Akustika uzavretých priestorov
Meno: Miloš Pomoty
Št. skupina: 3201C
Úvod
Zvuk je každé hmotné vlnenie, ktoré vníma ľudský sluch. Frekvenčný rozsah ľudského sluchového vnemu sa udáva od 16 Hz do 20kHz. Práve ľudský sluch využíva schopnosť počuť pomocou jednoduchého a súčasne zložitého orgánu, ktorým ľudské ucho naozaj je. Aby sme dosahovali čo najväčšiu kvalitu zvuku, bolo treba zaviesť určité pravidlá, resp. zákony šírenia zvuku ako akustického hmotného vlnenia. Zaviedli sa teda oblasti akustiky, ktoré si v tejto práci aspoň z časti priblížime. Kedže oblasti akustiky sú obšírne, budem sa zaoberať len Akustikou uzavretých priestorov.
Geometrická akustika
Kritériá akustiky
Akustické materiály
Porézne materiály
Materiály využívajúce rezonančný princíp
Optimálna doba dozvuku a uskutočnenie akustických úprav
obrazová príloha
použitá literatúra a dokumenty
1, Geometrická akustika
Zákony šírenia zvuku v uzavretých priestoroch sú v podstate zvláštnymi prípadmi obecných zákonov pre šírenie vlnenia. Ak sa nachádza v smere šírenia zvukovej vlny prekážka, dochádza k dvom javom:
odrazu
ohybu zvukovej vlny
O tom, ktorý z oboch javov bude prevládať rozhodujú rozmery prekážky v zrovnaní s vlnovou dĺžkou zvuku. Čím väčšie sú rozmery prekážky, tým viac sa z hľadiska odrazov blížia zvukové vlny svojim chovaním svetelným papršlekom. V uzavretých priestoroch sa šíria zvukové vlny zo zdroja do daného miesta priamo a odrazom od stien obklopujúcich tento priestor. Odrazové plochy stien nebývajú vždy rovné. Ich krivosť, alebo členitosť povrchu sa teda uplatňuje tým viac, čím väčšie sú ich rozmery, v porovnaní s vlnovou dĺžkou. Pod pojmom geometrická akustika, rozumieme oblasť, ktorá sa zaoberá odrazmi zvukových vĺn od prekážok za predpokladu, že nenastáva ohyb zvuku. V tomto prípade môžeme podobne ako v optike zaviesť pojem zvukového papršleka, pre ktorý platí zákon rovnosti uhlov dopadu a odrazu.
Pri zisťovaní odrazu zvukových vĺn sa používajú zvukové papršleky, ktoré udávajú smer šírenia zvukovej energie a zároveň sa sleduje tvar čela zvukovej vlna v určitom okamihu. Pod pojmom čelo vlny sa rozumie plocha, spájajúce tie body priestoru, v ktorých sú častice prostredia, ktoré zvukový impulz vyslaný zdrojom začína v určitom okamihu vychyľovať z rovnobežnej polohy.
Odraz zvuku od rovných plôch.
Princíp zisťovania priebehu zvukových papršlekov je znázornený na obr. 1. pri rekonštrukcii tohto javu sa výhodne využíva zdanlivý zdroj F, ktorý je zrkadlovým obrazom zdroja zvuku A. odrazený papršlek sa chová tak, ako – by po odraze vychádzal z bodu F.
Na obr. 2 je znázornená konštrukcia čela vlny vychádzajúceho z bodového zdroja zvuku M. Ak dochádza k odrazu zvuku od niekoľkých stien musíme počítať s väčším množstvom odrazov. Zvláštny prípad odrazov od roviny stien nastane vtedy, ak stoja steny k sebe kolmo na obr.3. Konštrukcia čela vlny na základe ľubovolného počtu odrazov je však veľmi zložitá a výsledný odraz neposkytuje obvykle potrebné informácie o tom, do akej miery je geometria uvedeného priestoru vhodná. Pre akustiku uzatvorených priestorov potrebujeme poznať len prvý, alebo druhý odraz.
2, Kritériá akustiky priestorov
Požiadavky na vlastnosti na vlastnosti uzatvorených priestorov budú závisieť na tom, pre aký účel je priestor určený. Napr. v priestoroch slúžiacich pracovným účelom bude potrebné dosiahnuť čo najnižšiu hladinu hluku, v divadelných sálach, učebniach a prednáškových sálach čo najlepšiu zrozumiteľnosť reči. V koncertných sálach a operných divadlách čo najlepšiu kvalitu posluchu hudby. Bola stanovená celá rada kritérií pre posudzovanie kvality posluchu v uzatvorených priestoroch podľa uvedených účelov. Tieto kritériá sa neukázali vhodné, preto sa v súčastnej dobe na základe nových poznatkov usilovne hľadajú kritériá dokonalejšie.
Optimálna doba dozvuku.
Na kvalitu posluchu v uzavretých priestoroch má veľký vplyv doba dozvuku. Pre rôzne spôsoby použitia sál a tiež v súvislosti na ich objem existuje vždy najvhodnejšia doba zvuku, ktorú označujeme ako optimálnu dobu zvuku.
Difúzne zvukové pole.
Okrem už uvedenej optimálnej doby dozvuku má na akustiku miestnosti vplyv tiež priestorové rozloženie zvukového poľa a rozdelenie smeru dopadu zvukových vĺn, ktoré označujeme pojmom difúzia. Z akustického hľadiska bolo by ideálne, keby v ustálenom stave bola intenzita zvuku všade rovnaká. Len vtedy platia všetky vzorce odvodené pre dobu dozvuku.
Nerovnomernosť zvukového poľa je výsledkom vzniku stojatého vlnenia. V priebehu dozvuku sa tieto nerovnomernosti prejavujú väčším alebo menším zvlnením krivky poklesu, ktorá by mala byť v logaritmickom merítku prísne lineárna. Tieto javy sú silnejšie vyjadrené v priestoroch s rovnobežnými hladkými stenami, s veľkými odrazovými plochami, sústreďujúcimi zvuk v prípadoch, keď sú pohltivé materiály sústredene umiestnené.
Zoslabenie týchto nežiadúcich javov sa dosiahne zväčšením počtu odrazov, ktoré sa podieľajú v danom mieste na vzniku akustického poľa. Lepšiu rovnomernosť akustického poľa možno dosiahnuť nerovnobežnými stenami, členením plôch vnútorného priestoru, prestriedaním pohltivých a nepohltivých materiálov na stenách miestností a zamedzením sústreďovania zvuku. Veľmi často sa zväčšuje difúzne pole používaním vypuklých plôch. Dĺžka tetivy plochy musí byť väčšia ako /2 uvažovaného najnižšieho kmitočtu, ak má táto plocha zvuk rozptyľovať. Veľmi rušivo sa môže prejaviť pri snímaní zvuku mikrofónom odrazovosť podlahy. Doporučuje sa preto podlahu pokryť kobercom.
Zmiešanie a ozvena
Vo väčších priestoroch sa môže nepriaznivo uplatniť zmiešanie a ozvena. Vznik oboch týchto javov súvisí so značným rozdielom medzi zvukom dopadajúcim priamo do daného miesta a nevhodným odrazom, ktorého intenzita je tak veľká, že nie je maskovaná nasladujúcim zvukom. Kvalita posluchu sa v oboch prípadoch silne zhoršuje. Rozdiel medzi zmiešavaním a ozvenou spočíva v tom, že pri zmiešavaní počujeme ešte zvuk jediný, ale už pri ozvene sme schopný odlíšiť dva zvuky. Zmiešavanie nastáva, ak časový rozdiel medzi dopadom uvedených dvoch zvukov do uvažovaného miesta posluchu pri určitom pomere ich intenzít prekročí medznú hodnotu.
Hladina rušivého hluku
Jedným zo závažných kritérií, ktoré ovplyvňujú možnosť použitia priestoru pre požadovaný akustický účel je hladina hluku, spôsobeného buď vnútornými zdrojmi-vetranie, žiarivky a pod. Alebo zvukmi prenikajúcimi stenami
3. Akustické materiály:
Pre dosiahnutie dobrých akustických podmienok je okrem iného nutné i uskutočnenie úpravy priestoru, aby bola doba dozvuku optimálna. Tento stav možno dosiahnuť vhodnou voľbou pohltivosti stien a využitím pohltivých materiálov a konštrukcií. Preto je potrebné poznať pohltivé vlastnosti materiálov, z hľadiska pohlcovania zvuku ich rozdeľujeme do troch skupín:
materiály porézne
úpravy materiálov založených na princípe rozonancie
zložené konštrukcie
Mechanika pohlcovania zvuku:
Pod týmto pojmom rozumieme premenu zvukovej energie na energiu inú. Z tohto hľadiska môžeme spôsob premeny zvukovej energie pri šírení v pevných látkach rozdeliť na tri druhy:
premeny vznikajúce trením
Na pohlcovanie zvuku trením sa dobre hodia porézne materiály, v nich sa
zvuk šíri jemnými pórmi a ich celková plocha je značne veľká
premeny vznikajúce poklesom akustického tlaku
Pokles akustického tlaku nastáva v látke, ktorou sa šíri zvukové vlnenie.
V miestach, kde nastane zhustenie častíc, súčasne stúpa celkový tlak, t.j. akustický tlak nadobúda kladné hodnoty. V prípade, že dôjde k zníženiu, zníži sa aj potenciálna energia pôsobiaca v uvažovanom mieste a tým sa zmenší aj energia zvukovej vlny. Iný spôsob zníženia tlaku pri šírení zvuku pevnými látkami, alebo pevnou kostrou inej poréznej látky nastane napr. Ak má prierez pevnej kostry malý priemer dochádza v tomto mieste ku značnému stúpaniu teploty a keďže je látka dobrým vodičom teploty, dôjde k vyrovnaniu teplôt s okolím a tým ku zníženiu tlaku.
3. premeny vznikajúce nepružnou deformáciou telies
K premene zvukovej energie vplyvom nepružnej deformácie telies dochádza u látok, ktoré vykazujú takzvanú hysterezitu. Práca vynaložená na deformáciu je teda väčšia, ako práca získaná pružnosťou telesa pri návrate späť do pôvodného tvaru a ich rozdiely predstavujú úbytok zvukovej energie vplyvom
nedokonalej pružnosti.
Činiteľ zvukovej pohltivosti:
Je bezrozmerné číslo, ktorého veľkosť sa môže pohybovať v intervale od 0 do 1. Stena pohlcujúca zvuk úplne, má činiteľ pohltivosti 1, zatiaľ čo stena, ktorá zvuk odráža, má tento činiteľ rovný 0. Činiteľ zvukovej pohltivosti danej látky, alebo steny je závislý na uhle a kmitočte dopadajúcej zvukovej vlny. K charakterizovaniu látky z hľadiska zvukovej pohltivosti a pre praktické použitie v priestorovej akustike sa lepšie hodí činiteľ zvukovej pohltivosti pre všesmerový dopad zvukových vĺn. Stanovenie tohto činiteľa zvukovej pohltivosti
sa robí v dozvukovej komore.
4. Porézne materiály
Pod týmto pojmom myslíme pevnú látku, v ktorej sa nachádzajú malé dutinky, vyplnené vzduchom. Ich objem je dostatočne veľký a je asi 60% až 95% z celkového objemu látky. Ak má látka dobre pohlcovať zvuk, musia byť póry vzájomne spojené, aby sa zvuk mohol látkou šíriť ďalej.
Materiály využívajúce rezonančný princíp
Sem patria rezonátory takzvaného holmetzovho typu, umiestnené jednotlivo, alebo združené do takzvaných dierovaných panelov. Princíp je v tom, že vytvorená určitá dutina, v ktorej sa nachádza určitá hmota predstavujúca piest. Vlastnosťou vnútorného objemu je poddajnosť. Umietnenie takýchto rezonátorov sa používa v praxi pre pohlcovanie najnižších zvukových kmitočtov.
Ďalej k nim patria takzvané dierované panely. Sú to pevné dosky umistnené v určitej vzdialenosti od steny a opatrené kruhovými, alebo obdĺžnikovými otvormi.
Pritom dutina reprezentuje akustickú poddajnosť a vzduch, alebo porézny materiál v otvore akustickú hmotu.
6. Optimálna doba dozvuku a uskutočnenie akustických úprav:
Z praxe je takmer každému známe, že príliš dlhá doba dozvuku v určitom priestore nepriaznivo pôsobí na posluch hudby i hovoreného slova. Hudba stráca na jasnosti a čistote, je nezrozumiteľná, hovorené slovo tiež stráca na na čistej zrozumiteľnosti.
Napriek tomu príliš krátka doba dozvuku spôsobuje, že najmä hudba znie sucho. Je teda zrejmé, že pre určitý uzatvorený priestor existuje vhodná doba dozvuku, teda optimálna doba dozvuku. Veľkosť doby dozvuku závisí podľa klasickej teórie najmä na objeme uzatvoreného priestoru a na jeho funkcii.
8. Zoznam použitej literatúry a dokumentov
14. Akustická konferencia- Akustika reči a vnímanie zvuku, 1976
Akustická konferencia, priestorová a stavebná akustika, 1975
Akustika reči a vnímanie zvuku- Dezider Nehnevaj- 1976
Technické základy elektroakustickej hudby- Válav Syrový – 1990. Praha
Fyzika II. (Akustika I.) - doc. Ing. Otakar Kutman, Csc. –Ediční středisko ČVÚT, Praha
Fyzika II. (Akustika II.) - doc. Ing. Otakar Kutman, Csc. –Ediční středisko ČVÚT, Praha
Technická dokumentácia Slovenského rozhlasu
7. Obrazová príloha
Obr.1
obr.2
Obr.3
