196873516-Acustica-Cladirilor

Capitolul 5
ACUSTICA CLADIRILOR
 Notiuni introductive
 Caracterizarea fizica a sunetelor
 Notiuni de acustica fiziologica
 Caracteristici subiective ale sunetului
 Confortul acustic in cladiri
 Izolarea unitatilor functionale impotriva
zgomotelor
- aerian
- de impact
1
ACUSTICA CLADIRILOR
Acustica cladirilor se ocupa cu studiul problemelor legate de
propagarea si receptionarea energiei acustice in unitatile
functionale si in teritoriul construit in scopul asigurarii confortului
acustic.
Problemele analizate:
 izolarea fonica a cladirilor;
 tratarea fonoabsorbanta a salilor de auditie.
Pentru analiza se impune cunoastrerea:
 sursei de emisie;
 mediului de propagare;
 receptorului.
Sursa de putere acustica poate fi orice sistem fizic care aflat in
oscilatie, este capabil sa realizeze energia acustica in mediul
inconjurator.
Pot fi:
 construite special pentru a raspandi sunetul in spatiu
(instrumente musicale, difuzoare, sirene etc.);
 la care radierea energiei acustice apare ca urmare a
functionarii (efect secundar – motoare etc.).
In cladiri zgomotele provin din exterior sau din interior (din
exploatarea curenta sau de la spatiile tehnice).
2
Mediul de propagare al undelor
Vibratiile sursei produc dilatari si comprimari succesive ale
particolelor mediului cu care sunt in contact direct. Particulele puse
astfel in miscare antreneaza particulele invecinate s.a.m.d.,
fenomenul se repeta in continuare formandu-se unde elastice, care
iau alternativ forma unor compresiuni sau dilatari succesive ale
mediului. Particulele mediului nu se deplaseaza odata cu unda
elastica. Ele efectueaza numai o miscare oscilatorie, de o parte si
de alta a pozitiei lor de echilibru, facand operatia de transmitere a
undei elastice prin mediul respectiv.
Mediul de propagare al undelor poate fi:
 semiinfinit (mediul exterior);
 limitat (mediul interior cladirilor).
In mediul aerian se pot gasi obstacole care sa influenteze
comportarea undelor acustice.
CARACTERIZAREA FIZICA A
SUNETELOR
1) VITEZA DE PROPAGARE (c) reprezinta spatiul pe care s-a
propagat miscarea oscilatorie, in unitatea de timp.
c
d
t
[m/s]
(1)
unde:
d – distanta parcursa de unda [m];
t – intervalul de timp [s].
3
Viteza de propagare depinde de:
 elasticitatea mediului;
 temperatura mediului;
 umiditatea mediului;
 natura mediului (solide, lichide, gaze).
Mediul
Densitatea
(ρ, in kg/m3)
1.2
1000
Aer la 20C
Apa la 12C
(20C)
Sticla
2400
Aluminiu
2700
Otel
7900
Lemn de brad
510
Lemn de stejar
720
Zidarie din
1800
caramida
Beton
2500
Cauciuc
1000 … 2000
Pamant
1800
Viteza
(c, in m/s)
344
1441
(1480)
6000
5200
5100
4700
4100
4000
Impedanta mediului
(ρc, in Ns/m3)
414
144104
4000
40 … 200
3400
1000104
(4 ... 40)104
610104
1440104
1400104
4000104
240104
290104
720104
ρc = impedanta acustica a mediului
2) LUNGIMEA DE UNDA (λ) reprezinta distanta pe care se
propaga unda in interval de o perioada.
4

c
 cf
T
[m]
(2)
unde:
c – viteza undei [m/s];
T – perioada de timp [s];
f – frecventa [Hz = 1/s];
Deoarece depinde de viteza de propagare a undelor, lungimea
de unda a unui sunet in aer va fi mai mica decat cea a aceluiasi
sunet intr-un mediu solid sa lichid.
Exemplu:
344
Ptr. f = 1000 Hz in aer  
 0.344 m
1000
1441
in apa  
 1.44 m
1000
In aer, in domeniul frecventelor 16 ... 16000 Hz
344

 21.5 m
16
344

 0.0216 m
16000
3) DENSITATEA DE ENERGIE SONORA (E) reprezinta
cantitatea de energie oscilanta continuta de unitatea de volum a
mediului perturbat. Se masoara in [J/m3].
4) PRESIUNEA ACUSTICA (p)
[N/m2]
Se adauga presiunii statice a aerului p0 = 1,013*105 N/m2.
5
Cand o sursa radiaza, oscilatia mediului genereaza o dilataricontractari producand o presiune instantanee.
In calcule se foloseste presiunea eficace (pef) care este media
patratica a presiunii instantanee in intervalul de o oscilatie.
1T 2
p ef 
 dt

T0
[N/m2]
(3)
Ex: la distanta de 1 m de sursa pef = 0.1 N/m2, ptr. conversatie
pef = 1 N/m2, ptr. strigat
pef = 20 N/m2, ptr. motor de avion
5) FLUXUL DE ENERGIE SONORA (Φ) reprezinta energia ce
travereaza o suprafata, normala pe directia de propagare a undelor
sonore, in unitatea de timp.
Se masoara in [J/s = W].
6) INTENSITATEA UNDELOR (I) reprezinta cantitatea de
energie transportata de unda sonora in unitatea de timp prin
unitatea de suprafata.
I

S
sau
I
P
S
[W/m2]
(4)
unde:
P – puterea acustica
Deoarece se masoara greu, se prefera utilizarea formulelor:
sau
p ef2
I
c
I  Ec
[W/m2]
(5)
[W/m2]
(6)
6
Sursa
Puterea acustica
Racheta la rampa de lansare
104 kW
Jet de avion cu reactie
10 kW
Orchestra mare (75 persoane)
50 … 70 w
Pian
0.3 W
Voce puternica
1 mW
Voce normala
20 W
Fosnetul frunzelor
0.001 W
deoarece rezulta un domeniu foarte larg, pentru I se va folosi o
scara logaritmica in baza 10. Aceasta scara a condus la adoptarea
unei marimi noi – nivel acustic.
7) NIVEL DE INTENSITATE ACUSTICA (NI, L sau Li) care
este o marime fizica obiectiva
I
[dB]
(7)
L  10 lg
I0
unde:
I0 = 10-12 W/m2 - intensitatea de referinta (de propagare
pentru f=1000 Hz)
Pentru I = 10-12 ... 1 W/m2, rezulta L = 0 ... 120 dB
8) NIVEL DE PRESIUNE ACUSTICA (Lp) sunetele ajung la
ureche si o impresioneaza prin variatii de presiune.
p
L p  10 lg
[dB]
(8)
p0
unde:
I0 = 10-12 W/m2 - intensitatea de referinta (de propagare
pentru f=1000 Hz)
7
daca se tine seama de (5), rezulta Li  10 lg
I
p
 20 lg
I0
p0
daca se suprapun efectele:
I1  I2  ...  In
p12  p 22  ...  p 2n
(9)
Li  10 lg
 10 lg
I0
p0
NOTIUNI DE ACUSTICA
FIZIOLOGICA
Caracteristici fizice ale sunetului si proprietati derivand din
particularitatile fiziologice ale senzatiei auditive.
DOMENIUL DE AUDIBILITATE
Pentru a fi perceput de urechea umana, sub forma de sunete,
vibratiile acustice care ajung la ureche trebuie sa satisfaca anumite
conditii privind:
 frecventa;
 intensitate;
 durata.
Frecventa:
infrasunete
< 16 Hz
domeniul audibil
16 …. 16000 Hz
ultrasunete
> 16000 Hz
Domeniul audibil se intinde pe 10 octave.
8
unde: 1 oct (octava) = distanta dintre o frecventa si dublul ei
2f
1 oct  lg  lg 2  0.3
f
Intensitatea:
Limita de durata pentru ca un sunet sa fie perceput = 60 msec.
SENZATIA AUDITIVA. LEGEA WEBWR-FECHNER
Senzatia auditiva poate fi considerata o functie de frecventa si
intensitatea sunetului. Sensibilitatea organului auditiv este de asa
natura incat unei vibratii acustice avand o intensitate de doua ori
mai mare decat alta vibratie, nu-i corespunde un sunet de doua ori
mai intens; sunetul corespunzator vibratiei acustice cu intensitate
dubla apare ca ceva mai tare decat sunetul corespunzator celeilalte
vibratii.
Weber si Fechner, au stabilit experimental ca, pentru o
frecventa data, urechea umana are proprietatea ca la intensitati
9
reduse ale sunetului sa sesizeze mai usor variatii mici de intensitate
decat la valori mai mari.
Au stabilit experimental o lege ce are expresia:
I
(10)
S  k 
I
unde:
k – constanta in raport cu intensitatea dar variabila cu
frecventa.
Daca se considera senzatia acustica ca o functie continua de
intensitatea sunetului, prin prelucrari se ajunge la relatia:
Sf , I   k f   ln
I
I p f 
(11)
CARACTERISTICI SUBIECTIVE
ALE SUNETULUI
NIVELUL DE TARIE SONORA
Intensitatea de prag este variabila in functie de frecventa.
Din legea Webwr-Fechner rezulta ca sunete cu frecvente
diferite avand acelasi nivel de intensitate provoaca senzatii acustice
diferite, adica unele sunt percepute ca fiind mai tari, iar altele ca
fiind mai slabe, dupa cum intensitatea de prag este mai scazuta sau
mai ridicata.
10
Din desenul de mai sus desi I/Ip este mai mare pentru f2
decat pentru f1, deci la aceeasi intensitate si respectiv nivel de
intensitate sonora se aud ca fiind mai tari sunetele cu frecventa mai
mare decat cele cu frecventa mai joasa.
Pentru a tine seama de acest aspect, pe langa notiunea de nivel
de intensitate (care reprezinta o marime fizica, obiectiva) s-a
introdus notiunea de nivel de tarie sonora.
  10 log
I
Ip
[foni]
(11)
CURBE DE EGAL NIVEL DE TARIE SONORA (izofone)
11
Pe baza cercetarilor FLETCHER – MUNSON au elaborat
curbele de egal nivel de tarie acustica, care indica influenta pe care
o are frecventa unui sunet asupra senzatiei auditive.
TARIA SONORA (N)
Nivelul de tarie sonora permite ordonarea sunetelor pe o scara
de la “slabe” la “puternice”. Notiunea nu permite insa sa se
aprecieze de cate ori un sunet este mai puternic decat altul.
N
 ( foni)  40
2 10
[soni]
(12)
INALTIMEA SUNETULUI
Tinand seama de inaltimea sunetelor, acestea pot fi ordonate
pe o scara de la sunete joase, grave, la sunete inalte.
Unitatea de masura este “mel” (de la “mellody”).
12
TIMBRUL UNUI SUNET.
REPREZENTARE SPECTRALA
Notiunea de timbru intervine in aprecierea unor sunete
complexe ce au aceeasi frecventa fundamentala (deci aceiasi
inaltime) si acelasi nivel de tarie, care pot fi totusi distinse unele de
altele, prin auz liber. Despre astfel de sunete se spune ca au timbru
diferit.
Helmholz a aratat ca timbrul sunetului depinde de spectrul lui;
pentru aceeasi frecventa fundamentala sunetele vocii, clarinetului
sau pianului vor avea un timbru diferit, datorita spectrului diferit.
Din punct de vedere muzical, un sunet are un timbru cu atat mai
bogat cu cat spectrul lui cuprinde mai multe armonice.
Reprezentarea sunetelor :
- sunet pur
- sunet musical complex
13
- zgomot
In cazul zgomotului, componentele sunetului complex sunt
atat de numeroase si putin distantate, incat sunetul apare cu un
spectru continuu de frecvente intr-o banda larga de frecvente.
CONFORTUL ACUSTIC
IN CLADIRI
Exemple de niveluri de tarie pentru diverse sursr sonore
Sursa sonora
Nivel tarie
(foni)
Fosnetul frunzelor
10
Soapta la 1,5 m
15
Gradina foarte linistita
20
Locuinta foarte linistita
30
Convorbire cu voce tare
65
Strada zgomotoasa
85
Restaurant cu aglomeratie
50
mijlocie
Birou cu masini de
70
dactilografiat
Motor de avion la 3 m
120
14
In raport cu nivelul de tarie al zgomotului, confortul acustic
se defineste in urmatorul mod :
 intr-o unitate functionala, tinand cont de specificul
activitatii, se stabileste un anumit nivel de tarie
admisibil (conf. STAS);
 se considera ca in acea unitate sunt indeplinite
conditiileconfort acustic, daca nivelul de tarie al
zgomotelor produse sau declansate din exteriorul
unitatii functionale este cel mult egal cu nivelul de tarie
admisibil.
Deoarece pentru combaterea zgomotului perturbator este
nevoie sa se cunoasca spectrul zgomotului, in prescriptii, conditiile
admisibile se exprima printr-o anumita curba de egal nivel de
tarie sonora (sunt curbe simplificate care utilizeaza curbele
Fletcher-Munson).
Aceste curbe sunt indicate prin simbolul cz urmat de un
numar de ordine al curbei respective (ex. cz 30) cifra indicand
valoarea nivelului maxim admisibil.
15
Pentru a aprecia daca sunt indeplinite conditiile de confort
acustic, se procedeaza in felul urmator:
 se traseaza spectrul zgomotului perturbator in unitatea
functionala ce se analizeaza;
 se stabileste curba de zgomot definitorie pentru zgomotul
perturbator si se noteaza cu cz,ef (se alege curba de
zgomot care margineste superior spectrul de zgomot
perturbator);
 pe acelasi grafic, curba cz,adm asociata destinatiei unitatii
functionale si tipului de cladire din care face parte;
16
 se considera ca sunt indeplinite conditiile de confort, in
unitatea respectiva, daca este respectata conditia :
cz,ef  cz,adm
(13)
Exemple ale valorilor cz,adm
Tipul de
Unitatea functionala
cladire
Cladiri de
apartamente
locuit
Hoteluri
Camere de locuit si
apartamente
Birouri de administratie
Sali de restaurante
Spitale
Saloane 1 – 2 paturi
Saloane  30 locuri
Sali de operatie
Sali de mese
Scoli
Amfiteatre
Biblioteci
Cancelarii
Numarul de ordine al
curbei cz,adm
30
30
40
45
25
30
30
40
35
30
35
17
IZOLAREA UNITATILOR
FUNCTIONALE
IMPOTRIVA ZGOMOTELOR
Conditia fundamentala necesara indeplinirii confortului
acustic in U.F. din cladiri, este
cz,ef  cz,adm
(13)
Masurile de protectie ale U.F. au drept scop:
 izolarea U.F. impotriva ggomotelor prin intermediul
elementelor delimitattoare ;
 combaterea zgomotelor produse de instalatiile aferente
cladirii.
Functie de pozitia sursei de zgomot, in raport cu elementele
de constructie, zgomotul poate fi :
 aerian ;
 de impact.
In cazul zgomotului aerian, sursa de zgomot emite in aer
(exemple : vorbitul, aparate radio, televizoare etc.).
In cazul zgomotului de impact, sursa de zgomot se afla in
contact cu elementele de constructie (exemple : circulatia pe
pardoseala, caderea obiectelor pe pardoseala, mutatul mobilierului
etc.).
18
IZOLAREA IMPOTRIVA
ZGOMOTULUI AERIAN
In cazul zgomotului aerian, sursa de zgomot actioneaza
asupra elementului de constructie in mod indirect prin intermediul
undelor acustice ce se propaga in aer ; elementul de constructie
excitat de sursa aeriana, vibreaza si devine sursa de zgomot
transmitand energia sonora.
C.E. – camera de emisie, C.R. – camera de receptie
Datorita legaturilor care exista intre elementele de constructie,
transmiterea energiei acustice se realizeaza:
 direct;
 indirect (prin cai colaterale).
Sursa de zgomot emite unde sferice care ajung la toate
elementele de constructie, delimitatoare ale camerei de emisie si le
supune la presiuni. Zgomotul aerian se transmite prin elementele
de constructie se transforma in unde transversale, punand in
miscare astfel elementele de constructie. Elementele de constructie
“ vibreaza ” si transmit zgomotele in celelelate incaperi.
19
In cazul transmiterii directe, zgomotul este receptionat in
camera de receptie, numai prin elementul de constructie care
delimiteaza camera de emisie de camera de receptie.
In cazul transmiterii indirecte (prin cai colaterale),
zgomotul este receptionat in camera de receptie, numai prin
elementul de constructie care delimiteaza camera de emisie de
camera de receptie.
Transmiterea directa
Indicele de atenuare sonora (R) se evalueaza cu formula:
S
[dB]
(14)
R (f )  L1f   L2 f   10 lg
Af 
unde:
L1(f) – nivelul de intensitate sonora in C.E.;
L2(f) – nivelul de intensitate sonora in C.R.;
S – suprafata elementului de separatie dintre C.E. si C.R.;
A – suprafata de absorbtie sonora echivalenta a C.R.;
A   Si  i
[m2]
(15)
άi – coeficientul de absorbtie sonora al materialului de
suprafata Si
Evaluarea globala a capacitati de izolare la zgomot aerian a
unui element separator de U.F. se face prin intermediul indicelui de
izolare la zgomot aerian Ia(Ea).
Conditia care se impune pentru indeplinirea confortului
acustic este:
Ia,ef  Ia,adm
sau
Ea,ef  Ea,adm
(16)
20
Nivelul tariei receptiei depinde de o serie de factori ce depind
in principal de elementul de constructie delimitator. Dintre acesti
factori se pot aminti:
 modul de rezolvare constructiva;
 existenta golurilor (patrunse sau nu, numarul,
dimensiunile, distributia, modalitatea de etansare
acustica in jurul golurilor, modalitatea de rezolvare al
elementelor de mascare al golurilor etc.);
 modalitatea de ancorare perimetrala etc.
Din punct de vedere al rezolvarii constructive al elementelor
de constructie putem discuta de:
 elemente masive (legea Berger);
f m
[dB]
(16)
R  20 lg
c
unde:
f – frecventa sunetului, [Hz];
m – masa unitara a elementului, [kg/m2];
ρ – densitatea aerului, [kg/m3];
c – viteza de propagare a sunetului in aer, [m/s].
sau inlocuind coeficientii cu valorile corespunzatoare si pentru o
valoare a frecventei de 500 Hz, se obtine:
m
[dB]
(17)
E a  20 lg
350
21
 elemente multistrat.
Existenta golurilor in elementele de constructie, conduce la
cresterea nivelului tariei zgomotului receptionat.

 R 0  R1 
S
R  R 0  10 lg 1  1 10 10  1
[dB]
(18)
 S0




unde:
“0” – elementul plin;
“1” – golul;
22
Din punct de vedere al modalitatii de ancorare perimetrala,
pentru elementele nestructurale, se recomanda utilizarea detaliilor
cu prinderi elastice.
Transmiterea indirecta (prin cai colaterale)
Cresterea indicelui de atenuare sonora (Rc) se evalueaza cu
formula:
Z

R c  20 lg  I  1
[dB]
(19)
 ZF 
unde:
ZI – impedanta mecanica corespunzatoare elementului de
constructie considerat, in [daNs/m];
ZII – impedanta mecanica medie a elementulelor de
constructie adiacente elementului considerat,
in [daNs/m];
23
IZOLAREA IMPOTRIVA
ZGOMOTULUI DE IMPACT
In cazul zgomotului de impact, sursa de zgomot actioneaza in
mod direct asupra elementului de constructie.
Excitatia sonora se transforma in unde transversale care se
transmit in toata structura de rezistenta (mediu solid), supunand la
vibratii elementele de rezistenta. Acestea din urma devin surse de
zgomot, transmitand energia sonora in toate U.F. ale cladirii.
Protectia inpotriva zgomotului de impact se realizeaza prin
doua metode:
 in cazul pardoselilor se adopta solutii de tip pardoseala
pe dala flotanta;
24
Exemple de valori ale imbunatatirii indicelui de izolare la
zgomot de impact (EI), pentru diverse solutii de rezolvare al
pardoselilor :
Tipul de pardoseala
EI
(dB)
+7
Covoare si dale PVC fara suport textil cu
grosimi de 1,5 ... 2 mm
Covoare PVC cu suport textil tesut cu grosimi de
+9
2 ... 2,5 mm
Covoare PVC cu substrat fonoizolator din PVC
+16
expandat cu grosimea de cel putin 2,5 mm
Parchet L.U. lipit pe placi fibrolemnoase poroase +10 (+14)
de 16 (25) mm grosime
Mocheta netesuta
+20
Conditia care se impune pentru indeplinirea confortului
acustic este:
Ln,w,ef  Ln,w,adm
(20)
 in cazul zgomotelor provenind din instalatii se adopta
“camasuirea” elementelor de prindere utilizand materiale
fonoabsorbante (dibluri cu camasa din PVC, dibluri
ancorate in ghermele din lemn, coliere cu garnituri din
cauciuc etc.).
25
ACUSTICA CLĂDIRILOR
ÎNTREBĂRI PENTRU EXAMEN
1. Caracterizarea fizică a sunetelor (viteza de propagare, lungimea de undă,
densitatea de energie acustică, presiunea acustică, fluxul de energie sonoră,
intensitatea undelor sonore).
2. Definiţi nivelul de intensitate acustică şi nivelul de presiune acustică.
3. Domeniul de audibilitate.
4. Senzaţia auditivă. Legea Weber-Fechner.
5. Nivel de tărie sonoră, curbele de zgomot, tăria sonoră, înălţimea sunetului,
timbrul unui sunet.
6. Definirea confortului acustic în unităţile funcţionale din clădiri.
7. Izolarea unităţilor funcţionale împotriva zgomotului aerian.
8. Izolarea unităţilor funcţionale împotriva zgomotului de impact.
26