Akustyka wnętrz. Podstawowe informacje

Ze względu na różnorodność działów akustyka jest obecnie traktowana jako nauka interdyscyplinarna obejmująca oprócz akustyki ogólnej, zajmującej się zagadnieniami podstawowymi, również szereg działów akustyki stosowanej, zajmujących się praktycznym zastosowaniem zjawisk akustycznych.

Mamy więc – na przykład – najbliższą „sercu naszemu” elektroakustykę czy akustykę słuchu, ale też i geoakustykę, akustykę przemysłową (wibroakustykę), bioakustykę, akustykę kryminalną czy też nawet akustykę okrętową. Jest też dział akustyki, nazwany ogólnie akustyką foniczną, zajmujący się generalnie zakresem fal akustycznych słyszalnych dla człowieka, czyli 20 Hz-20 kHz. Akustyka foniczna dzieli się na kilka różnych dyscyplin – np. akustykę mowy, akustykę muzyczną czy wreszcie akustykę wnętrz, która z kolei również podlega podziałowi na akustykę architektoniczną i budowlaną, akustykę urbanistyczną i akustykę środowiskową.

Nas w tym i w kolejnych artykułach będzie interesować właśnie akustyka wnętrz, a konkretnie jej „rozdział” dotyczący akustyki architektonicznej i budowlanej.

CZEGO DOTYCZY AKUSTYKA BUDOWLANA?

Problemy akustyczne występujące w budownictwie można podzielić na dwie grupy:

1. Ochrona przeciwdźwiękowa (przeciwhałasowa)
2. Akustyka wnętrz

Do pierwszej grupy zalicza się zagadnienia związane z eliminowaniem lub ograniczaniem poziomu hałasu oraz ze zmniejszaniem stopnia przenikania hałasu do pomieszczeń podlegających ochronie przeciwdźwiękowej. Dokonuje się tego m.in. przez wybór odpowiedniego dla danej lokalizacji systemu konstrukcyjnego budynków, właściwe rozplanowanie pomieszczeń w stosunku do zewnętrznych i wewnętrznych źródeł hałasu, ograniczanie dróg rozprzestrzeniania się dźwięków materiałowych poprzez konstrukcję budynku – przez stosowanie dylatacji lub przekładek elastycznych (wibroizolatorów), ograniczanie rozprzestrzeniania się dźwięków rozchodzących się w powietrzu – przez stosowanie przegród budowlanych o odpowiedniej izolacyjności akustycznej, izolowanie hałaśliwych maszyn lub urządzeń oraz stosowanie materiałów i ustrojów dźwiękochłonnych do zmniejszania poziomu hałasu w pomieszczeniach wymagających ciszy.

Do drugiej grupy zalicza się zagadnienia związane z kształtowaniem specjalnych warunków akustycznych w obiektach budowlanych, zarówno budownictwa ogólnego (akustyka wnętrz budowlanych), jak i specjalnych wnętrz urbanistycznych, jak sale koncertowe, teatry, amfiteatry, kina, itp. (akustyka wnętrz urbanistycznych).

Poprawne pod względem akustycznym, a zarazem ekonomiczne rozwiązanie zagadnień należących do obu grup jest możliwe tylko wtedy, gdy ich opracowanie zostanie podjęte odpowiednio wcześnie, najlepiej na etapie opracowywania założeń techniczno-ekonomicznych. W przypadku zbyt późnego przestąpienia do rozważań nad zagadnieniami akustycznymi mogą zaistnieć zasadnicze błędy, uniemożliwiające ekonomiczne rozwiązanie ochrony przeciwdźwiękowej i/lub akustyki wnętrz. Podkreślić należy też, iż zapewnienie właściwych warunków akustycznych zależy nie tylko od poprawnie wykonanego projektu, ale również od właściwej jego realizacji na etapie budowy i wykańczania. Dlatego istotną sprawą jest, aby udział akustyka w procesie tworzenia lub przebudowy obiektu był od początku do końca, a więc od wspomnianego etapu założeń technicznych i wstępnego projektu, do czasu zakończenia prac nad obiektem. Na etapie prac budowlanych udział akustyka przejawia się w formie nadzoru nad wykonywaniem prac istotnych dla uzyskania efektu końcowego (właściwej izolacyjności i/lub odpowiednich warunków akustycznych).

CYKL ARTYKUŁÓW

Jak wspomniano w relacji z konferencji szkoleniowej „Akustyka na etapie projektowania, wykonawstwa i użytkowania obiektów budowlanych” trzeba wiele lat nauki (studiów), a później również sporo lat praktyki w temacie akustyki budowlanej, aby móc uznać się za eksperta. Nie „usprawiedliwia” to jednak w żaden sposób braku zainteresowania tą dziedziną, szczególnie przez architektów, na których przecież w głównej mierze ciąży odpowiedzialność za właściwe zaprojektowanie nowego czy przebudowywanego obiektu, tak aby był nie tylko ładny, ale również funkcjonalny (tzn. spełniał swoją rolę, a więc – jeśli jest to wymagane – miał odpowiednie warunki akustyczne). Również ludzie, którzy na co dzień nie zajmują się tematyką akustyki wnętrz, ale z racji wykonywanej pracy działają w tym obszarze – mam na myśli projektantów i inżynierów systemów nagłośnieniowych (zarówno tych montowanych na stałe, instalacyjnych, jak i mobilnych) i realizatorów dźwięku – również powinni mieć świadomość ograniczeń jakie „wprowadzają” przestrzenie zamknięte, a więc wiedzieć co nieco o akustyce wnętrz. Stąd pomysł na ten cykl artykułów, w których będziemy starali się przekazywać najistotniejsze informacje dotyczące izolacyjności oraz adaptacji akustycznych, a także prezentować konkretne rozwiązania wykorzystywane w obiektach, w których dużą uwagę przykłada się do uzyskania odpowiednich warunków akustycznych.

Na początek nie może niestety obyć się bez kilku podstawowych informacji. Aby rozpatrywać „zachowanie” się dźwięku w obiektach musimy wiedzieć co nieco o

ROZCHODZENIU SIĘ FAL DŹWIĘKOWYCH

Fale dźwiękowe mogą rozchodzić się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych – nas najbardziej interesować będą te pierwsze i te ostatnie.

W ośrodku gazowym rozchodzą się wyłącznie fale podłużne. Prędkość dźwięku w powietrzu zmienia się nieznacznie wraz ze zmianą temperatury, ciśnienia i innych czynników, jak mgła, zadymienie czy wilgotność. W obliczeniach akustycznych prędkość dźwięku przyjmuje się zazwyczaj równą około 340-345 m/s, zależnie od temperatury i ciśnienia barometrycznego.

W ciałach stałych, oprócz fal podłużnych, może występować kilka innych rodzajów fal. Najważniejsze z nich to fale podłużne, poprzeczne, giętne, powierzchniowe i wzdłużne (patrz rysunek 1). Prędkość dźwięku w tych ciałach zależy zarówno od modułu sprężystości danego materiału w różnych kierunkach, jak też od kształtu elementu.

Fala dźwiękowa przechodząc z jednego ośrodka do drugiego, o innej oporności akustycznej, ulega odbiciu, pochłanianiu i załamaniu. Natrafiając zaś na przeszkodę fala dźwiękowa ulega ugięciu – jej amplituda może wzrosnąć lub zmaleć, a tuż za przeszkodą może (w określonych warunkach) utworzyć się cień akustyczny. Fala dźwiękowa, natrafiając na swej drodze na odpowiedni element, może pobudzić go do drgań wskutek zjawiska rezonansu.

ODBICIE I POCHŁANIANIE

Fala dźwiękowa, natrafiając na swej drodze na ośrodek o innej oporności akustycznej zostaje, zgodnie z zasadą Huygensa, częściowo odbita, a częściowo pochłonięta (rysunek 2). Zanim jednak coś więcej o tych zjawiskach, wyjaśnijmy sobie co to jest ta oporność akustyczna.

Wielkością charakteryzującą opór ośrodka w rozprzestrzenianiu się fali akustycznej jest oporność falowa Zf określana jako:

gdzie:
p_m – amplituda ciśnienia akustycznego
v – amplituda prędkości drgań cząsteczki.

Oporność falowa nie oznacza strat energii fali w ośrodku, lecz charakteryzuje prędkość drgań cząsteczek przy określonej wartości ciśnienia akustycznego.

No dobrze, wiemy co to oporność falowa, ale co to ma do oporności akustycznej? Otóż w odległości od źródła fali akustycznej, przekraczającej znacznie długość tejże fali (czyli tam gdzie czoło fali kulistej zbliża się do kształtu fali płaskiej), oporność falowa jest równa oporności akustycznej właściwej ośrodka Zo, którą można obliczyć ze wzoru:

gdzie:
ρ_o – gęstość ośrodka [kg/m3]
c – prędkość dźwięku w tym ośrodku [m/s]

Oporność akustyczną właściwą mierzy się w niutonosekundach na metr sześcienny lub w omach akustycznych jednostkowych, czyli w rejlach.

Wróćmy do odbicia fali. Odbicie fali dźwiękowej płaskiej od powierzchni następuje zgodnie z zasadą, iż kąt padania fali jest równy kątowi odbicia (rysunek 2b). Kształt przeszkody wpływa na kształt czoła fali odbitej – przeszkoda wklęsła skupia fale, wypukła je rozprasza, a powierzchnia płaska odbija fale bez zmiany kształtu ich czoła (rysunek 3).

Jeżeli wymiary przeszkody są duże w stosunku do długości fali, następuje odbicie fali od przeszkody. Jedynie ugięcie fal na brzegach przeszkody pozwala na przedostanie się tych fal w obszar cienia akustycznego. Współczynnik odbicia fali dźwiękowej określa się z wyrażenia:

gdzie:
E_odb – energia dźwiękowa fali odbitej
E_pad – energia dźwiękowa fali padającej
I_odb – natężenie dźwięku fali odbitej
I_pad – natężenie dźwięku fali padającej

W przypadku fali płaskiej lub fali kulistej, ale w dostatecznie dużej odległości od źródła, współczynnik odbicia jest zależny od oporności akustycznych właściwych obu ośrodków:

gdzie:
Z₁=ρ₁c₁ – oporność właściwa ośrodka 1, w którym znajduje się źródło dźwięku
Z₂=ρ₂c₂ – oporność właściwa ośrodka 2, od którego odbija się fala akustyczna

Energia, która przeniknęła do drugiego ośrodka może być scharakteryzowana przez współczynnik pochłaniania:

gdzie:
E_pochł – energia fali pochłoniętej
I_pochł – natężenie dźwięku fali pochłoniętej

Współczynniki α i β są związane zależnością:

W wyniku zjawiska interferencji energie fali odbitej i padającej sumują się, co daje w efekcie wzmocnienie lub osłabienie energii dźwiękowej w danym ośrodku, w porównaniu do przypadku rozchodzenia się fali dźwiękowej w przestrzeni nieograniczonej.

Jak już wspomniałem fala dźwiękowa padająca na powierzchnię wypukłą ulega rozproszeniu, zaś padające na powierzchnię wklęsłą ulega skupieniu (rysunek 4).

Zjawisko to odgrywa bardzo ważną rolę przy kształtowaniu warunków akustycznych w salach audytoryjnych, koncertowych, teatralnych, kinowych, itp. Zastosowanie powierzchni wklęsłych może powodować skupianie na małej powierzchni fal odbitych. Prowadzi to do zwiększenia w tym miejscu natężenia dźwięku i może powodować nierównomierność pola akustycznego w danym pomieszczeniu (rysunek 5).

W kolejnym artykule przejdziemy do bardziej konkretnych informacji, tzn. do rozchodzenia się dźwięku w pomieszczeniach zamkniętych.

Piotr Sadłoń

---

Przy tworzeniu artykułu autor korzystał z publikacji „Akustyka architektoniczna” Jerzego Sadowskiego oraz „Podstawy elektroakustyki” Zbigniewa Żyszkowskiego.