1

WYKŁAD Z PRZEDMIOTU:

„Fizyka Budowli”

AKUSTYKA

Akustyka techniczna

Kształtowaniem właściwych warunków akustycznych w miejscu pobytu ludzi zajmuje się

dyscyplina naukowa zwana akustyką techniczną.

W budownictwie dziedzina ta zawężona jest do trzech działów:

c) akustyki budowlanej (obejmującej również akustykę instalacyjną)

b) akustyki wnętrz

a) akustyki urbanistycznej

2

Akustyka urbanistyczna

W ramach akustyki urbanistycznej rozpatruje się zagadnienia związane z:

• rozprzestrzenianiem się dźwięku w przestrzeni otwartej i częściowo zabudowanej

• metodami kształtowania klimatu akustycznego przestrzeni urbanistycznych

• zabezpieczeniami akustyczno-urbanistycznymi

Przykłady urbanistycznych sposobów zabezpieczenia obiektów

mieszkaniowych przed hałasem drogowym

3

Przykłady urbanistycznych sposobów zabezpieczenia obiektów

mieszkaniowych przed hałasem drogowym

Przykład nieprawidłowegoekranowania hałasu komunikacyjnego

Z przedstawionego schematu wynika, że ekranowanie budynku wysokiego przez budynek

niski jest mało efektywne – szczególnie w przypadku, gdy budynek niski znajduje się w

niewielkiej odległości od budynku wysokiego.

Wykorzystanie budynku nie wymagającego ochrony do ekranowania hałasu

komunikacyjnego – rozwiązanie nieprawidłowe

4

Celem zwiększenia efektywności ekranowania budynku wysokiego przez budynek niski,

niezbędne jest znaczne oddalenie budynku wysokiego od budynku-ekranu lub zastosowanie

wysuniętego dachu nadwieszonego nad budynkiem ekranem i skierowanego w stronę źródła

dźwięku.

Przykład prawidłowego ekranowania hałasu komunikacyjnego

Wykorzystanie budynku nie wymagającego ochrony do ekranowania hałasu

komunikacyjnego – rozwiązanie prawidłowe

Akustyka wnętrz

W ramach akustyki wnętrz podejmuje się problemy dotyczące:

• rozprzestrzeniania się dźwięku w pomieszczeniach

oraz

• kształtowania właściwości akustycznych tych pomieszczeń

→→→→ stosownie do potrzeb wynikających z ich przeznaczenia, a związanych z rodzajem

projekcji akustycznej, do jakiej ma być dostosowane określone wnętrze (np. do odbioru

mowy, określonego rodzaju muzyki itp.)

5

Przykład poprawnegorozwiązania akustycznego sali amfiteatralnej

Przykład poprawnegorozwiązania akustycznego sali amfiteatralnej

W celu uzyskania dobrego nagłośnienia nie wystarczy samo skierowanie odbitej wiązki fal

dźwiękowych w określonym kierunku. Należy dodatkowo zastosować zarówno nachylenie

widowni z przewyżką kolejnych rzędów powyżej 12 cm (dotarcie fali bezpośredniej do

każdego słuchacza) oraz odpowiednio ukształtować sufit przez zastosowanie sztywnych i

twardych płaszczyzn odpowiednio kierujących dźwięk.

6

Przykład niepoprawnegorozwiązania akustycznego sali

amfiteatralnej

Akustyka budowlana

W ramach akustyki budowlanej określa się:

• źródła hałasu występujące w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej,

• właściwości akustyczne wyrobów i ustrojów budowlanych,

• zjawiska rozprzestrzeniania się hałasu w obiektach i z obiektów budowlanych,

• metody ochrony przeciwdźwiękowej i przeciwdrganiowej pomieszczeń w budynkach,

• zabezpieczenia akustyczne obiektów budowlanych, z których hałas emitowany jest do

środowiska (np. hale przemysłowe, obiekty komunikacyjne, obiekty komunalne itp.)

7

Źródła hałasów w budynku

Źródła hałasów występujących w budynku można podzielić, ze względu na ich

usytuowanie, na następujące rodzaje:

1) źródła usytuowane na zewnątrz budynku:

- arterie komunikacyjne

- porty lotnicze

- zakłady przemysłowe, usługowe i wytwórcze

- obiekty komunalne, np. parkingi, zajezdnie, dyskoteki itp.

2) źródła usytuowane w budynku, poza rozpatrywanym pomieszczeniem mieszkalnym:

- instalacje stanowiące wyposażenie techniczne budynku

- usługi wbudowane, np. kawiarnie, restauracje, dyskoteki

- urządzenia elektro-akustyczne w mieszkaniach

Źródła hałasów w budynku c.d.

Obiekty budowlane zlokalizowane w sąsiedztwie arterii komunikacyjnych o dużym

natężeniu ruchu, jak również w pobliżu dużych zakładów przemysłowych, są narażone

zarówno na oddziaływanie hałasu przenikającego przez powietrze do budynku, jak i na

drgania mechaniczne przenikające przez grunt i fundament do konstrukcji budynku.

Schemat rozprzestrzeniania się dźwięków powietrznych (3) i materiałowych (4)

8

Źródła hałasów w budynku c.d.

Z przedstawionego schematu wynika, że procesy wibroakustyczne (hałasy i drgania)

generowane przez źródła zewnętrzne mogą przenosić się do pomieszczeń w budynku

dwoma drogami:

- drogą bezpośrednią przez powietrze, np. przez kanały wentylacyjne, otwarte lub

nieszczelne okna, jak również przez przegrody w wyniku ich małej izolacyjności

akustycznej

- drogą pośrednią za pośrednictwem drgań gruntu oraz konstrukcji budynku

Do tego dochodzi hałas generowany przez źródła wewnętrzne, który może przenikać do

poszczególnych pomieszczeń w budynku, zarówno w postaci dźwięków powietrznych jak

i materiałowych.

Dźwięk – jako zjawisko falowe

Dźwięk jest zjawiskiem falowym wywołanym drganiami cząsteczek dowolnego ośrodka

sprężystego (ciała stałego, gazu, cieczy).

Istnieją dwa zasadnicze sposoby wytwarzania fal akustycznych:

• przez drgania mechaniczne,

• • przez turbulencje.

• W pierwszym przypadku ruch cząsteczek ośrodka jest wywołany przez znajdujący się w

nim lub oddziałujący na niego dowolny element drgający.

• • W drugim przypadku drgania ośrodka są spowodowane zaburzeniami przepływającego

strumienia gazu lub cieczy, tworzeniem się wirów (ruch turbulencyjny).

9

Rodzaje fal dźwiękowych

W zależności od rodzaju ośrodka, w jakim rozprzestrzeniają się fale dźwiękowe

(akustyczne) dzieli się je na:

powietrzne– rozchodzące się w powietrzu lub innym gazie

oraz

materiałowe – rozchodzące się w ośrodku stałym lub ciekłym.

Fale materiałowe mogą stać się źródłem fal powietrznych i odwrotnie.

W akustyce budowlanej rozróżnia się dodatkowo pojęcie dźwięki uderzeniowe.

Powstają one pod wpływem uderzenia w strop podczas chodzenia, przesuwania mebli,

toczenia przedmiotów.

Rozprzestrzeniają się one w budynku w postaci dźwięków materiałowych, a następnie

powietrznych.

Rodzaje fal dźwiękowych

W zależności od kierunku drgań cząsteczek w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali

akustycznej rozróżnia się:

- fale podłużne (kierunek drgań cząsteczek jest zgodny z kierunkiem rozprzestrzeniania się

fali dźwiękowej),

- fale poprzeczne (kierunek drgań cząsteczek jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się

fali akustycznej).

W ośrodku gazowym mogą rozprzestrzeniać się wyłącznie fale podłużne.

W cieczach mogą rozchodzić się fale podłużne, a na powierzchni – fale powierzchniowe,

zbliżone do fal poprzecznych.

W ośrodku stałym mogą się rozprzestrzeniać zarówno fale podłużne, jak i poprzeczne oraz

inne szczególne rodzaje fal, jak np. fale giętne, ścinające itp.

10

Dźwięki słyszalne – ogólna charakterystyka

Pojedynczą sinusoidalną falę dźwiękową

nazywa się tonem.

Częstotliwość fali jest związana z

wysokością dźwięku.

Amplituda fali zwi ązana jest z

natężeniem dźwięku.

Dźwięki występujące w przyrodzie są

dźwiękami złożonymi, czyli superpozycją

pojedynczych fal dźwiękowych.

Cechy charakterystyczne dźwięku

Wielkości charakterystyczne fali dźwiękowej

Wielkościami charakterystycznymi fali dźwiękowej są:

• częstotliwość,

• • długość fali,

• • • prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej.

Wielkości te są związane zależnością:

cTfc ⋅⋅⋅⋅========λλλλ

λλλλ – długość fali dźwiękowej [m]

c – prędkość dźwięku [m/s]

f – częstotliwość dźwięku [Hz]

T – okres drgań [s]

Przy czym:f1

T ====

11

• Częstotliwość

Przedział między dowolną częstotliwością,

a częstotliwością dwukrotnie wi ększą

nazywa się oktawą.

Od częstotliwości zależy wysokość tonu –

im większa jest częstotliwość dźwięku, tym

większa jest jego wysokość.

Częstotliwość fali dźwiękowej f jest to liczba okresów drgań T w ciągu 1 sekundy.

Liczbowo równa odwrotności okresu drgań. Określana w hercach [Hz] (1Hz = 1 s-1)

Częstotliwość 1 Hz dotyczy zjawiska okresowego, którego okres jest równy 1 s.

Rodzaj Dolna częstotliwość Górna częstotliwośćorganizmu graniczna [Hz] graniczna [kHz]nietoperz 8 100kot 50 80pies 12 40delfin 120 120człowiek 16 20

Pasma częstotliwości słyszalnych dla człowiekai różnych zwierząt

Z przytoczonych danych wynika, że zwierzęta mają na ogół większe szerokości pasm

słyszalnych w porównaniu do człowieka

• Częstotliwość – c.d.

12

• • Długość fali

Dźwięki występujące w przyrodzie – z uwagi na częstotliwość i związaną z tym długość fali

akustycznej – dzieli się na:

• infrad źwięki, niesłyszalne przez człowieka o częstotliwości f < 16 Hz i długości fali w

powietrzu λλλλ > 21 m,

• dźwięki słyszalne o częstotliwości od 16 Hz do 20 kHz i długości fali w powietrzu 1,7 cm ≤≤≤≤

λλλλ ≤≤≤≤ 21 m,

• ultrad źwięki, niesłyszalne dla człowieka, o częstotliwości powyżej 20 kHz orazλλλλ < 1,7 cm.

Długość fali dźwiękowej λλλλ jest to odległość x, jaką przebywa fala akustyczna w czasie

jednego okresu drgań T.

λλλλx

• • • Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej jest zależna od ośrodka i rodzaju fali.

Dźwięki mogą być przenoszone przez wszystkie ośrodki spr ężyste, we wszystkich stanach

skupienia.

Zasadniczy wpływ na prędkość rozchodzenie się fali dźwiękowej ma oporność akustyczna

ośrodka.

Zależy ona przede wszystkim od jego sprężystości i gęstości. Im bardziej gęsty i bardziej

sprężysty jest ośrodek, tym większa w nim jest prędkość fali akustycznej.

13

• • • Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej c.d.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu (fale podłużne) zmienia się wraz ze zmianą

temperatury, ciśnienia atmosferycznego i innych czynników, takich jak wilgotność, mgła,

zadymienie.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu wynosi ok. 340 m/s.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie ≈≈≈≈ 1450 m/s.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku (fal podłużnych) w ciałach stałych jest znacznie

większa, np.:

w ceramice zwykłej o gęstości ok. 1800 kg/m3 wynosi ≈≈≈≈ 3600 m/s,

w betonie zwykłym o gęstości ok. 2300 kg/m3 wynosi ≈≈≈≈ 4000 m/s,

w aluminium ≈≈≈≈ 4700 m/s,

w szkle ≈≈≈≈ 5200 m/s.

Energia, moc akustyczna, natężenie i ciśnienie dźwięku

Każde ciało drgające znajdujące się w ośrodku sprężystym jest źródłem energii

akustycznej. Ilość energii akustycznej przepływającej w jednostce czasu przez jednostkę

powierzchni nazywa się natężeniem dźwięku i wyraża się w [W/m2].

Ilość energii, jaką wysyła źródło dźwięku w jednostce czasu, nazywa się mocą akustyczną

źródła P i wyraża się w watach [W].

[[[[ ]]]]dBPP

lg10L0

W ⋅⋅⋅⋅====

P - moc akustyczna źródła [W],

Po - moc akustyczna odniesienia; P0 = 10-12 [W].

Ponieważ rozpiętość mocy źródeł spotykanych w praktyce jest bardzo duża (moc

akustyczna szeptu wynosi 10-9 W, natomiast samolotu odrzutowego 107 W) w technicznych

obliczeniach stosuje się pojęcie poziomu mocy akustycznejLW (w niektórych źródłach

literaturowych poziom mocy akustycznej źródła oznacza się symbolem LP). Poziom mocy

akustycznej wyraża się wzorem:

14

Energia, moc akustyczna, natężenie i ciśnienie dźwięku c.d.

Moc akustyczna źródła przypadająca na jednostkę (1 m2) powierzchni prostopadłej do

kierunku rozchodzenia się fali akustycznej określa natężenie dźwięku wytwarzanego przez

to źródło. Natężenie to wyraża się wzorem:]m/W[

SP

I 2====

S - wyrażone w m2 pole powierzchni promieniowania dźwięku w określonej odległości od

źródła; np. w przypadku promieniowania źródła punktowego zawieszonego w przestrzeni

powierzchnia S równa jest powierzchni kuli o promieniu r określającym odległość tej

powierzchni od źródła.

Odpowiednio do poprzednio stosowanej zasady w praktyce operuje się poziomem natężenia

dźwięku L I wg wzoru:]dB[

II

lg10L0

I ====

I - wg wzoru j.w.,

I0 - natężenie dźwięku odniesienia; I0 = 10-12 W/m2.

Energia, moc akustyczna, natężenie i ciśnienie dźwięku c.d.

W akustyce budowlanej przy pomiarach wykorzystuje się najczęściej pojęcie ciśnienia

akustycznego i poziomu ciśnienia akustycznego, ponieważ są to wielkości stosunkowo łatwo

mierzalne.

Ciśnienie akustycznep w powietrzu jest to różnica między chwilową wartością ciśnienia

powstałego w danym punkcie pola pod działaniem fal akustycznych a wartością ciśnienia

statycznego (atmosferycznego). Ciśnienie akustyczne wyraża się w paskalach [Pa].

Poziom ciśnienia akustycznegoLp jest to względna miara ciśnienia akustycznego wyrażona

wzorem:

]dB[p

plg10L

20

2

p ====

p - ciśnienie akustyczne, Pa,

p0 - ciśnienie akustyczne odniesienia; p0 = 2⋅⋅⋅⋅10-5 Pa.

Poziom ciśnienia akustycznego określa się często także symbolem L bez indeksu.

15

Odbiór dźwięków przez człowieka

Narząd słuchu człowieka spełnia rolę układu, który wykrywa kierunek, z którego dobiegają

dźwięki, a także ich głośność, wysokość i barwę. Organ ten odbiera dźwięki, których

częstotliwość zawarta jest w przedziale od 16 Hz do 20 kHz, a amplituda ciśnienia

akustycznego mieści się w przedziale od 2 x 10-5 Pa do 10 Pa.

Należy podkreślić, że ucho ludzkie, odbierające pojedyncze tony o różnej częstotliwości i

tym samym ciśnieniu akustycznym, słyszy je niejednakowo głośno. Dźwięki z zakresu

częstotliwości niskich i wysokich, aby wywołać takie samo wrażenie słuchowe, jak dźwięki z

zakresu częstotliwości średnich, powinny się charakteryzować znacznie większymi

wartościami ciśnień akustycznych.

Czułości ucha jest największa w zakresie częstotliwości od 800 do 4000 Hz. Tony niższe i

wyższe od tego zakresu są odczuwane jako mniej głośne.

Subiektywnie odczuwana głośność dźwięku jest zatem trudna do zmierzenia. Dlatego

najwygodniejszą formą wyrażenia charakterystyki zmysłu słuchu człowieka jest określenie

słyszalnych natężeń dźwięku w funkcji częstotliwości.

Charakterystyka zmysłu słuchu człowieka – zakres słyszalności dźwięków

Odbiór dźwięków przez człowieka c.d.

16

Cały, znany nam, świat dźwięków słyszalnych jest zawarty między:

progiem słyszalności (tj. 0 dB)

a

progiem bólu (130 dB).

Warunki o poziomie natężenia dźwięku 0 dB są bardzo rzadko spotykane i trudno

osiągalne. Można je spotkać jedynie w pomieszczeniach dźwiękoszczelnych oraz w

przestrzeni międzyplanetarnej – tam, gdzie panuje próżnia.

Poziom bliski 130 dB, powyżej którego odczuwa się już tylko ból, można spotkać znacznie

częściej. Towarzyszy on na przykład startom samolotów odrzutowych, a także pracy

młotów pneumatycznych i innych urządzeń przemysłowych.

Intensywność dźwięków spotykanych na co dzień mieści się w granicach między 20 a 60 dB.

Odbiór dźwięków przez człowieka c.d.

Przykładowe wartości poziomów natężenia dźwięku

17

Skutki zdrowotne

Z powodu bliskości przebiegu nerwów słuchowych i nerwów odchodzących do tworu

siatkowatego i podwzgórza, możliwy jest wpływ dźwięków zarówno na całą sferę

świadomości, jak i na układ wegetatywny, tj. na narządy wewnętrzne i układ krwiono śny,

zwłaszcza wówczas, gdy dźwięki są intensywne.

W ten sposób hałas może zakłócać sen, wywoływać zdenerwowanie, utrudniać rozumienie

mowy czy koncentrację.

Może również powodować różne inne nieprzyjemne objawy, np. wzrost ciśnienia krwi,

przyspieszenie tętna lub wzmożenie napięcia mięśni.

Skutki zdrowotne

Reakcje organizmu człowieka na hałas są bardzo subiektywne i zależą od sytuacji. Przy

poziomach dźwięku poniżej 70 dB określamy go jako denerwujący lub uciążliwy. Ma on

wówczas niekorzystny wpływ na nasz organizm, powodując zmęczenie układu nerwowego

lub utrudnienie wypoczynku, jednak jest to zwykle efekt przejściowy. Przy poziomach

dźwięku powyżej 70 dB hałas staje się szkodliwy dla człowieka, a powyżej 90 dB nawet

niebezpieczny, gdyż powoduje liczne zaburzenia układu krążenia i układu pokarmowego.

Poziomy powyżej 130 dB mogą nawet stanowić zagrożenie dla życia, gdyż powodują

drgania niektórych narządów wewnętrznych, prowadząc do zniszczeń ich struktury.

Jednym z najczęstszych skutków oddziaływania dźwięków o wysokim poziomie ciśnienia

akustycznego jest trwałe uszkodzenie słuchu. Zdarza się ono często przy długotrwałym lub

często powtarzanym narażeniu błony bębenkowej na takie dźwięki (nawet wtedy, gdy

odbierający je człowiek nie nazwałby ich hałasem). Przykładem może być słuchanie muzyki

przez słuchawki, zwłaszcza wkładane do uszu.