Строительная акустика

Количество децибел равно десятичному  логарифму отношения интенсивностей, умноженному на 10, т.е. 10 lg.(I/I0).

Обычно в акустике за I0 принимается  интенсивность равная 1 пДж(м ×с), приблизительно равная интенсивности на пороге слышимости при 1000 Гц.

Простейшие наблюдения показывают, что громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Звук камертона после удара по нему постепенно затихает. Это происходит вместе с затуханием колебаний, т.е. с уменьшением их амплитуды. Ударив камертон сильнее, т.е. сообщив колебаниям большую амплитуду, мы услышим более громкий звук, чем при слабом ударе. То же можно наблюдать и со струной, и вообще со всяким другим источником звука.

К таким же заключениям можно  прийти, пользуясь не камертонами, а упрощённой сиреной - вращающимся диском с отверстиями, через которые продувается струя воздуха. Повышая напор струи воздуха, мы усиливаем колебания плотности воздуха позади отверстий. При этом звук, сохраняя одну и ту же высоту, делается громче. Ускоряя вращение диска, мы уменьшаем период прерываний воздушной струи. Вместе с тем звук, не меняясь по громкости, повышается. Можно также сделать в диске два или более рядов отверстий с разным количеством отверстий в каждом ряду. Продувание воздуха через каждый из рядов даёт тем более высокий звук, чем больше отверстий в этом ряду, т.е. чем короче период прерываний.

Но, взяв в качестве источника звука  сирену, можно получить хотя и периодическое, но уже негармоническое колебание: плотность воздуха в прерывистой струе меняется резкими толчками. На ряду с этим и звук сирены, хотя и является музыкальным, но совсем не похож на тон камертона. Можно подобрать высоту звука сирены такой же, как и у какого-либо из камертонов. При этом и громкость звука можно сделать одинаковой. Тем не менее легко можно отличить звук камертона от звука сирены.

Таким образом, если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет  ещё одно качество, кроме высоты и громкости, а именно - специфический оттенок, называемый тембром. По различному тембру мы легко распознаём звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гармони и т.д., хотя все эти звуки имели бы одну и ту же высоту и громкость. По тембру мы можем узнать голоса разных людей.

Исследование вопроса, с чем  связан тембр звука, показало, что  для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука  определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени, другими словами, изменения фаз тонов, никак не воспринимаются на слух, хотя могут очень сильно менять форму результирующего колебания. Таким образом, один и тот же звук может восприниматься при очень различных формах колебания. Важно только, чтобы сохранялся спектр, т.е. частоты и амплитуды составляющих тонов.

Эффект Доплера в  акустике.

Частота звуковых колебаний, которые  слышит неподвижный наблюдатель  в случае, если источник звука приближается или удаляется от него, отлична от частоты звука, воспринимаемой наблюдателем, который движется вместе с этим источником звука, или и наблюдатель и источник звука стоят на месте. Изменение частоты звуковых колебаний (высоты звука), связанное с относительным движением источника и наблюдателя называется акустическим эффектом Доплера. Когда источник и приемник звука сближаются, то высота звука повышается, а если они удаляются. то высота звука понижается. Это связано с тем, что при движении источника звука относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, скорость такого движения векторно складывается со скоростью распространения звука.

Например, если машина с включенной сиреной приближается, а затем, проехав  мимо, удаляется, то сначала слышен звук высокого тона, а затем низкого.

Порог слышимости и болевой  порог. 

Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достает  до ближайшей волосковой клетки, то человек не воспринимает звук. При  увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближайшей клетки, произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук будет услышан.

Для того чтобы в полной тишине звук с частотой 1000 Гц был услышан, амплитуда давления вблизи человеческого уха должна достигать всего лишь 2,84∙10 ^-5 Н/м² (эффективное значение -2∙10 ^-5Н/м²), что составляет всего лишь 2∙10 ^-10 атмосферного давления. Интенсивность соответствующей плоской волны в воздухе при этом составит 10^-12 Вт/м². Интересно заметить, что амплитуда смещения частиц воздуха при этом меньше десятой доли радиуса молекулы. Величина случайных флуктуации силы давления на барабанную перепонку, связанная с тепловым молекулярным движением, всего в 5... 10 раз меньше силы давления звука, заметного в полной тишине.

Величина звукового давления, которая  едва заметна на слух при отсутствии всяких других мешающих шумов и звуков, называется пороговой величиной звукового давления, или, сокращенно, порогом слышимости. Определение порога слышимости предпринимались исследователями неоднократно. Было выяснено, что пороги слышимости, определенные у ряда людей, могут сильно различаться. Эти различия имеют случайный характер для группы людей одинакового возраста, имеющих нормальный здоровый слуховой орган. Порог слышимости может изменяться у одного и того же человека в зависимости от состояния организма в данный момент: возбуждения, утомления я т. п. Поэтому надежные сведения о пороге слышимости можно получить только статистическим путем, измерив его в определенных условиях у большого числа людей.

Такие статистические исследования проводились  в США (1938-1939 гг.). в Англии (1956-1957 гг..), СССР (1958 г.). На основании международного соглашения в качестве стандарта принята кривая зависимости порога слышимости от частоты для чистого синусоидального звука. При этом в качестве испытуемых привлекались лица в возрасте от 18 до 23 лет с заведомо здоровыми органами слуха.

Рис.1. Области слышимости звука 

Как видно из рис. 1, порог слышимости сильно зависит от частоты. Звуки в области частот от 2000 до 4000 Гц замечаются при звуковом давлении даже меньшем  2∙10^-5 Па. В то же время на нижних и верхних звуковых частотах порог слышимости существенно возрастает. Как бы мы ни увеличивали интенсивность звука на частотах выше 20000 Гц, ощущение звука не возникает, т.е. звуки с частотой выше 20000 Гц лежат за пределами частот слышимых звуков большинства людей. Точно так же дело обстоит со звуками с частотой ниже 16.. .20 Гц. Частоты ниже 16 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20000 Гц - ультразвуковыми.

Если амплитуду давления слышимой частоты постепенно увеличивать, то на слух будет казаться, что громкость  звука увеличивается. При некотором  достаточно большом звуковом давлении наступает ощущение боли в ушах. Звуковое давление, при котором наступает болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения. Кривая частотной зависимости порога болевого ощущения более линейна, чем кривая порога слышимости.

            Пусть вас не удивляет, что в ряде учебных пособий и справочников даютcя

различные абсолютные значения и частотные  зависимости порога слышимости

Эта разница обусловлена различием  в методах измерения порога слышимости   

Так, измерения могут быть проведены  для одноухого или двуухого

слушания. Кроме того, существуют пороги, измеренные по давлению около

ушной раковины (при слушании телефона) или  измеренные для фронтального

падения звуковой волны (в свободном звуковом поле) и при многократном отражении  от ограждающих поверхностей (при  слушании в помещении).

1.2 Колебательные системы.

Свободные  колебания.

В природе, и особенно в технике, чрезвычайно большую роль играют тела и устройства, которые сами по себе способны совершать периодические  движения. «Сами по себе» — это  значит: не будучи принуждаемы к  этому действием периодических внешних сил. Такие колебания называют поэтому свободными колебаниями в отличие от вынужденных, протекающих под действием периодически меняющихсвнешнихасил. 
Если, например, периодически толкать дверь и тянуть ее обратно, то она будет открываться и закрываться, т. е. будет совершать периодическое вынужденное движение. Но сама по себе она не может двигаться периодически: если дверь толкнуть и предоставить самой себе, то движение не будет повторяющимся. Иное дело, если толкнуть или отклонить от вертикали висящий на веревке груз. Он начнет качаться, т. е. будет сам по себе совершать периодическое движение. Это и будут свободные колебания. Подобно этому в результате первоначального толчка будет   

.

Рис.2.Примеры  свободных колебаний 
периодически колебаться вода в стакане, груз, подвешенный на пружине, вагон или автомобиль на своих рессорах, качели, зажатая одним концом металлическая пластинка, натянутая струна, стрелка компаса и т. д. (рис. 2). 
Все такие тела или совокупности тел, которые сами по себе могут совершать периодические движения, или колебания, называются колебательными системами. Как сказано, колебания, совершающиеся в этих системах без воздействия внешних силявляютсяесвободными. 
С колебательными системами приходится иметь дело не только в различных машинах и механизмах (в частности, часовых механизмах). Мы увидим далее, что колебательными системами является большинство источников звука, что распространение звука в воздухе возможно лишь потому, что сам воздух представляет собой своего рода колебательную систему. Более того, кроме механических колебательных систем, существуют электромагнитные колебательные системы, в которых могут совершаться электрические колебания, составляющие основу всей радиотехники. Наконец, имеется очень много смешанных — электромеханических — колебательных систем, используемых в самых различных технических областях.

                                                      Гармонические колебания.

Гармоническое колебание — явление периодического изменения какой-либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса. Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующимааобразом: 
пнппили                                                                                (1.4) 
, 
где х — значение изменяющейся величины, t — время, А — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота колебаний, — полная фаза колебаний, — начальная фаза колебаний.

Гармонические колебания занимают среди всех разнообразных форм колебаний  важное место, оно определяется двумя обстоятельствами. Во-первых, в природе и в технике очень часто встречаются колебательные процессы, по форме близкие к гармоническим. Во-вторых, очень широкий класс систем, свойства которых можно считать неизменными (например, электрические цепи, у которых индуктивность, ёмкость и сопротивление не зависят от напряжения и силы тока в цепи). В большинстве случаев гармонические колебания  единственный тип колебаний, форма которых не искажается при воспроизведении; это и определяет особое их значение, а также возможность представления негармонических колебаний в виде гармонического спектра колебаний.

                               Вынужденные колебания

Вынужденные колебания, колебания, возникающие в какой-либо системе под действием переменной внешней силы (например, колебания мембраны телефона под действием переменного магнитного поля, колебания механической конструкции под действием переменной нагрузки и т.д.). Характер вынужденных колебаний . определяется как характером внешней силы, так и свойствами самой системы. В начале действия периодической внешней силы характер изменяется со временем (в частности, эти колебания не являются периодическими), и лишь по прошествии некоторого времени в системе устанавливаются периодические вынужденные колебания. с периодом, равным периоду внешней силы. Установление вынужденных колебаний в колебательной системе происходит тем быстрее, чем больше затухание колебаний в этой системе.

В частности, в линейных колебательных системах при включении внешней силы в системе одновременно возникают свободные (или собственные) колебания и В. к., причём амплитуды этих колебаний в начальный момент равны, а фазы противоположны. После постепенного затухания свободных колебаний в системе остаются только установившиеся вынужденные колебания.

Амплитуда таких колебаний определяется амплитудой действующей силы и затуханием в системе. Если затухание мало, то амплитуда колебаний существенно зависит от соотношения между частотой действующей силы и частотой собственных колебаний системы. При приближении частоты внешней силы к собственной частоте системы амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает — наступает резонанс.

Глава II.   Распространение звука в помещениях

2.1 Отражение и поглощение  звука в помещениях.

Реверберация (англ. Reverberation или Reverb) — эффект создаётся когда какой либо звук звучит в замкнутом пространстве, в результате чего отражения от поверхностей стен вызывают большое количество эхо, затем звук медленно затухает по причине поглощения звуковых волн стенами и воздухом. Эффект наиболее заметен когда источник звука перестаёт звучать, но отражения всё ещё звучат, амплитуда отражений постепенно затухает пока они не перестают быть слышны. Длительность затухания отражений называется временем реверберации. Оно получает особое внимание при архитектурном проектировании больших камерных залов, которые должны иметь определенное время реверберации для достижения оптимальной эффективности. По сравнению с различными эхо, звучание которых расположено с промежутком в 50 - 100 мс, реверберация имеет тысячи эхо которые расположены очень близко (0.01 - 1 мс между эхо-сигналами).