Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Transcript

1 Odrazné plochy Transport zvuku na vzdialenejšie miesta Kritický faktor zmiešavanie priameho a odrazeného zvuku Časové a frekvenčné hľadisko riziká vzniku ozveny, zvlnenie frekvenčnej charakteristiky Odrazná plocha ako rozptylový prvok (difúzor) Homogénne zvukové pole dobrá difuzita zvuku = kvalitný zvukový vnem Difúzne prvky ihlany, kuţele, valcové plochy... Hlavné kritéria difuzita zvuku v priestorovej aj časovej oblasti odraz do celej polroviny, v čo najširšom frekvenčnom pásme Teoretické princípy a metodika Manfred R. Schroeder, 70-te roky Súvislosť medzi odrazivou štruktúrou a vlnovou dĺţkou priestorová nerovnosť porovnateľná s dĺţkou vlny Najjednoduchšie difúzory vypuklé geometrické útvary Často súčasť architektúry Ťaţká regulácia rozptylných vlastností striedanie plôch s rôznou akustickou impedanciou nízka účinnosť rozptylu

2 Difúzory zaloţené na pseudonáhodných postupnostiach Jedno alebo dvojrozmené útvary s hĺbkou/šírkou danou matematickou postupnosťou Difúzory MLS (Maximum Lenght Sequence): Výkonové spektrum a rozptyl je viazané cez Fourierovu transformáciu pásy akusticky tvrdého materiálu s rôznou šírkou (menšou ako ½ vlnovej dĺţky pracovnej frekvencie Obmedzená šírka pásma Difúzory QRD (Quadratic Residue Diff.) rozšírenie účinnej oblasti Difúzory RPG ( Sústava dráţok (šachiet) rovnakej šírky s premenlivou hĺbkou Vlny odrazené v jednotlivých dráţkach majú rôzne oneskorenie/fázu Na povrch dochádza k difrakcii vlnenia rozptyl do priestoru Periodická štruktúra panelov zloţených z jednotlivých blokov Rozsah pracovných frekvencií f min, f max určuje základné rozmery panela:

3 Šírka šachty: b c. f 0 max [m] Predbeţný počet šachiet v bloku: N f p 1 max f kde p je počet poţadovaných lalokov smerovej charakteristiky v uhle 180 pri frekvencii f min (p>= 5) Počet šachiet vţdy prvočíslo (N = 1,3,5,7,11...) Väčší počet šachiet lepší rozptyl Hĺbky šachiet kvadratický rad min, n. c 0 n d n n N. TRC. N. f min N kde n = 0, 1,...N-1 TRC () predstavuje celú časť výrazu v zátvorke.

4 Dlhá perióda opakovania spolu s veľkým počtom hlbokých šachiet širokopásmovosť 3D difúzor lepšie difúzne vlastnosti Optimálne parametre priestorov na spracovanie zvuku (ČSN/STN 73056, 57) V zátvorke minimálne/maximálne hodnoty Typ štúdia Objem [m3] T60/1kHz [s] Počet Pozn. účinkujúcich hudobné - M >800 (600) (1) prirodzený dozvuk Hudobné - M >000 (1500) (5) Umelý dozvuk Hudobné - S >4000 (3000) > (60) 0.1s 80Hz-8k Hudobné - V >1000 (9000) s 80Hz-8k Hlásateľna >10 (90) (3) Pokles T pod 160 Hz Činohra - S >500 (50) (15) Umelý plenér >300 (00) (10) Pretlmené št. TV hlásateľňa Pokles T pod 00 Hz TV štúdio-m Pokles T pod 00 Hz TV štúdio - V Pokles T pod 00 Hz Filmové - M Pokles T pod 00 Hz Filmové - V Pokles T pod 00 Hz 000 Réţia, posluch s 80Hz-8k Dozvuková >150 (100) >.5 komora Skúšobňa >3000 (000) Mix. hala >900 (700)

5 Kino 0,55 (M) 0,7(V) AV učebňa 00 0,6 poslucháreň ,5 (M) 1,1(V) Hluk neţiadúci rušivý zvuk, úroveň rušenia závisí na mnohých činiteľoch: Technologické účinky hluku ovplyvnenie odstupu signál/hluk v miestnostiach na záznam, spracovanie, kontrolu zvukovej produkcie Hladina hluku pozadia závisí na charaktere priestoru Zvukové štúdia pre samostatné snímanie zvuku (Hudba, reč) Súčasné snímanie obrazu a zvuku (filmové štúdia, TV štúdio) Delené podľa objemu (malé, stredné, veľké) Prípustné hladiny hluku [db, lin.]: Typ 63 Hz 50 Hz 1 khz khz 4 khz 8 khz A 43 db db 10 db 6-10 db 4-10 db -10 db B 47 db 4 db 15 db 1 db 8-10 db 7-10 db C 50 db 31 db 0 db 16 db db 1-14 db A hlásateľne, malé hudobné a činoherné štúdio, koncertná sála, kino B Hudobné štúdio, štúdio hovoreného slova C filmové a TV štúdia Účinky hluku na človeka: Špecifické účinky vnímané sluchovým orgánom

6 Maskovacie efekty, zrozumiteľnosť Ovplyvňovanie pozornosti,... Poškodenie sluchu Systémové účinky vnímané cez štruktúry nervového systému Zvýšenie dráţdivosti centrálneho aj vegetatívneho nervového systému (prah 65 db/a) Poruchy motoriky, zmyslovo-motorických funkcií, deformácia zorného pola Poruchy spánku (35 db/a), budenie (45 db/a) Zhoršenie komunikácie v skupine Poruchy centrálneho nerv. systému Z externého prostredia (a) Vznikajúci vnútri budovy (b, c) Prienik hluku do miestnosti Hluk šírený vzduchom šírenie zvuku v uzatvorenom priestore, difúzny zvuk (b) Hluk šírený konštrukciou vibrácie sa prenášajú cez konštrukciu (c)

7 Vznikajúci systematicky Vznikajúci náhodne (ťaţko merateľný, nedefinovaný) Akustický výkon P A [W] pohltený stenou s plochou S [m] a činiteľom pohltivosti, ak zdroj má intenzitu I 1 [w.m - ] : P A I1. S. 4 Akustický výkon P B [W] prechádzajúci stenou s plochou S [m] a činiteľom priezvučnosti, ak zdroj má intenzitu I 1 [w.m - ] : I1. S. P B 4

8 Vyjadríme výkony ako hladiny ak. výkonu, logaritmujeme a pouţijeme vzťah na meranie výkonu cez pohltivosť miestnosti: L 1 L 10. log S A Nepriezvučnosť [ db] - frekvenčne závislá veličina, charakterizujúca prestup zvukovej energie cez oddeľovaciu konštrukciu (stenu) Laboratórna 1 Stavebná i 1 = i C (ľahká utesnená konštrukciatehla, betón: C = - 3 db, obvodový múr C = 0 db) 1 10log [db]

9 f a Nepriezvučnosť jednoduchej steny Jednovrstvové a viacvrstvové štruktúry, homogénne alebo s pravidelnými dutinami Silná a nelineárna frekvenčná závislosť nepriezvučnosti (meranie tretinooktávovými filtrami): Oblasť nízkych frekvencií: doska sa chová ako rezonátor, vlastnosti závisia na rýchlosti šírenia pozdĺţnej vlny v materiále c B, Oblasť stredných frekvencií: lineárna závislosť nepriezvučnosti 6 db/okt (a rovnako 6 db na dvojnásobok hmotnosti steny, hmotnostný zákon) Oblasť vysokých frekvencií: nelinearita vplyvom vlnovej koincidencie. V oblasti najniţších frekvencií rezonancia tuhej dosky rozmery a x b, hrúbka h:, b 0,45. h. c P i a j b i, j = 1,...n c P - rýchlosť šírenia pozdĺţneho vlnenia v materiáli

10 c P E. 1 Závisí na: dynamickom module pruţnosti na ohyb E [kg/(m.s )] Poissonovom pomere priečnej kontrakcie (0,5 0,30 ) Objemovej hmotnosti priečky ρ [kg.m -3 ]. Amplitúda v rezonancii závisí na konštante tlmenia v materiále η Oblasť stredných frekvencií: tlmenie narastá lineárne s frekvenciou a hmotou dosky: 0.logm. f 47, 5 [db] Oblasť vyšších frekvencií: vplyv koincidencie (súčasného pôsobenia) fázového vlnenia zvuku a ohybových vĺn v materiále Fázová rýchlosť šírenia ohybových vĺn v doske: c B 4. B / m [m.s -1 ]

11 je úhlová frekvencia zvuku[rad] m plošná hmotnosť [kg.m - ] B - ohybová tuhosť dosky: B E. h [kg.m.s - ] Po úprave: cb 1,8138. cp. h. f Pre φ = 90 nastáva kritiká frekvencia (c B = c 0 ): f k c. h B Ak zavedieme: pomer rýchlosti šírenia ohybových vĺn a fázovej rýchlosti zvuku vo vzduchu: Substitúciu: X c B c 0

12 y. m.. 0 c0 môţeme vyjadriť nepriezvučnosť jednoduchej priečky na ktorú dopadá zvuková vlna pod uhlom φ vzťahom: y.cos. X.sin y.cos 1 X sin 10.log Pre mäkké priečky a nízke frekvencie (X<1) sa zjednoduší na: Pre kolmý dopad zvuku: 0 0.log m 0.log f 47,5 Pre náhodný uhol:(difúzne pole): RND 0.log0,3. Praktický odhad nepriezvučnosti jednoduchej priečky (Watters) log 1 y.cos 0 Potrebné parametre: Hrúbka steny h [m]

13 Objemová hmotnosť ρ [kg.m -3 ] Rýchlosť šírenia pozdĺţnych vĺn c B [m.s -1 ] Stratový činiteľ materiálu η Poloha bodov A, B a C: f 0,4. A f k 0,1 0,157 f 1,33.. B f A f. C f B A m. f 47, 5 0.log A Frekvenčný rozsah Vzorec na výpočet nepriezvučnosti f < f A 0log f / f A <f < f B A A f A f B <f < f C 100/3.log f / A f B f > f C 10 0log f / A f C Materiálové konštanty niektorých materiálov Materiál ρ [kg.m -3 ] c B [m.s -1 ] η

14 Betón ,08 Ľahčený betón ,07 Drevotrieska ,05 Sádrokartón ,01 Tehlová stena ,035 Polystyrén ,0 Príklad: Tehlová stena šírka 30 cm, rozmery 3 x 4 m : f rez = 49 Hz, f K = 100,8 Hz, f A = 8,8 Hz, f B = 137 Hz, f C = 74 Hz A = 36,3 db Iné pribliţné vyjadrenie (Berger): Berger 18.log m 1.log f 5 Tie isté parametre: : Berger = 41,7 db Treba vypočítať/zmerať parametre v tretinooktávových pásmach (16 hodnôt) V stavebnej praxi obľúbená jediná hodnota: Váţená stavebná nepriezvučnosť

15 Frekvenčná závislosť a hodnoty nepriezvučnosti dané tabuľkou/grafom referenčná krivka (RK) Zmerané/vypočítané hodnoty zakreslené do grafu Posun referenčnej krivky len vo zvislom smere s krokom 1 db Súčet rozdielov RK a nameraných údajov max 3 db, len smerom dolu Priesečník posunutej RK pri 500 Hz hodnota váţenej nepriezvučnosti Faktory prispôsobenia spektru Lepšie vyjadruje spektrálne vlastnosti hluku Vyjadrené koeficientami C, C x [db] C = Y - w, Y 10.log C x = X - w 10 0,1 L i i 10.log i= 1,, 16 (číslo frekvenčného pásma) i nameraná/vypočítaná hodnota nepriezvučnosti pre pásmo i X 10 0,1 K i i

16 L, K - tabelizované spektrálne hodnoty akustického tlaku: i f [Hz] L [db] K [db] Výsledná váţená laboratórna (vypočítaná) hodnota v tvare: w (C, C x ) Výsledná stavebná hodnota:, w = w C Dvojprvkové konštrukcie: Dve jednoduché ohybovo tuhé konštrukcie oddelené vzduchovou medzerou Dve ohybovo poddajné navzájom minimálne spojené (3 body/m) Tuhá/ohybová spojené, d min = 50 cm i 0,05 i i 0.log , 05 Výsledná hodnota nepriezvučnosti: celk i Celé spracovanie rovnaké ako pre váţenú nepriezvučnosť. Nárast tlmenia vzduchovej medzery s jej šírkou (d), ale: D Rezonancia typu hmotnosť poddajnosť hmotnosť d m V oblasti rezonancie f R klesá nepriezvučnosť pod hodnotu pre jednoduchú konštrukciu musí byť dostatočne nízka hodnota f R f R 1 1 m

17 na hodnotách polvlnovej rezonancie (k. f P ) klesá prírastok na nulu (vplyv stojatého vlnenia v medze:re) c0 f P. d Vplyv rezonancií na celkový priebeh nepriezvučnosti Šírka medzery 5 cm 10 cm / tlmenie +1dB/cm Nad 0 cm konštantné tlmenie medzerou Rezonancie je moţné zníţiť zatlmením medzery pohltivým materiálom () Aproximácia priebehu tlmenia medzery: Maximálne dosiahnuteľné tlmenie D: D cm d /0,07 0,6. q r 3, log q.log d / 0,07 0,6. q r 3, 8 D7 cm

18 q parameter tuhosti čiastkových konštrukcií (hrubý odhad: obe sú tuhé, q = 1; aspoň jedna poddajná q = 0) r 10log 1500Hz r - pohltivosť tlmiaceho materiálu medzery pre 500 Hz Príklad: (pre jednu frekvenciu, ostatné podobne) 1 = 45,5 db, = 5 db, D = 1 db celk = 0log(188,36+17,8)+1 =58,3 db Pridaním ďaľších vrstiev stúpa tlmenie veľmi málo Zloţené konštrukcie stena s výplňou (okná, dvere, iné stavebné otvory) Nepriezvučnosť ovplyvňujú všetky prvky zloţenej konštrukcie: 10.log S 10.log n 0,1 i Si.10 i1 Klasifikácia / hodnota (Vhodnosť pouţitia podľa NP STN EN :006) Akustické vlastnosti Tlmenie výplne podstatný vplyv na tlmenie nepriezvučnosti Okno:

19 Počet a hrúbka skla, spôsob upevnenia v okennom krídle: rast hrúbky rast hmotnosti, vyššie tlmenie. ) Taţký rám/krídlo vyššie tlmenie Šírka vzduchovej medzery medzi sklami nárast tlmenia (optimum 10 0 cm medzi sklami Tesnenie rám/krídlo, rám/stena Pruţné uloţenie sklenených tabúľ do rámu (silikónová guma) Rôznobeţné usporiadanie skiel (polvlnové rezonancie, stojaté vlny) Nalepenie (akustickej) PVB fólie (Polyvinyl Butyral) Výpočty sú veľmi pribliţné, treba merať. Dvere: hmotnosť materiálu a vnútorná výplň (moţnosť zlepšiť nepriezvučnosť o 10 0 db (drevené rámy a dvere spravidla horšie, hmotnosť, kritická frekvencia v akustickom pásme) dokonalé utesnenie všetkých špár (závesy dverí, prahy) Vonkajšie úpravy dverí (tapacírovanie dostatočne hrubým materiálom) Beţné dvere trieda, bezpečnostné dvere trieda 3 aţ 4 Hluk šírený konštrukciou krokový (kročajový) hluk

20 Dynamické namáhanie podlahy mechanickými rázmi (kroky, nábytok, pády telies, ) Vybudenie ohybových vĺn v konštrukcii a prenos hluku do okolia Vybudenie priestoru generátorom normalizovaného krokového hluku Vyhodnotenie úrovne akustického tlaku v okolitých miestnostiach v pásme 100 Hz aţ 3150 Hz po 1/3 oktávy Stanovenie váţenej hodnoty (vyššie uvedený graf aj postup) Normalizovaná hladina akustického tlaku krokového hluku L: L L 10log A / A0 A 0 referenčná pohltivosť 10 m, A pohltivosť v prijímacej miestnosti. Rezonancie strop-výplň-podlaha, iný mechanizmus ako v priečke (pruţnina/vzduchový vankúš) Zdroj: Internet Ako zabezpečiť nepriezvučnosť Nepriezvučnosť/pohltivosť protichodné poţiadavky treba riešiť osobitne Nárast plošnej a objemovej hmotnosti steny

21 Nárast hrúbky steny Vzduchotesnosť Voľba materiálov s niţšou ohybovou tuhosťou ale veľkou hmotnosťou (protichodné) Riešenie starých otcov: hlinený násyp Dvojité steny, stena s predstenou (tehla/panel vzduch-sadrokartón) Minimálna mechanická väzba medzi konštrukciami Pouţívanie atypických okien/dverí optimalizovaných z hľadiska nepriezvučnosti Ţiadne únikové cesty pre zvuk Vţdy kompromis medzi stavebnými /architektonickými /tepelnoizolačnými/akustickými/ poţiadavkami Extrémne riešenie miestnosť v miestnosti :

22

23 From: P.Newell, Recording Studio design. Elsevier, 01