close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1bogolepov i i arkhitekturnaya akustika

код для вставкиСкачать
,ь.
И. и . БОГОЛЕПОВ
т
о
к 300-ЛЕТИЮ
С А Н К Т - П Е Т Е Р Б УРГ А
С а п КТ - П е т е р б у р г
2 0 01
И.И.БОГОЛЕПОВ
АРХИТЕКТУРНАЯ
АКУСТИКА
ARCHITECTURAL
ACOUSTICS
УЧЕБНИК-СПРАВОЧНИК
/U /'
ФБ СП6ГТУ
0000095166
Фунллмслталыша
биОлиотсг.» СПб Г ГУ
О УЛ N'?
0000095166
. Санкт-Петербург
2001
У Д К 534:72 (0 7 5 .8 )
Б Б К 38.113
Б74
У чены м советом С ан к т-П етер бур гск ого
государ ств ен н ого м орского т ехн и ч еск ого у н и в ер си т ет а
23 ок тя бр я 2000 года
(проток ол JVb 10/2000) кни ге “ А р хи тек тур н ая
^ . а к усти к а” п р оф ессор а Б О Г О Л Е П О В А И .И .
п р и св оен гриф у ч еб н о го пособи я для студентов
сп ец и ал ь н ости 0 1 .0 4 .0 0 - ф и зи к а, и др уги х
ак усти ч еск и х сп ец и а л ь н о ст ей .
П р едседател ь У ч ен ого сов ета - ректор У н и в ер си тета
К .П .Б О Р И С Е Н К О
У чены й сек р етар ь совета В .Д . Ш И Л О В
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Д и р е к т о р С а н к т -П е т е р б у р г с к о г о г о с у д а р с т в е н н о г о
ар хи тек тур н ого и н сти тута п р оф ессор
В .А . Н Е Ф Ё Д О В
П р е зи д е н т В о с т о ч н о е в р о п е й с к о й а с с о ц и а ц и и
акустик ов
п р о ф е с с о р А .С . Н И К И Ф О Р О В
С п о н с о р о м и зд а н и я к н и г и “А р х и т е к т у р н а я
ак у сти к а ” явл я ется
“ Б а л т и й с к и й м е т а л у р г и ч е с к н й с о ю з (Б М С )” .
Г е н е р а л ь н ы й д и р е к т о р Б М С , ч л ен п р е з и д е н т с к о г о
с о в е т а П е т е р б у р г с к о г о С о ю за у ч е н ы х , и н ж е н е р о в и
сп ец и ал и ст ов п р ои зв од ств а, канд. техн . наук,
а к а д е м и к С а н к т -П е т е р б у р г с к о й и н ж е н е р н о й
а к а д е м и и , заслуженный инженер России
Г .А . Л У Б Е Н Е Ц
С И.И. БОГОЛЕПОВ, 2001,
'О ЗАО “Балтийский металлургический союз”,2001.
'й РОО “Петербургский Союз ученых, инженеров
и специалистов производства”, 2001.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................
7
ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 13
ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................
15
Часть 1
ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ
ТЕХНИЧЕСКАЯ АКУСТИКА.....................................
16
25 основных определений..............
;.........16
Акустика замкнутых пространств................................V.......
Сущность звукоизоляции и звукопоглощения..................... 26
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
.... ’
.29
Закон Вебера - Фехнера v.................................................... 29
Орган слуха (ухо)......................................................................30
Орган звука (голос).....................
•*•,•..33
МУЗЫКАЛЬНАЯ АКУСТИКА...................................................... 35
Два вида решения волнового уравнения.............................. 35
Теорема Фурье..........................................................................35
Акустический закон Ома.,,..................................................... 36
Диатоническая и хроматическая гаммы................................ 36
Музыкальные исполнители и музыкальные инструменты....39
Часть 2
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ЖИЛЫХ, СЛУЖЕБНЫХ
И ОБЩЕСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ШУМА И ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
41
ГЛАВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ
44
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ДЛИННОЙ ЛИНИИ КАМЕРНОГО
ГЛУШИТЕЛЯ ШУМА .................
.;..................................49
3
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТИНЫ
НА н и зки х ЧАСТОТАХ........................................................... 52
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТИНЫ в ШИРОКОМ
ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ................................................................. 56
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПРЕГРАДЫ СО СЛОЕМ
ЗВУКОПОГЛОТИТЕЛЯ................................................................62
ВЛИЯНИЕ ОТВЕРСТИЯ НА ЗВУКОИЗОЛЯЦИЮ
ПРЕГРАДЫ
65
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ДВУСТЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ...............68
АКУСТИЧЕСКИЕ МОСТИКИ ДВУСТЕННОЙ
КОНСТРУКЦИИ............................................................................. 75
ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИЕ СОТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
и КОМБИНАЦИОННЫЕ РЕШ ЕНИЯ..........................................82
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ............................................................................. 87
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
XXI ВЕКА........................................................................................89
СНИЖЕНИЕ ШУМА ПУТЕМ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ
МАШИН.......................................................................................... 96
СНИЖЕНИЕ ШУМА ПУТЕМ УСТАНОВКИ
ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩЕЙ КАБИНЫ............................................99
СНИЖЕНИЕ ШУМА ВНУТРИ ЗДАНИЯ С ПОМОЩЬЮ
ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
101
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗВУКОВОЙ МОЩНОСТИ
ИСТОЧНИКОВ Ш УМ А ................................................................103
ДОПУСТИМЫЕ для ЧЕЛОВЕКА УРОВНИ Ш У М А .............. 106
ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ.............................................111
ЗВУКО- и ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ..............115
ШУМОВАЯ'КАРТА ГОРОДА И
ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИЕ ДОМА................................
4
119
Часть 3
АКУСТИКА Ж ИЛЫ Х, СЛУЖ ЕБНЫ Х И
О БЩ ЕСТВЕННЫ Х ПОМ ЕЩ ЕНИЙ
РОЛЬ ПРЯМОГО и ОТРАЖЕННОГО ЗВУКА
В АКУСТИКЕ ПОМЕЩЕНИЯ.....................................................124
ТРИ ВИДА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ
ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ АКУСТИКЕ ПОМЕЩЕНИЙ............... 127
Геометрическая теория.......................................................... 127
Волновая теория..................................................................... 127
Статистическая теория........................................................... 128
ОБОБЩЕННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ СЛОЖНОЙ ПРЕГРАДЫ................... 130
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ,
КОМПЛЕКСНОГО ИМПЕДАНСА И ПОСТОЯННОЙ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА....................................................134
ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ СТАНДАРТНОЙ
РЕВЕРБЕРАЦИИ........................................................................ 139
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ................ 140
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ................................ 141
ШЕСТЬ ГЛАВНЫХ ПРАВИЛ ПОЛУЧЕНИЯ
ХОРОШЕЙ СЛЫШИМОСТИ В ПОМЕЩЕНИИ.......................144
Первое правило - хорошая звукоизоляция помещения ... 144
Второе правило -диффузность звука в помещении
145
Третье правило - отсутствие вредного эха в помещении.... 146
Четвертое правило - оптимальное время стандартной
реверберации помещения.....................................................148
Пятое правило - достаточное число резонансов
помещения на низких частотах............................................. 148
Шестое правило - сильный прямой звук в помещении.... 149
АКУСТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБЩЕСТВЕННЫМ,
СЛУЖЕБНЫМ И ЖИЛЫМ ПОМЕЩЕНИЯМ............................ 151
L
Общественные помещения для речи....................................151
Общественные помещения для музыки.............................. 154
Помещения с совмещением речевых и
музыкальных программ...................................................... 157
Служебные помещения.......................................................... 159
Жилые помещения................................................................. 160
БУДУЩЕЕ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ............................. 162
Часть 4
ПЯТЬ ЗНАМЕНИТЫХ АКУСТИКОВ РОССИИ
КОНСТАНТИН ВАСИЛЬЕВИЧ ШИЛОВСКИЙ........................169
НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ АНДРЕЕВ......................................174
СЕРГЕЙ ЯКОВЛЕВИЧ СОКОЛОВ........................................... 182
ЛЕВ ЛЕОНИДОВИЧ МЯСНИКОВ............................................ 194
ИГОРЬ ИВАНОВИЧ КЛЮКИН.................................................. 206
Часть 5
ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ.............................................................216
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ.........................................219
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ ............................................ 221
ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................ 223
ПРЕДИСЛО ВИЕ
Автор книги Игорь Ильич Боголспоп - известный акустик, по­
четный член Восточноевропейской ассоциации акустиков. После
окончания кораблестроительного инспп ута он трудился как спе­
циалист-акустик: в Центральном конструкторском бюро судостро­
ения, во вновь организованной лаборатории судовой акустики
Цснтрально1‘о научно-нсследовлтельского ннстизута технологии
судостроения, в старейшей лаборатории промышленной акусти­
ки Всесоюзного института охраны труда ВЦСПС, в отдслсиин вибропкустнки Центрального научно-исследовательского института
им. академика А.Н. Крылова - самом крупном в России акусти­
ческом центре. В 1963 году он защитил кандидатскую диссерта­
цию, в 1990 году-докторскую . Занимался вопросами акустики на
водном, воздушном н наземном транспорте, что прнвсло его затем
к занятию архитектурной акустикой.
ОригинШ1Ы1 ыс курсы лекций, прочитанные И.И. Боголеповым
в институтах повышения квалификации, в Университете кино и
телевидения и в Морском техническом университете, беседы с
академиком А.Ю. Ишлниским побудили его наннсать для студен­
тов и практических работников учебинк-справочинк. Необходи­
мость написания книги в качестве учебного пособия была под­
держана, как мне известно, заведующим кафедрой физики Морс­
кого технического университета профессором Ф.Ф. Лсгушей, ко­
торому принадлежит ннмциатнва нового цикля лекций и пригла­
шение автору лично прочитать этот цикл. Таким образом появил­
ся учебник-справочник “Архитектурная акустика”, который есть
литературно оформлсииьш конспект лекций, читаемых автором вот
>жс в течение нескольких лет в Морском техническом университе­
те. Кроме содержания лекций в книге помещены также справоч­
ный материал, домашние задания и экзаменационные вопросы.
Для широких кругов технической интеллигенции автор кни­
ги — энергичный организатор науки, директор известных съез­
дов научных обществ Лснинграда-Пстсрбургц, научный редактор
многотомных трудов лучш их специалистов нашего города и обла­
сти. Но в главном он вс1| же специалист-акустик: многие его изоб­
ретения, научные статьи н книги по акустике хорошо знакомы
специалистам. Полагаю, что новая книга уважаемого ученого, ин­
женера и организатора науки будет с интересом встрс*1ена читате­
лями. В условиях дефицита современных учебников книга “Архи­
тектурная аьу'сгика” полезна и поучительна - мсгодологцчсски для
преподавателей н, конечно, по существу для студентов соответству­
ющих спсцнальмосгей, для которых она и предназначена.
А к а д е м и к И .А .Г Л Е Б О В
ВВЕДЕНИЕ
Архитектурная акустика - наука и практика - часть акустики, которая занимаотся зоукоаыми процессами а помещениях, Architectura ~ главный стро­
итель, О ней прекрасно сказал один из талантливых совотских зодчих
К.С. Мельников: “Архитектура любезна людям тем, что она но замуровалась,
как другие Искусства - Литература, Живопись, Скульптура - в толстенных
стенах музеев и библиотек. Она одна в грозной обнажонности, на глазах ты­
сячелетий властно звучит каменным языком гения". Acusticus - относящаяся
к слуху. “Прямо или косвенно, но все вопросы, связанные со звуком, должны
решаться ухом как органом слуха; оспаривать заключения, которые даются
ухом уже но приходится" - так начинает Лорд Рэлей свою знаменитую книгу
“Теория звука". Звуковые процессы, а проще звуки, делятся, с этой точки зре­
ния, на полезные и вредные. Полезные для ухв человека звуки - это сигналы
об опасности, речь и музыка, вредные - шум.
Звуковыми сигналами пользуется весь животный мир, возникший на зем­
ле примерно миллиард лет назад (десять в девятой степени - запомним эту
огромную величину, такие большие числа в повседневной жизни встречаются
только в акустике). Очень много лсгг назад появился неловок с членораздель­
ной речью. Можно сказать, что только те обезьяны, которые научились гово­
рить, и стали людьми, а остальные так и остались обезьянами. Аналогом
может быть нынешняя ситуация: те из нас, кто научились говорить по-анг­
лийски, по-немецки или по-французски, приобщаются к западной цивилиза­
ции, а кто нет - обойдутся без ней.
О значении рочи в становлении человека наиболео ймко сказано в Еванге­
лии от Иоанна: "Сначала было слово, слово было у Бога, слово было Бог",
Таково значение человочоской речи. Музыка возникла позднее речи и скоро
заняла важное моего в жизни людей. Великий мыслитель древности Платон
писал в IV воко до нашой эры (двадцать четыре вока наэад1): “Музыка вооду­
шевляет весь мир, снабжает душу крыльями, способствует полету воображе­
ния", А гениальный поэт А.С, Пушкин, по душевной сути наш современник,
писал о музыки так; “Из наслаждоний жизни одной любви музыка уступает, но
и любовь мелодий".
Итак; речь - основное средство рационального общения людей между
собой, музыка - основное средство эмоционального общения. Речь и музыка
создали феномен человека разумного - homo sapiens.
Вродныо звуки - шум стал возникать в угрожающих масштабах совсем
недавно и исключительно благодаря деятельности человека. Природные шумы
листвы, прибоя, дождя, фОма но опасны, а иногда даже полезны для людей.
Большой шум ассоциировался человеком с мощью - еспомним главного бога
Древней Греции Зовса-громоеержца Эпоха вредных шумов началась с лояо-
13
лониом паровой машины и механического ткацкого станка Затом были изоб­
ретены электромашины, двигатели внутреннего сгорания, турбины и многоо
другое. Постоянноо насыщение быстродействующими машинами промыш­
ленности, сельского хозяйства, транспорта и быта стало приводить к росту
шума до уровня, опасного для человека, иногда даже превосходя этот уро­
вень. Результат - заметное ухудшение здоровья людой от шума и снижение в
условиях шума производительности их труда,
"Шум - бедствие современного мира и нежелательный продуют ого техни­
ческой цивилизации" - ток сформулировала ЮНЕСКО нынешнюю шумовую
ситуацию в миро.
Основных задач в архитектурной акустике всего две, но они в известном
смысле противоположные: первая - улучшить восприятие человеком полез­
ных звуков, вторая - свести на нет действие вредных для человека звуков.
Вторая задача - новая и более сложная в связи с продолжающимся ростом
шума в мире. Она будет рассмотрена сначала, а уж за ней - первая, тоже
очень важная, но имеющая тысячелетнюю историю и базирующаяся, глав­
ным образом, на практике. В такой поспедоватольности будет излагаться
материал книги. Цель - дать выпускнику вуза необходимые знания и навыки
по специальности "архитектурная акустика' для начала самостоятельной ин­
женерной работы.
Литература;
1. KoQpusuH С М ; Крышов С.И. Архитеюгурно-строительная акустика,
- М.: “Высшая школа", 1906.
2. Макринвнко Л.И. Акустика помещений общественных зданий. - М.:
СтроЙиздат, 1986.
3. Дж.В.Стрвтт (Лорд Рэпой). Теория звука. - М.: Гос.изд. тех,теор.лит, 1955,- Т.-1 и 2.
Первая книга предназначена в качестве учебного пособия для студен­
тов вузов по специальностям “архитеюура" и "промышленное строитель­
ство". вторая - для научных и инженерно-технических работников научноисследовательских и проектных организаций, третья - для научных работ­
ников, по преимуществу физиков. Последняя книга, как и большинство
трудов лорда Рэлея, принадлежит к том классическим произведениям, ко­
торые всегда имеют важное значение. 6 этой книге, много раз переизда­
вавшейся во всем цивилизованном мире, - фундаментальное изложение
общей теории колебаний. Автор - Джон Уильям Стретт (1642-1919гт.) в
1873 году получил за свои научные работы титул Лорда Рэлея (правиль­
ное Рэйли), а затем Нобелевскую премию -* выдающийся английский фи­
зик, профессор Кембриджского университета, В 1879 году, после смерти
Д. К. Максвелла, - директор Кавендишской лаборатории. В 1873-1908 го­
дах член, а затем прооидонт Лондонского королевского 'общества.
14
ОБОЗНАЧЕНИЯ
- общее звукопоглощение
- изгибная жесткость
- скорость звука
- модуль упругости
Г - частота
J - интенсивность звука
к
- волновое число
гп - масса на единицу площади
Р - звуковое давление
R - звукоизоляция, дБ
г - звукоизолирующая способность преграды
S - площадь
S - толщина
Т " период, время реверберации,
абсолютная температура
t
- время
V - объем
и - колебательная скорость
Z - акустический импеданс
а:, у . Z - координаты
а - коэффициент звукопоглощения
г - постоянная распространения звука
П - коэффициент потерь
л - длина волны
р - коэффициент Пуассона
Р - плотность среды или материала
О) - круговая частота
А
В
с
Е
15
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
Часть 1
ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ
Архитею-урная акустика базируется на технической, физиологичес­
кой и музыкальной акустике.
ТЕХНИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
25 основных определений
1.
Волновое уравнение - силы упругости равны силам инерции:
дх
дп
дх
дх
= Ар =
дх
дt
где Д -о п е р а т о р Лапласа.
Переменные электрические токи и электромагнитные волны также
могут быть описаны'волновым уравнением. Это приводит, в частности,
к тому, что они включаются в рамки электроакустики, имеющей огром­
ное практическое применения в телефонии, радио и телевидении.
16
Часть 1, Основы акустики
2. Скорость звука — скорость распространения звуковой энергии
3. Звуковое давление
р = Р(соаы t - к х ) =
е ‘^ = cos в + i s ill в.
В акустике очень часто используют символическое представление
гармонических фукнкций показательными по указанной выше форму­
ле Леонарда Эйлера, что упрощает математические выкладки с гар­
моническими функциями, особенно при их дифференцировании и ин­
тегрировании.
Леонард Эйлер - великий матемаггик, механик и физик (1707-1783
гг.). Родился в Швейцарии. Работал в Петербурге в 1727-1741 гг. и с
1766 г. до конца жизни. Был похоронен на Смоленском кладбище, в
1956 г. его прах был перенесен в Санкт-Петербургский некрополь Александро-Невской лавры. В Швейцарии было издано полное собрание
сочинений
Л .Э й л е р а ,
котор ое
н а сч и ты в а е т
72 тома. Л, Эйлер, в частности, первый систематически ввёл в рас­
смотрение функции комплексного аргумента и исследовал их свой­
ства. Он автор "Морской н а у ки "- фундаментального труда и учебни­
ка по теории кораблестроения и кораблевождения (1749-1773 гг.). Из­
вестны его труды по теории музыки ("Опьгг новой теории музыки",
1739 г.) и многое другое.________________
4. Колебательная скорость
Р
рс
5. Интенсивность звука или сила звука (важнейшая величина в ар­
хитектурной акустике) - количество звуковой энергии, проходящей в
единицу времени через единицу площади фронта волны, - удельная
мощность звука
2
J
ри - — .
рс
6. Уровень интенсивности звука и уровень звукового давления в
децибелах, дБ (децибелы в общем виде - десятикратный логарифм
L
■17
И.И, Боголопов. Архитоктурноя акустика
отношения двух величин)
L = 10 I g - ^ = 10 Ig
= 20 Ig
= 10 Ig
. дБ
\.р.О/
А '
рс
Децибел, дБ - одна десятая часть бела (ана лог-дец им етр, одна
десятая часть метра). Акустическая единица измерения децибел на­
звана в честь Александера Грейама Белла (1847-1922 гг.), извест­
ного американского ученого и инженера, по происхождению шот­
ландца. В 1876 г. он получил, патент на первый в мире практически
пригодный телефон. Стал в телефонии использовать новые акусти­
ческие единицы, соответствующие логарифмическому закону Ве­
бера - Фехнера о слуховом,восприятии человека. С 1870 г. А.Г. Белл проф ессор физиологии органрв.речи и физики Бостонского универ­
ситета США», с д и р е к т о р Смитсонианского института в Бос­
тоне. Он внес решающий ,вкдад в телефонизацию США, что приве­
ло в дальнейш ем к телефонизации Европы, Европы - Америки,
а затем и всего мира.
___________________________
7, Плотность звуковой энергии (энергия в единице объёма)
J
с
рс^ *
8. Импеданс среды (важнейшая величина в архитектурной акустике)
Р = рс.
Z<7 = ™
и
9. Плотность воздуха (в атмосферном воздухе звуки находят почти
универсальный проводник)
р., - 1,293
РA T M 273 , кг/м.
760
т:.
где p^^f^ — атмосферное давление в мм рт.ст.,
..
7ц — абсолютная температура в ° К .
Часть 1. Основы акустики
10.
Скорость звука в воздуха
Т
п
Сц - 331,45.1-—
м/с.
273
11.
Импеданс воздуха
z „ = р „ с , = 4 2 S ,5 6 5 - ^ , ^
"
при
"
760 \ Г,
КГ/м2с.
- 760 мм рт.ст. и при О *^С имеем Z „ =s430 кг/м^с.
12. Звуковое давление с учетом потерь
р -
= р
13, Коэффициент пространственного затухания
1
Р =
14.
л
.1„ / ’Ц ?_
) _
= nk
- X
р(х^)
2
Коэффициент затухания во времени (за единицу времени /^=1).
Р(0
д ' - — 1п
'о
рО + О
За единицу времени амплитуда волны убывает в € ^ раз, проходя
расстояние с, отсюда
/^ = 1
с
15. Время реверберации - важнейшее понятие архитеюгурной аку­
стики. Стандартное время реверберации Т - время, в течение которб;
го интенсивность звука уменьшается до одной миллионной своей первоначальной величины, что соответствует
(е"*” ’)- = 10" \
.УГ = 3 In 10 = 6,908.
16. Коэффициент потерь энергии колебаний
7=
//
где / „ — энергия, теряющаяся в системе за один цикл,
— энергия, вновь поступившая в систему.
19
И.И. Боголепор. Архитоктурная акустика
Комплексные модуль Юнга и изгибная жесткость:
Е = Е {\ + />;),
В = .5(1 + / 7 ).
17. Постоянная распространения звука
/ = ico
у ^ Р •¥ ik ^ iic ~ 1^4: - — +
с
2
\ £
18. Импеданс с учётом потерь
Комплексный импеданс и постоянная распространения являются
параметрами материала и полностью характеризуют его акустические
свойства, например звукопоглощение.
19. Звуковая мощность
yv = | - J w dV + J J d S .
dt V
i'
20. Уровень звуковой мощности в децибелах. дБ
N
- 10 I g - T ^ ,
где
s s lO ”
1^
Вт — международный стандарт.
Отношение мощностей самого высокого звука к самому низкому звуку,
которые обычно воспринимает ухо человека, равно, по меньшей мере,
10®, то есть одному миллиарду (см. табл.1).
21. Коэффициент звукопоглощения преграды - отношение разно­
сти интенсивностей звука в падаю щ их на преграду и отраженных от
преграды волнах к интенсивности в падающих
а =
у , - л^
У,
22.
Коэфф ициент звукоизоляции преграды равен отношению ин­
тенсивностей звука в падающ их на преграду к прошедшим через пре­
граду волнам. Десятикратный логарифм этого отношения есть звуко­
изоляция в децибелах
7? = l O l g r = l O l g y , - l O l g / j j f l B .
. ‘ ' ' г - ' ..........
'
I
,
.
Часть 1, Основы акустики
Таблица 1. Мощности различных источников звука
Урооонь
Звукооая
мощность,
зщукаоой
Источники зпукп
мощности,
Вт
дБ
Стартовый шум двигателя ракеты "Сатурн"
Шум взлета межконтинентальных ракет
Внешний шум самолета "Боинг 707'
Взлет военного реактивного самолета
Машинное отделение подводной лодки
Оркестр, шум в кабине самолета
Очень фомкий разговор, фомкая музыка
Нормальный разговор
Тихий разговор
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Практически полная тишина
Порог слышимости, мертвая тишина
100 ООО ООО
10 ООО 00^
1 босГооо
100 ООО
10 000
1 ООО
100
10
'Г ”
0J
0J31
0,001
0.000 1
0,000 01
0,000 001
0,000 ООО 1
0,000 ООО 01
0.000 ООО 001
0,000 ООО ООО 1
0.000 ООО ООО01
0,000 ООО ООО001
23. Точечный источник звука - важнейшее понятие архитектурной
акустики — по определению излучает из центра (практически - сфе­
рой с площадью 5ц, равной 1 м^) сферические волны с фронтом вол­
ны 5^. Интенсивность звука на фронте волны 5 ^ связана с мощностью
источника звука ТУзааисимостью
N
где. Вф = 41тг^, 2тгг^,
~ Р ". если источник звука находится
соответственно в центре помещения, на полу помещения, в двухгран­
ном углу помещения и в трехгранном углу помещения.
24. Диффузное звуковое поле - важнейшее,понятие архитектурной
акустики. Метрологически диффузность поля можно определить, из-
21
И.И. Боголопов. Архитектурная акустика
меряя изотропность интенсивности звука и однородность плотности
звуковой энергии. У диф ф узного звукового поля:
/( 5 ,.
) = Const;
W(л:, у, z) “ Const.
Рис. 1, Схема диффузного падения звуковых воли на площадку.
Рассмотрим диф ф узное падение звуковых волн на элементарную
площадку с/5.. Если выделить в пространстве диффузного звукового
поля объем dV, то акустическая энергия в этом объеме равна
dV,
где Wg - плотность звуковой энергии в диффузном звуковом поле. Из
определения диф ф узного звукового поля следует, что интенсивность
звуковых волн, распространяющ ихся от этого объема во все направ­
ления, одинакова, та к что годограф интенсивностей звука представля­
ет собой сферу. Поэтому количество энергии dE, которая движется от
d V b направлении площ адки dS, находящейся на ограждающей по­
верхности замкнутого просгранства, равно
dE = w ,.d V ^ ,
^
где с1ф =
COS t9
dS
4тг
- телесный угол, заклю чаю щ ий в себя
пл ощ адку dS; и - угол между нормалью к площадке с/5и линией
между центром этой площадки и центром объема dV;
г = с
22
расстояние между центрами площадки и объёма.
Часть 1. Основы акустики
Объём элементарного тороида, образованного вращением объема
£/Квокруг нормали к площадке г/5, рассчитывается по формуле
ciVy = 27ГГ sin О г do dr.
Если окружить площ адку dS полусф ерой с радиусом г, на кото­
рой сплошь расположены объемы dV, то звуковая энергия, падаю ­
щая со всех сторон этой полусферы на площ адку dS, определится
выражением
Cd!
I
dEy. = fj c!E ^
f cos O^wi в do J 2k (IS dr.
4лг 0
0
Суммарная интенсивность звука при диффузном падении звуковых
волн с полусферы на площадку с/5 в центре основания этой полусфе­
ры, величина
связана с суммарной плотностью энергии диф ф уз­
ного звукового поля 11'^. при распространении звуковых волн с целой
сферы в центр её объема d V с интенсивностью звука в этом центре,
величиной
, соотношением
ч>„с
dE
d S dt
=
=
_L.
25. Общее звукопоглощение помещения - величина А зависит от
соотношения интенсивностей звука в падающих на ограхщающие поворхности этого помещения волнах и в отраженных от них. После
выключения источника звука в помещении остаются только отражен­
ные звуковые волны. Суммарная интенсивность их вследствие нали­
чия звукопоглощения в помещении стечением времени уменьшается.
Если в помещении первоначальная интенсивность звука, падающего
на ограждающие конструкции, была У, то через время / после выклю­
чения звука она будет
ct"
а-\----т
Jf = J е
где с — скорость звука в воздухе, 5 — суммарная внутренняя поверх­
ность помещения,
— объём помещения, а — средний коэффици­
ент звукопоглощения ограящающих поверхностей помещения.
Во многих помещениях с хорошей акустикой и в реверберационных камерах звукопоглошение стен, пола и потолка специально дела-
23
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
ют малым. Тогда дойствуст закон затухания звука
см
где А - З а — общее звукопоглощение.
На практике для измерения затухания применяют стандартное вре­
мя реверберации Т, тогда получаем
J.
СТА
‘'г
J
Из этой ф ормулы при скорости звука в воздухе с=340 м/с можно выве­
сти известную ф ормулу Сэбина, полученную им экспериментально,
для общ его звукопоглощения в помещении (Wallace Clement Sabln,
Ргос. Am . Acad., X L 1 1 .1906), a именно
Это соотношение принято в международных стандартах по акустике.
Акустика замкнутых пространств
Рассмотрим помещение объемом К где установлен точечный ис­
точник звука мощностью N , причем с каждым отражением звука на
границах помещ ения мощность принимает значение
N {\-a ),
где а — коэффициент звукопоглощения на границах.
При статистическом суммировании звуковых волн со случайными
фазами прямого звука и всех его отражений можно получить следу­
ющую плотность звуковой энергии:
N1
1 -н (I - от) -f- (1 - а ) ^ + . . . + (1 - а У
cV
гдб / - средний свободный пробег волны между двумя
отражениями, с -с к о р о с т ь звука.
Так как во многих случаях имеет место а
1,то тогда ряд в скоб-
АУ
Часть 1. Оснооы акустики
ках при и - > 00 стремится к сумме бесконечно убывающей геомет1
_
■
■
- - ( I'- or)
рическои прогрессии — , а Оезпрямого звука - к величине 1-7 :----------•
а
а
Статистическое значение среднего свободного пробега волны меж­
ду двумя отражениями
/ = 1^.
где 5 - суммарная площадь всех ограиедающих поверхностей
помещения объемом К
Это соотношение выведено по аналогии со средним свободным про­
бегом молекул газа между двумя последовательными соударениями.
Плотность звуковой энергии составляющей отраженных волн без
учета прямого звука
47V(1 ~ а )
=
caS
Интенсивность звука отраженной составляющей
J
.
= cw^ = .
4Л ^(1-а)
47V
i
с = ------ .
Q
Важная величина в архитектурной акустике - постоянная помещения
Q = - ^
.
О-а)
Если точечный источник звуковой мощности JV расположен при­
мерно на равных расстояниях от всех ограждающих поверхностей
помещения и помещение достаточно велико по сравнению с длиной
сферической звуковой волны, то интенсивность прямой составляющей
точечного источника звука
JV
N
Здесь / - расстояние от источника звука м ощ ностью N до точки
наблюдения:
- площ адь фронта сф ерической волны, проходя­
щей через то чку наблюдения.
25
И .И. Боголепов. Архитоктурноя акустика
Итак, интенсивно сть звука в точке наблюдения будет склады­
ваться из интенсивности звука в прямой волне и интенсивности звука
всех отраженны х волн:
1
4
Запишем окончательное выражение уровня интенсивности в поме­
щении в дБ
1 = 1 , -b lO lg
1
4
в этом выражении уровень звуковой мощности источника с площа­
дью поверхности излучения 5^=1м^ и с нулевым уровнем интенсивно­
сти /^=10 ■‘'2 Вт/м2
N
iv
= 10 1 е
■ГА
Указанное выражение уровней звука в точке наблюдения использу­
ется как для расчетных оценок снижения уровней вредного шума, так
и для улучшения звучания полезных звуков.
Сущность звукоизоляции и звукопоглощения
Рассмотрим падение плоских звуковых волн на границу раздела двух
сред. Индекс "1" относится к первой среде, индекс “2” - ко второй:
•
со
/С| — —
“ ^
с, ■
f
со
/Cj — ~ ^
Сл ■
Г.Г
^ J
у
п
J L — рМ'у ■
в падающ ей, отраженной и прошедшей волнах
в = I'oi
о ^
26
у
J I ”= £7 t ?•
V,
Часть 1. Оснооы акустики
г.
Коэффициенты проницаемости, отражения и поглощения *
Т
у.
Звукоизоляция
/•>
/? = lO lg-^ ~ lOlg — = 10 Igr = lOlg
y,i
^
rz ,
V
P’
v5.i J
Для отыскания отношения звуковых давлений по обе стороны гра­
ницы рассмотрим граничные условия, а именно: а) равенство по вто­
рому закону Ньютона давлений по обе стороны границы на границе и
б) по закону непрерывности среды равенство колебательной скорости
по обе стороны границы на границе:
Р\
^
= ц
Рг = Р}у
I .g r a d p , ^ J W
J
Р
Р
а
, А
_ А
= А
Z,
Р
Решая совм естно два по л учен ны х уравнения, получаем зву­
коизоляцию
2;>, = л О + | ^ ) .
Z,
^ = 1 0 lg ^
^ = ^ 0 + 1 ^ ),
/7,
2
= l0 1 s
ъ
ё
.Iу
Икоэффициент звукопоглощения
Z,
Z
( л ^ р^) ^
~ Р\
1 -
р^)
-Z ,"
27
.
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
Таким образом, по закону сохранения энергии сущность звукоизо­
ляции состоит в отражении части звуковой энергии от границы разде­
ла двух сред, а сущность звукопоглощения - в потери части отраи<енной звуковой энергии, независимо от того, за счет чего произошла по­
теря: поглощения или прохо>кдения во вторую среду.
Контроль за снижением вредных для человека звуков в помеще­
нии производится, главным образом, с помощью звукоизоляции,
контроль за улучшением акустики помещений производится, в
основном, с помощью регулирования звукопоглощения в нём.
28
Часть 1. Основы акустики
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
Закон Вебера—Фехнера
У человека имеются пять органов чувств: зрение, слух, осязание,
обоняние и вкус. “Д л я всех органов чувств человека ощущение
пропорционально логариф м у раздраж ит еля, выраженному в
единицах порога ощ ущ ения’’ - это основной психофизический
закон Вебера-Фехнера. Назван он по имени д вух немецких ученых:
анатома и физиолога Эрнста Генриха Вебера (1 7 9 5 -1 8 7 8 гг.) и физи­
ка Густава Теодора Фехнера (1801 - 1887 гг.). Наибольшей информа­
тивностью обладает зрение (приемник световых волн). Но лишь орган
слуха имеет кроме приемника - органа слуха (ухо) еще и излучатель орган звука (голос). Две величины звука воспринимаются и излучают­
ся человеком: уровень звукового давления и частота.
Уровень звукового давления
= JOlg —
, дБ, где / ц
10“ ' ‘ Вт/м^
Частота в герцах, Гц,
1
/
- Т ’ где Т — период колебаний, с.
Единица изм ерения герц, Гц, названа в честь знаменитого
немецкого ф изика Генриха Рудольф а Герца (1857 - 1894 гг.). С
1880 г. - он ассистент Германа Гельмгольца, с 1885 г. - про­
фессор политехникум а в Карлсруэ, с 1889 года - Боннского
университета. Г.Р. Герц эксперим ентально доказал сущ ество­
вание электром агнитны х воли (волны Герца) и тем самым под­
вел опытную основу под теорию М аксвелла. Он придал уравне­
ниям электродинамики М аксвелла симм етричную форму в виде
волнового уравнения, доказал, что скорость распространения
электром агнитны х волн равна скорости света, и т.д. Термин
"частота" был предложен впервые Лордом Рэлеем.
29
_________________ И.И. Боголопов. Архитоктурная а к у с т и к а __________
Орган слуха (ухо)
Орган слуха - "ухо" - состоит из наружного (I), среднего (II) и внут­
реннего (III) уха - см. рис.2. Наружное ухо состоит из ушной раковины
(1) и слухового прохода (2), заканчивающегося тонкой мембраной, на­
зываемой барабанной пере­
по нкой (3), С ре д н яя д л и н а ,
слухового прохода 27 мм. Та­
ким образом, слуховой проход
представляет собой трубку, от­
крытую на одном конце и зак­
рытую на другом.
Б а р а б а н н а я пе репонка
имеет диаметр, примерно раз­
ный 9 мм. Наибольшей чув­
ствительностью ухо обладает
в
области
ч а с то т
3000 - 3500 Гц, где порог слы­
Рис.2. Орган слуха
шимости имеет наименьшую
величину. Происходит это по
причине резонанса столба воздуха в трубке слухового прохода, когда
его длина становится равной четверти длины звуковой волны. Легко
подсчитать, что первый резонанс такой трубки равен приблизительно
частоте 3000 - 3500Гц. В области максимальной чувствительности слух
воспринимает давление лишь немного большее, чем звуковое давле­
ние, возникаю щ ее вследствие флюктуаций плотности воздуха при
броуновском движении молекул. Если бы ухо было вдвое чувствитель­
нее, оно слыш ало.бы непрерывный шум флюктуаций. Чувствитель­
ность слуха находится на пределе биологической целесообразности.
Среднее ухо расположено между барабанной перепонкой и входом
во внутреннее yi^o. Это заполненная воздухом полость, содержащая
три слуховые косточки; молоточек, наковальню и стремечко (4,5,6).
Молоточек прикреплен к барабанной пё^
и соединен с наковаль­
ней, а та со стремечком. Стремечко соединено с перепонкой овально­
го окна внутреннего уха (7). Полость среднего уха соединяется с но­
соглоткой с помощью канала, называемого евстахиевой трубой (8),
Таким образом уравновешивается атмосферное давление по обе сто­
роны барабанной перепонки.
30
Часть 1. Основы акустики
Внутреннее ухо следует за овальным окном. Оно выполняет функ­
ции равновесия и анализатора звука. Функции равновесия принадле­
жат полукружным кольцам (9), перемещение жидкости в которых при
поворотах головы дает четкое ощущение в пространстве. Анализатор
звука находится в улитке (10), представляющей собой спирально свер­
нутый канал, заполненный жидкостью, с перепонкой круглого окна (11)
и слуховым нервом (12). Длина канала составляет примерно 35 мм.
Диаметр сечения канала у стремечка - около 2 мм. Диаметр улитки
примерно 10 мм.
Работа органа слуха осуществляется следующим образом. В ре­
зультате действия звукового давления на наружное ухо колебания ба­
рабанной перепонки передаются молоточку, наковальне и стремечку.
Стремечко передает колебания перепонке овального окна и далее во
внутреннее ухо, где происходит анализ звука. В процессе передачи
колебаний слуховые косточки выполняют роль звуковой редукции от
малого акустического сопротивления воздушной среды в наружном ухе
к большему акустическому сопротивлению жидкости во внутреннем
ухе. Трансформация происходит в основном из-за большой разницы в
площадях барабанной перепонки и перепонки овального окна и отчас­
ти из-за рычажного действия молоточка, наковальни и стремечка. Ре­
зультирующее отношение редукции равно 20:1.
Частотный диапазон восприятия ухом человека от 20 до 20 ООО Гц.
Таким образом, отношение верхней фаницы к нижней равно 10ОО. Ниже
20 Гц - инфразвук. Сейсмология изучает инфразвуковые колебания
земной поверхности. Выше 20 ООО Гц - ультразвук. Область примене­
ния ультразвука; гидролокация, дефектоскопия, современные произ­
водственные и медицинские технологии.
Области наилучшей слышимости необходимых для человека зву­
ков имеют вполне определенные ограничения по уровню звука и час­
тоте, Имеются три такие области; речь, музыка и шум.
Музыка будет рассмотрена в следующем разделе. Остановимся на
речи и шуме, Динамический диапазон речи равен примерно 30 дБ (на
1000 Гц от 45 до 75 дБ). Частотный диапазон речи равен приблизи­
тельно двум октавам (от 100 - 400 до 200 - 800 ГЩ. Динамический
диапазон воспринимаемого человеком шума равон примерно 100 дБ
(на1000 Гц от 30 до 130 дБ). Выше 130 дБ шум опасен для человека.
Частотный диапазон шума лежит в пределах 20 - 20000 Гц.
31
Рис.З. Диапазон слышимости звука по уровню и частоте
Измерение шума производится в октавных и третьоктавных поло­
сах частот. Восприятие частот происходит по закону Вебера— Фехне­
ра, то есть также в логарифмическом масштабе. Введем обозначения
индексов частоты: “о" - октава, “т" - треть октавы, "в" - верхняя
граница частотной полосы, "н" - нижняя фаница полосы. Частотная
полоса в одну октаву имеет отношение верхней границы полосы к её
нижней фанице. равное двум.
Представителем частотной полосы является среднегеометричес­
кое значение
f = Ш т .- i s / =
^
= 2,
но
te fu T
32
f i n - -J (Ig I bo “
f i i o ) " “ Is 2.
Ч асть 1. Основы акустики
Таблица 2. Октавные и трстьоюгавные полосы частот
Средмсгсомотртсскоо аначснмз Среднегеометрическое значение
трстьоктаоной полосы, ГЦ
октапной полосы, Гц
25
31,5
[
31.5
1
40
'50
63
i
63
1
80
100
125
,
..
125
160
200
250
250
315
’
400
L* . ' '
■•500 •
•
500
630
800
1000
1000
1250
1600
2000
2000
2500
3150
4000
4000
5000
6300
8000
8000
10000 • ■ ‘
Орган звука (голос)
; Основная часть речевого аппарата человека совмещена с органа, ми дыхания и глотания - см.рис.4. Она состоит из полости рта (1),
vHOca (б) и глотки.(7). Полость рта ограничена твердым нёбом (2). иёб-
33
И.И. Боголепоо. Архитоктурная акустика
ной занавбской (3), свисающим язычком (4) и надгортаньем (8). Легкие
(14) совместно с трахеей (13) выполняют роль аккумулятора энергии
для речеобразования. Выталкиваемый из легких воздух проходит по
трахее в полость глотки. Глотка представляет собой мышечную труб­
ку, располагающуюся над гортанью,
позади полости рта и носа. Сверху
трахея заканчивается хрящевым об­
разованием (10,11,12), называемым
гортанью. Сверху гортань имеет две
складки, которые могут частично пе­
рекрывать гортань, оставляя голосо­
вую щель. Эти складки носят назва­
ние голосовых связок. Именно они,
приходя под действием сознатель­
ного мышечного натяжения и пото­
ка воздуха из легких в автоколеба­
ние, явл я ю тся источником звука.
Важное влияние на формирование
звуков речи оказывают язык (5) и
губы. Позади гортани располагает­
ся пищевод (9), который раскрыва­
ется лиш ь в момент глотания. Та­
ким образом, к глотке подходит тра­
хея с голосовыми связками для ды ­
ханий и генерации звуков и пище­
вод д л я питания человека. Когда
Рис. 4. Органы дыхания,
человек одновременно ест, дышит
глотания и звука
и говорит, эта главнейшая для жиз­
ни человека система, прекрасно ра­
ботая (часто с перегрузкой) в автоматизированном режиме, представ­
ляет собой подлинное чудо природы. Но лучше, конечно, её не пере­
гружать. Поэтому существует поговорка: “Когда я ем, я глух и нем".
Собственно речевой тракт представляет собой трубу переменного
сечения, начинающуюся у голосовых связок и заканчивающуюся гу­
бами. Длина его в среднем 17 см. В плоскости губ передняя часть
тракта может изменяться от нуля до 20 квадратных сантиметров (пло­
щадь полностью открытого ротового отверстия).
. М’'.! I>
34
Часть 1. Основы акустики
МУЗЫКАЛЬНАЯ АКУСТИКА
Д ва вида реш ения в о л н о в о го у рав нен ия
В архитектурной акустике при снижении шума испопьзуется реше­
ние вопнового уравнения, полученное методом бегущих волн — мето­
дом Дапамбера;
р (Л Л') = Р cos(r^; t - к х ) ,
Это решение характерно не видом функции, которая определяется
начальными условиям и, а видом аргум ента. Знак м инус перед
волновым числом соответствует движению волны в положительном
направлении.
Для улучшения слышимости речи и музыки чаще используется ре­
шение волнового уравнения, полученное методом стоячих волн - ме­
тодом Фурье:
/;( Л Л ') = /» ( A ') c o s ( r V Здесь решение представляется в виде двух сомножителей, где пер­
вый зависит только от координат, а второй только от времени. Графи­
чески зависимость амплитуды от времени - осциллограмма, зависи­
мость от частоты - спектрограмма (спектр амплитуд), 6 музыкальной
акустике, как правило, используется спектрограмма.
Теорема Ф урье
Почти любой сложный звук, и музыкальный в первую очередь, ма­
тематически может быть представлен в виде ряда Фурье:
Р (!,Х )
= Р , -I V
P „{x )C O S (c O „r -
(/)„ ).
п
Теорема Фурье для нас состоит в том, что почти любая сложная
функция может быть представлена суммой самых простых функций
(гармонических) и, соответственно, спектром амплитуд.
Жан Батист Ж озеф Фурье (1768 - 1830 гг.) - вы даю щ ийся
французский математик. В 1822 году он опубликовал "Аналитическую
теорию тепла", в которой для решения уравнений теплопроводности
разработал метод разделения переменных, в основе которого лежит
представление функций тригонометрическими рядами. (Не путать с
Шарлем Ф урье (1772 - 1877 гг.) - и звестны м ф р а н ц узски м
'социалистом - одним из основателей научного коммунизма).
35
liii
И.И. Боголепов. Архитоктурная акустика
Простые гармонические функции - не единственные функции, по
которым можно разложить произвольно заданную функцию в ряд. Тот
факт, что для акустики, и в первую очередь для музыкальной акустики,
ряд ы Ф у р ь е и м е ю т п р е о б л а д а ю щ е е зн а ч е н и е , о б ъ я с н я е т с я
акустическим законом Ома,
Акустический закон Ома
Все звуки, сточки зрения человека, можно разделить на музыкальные и
немузыкальные (ноты и шумы). Музыкальные ноты отличаются тем, что
имеют ровный, непрерывный характер и соответствуют гармоническим
колебаниям в виде ряда Ф урье. Ш ум имеет сплош ной спектр
в виде интефала Фурье. Заставив звучать несколько нот, можно получить
некоторое подобие шума, но никакая комбинация шумов никогда не смог­
ла бы слиться в музыкальную ноту. Ноты обычно являются сложными и
только один особый их вид. называемый тонами, недоступен для дальней­
шего анализа. Что же является физической характеристикой тонов, опре­
деляющей их своеобразие? Какого рода те периодические колебания, ко­
торые дают простой тон? В соответствии с какой математической функци­
ей меняется давление в слуховом проходе? "Более важного вопроса, пишет Лорд Рэлей в "Теории звука", - быть не может".
Немецкий ф изик Георг Симон Ом (1787 -1 8 5 4 гг.) эксперименталь­
ным путем в 1843 году установил, что простейшее слуховое ощ ущ е­
ние вызывается лиш ь гармоническими колебаниями и что ухо
способно разлагат ь сложные звуки на синусоидальные состав­
ляющие. Всякий раз, когда объв!Сгивно зафиксировано какоо-либо про­
стое колебание, можно слышать соответствующий тон, всякий же раз,;
когда такое колебание отсутствует, тона слышать нельзя. Поэтому Ом
вправе был принять, что субъективно простые тоны и объективные ко­
лебания, выражаемые с помощью синуса, неразрывно связаны друг с
другом. Акустический закон Ома можно сформулировать так; субъек­
тивное ощущ ение человеком простого тона объективно опрв-\
деляется гармонической функцией времени в слуховом проходе.
Диатоническая и хроматическая гаммы
Итак, важнейшим понятием в музыкальной акустике является нота.
Высоту ноты определяет самый низкий её тон по частоте (первая гармо­
ника в разложении Фурье), тембр ноты определяют её обертоны (выс­
шие гармоники), фомкость звучания ноты - амплитуда её первого тона
и обертонов.
36
Часть 1. Основы акустики
Ноты располагаются в музыкальный строй, называемой гаммой.
В настоящоб врем я и с п о л ь зу ю тс я : а) д и а то н и ч е с ка я гам ма с
7*ступенной интервальной системой нот и б) хроматическая гамма с
12*ступенной интервальной системой нот.
Таблица 3. Диатоническая и хроматическая гаммы
Диптоничоскоя
гамма
Нота
ДО
ДО
#
ре
Хроматическая
гамма
с
1
= 1,00000
C#
-
= 1,05940
d
- = 1,12500
a
'■3^ = 1,12246
ро#
d#
ми
0
~ = 1,35000
4
'i
'h '* = 1,25992
фа
f
- = 1,33333
'^2^ = 1,33484
3
фа#
f#
соль
9
= 1,41421
-
- = 1,50000
2
соль#
' 3 ^ = 1,49831
‘3^2® = 1,58740
ля
a
л я#
a#
си
b
^ = 1,66666
с
'3 ^
=
1,68179
-
'3^2'“
=
1,78180
™ = 1,87500
'З/2"
=
1,88775
'3^2'^
=
2,00000
8
Ч'|
до
= 1,18921
-
— = 2,00000
8
37
^и,и . Боголипоо. А рхито 1ггурная акустика
Та и другая система укладывается в ит-орвал, равный октаве (octava восьмая нота диатонической гаммы). При переходе от какой-либо ноте
к её октаве частота колебаний удваивается. Иллюстрацией нот этих
двух гамм могут служить клавиши рояля: семь белых клавиш в преде­
лах октавы - диатоническая гамма, семь белых плюс пять черных кла­
виш - хроматическая гамма. Диатоника основана на соотношениях
целых чисел, хроматоника - на равных логарифмических интервалах.
Ухо не может ноты разлагать далее. Ноты складываются в общем слу­
чае из тонов; высотой ноты является высота наинизшего содержаще­
гося в ней тона.
Диатоника приписывается Пифагору. Пифагор (580 - 500 годы
до н.э.) - древнегреческий математик и философ. Он считал, что чис­
ло есть сущность всех вещей и что Вселенная представляет собой
гармоническую систему чисел и их соотношений. В геометрии извест­
на теорема, носящая его имя. Пифагоров строй - музыкальный строй,
образованный путем последовательного построения чистых квинт и
сведением всех полученных звуков в пределы одного октавного звуко­
ряда. Ко времени создания пифагорова строя было известно, что 1/2,
2/3 и 3/4 длины струны даю т соответственно чистые октаву, квинту и
кварту к основному тону (то есть к звуку, издаваемому целой струной).
Для получения остальных ступеней звукоряда за основу была взята
длина, соответствующая квинте, Большая секунда получалась пост­
роением квинты от квинты с последующим октавным понижением, боль­
шая секста определялась построением квинты от большой секунды.
Соответственно получалась большая терция (квинта от сексты с ок­
тавным понижением) и т.д. Диатонический строй применялся для на­
стройки инструментов с фиксированным звукорядом (например, орган,
цимбалы, арфа и др.). Во времена И.С. Баха он был заменен темпе­
рированным клавиром хроматической гаммы.
Ш ирокое применение хроматической гаммы связано с именем
великого немецкого композитора и органиста Иоганна Себастьяна
Баха (1685— 1750 гг.). В гениальном произведении И.С. Баха “Хоро­
шо темперированный клавир", включающем 48 прелюдий и фуги,
представлена "энциклопедия" полифонических стилей во всех то­
нальностях хроматической гаммы. Заметим, что почти все произве­
дения И.С. Баха оставались при его жизни в рукописях. Иоганн Се­
бастьян Бах был истинный христианин, не страдал гордыней, был
главой огромного семейства. “Великим Бахом" считался один из мно­
38
Часть 1. Основы акустики
гочисленных его детей Карл Филипп Эммануил Бах, оказывавши^покровительство своему отцу. Лишь через сто n e i (i).-благодаря, в
основном, двум другим гениальным музыкантам - В*А. Моцарту и
Л.В. Бетховену, музыка И.С. Баха триумфально.возродилась. Она .
торжествует до сих пор и устремлена в далекое будущее. При жиз-.
ни И.С. Ваха хроматическая гамма стала господствующим музы­
кальным строем, породив главный современный кл а в и р -ф о р те п и ­
ано (рояль - royal - королевский).
■ Третьоктава технической акустики равна темперированной терции
музыкальной акустики. Диатоническая терция равна ноте “ми". Темпе­
рированная терция выше диатонической на интервал 126:125. Между­
народный стандарт: “ля" первой октавы имеет частоту 440 Гц.
Музыкальные исполнители и музыкальные инструменть)
'
Музыка является одним из высших проявлений человеческой куль­
туры. Сила и яркость эмоционального воздействия музыки позволяет
ей непосредственно выражать психические процессы, многогранный
мир человеческих переживаний в развитии. В*отличие от просгрансгвенного характера живописи или архитектуры (архитектура - “зас­
тывшая музыка"), искусство музыки реализует себя только во време­
ни. Но она нуждается в акте вторичного творческого воссоздания, в
посредничестве исполнителя между автором и слушателем. Наибо­
лее мощным средством передачи человеческих эмоций в музыке яв­
ляется человеческий голос. Прочие орудия извлечения музыкальных
звуков - это музыкальные инструменты. Многие инструменты дают
возможность одновременно воспроизводить несколько звуков, обла­
дают большой интенсивностью, широким диапазоном, беглостью зву­
ков. Музыкальная а к у с ти ка -с а м а я древняя акустика.
.
.г
_ Диздазон музыки равен примерно 8-ми октавам (точнее 7 полных и
l^tipnonHbie октавы). Диапазон очень хорошего музыкального голоса
равен 3 - 3,5 октавы (для сравнения: диапазон голоса речи - пример­
но 2 октавы). Обычные музыкальные исполнители имеют примерно
следующие диапазоны. Мужские певческие голоса: у баса 8 0 -3 6 0 Гц, у
баритона 100 - 450 Гц, у тенора: 125 - 600 Гц. Женские певческие голо­
са: у контральто 160 - 700 Гц, у м еццо-сопрано 220 - 900 Гц,
усопрано 250 -1 1 0 0 Гц, у колоратурного сопрано 315 - 1 4 0 0 Гц.
Музыкальные инструменты можно разбить на три группы: 1) инстренты, звучание которых обусловлено аэродинамическими процес-
39
И.И. Боголопов. Архитектурная акустика
сами, 2) инструменты, создающие звук путем поддержания незатуха*
ющих механических колебаний, и 3) инструменты, звучащие при уда­
ре или при соударении тел. В соответствие с этим имеются музыкаль­
ные инструменты: духовы е (флейты, кларнеты, гобои, фаготы, саксо-1
ф о н ы -д е р е в я н н ы е , трубы, валторны, тромбоны, фанфары, горны-!
медные, орган, баян, аккордеон), струнные (скрипка, виолончель, кон­
трабас, арфа, гусли, домра, гитара, балалайка, фортепиано, клаве-;
син) и ударные (барабаны, бубны, тамбурины, литавры, кастаньеты,!
колокола). У всех струнны х инструментов звукоряд хроматический, за'
исключением арфы, у которой он диатонический. Наиболее близкий к
пению женского голоса музыкальный и н стр ум е н т- скрипка с диапазо-j
ном 200 - 4000 Гц. Наиболее универсальный инструмент - рояль
диапазоном 20 - 6000 Гц.
Одним из центров мировой музыкальной культуры является Пе­
тербург. Петербургский период русской музыкальной культуры ох­
ватывает большую часть XVIII века и практически весь XIX век.
Творчество Д. С. Бортнянского, М. И. Глинки, А.С. Даргомыжско­
го, М.А. Балакирева. А.Г. Рубинштейна, М.П. Мусоргского, А.П. Боро­
дина, Н.А. Римского-Корсакова, П.И. Чайковского, А.К. Лядова,
А.К. Глазунова - крупнейших композиторов этого периода - так или
иначе связано с Петербургом. Творческие традиции петербургской петроградской - ленинградской - петербургской школы остаются
значительны м и и в X X веке, о чем говорят такие имена как
И.Ф. Стравинский, С.С, Прокофьев, Д.Д. Шостакович, Г.В. Свири­
дов, В.П. Соловьев-Седой, А.П. Петров, В.А.Гаврилин.
В заклю чение эт ого раздела приведем слова крупнейшего
французского зодчего X X века Л е Корбюзье: ‘'Архитектура и му
зы ка - родны е сест ры : обеим присущ и материальное и духовное начала, в м узы ке м ы видим архитектуру, в архитектуре музыку, И та и другая создают пропорции во времени и п ро
ст ранстве".
40
Часть 2. Зоукоиаоляция помещений
ухаудаальIKCO-
чы коиавееты,
й, за
:ий к
1330-
ль с
Часть 2
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ЖИЛЫХ, СЛУЖЕБНЫХ
И ОБЩЕСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
“ 10ОХ-
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ШУМА И ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
:К0-
Один из наиболее распространенных источников шума — двига-
рова,
;Т0ЛЬ внутреннего сгорания. Уровень мощности внутри цилиндра ди-
ШИ
й—
гея
как
ри-
;30ля равен 220 дБ (10 ООО ООО ООО Вт). Излучаемая звуковая мощ­
ность такого дизеля равна 120 дБ (1 В т). Мощность на выходном валу
(равна 1 ООО ООО Вт.
Отношение в ваттах, Вт, звуковой мощности, излучаемой машиной,
:(кфункциональной мощности, создаваемой машиной на выходе, назы‘вается акустическим коэффициентом мощности
’
гвго
м у<ов-
оеip o -
Этот коэффициент для указанного дизеля равен 10 .
J Наибольшим акустическим коэффициентом мощности обладаюгсо^|ременные громкоговорители — устройства, специально созданные
'^К\я излучения звука. Если функциональная мощность громкогов'ори|мя равна 10 Вт, а излучаемая звуковая мощность в лучшем случае
117 дБ, то а кусти ч е ски й ко э ф ф и ц и е н т равен прим ерно
есть 5%).
.^
I Физический механизм звукоизлучения машины может быть предйавлаИ схематически следующим образом. Вынужденная сила
Ьпрделяемая функциональной мощностью
вызывает в некоторой
41
*
И.И. Боголепор. Архитектурная акустика
части машины внутри ней в точке “ 1" колебательную скорость к. Ме­
ханический импеданс в этой точке Z = F j / V j . От действия указанной
силы на поверхности машины в точке "2" возникают колебания со ско­
ростью и ., в результате чего излучается звуковая мощность N. Пусть
колебания в точках "1" и “2" связаны посредством передаточной функ­
ции
линейной зависимостью. Тогда звуковая мощность, излучае­
мая поверхностью машины вблизи точки “2", запишется в виде
М ^ JS = p c v \s S ^
где р с - ~ импеданс среды вокруг машины, 5 - площадь излучения
вблизи точки “2", € - коэффициент излучения, равный отношению
интенсивности звука, излучаемого поверхностью машины вблизи
точки "2", к интенсивности звука, излучаемого колеблющимся
поршнем с той же площадью и той же скоростью.
П р и ни м ая во в ни м ание в ы ш е упо м ян утое, получаем важную
ф о рм ул у звуковой м ощ ности м аш ины
N =
S рСЕ.
Zf
Из этой формулы следуют все основные способы снижения шума
машины. Таких способов шесть.
Первый способ состоит в уменьшении выну>ццающих сил. Однако
технический проф есс обуславливает постоянный рост мощности и ско­
ростных параметров машин, что приводит к увеличению вынуждаю­
щ их сил.
Второй способ машин состоит в увеличении внутреннего механичес­
кого импеданса. Этот способ также противоречит, но уже другой тенден­
ции технического прогресса. Эта тенденция состоит в сокращении мате­
риалоемкости и веса машины, что приводит к увеличению вибровозбудимости, и как следствие увеличивается шум машины.
Третий способ состоит в уменьшении передачи звуковых колеба­
ний от места возбуждения к месту излучения (уменьшение передаточ­
ной функции). Праюгически это можно осуществить путем применения
внутренней виброизоляции и вибропоглощения. И то и другое не нашлр пока,какого-либо серьезного применения ввиду трудности совмерТить,это с функциональным назначением машины, , . . . .
42
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
Чбтворгый способ состоит в уменьшении площади излучаемой по­
верхности. Это иногда удается сделать путем уменьшения габариткНЫХ размеров машины или используя решетчатый корпус машины
^;вместо сплошного, что имеет ограниченное'применение-.
..............
Пятый способ состоит в уменьшении импеданса окружающей сре­
ды, например, можно заменить воздух другим газом или применить
вакуум. И то и другое пока не применяется.
Шестой способ состоит в уменьшении коэффициента излучения,
то можно сделать, установив вокруг машины звукоизолирующую обо§мку. Обобщая, можно сказать, что это - основной метод и средство
уменьшения шума.
И, наконец, можно просто удалить человека как можно дальше от
(Источника шума.
Шестой способ - звукоизоляция-являет ся в настоящее время
повсеместно основным способом снижения шума в помещениях
^.Мтковым останется в обозримом будущем. Звукоизоляция при^ ]мтется в виде звукоизоляции ограждающих помещение кон­
струкций (стен, пола, потолка), звукоизоляции машин и звуко­
изоляции постов управления.
43
И.И. Боголопор. Друитеюурная акустика
Ва?
ГЛ А В Н Ы Е ПРИНЦИПЫ И ЗА КО Н Ы ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ
И30ЛЯ1
Формулу звукоизоляции фаницы раздела двух сред, гд е всегда и
только там возникает эффект звукоизоляции, представим в виде
^ = 101g
- 6 дБ.
^ 2 0 Ig
[ i z ,
z
^ i j z l
Из :
ВВЛИЧ1
Из этой ф ормулы следуют главные принципы звукоизоляции.
Поиниир взаимности состоит в том, что при изменении направления падения звука на обратное звукоизоляция фаницы не меняется
(симметричность формулы).
мальн!
частот
даютс?
слоя).
Принцип прозрачности состоите выполнении равенства импедаисов
Z n o обе стороны фаницы, как величины произведения плотности средь
на скорость звука в ней, а не по отдельности плотности и скорости.
рассогласоваййН'ймпёда’н сов' состоит в том, что для по­
лучения большой звукоизоляций ‘необхо^
рассогласовывать импедансы по обе стороны границы, то есть выполнить одно из следую­
щих обязательных условий:
П ринцип
R
Xapj
щины с
ти неко‘
одичес!
'
B ia i
И30ЛЯЦ1
Для определения главны х законов звукоизоляции рассмотрим
прохождение плоских звуковых волн через слой толщиной .9, по обе
стороны которого находится газообразная среда, например воздух. Ко­
эффициент рассеяния в слое, постоянная распространения слоя и им­
педанс слоя
S=
у = Р 4iky
Z " рс.
По закону сохранения энергии для слоя
Т 4 £ ^ 5
= 1.
Формулу звукоизоляции слоя находим методом фаничных условий, кау
для звукоизоляции границы раздела двух сред. 6 результсте получаем
4Z ?,
44
При
имеем [
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
Важным частным случаем этой формулы является формула звуко­
изоляции слоя без потерь. Приравняв потери нулю, имеем
,
I
lO Ig cos 2 ks
+ -
авлеяется
Из этой формулы следует, что звукоизоляция слоя по мере роста
величины А'9 имеет минимальные и максимальные значения. Мини. мальные значения будут при sin As = О и cosks “ 1 (на резонансных
частотах слоя), в этом случае R = 0. Максимальные значения наблю­
даются лри sin
= 1 и cos iT - О (на антирезонансных частотах
’слоя). Максимальная звукоизоляция слоя
2'
= 20 Ig
Л ш „= 1 0 1 8
Z,
Z
г„.
-вГдВ.
г
’ Характерно, что максимальная звукоизоляция на антирезонансахтол;(1цины с увеличением частоты звука и толщины слоя не может превзой;'ти некоторой постоянной для данного материала величины, лишь пери­
одически достигая ей при определенных значениях параметра ks.
■^ Втаблице4 (см. стр. 48) приведены максимальные значения звуко­
изоляции для слоя, выполненного из различных материалов.
^ При условии
Z
Z q^ ks
1, cos^ k s ^ i , sin^ ks » {ks)^
имеем важную формулу звукоизоляции по закону массы
/
R = lO lg 1-ь
сот
\
,д Б , т = p s .
S,2/7(1с„ ^
Звукоизоляция по закону массы увеличивается: а) при увеличении
и частоты и б) при уменьшении импеданса среды по
[обе стороны преграды. Применяется для звукоизоляции на морском,
|азвмном и воздушном транспорте, в окнах и дверях, для кожухов ма^
I, в строительных сооружениях. Это самый распространенный с
древних времен акустический закон, впервые обнаруженный ориенти^ровочно эмпирически.
М8ССЫ преграды
45
И.И. Боголопов. Архитектурная акустика
Таблица 4. Максимальные значения
звукоизоляции преграды на частоте 1000 Гц
Толщина
Максимальная
9пукои.1оляция. дБ прсфОДы, мм
Маториал прсфоды
Алюминиевые сплавы
Асбосилиг
Базальтовый плотный картон
Бакелизированная фанера
Верозовая фанера
Бетон
Бумажно-слоистый пластик
Модные сплавы
Органическое стекло
Пластмасса "Агат"
Поливинилхлоридный линолоум
Полихлоропреновый каучук
Пробковые плиты
Свиноц
Силикатное стекло
Сталь
Стеклопластик
Твердая техническая розина
Титановые сплавы
Экспанзит
84,4
65.1
32.3
66.9
65,7
78,6
1250
480
29
567
515
783
818
884
415
304
84
13
125
296
1294
1297
813
74.8
91.5
68,6
65.4
56,4
39,1
42,9
83,5
83.5
93.6
78,6
41.2
20
1290
40
88,6
31,5
Закон массы для случая косого падения звуковых аолн
2‘
F==:l01g
1+
' co m co se^
2pqCq
,
F = 1 0 lg ,m
г (в ) г.
j
^ соm o o s
ч.
Звукоизоляция для дифф узного падения звука
2.Т
.т/2
I d(p J
_
Г]
^
COS i9sin
А;
j c o s t9sin B d B
0_________________ _o______________
d(p J J 2 cos »9sm &d$
0
46
—■
—
i
r (5 )
—
>
Часть 2. Звукоизоляция помощоний
где 8 — угол падения звуковых волн на преграду,
Sjj — предельный угол интегрирования,
,\
.
Надо сказать, что закон массы, справедливый для тонкой пласти­
чны для определенных частот, считался до недавнего времени универ||альным законом звукоизоляции строительных конструкций любой
Толщины. Архитекторы традиционно используют его до сих пор для
Васчета средней звукоизоляции для наиболее важного в данном слу­
чае диапазона частот. Нижняя граница его равна 100 Гц, а верхняя —
Й200 Гц, то есть охватывает частотную область в шесть 01став самых
й ш ы хд л я человеческого уха звуков. Звукоизоляция твердой преграры,;;ПО обе стороны которой на ходится в о зд ух с и м п е д а н со м
б28кг/м*с, определяется по формуле
тл =1е I
ат
-I-
^ 2 0 1 g /m + 2 0 1 g -
/Т
2 р„£'„
расчета средней звукоизоляции воспользуемся формулой ус[рвднения в логарифмическом масштабе частот
А’
^ _
lg /2 - IS /l
kJ\
Проинтегрировав, получаем
Лф = 20 l s « / + l s ^ / 7 ^ л + —
1 = 20 lg /H + 12.37.
^/Откорректировав эту формулу по результатам измерений звукоизо­
ляции преград из стали, алюминия и фанеры согласно методу наи­
меньших квадратов, получаем окончательную формулу инженерного
рсчета средней звукоизоляции твердой преграды в воздухе
■ y ? ,^ ,= l3 lg /7 M - I3 = 13(l + Ig;/7.!T),
• 3
где р — плотность материала преграды, кг/м ,
.s'— толщина преграды, м;
т = ps — поверхностная масса преграды, кг/м".
||зи.увеличении поверхностной массы преграды вдвое рост сред|нейзвукоизоляции составит примерно 4 дБ. Следует подчеркнуть, что
47
-
_________________ И.И. Боголепов. Архитектурная акустика_______________
усреднение звукоизоляции ведется в диапазоне частот октавных по­
лос 100 — 3200 Гц и в другом диапазоне частот среднее значение
звукоизоляции преграды может быть иным.
При условии
звукоизоляция по закону упругост и
“
2“
F = lO lg
1-f
1 2
е
]
Звукоизоляция по закону упругости увеличивается: а) с уменьше­
нием модуля упругости преграды и б) с увеличение частоты, толщины
преграды и импеданса среды по обе стороны преграды. Это главный
закон для виброизоляции от вредного звука и амортизации от вредных
ударов и сотрясений. После изобретения колеса применение пневма­
тических шин и амортизаторов для транспортных средств по закону
упругости явилось важнейшим достижением человечества. Виброизо­
ляция по закону упругости источников шума становится затем обяза­
тельным способом борьбы со структ7 рным звуком.
При условии
имеем звукоизоляцию по закону внут ренних потерь
л = 10
_ 2 0 / ? jlg е = S J f is .
Звукоизоляция по закону внутренних потерь увеличивается пропор­
ционально: а) коэфф ициенту потерь и б) величине пути прохождения
звуковых волн.
Важность этого закона определяется тем, что в отличие от закона
масс и закона упругости, где звуковая энергия отбрасывается в обрат­
ную сторону, но не уничтожается, в случае закона внутренних потерь
звуковая энергия превращается в тепло и пластическую деформацию
и таким образом необратимо теряется для звукового процесса. Важ­
нейшим применением закона внутренних потерь являются активные
звукопоглощающие глушители шума в трубопроводах вентиляции и
индивидуальные средства защиты от шума (наушники). Эти противо­
шумовые средства очень эффективны на высоких частотах. Закон внут­
ренних потерь незаменим также для регулирования акустических ка­
честв помещ ения.
48
Часть 2. Зоукоиаоляция помещений
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ длинной линии
КАМЕРНОГО ГЛУШИТЕЛЯ ШУМА
Камерный глушитель шума представляет собой акустически узкую
Трубу с сечением S 1 , переходящую в другую акустически узкую трубу
большего сечения $2 длиной /, называемую камерой, и затем вновь
переходящую в акустически узкую трубу с сечением ST Это так назы^ веемые реактивные глушители шума. Воспользовавшись теорией длин* -ной линии, заменим в формуле звукоизоляции слоя произвольной тол',щины при нормальном падении звуковых волн импеданс на соответ­
ствующие обратные величины площади трубы и получим таким обра­
зом формулу звукоизоляции длинной линии камерного глущителя шума
\2
F ^ l O l g cos^
kl +—
4
л
sill k l
Эту формулу можно преобразовать в вид, часто встречающийся в
технической литературе, а именно
F = 10lg 1 +
1
-
sin^ k l
4
Ниже представлена номограмма, построенная по этой формуле,
для определения звукоизоляции камерного глушителя в зависимости
от параметра jt/д л я характерного диапазона изменения этого пара­
метра. Таким образом, камерный глушитель в зависимости от частоты
звука или длины глушителя имеет широкие полосы звукоизоляции и
узкие полосы полного прохохщения звуковой энергии. Наибольшего
значения звукоизоляция камерного глушителя достигает при
kl =
Tty где п ^ 1 , 2, 3...
Как хорошо видно, максимум звукоизоляции очень пологий, поэто,му звукоизоляция в диапазоне параметра от 0,5 kJ д о 2 k l будет
близка к максимальной. Именно в этом диапазоне и рационально ис­
пользовать для звукоизоляции камерный глушитель. Звукоизоляция
достигает максимума при
5*2 ^2:
_______________ И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
и определяется формулой
Л о т =201g
(sA
- 6,
дБ
S^/Sj*
к^.Л.ЧМ
/
50
/
25
/
15
/
10
/
5
/
■ I^JI.% ч
kl
iL
p it
3n
2
8
4
7ft Ш
8
T6
n
Рис.5. Звукоизоляция длинной линии
камерного глушителя шума
Камерные глушители шума требуют увеличения габаритных раз­
меров трубопроводов. Но их преимущество состоит в том, что они могут
быть эффективны на л ю б ы х частотах, в том числе низких, где глуши­
тели со звукопоглотителем практически бесполезны. Зона большой
звукоизоляции у кам ерны х глушителей охватывает повторяющиеся
достаточно широкие полосы частот, но они имеют также периодичес­
кие зоны пропускания звука, правда, очень узкие по частоте. Для по­
вышения эфф ективности и выравнивания частотной характеристики
камерный глушитель делаю т не из одной камеры, как было рассмот­
рено выше, а из нескольких камер разных размеров, последовательно
соединенных друг с другом.
Камерные глушители не требуют установки звукопоглощающего ма­
териала. Чаще всего они выполняются из стали, поэтому могут приме­
няться при высоких температурах. Их широко используют в качестве
50
Часть 2. Звукоизоляция помещений
^глушителей шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания, в систсйлах вентиляции угольных шахт и метро. Практически используются
Емногокамерные глушители шума. Часто используется конструктивное
гсочетание реактивных глушителей камерного типа с глушителями ак' тйвного типа со звукопоглотителем.
51
И.И. Боголопов. А рхите 1ггу рная акустика
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТИНЫ НА н и зки х ЧАСТОТАХ
При выводе закона масс было принято, что толщина преграды мала
по сравнению с длиной звуковой волны в материале преграды, а им­
педанс материала во много раз больше импеданса окружающей сре­
ды. Такие преграды называются пластинами. Колебательная скорость
в них практически не меняется по толщине, и они колеблются как еди­
ное целое. Пластина по закону массы считалась выше неограничен­
ной по размерам. Выясним теперь, как влияют размеры пластины и
опоры по контуру на ей звукоизоляцию. Для этого вычислим звукоизо­
ляцию свободно опертой пластины на первой моде её колебаний, при­
чем примем, что силы упругости, определяемые цилиндрической жес­
ткостью. распределены по площади пластины равномерно. Тогда мож­
но заменить колебания пластины как единого целого на первой моде
соответствующими поршневыми колебаниями. Этот случай ограничен
частотной областью первого резонанса, что и требуется в данном слу­
чае, так как излучение звука на последующих резонансах по сравне­
нию с первым невелико.
о си i-Doipu^i''u-[aT в гшосюсли гшасп'П 1ы с размерам и а и Ь обозначим
X и у . а ось координат, перпендикулярную к пластине толщиной s , z.
Звуковые давления соответственно в падающих, отраженных и про­
шедших волнах определяются формулами:
Ри = Р011
Pl2 ~ Р(И2 ^
/Au(coMc)
А, = А .,,*?"'"''"'''/
Уравнение движения пластины под действием этих волн
т ~ + В(1 н- 1 'ф = /;„ + /1,, - /?„,
df
где и — смещение пластины.
E s^
2 \ — цилиндрическая жесткость пластины,
12 (1 - / г )
52
Часть 2 . Эрукоизоляция помещаний
р — коэффициент Пуассона,
7/ — коэффициент потерь,
Ег/ — фактор вибродемпфирования.
Решение этого уравнения представим в виде
ди
dt
Joit
и = и ,е‘
V - —
.
= ш и .
Выражая уравнение через колебательную скорость
, В(\ + in)
шту - /
— V = Р\
Рм\ 4- Pl2 “ Л ь
0)
находим импеданс преграды
7
^пр ~
/^11
Р\2 " Ръ\ _ / (От
~ ‘
'
У
В{\ + 17])
со
Теперь выразим звукоизоляцию преграды через импеданс. Найдем
[ колебательную скорость пластины как функцию звуковых давлений
!<по обе стороны пластины
у =
^ ^12 ,
р(1
(
Ро^о
Л |
Ро^о
Решая уравнения, получим
шт ~
1 н2Z
Рг\
2РоСо
•8(1 + ‘ П)'\
СО
Звукоизоляция пластины с конечными размерами
■« = 101g В х
Рз\
==101g
1 н*
Вг}
2.р^с^со}
' тсо ^ В I (D^
^Ро^о
J
Согласно этой формуле в зависимости от резонансной частоты
коизоляция ограниченной по площади пластины при нормальном
53.0
И.И. Боголепов. Архитоктурная акустика
падении на ней звуковых волн имеет три характерные частотные об­
ласти.
В первой частотной области, расположенной выше резонансной
частоты, когда
ей
а ,,
и
г, й 2р,с^
/
В,
звукоизоляция подчиняется закону массы
/
= lO lg
1+
то)
2 p ,c J
Во второй области частот на резонансной частоте
Л = lOlg
,
j
звукоизоляция определяется законом потерь с характерным множите­
лем от закона массы.
В трётьёй области частот, расположенной ниже резонансной часто­
ты, звукоизоляция равна
Т
я = lOlg 1 +
2“
2 Ч
СОрГП
2”
= 101g 1 + f ^
0
<.2роГо соJ
В этой области частот звукоизоляция тем больше, чем больше ци­
линдрическая жесткость пластины и чем меньше частота звуковых
колебаний. Это отличается от вышеуказанного закона упругости, когда
звукоизоляция растет при уменьшении жесткости пластины и при уве­
личении частоты. Следовательно, здесь результат получился обрат­
ный тому, что был получен ранее. Главная причина состоит в том, что
ранее закон упругости был получен при условии
Ро^о ^ 5 - р с ,
а в последнем случае при условии
54
-
Часть 2. Звукоизоляция помещений
Таким образом, последняя формула закона упругости определяет
этотзакон при другом рассогласовании импедансом и в другой частот­
ной области.
■ Круговая резонансная частота на первой моде колебаний свободно
опертой пластины более точно рассчитывается п о формуле • •■-• -
СОр = 7Г
сг
-I- / г
J у 1 2 р { \- / г ) '
При жестком закреплении пластины по всем четырем кромкам ре­
зонансная частота будет примерно в два раза больше. Реальная ситу­
ация находится меящу отими двумя значениями.
55
И.И. Боголепов. Архитеетурная акустика
в
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТИНЫ
ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
При падении на пластину звуковых волн под углом в ней возникают
колебания в виде изгибных волн. Она легко возбуждается продольны­
ми звуковыми волнами и легко излучает звуковую энергию в газооб­
разную или жидкую среду. Изгибные колебания пластины при одно­
мерном распространении их описываются дифференциальным урав­
нением
Гу/.
д^и
. \ и
С И
dt
дх^
Если на пластину под углом падают звуковые волны из воздушной
среды и за пластиной находится тоже воздушная среда, то решением
уравнения может быть выра>кение
/ — (coZ-xsindo)
и = ие
Подставляя это решение в уравнение, получим
со т ди
dt
где V
B(1 + / 77) 67^ sin"*
V = р.
поперечная колебательная скорость пластины.
Отсюда формула импеданса пластины для вынужденных изгабных
волн, который характеризуется отношением разности между звуковы­
ми давлениями по обе стороны пластины к колебательной скорости
пластины в направлении, перпендикулярном ей поверхности
сот -
В(\ + it]) o f
Уравнение свободных колебаний пластины и его решение
_/
. ч д^и
+ '7 ) г - г +
дх
д 'и
дг
= О,
и = и„е
Сп
Подставляя решение в уравнение, получим без учета потерь
. СО'
- 1
56
.с о т
.
—
= 0„
СО
4
- -
в
= 0.
Часть 2, Звукоизоляция помощвний
Отсюда находим скорость свободных изгибных волн
идлину изгибных волн
т с-
^
— скорость продольных звуковых волн в пластине.
Рис.6. Схема оолнового совпадения
Если пренебречь внутренними потерями, то можно получить дру­
гую важную для практики закономерность, приравняв имеданс плас­
тины нулю, когда пластина не будет оказывать сопротивления внеш­
нему звуковому давлению
сот -
s iiH
Впо _
= 0.
Из этого условия можно найти частоту, на которой происходит эф­
фект волнового совпадения
57
И.И. Боголопов. Архитекту р ная экустико
2 я -5 и Г в,
Ik
'
На частоте волнового совпадения звуковые волны проходят через
пластину, не задерживаясь. На этой частоте след падающей на пласти»
ну звуковой волны равен длине свободных изгибных волн в пластине
л
= к , s in в„.
Это явление называют по-разному: коэнциденс, резонанс совпаде­
ния, волновое совпадение. Частота волнового совпадения зависит от
угла падения звуковых волн и достигает наименьшего значения при
касательном падении. Наименьшая частота волнового совпадения
называется критической частотой:
.2
Вкр-
SC
Скорость свободных изгибных волн зависит не только от физико­
механических свойств материала (как это имеет место для продоль­
ных звуковы х волн), но также от толщины пластины и от частоты. За­
висимость скорости звуковых волн от частоты называется дисперси
ей. Следует иметь в виду, что действие дисперсии ограничено. Наи
большая скорость распространения звуковых волн в твердых те л ах—
это скорость продольных звуковых волн. На высоких частотах скорость
изгибных волн асимптотически приближается к скорости поверхност<
ных волн Рэлея, то есть к величине, меньшей, чем скорость продоль­
ных волн. Область действия закономерностей, присущих изгибным
волнам, ограничена толщиной пластины, которая при изгибных коле­
баниях должна быть меньше примерно шестой части длины свобод
ной изгибной волны:
Из этого условия можно определить границу частот, выше которой
теория изгибных волн не действительна
/^0 ,05-,
S
58
___________ Часть 2. Звукоизоляция помещоний
____
к' Отношонис звуковых давлений в падающей и прошедшей через
(пластину волнах имеет вид:
■1 , Z„cose„
А|
2Z ,
fti
Звукоизоляция бесконечной пластины при косом падении звуковых
^Ьлн на неё определяется выражением
2
F = 101g Ри
Р31
Z„cosO,
= 101g I +
В развернутом виде
^
cos
+
R = 10 Ig
COS^„
com
^ 2 poC„ ^
к:Представим эту формулу с учётом частоты волнового совпадения
^ ^ ^ com cosO,
2/7,)Cq
/? = 1 0 lg
/
^
sin** В.
^/кр
_ \2
сот COS в^
[
(р
2 /5„С„
j
1~
s in ‘* В,
На частотах значительно ниже критической звукоизоляция пластины,
ш это следует из последней формулы, определяется законом массы
с
y?«ioig
1+
л
сот cos В(^
На частоте волнового совпадения звукоизоляция существенно за»
1СИТот внутренних потерь
F == 20 Ig 1
£r]s^
.9(, COS i9qQ7‘
24 a c „ ' ( I - Р )
59
И.И. Боголопов. Архитоюгурная акустика
где El] — фактор вибродемпфирования.
На частотах, во много раз превышающих частоту волнового совпа­
дения, звукоизоляция становится существенно зависимой (при малых
потерях) от изгибной жесткости пластины
С
3 • *1
^ СО
S l i r ^ , CO S^f,
Из этой формулы следует, что звукоизоляция в этой области частот
определяется изгибной жесткостью пластины.
Итак, на частотах меньших критической звукоизоляция бесконеч­
ной пластины определяется законом массы; на частоте волнового со­
впадения наступает характерный провал звукоизоляции, который
уменьшается по мере увеличения коэффициента внутренних потерь
(закон потерь); на частотах, превышающих частоту волнового совпа­
дения (а следовательно, и критическую частоту), действует закон уп­
ругости, когда звукоизоляция, вычисленная согласно теории изгибных
волн, становится больше звукоизоляции, определяемой по закону мас­
сы. Для реальных пластин этот эффект звукоизоляции проявляется в
меньшей степени, так как на высоких частотах перестает действовать
в полной мере теория изгибных волн.
Основой всех специальных звукоизолирующих конструкций явля­
ется тонкая пластина. На низких частотах звукоизоляция такой плас­
тины, как было указано выше, сильно зависит от её размеров по пло­
щади и практически не зависит от угла падения звуковых волн.
На высоких частотах, наоборот, она практически не зависит от разме­
ров пла'стинйГУю площади и зависит от угла падения звуковых волн на
пластину. Таким образом, звукоизоляция пластины в широком диапа­
зоне частот определяется рассмотренными выше закономерностями
на низких и высоких частотах и согласующимися закономерностями в
средней области частот мехщу ними.
Область действия звукоизоляции в указанном широком диапазоне
частот определяется
0 ,5 /, < : / 1 2 Д „
В котором имеются пять зон: первая зона определяется законом упру­
гости на низких частотах, вторая зона — резонансным провалом, тре-
60
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
I тья зона - законом массы, четвертая зона — провалом на частоте волнового совпадения и пятая зона — законом упругости на высоких час­
тотах.
Наиболее часто применяемая закономерность звукоизоляции в
архитектурной акустике — закон массы — действует в диапазоне
2/ , 5 / S 0 , 5 Л , .
i;. Наибольшее практическое значение имеет звукоизоляция при прак(5 ТИЧ0СКИдиффузном падении звуковых волн на пластину. Формула зву' коизоляции по закону массы определяется в этом случае следующим
образом;
= 20 Ig fp s + 20 Ig —
fr
+ 1 0 lg (l - c o s ' 0) -
К
- - f p s
- lO lg Ig
-3 ,6 2 , дБ.
ж
fp s
COS
в
Для практически диффузного звукового поля для воздушной среды
по обе стороны пластины
в„ = 80°
и
р„с„ = 428, кг/м^с
^вышеуказанная формула звукоизоляции по закону массы примет вид
л = 2 0 1 g / ) i - 4 8 , дБ.
Расчетная инженерная формула, соответствующая эксперименталь,ному материалу, полученная методом наименьших квадратов (см. ли^тературу), такова;
R ^ l4 ,5 \g fp s -2 9 y A B .
где Г- частота а третьоктавных полосах частот, Гц,
p s = т - поверхностная масса, кг/м^.
Литература
Боголопов И.И. Пром ыш ленная звукоизоляция. Теория,
исследования, проектирование, изготовление, контроль/
Предисловие академика И.А. Глебова. - Л.; Судостроение. 1986.
61
_______________И.И. Боголепов. Архите 1ггурная акустику_________________
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТИНЫ
СЛОЕМ ЗВУКОПОГЛОТИТЕЛЯ
со
Звукоизоляция конструкции, состоящей из тонкой пластины плюс
слой специального звукопоглощающего материала (звукопоглотитель
является таюке всегда хорошим теплоизолятором). - ото наиболее
широко распространенный тип специальной звукоизолирующей кон­
струкции на самолетах, в пассажирских вагонах поездов, в салонах
автомобилей, в кожухах машин и кабинах управления, для дверей
жилых и служебных помещений современных зданий.
Итак, пластина плюс слой звукопоглощающего материала. Какова
звукоизоляция такого конструктивного сочетания?
Пластина толщиной s1 характеризуется следующими импедансом
и звукоизоляцией:
Z
= / со /77,, 777, =
= 1 0 Ig
2Z
• Z „ = р ,с „.
Звукопоглощающий слой толщиной
имеет следующие постоян­
ную распространения, импеданс и звукоизоляцию:
У2- Р +iky Z 2 = рс.
10Ig
4Z,Z„
Формула звукоизоляции пластины со звукопоглощающим слоем,
полученная методом граничных условий, такова:
1 -I-
4 Z Z ,
оу
A = 101g
Z,
Z .^ - Z q
2Z.
4 Z Z ,
_ e ~ r i4
/
Структура формулы состоит из первого члена, определяющего зву­
коизоляцию пластины, второго члена, определяющего звукоизоляцию
звукопоглощающего слоя, и третьего члена, определяющего взаимо­
действие звукоизоляции пластины и слоя. Характерно, что чем мень­
ше это взаимодействие, тем больше звукоизоляция совместной
конструкции.
62
Часть 2. Звукоизоляция помещений
. Максимальная звукоизоляция пластины со слоем звукопоглощаюр го материала наступает при условии
f j aZd
и
Д
0.
Это условие — требование к звукопоглощающему материалу. При
выполнении этого требования максимальная звукоизоляция такой кои[^укции
;« 10 Ig 1 +
G>nU
+ 20ige^'=, дБ.
2Z о у
На рис.7 представлены экспериментальные данные влияния зву­
копоглощающего слоя на звукоизоляцию пластины.
1250
2500
5000^ -
10000
Рис.7. Влияние звукопоглощающего материала БЗМ
на звукоизоляцию алюминиевой пластины
|i;1$пластина толщиной 4 мм без покрытия, 2 - пластина со слоом материа“ пвтолщиной 15 мм, 3 - пластина со слоом материала толщиной 30 мм,
4 - пластина со слоем материала толщиной 50 мм.
63
И.И. Боголопоа. Архитектурная акустика
Как видно из рисунка, звукопоглощающий слой может очень силь­
но увеличить звукоизоляцию преграды и особенно на высоких часто­
тах. Звуки высоких частот очень болезненно переносятся человеком,
поэтому область применения таких конструкции для борьбы с шумом
посгр^ццр.расширяется.
64
Часть 2. Звукоизоляция помещений
ВЛИЯНИЕ ОТВЕРСТИИ
НА ЗВУКОИЗОЛЯЦИЮ ПРЕГРАДЫ
Ничто так не может ухудшить звукоизоляции, как отверстие в префвде. Отверстие может быть акустическим, когда звукоизоляция его
меньше, чем звукоизоляция основной преграды, и оптическим, когда
звукоизоляция отверстия равна нулю.
Рассмотрим звукоизоляцию преграды площадью S, (звукоизоляция
преграды с этой площадью равна R ) с акустическим отверстием пло­
щадью
(звукоизоляция акустического отверстия с этой площадью
равна Rq). Общая площадь преграды равна S=S^+Sq, а общая звуко­
изоляция R зависит при энергетическом подходе от звукоизоляции R,
и Rq . Используя звуковые мощности в падающей звуковой волне и в
прошедшей, имеем
Л = l g ^ = 10 1g
N.
‘^ 20*^0
^1
+ 1^ 10
= Л, - l O l g
10
=
-А Д ,.
Как видно из формулы, одно и то же акустическое отверстие ( Д и
‘S^S, - постоянны) уменьшает общую звукоизоляцию преграды тем
сильнее, чем больше собственная звукоизоляция преграды Д . Поэто­
му при большой звукоизоляции основных конструкций необходимо уверчить звукоизоляцию окон, дверей, люков и лазов и других акусти­
ческих отверстий в этой конструкции.
I В частном случае, когда акустическое отверстие занимает малую
площадь по сравнению с площадью преграды (отношение SJS^ мало
|по сравнению с единицей) и звукоизоляция отверстия равна нулю
|(R=0), то при достаточно большой собственной звукоизоляции пре' фады общая звукоизоляция такой преграды со сквозным отверстием
В этом случае общая звукоизоляция преграды зависит только от
65
И.И. Боголепоо. Архитоктурная aitycTMKa
площади отверстия SO (площадь преграды постоянна) и не зависит
от собственной звукоизоляции преграды. Поэтому сквозные акустичес­
кие отверстия могут свести на нет все усилия по созданию высокой
звукоизоляции. В своё время известный акустик Сэбин образно гово­
рил, что если создана хорош ая звукоизоляция помещения, но забыли
при этом о незакрытом отверстии замочной скважины в двери, то все
усилия будут тщ етны.
Проиллюстрируем-,влияние отверстий на звукоизоляцию результа­
там и, экспериментального исследования. .Измерения звукоизоляции
производились в звукомерных камерах реверберационным методом.
О пыт состоял в.определении.влияния-на звукоизоляцию пластины
сквозных отверстий равной площади 10 см 2 , но выполненных по-раз­
ном у: 1 ) в виде одного больш ого отверстия в центре преграды,
2 ) в виде многих м алы х отверстий, расположенных по пластине рав­
номерно, и 3) в виде щели в центре пластины.
На рис .8 показаны частотные зависимости звукоизоляции четырех
пластин из дю ралю м иния толщиной 3 мм и размерами 1100 х 1200 мм
без отверстий и с различными отверстиями при равном отношении
S/S0=1000.
500
то
2000
ш о
8000 fА
Рис.8. Влияние на звукоизоляцию пластины разных отверстий
равной площади
1 - одно круглое отоерстио, 2 - 1 0 малых отверстий, 3 - щель,
4 - без отоорстий.
Из рисунка видно, что, во-первых, на высоких частотах щель и круг­
лые отверстия равной площади ухудшают звукоизоляцию на одну и ту
же величину, во-вторых, на средних частотах щель ухудшает звуко­
изоляцию больше, чем точечные отверстия равной площади, в-треть-
66
Часть 2. Звукоизоляция помещений
gw, ОДНО отверстие диаметром 36 мм и 16 отверстий диаметром 9 мм
уменьшили звукоизоляцию пластины практически одинаково во всем
Диапазоне частот. В районе критической частоты 4000-5000 Гц звук
{проходит через пластину и отверстие примерно с равной интенсивно[стью, что согласуется с выводами вышеприведенной формулы.
‘
i, '
67
И.И. Боголепов. Архитокту рная акустика
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
ДВУСТЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ
Это второй (после звукоизоляции одностенной конструкции со звукопоглотителем). весьма распространенный и наиболее старый, тип
специальной звукоизолирующей конструкции. Такая звукоизоляция ис­
пользуется на судах, в кабинах управления, в двойных дверях кабине­
тов начальников и, особенно широко, для звукоизолирующих окон,
Получить формулу звукоизоляции двустенной конструкции, состо­
ящей из д в ух пластин и воздушного слоя между ними, можно наибо­
лее просто методом граничных условий.
Рассмотрим случай, когда по обе стороны конструкции находится
воздух, а воздуш ный слой между пластинами толщиной d имеет
^
Z
Им педанс первой и второй пластины
Z ^ = iw m ^ y
Z 2 -lc o m 2 -
Звукоизоляция такой двустенной конструкции
1 н-
R = lO lg
2Z,«У
1 Ч- i i
2Z о у
дБ
(cos I k d - i s ill 2kd]
М аксимально достижимая звукоизоляция при
имеет вид
R = lO lg i . A
2Z.
ч- l O l g
. А
2Z
-1-
+ 20>^ d lg e = R, + Rn + AR.
Важный д л я практики случай, когда между пластинами отсутствует
поглощение
68
в = 0
^
Часть 2 . Эрукоизоляция помещений
Звукоизоляция в этом случае
7
/
Л
1 Ч -4 -
у
\
\ ч —у
\
R = W lg
2 k d - / s in 2 k d )
4Z,
Из этой формулы следуют основные закономерности звукоизоля-
1ЦИИдвустенной конструкции.
Первая закономерность.
к„ На самых низких частотах, когда
1,
k (i
c o s lk d ^ 1,
s in I k d ^ О.
звукоизоляция двустенной конструкции следует закону массы и равна
{звукоизоляции одностенной с суммарной массой двух пластин
у
= 101 g
1+
/
(о{т^ 4 т ^)
Следовательно, для увеличения звукоизоляции в этой области ча^отнет необходимости делать двустенную конструкцию вместо одно[этенной того же веса.
Вторая закономерность.
На более высоких, но тоже низких частотах, когда
co s k d ftf 1 ,
s in k d
kd,
звукоизоляция
+ т-,У
I +
A = 1 0 lg
1
/
CD
Z
2^0
2
J
\ 2/
\
соmi
(от-,
{k d f0У
\ “ -^0 > Ы ч
/
+4
\
m ^ n ijkd кс1л‘ ^ { г щ
V
Z
4 m2)
Исследование функции, стоящей под знаком логарифма, на экстреЩм показывает, что в этой области частот звукоизоляция двустенной
Инструкции с воздушным слоем имеет минимум, который проявляется
69
И ,и^ Боголепов. Архите1аурная акустика
при частоте
/„ =
1ш1
/77,/ ; ь
2Л‘ V
7 //7 /,/7 Ь
Это - резонансная частота системы с сосредоточенными парамет­
рами по схеме "масса-упругость-масса". Роль масс здесь играют пла­
стины, а упругим элементом между ними слухшт воздух, Воздушный
слой обеспечивает практически наименьшую резонансную частоту
среди других газов (азот, гелий, водород и т,д,) и тем более твердых
материалов (эластичный пенополиуретан, пористая резина и т.д.). так
как
у него наименьшее.
Таким образом, двустенная конструкция с воздушным слоем меж­
ду пластинами на низких частотах вплоть до представленной резо­
нансной частоты не имеет никаких преимуществ перед одностенной
конструкцией равной массы сточки зрения звукоизоляции.
Третья закономерность.
Характерные свойства звукоизоляции двустенной конструкции, име­
ющие важное практическое значение, проявляются на средних часто­
тах. Выше резонансной частоты f звукоизоляция двустенной конст­
рукции по мере повышения частоты начинает, как это следует из фор­
мулы, быстро увеличиваться, достигая при нормальном падении зву­
ка на частотах
c „ ( 2 /) + l )
где л = 6», Л 2 ,...
4(/
своих максимальных значений
Кт
= Я: + я . , дБ
На этих частотах по толщине воздушного слоя укладывается чет­
верть длины волны, то есть это антирезонаис слоя.
При дальнейшем повышении частоты от п = О до л = 1 звукоизоля­
ция начинает уменьшаться и на частотах
7 „и „ -
. w e " - I. 2 . 3...
имеет минимальные значения, практически равные звукоизоляции одно-|
70
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
{стенной конструкции с суммарной массой двух стон, а именно
1+
A im .
I На ЭТИХ частотах по толщине воздушного слоя укладывается поло[вйа длины волны, то есть это резонанс слоя.
^При дальнейшем повышении частоты опять наступает максимум
|роизоляции, затем опять минимум и т.д. Схематически картина предшалена на рис.9.
т
т
то
шо
6300
fju
Рис.9,.Влияние толщины воздушного слоя между пластинами
>.
на звукоизоляцию всей конструкции.
1 - толщина слоя 200 мм , 2 - толщина слоя 10 0 мм ,
3 - толщина слоя 50 мм .
|Таким образом, для двустенных конструкций, состоящих из двух тонспластин и слоя воздуха между ними, звукоизоляция по мере повышеиичастоты от резонансной “масса-упругость-масса" в-область средних
|и|ысоких, частот имеет ряд последовательных широких максимумов в
зне антирезонансных частот воздушного слоя, равных сумме звукояции первой и второй пластины, и узких минимумов на резонансных
:воздушного слоя, равных практически звукоизоляции одностенЙконструкции с сум м арной массой о б е и х пластин. С ледова-
71
И.И. Боголопов. Архитектурная акустика
тельно, особенно в области средних частот двустенная конструкция
имеет явное преимущ ество перед одностенной равной массы, так как
ей звукоизоляция сущ ественно увеличивается за счет широких макси­
мумов в районе антирезонансных частот воздушного слоя. Это давно
было подмечено и широко используется на практике.
Окна жилых помещ ений, выходящих на шумную улицу, являются
самыми звукопроницаемыми элементами современного здания. Зву­
коизоляция стен вполне достаточна для обеспечения необходимого
акустического комфорта внутри дома, но вот окна, подчеркнем, имеют
звукоизоляцию гораздо меньшую, чем стены. Для увеличения звуко­
изоляции окон необходимо выполнять следующие рекомендации. Рас­
стояние между стеклами должно быть не менее 100 мм, стекла по
периметру должны иметь прокладки из мягкой резины, толщина одно­
го стекла должна быть в два раза больше толщины другого и, наконец,
по периметру воздушного пространства мехщу стеклами желательно
расположить звукопоглощающий материал. Щели и отверстия в окне
должны быть, безусловно, исключены (именно с выполнения этого
требования должно начинаться увеличение звукоизоляции окна).
Пример звукоизолирующего окна высокой эффективности из орга­
нического стекла представлен на рис. 10 (конструкция КЗО: толщина
стекол 10 мм и 20 мм, расстояние между стеклами 100 мм, резиновая
окантовка стекол толщ иной 5 м м , эластичный пенополиуретан по кон­
туру окна) и на рис. 11 (звукоизоляция КЗО сравнена со звукоизоляци­
ей стеной в один кирпич толщиной 235 мм).
гч.а
Рис.10. Конструкция звукоизолирующего окна (КЗО)
72
60
Часть 2. Звукоизоляция помощоний
_______
[ 230 J15
Кирпичная cmeHUi
т ш 6J0 ООО WOOто шо 20002ш зш kirn ш г/ц
Рис.11. Эффективность звукоизолирующего окна
На рис.12 показана конструкция окна с поворотными звукопоглотитеRMH между стеклами. Такие дискретные звукопоглотители повышают
звукоизоляцию окна не только на высоких частотах, но и на средних за
faer краевого эффекта на звукопоглотителе, открытого и изученного из[весгным московским акустиком Калерией Андреевной Велижаниной.
Рис.12. Звукоизолирующее окно с поворотными
звукопоглотителями
1 - стекла. 2 - поворотный дискретный звукопоглотитель,
3 - виброизолирующая прокладка,
73
и,и.
Богопепоа. Архитоктурная акустик ^
На рис.13 представлена оригинальная конструкция звукоизолиру­
ющей двери С вентиляционным отверстием в виде щелевого глушите­
ля большой эффективности.
А -А
-Л
.
Рис.13. Звукоизолирующая дверь с вентиляционным глушителем
большой эффективности
1 - уплотняющие прокладки, 2 - вибродемпфйрующий материал,
3 - звукопоглощающий материал, 4 - положение выпуклого отражателя,
5 - вентиляционная решетка,
Старые дворцы столсты м и стенами и замоноличенными независи­
мо друг от друга в их проемах на значительном расстоянии между
собой остекленными рамами с уплотнением стекол свинцом по конту­
ру обладают, как известно, отличной звукоизоляцией.
74
Часть 2. Звукоизоляция помощоний
АКУСТИЧЕСКИЕ МОСТИКИ
ДВУСТЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ
Звукоизоляция двустенных конструкций в большой мере зависит от
конструктивной связи мемщу пластинами, которую образуют детали креп­
ления-соединительнью стержни, бруски, ребра жесткости по Koirrypy и
•тд, Эти детали часто являются акустическими мостиками, по которым
звук распространяется от первой пластины ко второй, минуя воздуш­
ный слой. Это может свести на нет все преимущества двустенной звуко­
изолирующей конструкции перед одностенной. Типичный пример конст­
рукции акустического мостика в виде деревянного бруска между дюра­
люминиевой пластиной толщиной 4 мм и стальной пластиной толщиН0Й1 мм, расстояние между которыми равно 60 мм. показан на рис, 14,
Рис. 14. Линейные акустические мостики
1 - первая пластина, 2 - шуруп, 3 - сосновый брусок,
4 - вторая пластина, 5 - резиновая прокладка (упругий элемент).
Пример конструкции точечных акустических мостиков представлен
Рис.15, Точечные акустические мостики
1 - первая пластина, 2 - прижимная гайка, 3 - распорная трубка. ‘
4 - вторая пластина, 5 - стальной цилиндр (промежуточная масса),
6 - резиновая прокладка (упругий мостик).
75
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
Влияние мостиков на звукоизоляцию двустенной конструкции, пред­
ставлено на рис. 16 и17 .(экспериментальные данные).
U6
Рис. 16, влияние линейных акустических мостиков на звукоизоляцию
1 ” конструкция по рис.14 "а", 2 - конструкция по рис.14 "б",
3 - конструкция без мостиков.
цию,
ков.
Рис.17, Влияние точечных акустических мостиков на звукоизоляцию
1 - конструкция по рис. 15 "а", 2 - конструкция по рис. 15 “б",
3 - конструкция по рис. 15 "в", 4 - конструкция без мостиков,
76
Часть 2. Звукоизоляция помещений
Из рисунков видно, что умоньшонио звукоизоляции из-за акустиКческих мостиков составило в данном случае - и это очень важно [большую величину до 15 дБ.
Для выяснения интересующих нас закономерностей влияния акусических мостиков на звукоизоляцию двустенной конструкции рассмотш случай, когда мемщу пластинами находится слой воздуха и акус^вcкиe мостики - стержни - расположены перпендикулярно к обеим
[пластинам и жестко с ними соединены, а колебания каждого отдельр го мостика практически не зависели от всех других.
Представим интенсивность звука, прошедшего чорез двустенную
конструкцию, суммой интенсивностей звука, прошедших только через
Воздушный слой
, и, передаваемого только акустическими мостика[ми, Jj, Тогда звукоизоляция двустенной конструкции с акустическими
вмостиками будет равна
Яр
= - 10 1 е
A = lO lg
г
ю" W + A .
‘•‘ А
ш Ji “ интенсивность звука, падающего на двустенную конструкшю, R p " звукоизоляция двустенной конструкции без звуковых мости­
ков.
Отношение искомых интенсивностей можно записать так
2 /
\
л.
У2
п
у,
у.
V'l
lie Sj - площадь второй пластины,
1
“ '^о^'^®бательная скорость зву-
)вого мостика в м есте сое д и не н и я его со второй пл асти ной ,
- коэффициент излучения второй пластины при возбуждении её
[одним мостиком, п - число звуковых мостиков, Hj - колебательная
^орость первой пластины,
- коэф ф ициент излучения первой
[lacTHHbi.R^ -звукои зол яция первой пластины.
Представим выражение для звукоизоляции двустенной конструк[ р с акустическими мостиками в виде
77
И.И. Боголепов. Архитоктурная акустика
R — R i 2 + A R yf.
hfВеличина, оценивающая влияние акустических мостиков на звуко­
изоляцию двустенной конструкции, определяется формулой
2'
Д Л л / = 10 1 g 1 ч- п
Ун 10
-Л, I
^0
Л,2
к' у При выполнении условия
' 1.1
Уи
п
1Г, ,■
'
A ir A l
10
10
2 :5
^*1
можно определить сто чн о сгью до 1 дБ
2‘
л
A R ^f = R i 2 - R i + lO lg
Ун
>'1
тогда звукоизоляция двустенной конструкции со звуковыми мостиками
равна
“
-1
R ^ R i-\0 \g
п
Звуковые мостики, удовлетворяющие этому условию, являются наи­
худшими с то ч ки зрения звукоизоляции двустенной конструкции (но не
с точки зрения, например, музыкальных инструментов типа скрипки
или гитары). Звук от первой пластины будет передаваться через дву­
стенную конструкцию главным образом посредством звуковых мости­
ков. усиливаясь иногда при этом. Применение таких звуковых мости­
ков в звукоизолирую щ их двустенных конструкциях категорически зап­
рещено.
При выполнении условия
п
2 Л,п-Л,
Ун 10
^ 0,25
можно утверхшать с точностью до 1 дБ, что
78
______________ Часть 2. Эрукоизоляция помещений
___ ________
R ^ R i 2*
^^'Следовательно, в этом случае передача звука через мостики на­
столько мала, что акустические мостики не оказывают заметного вли­
яния на звукоизоляцию двустенной конструкции. Техническая задача
проектирования звукоизолирующих мостиков сводится к выполнению
именно этого условия.
Из двух рассмотренных разновидностей акустических мостиков [вуковых и звукоизолирую щ их-далее будем заниматься только пос|здними.
ж
В обычных двустенных звукоизолирующих конструкциях длина тоjOHHoro звукоизолирующего мостика во много раз меньше длины проольной звуковой волны, распространяющейся в нем. Тогда , следуя
iKpBMepy и М.Хеклю, можно принять, что
f
_
Ун
^(2) ~
.
■h/
4 );
ч
р 2^2
+
(1)
(2)
о,
D
^ { l) " 2 ,ЗЛ|*n J p iE if
h
ieZ-импедансы первой и второй пластины при точечном возбуждеки; W, О - масса и жесткость мостика; Е.
h — модуль упругости.
1ощадь поперечного сечения и длина мостика.
^Учитывая это соотношение, рассмотрим два основных типа звукофующих мостиков; инерционных и упругих.
(Инерционные звукоизолирующие мостики.
1;Если межчу легкими и податливыми пластинами установлены масивные и жесткие мостики так. что
M D 52: Z(,)Z(2),
|о имеем следующее соотношение
И.И. Боголоп 00 . Архитектурная акустика
Передача звука через мостик такого вида уменьшается с увеличени­
ем массы мостика (инерционный оффект) и с уменьшением массы и же­
сткости первой пластины. Установка звукоизолирующих инерционных
мостиков в легкой двустенной преграде повышает прочность и устойчи­
вость всей конструкции, что важно для двустенных звукоизолирующих
оболочек машин, кабин управления, воздуховодов систем вентиляции.
Упругие звукоизолирую щ ие мостики,
Если в двустенной конструкции установлены мостики из податли­
вых, упругих и легких-материалов между достаточно х<есткими и мае- |
сивными пластинами так, что
■
то получаем отношение'
2
У/,
i
(
У N
1 -3 ).
4 )J
■
f
'
л
-i
.м.,
0
)
Для повышения звукоизолирующего эффекта в этом случае необ­
ходимо уменьш ить жесткость мостика (отсюда название “упругие зву­
коизолирующие мости­
ки") и увеличивать мас­
су и жесткость второй
пластины. Упругие зву­
коизолирующие мости­
ки д а в н о и наиболее
широко использую тся
для увеличения звуко­
изоляции и виброизо­
ляции различных кон­
струкций путем приме­
нения упругих прокла­
док и амортизаторов.
Конструктивно зву­
коизолирующ ие инер­
ционные и упругие мо­
стики могут выглядеть
Рйс.18. Звукоизолирующий
так, как это представ­
инерционный мостик
лено на рис. 18 и 19.
1 - инерционный мостик, 2 - первая плшстинв^
3 - вторая пластина.
8 0 ,-
Часть 2. Звукоизоляция помещений
а)
б)
I 'l l
}
Рис.19. Зоукоизолирующий упругий мостик
с прокладками и с амортизатором
а) 1 - первая конструкция, 2 - вторая конструкция,
т
1
3 - резиновая прокладка, 4 - соединитольная планка,
б) 1 - амортизатор типа АКСС, 2 - соединительная планка.
81
И.И. Боголопор, Архитектурная акустика
ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИЕ СОТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
и КОМБИНАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ
••- МеталлуМ 0С1<!8Я'сотовая панель (сталь, алюминий>,Дй,тан) состоит
из двух несущих слоев в виде тонких пластин с толщинами S, и S, и
сотового заполнителя между ними толщиной /). Общая толщина кон­
струкции Н {Н = h+S+S .,). Несущие слои соединены как единое целое
с сотовым заполнителем специальным клеем по специальной техно­
логии с применением вакуума. Заполнитель состоит из шестигранных
сот со стороной ячейки d и толщиной стенки соты с определенным
oT H om ej^eivj^^pjjbn
к его объему. Основными характери­
стиками сотовой койструкции являются: поверхностная масса панели
т, цилиндрическая х(Осткость панели 6 . первая резонансная частота
панели и жесткость на сдвиг сотового заполнителя К.
Скорость распростране­
ния поперечных волн сото­
вой металлической панели
определяется на низких и
средних частотах скорос­
тью её изгибтТЫх волн. На
очень высоких частотах ско­
рость распространения по­
перечных волн панели при­
мерно равна скорости из­
гибной волны н а р у ж н ы х
V,
слоев. В промежуточной об­
ласти частот скорость рас­
A sл f j / Y
г
r1
пространения поперечных
/
\
1
*
волн панели в основном за­
V;
^ А
А
висит от скорости сдвиго­
/ у
т
У
11
i'
1t
вых волн в сотовом запол­
.А .
.А .
^
нителе, нагруженном мас­
сой наружных слоев. Если
Рис. 20. Схема сотовой конструкции
скорость волн сдвига в этой
1 - несущие слои.
области ч а с то т го р азд о
2
сотовый
заполнитель, 3 - клей.
больше скорости звука в
воздухе (эффект волнового совпадения для сдвиговых волн находит­
ся на низких частотах, где колебания панели определяются волнами
изгиба), то при увеличении жесткости на сдвиг звукоизоляция панели
увеличивается. Схема сотовой конструкции показана на рисунке 20.
82
Часть 2, Зоукоиаоляция помещений
! Параметры сотовых панолсй и их звукоизоляция (эксперименталь[ные данные) представлены в следующих таблицах.
Таблица 5. Параметры сотовых панелей из алюминиевого сплава Д16АТ
№
Материал
сотового
заполнителя
Толщина олщииа Сторона Толщина Жосткость
панели, листоп, соты. стенки. но сдвиг.
мм
мм
мм
мм
Н/м
1 Алюминии АМГ2-Н
16,2
2 .ё
0,03
А 400 ООО
0.6
2 ё.6
Й Алюминий АМГ2 -Н
2.5
0,03
7 340 ООО
._о,з .
3 Алюминий АМг2-Н
4 Алюминий АМг2-Н
S "Номекс"
Хлюминий АМГ2-Н
7 Алюминий АМг2 -Н
26.2
_ й .6
26,2
• ' 0.6
26,2 • ‘ •' 0.6 ■
27
. 1 ,
S s .i .
•о'.б
2.5
5
2.5 •
2.5
2.5 ■
6,’03
б.сЯ'
0,05
0,03
0,03
7 340 ООО
4 660 ООО
3 170 ООО
7 340 ООО
10 000 ООО
Таблица 6. Звукоизоляция сотовых панолсй
N9 панели
.
63
27
30
34
35
32
35
36
1
2
3
4
5
6
7
TperTLiOKtoaHbiQ полосы частот, Гц
250 500‘ 1000 2000 4000 ■8000
125
9
6
10
9
8
14
14
17
12
16
17
13
17
18
■17
. 1-5
17
16
■ l5
i7
20
18
19
26
26
29
25
22
20
16
23
25
31 . 36
32 . 38
34
42
29 . 37
24
29
34
'40
36 ^ 42
20
29
31
’’ На рис. 21 показано влияние жёсткости на сдвиг сотового заполнитеI на звукоизоляцию панелей. ' ‘
‘
'
-иГ
*
—J
Y
1
N
\
120
Jv
0*
0
1J
K f
fj
125
250
500
WOO
POOО
Рис. 21. Влияние жесткости на сдвиг сотового заполнителя
на звукоизоляцию панелей.
3 - панель МйЗ (К=7,34.106 Н/м), 4 - панель No4 {К=4,66.106Н/м),
5 - панель No 5 (3,17.106 Н/м).
83
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
И с с л е д о в а н и я , кото р ы е п р о во д и л и сь а в то р о м со в м е стн о с
Борисом М аксимовичем Ефимцовым, показали, что основными пара­
метрами, определяющ ими звукоизоляцию металлических сотовых па­
нелей, являю тся поверхностная масса панели, цилиндрическая жест­
кость панели и жесткость на сдвиг сотового заполнителя. При этом с
увеличением цилиндрической жесткости панели звукоизоляция уве­
личивается на частотах, меньших основной резонансной частоты па­
нели, поверхностная масса панели увеличивает звукоизоляцию пане­
ли выше основной резонансной частоты, а увеличение жесткости на
сдвиг приводит к росту звукоизоляции панели на высоких частотах.
Особо следует отметить большое превышение звукоизол^чции сото­
вой панели над звукоизоляцией по закону массы в области низких ча­
стот, где'она поднимается до очень больших значений, примерно рав­
ных значениям звукоизоляции на высоких частотах.
Таким образом, с помощью сотовых панелей можно получить очень
большую звукоизоляцию на низких частотах, Это единственный пока
вид звукоизолирующей конструкции, где удается решить практически
проблему высокой звукоизоляции на низких частотах при очень ма­
лом весе конструкции. Поэтомутакая звукоизоляция получила приме­
нение, в первую очередь, на самолетах и на судах с динамическими
принципами поддержания. Она является очень перспективной и в ар*
хитеетурной акустике для изоляции перегородок, кожухов машин и ка­
бин управления.
Сотовая звукоизолирующая панель завершает триаду звукоизолирующих конструкций, с помощью комбинации которых можно получить
требуемую звукоизоляцию во всем нормируемом диапазоне частот. Дей­
ствительно, конструкция из пластины со слоем звукопоглотителя обес­
печивает высокую звукоизоляцию на высоких частотах, конструкция из
двух тонких пластин и слоя воздуха мемщу ними обеспечивает высокую
звукоизоляцию на средних частотах и, наконец, сотовая металлическая
конструкция обеспечивает высокую звукоизоляцию на низких частотах.
И всё это при минимальном весе, а значит, при наименьшей затрате
материала и, следовательно, при оптимальной стоимости.
Итак, эф фективная звукоизоляция может быть получена при ис-1
пользовании комбинации трех указанных выше специальных звуке-]
изолирую щ их конструкций. Схема конструкций, типовые кривые зву­
коизоляции (штриховые кривые) и звукоизоляция по закону массы для]
этих же конструкций показаны на рисунке 2 2 .
84
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
На рисунке первая панель "а" - одностенная конструкция, состоя­
щая из тонкого металлического листа (его первая резонансная частота
и критическая частота выходят за пределы нормируемого диапазона
частот) и слоя звукопоглотителя, часто закрытого для защиты поглоти­
теля тонким перфорированным листом из декоративного материала.
а;
S)
R.a 6
р
/ ^
6)
R.a B
ч;
Г,ГЦ
Рис.22. Типовые кривые звукоизоляции трех основных
звукоизолирующих профзд
Коэффициент перфорации (отношение площади отверстий к пло­
щади листа) должен быть примерно 25%. Звукоизоляция перфориi poeaHHoro листа будет в эпгом случае гораздо меньше одного децибе|па. Большая звукоизоляция в области высоких частот обеспечивает|сяза счет поверхностной массы основного листа и большего затуха■ния звука в поглотителе.
Вторая панель “6 " -д в усте н н а я , отличающаяся от первой тем, что
liBMecTO перфорированного листа применяется здесь сплошной, ана(логичный первому листу; звукопоглотитель занимает примерно поло5вйну пространства между листами, а листы соединены между собой
Звукоизолирующими мостиками. Звукоизолирующая конструкция дву(стенного вида имеет управляемую большую звукоизоляцию в области
/средних частот за счет разделения поверхностной массы на две стен[ки и наличия необходимой величины воздушного слоя и звукопоглоти. теля М0)кау ними.
85
_
и ,и . Боголопоо. Архитоктурная акустика
Третья панель “в" - сотовая конструкция, состоящая из двух очень
тонких металлических листов, ме>зду которыми располагается запол­
нитель из то нких металлических сот, жестко соединенный с листами в
единую-панель. Общая толщина сотовой панели должна быть такой,
чтобы колебания её происходили преимущественно в виде изгибных
воли, а первая резонансная частота находилась не ниже средних час­
тот нормируемого диапазона. Для увеличения звукоизоляции в райо­
не резонансов на панель следует нанести вибродемпфирующее по­
крытие. Сотовые панели имеют большую звукоизоляцию в области
низких частот за счет большой изгибной жесткости и малого веса. Комбинацией указанны х т рех звукоизолирующ их конструкций мож­
но получит ь практ ически любую частотную характ ерист ику
звукоизоляции в нормируемом диапазоне частот.
86
Часть 2. Звукоизоляция помещений
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Я
Одним из физических свойств обыч­
ных строительных конструкций является
их звукоизоляция. Это свойство в таких
конструкциях - сопутствующее (в отли­
чие от специальных звукоизолирующих
конструкция, где оно - главное). Основ­
ные характеристики строительных конст­
рукций: прочность, долговечность, техно­
логичность и другие строительные свой­
ства. Но иногда их естественная звуко­
изоляция является достаточной для сни­
жения шума в данных конкретных усло­
виях. Это “иногда" всегда важно,
J Звукоизоляция типовых строительных
конструкций хорошо изучена. Многовеко­
вая практика и научные исследования пос­
ледних десятилетий дают богатый мате­
риал. Информации здесь достаточно.
Важно уметь применить её на деле. (В
згой части - типичная ситуация наступаю­
щего века информации). В таблице 7 при­
водятся экспериментальные данные зву­
коизоляции наиболее распространенных
стен, перегородок, полов, окон и дверей.
Представленные д анны е могут быть
непосредственно и с п о л ь з о в а н ы на
практике.
Литература:
1,Осшов ПЛ., Прутков Б.Г., Шишкин
И.А., Карагозина И.Л. Градостроитель­
ные меры борьбы с шумом. - М.: СтроЙ­
издат. 1975.
2.3аборов В.И., Лалаев Э.М., Никопьсний В.Н. Звукоизоляция в жилых и обще­
ственных зданиях.-М .: СтроЙиздат, 1979.
3. Снижение шума в зданиях и жилых
районах. Под редакцией д-ра техн.наук
Г.Л.Осипова и д-ра техн наук Е.Я.Юдина.
-М.: СтроЙиздат, 1987.
и- ®
к X
X к
я
i3 fа I
00
Si
я и см
я
(О
^1
” У
CD
СМ
§ 1
!1
со
см
о W
|8
CD
S
СО
I 3 S
1Л
Г)
О)
О)
(О
5
S ij 2
S*
^
(ТГ
X
ю
г
X
ё
.га
см
(О
(TJ
m
я
ф
g,
&
X
ж
пз
cz
87
CD
ОО
1
СГ£«Ь/ И ПЕРЕГОРОДКИ
Кирштчная оштукатуренная кладка
Шлакобетонный блоке покрытием
Стеклоблок
Двустенная перегородка уз досох 12к'.м
ОКНА
Охно с одним стехлом
Охиа с двумя стеклами:
стекла толщиной 6 мм с возду1шым
промежутком 10 0 мм
стекла толщиной 6 мм с воздулиым
промежутко.ч 188мм л со звукопоглоТ1ггелем по контуру
ДВЕРИ
Фанерная дверь с деревянной реиЕткоймеяду слоями
Дверь из сплосшого твердого дерева
Звукоизолир>’н>щая дверь из листовой
стали, погпоткттель в воздуииом зазоре,
наде^»ное закрытие и уплотнение в ста­
льной раме
ПОЛЫ
Железобетонная плита
—| с > ш о х 2 3 о х х 1 г - 1 * з х
2
3
4
5
6
7
125
255
360
240
480
720
75
510
19
30
34
36
35
41
44
30
30
16
37
45
43
34
35
46
56
57
50
49
38 ;
54
65
22
40
48
49
40
40
28
24
25
28
28
31
33
32
32
30
27
28
33
100
200
125
22
25
12
8
1 9
66
50
49
50
• 10 i: 11 :
t57 • 59
69
72
70
72
53
52
43
45
52 . 56
СП
6
8
15
20
17
17
16
40
20
11
18
25
35
36
45
о
-J
о
■
ь :
С
1
Э-
59
39
48
0
Р ;
>
34
112
20
28
30
33
45
45
53
34
26
33
39
42
48
50
■
57
60
43
43
9
28
9
12
13 i 17
13
14
26
16
29
18
31
24*
34
2^
21
37
39
44
49
54
57
60
35
100
200
230
460
32
34
35 1 42
36
41
45
50
-52 1 59
57 f 60
62 г 63
65 1 70
о'^ёо1УХзэхд»Н5еэч=>^хшх5.
сэ
'<
■о
1
а
и
2}
32
1
-
S
н
50
200
100
тз
X
i
Часть 2. Звукоизоляция помещений
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ XXI ВЕКА
Спектр современных мощных источников шума простирается от инфразвуковых частот в 5-10 Гц до частот в 5000-10000 Гц. Для здоро­
вья человека особенно вредны очень низкие и высокие звуки. В сред­
нем звуковом диапазоне лежит вся его речевая информация, музыка
и наибольшие уровни шума машин. Человеческое ухо наиболее вос­
приимчиво именно в этом диапазоне частот. Заметим, что на самоле­
тах. на судах, на средствах железнодорожного и автомобильного транс­
порта, в высотных зданиях и на других сооружениях, в связи с продол­
жающимся во всем мире ростом шума, требуется всё более эффек­
тивная звукоизоляция. Таким образом, к началу XXI века возникла про­
блема создания высокоэффективной и легкой звукоизоляции а широ­
ком диапазоне частот, включая оптически прозрачную гиперзвукоизоляцию, инфразвукоизоляцию и вакуумную звукоизоляцию. Ниже изла­
гаются некоторые итоги многолетних теоретических и эксперименталь­
ных исследований автора в разрешении этой сложнейшей проблемы.
Эксперимент проводился на оригинальном измерительном устройстве
методом физическо-технического моделирования звукоизоляции (ав­
торское свидетельство СССР N8 408997 “Устройство для измерения
звукоизоляции конструкций" с приоритетом от 16 августа 1971г., авто­
рыИ.И.Боголепов, В.Н.Семенова и Ю.Б.Кузнецов). Результаты реали­
зованы в следующ их типах новых звукоизолирующих конструкций.
Звукоизолирующая к о н с т р у к ц и я с ж и д к и м заполнителем.
В ближайшем будущем для снижения шума может получить широ­
кое применение предложенный автором способ увеличения звукоизо­
ляции, состоящий в заполнении жидкостью пространства ме>еду плас­
тинами двустенной конструкции. Исследование эффекта жидкого про­
межуточного слоя показало многократное повышение звукоизоляции
посравнению с эффектом “закона м а с с ь Г - в этом суть новой оптичес­
ки прозрачной и легко подогреваемой или ограждаемой изоляции. Вы­
яснилось, что звукоизоляция двустенной конструкции с жидким про­
межуточным слоем быстро растет во всем нормируемом диапазоне
частот с увеличением расстояния между пластинами, но, кроме того,
она растет на низких частотах с увеличением плотности слоя, а на
высоких-таюке и с увеличением постоянной затухания слоя. Ж идкий
слой смещает критические частоты пластин в сторону высоких частот.
Типичные экспериментальные результаты представлены на рис.23.
89
И.И, Боголопоо, Архитоктурная акустика
Рис. 23. Звукоизоляция двустопной конструкции с жидким
заполнителем
1 - без заполнителя, 2 - заполнена водой,
3 - заполнена глицерином.
Как видно, изоляция очень сильно увеличилась (несмотря на зву-;
ковые'мостики по контуру) за счет жидкого слоя как в районе действия
“закона массы", так и в районе более высоких частот, особенно в рай­
оне критической частоты. Глицерин в данном случае повысил звуко­
изоляцию на величину до 29 дБ, причем там, где ранее был минимум
звукоизоляции, - в районе критической частоты. Для конструкции с
водой максимальное увеличение звукоизоляции составило 22 дБ. Та­
кое огромное увеличение звукоизоляции за счет жидкого промежуточ­
ного слоя, безусловно, делает предложенные конструкции высокоэф­
фективными звукоизоляторами многоцелевого назначения в широком
диапазоне частот. Химически чистый глицерин и вода - вещества с
высокой степенью прозрачности. Поэтому конструкции с таким запол­
нителем можно использовать для увеличения звукоизоляции иллюми­
наторов, окон постов управления, смотровых окон звукоизолирующих
кожухов машин и в других прозрачных конструкциях. Актуальным мо­
жет быть-применение жидкого заполнителя для двустенных звукоизо­
лирующих-кожухов энергетических машин. Если между стенками та­
кого кожуха обеспечить циркуляцию жидкости, то она будет играть роль
не только охладителя или подогревателя, но и существенного допол­
нительного звукоизолятора шума машин.
ИнФ оазвукоизопяиия.
Инфразвуком называются звуковые колебания с частотой менее
15-20 Гц. За последние годы появилось много сведений об очень вред­
ном влиянии инфразвука, в том числе в высотных зданиях, на людей.
90
Часть 2. Звукоизоляция помощоний
Однако акустические средства борьбы с ним, называемые инфра­
звукоизоляцией, отсутствуют. Вредный для человека инфразвук, наи­
более часто встречающийся в индустрии и строительcreej лежит в пре;делах 5 - 1 0 Гц , что соответствует длине волны в воздухе, примерно
■равной 66 - 33 м. Так как размеры человека невелики по сравнению с
такой длиной звуковой волны, то инфразвук на него действует как все' сторонняя равномерная пульсация давленйя соответствующейЧастоты. Специфика инфразвука приводит к тому, что понятие инфразвуко­
изоляции следует относить не к плоской преграде, как в обычной зву­
коизоляции, а к целой замкнутой оболочке, внутри которой находятся
^люди или источник инфразвука, и оценивать ифразвукоизоляцию сле^дует перепадом уровней звукового давления внутри и вне оболочки.
[Такова концепция автора на этот счет. Замкнутые оболочки можно раз­
делить на три вида: сферические, цилиндрические и прямоугольные,
(Частотные зависимости средней звукоизоляции таких оболочек пред­
оставлены на рис. 24 - 26. На этих же рисунках показаны разбросы
рачений, полученные в эксперименте; они обусловлены, в основном,
I неравномерностью звукового поля внутри оболочек.
штш
тшт
m s im
'ш т ш
тшш
штт
[ Ш250 5IS т
500 630 800 »
1250 ШО 2000 2500 Ш
ШОГЛ
Рис.24. Звукоизоляция сфоричсской оболочки без покрытия
1 - средние значения, 2 - максимальные значения, 3 - минимальные
значения, 4 - по закону массы.•
Аналогичные обозначения кривых на рис, 25 и 26.
91
И.И. Боголепой. А рхитоктурная акустика____
200 2SQ'-'JtS т
I DГ *
*
500 530 600 1000 f250 1600 2000 2500 3150 ШОГ/ц.
Рис.25.. Звукоизоляция цилиндрической оболочки без покрытия
200 250 315 Ч VS' 500 530 ООО WOO
1250 1600 2000 2500 ЗШ 4000ГА
•
"Рис.26. Звукоизоляция прямоугольной оболочки без покрытия
Из рисунков видно, что в области низких частот звукоизоляция обо­
лочек значительно превышает звукоизоляцию по “закону массьГ для
плоской пластины той же поверхностной массы, но в области средних
и высоких частот она существенно ниже этих значений. Таким обра­
зом, впервые автор показал, что инфразвукоизоляция обеспечивает­
ся главным образом за счет формы замкнутой оболочки, то есть ое
общей жесткостью. Дальнейшие исследования, выполненные автором
совместно с известным московским акустиком Генриеттой Михайлов­
ной Авиловой, показали, что звукопоглощающие и вибропоглощаю­
щие покрытия могут увеличить звукоизоляцию замкнутой оболочки в
области средних и высоких частот. На рис.27 показано влияние звуко­
поглощающего и вибропоглощающего покрытия на звукоизоляцию пря­
моугольной оболочки.
92
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
20f2SD 315 ~Ш '300 630 ' 600 1000 1250 mO~20QO 25Q0Jt5Q ШОГА
Рис. 27.3оукаизоляция прямоугольной оболочки
со звукопоглощающим и с оибропоглощающим покрытиями
1 - средняя зоукоизоляция оболочки без покрытия, 2 - средняя звукоизоля­
ция оболочки со звукопоглотителем, 3 - средняя звукоизоляция оболочки о
вибропоглотителем, 4 - звукоизоляция по закону массы.
Увеличение звукоизоляции вследствие звукопоглощения внутри
1оболочек достигает больших значений на высоких частотах, что. од‘ нако, повышает звукоизоляцию лишь до значений, приближающихся к
рассчитанным по закону массы. Звукопоглотитель демпфирует резоI нансы внутреннего объема оболочки. Нанесение вибропоглощающего
[покрытия существенно повысило звукоизоляцию оболочки в области
[средних частот, но также и на высоких частотах. В области средних
[частот устранение резонансных колебаний оболочки путем демпфи[рования ей приводит как бы к увеличению динамической жесткости
[как единого целого. Вибропоглощение больше звукопоглощения при'бпижает звукоизоляцию к значениям по закону массы для бесконеч*
[ной пластины.
Вакуумные звукоизолирующие к о н с т р у к ц и и .
Физическое явление, состоящее в том, что звук не может распрос|траняться в пустоте, известно давно. Предложения об использовании
[вакуума для звукоизоляции делались неоднократно. Однако, насколь­
ко можно судить по опубликованным данным, вакуумные конструкции
[в качестве звукоизолятора никогда не использовались (в отличив ОТ
широкого применения их в качестве теплоизолятора, например, в тер[мосах). Видный немецкий акустик Э. Майер, который впервые изучал
[вакуумную звукоизоляцию, пришел к следующему выводу. Три проремы делают вакуумную звукоизоляцию бесперспективной; 1 ) звуко[вые мостики, через которые звук идет от одной стенки к другой, обходя
[вакуум, 2) большое наружное давление на стенки, создаваемое из-за
93
____________ И.И. Боголопоо. Архитектурная а к у с т и к а ___________ _
вакуума между ними, которое может разрушить конструкцию, 3) труд­
ность обеспечения герметичности конструкции. Авторитет выдающе­
гося ученого был настолько высок, что к вопросу вакуумной звукоизо­
ляции инженеры долгое время не возвращались. Спустя десятилетия
после этого под руководством автора на современной основе были
выполнены теоретические и экспериментальные исследования по ис­
пользованию вакуума в звукоизолирующих конструкциях, в том числе
в расширенном объеме были повторены эксперименты Э. Майера. В
результате этой многолетней работы, в частности, автор предложил
вакуумную звукоизолирующую конструкцию, пригодную и перспектив­
ную для практического применения (авторское свидетельство СССР
№ 1270251 “Звукоизолирующий элемент" с приоритетом от 6 января
1984г. авторы И.И. Боголепов и Е.Н. Рыбакова). Основной элемент
этой конструкции показан на рис. 28.
Он включает две стен­
ки. выполненные в виде
части сферы вы пукл ос­
тью наружу, виброизоли­
рующие опоры, располо­
женные по периметру зву­
коизолирующего элемен­
та и состоящ ие из двух
м е т а л л и ч е с к и х р а м ок,
ме>кцу которыми установ­
лена упругая уплотняю ­
щая пр окладка, вы пол­
ненная, например, из ре­
зины , при этом каж дая
стенка элемента жестко и
Рис.28. Основной элемент вакуумной
звукоизолирующей конструкци
герметично соединена с
соответствующей метал­ 1 - часть сферической оболочки, 2 - виброи»
золирующио опоры с разделяющей упругой
лической рамкой. При со­
про1Сладкой, 3 - вакуум.
здании вакуума в полости
мемщу стенками внешнее
давление прижимает стенки друг к другу, вызывая в них вследствие их
выпуклой формы главным образом напряжения сжатия, которым стенки
хорошо сопротивляются. Усилия от стенок передаются по контуру рам*
кам. которые с двух сторон сжимают упругую уплотняющую проклад­
ку, обеспечивая герметичность соединения. Поскольку разреженный]
94
т
Часть 2. Звукоизоляция помещений
воздух, находящийся мемщустенками. плохо передает звук, а по кон­
туру стенок расположены виброизолирующие опоры с упругими эле­
ментами ме)зду ними, звукоизолирующая способность такой конструк­
ции становится очень большой.
Предложенную вакуумную звукоизоляцию рационально приме­
нять для звукоизолирующих иллюминаторов и панелей звукоизоля­
ции, где одновременно необходима также и хорош ая теплоизоляция.
Прозрачные вакуумные конструкции в медицине обеспечат тишину,
стерильность и визуальный контроль и т.д, "Табу" на вакуумную зву1ЮИ30ЛЯЦИЮ окончилось - впереди высокоэф ф ективная звукоизоля;ЦИЯХХ1 века.
Представленные данные о новой звукоизоляции не содержат не­
которых необходимых подробностей, которые составляют “ноу-хау"
автора.
95
И.И, Боголепов. Архитектурная акустика
СНИЖЕНИЕ ШУМА ПУТЕМ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ МАШИН
Это наиболее результативный вид звукоизоляции. На рисунке 29-а
представлена схема, по которой замкнутая звукоизолирующая оболочка
с воздушным слоем вокруг машины акустически изолирует машину от
окружающей среды. Здесь используются два понятия: "звукоизоляция
машины" и "звукоизоляция оболочки машины".
Рис. 29-а. Схема снижения шума лугом звукоизоляции машины
1 - машина, 2 - оболочка машины, 3 - рабочее место.
Звукоизоляция машины в дБ есть разность между уровнем шума
машины на рабочем месте (или в другой расчетной точке), когда ма­
шина не имеет звукоизолирующей оболочки, и уровнем шума машины
со звукоизолирующей оболочкой при равных условиях:
Причем под уровнем шума понимаются или октавные уровни зву­
кового давления в дБ д л я постоянного шума, или уровни звука в дБА
для непостоянного шума. Понятие "звукоизоляция машины" использу­
ется при измерении и контроле снижения шума уже изготовленной зву­
коизолированной машины, то есть конечного результата проектирова­
ния и изготовления звукоизоляции,
В процессе проектирования используется другое понятие, а именно
"звукоизоляция оболочки машины", адекватное понятию звукоизоляции
стены, пола, потолка (см. выше), которое определяется как разность в
дБ уровня интенсивности звука в падающих на преграду звуковых вол­
нах и уровня интенсивности в прошедших через преграду волнах:
^ ™А ”
96
■
Часть 2. Звукоизоляция .помощоний
Если звукоизоляция оболочки состоит из панелей с равной звуко­
изоляцией, то
Если часть панелей имеет максимальную звукоизоляцию (основ­
ные панели), а часть — минимальную звукоизоляцию (смотровые
окна), то
^ ш х -^ мгн
10
l + : : i^ O L io
S')
1 4. ?AfJjy_
^АШ
где Яшх^'^АГАУ ^
— максимальная И минимальная
звукоизоляции и площади, к ним относящиеся.
Уровень шума от машины, окруженной звукоизолирующей оболоч­
кой, в расчетной точке (например, на рабочем месте) определяется
формулой:
j_
2
- RoB^ lO lg
Y o s Q \)
1
'06
-b
e j.
где 0 1,^ 2 - постоянная пространства под оболочкой и помещения
машины, S q^ — площадь оболочки,
*5',. = 2 я г ‘' , я г ' , — г
-д л я
машины на полу в центре помещения, в двугранном углу помеще­
ния на расстоянии г от центра машины до рабочего места.
Связь ме>еду звукоизоляцией машины и звукоизолирующей обо­
лочкой машины определяется формулой:
R a i ^ R q^
где
(X
-
средний коэффициент звукопоглощения оболочки
со стороны машины.
Формула расчета требуемой звукоизоляции оболочки машины ("ко­
жуха") определяется при условии выполнения в расчетной точке (на
рабочем месте) нормы допустимого для человека уровня шума:
97
И И Богопопов. А рхитоктурная акустика
R > Лдг, - 10 Ig « -ь 10 Ig
+
- L дол,
где /д^г, - допустимый для чеповека уровень шума в данном
помещении.
Необходимую для обеспечения допустимого уровня шума звуко­
изоляцию можно обеспечить указанными выше звукоизолирующими
конструкциями.
98
Часть 2. Звукоизоляция помещений
СНИЖЕНИЕ ШУМА ПУТЕМ УСТАНОВКИ
ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩЕЙ КАБИНЫ
Установка звукоизолирующей оболочки вокруг рабочего места че­
ловека является наиболее рациональным способом снижения шума,
воздействующего на человека, в случае, когда размеры машины очень
велики или же когда нужное звукоизолирующее пространство для че­
ловека невелико, или же имеет место то и другое одновременно.
При определении требуемой звукоизоляции здесь, так же как и для
звукоизоляции машин, используются два понятия, а именно: "звуко­
изоляция кабины" и “звукоизоляция оболочки кабины". Последнее по­
нятие адекватно понятию "звукоизоляция оболочки машины".
Звукоизоляция кабины есть разность в дБ между уровнями шума в
расчетной точке внутри кабины до установки кабины и после её уста­
новки:
^А ' ~
^ ^KR-
На рис.29-б показана схема снижения шума путем установки звуко­
изолирующей кабины, когда источник шума расположен против пере­
дней стенки кабины.
Рйс.29-6. Схема снижения шума путем звукоизоляции
кабины .
1 - машина, 2 - оболочка кабины, 3 - рабочее место.
В такой типовой ситуации прямой звук от машины (или другого ис­
точника звука) падает совместно с диффузной составляющей только
на переднюю стенку кабины, а на другие стенки воздействует только
диффузная составляющая звукового поля.
Уровень шума в кабине от проникновения звука через переднюю
стенку выразится формулой:
99
И.И. Боголопов. Архитектурная акустика
"
L -
'
/
10 Ig
1
1
Q ^)
где R jv \ S j — звукоизоляция и площадь передней стенки кабины,
обращ енной к источнику звука, Q i, 0 1 — постоянная распростране­
ния звука в помещении и в кабине.
Уровень шума, проникающий в кабину через другие стенки (не об­
ращенные к источнику звука и находящиеся лишь в поле диффузной
составляющ ей), через переднюю стенку можно представить так:
где L j — уровень шума, проникающий в кабину через Аю стенку.
Уровень шума в кабине от проникновения звука через все огражда­
ющие конструкции должен быть меньше допустимого уровня шума для
человека:
45/
-дол
QxQi
где R j - минимальная звукоизоляция.
Далее методом последовательных приближений, исходя из ближай­
шего прототипа, проектируется звукоизолирующая конструкция каби­
ны.
Звукоизолирующие кабины управления прокатными станами, по­
сты управления главных двигателей на судах, кабины мостовых кра­
нов в ш ум ных цехах, телефонные кабины д л я конфиденциальных пе­
реговоров, кабины диспетчеров в авиапортах, кабины комментаторов
в крупных спортивных залах и на стадионах и другие аналогичные
звукоизолирующие устройства широко используются сейчас в различ­
ных отраслях строительства и архитектуры.
100
Часть 2. Звукоизоляция помощоний
СНИЖЕНИЕ ШУМА ВНУТРИ ЗДАНИЯ С ПОМОЩЬЮ
ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Внутри общественного, служебного или жилого здания чаще всего
снижение шума осуществляется путем установки звукоизолирующей
стены (аналогично - пола, потолка). На рис.29-в представлена схема,
на которой звукоизолирующая стена разделяет два помещения: в пер­
сом находится источник шума, например машина, во втором находит­
ся рабочее место или место отдыха человека.
РИС.29-В. Схомо снижения шума путем звукоизолирующей стены
1 - машина, 2 - звукоизолирующая стена, 3 - рабочее место.
Примем (как и выше - для звукоизоляции машины и кабины управлония), что источник шума можно представить как точечный, а звуко­
вые поля отраженного звука в обоих помещ ениях как диффузные. Нам
необходимо определить требуемую звукоизоляцию стены для созда­
ния нормальных по шуму условий для человека во втором помеще­
нии. Исходные данные: а) мощность источника звука и расстояние его
отсгбны в первом помещении,'б) допустимая норма шума на рабочем
месте или месте отдыха человека, в) площадь стены и г) постоянные
распространения а обоих помещениях.
•Решение этой задачи выполним последовательно следующим об­
разом. Запишем интенсивность звука, падающего из первого помеще­
ния на звукоизолирующую сггену:
‘ ‘ ■
1
Л
где
— +
'N1
I
QJ
П ' '
' 1 ^ — потоянная распространения звука в первом поме1-
щеиии (аналогично далее Q t ).
101
И.И. боголопоо, Архитоктурная акустика
yV j— МОЩНОСТЬ звука источника, 5д», — площадь фронта сфери­
ческой
в о л ны
полусфера =
источника
зв у ка
(с ф е р а
5 дг, — 4 ^ 7*^
- четвертьсфера = л '/'^ и т .д ,) .
Мощность звука в Вт, прошедшая через стенку площадью S с ко­
эффициентом звукоизоляции г, (не путать с радиусом г ) запишется
следующим образом;
' ±
.
±] 5
Q i, г
Интенсивность звука в Вт/м2 во втором помещении в месте распо­
ложения человека (поле во всем пространстве диффузно и отсутству­
ет прямой звук):
= Л', f-—-1
--- Ь
Л
^02 J
0
5
6l> г
Г4^
J доп.
Переведя это соотношение в дБ, окончательно получаем
R >
1
4 \Q\g
J
доп.
[
W /v i
Q i a Q i )^
Отсюда имеем искомую величину требуемой звукоизоляции стены.
Требуемую звукоизоляцию стены (аналогично - пола, потолка) сле­
дует обеспечить конструкциями, указанными выше.
Для того чтобы определить звукоизоляцию стены, машины и каби­
ны по указанным формулам, необходимо знать кроме акустических
свойств помещения еще две важные величины: мощность источника i
шума
и допустимые для человека уровни шума Щ О П . Переходим
к этим величинам.
102
Часть 2 Звукоизоляция помощоний
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗВУКОВОЙ МОЩНОСТИ
ИСТОЧНИКОВ ШУМА
В настоящее время звуковую мощность источников шума (машин,
устройств и т.д.) определить можно только экспериментально путем
специальных измерений, главным образом, в специальных реверберационных и заглушенных звукомерных камерах.
Реверберационная камера - испытательное помещение, имеющее
пра1стически диф ф узное звуковое поле. Это обеспечивается соответ­
ствующим объемом, рациональной формой и малым звукопоглоще­
нием помещения при низком уровне помех (большая звукоизоляция
камеры). Заглушенная камера - испытательное помещение, в кото­
ром распространяется только прямой звук. Это обеспечивается в дан­
ном случае тем, что ограждающие поверхности заглушенной камеры
сделаны так, что поглощают, в основном, всю падающую на них звуко­
вую энергию. В реверберационной камере имеется возможность из­
мерять только интенсивность звука отраженной составляющей Jo, а в
заглушенной камере - только интенсивность звука прямой составляю­
щей Jn.
Напомним, что интенсивность звука в реальном помещении:
Q
Исходя из этой формулы, определим методику измерения звуко­
вой мощности машины в реверберационной и в заглушенной камерах.
Определение уровней з в у к о в о й м о щ н о с т и источников шума в оевврберациониых камерах (международный стандарт ISO 37411.
Расчетная формула по результатам измерения получается следу­
ющим образом. Из вышеприведенной формулы определяем искомую
величину для данного случая:
У =
4N
N =
Q
JQ ^ JaS _ JA ^ J0,16V
4
4
4
= 0,04
JV
4Г
В децибелах последнее выражение выглядит так
4
= / , ^ - 1 0 I g . ^ + 1 0 1 g .^ -1 4 .
г
''о .
103
f
И.И. Боголепов. Архитеетурная акустика
Окончательно имеем с учетом влияния инторференционного поля,
создаваемого вблизи огра>кцающих поверхностей помещения, и ат­
мосферного давления
= Л;, - 10 Ig Y + 10
■Л t\
л
г I»
- 14 •о Is
1+
ч
8K J
+ 1 0 lg
в
U oooj
Последние два члена в приведенной формуле применяются редко,
так как мало влияют на результат. В этой формуле:
LN - уровень звуковой мощности, Lp - средний уровень измеряе­
мого звукового давления, Т - время реверберации помещ ения, с,
7TD - 1 с, \ / - объём данного помещения, м3, \/0 - 1 м 3 , Д - длина
волны на среднегеометрической частоте, м, S - общая площадь по­
верхности помещ ения, м3, В -баром етрическое давление, млбар.
Опрелелсние уровней звуковой мощности источников шума в заг­
лушенных кам ерах (международный стандарт ISO 3745V
Расчетная формула по результатам измерения получается следу­
ющим образом. Из вышеприведенной основной формулы определя­
ем искомую величину для данного случая:
/
=
N
N = J S j,.
В децибелах получаем
1 “ lO Ig '5 'дг.
Окончательно с учетом влияния атмосферного давления имеем
= Lp + 1 0 Ig
L p = 10 Ig
S i;
./-1
где Lp - средний уровень звукового давления на измерительной по­
верхности, д Б ; Lp / - уровень звукового давления в /-й точке измере­
ния, дБ; S /-п л о щ а д ь и зм е р и те л ь н о й поверхности, соответствующая
/-Й точке; S /V -п о л н а я площадь измерительной поверхности; л - ч и с ­
ло точек измерения.
104
Часть 2. Звукоизоляция помещений
чО,5
C = -1 0 1 g
293
273 л-ф)
Р атм = _ 1 0 1 g
1000
400
Эту поправку необходимо вводить только, если атмосферные ус[повия существенно отличаются от ф =20оС и
=1000 мбар (105
[Па). Использование поправки обеспечивает выполнения условия, что
|врасчете используется правильное значение Zo импеданса воздуха,
[соответствующего температуре и атмосферному давлению при изме[рениях уровня звукового давления.
Проблемы, связанные с измерением шума и оценкой его влияния
представляют вей возрастающее значение для общеFcffiea, и не только для специалистов в области акустики, но и для
[бопьшинства людей. Хотя широко используемая аппаратура по изшронию шума сравнительно проста в обращении, необходимо тща­
тельное планирование измерений шума и оценки полученных резуль[швтов. Фундаментальные проблемы, связанные с измерением шума
Ьоценкой его воздействия на человека, .обобщающие как широко
шпользуемые указанные выше методы, так и методы, указанные в
Ир/аих международных стандартах, представлены в международIWMстандарте “Руководство к международным стандартам по изЫрвнию шума и оценке ого воздействия на человека - ISO 2204".
I человека,
105
и,и. Боголепов. Архитектурная акустика
ДОПУСТИМЫЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА УРОВНИ ШУМА
По xapaicrepy спектра шумы следует подразделять на широкопо­
лосные и тональные. По характеру изменения во времени шумы классицифицируются на постоянные и непостоянные (колеблющиеся во
времени, прерывистые и импульсные). Постоянный шум измеряется
и нормируется в октавных полосах частот и определяется величиной
уровня звукового давления в дБ
/. = 1 0 l g ~ = 20lg ^
Ро
где р - среднеквадратическое значение звукового давления, Па,
равное эфф ективному значению за период Т,
р Ч<1
где Pf, - пороговое значение звукового давления
р^ -
П л .- ме>1щународный стандарт.
Допускается в качестве характеристики постоянного широкополос­
ного шума использовать при ориентировочной оценке значения у р о в ­
н я звука в дБА по формуле
= 20
Ро
где Р а - эф фективное значение звукового давления с учётом
коррекции 'М ^'ш умом етра, Пп.
Непостоянный шум измеряется и нормируется за время действия
шума и определяется величиной эквивалентного у р о в н я звука в дБА.
Эквивалентный по энергии уровень звука в дБА данного непостоянно­
го шума соответствует уровню постоянного широкополосного шума,
который имеет то же самое среднеквадратическое звуковое давление,
что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала
времени, и который определяется по формуле;
экв-
10 Ig
1 'j?( Р а О)^
J a
106
2
"
d t
0 ^ Ро J
1
Часть 2. Звукоизоляция помещений
(|ДВ Р л (» - текущее эффективное значение звукового давления с
[ учётом коррекции ‘Я'^ш умометра, Па,
I
время действия шума, ч.
I Ниже в таблице 8 (см. стр. 108 -1 09) приводятся допустимые уровI ни шума для некоторых основных помещений и территорий ( по дан[ ным ГОСТ 12.1.003-83 "Шум. Общие требования безопасности". “СаЬитарные нормы допустимого шума в помещениях жилых и обществен1ныхзданий и на территории жилой застройки", М .,1984 и "Санитарные
[■нормы допустимых уровней шума на рабочих местах". М., 1985).
I' Следует заметить, что врачами запрещено пребывание людей в
[зонах с уровнем звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной
[полосе и в любой, даже самый короткий, промежуток времени. Такой
Гшум смертельно опасен для человека. При очень напряженном и тяГжелом труде уровни звука не должны превышать 50 дБА. Максимапь1 но допустимый шум на постоянных рабочих местах в производствен|ных помещениях и на территории предприятий офаничен значением
гзхвивалентного уровня звука в 85 дБА за время действия шума 8 ча1 с о в (з а 4 ч а с а -8 8 д Б А , за 2 ч а с а - 9 1 дБА, за 1 ч а с - 9 4 дБА ит.д. до
[•смертельно опасных для человека значений: за 0,88 сек. - 1 3 3 дБА и
1заО,44сек. - 1 3 6 дБА).
I
Зоны с уровнем звука или эквивалентным уровнем звука выше 85
|дБА должны быть обозначены знаками безопасности. Работающих в
|зтих зонах администрация обязана снабжать средствами индивидуЕалькой защиты.
I Допустимый для горожан шум на улицах равен следующим значе­
ниям эквивалентного уровня звука: днем 60 дБА, ночью 50 дБА. Ж ите■ли городов и других населенных пунктов стали часто сами заботиться
рсоблюдении тишины в помещениях жилых и общественных зданий,
Ека площадках отдыха микрорайонов и групп жилых домов, санаторикев, пансионатов, в местах отдыха населения, парках и т.д. РадиофиЕхецию зон отдыха администрация должна максимально ограничить, а
Шработа по уборке улиц, дворов, тротуаров от мусора и снега должна
■начинаться не раньше 7 часов утра и заканчиваться не позднее 23-х
Ечасоо. Контроль уровней шума путем квалифицированных и незави■симых измерений может быть обеспечен соответствующими органами
■не реже одного раз в год.
107
Таблица 8. Допустимые уровни шума:
о
CD
Уровни авука
уровни эвуковапо давления, дБ
Рабочие места
63
1
Помещена конструкторе к юс бюро, расчетчиков,
просра ммистов, вычислклельных uaui!H, лабо­
раторий для теорепсчес ких раб от к об раб отки
экс пери нентальньвс данных, лрк^ема больных
в здравпунктах (ГОСТ 12.1.(ЮЗ-83)
Помещения упразлен1!Я, рабочие комнаты
(ГОСТ 12.1.003-83)
Постоянные рабочие места и рабочие зоны в
прошводственных помещениях инатеррэтории
предпригггий, постоянные рабочие места ста­
ционарных маилш (ГОСТ 12.1.003-83)
Палаты больниц и санапгор'ис-е, операционные
больниц (Сан^парные нормы № 3077-84)
с 7 до 23 ч.
с23 до 7 ч.
Классные помещения, учебные кабинеты,
учительские комнаты, аудкстории икол и другие
читальные залы библиотек
(Санитарные норшьа Na 3077-84)
Жилые комнаты квартир, жо 1ые помещения
эквивалентные
в октавных полосах частот :
со срадкетеометрическки|{значенили'н в Гц,
2
125
3
250 ;i 500
А 1 5
1000 2000 4000 8000
6
7
8
9
уровни звуха.
дБА
10
СП
о1
—
1 о
71
61
54
49
45
42
40
38
50
79
70
68'
63
55
52
50
49
60
i ct
э
о
р
>
<9
.vs
ТО
&9
92
86
83
80
78
76
74
85
а
3
59
48
51
63
39
40
31
34
24
52
45
39
20
27
17
25
14
23
13
35
25
35
32
30
28
40
30
I(Санитарные нормы Na 3077-84)
I 63
I 52
I 45
i за
I
J
I OU I
Жил ы» ксмитаты хвартер. мвчлые noMeu^eHvrn
ДОМОВ отдыха, пансионатов, домов-интернатов
1
I
*
ДЛЯ престарелых и инаалидсв, спальные ломеще
ния в детскюс доикольных учреждениях и околах
интернатах (Санетарные нор^.сы Ыя 3077-84)
с 7 до 23 ч.
с 23 до 7 ч.
Залы кафе, ресторанов, столовых
(Саккттарные нормы № 3077-84)
Торговые залы магазинов, пассалпрские за­
лы аэропортов и вокзалов, приемные пункты
предпркяпи! бытового об слулсвания
(Санитарные кормы N® 3077-84)
Зрелищные учреждения
(Санитарные нормы № 872-70):
а) зрительные залы концертных залов и театров
б) зрительные залы юшотеатрое и клубов
63
55
52
44
45
35
39
29
35
25
32
30
28
40
22
20
18
30
75
66
59
54
50
47
45
43
55
79
70
63
58
55
52
50
49
60
59
63
48
52
40
45
34
39
30
35
27
32
25
30
23
28
35
40
Примечание: Подробные сведения содержатся в ГОСТ 12.1.002-83 и СН N*872-70 и Мг3077-84
о
to
SL
CJ
о
-4
С
]io
CO
a
И.И. Боголопов. Архитоктурная акустика
Отмстим, что впорвыо в мире нормы по ограничению шума были
созданы в нашей стране в 1956 году известными ленинградскими
акустиками ГЛ . Навяжским. И.И. Славиным и Ю.М. Ильяшуком ("Вре­
менные санитарные нормы и правила по ограничению шума на произ­
водстве" N2205-56). Через двадцать лет был разработан и введен в
действие в СССР первый в мире государственный стандарт по клас­
сификации шумов, допустимым уровням шума на рабочих местах, об­
щим требованиям к защите от шума, шумовым характеристикам ма­
шин и измерению шума (ГОСТ 12.1.003-76 "Шум. Общие требования
безопасности") - совместными усилиями ленинградских и московских
акустиков (Ю.М. Ильяшук. И.И. Боголепов, ГЛ . Осипов, Е.Я. Юдин и
др.). Несомненный приоритет этих разработок принадлежит отечествен­
ным акустикам.
110
Часть 2. Звукоизоляция помощоний
ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ
Существует несколько методов измерения звукоизоляции: ревер[берационный, с помощью заглушенных камер, корреляционный, им^пульсный и др. Каждый из них предназначен для решения определен[ного круга окспериментальных и прикладных задач. Наиболее универ^сальным является роверберационный метод, в связи с чем он полу­
чил широкое распространение. Ме>идународная организация по стаишргизации рекомендует именно этот метод для измерения звукоизо[щ ии в лабораторных и натурных условиях.
Согласно реверберационному методу для измерения звукоизоля-
1И необходимо установить испытываемую преграду между двумя
[реверберационными камерами, звуковое поле в которых близко к диф[фузному. Камеры устроены так, что в одной из них - камере высокого
[р в н я ( КВУ) - находятся источники звука и звуковая энергия переда­
йся из этой камеры в другую - камеру низкого уровня (КНУ) — только
[через испытываемую преграду; какие-либо другие, обходные, пути
[передачи звука из одной камеры в другую отсутствуют. Звукомерные
[камеры могут состоять из двух смежных как по горизонтали, так и по
кертикали реверберационных помещений, разделенных огра>кцением
р'Проемом для монтажа образцов испытываемых конструкций.
При диффузном звуковом поле в обеих камерах баланс звуковой
[МОЩНОСТИ мемщу камерами выразится равенством
= J 2A 2 +
г
г
/ j , / 2 “ интенсивность звука диффузного поля в КВУ и КНУ
[соответственно;
[г =
- площадь испытываемой преграды; ■
/ У 21 - коэффициент звукоизолирующей способности испы-
11ваемой преграды (не путать с г - расстоянием от точечного
Гадника);
- интенсивность звука, прошедшего через испыты[мемую преграду.
Остановимся на звукопоглощении в КНУ. Звукопоглощение там оп[ределяется постоянной распространения звука
п
^ 2 2 * 5 ’/
1 " «2
111
И.И. Боголегюд, Архитоктурная акустика
где
КНУ; « 2 ”
суммарная площадь всех ограхщающих поверхностей
Z
средний коэффициент звукопоглощения всех
ограхщающих поверхностей КНУ.
В реверберационном помещении, в том числе и в КНУ, имеют мес­
то соотношения:
0 , 16 К 2
1-«2
"
Т.
где V i - объем КНУ, 7 ^ - время реверберации в КНУ.
При составлении баланса звуковой мощности использовался прин­
цип взаимности, согласно которому при перемене направления рас­
пространения звуковых волн через преграду на противоположное зву­
коизолирующая способность преграды не меняется.
Уравнение баланса выражает закон сохранения энергии; звуковая
мощность, поступающая из КВУ в КНУ, равна сумме двух звуковых
мощностей - поглощаемой в КНУ и возвращающейся из КНУ в КВУ. Из
этого уравнения баланса и находим коэффициент звукоизолирующей
способности преграды:
А
-1
R = 10 Ig/-, д Б .
4*^2
Для звукоизолирующих преград, имеющ их техническое примене­
ние, звукоизоляция всегда больше 10 дБ, поэтому справедливо соот­
ношение;
-1
При учете этого соотношения, то есть при условии пренебрежения
обратной передачей звука из второй камеры в первую, звукоизоляция
испытываемой преграды равна:
Л = А - Z o - 1- lO lg ^ ^ " ^ ? '
0 ,1 6 ^ 2
112
Часть 2. Эрукоизоляция помещений
J
А
raet, =101g-^,
/j
=
101gl^,
•/1
л
7 , = 10
-12 Вт/м^
Практической мерой интенсивности звукового поля при измерени­
ях звукоизоляции служит квадрат эффективного звукового давления.
Таким образом, измерение интенсивностей звука в КВУ и КНУ заменя­
ется измерением энергетического уровня звукового давления соответ­
ственно в каждой камере, что значительно упрощает дело.
Область применения реверберационного метода измерения звуко­
изоляции определяется в основном следующими условиями: 1) звуко­
вое поле в камерах должно быть близким к диффузному.!2).,звукоизо­
ляция испытываемой преграды должна, быть достаточно.больш ой
(и практически не зависеть от площади), 3).звукопоглощение в каме­
рах должно быть очень малым. 4) методу камерами не должно быть
обходных звуковых путей.
Приведем пример конструкции устройства для измерения звукоизо­
ляции.
Рис. 30. Устройство для измерения звукоизоляции
‘ Устройство содержит ноподвижную 1 и подвижную 2 звукомерные камеры,
винтовой привод, состоящий из двигателя 3, винта 4 и гайки 5, тарирован­
ную пружину 6 , концевой выключатель 7 и полость 8 с мембраной.
Между камерами помещают испытываемую конструкцию 9 и
она зажимается между ними.
113
И.И. Боголопов. Архитектурная ак\>стика
Литература
Авторское свидетельство № 408997 "Устройство для измерения
звукоизоляции конструкций", авторы Боголепов И.И., Семенова В.Н.
и Ю.В. Кузнецов, приоритет 16 августа 1971г.
Измерения звукоизоляции регламентируется Мемодународным стан­
дартом ISO 140-78 . который состоит из восьми частей: Часть I. Требо­
вания к лабораториям для проведения испытаний. Часть II. Требова­
ние к точности проведения испытаний. Часть III. Лабораторные испы­
тания звукоизоляции строительных элементов от воздушного шума.
Часть IV. Испытания звукоизоляции от воздушного шума между ком­
натами, проводимые на месте. Часть V. Испытания звукоизоляции от
воздушного шума фасадов и элементов фасадов, проводимые на ме­
сте. Часть VI. Лабораторные испытания звукоизоляции пола от удар­
ного шума. Часть VII, Испытания звукоизоляции попа от ударного шума,
проводимые на месте. Часть VIII. Лабораторные измерения уменьше­
ния степени пропускания ударного шума покрытиями по стандартно­
му полу.
I
114
.L
Чэсть 2. Звукоизоляция помощоний
ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИЕ и ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ
МАТЕРИАЛЫ
Звукоизолирующие материалы. Материалы звукоизолирующих кон[струкций, как было показано выше, должны обладать большим импе[дансом по отношению к импедансу воздуха (см. выше принцип рас­
согласования импедаисов). Практически к з в у к о и з о л и р у ю щ и м мате­
риалам относят такие, у которых отношение этих двух импедаисов
больше 100. Тогда на границе двух сред, где возникает эффект отра­
жения звуковых волн, звукоизоляция;
- 6 = 201gVl00,I - б = 14.ДБ
F=201g
Максимальная звукоизоляция слоя на его антирезонансах при ука­
занном рассогласовании импедаисов:
=201g
fz ,
^ z 7
z,
- 6 = 2 0 1 g l0 0 ,l - 6 = 2 4 .Д Б
Заметим, чтО'минимальная звукоизоляция на резонансах слоя при
лом равна нулю.
В таблице 9 представлены материалы, которые широко использу­
ются в качестве звукоизолирующих.
Следует сказать, что наиболее распространенным звукоизолирую­
щим материалом является сталь, алюминиевые сплавы, титановые
сплавы, силикатное стекло, бетон и кирпич.
Виброизолируюшие и вибоопоглошаюшие материалы характеризуI ются обычно двумя величинами: динамическим модулем упругости (мо[дулем Юнга) и коэффициентом внутренних потерь материала. Для виб(роизолирующих материалов согласно принципу рассогласования импедансов (см. выше закон упругости) модуль упругости должен быть
мк можно меньшим. Наиболее распространенный виброизолирующий
[материал - специальная резина, например в известных виброизолято(рахтипа АКСС (амортизатор корабельный сварной со страховкой), раз­
работанных под руководством И,И. Клюкина. Для вибропоглощающих
материалов важнейшей характеристикой является произведение моду[пя упругости на коэффициент потерь, так называемый фактор вибро[демпфирования (см. выше звукоизоляцию пластин). Для акустического
[демпфирования пластин он должен быть по абсолютной величине как
|можно большим. В природе хороших вибропоглощающих материалов
115
И.И. Боголепоо, Архито 1^ р м а я акустика
Таблица 9. Звукоизолирующие материалы
Материалы
1
Алюминиевые сплааы
Асбокартон
Базальтовый плотный картон
Бакелит
Бетон
Бронза фтористая
Бумажно-слоистый пластик
вольфрам
Гипсобетон
Гранит
Дуб поперек волокон
Железобетон
Инвар (64% жолоэо. 36% никель)
Кварц
Кирпич
Латунь
Лед
М едь"
Мрамор
Нейзильбер (65% медь. 15% никель, 20% цинк)
Николь •
Олово
Органическое стекло
Пиломатериалы хвойных пород
Поливинилхлоридный линолеум
Поливинилхлоридная пластмасса "Агат"
Полиуретановый эластичный поропласт
Полихлоропреновый каучук
Пробка
Резина техническая твердая
Резина губчатая мягкая
Свинец
116
Плотность, Скорость
кг/м. куб. зоукч, м/с
3
2
2800
5100
690
115
300
1400
295
2350
3200
8000
3700
1400
3100
4300
19000
4000
1300
2700
4000
1400
700
2400
4500
8000
4180
2650
5750
2750
1500
8500
3400
920 "• • 3200
8900
3600
2700 '
3800
8400
3710
8700
4900
7300
700
1200
1900
510
4900
1600
350
1200
1350
40
90
1300
60
240
500
1200
82
42
560
11400
1250
1200
Часть 2 . Эрукоизоляция помощоний
Таблица 9. Звукоизолирующие материалы (скончание)
1
Силикатное стекло
Сталь
Стеклопластик
Титановые сплавы
Фанера бакелизированная
Фанера березовая
Фибра
Чугун
Шлакопемзобетон
Экспанзит
2500
7800
1750
4500
1050
800
900
5200
5200
3200
5200
2300
2100
2000
1700
3800
3500
200
180
7700
нет, так как материалы с большим модулем упругости имеют очень ма­
лый коэффициент потерь (например, железо), а материалы с большим
коэффициентом потерь имеют очень малый модуль упругости (напри­
мер, гудрон). Материалы с достаточно большим фактором вибродемп­
фирования приходится создавать искусственно. Наиболее распростра­
ненный вибропоглотитель - материал типа марки “Агат", разработан­
ный под руководством видного московского акустика Бориса Давидови­
ча Таргаковского. Материал состоит из пластифицированного поливи­
нилхлорида, нитрильного каучука и наполнителя. Выпускается в виде
листов и приклеивается к демпфирующей поверхности с помощью спе­
циального клея, В качестве вибропоглощающих материалов иногда при­
меняются такие материалы, как рубероид, слюда и линолеум. В табли­
це 10 (см. стр. 118) приведены хараю^еристики широко используемых
оиброизолирующих и вибропоглощающих материалов.
Несмотря на всю условность названия "виброизолирующио и виб­
ропоглощающие материалы", можно сказать, что лучшим виброизо­
лятором по отношению к стальным разделяющим конструкциям явля­
ется сжатый воздух в виде пневматического амортизатора (пневмати­
ческие шины автомобилей относятся также к этому типу) и мягкая ре­
зина в виде прокладок (в пневматических амортизаторах оболочка тоже
делается из резины). Громадное количество зарегистрированных изоб­
ретений новых вибропоглощающих материалов и конструкций из них
в разных странах свидетельствует, в частности, о том, что отличных
общепризнанных материалов такого типа еще человечеством не
создано.
117
И.И. Богол 0ПОВ. Архитоктурная акустика
Таблица 10, Виброизолирующие и вибропоглощающио
материалы (средние значения)
Матариол
Динамич, модуль
упругости, Пп
Коэф-Т
потерь
Виброизолирующио материалы
Войлок технический
1 500 ООО
Каучук натуральный
850 ООО
Минораловатная плита
3 300 ООО
Полиуретанооый'жесткий поропласт
5 400 ООО
Полиуретановый эластичный поропласт
320 ООО
Пробка натуральная
60 ООО ООО
Резина губчатая мягкая
990 ООО
Резина техническая мягкая
220 ООО
Вибропо&пощаюшио материалы
Вибропоглощоющий листовой
материал марки "Агат"
Г600000 ООО ■ 0.4
111ЧКМIf....
Вибропогпощающий материал
марки "Радуга"
' ‘ ’ ''4о6'6‘6Ьооо
0,3''
Вибропогпощающий материал
марки "Антивибрит*М"
5 ООО ООО ООО 0,25
Вибропогпощающи материал
марки ВМЛ-25
0,4
1 ООО ООО ООО
4 700 000
Полихлоропреновый каучук
' •':-1
0.35
Розина техническая твердая
*
8’100 ООО
0.2
Поливинилхлоридный линолеум
'''' " ’ - ’’гоооооооо
0.15
Базальтовый плотный картон
■ 3 700 000
0,07
118
_________
Часть 2. Звукоизоляция п о м е щ е н и й
_____________
ШУМОВАЯ КАРТА ГОРОДА
И ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИЕ ДОМА
Широкое внедрение техники, развитие промышленности и городс­
кого транспорта ведут к большему проникновению шума в жилые дома,
школы, больницы, в места отдыха, в общественные и служебные зда­
ния. Шум в крупных мегаполисах постоянно увеличивается. В совре­
менном городе наиболее мощным источником шума является транс­
порт: грузовые и легковые автомобили, автобусы, трамваи, поезда,
самолеты, вертолеты, водный и подземный транспорт. Второй мощ­
ный источник шума - промышленные предприятия. Защита людей от
шума в мегаполисах - важная экологическая проблема. Её решение
начинается с организации постоянного контроля уровней шума на ули­
цах города. Результатом такого контроля является шумовая каста го­
рода. где представлены уровни городского шума в дБА на всех основ­
ных магистралях, в районах жилья и отдыха людей, а также на про­
мышленных и других предприятиях. Шумовая карта используется вла­
стями: а) для разработки реально достижимых норм допустимого шума
для конкретного города, б) для проектирования и осуществления тех­
нических и иных средств по выполнению этих норм в этом городе и в)
для применения санкций к тем, кто эти нормы не выполняет. На базе
шумовой карты города планируются "спальные районы” в тихой части
города и звукоизолирующие дома в шумной его части.
Первая шумовая карта города, как нам известно, была составлена
вначале 80-х годов в Ленинграде городской санэпидстанцией по ини­
циативе и под руководством энергичного инженера-акустика Аллы
Львовны Васильевой. Методика была такова, Уровни шума измеря­
лись в дБА в течение 10 минут в ка>»ддой запланированной точке. Из­
мерения проводились на расстоянии 7.5 м от оси улицы двумя, рядом
поставленными, шумомерами. Шумомеры устанавливались исполни­
телями так, что один из них проводил измерения уровни шума от 70 до
80 дБА, другой - от 80 до 90 дБА без переключения тумблера. 6 изме­
рениях участвовали три исполнителя: один измерял и диктовал пока­
зания, второй записывал их, третий проводил подсчет числа проез­
жавших экипажей. Такое распределение обязанностей меиоду испол­
нителями позволило проводить до 100 и более измерений в течение
10 минут. Обработка результатов измерений методами теории вероят­
ностей и математической статистики показала, что полученные пер­
вые четыре момента эмпирического распределения, а также коэффи­
циенты асимметрии и эксцесса свидетельствуют о нормальном зако-
119
И.И, Боголепов. Архитектурная акустика
__ __ ____
не распределения измеряемых величин. В результате исполнителями
определялся 90-процентный уровень шума, то есть уровень, вероят­
ность превышения которого равна 10%. Уровень шума поданным этих
измерений на главных магистралях Ленинграда (Невский проспею",
Садовая улица, Большой проспект Петроградской стороны и др.) со­
ставил в начале 80-х годов порядка 75 д6А.
В начале 90-х годов, примерно через десять лет, под руководством
известного акустика докт.техи.наук проф. Алексея Сергеевича Ники­
форова сотрудниками ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова на более совершен­
ной аппаратуре (но по упрощенной и оперативной методике) была со­
ставлена новая шумовая карта Санкт-Петербурга. Измерения показали.^чго' на-тлавных магистралях города уровень шума достиг величи­
н а ; равной порядка 85 дБА, что на десять децибел больше уровней
десятилетней давности. Ш ум в городе увеличился по субъективному
ощуЩенйю более чем в два раза. Это очень большое увеличение шума.
Обобщая, скажем: уровни городского шума и во всех городах-многомиллионниках мира к этому времени стали превышать санитарную
норму, которая оценивается специалистами в данном случае величи­
ной порядка 65 дБА. У власти и, особенно, у общественности разви­
тых стран мира понимание значения борьбы с шумом в крупных горо­
дах и потребность в шумовых картах для планирования этой борьбы
стали резко возрастать. В частности, у нас в стране по заказу городс­
ких властей шумовые карты стали разрабатываться специалистами
ЦНИИ и м .а ка д А Н .К р ы л о ва .
Появления ш умовых карт городов привело к тому, что перед мест­
ными законодателями встал вопрос о разработке городского закона о
борьбе с шумом, а перед исполнительной властью - о планировании
мероприятий по уменьшению шума в городе и. в частности, о строи­
тельстве звукоизолирующ их домов.
Действительно, кардинальным способом борьбы с чрезмерно вы­
соким городским шумом являются звукоизолирующие дом а. Звукоизо­
лирующ ий дом выполняет функции надежного акустического экрана
для внутриквартальной территории микрорайона, и, что особенно.важно. он имеет повышенную собственную звукоизоляцию для обеспече­
ния акустического комфорта проживающих в нем людей.
Для выполнения функций акустического экрана звукоизолирующий
дом необходимо строить непрерывной •'стеной" достаточной высоты
по периметру всего или части квартала (со стороны шумных магистра
120
Часть 2. Звукоизоляция помещений
лей), чтобы исключить прямое проникновение шума с улицы внутрь
микрорайона. Сквозные проезды через звукоизолирующий дом долж­
ны иметь внутри микрорайона местные акустические экраны для пре­
дотвращения частичного проникновения шума во двор, В качестве эк­
ранов могут использоваться многоярусные гаражи с непосредствен­
ным выездом в проезд, а также магазины, глухие торцы жилых домов
и т.д. Звукоизолирующий дом должен иметь высоту ие менее 30 м
(9 этажей и более). Такой дом приведет к снижению шума за ним при­
мерно на 30 дБА, что обеспечит акустический комфорт во дворе-мик­
рорайоне.
Необходимость более плотной застройки территории города, выз­
ванная современными требованиями, приводит к сочетанию приемов
свободной планировки внутри квартала с его сплошной периметраль­
ной застройкой по ограничивающим микрорайон магистралям. Таким
образом, новые микрорайоны существующих крупных городов и горо­
дов будущего рационально делить на шумные магистрали и на квар­
талы тишины, окруженные звукоизолирующими домами.
Жители звукоизолирующих домов, в первую очередь, сами долж­
ны быть надежно защищены от вредного действия большого шума
улиц. Это достигается: во-первых, путем специальной внутренней пла­
нировки домов и, во-вторых, путем применения звукоизолирующих
окон. Планировка этих зданий должна быть такой, при которой поме­
щения с кратковременным, только дневным пребыванием людей вы­
ходили бы на улицу, в сторону зоны шума, а комнаты с продолжитель­
ным пребыванием людей и спальни - во внутриквартальный район, в
сторону зоны тишины. В сторону улицы следует располагать лестнич­
ные узлы, лифты, кухни, ванные, уборные, кладовые, холлы, коридо­
ры и одну жилую комнату в многокомнатной квартире. В первом этаже
звукоизолирующего дома рекомендуется располагать шумные быто­
вые помещения (магазины, кафе, мастерские и т.д.), а во втором тихие помещения бытового обслуживания (жилконторы, бухгалтерии,
склады и т.д.). Второй этаж служит здесь надежной звукоизоляцией от
шума встроенных объектов первого этажа для третьего и последую­
щих жилых этажей дома. Но еще лучше шумные помещения разме­
щать прямо на шумной улице в отдельных непрерывных зданиях пе­
ред звукоизолирующим домом с зелеными наса>кцениями и пешеход­
ной и велосипедной дорожками между этими зданиями.
Окна жилых помещений звукоизолирующего дома, выходящие на
улицу, нуждаются в увеличении звукоизоляции, так как самыми звуко­
121
И И. Богопепор^ Архитектурная акустика
проницаемыми элементами современного здания обычно являются
именно окна. Звукоизоляция стен современных зданий, как правило,
достаточна для обеспечения необходимого акустического комфорта
внутри дома, хотя кахщый раз это необходимо проверять и исправ­
лять известными способами. Итак, главная проблема звукоизолирую­
щего дома - как увеличить звукоизоляцию окон.
Для увеличения звукоизоляции окон следует применять традици­
онную двустенную конструкцию (трехстенная конструкция-хуж е). Для
повышения акустической эффективности такой конструкции (см. выше
звукоизоляцию двустенной конструкции) необходимо: 1) максимальна
возможно увеличить расстояние между стеклами; 2) виброизолировать
стекла д руг от друга, исключив звуковые мостики (см. выше акусти­
ческие мостики двустенной конструкции); 3) использовать между стек­
лами звукопоглотитель и, наконец. 4) исключить какие-либо щели и
отверстия (см. выше влияние отверстий на звукоизоляцию преграды).
Начинать надо с последнего, ибо без обеспечения герметичности окна
все усилия будут тщетны. Правильность этих рекомендаций подтвер­
ждается практикой эксплуатации старых зданий с толстыми стенами,
с акустически независимо замоноличенными в их проемах на значи­
тельном расстоянии друг от друга, остекленными рамами и шпаклев­
кой меловой замазкой на олифе всех 'щелей и отверстий в окне на
зиму. Раньше шпаклевка окна делалась в основном для теплоизоля­
ции, но это также резко повышало звукоизоляцию, что было давно за­
мечено. Замечено было и то, что открытая форточка во время провет­
ривания комнаты (типичное акустическое отверстие) сводила звуко­
изоляцию окна практически на нет.
В со врем енны х зданиях в комнатах, вы ходящ их на шумную сто­
рону д ом а, долж ны быть обязательно установлены кондиционеры,
работа которы х исклю чает открытие окон или форточки для провет­
ривания.
. Подчеркнем, что чем больше расстояние между стеклами, тем луч­
ше для звукоизоляции окна. Оконные проемы звукоизолирующих до­
мов с расстоянием между стеклами, примерно равным толщине стен
и более, могут придать новые архитектурные формы фасаду совре­
менного здания. Таковы главные требования к жилому звукоизолиру­
ющему дому.
Другое важное применение звукоизолирующего дома состоит в сле­
дующ ем. Звукоизолирующим домом можно окружить со всех сторон
122
Часть 2 . Звукоизоляция помощоний
очень шумное предприятие, но даоая проникнуть его шуму наружу в
жилую застройку или в зону отдыха, находящиеся вблизи. Звукоизо­
лирующие окна в этом случае устанавливаются с внутренней стороны
такого дома (со стороны шумной территории предприятия), В самом
доме располагают не шумные цеха, а тихие административные поме­
щения, лаборатории, технологические службы, склады и т.д. Задача
строительства таких домов обосновывается данными “шумовой карты
города”.
В связи с большим шумом в городах, звукоизолирующие дома, как
первого, так и второго применения, имеют, несомненно, большое бу­
дущее. Об этом свидетельствует, в частности, строительная практика
в нашей стране, где впервые были предложены и появились звукоизо­
лирующие дома (см. Вержбицкий Ж .М ., Шер Е.Я. Помогут шумоза­
щитные дома. Ж урнал “Строительство и архитектура Ленинграда” ,
N2 4 , 1975).
123
И.И. боголепоо, Архитектурная акустика
Часть 3
АКУСТИКА ж илы х, СЛУЖЕБНЫХ
и ОБЩЕСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
РОЛЬ ПРЯМОГО и ОТРАЖЕННОГО ЗВУКА
В АКУСТИКЕ ПОМЕЩЕНИЙ
Все необходимые, грозные, полезные, неприятные и приятные для
человека звуки можно разделить на две категории: 1) сигналы об опас­
ности (сигналы транспорта, звуковые сигналы маяков и судов, терпя­
щих бедствие, и др.), звуки войны, шум моря, раскаты грома, гул ура­
гана, рокот землетрясения, пение птиц, шелест листвы, немолчный
говор фонтанов, журчанье ручьев и родников и т.д., 2) речь и музыка.
Архитектурная акустика занимается второй категорией звуков в поме­
щении.
Интенсивность звука в помещении определяется прямым и отра­
женным звуком по приведенной в первой части формуле;
г_ /
г
_N
4N
N
aS
Bt/ m*
Если точечный источник звука расположен примерно на равных рас­
стояниях от всех ограждающих поверхностей помещения и помеще­
ние достаточно велико по сравнению с длиной сферической звуковой
волны, то интенсивность прямой составляющей звукового поля
J
- ——
47U r
124
JL
Часть 3. Акустика помощоний
где г - расстояние от источника звука до точки наблюдения.
Приравняем площадь всех ограждающих поверхностей помеще­
ния площади эквивалентной сферы, тогда
S =
где Fjj - радиус эквивалентной сферы.
Суммарная интенсивность звука от прямой и диффузной составля­
ющих в точке наблюдения
N
7 =
1+ 4
» Вт/м^.
а
4тгг‘
Выразим згу величину в децибелах:
Z- = l 0 1 g
где
N
N A ir r
= 7 Л ,
прямого звука,
+ 1 0 Ig 1 + 4
а
/ о = 10 “ '^ в т /м ^
А'о = 1 м . ^ я 7. - У Р 08ень
- уровень влияния диффузной составляющей.
-ДИФ = 1 0 l g
N
N .n r l
а
Из формулы видно, что прямой звук убывает пропорционально квад­
рату расстояния от источника до наблюдателя, диффузная же составля­
ющая постоянна. В результате в большой части объема получается прак­
тически равномерное поле. Диффузная составляющая очень сильно за­
висит от звукопоглощения в помещении, увеличиваясь с уменьшением
звукопоглощения.
В реальных помещениях средние значения коэффициента звукопог­
лощения находятся обычно в пределах от 0,1 до 0,7. Вдали от источника
звука на самой периферии достаточно большого помещения уменьше­
ние коэффициента звукопоглощения от 0,7 до 0,1 дает увеличение уров­
ня звука за счет диффузной составляющей на
125
И.И. Боголепов. Архитоктурная а1сустико
Посередине между источником звука и слушателем уменьшение ко­
эффициента звукопоглощения на ту же величину дает
^ 5^ дБ
при ^ = 0,5.
Вблизи источника звука при тех же условиях имеем
===
дБ
/*
при — = 0,1.
1‘п
Следовательно, малое звукопоглощение существенно увеличивает
уровни звука в помещении, главным образом в средней и в дальней от
источника частях. Если источник звука распложен в двугранном угле
помещения и звукопоглощение в нем мало (типичная ситуация в лекци­
онных и театральных залах), используя формулу Сэбина, получим
-I
.^Ф
—
Q)
= L ,+ \0 \g
1
кг
Т
дБ
Для увеличения фомкости необходимых для человека звуков в по­
мещении надо увеличивать время реверберации, но для разборчивости
речи и качественного звучания музыки это увеличение должно быть
ограничено определенными значениями, разными для речи и музыки.
Хорошая акустика залов состоит в сочетании этих, иногда противоре­
чивых, требований к звуковым процессам а помещениях.
126
Часть 3. Акустика помещений
ТРИ ВИДА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
ОБ АКУСТИКЕ ПОМЕЩЕНИЙ
Звуковые процессы описываются в помещении волновым уравне­
нием
. о
.
д 'р
д 'р
5X
су
______
Sz'
ъг
Исходя из ЭТОГО уравнения, для получения хорошей слышимости
речи и качественного звучания музыки в помещении используются
следующие физические представления из геометрической акустики,
из волновой акустики и из статистической акустики.
Геометрическая теория
В этом случае имеет место решение волнового уравнения, полу­
ченное методам бегущ их волн (метод Даламбера), а именно вида
р - Pi cos {со t - k v ) -t-
?2
c o s (cot ё kv) ,
X
2
4 у
2
2~
+ Z •
Решение характерно не видом функции, которая определяется на­
чальными условиями, а видом аргумента. Знак минус перед аргумен­
том соответствует движению волны в сторону положительных значе­
ний координаты, знак плюс - движению в обратном направлении, В
геометрической акустике для нас в данном случае важны два цент­
ральных понятия. Первое: звук распространяется - как луч света прямолинейно. Второе: справедлив известный, первоначально в оп­
тике, закон голландского астронома и математика В ,С мвллиуса-угол
падения звуковой волны на ограждающие помещение поверхно­
сти равен углу отражения. Применять закономерности геометри­
ческой акустики следует на высоких частотах, когда длина звуковой
волны гораздо меньше размеров помещения.
Волновая теория
В этом случае используется решение волнового уравнения, полу­
ченное методом стоячих волн (методом Фурье), а именно типа:
р = P{v) cos(cDt -cpf),
где P {v ) - амплитуда, которая зависит только от координат,
.
2л - ,
а величины cot = ------ 1
и
<р^ зависят только от времени.
127
И.И, Боголепов. Архитектурная акустика
Итак, согласно способу разделения переменных решение представ­
ляется в виде двух сомножителей, где первый зависит только от коор­
динат, а второй только от времени.
Из линейности волнового уравнения следует принцип суперпози­
ции звукоеы х волн. Физически это означает, что если распрос­
т ранение в среде от дельны х волн обусловлено только упруго­
стью и инерционност ью , то суммарная волна может также
распрост ранят ься в эт ой среде как свободная волна. В этом
случае различные волновые процессы при совместном их действии
складываются, не влияя друг'н'а'д'руга. Принцип суперпозиции позво­
ляет представить слоионую волну как сумму простых волн, например в
спектральном разложении Фурье.
В волновой акустике для данного случая центральное понятие - резо­
нансные частоты помещения с размерами
Ь и с , которые для
помещения прямоугольной формы в случае жестких ограждений и соб­
ственных фунций косинусоидального вида определяются по формуле:
2
(4
.а J
1
+
1ь ) f"0
1сJ
где с — скорость звука в воздухе, а
принимают значения
О, 1 ,2 , 3..., причем хотя бы одно из них не равно нулю. Каждой тройке
значений соответствует одна собственная частота помещения.
.В области низких частот при малых значениях л, собственные ча­
стоты разделены сравнительно большими интервалами. С ростом ча­
стоты спектр быстро уплотняется.
‘На интервал частот между f
частот помещения.
Ал =
J
и L f приходится число собственных
-2 д .
А / , где К - о б ъ ё м помещения.
• Применять закономерности волновой акустики следует на низких
частотах, когда длина звуковой волны соизмерима с линейными раз­
мерами помещения.
. Статистическая теория
Важнейшее практическое значение в архитектурной акустике име­
ет тот случай, когда фаза в решении волнового уравнения, получен­
128
Часть 3. Акустика помещений
ная методом бегущих волн, есть случайная величина. Впервые Лорд
Рэлей показал, что только тогда, используя законы теории вероятнос­
тей и математической статистики, возможен энергетический подход.
Этот подход состоит в том, что интенсивность звуковых волн не зави­
сит от фазы звуковых колебаний и сложение звуковых волн происхо­
дит энергетически, что имеет большое практическое значение. Имен­
но на этом основан инженерный метод оценки и проектирования уст­
ройств в архитектурной акустике, эффективный для широкого техни­
ческого использования. Центральное понятие в статистической акус­
тике - диффузное звуковое поле, для которого
у, z) - Const,
y(.9i, i92,19з) = Const,
где Г - в р е м я реверберации, А
'Т’ = 0,1
Т
- общее
звукопоглощение в помещении.
Закономерности статистической акустики рационально использовать
на средних частотах диапазона человеческого восприятия звуков.
При улучш ении восприятия звуков с целью получения х о р о ­
шей слыш имост и речи и качественного звучания музыки влю -‘
бом месте помещ ения рационально использовать все т ри вида
уиазанных предст авлений звукоеы х процессов в помещении.
129
И .И. Б о го л о п о р, Архитектурная акустика
ОБОБЩЕННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ
СЛОЖНОЙ ПРЕГРАДЫ
Для определения обобщенной зависимости коэффициента зву­
копоглощения преграды, состоящей из плоскопараллельных сло­
ев, при нормальном падении плоских продольных гармоничес­
ких волн'применим импедансный метод.
. ,.vr,v
ч,
рсновны м .понятием метода является входной импеданс, который
определяется как отношение звукового давления к колебательной ско­
рости на границе полубесконечной среды, откуда падают звуковые
волны, с другой средой, куда проникают эти волнь 1. Вторая среда мо­
жет состоять из плоскопараллельных слоев и полубесконечной сре­
ды. Задача определения коэффициента звукопоглощения импедансным методом "Рв'одится, в конечном счете, к нахомщению входного им­
.
педанса такой преград ы .,
Определим сначала входной.импёданс одного слоя со следующи­
ми параметрами:
vY,-т о л щ и н а слоя,
звука в слое,
= р2
i k j - постоянная распространения
- импеданс crioa'^''Zj =
и Z-^^ f рус^ -
импедансы в полубесконечной среде перед^слоем и в.полубескоиечной среде за слоем.
.
Поместим начало координат на передней границе слоя и направим
ось системы координат перпендикулярно к слою в сторону задней гра­
ницы слоя по ходу падения волн.
Звуковое давление в слое, при опущении временного фактора.будет представлять собой суперпозицию волн, бегущих в прямом и об­
ратном направлениях:
И аналогично колебательная скорость
Z.
Используя граничное условие при
V
х ~ s.,, Z 3
=
P(Sn)
-
V ( i4 )
130
>
Часть 3. Акустика помещений
получаем очень важное соотношение;
^и _
^
P i\
+ 21
Квадрат этого отношения есть, по сути, коэффициент отражения на
задней границе слоя, мы им воспользуемся в дальнейшем для опре­
деления коэффициента звукопоглощения в общем виде.
Окончательно находим при х = О искомый входной импеданс на
передней границе слоя
7
=
М
-
7
=
V(0) "
_ у
(Z, + z,)6"’'='= - (Zj - Zj)^-'"-’'':
Z 3 ch ' / 2S2
Z , sh Y jS i
Z 3 sh у 2^2 ' ^ 2
_ у
'/2'^2
Z j I- Z t th Y iS i
"
+ ^2
Если затухание в слое равно нулю, то учитывая, что
/З2 = 0 ,
tg i X = ith X ,
th ix ~ - / tgx ,
имеем входной импеданс слоя
7
^ z
^
Z t —Z 3 i tg ^ 2^2
где
*•
/ Z-,
^ ~ Z 3 tg
'b ^ ^2
- — - волновое число слоя,
с.*
кт,^2 - набег фазы волны данной частоты на толщине слоя.
Таким образом, входной импеданс в данном случае зависит только
от трех величин
Z 27
Z 37
^2^2 *
Последняя величина определяет интерференционную картину в
слое: при увеличении толщины слоя значение входного импеданса по­
вторяется с периодом изменения толщины слоя, равным половине
длины волны.
Для лучшего звукопоглощения необходимо, чтобы звуковая волна
131
!
И.И. Боголепоа, Архитектурная акустика
проходила в слой без отражения. Для этого входной импеданс слоя
должен быть равен импедансу первой среды (в архитектурной акусти­
ке - воздуха), то есть
;
..
I РФ2
- '■ Р2С2 ‘S k . j 2
--------------:— --------: ------------ —
Р2^2
Р\С\ .
^Р Л
Это уравнение имеет решение при следующ их параметрах:
tg к2^2 -
20,
к.Х2 = (2 « + 1) ^ ,
и = о, I, 2 ,...,
к2 =
Тогда справедливо важное соотношение:
Рг<Ь = >Яр Л ) ( Р } Ч Слой с указанными параметрами будет с точки зрения звукоизоля­
ции "прозрачным” (аналогия - просветленная оптика). Таким образом,
условие наилучшего звукопоглощения является условием иаихудшей
звукоизоляции.
Если задняя граница слоя акустически мягкая, то получим при
2 Г3 = О импеданс слоя,
^§^2^2 = - / f t ? ат/2
Zsx =
K'iS'y
#* *
где m 2 = P 2 S2 “ поверхностная масса слоя.
При малой толщ ине слоя имеем:
t g k 2S2 « * 2-52 ^
Z s x = -I CO m2.
Слой действует как масса (см. выше "закон массы"),
Если задняя граница слоя акустически жесткая, то получим вход­
ной импеданс слоя в виде
Z 3 = 00,
Z s x = i РгС-г ctg * 2 ^ = — ;ir * г - ': <^‘S h h ,
т
где X -
(У
^
- коэффициент упругости слоя,
Si
Sn
Е 2 - динамический модуль упругости слоя,
132
Часть 3. Акустика помещений
При малой толщине слоя входной импеданс слоя определяется при
*2-52 Ctg knj2 « I ,
Z sx = —
Ш S-i
Слой в этом случае действует как упругий элемент (см. выше "за­
кон упругости").
В случае падения плоской звуковой волны из воздуха с
слой,
I; имеющий входной импеданс
используя вышеуказанное выраже­
ние для коэффициента отражения, получаем обобщенный коэффици­
ент отражения
€ =
^вх
^ЁХ + Z„
2
Обобщенный коэффициент звукопоглощения префады определится
по формуле:
• '
а = 1 -£ : = ! “
^вх
= 1
Z bx + z „
где Ж д у =
‘ВХ
- относительный входной импеданс.
Z.
Z„ =
- импеданс воздуха.
Обобщенный характер згой формулы состоит в том, что по ней можно
рассчитывать коэффициент звукопоглощения любой преграды ( мно­
гослойной, прерывистой и т.д.), если известен её входной импеданс.
Практически входной импеданс реальных звукопоглощающих конст­
рукций легче всего определить путем измерений.
133
И.И. Боголопоо. Архитектурная акустика
ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ,
КОМПЛЕКСНОГО ИМПЕДАНСА И ПОСТОЯННОЙ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА
Измерения звукопоглощения производятся в интерферометре и в
реверберационной камере.
В вкустичесиом интерферомет ре измеряют три важнейшие ха­
рактеристики звукопоглощающ его материала; постоянную распрост­
ранения (комплексная величина)., импеданс (комплексная величина),
коэф ф ициент звукопоглощ ения (вещественная величина).
Измерительный прибор - акустический интерферометр - пред­
ставляет собой цилиндрическую или квадратную полую трубу с жест­
кими стенками, один конец которой закрыт массивной звукоизолирую­
щей преградой практически с абсолютно жесткой границей, а на про­
тивоположном конце размещен источник излучения плоских звуковых
волн. Испытываемый образец звукопоглощающего материала уста­
навливается вблизи звукоизолирующей преграды. Внутри трубы ин­
терф ерометра помещен перемещ ающ ийся вдоль трубы зонд с изме­
рительным микрофоном. При проведении измерений в интерферо­
метре возбухщ аются плоские волны, бегущие вдоль трубы от источ­
ника излучения к образцу, которые благодаря интерференции (отсю­
да название прибора) образуют вместе с отраженными от образца
волнами звуковое поле стоячих волн. Измерив максимальное и мини­
мальное значения звукового давления в стоячей волне и расстояние
их до образца на интерферометре (см. рис. 31), определяют искомые
три характеристики следующим образом.
ПоскРльку звукоизолирующая преграда является практически аб­
солютно жесткой границей для звуковых волн в воздухе, то первый
максимум звукового давления будет на границе преграды, а первый
минимум - на расстоянии четверти длины волны в воздухе от неё.
Если вблизи звукоизолирующей преграды установлен слой звукопог­
лощ аю щ его материала, то первый минимум звукового давления бу­
дет уже на расстоянии, несколько отличном от четверти длины волны.
По данным измерения трех величин
win, Р тлх (при
Л '
шах) л Р win (при
X
wiii)
подсчитывают сдвиг фазы коэффициента отражения от данного зву­
копоглощающ его материала
134
Часть 3. Акустика помещений
1 К X nuji
-1
4J
и коэффициент стоячей волны для данного звукопоглощ аю щ его
материала
^ Rmiix
'mm
Зная эти величины, определяют экспериментальноо значение важ­
нейшей акустической характеристики — входного импеданса слоя зву­
копоглощающего материала
/
2/7
^вх ^вх - ^ в х +
(а7* + l ) - (/7“ ” T)cOS 26
(/7^- l)siliy
^ВХ “
(/7^ +
“ l)cos2<5‘
рис.31. Схема измерения методом акустического интерферометра
1 - громкогоооритель, 2 - гоноротор синусоидального сигнала. 3 - сопро­
вождающий фильтр, А - измерительный усилитель, 5 - линейка отсчёта
величины, 6 - испытываемый образец, 7 - измерительный микрофон,
8 - заукоизолирующая преграда.
135
И.И, Боголопов. Архитектурная акустика
Экспериментальные значения входного импеданса слоя или слоев
звкопоглощающего материала важны не только сами по себе, но в
данном случае главным образом для экспериментального определе­
ния комплексных импеданса и пост оянной распространения, ко­
торые являются параметрами материала и полностью харак­
теризуют его акуст ические свойства.
Обозначим Z -
I- /Z / - импеданс материала, у - f j ■¥ ik ^
постоянная распространения материала.
Входной импеданс слоя звукопоглощающего материала, характе­
ризуемого искомыми величинами постоянной распространения и им­
педанса при заданной толщине материала ,?и заданном импедансе на
задней границе Z j , имеет вид:
_
ВХ
у
Z 2chys
I-
Zshys
Z ^ s h y s 'b Z c h y s '
В интерферометре звукоизолирующая преграда - практически аб­
солютно жесткая стенка с
Z
2
= зс
и входной импеданс слоя, расположенный вплотную к такой преграде, равен
'BXU) - Z c t h y s .
Если слой звукопоглощающего материала установлон на расстоя­
нии четверти длины волны от жесткой преграды, то
Z
J - Z ih y s.
BX(sA
4
Решая эти два уравнения с двумя искомыми неизвестными, получаем
’ bX( s+^)
4
BX{s)
4
в акустическом интерферометре можно измерить также коэффи­
циент звукопоглощения образца материала или конструкции при нор­
мальном падении звуковых волн, используя коэффициент стоячей
волны /;, по формуле
а = ---------- ------ .
2п 4 - /7 Н" 1
2
136
Часть 3. Акустика помещений
Верхняя и нижняя границы частот измерения определяются дли­
ной и диаметром интерферометра.
В реверберационной камере измеряется коэффициент звукопог­
лощения в условиях диффузного звукового поля. Акустической харак­
теристикой потерь звуковой энергии в камере является время ревер­
берации т; с. по известной формуле
0,16 К
Используя эту формулу, коэффициент звукопоглощения в диффуз­
ном звуковом поле определяется в реверберационной камере следу­
ющим образом:
V
1
c ,S
Т
а = «1 - «2 = 55,3
I
Т.II у
где V - объём камеры, м^.
скорость звука в воздухе камеры при
температуре и влажности в данных условиях, м/с, S - площадь
образца, м2, Г - время реверберации в камере с образцом материа­
ла, с. T f,- время реверберации, измеренное при тех же условиях в
пустой камере, с.
Для сохранения диффузности при внесении звукопоглощающего об­
разца в реверберационную камеру в ней развешивают рассеивающие
элементы в виде произвольно ориентированных, слегка изогнутых лис­
тов из жеского материала, размеры которых соизмеримы с длиной вол­
ны. Частотную зависимость коэффициента звукопоглощения рекомен­
дуется измерять с третьокгавными полосами белого шума, относя из­
меренные значения к среднегеометрическим значениям полосы.
Результаты измерения в акустическом интерферометре использу­
ются, в основном, в научных исследованиях, результаты измерения в
реверберационной камере - главным образом в практике архитектур­
ной акустики.
Литература
Справочник по судовой акустике/ Под общей редакцией И.И. Клю­
кина и И.И.Боголепова. - Л.: Судостроение, 1978.
Методические указания по расчету и проектированию акустичес­
ких камер д л я измерения шумовых характеристик машин/ Состави­
тели: Ф.С.Кудрявцев, Л.Ф.Лагунов: ВЦНИИ охраны труда ВЦСПС.
-М.: 1978._____________________________________________________
137
И.И. Боголопор, Архитектурная акустика
Типовая конструкция реверберационной каморы показана на
рис.32.
Рйс.32. Конструкция реверберационной камеры
1 - олоктротельфор, 2 - вантияяционное устройство, 3 - виброиэолироеанный фундамент, 4 - испытываомая машина или испытываемый авукопогло*
титель, 5 - стойка для кропления микрофона, 6 - внешний привод,
7 - входная дверь.
138
Часть 3. Акустика помощоний
ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ
СТАНДАРТНОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ
Стандартное время реверберации - это время, в течение которого
уровень звука в помещении уменьшится на 60 дБ после выключения
источника звука. Звук, излучаемый источником, должен быть по воз­
можности коротким по времени (чем короче, тем больше мод колеба­
ний помещения будет возбуждено им) и больше уровня звуковых по­
мех не менее чем на 60 дБ. В качестве источника звука часто приме­
няют стартовый пистолет. Передающий тракт может состоять из гене­
ратора белого шума, третьоктавных фильтров, усилителя и громкого­
ворителя. Приемный тракт - из микрофона, усилителя, третьоктавного фильтра, самописца или осциллографа. Регистрирующие приборы
должны иметь логарифмическое устройство, позволяющее записывать
экспоненциальный спад энергии в виде наклонной прямой. При запи­
си на самописце скорость движения бумаги должна быть подобрана
таким образом, чтобы наклон записи спада составил около 4 5 ° - это
обеспечит наименьшую погрешность. Скорость записи пера регистри­
рующего прибора должна быть не менее 300 дБ/с. Зная скорость дви­
жения бумаги и цену деления на ленте самописца в децибелах, опре­
деляют измеренное значение стандартного времени реверберации. Со­
временные реверберометры включают в себя блок излучения, кото­
рый заканчивается громкоговорителем, и блок приема, который начи­
нается измерительным микрофоном.
139
. J
_________________ И.И, Боголопов. Архитектурная акустика_________________
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ
м.- . ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ
Измерение уровня звукового давления начинается с преобразова­
ния звуковых колебаний в электрические колебания. Такой преобразо­
ватель получил название микрофона. Известно несколько типов мик­
рофонов, основанны х на разных принципах. Для акустических изме­
рений чаще д ругих используется конденсаторный микрофон, Конден­
саторный микроф он состоит из очень тонкой металлической пластины
(мембраны микроф она), установленной рядом с другой жесткой плас­
тиной, между которыми подается напряжение поляризации. Пульси­
рующее звуковое давление изменяет расстояние между пластинами,
вызывая изменение ёмкости конденсаторного устройства. В результа­
те генерируется переменное олектрическое напряжение, пропорцио­
нальное в больш ом диапазоне частот пульсации давления звука на
мембране. Далее сигнал идет на усилитель напряжения электричес­
кого тока, потом на электрические фильтры и квадратичный детектор
и, наконец, на преобразователь электрической энергии в механичес­
кое движение типа вольтметра, Индикаторный прибор отградуирован
в децибелах и может представлять результаты измерения уровней
звукового давления в виде цифр илитраф ика, Если фильтры исполь­
зуются только третьоктавные и октавные, то такой прибор называется
ш умомером. Если набор фильтров более широк, в том числе имеются
узкополосные фильтры, то такой прибор называется спектрометром, Шумомеры и спектрометры могут измерять уровни как стационарного, так
и непостоянного во времени звукового давления. Вопросы методики
измерения времени реверберации и уровней звукового давления изло­
жены в специальной литературе.
Литература:
Осипов ПЛ., Лопаш евД.З., Федосеева Е.Н. Акустические изме­
рения в строительство. - М.: Стройиздат, 1978.
Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судо­
строении. - Изд. 3-G, доп. и перераб. - Л.: Судостроение, 1982.
140
1
Часть 3. Акустика помощоний
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Звукопоглощающий материал полностью характеризуется, двумя
величинами: комплексным импедансом и постоянной распростране­
ния звука в этом материале (см. основы технической акустики) ~ и
должен в идеале обладать импедансом, близким к импедансу возду­
ха, и большим коэффициентом потерь звуковой энергии (см. закон
внутренних потерь).
По своей структуре лучшие звукопоглотители бывают в основном
двух видов: рыхловолокнистые и пористые. В табл. 11 12 представ­
лены эти величины для материалов марки БЗМ и ППУ-ЗТ. Рыхлово­
локнистый материал из супертонких микрокристаллических штапель­
ных волокон марки БЗМ (базальтовый звукотеплоизоляционный ма­
териал) изготавливается в виде матов из базальтовой ваты с волокна­
ми толщиной 1 - 3 мкм. Полипеноуретановый эластичный теплозвукоизоляционный материал марки ППУ-ЭТ представляет собой газо­
наполненную пластмассу пористой структуры в виде пластин. Все от­
личные звукопоглощающие материалы, к которым относятся указан­
ные выше, в первую очередь создавались как хорошие теплоизоляторы, а так как хорош о поглощали звук, то были названы специалис­
тами по теплоизоляции по аналогии "звукоизоляционными” (у них нет
термина "теплопоглощ енис"), хотя правильно их называть, конечно,
звукопоглощающими материалами.
Таблица 11. Акустические характеристики звукопоглотителя марки БЗМ
Средмйгоо метрическая
частота октапных полос, Гц
250
500
1000
2000
4000
8000
Постоянная
распросграмвния, 1/м
8.0 + / 18,0
11.0+ /22.0
25,0+ /33.0
34.0+ /54,0
37.0+ /78.0
38.0+ /100.0
Бсараэморный
импеданс
3 ,7 2 -/1 .0 0
3 .6 3 -/1 .2 0
3 .1 2 -/1 .5 5
2 .2 7 -/1 .2 5
1 .9 4 -/0 .8 6
1 .7 2 -/0 .6 5
Таблица 12. Акустические характеристики эвукологлотитсля марки ППУ*ЭТ
Сроднегоомстртеская
частота октаоных полос, Гц
250
500
1000
2000
4000
8000
Постоянная
рвспростронсння, 1 /н
12,0+ /15.0
19.0+ /29,0
30.0 + / 52.0
37.0+ /86.0
42.0+ /103.0
50.0+ /113.0
Беаралморный
тпсд а нс
4,60 - / 0.90
4 .3 0 -/0 .6 0
3.70 - / 0,30
3.00 - / 0.20
2,60 - / 0,20
2.40 - / 0.20
141
Таблица 13. Коэффициент звукопоглощения материалов и конструкций
М
Катернал н конструкция
1
Минераловатные
а5сус7ичесх1!е плшы марки ПА
на шкгетичесхом связующем
с несхвозной перфорацией
Акус7нческ»!е пшсшые плиты
марки АГП с заполнением
из минеральной ваты в фольге
с несхвозной перфорацией
Звукопоглощающие пл»ггы
Хилакпор'' из ячеистых бетонов
Маты из сулертонхого базальтового
волокна в оболочке ю стеклоткани
Слушатели в качестве
звукопоглоштелей
Стена н потолок оилукатуренные
Бетонная гюверхностъ с железнениен
Пол ю л1шолеуиа на твердой основе
Паркет на шпонках
Деревянный пол на балках
Кераничеосая плитка
Окно (закрытое)
Дверь № дерева
Проен сцены
Мранор. гратгг и друпче шлифы
И -
Толщина
Вскхдушнын слой Реверберацнонный коэф-т в октавных полосах с ^
материала, за натериалон, среднегеоиетрическнкк значенкяни частоты, Гц
ни
ни
63
125 250 500 1000 2000 4000 ВООО
2
3
4
5
6
7
8
9 1 10
И
2020
0
50
1 0,01 0,03 0Д7 0,68 0,92 0,86 0,45
1 0,02 0,05 0,42 0,92 0,9 0,8! 0,43
1
0,3
0,3
СП
о
—
а
1
i
О
го
50
0,9 0,67 0,4
0,03 0,09 0,49 ! 0,9 0,83 0,92 0,91
3
0,3; =
о
ОД
>
350
0
0,25
0,9
50
на
единицу
0
0 ,1
20
20
0
0,02 0,07 0,27 ! 0,52
0,2
0,01
0,01
0,01
0,1
0,07
0,01
0,02
0,05
0,1
0,01
0,1 0,62 0,63
0,2
0,8 0,92 0,91
0,9 0,98 0,98 0,96 0,95 0,99
0,33 0,41 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48
0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,04 0,(М
0,01 0,01 0,01
0,02 0,02 0,03
0,18 0,15 0 ,12
0,15 0 ,12 0,10
0,01 0,01 0,02
0,3 0,2 0,15
0 , 1 | 0 ,1 1 0,03
0 ,2 ] 0,3! 0,3
0,01 o.oli 0.01
0,01 0,02 0,02 0,02
0,03 0,04 0,04 0,041
ОД 0,09 0,08 0,07]
ОД 0,09 0,03 0,071
0,02 0,02 0,03 0,03f
ОД 0,09 0,06 0,04:
0,09 0,03 0 ,1 0 ,11
0,3 0,3 0,3 0,2
0,01 0,01 0,02 0,02
хз
X
S
ч
о
■
Xо
о
33
Часть 3. Акустика поглощений
Надо сказать, что все строительные материалы обладают опреде­
ленными звукопоглощающими свойствами, увеличивающимися с по­
вышением частоты. К хорошим звукопоглощающим материалам обыч­
но относят те, которые имеют на низких частотах в районе октавной
полосы 250 Гц коэффициент звукопоглощения больше 0,2, а в районе
2D00 Гц - больше 0,5. 6 архитектурной акустике широко применяются
также материалы, обладающие очень малым коэффициентом звуко­
поглощения, например, для создания диффузного звукового поля в
помещении для живой речи или музыки и, конечно, в реверберацион­
ной измерительной камере.
В таблице 13 даны средние значения коэффициента звукопогло­
щения, полученные по данным измерений многих исследователей.
143
И.И. Б о г о л о п о р . Архитоктурная акустика
ШЕСТЬ ПРАВИЛ ПОЛУЧЕНИЯ ХОРОШЕЙ СЛЫШИМОСТИ
РЕЧИ И КАЧЕСТВЕННОГО ЗВУЧАНИЯ МУЗЫКИ
В ПОМЕЩЕНИИ
Первое правило - хорошая звукоизоляция помещения
Первое правило состоит в обеспечении отсутствия шума и шумовых
помех в общественном, служебном и жилом помещениях для людей,
находящихся в них. Это очень важное экологическое требование к таким
помещениям (называемым в общественных зданиях залами), поэтому
ему посвящена вся предыдущая часть данной книги - "Звукоизоляция
жилых, служебных и общественных помещений". Из неё следует, что
при разработке методов изоляций'от внешних шумов учитываюттри ос­
новных способа проникновения шума внутрь помещения;
1 ) прохождение звука через вентиляционные каналы, звуковые мос­
тики и акустические отверстия,
2 ) проникновение звука через окна, двери и переборки внутри здания,
3) распространение звука по конструкциям здания, трубам централь­
ного отопления и т.д.
Отсутствие шума во всех случаях обеспечивается, в основном, зву­
коизоляцией и звукопоглощением. Важное значение имеют два факто­
ра: внешнее расположение здания и его внутренняя планировка. Зда­
ние с точки зрения архитектурной акустики не должно стоять на шумной
магистрали. Если это неизбежно, то его следует располагать от красной
линии как можно дальше. Внутреннюю планировку здания следует де­
лать такой, чтобы между залом и шумными улицами, по возможности,
размещались тихие вспомогательные помещения (вестибюли, кабине­
ты администрации, бытовые помещения и т.д.), в необходимых случаях
со звукоизолирующими окнами. Помещения с шумным оборудованием
(вентиляторные камеры, насосные отделения, лифты и др.) следует ос­
нащать звукоизоляцией, звукопоглощением, виброизоляцией и вибропоглощением. Шумным помещениям нельзя примыкать непосредствен­
но к залу. Для повышения звукоизоляции межцу залом и шумным фойе
и другими залами следует устанавливать промежуточные тамбуры с дву­
мя плотно закрывающимися звукоизолирующими дверьми. Система вен­
тиляции и кондиционирования воздуха зала непременно должна иметь
глушители шума, амортизаторы на полу и виброизолирующие проклад­
ки в трубопроводах. Общий уровень собственного шума людей в лекци­
онном или театральном зале обычно не превышает в среднем 45 дБА.
Уровень мешающих шумов должен быть примерно на 10 дБА ниже. По­
144
Часть 3, Акустика помещений
этому для залов допустимыми можно считать уровни шумовых помех
около 35 дБА. Уровень шума от вентиляции и кондиционирования возду­
ха должен быть на 5 дБА ниже уровня шумовых помех, то есть он не
может превосходить величину ЗОдБА. Требование шумозащиты зда­
ния является необходимым и обязательным, но еще далеко не
достаточным условием для акустического благополучия человека в по­
мещениях. Достаточным условиям посвящены следующие правила.
Второе правило - диффузностъ звука в помещении
Второе правило состоит в обеспечении практически диффузного
звукового поля в помещении. Это означает выполнение требования
равномерной одинаковой громкости для всех необходимых, полезных
и приятных звуков в любом месте зала. Архитекторы всех времен и
народов стремились наилучшим образом выполнить в первую очередь
именно это требование в общественных зданиях: в храмах, в залах
правительственных учреждений, в театрах и т.д. Без выполнения это­
го требования залы общественного здания ущербны, а иногда и вооб­
ще малопригодны для своего прямого назначения. Проблема акту­
альна до сих пор - акустически плохие залы встречаются довольно
часто. Хотя многотысячелетняя практика мировой архитектуры выра­
ботала условия, которые необходимо соблюсти для достижения при­
емлемой диффузности звукового поля в помещении. В первую оче­
редь эта соблюдение относится к определенному соотношению ос­
новных размеров помещения: длины - а, ширины - Ь, высоты - с.
Определенное соотношение сточки зрения акустики должно"соответ­
ствовать правилу “золотого сечения".
i
*
■♦ »
Золотое сечение по определению - деление отрезка, при котором
большая его часть является средней пропорциональной межцу всем
отрезком и меньшей его частью. В наших обозначениях имеем следу­
ющие зависимости, которые дают нам требуемое соотношение:
«
*
Ь
а -
.,2 ,
+ аЬ - „2
О,
2
—
4
+
-
£
2
(./5
- О
^ 0,62г7,
с
= а - Ь.
Если а = 100%, то 6 = 62% и с = 38%. Это соотношение и есть
' “золотое сечение".
145
И.И. Боголопов. А рхито 1П7 рная акустика
Правило “золотого ссчония" можно сформулировать так: высота,
ширина й длина помещения должны быть примерно в отношении 1 :2 :3 .
• В дошедшей до нас античной литературе “золотое сечение" впер­
вые встречается в "Началах" Эвклида. Однако задача "золотого сече­
ния" была решена, вероятно, еще пифагорейцами, которым приписы­
ваются геометрические построения, равносильные указанному выше
решению квадратичного уравнения. В средние века усилился интерес
к "золотому сечению" среди ученых и художников в связи с его приме­
нением как в математике (непрерывная дробь с числами ряда Фибо­
наччи), так и в искусстве, особенно в архитектуре. Термин "золотое
сечение" ввёл в архитектуру Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.).
Лучшие образцы многовековой архитектурной практики подтверж­
дают, что помещения с размерами, соответствующими/'золотому се­
чению", наилучшим образом обеспечивают диффузность звукового,
поля в нем. Но одного этого мало. Кроме выполнения требования “зо­
лотого сечения" для обеспечения диффузности надо,также, чтобы от­
ражающие поверхности имели малое звукопоглощение и хорошо рас­
сеивали звук (имели выпуклости и непараллельности). Подчеркнем,
что диф ф узность звукового поля - непременное важнейшее условие
обеспечения хорош ей акустики о помещении, а именно равномерной
громкости восприятия необходимых, полезных и приятных звуков для
всех лю дей, находящ ихся в л ю б о м месте помещения. Но для отлич­
ной восприимчивости разборчивости речи и качества звучания музыки
нужна не только громкость, но еще и выполнение других важных усло­
вий и требований к качеству обеспечения хорошей акустики помеще­
ния - они содержатся в следующих третьем, четвертом, пятом и шес­
том правилах.
Третье правило — отсутствие вредного эха в помещении
Четкость р ечи и качест во звучания музы ки в помещении
обеспечивает ся в первую очередь отсутствием в нем вредного зха. Каждый испытал (или легко может испытать) это интересное
акустическое явление в лесу и в горах, когда звук голоса возвращает­
ся назад через некоторый интервал времени. Иногда используют эхо,
чтобы не заблудиться. Но для речи в помещении чрезмерное эхо —
явное зло. Оно настолько может нарушить разборчивость речи и звуки
музыки, что сделает их непонятными и неприятными, лишенными смыс­
ла и красоты. По этой причине, например, в залах ожидания с плохой
акустикой передача объявлений о самолетах, поездах или автобусах
146
Часть 3. Акустика помещений
, бывает иногда почти бесполезной. То же самое наблюдается в некото­
рых лекционных, концертных, спортивных и других залах, когда раз­
борчивость речи хороша только вблизи оратора, а вдали от.него со­
вершенно непонятно, о чем он говорит. Известные музыканты иногда
отказываются играть в залах с плохой акустикой (талантливый пиа­
нист Ван Клиберн, например, отказался по отой причине музициро­
вать в Кремлевском Дворце съездов). Надо сказать, что залов с хоро­
шей акустикой не так уж и много, поэтому очень часто приходится за­
думываться над улучшением акустики уже построенных, прекрасных
по другим параметрам залов (например, надо исправлять плохую аку­
стику большого зала Юсуповского дворца, большого зала Мариинско­
го дворца, главной столовой Павловского дворца с его порхающим
3X0 или большого зала ожидания аэропорта "Пулково" и Московского
вокзала в Санкт-Петербурге и т.д.).
Путь прямого и отраженного звука от источника к приемнику.в'Поме­
щении представляет собой треугольник, где г. и г, - пути отраженного
звука, а rj - путь прямого звука. При построении пути первого отражения
звука следует воспользоваться указанным выше законом Снеллиуса.
Правило обеспечения отсутствия вредного для речи эха в помеще­
нии состоит в следующем: разница между приходом прямого зву­
ка и первого геометрического от ражения от источника к п ри­
емнику должна быть меньше О,OS секунды (50 миллисекунд).
Следовательно, для отсутствия вредного эха размеры помещения
должны быть таковы, чтобы суммарный путь падающего на огра>»едающую поверхность и отраженный путь звука от источника до приемни­
ка минус прямой путь звука от источника до приемника был меньше
примерно 17 метров. Это требование обычно проверяется геометри­
ческим построением, после чего вносятся необходимые коррективы в
размеры помещения при его проектировании или реконструкции.
Аг = (г^ + л ) - /'з ^ / с = 0,05 • 340
17 ц,
ще с - скорость звука в воздухе, ( = 0,05 с - граница полезности
отражений.
Обеспечение отсутствия в помещении вредного эха - суть
третьего правила.
147
И.И. Боголопор, Архитоктурная акустика
Ч етвертое п р а в и л о — о п ти м а л ь н о е врем я
ста н д а р тн о й ре вер бе ра ц ии
Отличное качество звучания речи и, особенно, музыки на сред­
них и вы соких частотах обеспечивается оптимальной величи­
ной времени ст андарт ной реверберации (или просто "временем
реверберации"), которая определяется по уже указанной формуле:
Г =
где
и
0,16 К
Sj - коэффициенты звукопоглощения и площади отра­
жаю щ их поверхностей помещения.
Таким образом, подбирая материалы с требуемым коэффициен­
том звукопоглощения, можно добиться оптимального времени ревер­
берации, необходимого д л я качественного звучания. В этом состоит
суть четвертого правила.
Задача получения оптимального времени реверберации в данном
помещении решается методом последовательных приближений для
трех октавных частот: в низкой области - для 125 Гц, в средней - для
1000 Гц и в высокой - д л я 4000 Гц,
П ятое п р а в и л о - д о с та то ч н о е чи сл о р е зо н а н со в помещ ения
на н и зки х частотах
На н и зки х част от ах (например, для окт авной полосы 12$ Гц)
от личное качест во звучания речи и, особенно, музы ки обеспе­
чивается тем, что в минимальны й частотный интервал че­
ловеческого восприят ия должно укладыват ься не менее двух­
т рех резонансны х част от помещения.
Минимальный частотный интервал человеческого восприятия оп­
ределяется частотным интервалом между нотами хроматической гам­
мы. Таким образом, частотный диапазон каждой ноты равен этому
интервалу. Дальнейш ее дробление для человеческого слуха уже не­
возможно. Для полноценного восприятия ноты и тем более фонемы
речи, звучащ их в помещ ении, необходимо, чтобы в частотном диапа­
зоне ноты было не меньше двух-трех резонансных частот помещения.
На средних и высоких частотах в этот диапазон укладывается множе­
ство резонансных частот обычного помещения, а вот на низких и са­
мых низких частотах человеческого восприятия их бывает совершен­
но недостаточно.
148
Часть 3. Акустика помещений
Частотный интервал между нотами хроматической гаммы
то есть в интервале A f укладьшается 6 %-ная полоса частот.
Итак, пятое правило состоит в том, что размеры помещения (а, Ь, с)
должны обеспечивать присутствие на самой низкой частоте рассматри­
ваемого диапазона о шестипроцентной частотной полосе её среднегео­
метрического значения не менее двух-трех резонансных частот
дан­
ного помещения.
Шестое правило - сильный прямой звук в помещении
Прямой з в у к - главный фактор в акустике помещения, исход­
ный для получения хорош ей слышимости речи и музыки. Он оп­
ределяется громкостью и качеством звучания голоса или музьгкального
инструмента. Интенсивность прямого звука убывает с расстоянием. На
его качество влияет отраженный звук, особенно вдали от источника. Для
уменьшения расстояния от источника звука до слушателя зрительские
места ра СПслагают вертикаль но (ярусы и балконы театров), ступенчато
с подъемом вверх к задней стенке зала (лекционные аудиторий'универ­
ситетов, партер современных театров, амфйтватры цирков) или в соче­
тании того и другого (например, Кремлевский Дворец съездов). Гром­
кость голоса обеспечивается природными данными, талантом артиста
и специальной тренировкой органов речи. У драматических артистов
голос гораздо мощнее, чем у обыкновенных людей, у оперных артистов
0ще больше, чем у драматических артистов. Мощность живого звуча­
ния усиливается тем, что одновременно звучат несколько голосов хор или несколько инструментов - оркестр. Если мощности естествен­
ных источников прямого звука речи и музыки для озвучания помещений
не хватает, то применяют средства электроакустики.
Электроакустика - особая часть акустики. Она занимается прибора­
ми, преобразующими звуковые волны в электрические колебания (мик­
рофоны) и обратно (громкоговорители). Коэффициент полезного дей­
ствия таких преобразователей очень мал. Поэтому электрический эф­
фект, получающийся на выходе микрофона, невозможно использовать
без предварительного усиления. Для получения достаточно фомкого
звука при подведении электрических колебаний к громкоговорителю
также требуется значительно усиленная мощность этих колебаний.
В цепи "микрофон - усилитель - громкоговоритель" происходит потеря
информации. В связи с этим в последние десятилетия начала иитен149
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
сивно развиваться звуковоспроизводящая и звукозаписывающая аппа­
ратура, получившая названия High-Fideliti (Hi-Fi), что переводится как
“высокая верность воспроизведения". Но никакая аппаратура не может
сравниться, конечно, с естественным, живым звучанием музыкальных
и речевых программ, хотя усилия предпринимаются в отом направле­
нии огромные и финансовые затраты тоже. Так, например, стоимость
кинескопа и акустической системы современного телевизора примерно
равны и составляют главную часть его стоимости. Элекроакустике по­
священа обширная литература, укажем на следующие книги.
Литература
Иофе В.К., Корольков В,Г, Сапожков М.А, Справочник по акусти­
ке /
П од
общ ей
редакцией
М .А .С а п о ж к о в а .
М.:
Связь, 1979.
Вахитов Я.Ш. Теоретические основы электроакустики и элект­
роакустическая аппаратура/Допущ ено Управлением кадров и учеб­
ных заведений Госкино СССР в качестве учебного пособия для Ле­
нинградского института киноинженеров. - М.; Искусство, 1982.
А лд ош и н а И.А. Э л е к т р о д и н а м и ч е к и е гр о м ко го в о р и т е л и .
- М.: Радио и связь. 1989.
Римский-Корсаков А.В. Электроакустика. - М.: Связь, 1973.
150
Часть 3. Акустика помещений
АКУСТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБЩЕСТВЕННЫМ,
, СЛУЖЕБНЫМ И ЖИЛЫМ ПОМЕЩЕНИЯМ
Все общественные помещения сточки зрения архитектурной акус­
тики следует разделять на пять типов: помещения для речи, помеще­
ния для музыки, помещения с совмещением речевых и музыкальных
программ, служебные помещения и жилые помещения.
Общественные помещения для речи
Основным показателем акустического качества таких помещений
является разборчивость речи. Требование высокой разборчивости речи
и хорошей слышимости на практике означает необходимость в про­
цессе акустического проектирования помещения добиться: 1 ) неболь­
шого времени реверберации, 2) интенсивного прямого звука, 3) интен­
сивного диффузного звукового поля.
Рекомендуемое время реверберации для речевых программ: на
средних частотах (для октавной полосы 1 0ОО Гц) должно быть равно
0,80 с для помещений с объемом 500
и до 1,19 с для помещений с
объемом 10 ООО м® (промежуточные зн а ч е н и я -л и н е й н а я аппроксима­
ция по отношению к логарифму объема).
Интенсивный прямой звук обычно обеспечивается тем, что сцена
имеет высоту не менее 1 м, в плане помещению придают веерообраз­
ную форму, устраивают балконы и сокращают длину зала. Всё эпго
сокращает расстояние мехщу слушателями и исполнителями и тем
самым усиливает интенсивность прямого звука. В данном случае
Дг = (Г| + Гд) - Гз ^ / с = 0,02 • 340 ^ 6,8 м,
где с - скорость звука в воздухе, t = 0,02 с (20 миллисекунд) желательное запаздывание первого отражения.
Для усиления звука для мест, отдаленных более чем на 7 -8 м, важ­
но наличие диффузного звукового поля. Если граница полезности от­
ражений характеризуется величиной запаздывания первого отражения
0,05 с, то указанное требование предполагает, что на любое слуша­
тельское место, удаленное более чем на 8 м, должно приходить не
менее двух интенсивных отражений. Диф ф узность поля действует
здесь как естественный усилитель звука.
Лекционные залы. Вместимость лекционного зала не должна пре­
вышать 400 мест, а его длина - 21 м. Тогда согласно “золотому сече151
И.И. Боголопов. Архитектур!<ая акустика
иию" ширина зала равна 14 м , а высота - 7 м. Оптимальный объем на
одно место равен 5
Объем зала на 400 мест равен примерно 2000
При вместимости зала, рассчитанной более чем на 400 слушателей,
становится желательным или необходимым усиление речи лектора с
помощью электроакустических устройств. Хорошая естественная аку­
стика почти всегда бывает в небольших з а л а х -д о 200 мест. Традици­
онным в таких помещ ениях является плоский потолок и прямоуголь­
ная форма плана. В более крупных лекционных залах устройство плос­
кого горизонтального потолка уже нецелесообразно. Распределение
звука, отраженного передней частью потолка, можно улучшить в этом
случае устройством скоса или специального звукоотражателя, подве­
шиваемого под потолком.
Залы драматических театров. Актеры обладают по сравнению с лек­
торами более сильными и хорошо поставленными голосами. К тому
же во время спектакля уровень фонового шума в зале театра гораздо
ниже, чёмЪ лекционном помещении, так как драматическое лроизведение эахеатывает внимание слушателей и они сидят тише. Поэтому
объем залов драм атических театров обычно делают гораздо больше
объема лекционных залов. Ну а чем больше зрителей, тем лучше те­
атру. Ограничение здесь ставит только акустика. Вместимость зала
драматического театра не должна превышать 1200 слушателей, а наи­
большее расстояние от сцены до последнего ряда - 30 м. Но это предельное расстояние, надо стремиться его уменьшить. Этому очень
помогают балконы, располагаемые ярусами. Актер, находящийся на
сцене, должен быть в тесном контакте - зрительном и слуховом - с
аудиторией. Ярусная система не только приближает зрителя к сцене,
но и обеспечивает хорош ее рассеивание звука на зрительских местах.
Оптимальный объем на одно место здесь также равен 5 м^. Следова­
тельно, максимальный объем зала драматического театра равен при­
мерно 6000 м^.
На рис.33 показана схема первых отражений зрительного зала дра­
матического театра высотой 12 м. На схеме показан путь отраженных
лучей, когда актер находится на авансцене и в глубине её. На концах
стрелок показано время запаздывания в миллисекундах. Здесь отра­
жения, приходящие сверху, пра 1ггически равномерно распределяются
на всех зрительских местах в пределах оптимальных значений 20 мил­
лисекунд.
152
Часть З Акустика помещений
На рис.34 показан разрез зрительного зала Александрийского театра
в Санкт-Петербурге, зала с отличной акустикой.
Рис.34. Разрез зрительного зала Алоксандринского театра
,
И.И. Боголепов. Архитектурная акустика
На рис.35 представлен разрез типового зрительного зала современно­
го театра. Из рисунка видно, что театр был и остается сложным архитек­
турным сооружением, особенно в части обеспечения хорошей акустики.
И всё же обеспочить сегодня хорошую акустику залов общественных
помещений для речи - задача, которую сравнительно просто решают
квалифицированные специалисты-акустики, чего нельзя сказать о поме­
щениях для музыки.
Общественные помещения для музыки
Основным показателем качества помещений для исполнения музы­
кальных произведений является пространственная красота звучания. На
практике это означает необходимость в процессе проектирования или
реконструкции помещения добиться большого времени реверберации в
сочетании с интенсивным прямым и диффузным звуком.
Рекомендуемое время реверберации залов для органной музыки
на средних частотах (для октавной полосы 1000 Гц) должно быть
равно 1.65 с для помещений с объемом 1000 м-* и до 2.65 с для поме­
щений с объемом 50 ООО м’ (промежуточные значения - линейная апп­
роксимация по отношению к логарифму объема). Объем на одно место
должен составлять 1 0 -1 2 м^.
154
А
Часть 3. А кустика помещений
Рекомендуемое время реверберации залов для симфонической му­
зыки на средних частотах (для оюгавной полосы 1000 Гц) должно быть
равно 1,35 с для помещения с объемом 1000 м^ и до 2,15 с для помеще­
ний с объемом 50 ООО м’ (промежуточные значения - линейная аппрокси­
мация по отношению к логарифму объема). Объем на одно место должен
составлять 8 -1 0 м^. Современный зал для симфонических концертов обыч­
но проектируется на 1500-2000 мест. Последняя цифра считается верх­
ней фаницей вместимости. Длина зала не должна превышать 45 м.
Рекомендуемое время реверберации залов оперны х т еатров и
залов для камерной музыки на средних частотах (для октавной по­
лосы 1000 Гц) должно быть равно 1,05 с для помещений с объемом
500 м^ и до 1,70 с для помещений с объемом 20 ООО м^ (промежуточ­
ные зн а ч е н и я -л и н е й н а я аппроксимация по отношению к логарифму
объема). Объем на одно место должен составлять 6 -7 м®. Верхний
предел вместимости зала для камерной музыки - 400 мест, а длина
зала - не больше 20 м, Максимальная вместимость современного
оперного театра - 1500 мест.
Между временем реверберации, объемом и высотой зала для му­
зыки существует оптимальное соотношение:
у
V т = 1,10 ,
К . их
где Г - время реверберации на частоте октавной полосы 1000 Гц, с,
//nnix “ наибольшая высота зала, м.
Параметры залов для музыки, имею щ их очень хорошую репута­
цию, представлены в таблице 14 (см. стр. 156).
В отличие от концертного зала, в оперном театре помимо хорош е­
го звучания музыки надо обеспечить хорош ую разборчивость пения и
речитативов.
Для залов оперных театров, отличающихся хорошей акустикой, так­
же существует оптимальное соотношение между объемом, временем
реверберации и максимальной высотой:
= 1,25,
155
и
. Боголепов. Архитеетурная акустика
Таблица 14. Залы для музыки
Год
Мдзолниозлпп
Пост­
ройки
Колонный зал Дома Союзов в Москае
Зал музыкального общества а Вено
Городское казино в Бозоло
С.Энарью-Холл в Глазго
Концертный зал в Амстордамо
Бостонский симфонический зал
Большой зал Коисороатории о Москво
Концертный зал в Гетеборге
Зал филармонии в Ливерпуле
Колстон-Холл в Бристол о
Лидогалле в Штутгарте
Зал Бетховена в Бонне
Зал филармонии в Западном Берлине
Концертный зал Новый Гевзндхауз
Коли-
Объом
чоогоо нд одно
место,
мест
1814
1870
1876
1877
1887
1900
1901
1935
1939
1951
1956
1959
1963
1981
Время
рооорборации на
куб.м
1000 Гц. с
7.8
8.9
7.5
7.6
8,5
7.1
10.5
8.7
6.9
6.2
1.72
2,05
1.7
1.9
1600
1680
1400
2133
2206
2631
1800
1370
1955
2180
2000
1407
2200
11,2
11
1900
11
1.8
1,8
1.7
1.5
1.7
1.62
1.7
2.2
Оперные певцы обладаю т более сильными гслосами, чем драма­
тические актеры, поэтому в зале оперного театра допускается удале­
ние слушателей последнего ряда от сцены - до 35 м. Созданию опти­
мального баланса между певцами и оркестром способствует частич­
ное перекрытие оркестровой ямы. Параметры залов лучших оперных
театров представлены в таблице 15.
Таблица 15. Залы оперных театров
.
„-,v .^. ..Нозоанио театра
,,
•■
Театр Ла Скала о Милане
Большой театр в Москве
Оперный театр Коаент-Гарден в Лондоне
Театр Вагнера в Байрейте
Национальная опера а Париже
Оперный театр о Одессе
Театр Колон в Буэнос-Айросо
Опорный театр в Гамбурге
Государственная опера в Воне (реконст.)
Год
Коли-
Объем
Вромя
пост­
МССТВО
шла,
рсоорбо-
ройки
Мйст
куб.м
рации но
1778
1856
1858
1876
1875
1887
1908
1955
1959
2489
2130
2209
1800
2231
1728
2487
1650
1938
9000
1.2
12000
1,35
1000 Гц, с
12240
10300
9960
9000
20870
9100
10660
1.1
1,55
1.1
1.1
1.8
1.4
1.3
156
А
Часть 3. Акустика помощоний
Слушателей музыкальных произведений можно разделить на две ка­
тегории: одни предпочитают большую ясность звучания, другие - впе­
чатление пространственности и фомкосги. Кроме этих субъективных фак­
торов безусловно важны и указанные выше объективные. Всё это дела­
ет проектирование и обеспечение помещений с музыкальнь 1ми програм­
мами хорошей акустикой довольно сложной задачей.
Уместно здесь напомнить историю Большого театра в Москве, акус­
тика которого до пожара 1853 года имела репутацию недостаточно удов­
летворительной. Проект реконструкции, порученный А.Кавосу, архитек­
тору театральных зданий, содержал изменение формы зала, спрямле­
ние боковых стен возле портала сцены. Стены на расстоянии двух паль­
цев от камня были обшиты деревом. Подвесной потолок также был вы­
полнен деревянным в виде почти горизонтальной плоскости. Зал стал
иметь шесть ярусов и вмещать 2100 человек. Все балконы имеют те­
перь небольшую глубину, не превышающую 3 м. При таком устройстве в
подбалконное пространство свободно попадают и прямая звуковая энер­
гия, и все отражения. Максимальное удаление зрительских мест в партере
равно 24 м. С тех пор Большой театр по праву считается одним из луч­
ших в мире по акустическим свойствам.
Обеспечить отличную акустику залов общественных помещений
Аля музыки - не простая задача, она по силам лишь специалистам
самой высокой квалификации.
Помещения с совмещением речевых и музыкальных программ
К помещениям, в которых совмещаются речь и музыка, относятся
в первую очередь залы многоцелевого назначения (универсальные
залы), залы музыкально-драматических театров и крытых спортивных
сооружений, а также кинозалы. Акустические условия, необходимые в
зале для речи и музыки, как уже было отмечено, не только различны,
но и достаточно противоположны. Поэтому в практике строительства
таких залов характерно принятие компромиссных решений.
Универсальные залы, залы музыкально-драматических театров и
спортивные залы. Рекомендуемое время реверберации для таких за­
лов на средних частотах (октавная полоса 1000 Гц) должно быть рав­
но 0,90 с для помещений объемом 500 м’ и 1,35 с для помещений
объемом 10000
. Промежуточные значения - линейная аппрокси­
мация по отношению к логарифму объема. Проектирование и строи­
тельство универсальных залов получило широкое распространение в
мире для помещений средней вместимости до 1200 слушателей, что
157
f
И.И. Боголепов. Архитектурная а)устика
обусловлено в основном экономическими соображениями. Для боль­
ших многоцелевых залов, кроме компромиссного решения, использу­
ются еще два акустических подхода.
Первый из них связан с использованием средств электроакустики.
В таком зале обеспечивается время реверберации, необходимое для
речевых программ (см. вы ш е-"О бщ ественны е помещения для речи").
Увеличение времени реверберации в случае музыкальных программ
осуществляется с помощ ью систем искусственной реверберации. При
таком способе достигаются широкие пределы регулирования времени
реверберации. Электроакустическое решение требует дорогостоящей
аппаратуры, квалифицированного обслуживания и исключает исполь­
зование зала для речи и музыки в условиях естественной акустики. Но
эти решения становятся неизбежными в залах вместимо.стыо более
3000 слушателей, когда обеспечение естественной слышимости начи­
нает вызывать трудности. Характерным примером большого многоце­
левого зала, акустика которого решена с помощью звукотехнических
средств, является зал Кремлевского Дворца съездов, вмещающий 6000
зрителей.
Второй подход к акустическому решению крупных универсальных
залов основан на использовании средств архитектурной акустики. Эти
средства включают в первую очередь переменное звукопоглощение,
а также трансф ормацию звукоотражающих поверхностей зала. Пере­
менное звукопоглощение служит для регулиррван^г^я. времени, деверберации зала. Несмотря на ряд преимуществ, переменное звукопог­
лощение до сих пор не нашло широкого применения. Объясняется это
отчасти необходимостью дополнительных расходов и усложнением
интерьера, но, главное, тем, что пределы регулирования ревербера­
цией при сущ ествую щ их способах изменения звукопоглощения оказа­
лись пока недостаточными.
На рис.36 представлен разрез концертного зала Октябрьский в СанктПетербурге, в котором для обеспечения хорошей акустики зала удачно
сочетаются средства архитектурной акустики и электроакустики.
Залы кинотеатров. Особенностью кинотеатра является отсутствие
естественного источника звука. Зрители воспринимают заранее запи­
санный звуковой сигнал, излучаемый в зале электродинамическими
громкоговорителями с необходимым качеством звука в соответствии с
событиями, происходящ ими на экране (гулкое звучание в большом
помещ ении, глухое - в открытом пространстве и т.д.). Поэтому для
158
Часть 3. Акустика помещений
Рис,36. Разрез концертного зала Октябрьский .
кинозалов приемлемое время реверберации.соответствует рекомен­
дуемому для речи (см. "Общественные пом.ещения.для речи")! ,
Обеспечить хорошую акустику залов общественных помещ ений
с совмещением речевых и музыкальных программ - всегда сложная
задача даже для отличных специалистов.
С лужебные пом ещ ения
Служебные помещения можно разделить на конторские, учебные,
промышленные и специальные (по акустическим требованиям).
‘ В коитооских помещениях {учреждения властных структур, управ­
ления промышленными предприятиями, офисы частных фирм, банки,
суды, посольства и т.д.), в первую очередь, в кабинетах начальства
для исключения подслушивания важных разговоров делаются двой­
ные двери с большим расстоянием между ними и с хорошим уплотне­
нием всех щелей и отверстий. Потолок конторских помещений следует
выполнять из строительных звукопоглощающих плит, уменьшающих
время реверберации и тем самым улучшающих четкость речи, что .вос­
принимается комфортно. Комнаты для конфиденциальных перегово­
ров делаются в виде звукоизолирующих кабин по схеме "комната в
комнате".
В учебных помещениях (детские сады, школы, училища, вузы и т.д.)
необходимо потолки классов, аудиторий и небольших лекционных за­
лов покрывать эффективными звукопоглощающими плитами, как в кон­
торских помещениях и по той же причине. В больших лекционных за159
И.И, Боголепов. Архитектурная акустика
л а х - по вышеуказанным рекомендациям, применительно к обществен­
ным помещ ениям для речи и музыки. При любой учебе необходимый
звуковой фон - тишина. Это настолько важно, что учебные заведения,
как правило, располагаются вдали от шумных магистралей и промыш­
ленных предприятий или под защитой звукоизолирующих домов в квар­
талах тишины.
В промыш ленных помещениях основная проблема акустики - это
борьба с шумом. Снижение шума производится здесь путем примене­
ния звукоизолирую щ их кожухов машин и с помощью установки звуко­
изолирую щ их кабин. Звукоизоляция ограждающих конструкций акус­
тически отделяет шумные цеха от малошумных. Следует уделять так­
же серьезное внимание борьбе с шумом вентиляции путем установки
глушителей. Широко практикуются в промышленных помещ ениях ин­
дивидуальные средства звукоизоляции. Для хорошего восприятия на­
правленности сигнала опасности стены цехов облицовывают звукопоглотителем. Современное промышленное предприятие в городе
должно быть окружено звукоизолирующими домами производствен­
ного назначения.
Специальные по акустическим требованиям помещения - это, ко­
нечно, реверберационные и заглушенные камеры для измерения зву­
коизоляции, звукопоглощения и мощности источников шума, отвечаю­
щие требованиям соответствующих международных стандартов. Да­
лее идут радиостудии и студии звукозаписи. В последнее время по­
явились огромные телевизионные комплексы, из которых транслиру­
ются музыкальные и драматические произведения. - современные
студии. Все они строятся по законам и правилам архитектурной акус­
тики, изложенным выше.
Жилые помещения
Ж илы е помещения можно разделить на лечебные (больницы, са­
натории, дома отдыха), коллективного проживания (гостиницы, обще­
жития, пансионаты) и на индивидуальное жильё (городская квартира,
дача, загородный дом, вилла, дворец).
Самые жесткие акустические требования архитекторы предъявля­
ют к лечебным учреждениям. Дело в том, что тишина издавна считает­
ся фактором лечения. Поэтому здесь борьба за тишину - важнейшая
160
Часть 3. Акустика помещений
задача. К ней врачи в больницах относятся гораздо более строго, чем,
например, учителя в школах, где она тоже держится под контролем.
Лечебные учреждения обычно располагаются в зонах относительной
тишины. По крайней мере, делается всегда всё возможное, чтобы ог­
радить больницы от городского, промышленного и другого шума. В
большинстве случаев это многовековое требование медицины прак­
тически выполняется.
В гостиницах, общежитиях, пансионатах и т.д. проблема проникно­
вения в здание внешнего шума решается в первую очередь путем ус­
тановки звукоизолирующих окон. На международном рынке предлагаегся громадное количество самых разнообразных типов и видов зву­
коизолирующих окон. Большинство из них только так называются, не
являясь таковыми по существу. Поэтому при покупке звукоизолирую­
щих окон надо требовать результаты их испытаний, выполненные по
международному стандарту. Звукоизолирующими можно считать та­
кие окна, которые имеют звукоизоляцию более 40 дБ в диапазоне
третьоктавных полос частот от 1 00 до 4000 Гц.
Если в таких зданиях имеются залы для речи и музыки, то акусти­
ческие требования, предъявляемые к ним, изложены выше.
В современных квартирах и в д р у г о м индивидуальном жилье обя­
зательным становится применение звукоизолирующих окон (см. выше).
Очень важен также акустический комфорт при прослушивании рече­
вых и музыкальных программ от телевизора, музыкального центра,
радиоприемника и т.д., в том числе и стереофонического звучания
HI-FI. С этой целью, в частности, в жилье применение звукопоглощаю­
щих предметов быта (ковров, мягкой мебели, тяжелых портьер во всю
стену) во все времена и у всех народов всегда было весьма популяр­
но, а в последнее время стало к тому же и модно. Интуитивно люди
чувствуют, что это делает квартиру уютней не только визуально, но и
акустически. Без хорошей “звукопоглощающей облицовки" комнаты и
без достаточно большого объема её высококачественного звучания
достичь невозможно, даже от самых дорогих акустических систем.
Большое значение в будущем будут иметь жилые звукоизолирующие
дома.
161
И.И. Боголопов. Архитектурная акустика
БУДУЩЕЕ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ
"Симфонией 8 камио" является архитектура Санкт-Петербурга - Пет­
рограда - Ленинграда - Санкт-Петербурга.
Бы ло имя вначале - словно голос трубы,
А потом - будто гром или град.
Но никто не минует своей судьбы,
И вернулось имя назад.
Круг замкнулся, а жизнь продолжает свой бег.
Долго ль будем еще так кружить?
Наталья Глинка
Удивительно, но факт, город построен по воле одного, правда един­
ственного в своей самобытной гениальности, русского человека - Пет­
ра Алексеевича Романова, императора Петра Великого, построен на
пустынных болотистых берегах полноводной Невы (“нева" на древне­
финском языке означает "болото"). Эта никому не нужная земля была
жизненно необходима России. Всего через сто лет, как свидетельству­
ет А.С. Пушкин, "...ю ны й град, полнощных стран краса и диво, из тьмы
лесов, из топи блат вознесся пышно, горделиво...". Через двести лет
он стал называться, за свою планировку и архитектурные ансамбли,
"Севернрй'Пальмйрои^
город в оазисе Сирийс­
кой пустыни‘'с четкой планировкой и красивой архитектурой среди зе­
лени пальм. Пальмира достигла расцвета как центр караванной тор­
говли благодаря, в частности, созданию подземных резервуаров воды
и водопровода.) Через триста лет красота Санкт-Петербурга, постро­
енного в сочетании с водной стихией, стала известна уже всему циви­
лизованному м иру - "Северная Венеция"! К этому времени город при­
числяется Ю НЕСКО к достояниям мировой культуры.
Архитектура Санкт-Петербурга, "застывшая музыка", создавалась
несколькими поколениями выдающихся зодчих. Началось эго в 1703
году (год основания Санкт-Петербурга), когда сюда по приглашению
Петра Первого приехал Доменико Трезини и возглавил канцелярию
го р о д с к и х д е л . С его и м енем св язаны п о с тр о й ки укреплений
Кронштадта (Кроншлота) и Петропавловской крепости, строительство
Летнего дворца царя в Летнем саду, начало прокладки Невского про­
спекта, разработка проекта и строительство Петропавловского собора
с необычайно высокой колокольней. Трезини впервые разработал и
применил в строительстве типовые проекты домов с учетом "персо-
1бг
т
Часть 3. Акустика помещений
нальности и пожиточности"; “для подлых", "для зажиточных" и "для
именитых". Одному Трезини было не под силу справиться с колос­
сальным объемом строительства, и Петр приглашает зодчих,из Фран­
ции, Голландии, Германии. В целом же город рос под руководством и
при непосредственном участии великого Трецини.,Петербург - един­
ственный в те времена город, который развивался по заранее, опреде­
ленному плану.
ч
,,,.ч .
.
Обо всех замечательных зодчих, строивших красивейший город Рос­
сии, поведать в данном случае не представляется возможным. Оста­
новимся более подробно на двоих из них: Растрелли и Кваренги. Рас­
сказывают. что, когда Джакомо Кваренги проходйл мимо собора Смоль­
ного монастыря (творение Франческо Бартоломео Растрелли), он каж­
дый раз снимал шляпу и произносил: "Вот это церковь!" Они не встре­
чались: Растрелли давно умер, когда в 1780 году Кваренги приехал в
Россию. Но Кваренги (классицизм) в строительстве города стал про­
должателем дел Растрелли (барокко). Сочетание барокко с классициз­
мом дало изумительный результат. Эти два знаменитых архитеюгора,
продолжая грандиозную работу Доменико'урёзййи, заложили основы
неповторимого архитектурного облика нового города и ого пригородов.
Перечислим создания Франческо Бартоломео Растрелли (Растрелли-младшего, отец его был замечательный скульптор): дворцовые ан­
самбли Петергофа и Царского Села, Смольный монастырь, здание ре­
зиденции русских императоров ^ З ш н ^
дворца, дворцы знати (со^'
хранились Воронцов
дворцы) и многое другое,'
Но главное’это твор'екйе*^^
прекрасный Зимний дворец.
Созданйя'ДжакогИб' Кваренги: здание Российской Академии наук,
Эрмитажный театр 'Зимнего дворца, здание Ассигнационного банка;
Смольный институт и Конногвардейский манеж в Петербурге. Алек­
сандровский дворец в Царском Селе и многое другое,
‘
Интересно сравнить эффективность звукоизоляции окон у зданий,,
построенных этими двумя выдающимися архитекторами. В здании Зим­
него дворца, а именно в помещениях жилых покоев российских импе­
раторов, окна имеют очень большую звукоизоляцию благодаря, в ос­
новном, большому расстоянию мемзду стеклами и акустически незави­
симой установке одной оконной рамы от второй. В здании Российской
Академии наук расстояние между стеклами небольшое, такое же. как,
например, у "хрущ евских" пятиэтажек второй половины XX века. Когда
163
И.И, Боголепов. Архитектурная акустика
автор этой книги был у председателя Ленинградского Научного центра
АН СССР академика И.А.Глебова в здании бывшей Российской Ака­
демии наук по вопросу проведения всесоюзной акустической конфе­
ренции, уважаемый академик поинтересовался; как увеличить очень
плохую звукоизоляцию окон, выходящих на шумную набережную. От­
вет был прост: надо сделать их такими, как окна жилых императорских
покоев в Зимнем дворце. Почему Растрелли знал, как сделать окна с
большой звукоизоляцией, а Кваренги нет? Это для нас неизвестно, Но
известно другое: окна конструкции Кваренги имеют наивысшую, по срав­
нению с окнами Растрелли, теплоизоляцию. Топить в тихих жилых
комнатах Зимнего дворца следовало по этой причине неизмеримо боль­
ше, чем в служебных помещениях Академии наук. Надо сказать, по
причине наилучшей теплоизоляции выполнены и окна "хр ущ е в о к"-и х
массовое производство было запущено на основании результатов боль­
ших исследований в лучш их научных институтах. А вот Кваренги знал
это уже примерно двести лет тому назад, и тоже неизвестно почему,
притом без всяких исследований такого высокого научного уровня и
такого масштаба. До сих пор архитектурная акустика остается больше
искусством, чем наукой, хотя научные достижения последних десяти­
летий здесь несомненны,
Однако вернемся к архитекторам Сан 1ст-Петербурга. Талантливым
учеником Трезини был Михаил Земцов; учиться за границу были от­
правлены в это время будущие замечательные архитекторы Петр Ероп­
кин и Иван Коробов. Затем следует блистательная плеяда знамени­
тых архитекторов, которые завершили облик исторической части со­
временного Санкт-Петербурга (перечислим в произвольном порядке):
А.Ринальди, И. Старое, Ж .Валлен-Деламот, А.Кокоринов, Ч.Камерон,
Н.Львов, О.Монферран, А Воронихин, К.Росси, С.Чевакинский, В.Бренна, Л.Бенуа, Тома де Томон, А. Захаров, А.Ш такешнейдер, В. Стасов и
многие другие. В создаваемых ими великолепных зданиях самые труд­
ные задачи относились, как и везде в мире, к области архитектурной
акустики. В ряде случаев удалось и равно не удалось им решить про­
блемы звукоизоляции окон и акустики помещений. Некоторые дошед­
шие до нас великолепные помещения дворцов, к сожалению, имеют
этот недостаток. Приведем примеры очень удачных и не очень удач­
ных решений.
В Санкт-Петербурге прекрасна акустика Мариинского театра (архи­
текторы А.К.Кавос и В.А.Шрётер), Александрийского театра (архитек­
тор К.И.Росси), Большого зала филармонии (архитектор П.Жако по-
164
1
Часть 3. Акустика помещений
проекту К.И.Росси), зала Академической капеллы (архитектор Л.Бе­
нуа) и некоторых других, Плоха нынешняя акустика Большого зала
Мариинского дворца (построен архитектором А.И.Штакеншнейдером
о 1839-44 гг.) и Большого зала Таврического дворца (построен архи­
тектором И.Е.Старовым в 1783-89 гг.). И неудивительно - эти залы
были перестроены для законодательных собраний спустя много лет
из первоначальных помещений зимнего сада. Создатели экзотичес­
ких зимних садов внутри дворцов были озабочены уж, конечно, не их
акустикой, а сложнейшей задачей естественного северного освеще­
ния сада, в том числе и через прозрачную крышу. Все дальнейшие
улучшения акустики этих залов не привели к успеху.’ Примером неваж­
ной акустики может служить большой зал бывшего Юсуповского двор­
ца (архитектор Ж.Б.Валлен-Деламот) и т.д.
В современных сооружениях Санкт-Петербурга отлично решены все
задачи архитектурной акустики для Спортивно-концертного комплек­
са на проспекте Юрия Гагарина (архитекторы И.М.Чайко, Н.В.Баранов, Ф.Н.Яковлев), чего нельзя сказать, например, о главных помеще­
ниях аэропорта “Пулково" (архитекторы А.В .Ж ук и Ж.М.Вержбицкий).
В последнем случае авторы этого впечатляющего ансамбля как-то
упустили требования архитектурной акустики: не сумели предусмот­
реть хорош ую звукоизоляцию стеклянной стены, обращенной к летно­
му полю, и не обеспечили достаточно большого звукопоглощения стен
и потолка. В результате шум от самолетов проникает в зал ожидания
настолько, что мешает ожидающим пассажирам, а большое время ре­
верберации делает неразборчивыми объявления о прибытии и отправ­
лении самолетов.
Отталкиваясь от архитектуры Санкт-Петербурга, заглянем из про­
шлого и настоящего архитектурной акустики в её будущее, хотя бы в
самом общем виде. Оно неотделимо, конечно, от могучих и всепрони­
кающих процессов развития человеческой цивилизации во всем мире.
В третьем тысячелетии от Рождества Христова, по мнению многих
специалистов, земная цивилизация будет очень быстро развиваться.
Неимоверно увеличатся скорости движения воздушного, водного, на­
земного, подземного и подводного транспорта. Появятся беспрецеден­
тно энергоемкие фермы, мастерские, фабрики, энергомонстры про­
мышленного и сельскохозяйственного производства. В повседневной
жизни человек будет окружен со всех сторон всевозможной техникой:
кондиционерами, холодильниками, электробритвами, пылесосами,
165
И .И. Боголопов. Архитектурная акустика
стиральными машинами, кухонными комбайнами, музыко-радио и те­
левизионными центрами, домашними кинотеатрами, мобильными те­
лефонами с озвучиванием помещения, компьютерами с мультимедиа
в системе Интернет и электронной почты, А еще он будет окружен тем,
о чем сейчас мы точно не знаем, но что будет появляться постоянно,
неудержимо и во всё больш их масштабах. Например, скоро войдут в
обиход: всемирная компьютерная информационная “паутина" для каж­
дого образованного человека во всех странах, мощные космические
аппараты с апартаментами для землян, новые экологически чистые
генераторы неисчерпаемой энергии, чудо-биосистемы генной инжене­
рии, кардинально преображающие растительный и животный мир. В
будущих помещ ениях человека, находящихся в воздухе, на воде, на
земле, под землей, под водой и в космосе, заработают в огромном
количестве новые источники звука и шума нарастающей мощности.
Это - тенденция развития с одной стороны. С другой - усилятся тре­
бования к экологии и комфорту, в результате чего допустимые уровни
звука и шума д л я человека будут уменьшаться. В появившихся "нож­
ницах" поднимется роль и значение всегда актуальной и всеобъемлю­
щей архитектурной акустики.
Сегодня хорош ая звукоизоляция помещений от внутреннего и внеш­
него шума уже стала повседневной заботой, задачей и практическим
делом в промышленно развитых странах, для людей так называемого
"золотого миллиарда". Ведь источники шума нельзя уничтожить, но их
можно и долж но изолировать. Или - изолировать от вредных звуков
самого человека. В этих двух направлениях проводилась, ведется и
будет проводиться в будущем борьба со звуковым загрязнением окру­
жающей среды. Тишина становится всё более желанным, но и всё
более дорогим видом комфорта.
Таким образом, борьба с вредными для человека звуками - важная
задача будущей архитектурной акустики, но не менее важна и пробле­
ма улучш ения качества звучания необходимых, полезных и прекрас­
ных звуков речи и музыки в жизни людей следующих поколений. Оста­
новимся особо на будущей акустике общественных помещений куль­
турной жизни людей XXI века.
Такие помещ ения, как известно, можно разделить с точки зрения
архитектурной акустики на два вида: а) залы с живой музыкой и ре­
чью, излучаемыми непосредственно исполнителями, и 6) залы с ис­
кусственным звучанием речи и музыки, излучаемыми электроакусти-
166
Часть 3.^ A itycTHna помещений
ческими аппаратами, так называемой "фанерой". Причем под "фане­
рой" понимается здесь не только исполнение в звукозаписи, но и'исполнение через микрофон.
"
'
• •
-
, и •• •»t 1' I
Электроакустика всегда применяется в тех случаях, когда.мощности
естественных источников звука речи музыки явно не хватает или их
просто в живом виде нет, и, конечно, для озвучения очень-больших по­
мещений. Но, применяя o n e ic rp o a K y c T M K y , приходится-мирнться с ухуд­
шением качества звучания. Для электроакустики живое'звучание - не­
досягаемый идеал.
.
Живой звук прекрасной речи и музыки имеет волшебное действие.
Живое звучание, например, классической музыки вносит гармонию в
душу человека и гармонизирует, как стало известно, физиологические
процессы, в первую очередь центральной и периферической нервной
системы, а также желудочного T p a i a a . Недаром в богатых домах евро­
пейской знати ранее во время обеда обязательно исполнялась клас­
сическая музыка, не говоря уже о балах, маскарадах, танцевальных
вечерах, оперных спектаклях. Теперь это непременный атрибут кон­
цертов высшей категории, хороших ресторанов и клубных вечеров
аристократов, Прозрачная, тихая мелодичная музыка благотворно вли­
яет даже на домашних животных и на растения, это начал устанавли­
вать еще Чарльз Дарвин. Велика роль живой музыки в военном деле,
она поднимает дух войск, без неё не обходится ни один военный па­
рад, Александр Македонский с успехом использовал в своих непобе­
димых войсках флейтистов и т.д. Ресурсы прекрасной живой музыки
еще далеко не исчерпаны - они устремлены в будущее,
Эти ресурсы определяются тем, что великолепное качество живого
звука может быть получено только в помещении с отличной акустикой.
Поэтому одновременно с развитием электроакустической техники оз­
вучения помещений в XXI веке будет продолжаться создание шедев­
ров архите 1аурной акустики живого звучания, но уже в массовом по­
рядке, Духовная жизнь людей будущего, немыслимая без прекрасно
звучащей речи и чарующей музыки, станет серьёзным приоритетом
развития разбогатевшего материального мира людей XXI века. Тыся­
челетний опыт и новые знания сольются здесь в единый поток.
Итак, б третьем тысячелетии от Рождества Христова бур­
ный рост материальных благ будет порождать новые, более
высокого уровня, потребности. Можно с уверенностью пред167
И.И. Б о го л о п о р . Архитектурная акустика
сказать, что высокие потребности возникнут и в области защ ит ы от шума и прекрасного качества звучания живого звука.
Гпобальный научно-технический прогресс создаст много чудес
в области гидроакустики, биоакустиии, судовой акустики, авиа­
ционной акустики, акустики наземного и подземного транспор­
та, промы ш ленной акустики, электроакустики, ультра- и инфразвуковой акустики, музыкальной акустики, физиологической
акустики, технической акустики, теоретической акустики. И,
конечно, появятся удивительные творения архитектурной аку­
стики для всё большего и большего числа людей планеты Зем­
ля, т ворения отой важнейшей части человеческой цивилизации
прошлого, настоящего и будущего.
168
1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
6 053 Кб
Теги
akustika, arkhitekturnaya, 1bogolepov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа