieszczeniu?
5.
Kiedy maleje natężenie fali w pomieszczeniu?
6.
Do jakich projektów akustycznych można wykorzystać teorię geometryczną?
7.
Do jakich projektów akustycznych można wykorzystać teorię statyczną?
8.
Do jakich projektów akustycznych można wykorzystać teorię falową?
9.
W jaki sposób można uzyskać efekt dźwięku przestrzennego w pomieszczeniu?
10.
Jak należy zaprojektować akustycznie pomieszczenie z kinem domowym?
11.
Jakie są techniki projektowania akustyki w pomieszczeniach biurowych?
12.
Jak należy wykonać projekt akustyczny pomieszczenia dziennego?
4.5.3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ podstawowe właściwości akustyczne pomieszczeń.
Rodzaj pomieszczenia
Wymiary pomieszczenia:
długość · szerokość · wysokość
Właściwości
akustyczne
sala gimnastyczna
20m · 15m · 8m
sala lekcyjna
5m · 4m · 2,5m
filharmonia
28m · 22m · 10m
opera
30m · 24m · 11m
biuro
14m · 8m · 3m
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.5.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć film lub plansze o właściwościach akustycznych poszczególnych pomieszczeń,
4)
określić przeznaczenie pomieszczeń,
5)
określić rodzaj materiałów, z jakich standardowo buduje się poszczególne pomieszczenia,
6)
wykonać obliczenia typu kubatura, pogłos, ciśnienie akustyczne,
7)
określić właściwości akustyczne pomieszczeń,
8)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
kalkulator,
−
film lub plansze o właściwościach akustycznych poszczególnych pomieszczeń,
−
odtwarzacz DVD z monitorem,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
54
Ćwiczenie 2
Wykonaj projekt akustyczny pomieszczenia biurowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.5.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć film lub plansze o właściwościach akustycznych pomieszczeń biurowych,
4)
przeczytać normy o dopuszczalnych wartościach poziomu dźwięku na stanowiskach
pracy i ogólne wymagania dotyczące przeprowadzania pomiarów,
5)
obejrzeć próbki materiałów o właściwościach pochłaniających, rozpraszających
i przewodzących dźwięk,
6)
wykonać pomiary akustyczne pomieszczenia,
7)
dobrać materiały do właściwości akustycznych pomieszczenia,
8)
zastosować techniki projektowania akustyki w pomieszczeniach biurowych,
9)
wykonać projekt,
10)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
–
próbki materiałów pochłaniających, rozpraszających i przewodzących dźwięk,
−
zestaw urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń i układów odsłuchowych,
−
film lub plansze o właściwościach akustycznych pomieszczeń biurowych,
−
odtwarzacz DVD z monitorem,
−
normy o dopuszczalnych wartościach poziomu dźwięku na stanowiskach pracy i ogólne
wymagania dotyczące przeprowadzania pomiarów,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Wykonaj projekt adaptacji akustycznej sali koncertowej przeznaczonej na 1500 osób.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1)
przeczytać fragment materiału nauczania w poradniku ucznia (4.5.1.),
2)
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii i bhp,
3)
obejrzeć próbki materiałów o właściwościach pochłaniających, rozpraszających
i przewodzących dźwięk,
4)
wykonać pomiary akustyczne pomieszczenia,
5)
dobrać materiały do właściwości akustycznych pomieszczenia,
6)
zastosować techniki i teorię projektowania akustyki w salach koncertowych,
7)
opracować listę urządzeń audio do nagłośnienia,
8)
skorzystać z programów komputerowych do projektowania akustyki,
9)
wykonać projekt,
10)
zaprezentować efekt pracy w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
55
Wyposażenie stanowiska pracy:
–
komputer wraz z oprogramowaniem do projektów akustycznych,
–
próbki materiałów pochłaniających, rozpraszających i przewodzących dźwięk,
−
zestaw urządzeń do pomiaru akustyki pomieszczeń i układów odsłuchowych,
−
przybory do pisania,
−
literatura z rozdziału 6.
4.5.4.
Sprawdzian postępów:
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
określić podstawowe właściwości akustyczne pomieszczeń?
2)
odczytać i zastosować normy o dopuszczalnych wartościach poziomu
dźwięku na stanowiskach pracy i ogólne wymagania dotyczące
przeprowadzania pomiarów akustycznych?
3)
posłużyć się urządzeniami do pomiaru akustyki pomieszczeń
i układów odsłuchowych?
4)
przeprowadzić badania akustyczne pomieszczenia?
5)
wykonać projekt akustyczny pomieszczenia?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
56
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1.
Przeczytaj uważnie instrukcję.
2.
Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.
Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.
Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5.
Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.
6.
Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7.
Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
8.
Na rozwiązanie testu masz 45 min.
Powodzenia
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1.
Ultradźwięki to fale o częstotliwości drgań
a)
niższych niż 20000Hz.
b)
wyższych niż 20000Hz.
c)
równych 20000Hz.
d)
pomiędzy 100Hz – 20000Hz.
2.
Dźwiękiem odbieranym przez ludzkie ucho jest zjawisko drgania cząstek powietrza
w zakresie częstotliwości
a)
od 16Hz do 20kHz.
b)
od 10Hz do 2kHz.
c)
od 16Hz do 20kHz.
d)
od 160Hz do 200kHz.
3.
Jednostką podstawową poziomu natężenia dźwięku jest bel [B], ale w praktyce
stosowana jest dziesięć razy mniejsza jednostka zwana
a)
logarytmem [log].
b)
kilohertzem [kHz].
c)
hertzem [Hz].
d)
decybelem [dB].
4.
Obszar słyszalności pomiędzy 90 – 130Hz to
a)
obszar obciążeń.
b)
obszar średni (przeciętny).
c)
obszar ciszy.
d)
obszar uszkodzeń.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
57
5.
Wychwytywanie i naprowadzanie fal dźwiękowych, przewodzenie i skupianie fal
dźwiękowych, przenoszenie drgań na kosteczki słuchowe jest funkcją
a)
ucha środkowego.
b)
błony bębenkowej.
c)
ucha zewnętrznego.
d)
trąbki Eustachiusza.
6.
Umieszczenie punktowego źródła dźwięku na płaskiej powierzchni odbijającej przy
krawędzi długich ścian lub w narożniku pomieszczenia sprawia, że
a)
cała energia emitowana przez źródło dźwięku zostaje wypromieniowana
w ograniczonym kącie bryłowym.
b)
niewielka część energii emitowanej przez źródło dźwięku zostaje wypromieniowana
w ograniczonym kącie bryłowym.
c)
cała energia emitowana przez źródło dźwięku zostaje wypromieniowana
wielokierunkowo.
d)
cała energia emitowana przez źródło dźwięku zostaje wypromieniowana bez
żadnych ograniczeń..
7.
Człowiek posiadający słuch absolutny jest w stanie
a)
określić bezwzględną wysokość dźwięku.
b)
tylko odróżnić interwały.
c)
tylko odróżnić dźwięki wysokie od niskich.
d)
określić tylko barwę dźwięku.
8.
Każdy dźwięk zbudowany jest z
a)
10 alikwotów.
b)
16 alikwotów.
c)
nieskończonej liczby alikwotów.
d)
dowolnej liczby alikwotów.
9.
Dysonans to
a)
zgodne brzmienie dwóch dźwięków.
b)
inaczej ton kombinacyjny.
c)
niezgodne współbrzmienie dwóch lub więcej dźwięków.
d)
harmonia.
10.
Rozchodzące fale nakładają się na siebie, w wyniku czego
a)
powstaje zjawisko dyfrakcji.
b)
powstaje zjawisko interferencji.
c)
powstaje zjawisko dudnienia.
d)
powstają wszystkie powyższe zjawiska.
11.
Drgania struny nakładają się i tworzą dźwięk o charakterystycznej barwie zależnej od
a)
amplitud fal o częstotliwościach składowych.
b)
liczby fal.
c)
liczby i amplitud fal o częstotliwościach składowych.
d)
długości struny.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
58
12.
W salach koncertowych, teatralnych istotny jest m.in. kształt sufitu, który powinien być
tak zaprojektowany, by
a)
dźwięki rozchodziły się w kierunku sceny.
b)
dźwięki rozchodziły się w kierunku widowni.
c)
dźwięki rozchodziły się w każdym kierunku.
d)
dźwięki rozchodziły się w kierunku sufitu.
13.
Równomierność rozproszenia energii akustycznej w pomieszczeniu określana jest przez
a)
pogłosowość.
b)
dyfuzyjność.
c)
pełnię brzmienia.
d)
wyrazistość.
14.
Rysunek przedstawia
a)
drgania słupa powietrza zamkniętego jednostronnie.
b)
drgania słupa powietrza zamkniętego dwustronnie.
c)
drgania strun.
d)
drgania pręta zamocowanego w jednym końcu.
15.
Częstotliwość dudnień
a)
jest równa sumie częstotliwości odbijających się fal.
b)
jest wyższa od częstotliwości nakładających się fal.
c)
jest równa różnicy częstotliwości nakładających się fal.
d)
jest niższa od częstotliwości nakładających się fal.
16.
Współczynnik odbicia dla materiałów całkowicie odbijających falę wynosi
a)
1.
b)
2.
c)
3.
d)
0.
17.
Podczas projektowania izolacji uwzględniane jest tzw. prawo masy, według którego wraz
z podwojeniem masy ściany
a)
transmisja dźwięku przez nią podwyższy się o połowę.
b)
transmisja dźwięku przez nią obniży się o połowę.
c)
transmisja dźwięku przez nią nie zmieni się.
d)
czas transmisji dźwięku wydłuży się.
18.
Helmholtz za miarę konsonansowości lub dysonansowości współbrzmienia przyjął
a)
przejrzystość dźwięków.
b)
liczbę dudnień dźwięków harmonicznych.
c)
liczbę dudnień między harmonicznymi obu dźwięków składowych,
d)
czas pogłosu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
59
19.
Powierzchnie nie pochłaniające dźwięku
a)
zniekształcają dźwięk.
b)
nie mają wpływu na poziom dźwięku.
c)
obniżają poziom dźwięku o około 3dB.
d)
podnoszą poziom dźwięku o około 3dB.
20.
Pochłanianiu najtrudniej ulegają
a)
wysokie tony i dlatego stosuje się grube warstwy materiałów pochłaniających.
b)
średnie tony i dlatego używa się kilku warstw materiału pochłaniającego.
c)
niskie tony, (poniżej 300Hz) i dlatego stosuje się pułapki basowe (bass – trap).
d)
tony wysokie, średnie, niskie i dlatego stosuje się kilka rodzajów materiałów
jednocześnie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
60
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko...............................................................................
Określanie właściwości akustycznych różnych pomieszczeń
Zakreśl poprawną odpowiedź.
Nr
zadania
Odpowiedzi
Punkty
1
a
b
c
d
2
a
b
c
d
3
a
b
c
d
4
a
b
c
d
5
a
b
c
d
6
a
b
c
d
7
a
b
c
d
8
a
b
c
d
9
a
b
c
d
10
a
b
c
d
11
a
b
c
d
12
a
b
c
d
13
a
b
c
d
14
a
b
c
d
15
a
b
c
d
16
a
b
c
d
17
a
b
c
d
18
a
b
c
d
19
a
b
c
d
20
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
61
6.
LITERATURA
Pozycje książkowe
1.
Chodkowski A.: Encyklopedia Muzyki. PWN SA, Warszawa 2006
2.
Everest F. A.: Podręcznik akustyki. Wydawnictwo Sonia Draga, Katowice 2004
3.
Kaczmarska-Kozłowska A, Kotarbińska E, Koton J, Mikulski W, śera J.: Hałas.
Centralny Instytut Ochrony Pracy, 2002.
4.
Urbański B.: Elektroakustyka w pytaniach i odpowiedziach – dżwięk…. płyta….
taśma…. . WN-T, Warszawa 1984.
5.
Uzarczyk A, Zabiegała W.: Hałas – charakterystyka czynników szkodliwych
i niebezpiecznych w środowisku pracy. Ośrodek Doradztwa i Doskonalenia Kadr,
Gdańsk 1998.
Strony internetowe
6.
http://www.fizyka.kopernik.mielec.pl
7.
http://www.audioton.republika.pl
8.
http://www.profon.acoustics
9.
http://www.info.sound.pl
10.
http://www.wikipedia.org/wiki
11.
http://www.rutaku@am u.edu.pl
12.
http://www.artdesign.pl
13.
http://www.bit-info.pl/index.php
Rozporządzenia i normy
14.
PN - 81/N - 01307 Hałas. Dopuszczalne wartości poziomu dźwięku na stanowiskach
pracy i ogólne wymagania dotyczące przeprowadzania pomiarów
15.
PN-87/B-02151.03 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń
w budynkach. Izolacyjność akustyczna przegród w budynkach oraz izolacyjność
akustyczna elementów budowlanych
16.
Rozporządzenie Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dnia 9 lipca 1996r. (Dz. U. Nr
86 poz. 394) w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia
w środowisku pracy
17.
PN EN 20140-3 - Akustyka. Pomiary izolacyjności akustycznej w budynkach
i izolacyjności akustycznej przegród budowlanych. Część 3. Pomiary laboratoryjne
izolacyjności od dźwięków powietrznych
18.
PN ISO 140-6 - Akustyka. Pomiary izolacyjności akustycznej w budynkach
i izolacyjności akustycznej przegród budowlanych. Część 6. Pomiary laboratoryjne
izolacyjności od dźwięków uderzeniowych
19.
PN-EN ISO20354 - Akustyka. Dźwiękochłonność
20.
PN-EN ISO 717-1 - Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności
akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków powietrznych.
21.
PN-EN ISO 717-2 - Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności
akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków uderzeniowych.
22.
PN EN ISO 717-2 - Akustyka. Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach
i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków
uderzeniowych.
23.
PN-81/N - 01306 Hałas. Metody pomiaru. Wymagania ogólne
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
04 Okreslanie wlasciwosci skor Nieznany
3 Okreslanie wlasciwosci uklado Nieznany
02 Okreslanie wlasciwosci mater Nieznany (2)
09 Okreslanie wlasciwosci biolo Nieznany (2)
02 Okreslanie wlasciwosci mater Nieznany
04 Określanie właściwości surowców i materiałów
04 Określanie właściwości surowców i skór
04 Określanie właściwości skór futerkowych
04 Określanie właściwości akustycznych różnych pomieszczeń
311[15] O1 02 Okreslanie wlasci Nieznany
2014 Matura 05 04 2014 odpid 28 Nieznany (2)
04 les sonsid 5067 Nieznany (2)
04 Wykonywanie pomiarow paramet Nieznany
04 Wykonywanie izolacji termicz Nieznany (2)
ei 2005 04 s060 id 154155 Nieznany
311[51] 04 122 Arkusz egzaminac Nieznany (2)
04 Scinanie techniczneid 5186 Nieznany
04 Klasyfikowanie materialow bu Nieznany
7 04 2011 2 id 44696 Nieznany (2)
więcej podobnych podstron