Строительная и архитектурная акустика включает следующие разделы: звукоизоляция; архитектурная акустика, защита от шумов и вибраций инженерного оборудования; защита от городских шумов.
Распространение звука в воздухе представляет собой волновой процесс. Звук распространяется в различных средах (воздух, вода, твердые тела). Частицы, начиная колебательное движение, увлекают за собой все новые и новые частицы. Энергия передается все большему количеству частиц, и колебательные движения постепенно затухают. Наиболее наглядным примером являются волны от брошенного в воду камня, расходящиеся кругами (поперечные волны). Причем амплитуда колебаний постепенно уменьшается по мере удаления от источника (рис. 15.25, а).
Колебательные движения в воздухе достигают приемника (ухо человека). Это продольные волны, сопровождающиеся периодическим повышением и понижением давления (рис. 15.25, б). Переменное давление (в Н/м2 или Па) на барабанную перепонку воспринимается как звук. Звук характеризуется частотой и амплитудой колебаний. Скорость распространения звуковой волны (скорость звука) зависит от характеристик среды.
Рис. 15.25. Распространение волн в воде и в воздухе
Частота определяет высоту звукового тона. Единица частоты – число колебаний в одну секунду – герц (Гц). Частотные диапазоны звука схематически представлены на рис. 15.26. Амплитуда определяет громкость звука.
Рис. 15.26. Частотные диапазоны звука
Существуют и такие характеристики звука, как тон – звуковые колебания синусоидальной формы, звучание – наложение многих тонов (характеризует красоту звучания), шум – нерегулярные колебания без закономерной зависимости. Существует понятие звукового сигнала – громкого, резкого, короткого звука.
|
|
Под звуковым давлением р понимают изменение атмосферного давления внутри определенного периода времени. Началом отсчета считают звуковое давление на пороге слышимости р0 = 2 • 10-5 Н/м2. Это самое меньшее давление, которое еще может воспринимать человек с неповрежденным слухом.
Звуковая мощность Р – это звуковая энергия, излучаемая источником по всем направлениям (Вт).
Звуковая энергия Е зависит как от мощности звука, так и от времени его действия (измеряется в ваттах в секунду (Вт • с)):
Интенсивность звука I – это звуковая мощность Е, приходящаяся на единицу площади площадки S, перпендикулярной распространению звука:
Порог слышимости имеет место при интенсивности звука I0 = 10-12 Вт/м2.
Уровень звукового давления L. Ухо человека не в состоянии оценивать абсолютные изменения звукового давления или интенсивности звука. Оно оценивает относительные изменения этих величин. При этом уровень ощущения по закону Вебера – Фехнера изменяется пропорционально логарифму физического воздействия. Поэтому для измерений уровня звукового давления пользуются относительными логарифмическими единицами – децибелами (дБ):
Скорость звука зависит от материала, в котором распространяется звук, от температуры этого материала и от частоты звука. Для воздуха справедлива формула
где 331,2 м/с – скорость звука в воздухе при 0°С; ΔТ – разница температуры с 0°С, г.е. фактически температура материала.
Длина волны звука λ. Звук распространяется волнообразно. Длина волны зависит от скорости распространения звука в воздухе и от его частоты f:
|
|
Если принять среднюю скорость звука в воздухе 343 м/с, то можно получить шкалу частот и зависимых от них длин волн (рис. 15.27). Спектр частот, воспринимаемых ухом человека, огромен: от 16 до 20 000 Гц. В строительной акустике параметры шума оцениваются в октавных и третьоктавных диапазонах. Октавой называется полоса частот, в которой отношение верхней f1 и нижней f2 граничных частот равно 2. Для третьоктавной полосы 
. В качестве частоты, характеризующей полосу такого диапазона в целом, берется среднегеометрическая частота 
. Эти частоты и приведены на рис. 15.27. Они являются стандартными для акустических измерений. Из рисунка следует: чем ниже частота, тем больше длина волны.
Рис. 15.27. Интервалы частот в одну октаву и соответствующие длины звуковых волн
Уровень звукового давления не может характеризовать звук полностью, так как звуки разной частоты при одинаковом уровне звукового давления могут создавать разное ощущение громкости. Для характеристики громкости звука в связи с его частотой существует единица – фон. Ухо человека обладает наибольшей чувствительностью на средних и высоких частотах и наименьшей – на низких. Это очевидно из графиков, называемых кривыми равной громкости (рис. 15.28). При понижении частоты громкость меньше, при повышении (после 2000 Гц) – больше. При частоте 1000 Гц децибелы соответствуют фонам. Шкала громкости различных источников звука представлена в табл. 15.7.
Рис. 15.28. Кривые равной громкости
Для измерения звукового давления применяются приборы – шумомеры. Указатель прибора имеет три шкалы – А, В и С. Шкала А применяется для измерения уровня шума на средних частотах, т.е. для измерения громкости обычного шума и звука. Единицу принято называть дБ(А). Шкала В применяется для специальных видов шумов. Шкала С применяется для измерения уровня звукового давления. Полную характеристику шума может дать измерение уровня звукового давления по шкале С и его частотная характеристика (распределение компонентов шума по частоте и уровню звукового давления).
|
|
Существует три способа борьбы с шумом:
• в источнике (самый эффективный, но не всегда возможный);
• звукоизоляция (ограждающими конструкциями);
• звукопоглощение (отделка помещений).
Основное значение при проектировании зданий имеют звукоизоляция и звукопоглощение. Кроме этих показателей должно учитываться также отражение звука от ограждающих конструкций.
Звукопоглощение. Коэффициент звукопоглощения материала 
, здесь Еп и Е0 – падающая на конструкции и отраженная от нее звуковая энергия.
Таблица 15.7
Шкала громкости различных источников звука
| Ступени шума | Фоны дБ (Л) | Процесс | Ощущения | |
| Тикание тихих часов, легкий шелест листвы, спокойная комната ночью | 
| Очень тихо | ||
| Шелест листьев, шепот, разговор соседей, еле понятный шепот | 
| Тихо | ||
| Близкий шепот, средние шумы в жилье | 
| Почти тихо | ||
| Разговор | 
| Умеренно громко | ||
| Шум в бюро, ресторане, магазине | 
| Умеренно громко | ||
| Громкий разговор, громкое радио, крик | 
| Громко | ||
| Уличный шум при сильном движении | 
| Громко | ||
| Шумный производственный цех, автосигнал | 
| От громкого до непереносимого | ||
| Отбойный молоток, маленький самолет Штамповочно-котельное производство, громкая музыка, сигнал машины скорой помощи | 
| |||
| ≥120 | Реактивный двигатель ракеты | 
|
Коэффициент звукопроводности конструкции 
, где Еιιρ – звуковая энергия, прошедшая через конструкцию.
Звуковое поле воздействует на все поверхности в помещении, в том числе и на людей и предметы обстановки. Все они поглощают звуковую энергию. Поэтому вводится понятие общего звукопоглощения помещения:
(15.15)
Произведение 
называется эквивалентной площадью звукопоглощения поверхности, т.е. площадью поверхности,полностью поглощающей звук. В формуле (15.15) величина 
добавочная эквивалентная площадь звукопоглощения (люди, мебель, оборудование, проемы, отверстия, полости).
Распространение шума в здании показано на рис. 15.29. Существуют понятия "воздушный шум", "корпусной шум" и его разновидность – "ударный шум иод перекрытием".
Рис. 15.29. Распространение шума в здании:
1 – воздушный шум; 2 – ударный шум (прямые пути передачи шума); 3, 4 – косвенные (обходные) пути; 4' – структурный шум, излучаемый конструкциями, связанными с вибрирующими механизмами и элементами инженерного оборудования
Схема прохождения звуковой энергии через ограждающую конструкцию показана на рис. 15.30. Звукоизолирующая способность ограждающей конструкции (звукоизоляция) определяется не по отношению прошедшей звуковой мощности к падающей на ограждение, а в соответствии с относительной величиной – уровнем звукового давления L:
где р – пороговое звуковое давление (р0 = 2 • 10-5 Па). Диапазон колебаний, воспринимаемых как звуковые, находится в границах от 0 до 120 дБ. Здесь 120 дБ – болевой порог, за которым возможен разрыв барабанной перепонки в ухе.
Рис. 15.30. Схема передачи звуковой энергии через конструкцию:
1 – звуковая энергия, падающая на конструкцию; 2 – отраженная звуковая энергия; 3, 5 – энергия, излучаемая колеблющейся конструкцией в смежные помещения; 4 – энергия структурного шума; 6 – энергия, трансформирующаяся в тепловую; 7 – звуковая энергия, прошедшая через поры и неплотности; 8 – суммарная звуковая энергия, прошедшая через конструкцию
Чувствительность слуха различна при восприятии речи, музыки и других звуков (рис. 15.31). Также и звукоизоляция ограждений может быть различна для различных частот звука. Поэтому нормы проектирования ограничивают допустимые параметры постоянного шума величинами уровней звукового давления L, дБ, которые установлены дифференцированно для октавных полос со среднегеометрическими значениями частот 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
Рис. 15.31. Поле разговорной речи – поле музыкальное – поле слышимости
Согласно СНи11 23-03-2003 "Защита от шума" нормируемыми параметрами звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций от воздушного шума являются индексы звукоизоляции воздушного шума Rw, дБ. Нормируемым параметром звукоизоляции наружных ограждающих конструкций (в том числе окон, витражей) является звукоизоляция RА.ТРАН > дБ(А). Ее необходимо учитывать для защиты помещений от наружного шума, например транспортного.
Каждая ограждающая конструкция имеет свою частотную характеристику изоляции от воздушного шума (рис. 15.32), которая показывает величины звукоизоляции на различных частотах. Такие кривые могут быть получены как путем измерений на уже готовых конструкциях или на их моделях в акустических камерах, так и путем расчета на стадии проектирования. Индекс звукоизоляции воздушного шума определяется путем сопоставления этой частотной характеристики с оценочной (стандартной) кривой. Параметры оценочных кривых звукоизоляции воздушного и ударного шума приведены в таблицах СП 23-103-2003.
Рис. 15.32. Измененная кривая в третьоктавных интервалах и ее оценка
Для определения индекса звукоизоляции воздушного шума Rw необходимо определить сумму неблагоприятных отклонений данной частотной характеристики от оценочной кривой. Если сумма неблагоприятных отклонений максимально приближается к 32 дБ, но не превышает эту величину, величина индекса Rw составляет 52 дБ. Если сумма неблагоприятных отклонений превышает 32 дБ, оценочная кривая смещается вниз на целое число децибел так, чтобы сумма неблагоприятных отклонений не превышала эту величину. Если сумма неблагоприятных отклонений значительно меньше 32 дБ или неблагоприятные отклонения отсутствуют, оценочная кривая смещается вверх на целое число децибел так, чтобы сумма неблагоприятных отклонений от смещенной оценочной кривой максимально приближалась к 32 дБ, но не превышала эту величину.
За величину индекса Ru, принимается ордината смещенной вверх или вниз оценочной кривой в третьоктавной полосе со среднегеометрической частотой 500 Гц.
Методика построения расчетных кривых частотных характеристик звукоизоляции для конструкций различных типов подробно изложена в Своде правил СП 23-103-2003 "Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий", а также в учебнике "Физика среды".
Шум от ходьбы по перекрытиям является особой формой корпусного шума, при котором строительные конструкции получают прямой колебательный импульс и начинают излучать шум. Для получения нормированного уровня ударного шума под реальным перекрытием на него устанавливают стандартную ударную "тональную" машину, производящую 10 ударов в секунду пятью молотками весом по 0,5 кг. С помощью вала эти молотки поднимаются на высоту 4 см и свободно падают на перекрытие по одному в определенном ритме. Уровни шума, распределенные по частотам, называют приведенными (они указаны в СП).
За величину индекса звукоизоляции перекрытия от ударного шума принимаем ординату смещенной кривой при 500 Гц: Lnw = 56 дБ.
Таким образом, индексы звукоизоляции от воздушного и ударного шума представляют собой звукоизоляцию, определенным образом усредненную по частотной характеристике.
При проектировании однослойных массивных ограждающих конструкций оценочной характеристикой их звукоизоляции может служить закон массы. При этом для ориентировочной оценки индекса изоляции воздушного шума однослойными ограждающими конструкциями из кирпича, бетона и гипсобетона можно пользоваться формулами в зависимости от поверхностной плотности стены р:
при 
при 
Однако ориентация на закон масс при повышенных требованиях звукоизоляции оказывается неэкономичной из-за перерасхода конструкционных материалов. В этих случаях прибегают к применению слоистых конструкций. Это могут быть двойные конструкции, разделенные замкнутой воздушной прослойкой (иногда заполненные звукопоглощающим материалом) при отсутствии жестких связей между конструктивными слоями. Второй вариант повышения звукоизоляции относительно массивной однородной ограждающей конструкции – одно- или двухсторонняя установка перед ней легкой гибкой плиты на относе. Жесткие связи между стеной и плитами на относе должны быть изолированы от стены звукоизоляционными прокладками.
Тот же эффект – повышение изоляции междуэтажных перекрытий – обеспечивает устройство слоистых полов по сплошным или ленточным звукоизоляционным упругим прокладкам, подвесных потолков или суммы этих мероприятий.
Проектирование звукоизоляции не должно ограничиваться акустическим расчетом ограждающих конструкций. Оно обязательно должно сопровождаться объемно-планировочными и конструктивными мероприятиями, обеспечивающими снижение воздействий структурного шума и шума инженерного оборудования. В этих целях не допускают смежное расположение рядом с жилыми и рабочими помещениями или больничными палатами лифтовых шахт, стволов мусоропроводов, а также бойлерных, водопроводных насосов, котельных и т.п. Не допускается размещение в жилых домах встроенных трансформаторных подстанций и целого ряда помещений и устройств, полный перечень которых дан в Московских городских строительных нормах МГСН 3-01.01.
В самих ограждающих конструкциях должны быть герметизированы сквозные щели и отверстия, так как через них проникает шум. При диффузном прохождении звуковой волны через такие щели проходящая через них звуковая энергия увеличивается за счет дифракции звука и резонансных колебаний воздуха в объеме отверстия.
Лифтовые шахты проектируют самонесущими на отдельном фундаменте. Места пересечений стенок шахт с междуэтажными перекрытиями заполняют упругими звукоизоляционными прокладками. Также изолируют места пересечения стен и перекрытий трубопроводами инженерных систем зданий (рис. 15.33).
Рис. 15.33. Схема передачи звуковой энергии из помещения насосной в квартиру; мероприятия по виброизоляции:
1 – фундамент на амортизаторах; 2 – гибкие вставки; 3 – изоляция трубопроводов; 4 – кронштейн с упругой прокладкой; 5 – стойка с упругой прокладкой
Задачи защиты зданий от городских шумов, а также проектирования естественной акустики залов большой вместимости рассматриваются в курсе "Физика среды" и в курсах магистратуры.