Г л а в а 7. ЗВУКОВАЯ СРЕДА В ГОРОДАХ И ЗДАНИЯХ

Со всех сторон человека окружают звуки. Слыша звук, человек может ис­пытывать самые различные эмоции — радость, страх, беспокойство. Звук со­ставляет основу речи, т. е. он является средством общения между людьми. Музыка представляет собой сложный комплекс звуков, вызывающий самые разнообразные ощущения. И, наконец, существует такая специфическая фор­ма звука, как шум, который в послед­ние десятилетия стал бедствием чело­вечества. Шум вызывает раздражение, затрудняет восприятие речи и музыки, а в некоторых случаях является при­чиной глухоты и различных болезней. Таким образом, перед проектировщи­ками стоят две противоположные за­дачи: первая — создание условий для наилучшего восприятия речи и музыки и вторая — всемерное подавление шу­ма.

Ведущая роль в решении этих за­дач принадлежит архитекторам, кото­рые должны иметь представление о физических и физиологических харак­теристиках звука и шума, закономер­ностях их распространения на терри­ториях и в помещениях, характери­стиках источников шума, архитектур — но-планировочных и конструктивных способах усиления и подавления звука и шума, а также об имеющихся по этим вопросам нормативных докумен­тах.

7.1. Основные понятия

С физической точки зрения звук — это колебательное движение в любой материальной, т. е. обладаю­щей упругостью и инерционностью среде.

Звуковой волной называют про­цесс распространения колебательного движения в среде.

Звуковые волны возникают в том случае, когда в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды (газообразной, жидкой или твердой) приходят в колебатель­ное движение вследствие воздействия на них какой-либо возмущающей си­лы. При этом энергия передается от источника с помощью звуковых волн, а частицы упругой среды совершают только колебательные движения по от­ношению к положению равновесия, как это показано на рис. 7.1.

При распространении звуковой волны следует различать два совер­шенно разных явления: движение ча­стиц среды в волне и перемещение са­мой волны в среде. Обычно колеба­тельные скорости частиц среды в не­сколько тысяч раз меньше скорости звука.

Фронтом звуковой волны называ­ют поверхность, проходящую через ча­стицы среды, совершающие колебания в одной и той же фазе. Направление распространения звука в каждой точке фронта является нормалью к его по­верхности. Различают три типа звуко­вых волн, отличающихся друг от друга формой фронта: плоские, имеющие фронт в виде плоскости, нормальной к направлению распространения, ша­ровые с фронтом в виде сферы и ци­линдрическиеформа фронта которых имеет вид боковой поверхности цилин­дра. Звуковое поле обычно может быть

Представлено как поле плоской волны, если линейные размеры источника ве­лики по сравнению с длиной излуча­емой им волны или если рассматри­ваемая зона звукового поля находится на достаточно большом (по сравнению с длиной волны) расстоянии от источ­ника.

Рис. 7.2. Возникновение зву­ка при колебаниях камеро­на

1 — сжатие; 2 — разрежение

Упругие и инерционные силы су­ществуют не только в системах с со­средоточенными параметрами, но и в сплошных средах. Эти силы обуслов­лены соответственно упругим взаимо­действием частиц среды и инерцион­ными свойствами массы частиц. Упру­гость и масса как бы распределены по элементам среды, поэтому сплошные среды называют системами с распре-

Рис. 7А. Колебания час­тиц упругой среды

Деленными параметрами. В них также возможны упругие колебания, состоя­щие из ряда следующих друг за другом сжатий и разрежений среды, причем эти сжатия и разрежения распростра­няются от источника возмущения с оп­ределенной скоростью. Этот процесс распространяющихся в среде механи­ческих колебаний и называют звуком.

Звуковой процесс возникает, в ча­стности, в среде окружающей систему, при ее колебаниях (рис. 7.2), Возврат­но-поступательное движение ножек камертона приводит к появлению на их поверхности периодических сжатий

И разрежений среды, распространяю­щихся в окружающем пространстве и воспринимаемых как звук.

Возбудителями звука могут быть не только механические колебатель­ные системы с сосредоточенными па­раметрами, но также вихревые очаги и трущиеся поверхности. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, называют воздушным звуком, а коле­бания звуковых частот, распространя­ющиеся в достаточно протяженных твердых телах, — структурным зву­ком.

В твердых телах конечных разме­ров (пластины, стержни) звуковой процесс проявляется в форме звуковой вибрации. Упругие свойства газообраз­ных и жидких сред в полной мере ха­рактеризуются одной упругой постоян­ной — коэффициентом сжимаемо­сти или обратной ему величиной — модулем упругости. В этих средах мо­жет возникнуть лишь один вид зву­ковых колебаний — волны сжатия или продольные, в которых направле­ние колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения коле­баний.

Однородные изотропные твердые среды характеризуются двумя упруги­ми постоянными: модулем упругости (Юнга) и модулем сдвига.

Под влиянием второй упругой по­стоянной в безграничных твердых сре­дах возможно появление, помимо де­формаций сжатия, деформаций сдвига и образование двух видов волн — про­дольных и поперечных. При возник­новении поперечных волн колебания происходят в направлении, перпенди­кулярном направлению распростране­ния волн.

288 Часть III. Архитектурная акустика

Распространение поперечных волн приобретает особое значение при про­хождении звука по стержням и пла­стинам, в которых они являются ко­лебаниями изгиба. Эти колебания пе­реносят основную долю энергии, рас­пространяющуюся, в частности, по ог­раждающим конструкциям зданий.

Таким образом, любое нарушение стационарного состояния сплошной твердой, жидкой или газообразной сре­ды в какой-либо точке пространства приводит к появлению возмущений (волн), распространяющихся от этой точки. Область пространства, в кото­рой наблюдаются эти волны, называ­ется звуковым полем. Физическое со­стояние среды в звуковом поле или, точнее, изменение этого состояния, обусловленное наличием волн, харак­теризуется обычно звуковым давлени­ем р — разностью между мгновенным значением полного давления и сред­ним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля (единица измерения — Н/м2). В фазе сжатия звуковое давление положи­тельно, а в фазе разрежения — отри­цательно.

Звуковые волны, возникшие в сре­де, распространяются от точки возник­новения (источника звука), и требу­ется определенное время, чтобы звук из одной точки достиг другой. Скоро­сть распространения звука зависит от характера среды и вида распространя­ющейся в ней звуковой волны. Так, скорость звука в воздухе при темпе­ратуре 20°С составляет 340 м/с. Ско­рость звука с не следует смешивать с колебательной скоростью частиц среды V — знакопеременной величиной, за­висящей как от частоты, так и от зву­кового давления.

Длиной звуковой волны / называ­ют расстояние, измеренное вдоль рас­пространения звуковой волны между двумя ближайшими точками звукового поля, в которых фаза колебания час­тиц среды одинакова (измеряется в метрах).

(7.1)

В изотропных средах длина волны связана с частотой / и скоростью звука с простой зависимостью

/ = с//.

Глава 7. Звуковая среда в городах и зданиях 289


Рис. 7.3. Зависи­мость длины звуко­вых волн от часто­ты звука при рас­пространении их в воздухе

Зависимость длин волн от частоты показана на рис. 7.3.

При распространении звуковых волн распространяется и звуковая энергия.

Наиболее просты плоские звуковые волны, распространяющиеся от источ­ника только в одном направлении, при этом волновые фронты параллельны друг другу. Такие волны могут рас­пространяться в длинных трубах, име­ющих отражающие звук внутренние поверхности. В этом случае звуковая энергия распространяется вдоль трубы практически без затухания.

Любой источник звука может ха­рактеризоваться звуковой мощностью Р — количеством звуковой энергии в ваттах, излучаемой в единицу време­ни. Звуковая мощность является ос­новным параметром, характеризую­щим источник звука или шума.

В качестве основного параметра звукового поля используется звуковая энергия, содержащаяся в единице объ­ема среды. Она называется плотностью звуковой энергии D и связана с зву­ковым давлением р формулой



.