Расчет уровня звука в помещении

 

Учет прямого и отраженного звука

 

В разделе 7.2 было показано, что в диффузном поле в стационарном режиме плотность звуковой энергии равна (7.1):

 

 

Интенсивность звука равна соответственно:

 

а уровень звука:

 

 

Однако в общем случае в звуковом поле можно выделить две составляющие – прямой и отраженный звук:

 

(7.13)

Если источник звука находится в объеме помещения и излучает сферическую звуковую волну, то

 

(7.14)

 

где W – мощность источника, а r – расстояние от источника звука до расчетной точки.

После отражения часть звуковой энергии поглощается:

 

(7.15)

 

Величина называется постоянной помещения.

Подставляя (7.14) и (7.15) в (7.13), получаем для общей плотности звуковой энергии в произвольно выбранной расчетной точке:

 

(7.16)

 

Степень диффузности поля в конкретной выбранной точке характеризуют акустическим отношением:

 

(7.17)

 

Область звукового поля, в которой M< 1, называется зоной прямого звука, область с M >1 – зона прямого звука. Граница между ними определяется предельным радиусом:

 

(7.18)

 

Если расстояние от источника звука до приемника меньше r_пр (зона прямого звука), то воспринимаемый звуковой сигнал определяется в основном свойствами источника звука, а не свойствами помещения. Если же r >> r_пр, то воспринимаемый звук в большой степени зависит от акустических характеристик помещения, в частности, от постоянной В.

 

Приближенная оценка постоянной помещения

Для расчета постоянной помещения нужно определить эквивалентную площадь звукопоглощения для данного помещения A_общ и средний коэффициент звукопоглощения поверхностей помещения α _ср = A_общ / S_общ (см. раздел 7.2). При этом требуется знать площадь каждого однородного участка поверхности, ограничивающей помещение, коэффициенты звукопоглощения этих участков на различных частотах, учесть наличие различных объектов, поглощающих и рассеивающих звук (колонн, экранов, мебели, людей и так далее). На этапе проектирования или предварительной оценки это не всегда представляется возможным. В этом случае для оценки B используют приближенную формулу:

 

 

где B ₁₀₀₀ – постоянная помещения (в м²) на частоте 1000 Гц, μ – частотный множитель. Величина B ₁₀₀₀ определяется в зависимости от типа помещения и его объема V по таблице 7.2. Значения множителя μ определяют с помощью таблицы 7.3.

 

Таблица 7.2 – Определение значения B ₁₀₀₀

Тип помещения	Описание помещения	B 1000, м^2
1.   2.   3.     4.	С небольшим количеством людей   С жесткой мебелью и большим количеством людей или мягкой мебелью и небольшим количеством людей   С большим количеством людей и мягкой мебелью   Помещения со звукопоглощающей облицовкой потолка и части стен	V /20   V /10     V /6     V /1,5

 

Таблица 7.3 – Значения частотного множителя μ для среднегеометрических частот октавных полос

V, м^3	μ
V <200	0,8	0,75	0,7	0,8		1,4	1,8	2,5
V =200÷1000	0,65	0,62	0,64	0,75		1,5	2,4	4,2
V >1000	0,5	0,5	0,55	0,7		1,6

Учет расположения и характеристики направленности

Источника звука

 

Выражение (7.14) для расчета плотности звуковой энергии прямого звука справедливо только для точечного источника звука, расположенного в объеме помещения. В общем случае:

(7.19)

 

Здесь Φ – характеристика направленности излучения источника:

где I – интенсивность излучения источника в данном направлении, - интенсивность сферической звуковой волны. Если источник одинаково излучает по всем направлениям, Φ = 1.

Коэффициент χ в (7.19) учитывает влияние формы и размеров источника звука на звуковое поле в непосредственной близости от него (в ближнем звуковом поле). На рисунке 7.3 приведен график зависимости коэффициента χ от r/l_макс (r – расстояние до акустического или геометрического центра тела, излучающего звук, l_макс – максимальные габаритные размеры источника звука). Из графика видно, что при r/l_макс > 2 χ = 1.

 

Рисунок 7.3 - График для определения коэффициента χ в зависимости от r/l_макс

 

Величина Ω в выражении (7.19) равна телесному (пространственному) углу, в который излучается звуковая энергия. Для источника, расположенного в объеме помещения, Ω = 4π. Если источник звука находится на поверхности пола, стены или потолка, Ω = 2π. При расположении источника в двугранном углу Ω = π, в трехгранном углу - Ω = π/2.

С учетом (7.19) формула (7.16) для расчета плотности звуковой энергии с учетом прямого и отраженного звука принимает вид:

 

(7.20)

Уровень звука в соответствии с (7.20) равен:

 

(7.21)

 

Если в помещении несколько источников звука, то уровень звука можно рассчитать по формуле:

(7.22)

 

где L_i - уровень мощности каждого источника, т – количество источников звука, ближайших к расчетной точке (для которых r_i ≤ 5 r_min), n – общее количество источников звука в помещении.

Приведенный порядок расчета уровня звука в произвольной точке помещения закреплен в СП (Строительные правила) 51.13330.2011 — Защита от шума.

ПРОБЛЕМЫ БОРЬБЫ С ШУМОМ

8 ИСТОЧНИКИ ШУМА

Шум. Классификация шумов

 

В физической акустике шум – это неупорядоченный во времени звуковой сигнал, который характеризуется сплошным или смешанным спектром. Однако если рассматривать звуковые сигналы с точки зрения их субъективной оценки, то понятие шума расширяется. Один и тот же звук, в зависимости от ситуации, одни люди воспринимают как музыку или информационный сигнал, а другие как мешающий и раздражающий шум. Внезапно сработавшая ночью автомобильная сигнализация для владельца - полезная информация, но для остальных - шум, а громкая музыка не всегда доставляет удовольствие живущим по соседству.

Любой звук, который мешает работе, отдыху, восприятию музыки, речи и других акустических сигналов, несущих полезную информацию, мы называем шумом независимо от его физических характеристик.

С санитарно-гигиенической точки зрения шум принято определять как звук, оцениваемый негативно и наносящий вред здоровью.

Внедрение в промышленность новых технологий, рост мощности технологического оборудования, развитие транспорта, все более широкое использование бытовой техники приводят к тому, что человек постоянно подвергается воздействию шума. Проблема борьбы с шумом является, таким образом, неотъемлемой частью охраны труда и защиты окружающей среды.

Основными источниками шума в городах и других населенных пунктах являются автомобильные потоки на улицах и дорогах, а также железнодорожный транспорт и самолеты. Шум транспорта имеет механическое и аэрогидродинамическое происхождение, импульсный характер и сложный спектральный состав.

В промышленных районах и непосредственно в цехах и мастерских существенный вклад в шумовое загрязнение окружающей среды вносит работающее оборудование, как непосредственно задействованное в производстве (станки, агрегаты), так и обслуживающее (системы энергоснабжения, вентиляции, транспорт).

Причиной возникновения шума в зданиях, в том числе и в жилых помещениях, являются как внешние источники (транспорт и промышленные предприятия), так и внутренние – инженерное и санитарно-техническое оборудование, бытовые приборы, громкая музыка, танцы и др.

В связи с многообразием источников шума встает вопрос об их классификации. Рассмотрим основные признаки, по которым можно классифицировать шумы.

Одним из основных параметров источника шума является создаваемый им уровень шума. Уровень звука в децибелах определяется по формуле:

 

 

где I – сила звука, p – звуковое давление, I ₀ и p ₀ – порог слышимости на частоте 1000 Гц (I ₀ = 10^-12Вт/м², p ₀ = 2·10^-5Па).

Чувствительность слуха, как известно, зависит от частоты звука. Для того, чтобы приблизить результаты объективных измерений к субъективному восприятию, вводят понятие корректированного уровня шума. Коррекция заключается в том, что используются зависящие от частоты поправки к уровню соответствующей величины. Эти поправки стандартизованы в международном масштабе. Наиболее широко используется коррекция А. В соответствии с ней корректированный уровень шума (в дБ(А)) равен:

 

 

где Δ L_A – зависящие от частоты поправки, приведенные в таблице 8.1.

 

Таблица 8.1 – Поправки к уровню шума (коррекция А)

Частота, Гц
Δ LA, дБ	26,3	16,1	8,6	3,2		-1,2	-1	1,1

 

Следующая характеристика шума, излучаемого данным источником – спектр.

Все физические величины, характеризующие звуковой сигнал, являются функцией времени, поэтому их можно представить в виде суммы гармонических колебаний с различными частотами и амплитудами. Зависимость амплитуды гармонических составляющих звуковой волны от частоты называется спектром звука (см.раздел 3.4).

Обычно для шумов характерен сплошной или смешанный широкополосный спектр. При этом в зависимости от положения максимума шумы подразделяют на низкочастотные (f_max < 300 Гц), среднечастотные (300 Гц < f_max < 800 Гц) и высокочастотные (f_max > 800 Гц). Наряду с широкополосными шумами встречаются и тональные шумы, спектр которых близок к дискретному.

Рассмотрим теперь временные характеристики шума. По временным характеристикам шумы делят на постоянные и непостоянные.

Шум называют постоянным, если его уровень в течение 8 часов изменяется не более, чем на 5 дБ(А).

Все остальные шумы - непостоянные:

- колеблющиеся во времени (уровень звука непрерывно изменяется с течением времени);

- прерывистые (уровень звука изменяется ступенчато на 5 дБ(А) и более, причем длительность интервалов, в течение которых уровень звука остается постоянным, составляет одну секунду и более);

- импульсные, состоящие из одного или нескольких сигналов, каждый длительностью менее одной секунды.

Для оценки уровня непостоянных шумов используется так называемый эквивалентный уровень звука. Эквивалентный уровень звука данного непостоянного шума численно равен уровню звука постоянного, широкополосного, неимпульсного шума, оказывающего такое же воздействие на человека, как и постоянный шум. При измерениях с помощью шумомера эквивалентный уровень шума определяют по формуле:

 

.

 

Здесь T – время усреднения, m – число измерений, L_i – результат отдельного измерения, t_i – интервал времени между измерениями. Обычно интервал между измерениями 2-3 секунды, а время усреднения выбирают в зависимости от характера шума.

По механизму возникновения различают:

- механический шум;

- аэрогидродинамический шум;

- шум электромагнитного происхождения.

Принцип действия источников и особенности механического и аэрогидродинамического шума описаны в главе 4 (разделы 4.1.4 и 4.2.4). Что касается шума электромагнитного происхождения, то это механический шум, возникающий вследствие колебаний элементов электромеханических устройств под влиянием переменных магнитных сил (колебания статора и ротора электрических машин, сердечника трансформатора и др.).

Еще один принцип классификации шумов – по способу распространения. Речь идет о распространении шума в зданиях.

Если источник шума не связан с конструкциями здания и звук излучается непосредственно в воздушную среду (разговор, музыка, радио, телевизор), то звуковая волна вызывает в стене или перекрытии колебания, за счет чего звук проходит в соседнее помещение. Такой шум называется воздушным.

Еще один вид шума – корпусный (структурный) шум. Среда его передачи – твердые и жидкие материалы. Типичные источники такого шума – захлопывание двери, щелканье выключателя, смыв воды в туалете, шум потока в водопроводных трубах и в системе центрального отопления. Особенно интенсивным является корпусный шум, излучаемый каким-либо вибрирующим механизмом (насосом, лифтовым двигателем, вентиляционной установкой), жестко связанным с конструкцией здания. Механизм передачи корпусного шума можно описать следующим образом. Стены или перекрытия за счет механического воздействия приводятся в колебательное движение, которое в свою очередь заставляют колебаться частицы воздуха в соседнем помещении.

При ходьбе по междуэтажным перекрытиям (по полу) возникает ударный шум.

Источники корпусного и ударного шума вызывают интенсивные колебания жестких конструкций здания, по которым упругие волны могут распространяться почти без затухания на большие расстояния и создавать нежелательно высокие уровни шума даже в удаленных от источника помещениях (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 – Пути распространения шума в зданиях

1 – воздушный шум; 2 – ударный шум (прямые пути передачи шума);

3 и 4 –косвенные пути; 4’ – структурный шум, излучаемый конструкциями, связанными с механизмами и элементами инженерного оборудования